טיפים להעברת שיעורים מבוססי מעבדות בתצורה מקוונת באמצעות כלי MATLAB & Simulink
בפוסט זה ארכז מספר טיפים, יכולות ורעיונות מומלצים המפרטים כיצד ניתן לאמץ סימולציות, אמצעי חומרה חלופיים ומשאבי הוראה נוספים במעבדות לימוד ומחקר, לאור המעבר לתצורת עבודה מקוונת. הפתרונות מוכוונים למרצים וסגל אקדמי אשר מעבירים שיעורים המשלבים עבודה במעבדות, אך אציין כי האינפורמציה רלוונטית כמובן גם לכל מי שמעוניין לשלב פלטפורמות של E-Learning באמצעות MATLAB & Simulink.
השפעות נגיף הקורונה, אשר זימן לעולם כולו אתגרים רבים, לא פסחו על הסקטור האקדמי וניתן לראות כי בתקופה האחרונה אוניברסיטאות ומכללות רבות ברחבי העולם נערכות במהירות למצב של הוראה ולמידה מרחוק (לפחות ברמה ההיברדית, בחודשים הקרובים).
מרצים ומתרגלים רבים החלו להכין את תכני הלימוד לשנה הקרובה, תוך שילוב פלטפורמות מקוונות חדשות ושימוש באמצעי וויזואליזציה (אשר חשיבותם התעצמה רבות לאחרונה), שכן במוסדות רבים לא היה ניתן להמשיך להגיע פיזית לקמפוס ולקחת חלק פעיל במעבדות ובשיעורים הפרונטליים המשלבים עבודה עם חומרה.
במסגרת תפקידי כ- Customer Success Engineer בחברת סיסטמטיקס, בו אני מרכזת את הפעילות של תחום MATLAB & Simulink מול כלל הגופים בסקטור האקדמי בארץ, חשוב לי לשמור על קשר שוטף והדוק עם אנשי האקדמיה (מרצים, מתרגלים, חוקרים וסטודנטים) ולסייע בהפקת המירב מהכלים שלנו.
לאור אתגרי התקופה האחרונה ובהמשך לשיח שלי עם מרצים ומתרגלים במוסדות השונים, ראיתי לנכון להציג ולפרט אודות מספר טיפים ודרכי פעולה שאני בטוחה שיהיו לכם לעזר וייסעו לכם לשפר את חווית הלימוד של הסטודנטים – תוך שימוש באמצעים וויזואלים מגוונים ומקצועיים.
בפוסט זה ארכז את היכולות הקיימות של הכלים בסביבת MATLAB & Simulink אשר יכולים לסייע לכם במסגרת המעבר ללמידה מקוונת, בדגש על שימוש בכלי סימולציה ואלטרנטיבות לאמצעי החומרה המסורתיים. אני סבורה כי שימוש בחומרי ההוראה האיכותיים שהוכנו ע"י מיטב המומחים של MathWorks יסייעו לכם להתגבר על "מגבלת המרחק", לחסוך ולהתייעל מבחינת זמני ההיערכות ועוד.
אחד מהאתגרים העיקריים הנובעים מעצם המעבר ללמידה מרחוק קשור לקורסים אשר משלבים עבודה במעבדות, שכן חלק אינהרנטי מהן כולל יעדים פדגוגיים כגון קידום פעולות חקר מקדימות להבנה מקיפה יותר של התיאוריה, הקניית ניסיון מעשי ("Hands-On"), איסוף נתונים ועיבודם, השוואת תוצאות וביצועים וכו'.
על כן, המעבר לתצורה מקוונת תוך עמידה ביעדים שכאלו אינה טריוויאלית ומצריכה היערכות נוספת.
כיצד אוכל להשתמש בתרגילי המעבדה הקיימים כאשר לסטודנטים אין גישה לחומרה הזמינה במעבדה?
בסביבת עבודה מקוונת, בה אין גישה לאמצעי החומרה השונים הקיימים לרשות הסטודנטים והסגל במעבדות, ניתן להשתמש באמצעי סימולציה ככלי אלטרנטיבי לביצוע שלבי הניסוי (החל משלב התיאוריה ועד לשלב הפקת התוצאות הסופיות). Simulink ו-Stateflow מספקים סביבה גרפית סימולטיבית אשר יכולה לסייע לכם ביצירת קורסי מעבדה ווירטואליים בתחומי מגוונים, כדוגמת תקשורת אלחוטית, עיבוד סיגנלים ועוד.
בצילום המסך המופיע מטה ניתן לראות דוגמא פשוטה היכולה להשתלב בשיעורים המתמקדים בנושאים כגון פעולות אינטגרציה, משוואות דיפרנציאליות או עקרונות מתחום המכניקה:
כמו כן, Simscape מספקת אפשרות למדל ולדמות מערכות פיזיקליות מולטי דיסציפלינריות לצורך הצגת מערכת הנדסית שלמה באופן סכמטי. לדוגמא, ניתן למדל מערכות פיזיקליות כדוגמת מנוע DC בשילוב בקר PWM, מערכות belt & pulley או זרוע רובוטית על ידי חיבור קומפוננטות קיימות כדוגמת נגדים, מגברי שרת, מנועים, קפיצים, משאבות ועוד.
יש לציין כי על אף שביצוע סימולציה בלבד אינו מהווה תחליף אבסולוטי ללמידה מעשית המשלבת שימוש באמצעי חומרה, המשובים אשר התקבלו מסטודנטים עד כה היו חיוביים מאוד והראו כי הפלטפורמה המקוונת הגבירה את תחושת הבטיחות שלהם בעת הניסוי (אין סיכון לפגיעה בציוד או חלילה לפגיעה בגוף) וכן נתנה להם חופש פעולה בבחינת מצבים שונים ללא מגבלות פיזיקליות (אשר היו יכולות להגביל את היקף הבדיקות בתצורה עבודה שאינה ווירטואלית).
האם ניתן להשתמש בחומרה הזמינה בבית על מנת לשפר ולחזק את שיטות הלימוד שלי?
ייתכן ולסטודנטים תהיה כבר גישה לחיישנים מסוימים הקיימים בסמארטפונים האישיים שלהם או בלפטופים (כדוגמת מצלמות, מדי תאוצה, מגנטומטרים וכו'). ניתן לנצל זאת ליצירת פרויקטים מעניינים, למשל תוך שימוש ב-MATLAB Online לאיסוף הנתונים ממכשירי iOS או Android ופיתוח פרויקטים כמו מד-צעדים או מסווג אובייקטים ביתיים.
כמו כן, ניתן להשתמש בדוקומנטציה המפורטת שנכתבה ע"י מומחי MathWorks וזמינה באתר כבסיס לפרויקטים שלכם (למשל סיווג תמונות, מעקב פנים ואנליזות במישור זמן-תדר).
במקרים אחרים, מוסדות אקדמיים העמידו לרשות הסדטונטים אמצעי Low Cost Hardware.
MATLAB מתממשק עם אמצעי חומרה מגוונים, כדוגמת Arduino ו- Raspberry-Pi, השכיחים בפרויקטי סטודנטים. כיום ישנן חבילות ייעודיות (Hardware Support Packages) אשר ניתן להשתמש בהן בשלבי האימפלמנציה השונים, בדיוק לצרכים אלה.
דוגמא נוספת: Arduino Engineering Kit. מדובר בערכה מקצועית הכוללת את כלל רכיבי החומרה וחומרי הלימוד אשר יסייעו לכם ללמד עקרונות יסוד בתחומי הבקרה והרובוטיקה, מידול מערכות, עיבוד תמונה ואות ועוד.
מוסדות אקדמיים רבים בעולם מאמצים את השילוב של ערכה זו בפרויקטי גמר, מעבדות וכו'.
רכיבי ערכת הארדואינו המשמשת ללימוד עקרונות הנדסיים
תוך שימוש בפלטפורמת MATLAB & Simulink
כיצד ניתן לשלוט על האינפורמציה המשוקפת לסטודנטים במודלים (למשל, להסתיר קטעי קוד מסוימים)?
בעת ביצוע ניסוי במעבדה, המנחים מספקים לסטודנטים מגוון קלטים למערכת ממודלת כלשהי ומצופה כי הסטודנטים ינתחו את המידע המתקבל, יישמו עקרונות תיאורטיים מתחומי דעת שונים ויקבלו פלטים בהתאם למצבי המערכת.
על מנת לעמוד על אופן התנהגות של מערכת מסוימת, יש לקחת בחשבון את ההשפעות שהיינו מתמודדים איתן לו היינו עובדים בסביבה שאינה ווירטואלית, כדוגמת השפעות של חיכוך או השראות (שאותן היינו מוסיפים למודל הפיזי במעבדה כדי להתקרב כמה שיותר למערכת האמיתית). במצב כזה, אנו לא רוצים לספק לסטודנטים את האינפורמציה הזו בתחילת הניסוי, אלא המטרה היא שהם יוכלו לזהות זאת בעצמם.
Simulink Coder מאפשר לנו לבצע זאת ע"י הגנה על חלקים נבחרים במודל שלנו. ניתן לראות דוגמא אותה שיתף פרופ' מאוניברסיטת מסצ'וסטס, המפרטת כיצד השתמשו בגישה זו במעבדה מתקדמת במסגרת המעבר ללמידה מרוחקת.
כיצד הסטודנטים שלי יכולים ליצור ולהגיש דו"חות מעבדה?
ניתן להשתמש ב- Live scripts אשר משלבים קטעי קוד, גרפים, וויזואליזציות, בקרים אינטראקטיביים וטקסט מעוצב, על מנת להציג את הנרטיב של הפרויקט ("לספר את הסיפור" מקצה לקצה, בפלטפורמה אחת מרוכזת).
בנוסף, שימוש ב-Tasks בסקריפטים הנ"ל מאפשר לסטודנטים לבצע תהליכי עיבוד נתונים באופן אינטראקטיבי ולקיים אינטראקציה שוטפת עם המנחים בעת העבודה על הפרויקט.
ניתן להסתיר את קטעי הקוד כדי להדגיש את התוצאות בלחיצה אחת (ולחזור למצב קודם באותה הדרך). אתם מוזמנים לעיין במגוון הרב של הדוגמאות הקיימות ב-Live script gallery.
חלק מהמרצים מעודדים את הסטודנטים אף להגיש אפליקציות אשר משקפות את תהליך העבודה, שלבי האלגוריתמיקה והתוצאות הסופיות של הפרויקטים. כלי ה-App Designer מאפשר לסטודנטים ליצור אפליקציות מקצועיות באמצעות ממשק גרפי פשוט, נוח ואינטואיטיבי למשתמש.
את הסקריפטים, האפליקציות והמודלים של הסטודנטים ניתן להגיש באמצעות MATLAB Drive. הסטודנטים כמובן יכולים גם לעבוד עם פרויקטים כדי לארגן את עבודת הצוות שלהם טרם ההגשה.
כיצד אני יכול להשתמש ב-Simulink כסביבה משלימה בתהליכי הלימוד?
הסטודנטים יכולים לרכוש כישורי יסוד באמצעות קורסי המבוא החינמיים באתר של MathWorks (כדוגמת Simulink Onramp, Stateflow Onramp), הניתנים לביצוע בקצב אישי ובכך להיחשף למושגי בסיס רבים, להתנסות בבניית מודלים ואף לקבל תעודה בסיום הקורס.
מקור נוסף להעשרת הידע בהקשר זה הינו הדוגמאות והסרטונים המושקעים שהוכנו ע"י מיטב המומחים ב-MathWorks, אשר מציגים תהליכי עבודה טכניים מלאים עבור קשת רחבה של יישומים.
** פוסט זה נכתב בהשראת הפוסט של Div Tiwari מהנדס בחברת MathWorks, אשר פורסם בפלטפורמת הבלוגים Medium.
So I took my time to read the entire post and i totally agree with every statement you made. I have to say I love this blog and will always visit again.