نگاهی به راهکار LabsLand و نسل جدید کلاس‌های عملی دانشگاهی

هزاران مدرسه و دانشگاه در سرتاسر دنیا به دلیل شیوع کووید ۱۹ تعطیل شده‌اند. در پی این تعطیلی‌ها، مربیان و استادان مجبور شدند فرایند آموزش را در فضای آنلاین ادامه دهند و این شرایط، دشواری‌های زیادی را برای آن‌ها به همراه آورد. در یک سالی که از شیوع کرونا گذشت، عدم امکان دسترسی به آزمایشگاه‌ها و کارگاه‌ها یکی از مهم‌ترین چالش‌های آموزش به‌خصوص برای دانشجویان حوزه‌های علم، فناوری و مهندسی (رشته‌هایی که به اختصار از آن‌ با عنوان  STEM یاد می‌شود) بود. برای رفع این چالش گزینه‌های محدودی پیش روی ما است که از جمله این گزینه‌ها روی آوردن به شبیه‌سازی‌های کامپیوتری است. ناگفته پیداست که راهکاری نظیر شبیه‌سازی کامپیوتری در مقایسه با حضور در کلاس‌های آزمایشگاه و کار کردن با تجهیزات واقعی، تجربه آموزشی با کیفیتی را عرضه نخواهد کرد. سال‌ها است که بسیاری از دانشگاه‌ها روی ایده آزمایشگاه‌های از راه دور (remote laboratory) کار می‌کنند، به‌طوری‌که به‌جای حضور دانشجویان در آزمایشگاه و کارگاه، امکان دسترسی آن‌ها به تجهیزات آزمایشگاهی از طریق اینترنت فراهم شود. در این صورت در مواقعی که دانشجو قادر نیست در کلاس‌های حضوری آزمایشگاه شرکت کند، می‌تواند از خانه و با اینترنت بطور زنده و مستقیم تجهیزات و لوازم موجود در آزمایشگاه را بکار گیرد. تجربه‌ حاصل از این راهکار بسیار واقعی‌تر از آن چیزی است که شبیه‌سازی‌های کامپیوتری عرضه می‌کنند. از جمله مراکز آموزشی که روی ایده آزمایشگاه‌های راه دور کار می‌کند، دانشگاه دئوستو ( Deusto) در اسپانیا است. چند سالی است که این دانشگاه پروژه‌ای اپن‌سورس موسوم به  WebLab-Deusto را  به راه انداخته است. استارت‌آپی بنام  LabsLand این پروژه را گسترش داده و استفاده از تجهیزات کارگاهی و آزمایشگاهی دانشگاه‌هایی از نقاط مختلف دنیا را برای مراکز آموزشی تسهیل کرده است (شکل ۱).  

شکل۱ - با کمک بسترهایی نظیر  LabsLand دانشجویان می‌توانند از راه دور به تجهیزات آزمایشگاهی دسترسی داشته باشند.

استارت‌آپ LabsLand

استارت‌آپ LabsLand سعی کرده امکان دسترسی اینترنتی مدرسه‌ها و دانشگاه‌ها به تجهیزات آزمایشگاهی را فراهم کند و حوزه‌های متنوعی از فیزیک و الکترونیک گرفته تا شیمی و زیست‌شناسی را پوشش دهد. دانشجویان و دانش‌آموزان بدون نیاز به نصب هرگونه نرم‌افزار یا در اختیار داشتن سخت‌افزار، فقط با استفاده از مرورگر وب به آزمایشگاه‌ها دسترسی داشته و از راه دور تجهیزات این آزمایشگاه‌ها را برای انجام آزمایش‌های خود به‌کار می‌گیرند. مراکز آموزشی می‌توانند با ایجاد فضای اختصاصی بر این بستر و با کمک سامانه‌های مدیریت آموزش (Learning Management Systems) نظیر Classroom، Moodle، Canvas 

یا Blackboard امکان دسترسی دانش‌آموزان و دانشجویان خود به تجهیزات آزمایشگاهی را فراهم کنند. Pablo Orduña  وLuis Rodriguez-Gil

بنیانگذاران این استارت‌آپ هستند. شاید ایده چنین آزمایشگاه‌های برخطی جدید به نظر برسد، اما گروه تحقیقاتی WebLab-Deusto  بیش از یک دهه است که روی ایده این نوع آزمایشگاه‌های برخط کار می‌کند.  این دو  پس از فارغ‌التحصیلی نیز کار روی این ایده را ادامه دادند و در سال ۲۰۱۵ استارت‌آپ LabsLand که انشعابی از پروژه WebLab است را برپا کردند (شکل ۲). 

شکل۲ - دو بنیان‌گذار استارت‌آپ LabsLand

Orduña در این خصوص می‌گوید: «با این‌که آزمایشگاه از راه دور دانشگاه ما در حال رشد و توسعه بود، اما همچنان نقایصی داشت. این آزمایشگاه نیازمند حمایت فنی و سازمانی بود. » همین باعث شد تا این دو با کمک مادی و معنوی سایر همکاران و با هدف رفع این نواقص و عرضه خدمات بهتر، استارت‌آپ  LabsLand را تاسیس کنند. به گفته Orduña امسال شبکه LabsLand  بیش از ۱۵۰هزار مراجعه از ۱۲۰ دانشگاه را تجربه کرده است.  او می‌گوید: « دانشجویان می‌توانند از راه دور کدهای خود را بارگذاری کرده و آن‌ها را اجرا کنند. می‌توانند سوییچ‌ها را حرکت دهند یا از صفحه‌کلید مجازی استفاده کنند و  بصورت زنده و در زمان واقعی ببینند که در سخت‌افزار  واقعی چه اتفاقی می‌افتد.» LabsLand و دانشگاه‌هایی که با آن همکاری دارند از تجهیزاتی نظیر دوربین‌ها و حسگرها استفاده می‌کنند تا دانشجویان بتوانند با ست‌آپ آزمایشگاه تعامل داشته و بر آنچه اتفاق می‌افتد نظارت کنند (شکل ۳). 

شکل۳ - دانشجو از طریق مرورگر قادر است با تجهیزات واقعی کار کند. در این تصویر نمونه‌ای از آزمایشگاه  FPGA را می‌بینید. 

کاربران برای این‌کار از رابط‌ مبتنی بر وب استفاده می‌کنند که توسط LabsLand طراحی شده است. این شرکت همچنین می‌تواند برای مراکز آموزشی آزمایشگاه‌هایی را برپا کرده و خدمات فنی به آن‌ها ارایه کند. مربیان هم با کمک نرم‌افزارهای تحلیلی کهLabsLand عرضه کرده است قادرند روند کار دانشجویان خود را زیر نظر بگیرند. آزمایشگاه‌های برخط LabsLand به دو طریق در دسترس هستند. در یک کاربرد کاربر می‌تواند در زمان واقعی و بطور زنده با ابزارها از راه دور کار کند و نتایج را ببیند. به‌عنوان مثال در آزمایشگاه روباتیک، کاربر از طریق یک رابط کاربری مبتنی بر وب برنامه‌ای که نوشته‌ است را در روباتی واقعی بارگذاری می‌کند و از طریق دوربین، واکنش روبات به این کدها را می‌بیند (شکل ۴). 

شکل۴ - در آزمایشگاه روباتیک می‌توانید روباتی را انتخاب کنید و برنامه‌ای که نوشته‌اید را از طریق مرورگر اینترنت روی آن بارگذاری کنید و عملکرد برنامه خود را به‌طور زنده ببینید. 

با این حال می‌توان به نوعی دیگر نیز از بستر LabsLand استفاده کرد. به‌عنوان نمونه موسساتی که تجهیزاتی در اختیار دارند می‌توانند از طریق LabsLand آن‌را در قالب آزمایشگاه برخط با دیگران به اشتراک گذارند (شکل ۵).

شکل۵ - دانشگاه‌ها و مراکز آموزشی می‌توانند تجهیزات آزمایشگاهی و کارگاهی خود را از طریق شبکه LabsLand به‌اشتراک گذارند. 

این استارت‌آپ به منظور ایجاد آزمایشگاه‌ها، ابزارهای اپن‌سورس متنوعی عرضه کرده است. 

ایجاد آزمایشگاه

بعد از ثبت نام و دریافت حساب در LabsLand امکان ایجاد فضا برای مرکز آموزشی خود را خواهید یافت (شکل ۶). 

شکل۶ - ایجاد گروه و تعیین آزمایشگاه‌های مورد نیاز.

به هر مرکز فقط یک فضا اختصاص داده می‌شود و مربیان بطور اشتراکی از آن استفاده می‌کنند. کسی که حساب را ایجاد کرده است به‌عنوان ادمین و مدیر شناخته می‌شود. فضای ایجاد شده مشابه چیزی است که در تصویر می‌بینید ( شکل ۷). 

شکل۷ - نمونه‌ای از گروهی که تشکیل شده و دسترسی آن به آزمایشگاه الکترونیک فراهم شده است.

اگر به‌عنوان مثال اسمی که برای آموزشگاه انتخاب کرده‌اید mts است آدرس فضای اختصاص داده شده به شما چنین خواهد بود:

https://mts.labsland.com. این فضا بیشتر برای مدیریت استفاده می‌شود و دانش‌آموزان/ دانشجویان در حالت معمول از طریق ابزارهای مدیریت آموزشی (LMS) نظیر Classroom گوگل بطور مستقیم به آزمایشگاه دسترسی دارند. مهم‌ترین کاری که مدیران می‌توانند در این صفحه انجام دهند مدیریت گروه‌ها و کاربران و ایجاد لینک‌های ویژه به منظور دسترسی دانش‌آموزان/ دانشجویان به آزمایشگاه‌ها و نظارت بر نحوه استفاده از آزمایشگاه‌ها است. به‌طورکلی مدیر این مراحل را طی می‌کند: ایجاد گروه برای هر درس، عضویت دانشجویان/ دانش‌آموزان در این گروه‌ها و برقرار کردن دسترسی گروه‌ به آزمایشگاه‌های مورد نیاز. با ایجاد لینک، کاربران می‌توانند با یک کلیک به آزمایشگاه وارد شوند (شکل ۸).

شکل۸ - نمونه‌ای از رابط کاربری برای ایجاد لینک آزمایشگاه. در اینجا Classroom گوگل به آزمایشگاه برخط لینک شده است.

یک مثال: آزمایشگاه  FPGA

این روزها تقریباً دانشجویان همه رشته‌های مهندسی نیاز دارند تا دانشی نسبی از الکترونیک دییجیتال داشته باشند. در میان مباحث الکترونیک، یادگیری کار با FPGA بعنوان یکی از متداول‌ترین و مفیدترین مدارهای دیجیتال قابل برنامه‌نویسی، اولویت زیادی دارد. اما در حالت معمول آموزش برنامه‌نویسی به زبان‌های توصیف سخت‌افزار نظیر VHDL و Verilog و کار کردن با FPGA چالش‌هایی به همراه دارد. بردهای آموزشی FPGA گران‌قیمت هستند و آموختن زبان توصیف سخت‌افزار تفاوت‌هایی با زبان‌های برنامه‌نویسی معمول دارد. دانشجویان به دلیل عدم دسترسی به بردهای FPGA از نرم‌افزارهای شبیه‌ساز برای آموختن برنامه‌نویسی سخت‌افزار استفاده می‌کنند، اما استفاده از این نرم‌افزارهای شبیه‌ساز تجربه کاملی در اختیار آن‌ها قرار  نمی‌دهد. در آزمایشگاه LabsLand دانشجویان با استفاده از بستر وب و از طریق مرورگر، می‌توانند کدی که نوشته‌اند را پس از آماده‌سازی روی یکی بردهای متصل به این شبکه ریخته و بطور زنده از طریق وب‌کم عملکرد برنامه‌ خود را ببینند. می‌توان از هر دو زبان VHDL یا Verilog برای برنامه‌ریزی سخت‌افزار استفاده کرد.  در این آزمایشگاه برخط، بردهای موجود در سه دانشگاه واشینگتن، میشیگان و دانشگاه ناوارا (اسپانیا) به‌صورت آنلاین در دسترس کاربران قرار می‌گیرند (شکل ۹). 

شکل۹ - یکی از پنل‌های آزمایشی که در پروژه LabsLand برپا شد و مجهز به چندین برد آموزشی FPGA است. هر یک از بردها توسط وب‌کم و از راه دور قابل مشاهده هستند.

هر برد امکاناتی نظیر ده چراغ نشانگر و شش نمایشگر سون‌سگمنت نیز دارد. علاوه بر این به ده سوییچ مجازی و چهار دکمه مجازی دسترسی دارید که می‌توانید از آن‌ها در طراحی خود استفاده کنید. برای برنامه‌ریزی سخت‌افزار مورد نظر به نصب هیچ نرم‌افزاری روی کامپیوتر، تبلت یا تلفن‌همراه نیازی نیست (شکل ۱۰).

شکل۱۰ - برنامه‌ریزی برد از طریق مرورگر امکان‌پذیر است. 

این آزمایشگاه مبتنی برWebLab-Box است. (شکل ۱۱). 

شکل۱۱ - گروه WebLab-Deusto تجهیزات ویژه‌ای نظیر WebLab-Box را توسعه داده است که با کمک آن می‌توان آزمایشگاه‌های الکترونیک را برپا کرد. 

Marco Winzker استاد مدرسه عالی بُن آلمان می‌گوید با استفاده از آزمایشگاه LabsLand قادر است فوراً  دانشجویان را به کلاس آنلاین طراحی دیجیتال بیاورد تا آزمایشات مربوط به این درس را انجام دهند. او نیز از طریق ویدیوکنفرانس آن‌ها را راهنمایی می‌کند و آن‌ها با به اشتراک گذاشتن صفحه کامپیوتر خود آنچه در آزمایشگاه می‌بینند نظیر کد نوشته شده، پیغام‌های خطا و عملکرد مدار را به دیگران نشان می‌دهند (شکل ۱۲).

شکل۱۲ - Marco Winzker آلمانی در کنار تجهیزات آزمایشگاه راه دور  FPGA.

LabsLand راهکاری جالب برای دانشجویانی است که می‌خواهند در خانه بمانند و  برنامه‌نویسی  را روی سخت‌افزار واقعی تجربه کنند. 

LabsLand در دوران کرونا

با گسترش شیوع کووید۱۹، دانشگاه‌های بیشتری خواهان استفاده از خدمات LabsLand شده‌اند. به‌عنوان مثال، استادان دروسی نظیر طراحی دیجیتال به دنبال راه‌هایی بودند تا بتوانند بردهای قابل برنامه‌ریزی FPGA را از راه دور در دسترس دانشجویان قرار دهند. بنابر گفته Rania Hussein از دانشگاه واشینگتن، این دانشگاه به دلیل تعطیلی ناشی از کرونا، مجبور شد کیت‌های آزمایشگاهی را برای دانشجویانی که حتی در کشورهای دیگر زندگی می‌کردند ارسال کند که در مواردی، کیت‌ها در گمرک گم می‌شدند. اما ایده‌هایی نظیر  LabsLand چنین چالش‌هایی را برطرف می‌کند. به گفته او شمار زیادی از دانشجویان مهندسی برق، علوم کامپیوتر و سایر رشته‌های مهندسی چنین خدمات آزمایشگاهی را دریافت می‌کنند. Hussein می‌گوید: «استفاده از راهکاری نظیر آزمایشگاه‌های از راه دور این فرصت را به دانشجویان می‌دهد که در خانه به تجربه‌ای مشابه آنچه در یک کلاس درس واقعی رخ می‌دهد دست یابند.» او برای ترم پاییز کلاس طراحی دیجیتال خود، هشت برد FPGA موجود در دانشگاه را استفاده می‌کند. این بردها از طریق شبکه LabsLand در دسترس دانشجویان هستند. او تجربه موفقی با آزمایشگاه از راه دور داشته است و امید دارد که استفاده از این روش را در ترم‌های آینده هم ادامه دهد. Dominik May استادیار و محقق انستیتوی تحول آموزشی در مهندسی (Engineering Education Transformations Institute)

دانشگاه جورجیا می‌گوید: «حتی پیش از شیوع کرونای جدید، برخی از کلاس‌های مهندسی برق و کامپیوتر،  در کنار آزمایشگاه‌های حضوری، استفاده از آزمایشگاه‌های راه دور‌ را نیز در دستور کار قرار داده بودند.» اما حالا به گفته او چندین واحد آزمایشگاه مربوط به مباحثی نظیر الکترونیک و طراحی مدار و نیز مهندسی شیمی از طریق LabsLand ارایه می‌شوند. به عقیده او استفاده از آزمایشگاه‌های آنلاین راهکاری عالی است که به دانشجویان کمک می‌کند بیشتر با دورکاری آشنا شوند. موردی که این روزها و با تغییر سبک کار کردن، اهمیت زیادی به‌خصوص در حوزه علوم مهندسی پیدا کرده است. 

از دانشگاه برای دانشگاه

در این دوران شیوع کرونا، فضای آموزشی نیز دوران جدیدی را تجربه می‌کند و به جرأت می‌توان گفت این، بی‌سابقه است. در دوران کرونا دانش‌آموزان و دانشجویان در مقایسه با سال‌های پیش، محدودیت‌های زیادی دارند و  در صورت بی‌توجهی، همین محدودیت‌های ناشی از کرونا تأثیر منفی زیادی بر میزان مهارت و کارآزمودگی آن‌ها خواهد گذاشت.  LabsLand مثال خوبی از پاگرفتن ایده‌ای است که نهال آن سال‌ها پیش کاشته شد. ارزش سرمایه‌گذاری بر روی ایده‌ای که شاید ده سال قبل اولویت زیادی نداشت حالا و با گرفتار شدن در شرایط جدیدی که شیوع کووید ۱۹ برای بشر ساخته، خود را نشان داده است. قطعاً در آن سال‌ها کسی پیش‌بینی نمی‌کرد که روزی کلاس‌های آزمایشگاه تعطیل شوند. اما حالا ایده‌ای نظیر  LabsLand به اولویت نخست بسیاری از دانشگاه‌ها و حتی مدرسه‌ها تبدیل شده است و بخشی از مشکلات ما را در حوزه مهم آموزش حل کرده است. این‌جا است که در می‌یابیم سرمایه‌گذاری صحیح روی ایده‌های خوب، در چه موقعیت‌های حساسی به نجات بشر می‌آید