28.3.2020 | Svátek má Soňa


ŠKOLSTVÍ: Živý video-stream ze škol

13.3.2020

Pro “koronavir prázdniny‟ a jiné možnosti vzdálené výuky

Představuji technické možnosti náhradní výuky po dobu „prázdnin‟, které mohou trvat měsíce. Zejména probírám možnost streamování živého videa ze tříd, probírám ale i alternativy. Rád bych k nim rozproudil debatu odbornou, přitáhl pozornost možných poskytovatelů, ale i rodičů a pedagogů, popř. i školství jako resortu.

---

Jsem otcem několika školou povinných potomků. Od epidemie v Itálii mne začala zajímat jejich rizika. Ta a proč státy nyní hromadně zavírají školy jsem již probral v článku Koronavir „prázdniny‟ v Česku? A co školní vysílání přes internet. (6. 3.) Naleznete v něm některá používaná řešení ve světě i zjištění, že uzávěrka škol má leckde perspektivu 2 měsíců.

Vícedětné domácnosti se nyní přemění v uzavřené kotlíky překypující mladistvou energií. Považuji proto za mnohem lepší až nutné mít děti či studenty doma zabavené školní činností, než se planě nudící v ponorkové atmosféře. Druhé vede i k potřebě dětí vyrážet mimo domov a stýkat se s kamarády, což ovšem vytváří právě ta rizika šíření, kterým uzávěra má předcházet.

Zde bych se chtěl zastavit u možností technické náhrady školní výuky s využitím internetu, vyvolat diskusi nejen čtenářů, ale případně i aktérů a poskytovatelů, kteří by byli schopni zajistit technologie v šibeniční lhůtě jednotek týdnů.

Zatím jsem technické možnosti probíral jen v úzkém kruhu. Níže budu prezentovat prozatimní závěry, ke kterým se kloním. Problém nazírám nejen ryze technicky, ale i z hledisek organizačních pro velmi rychlé nasazení a částečně i právních reflexí možné reality.

Jako hlavní možné řešení představuji živý video-streaming ze škol. Další metody zmiňuji rámcově. Nevylučuji, že mohou existovat jiné pohledy nebo návrhy řešení. Rovněž tak mnohá doplnění. Budu rád, když je čtenáři v rámci diskusí u článku popíší, popř. sepíší jako svůj samostatný článek. Stakeholdeři mohou představit své nabídky rovněž konkrétněji.

Rozměr

Pohled jednotlivého rodiče s jeho zkušeností škol jeho dětí se bude poměrně lišit od uvědomění si situace ve velkém, pro celou ČR.

KategorieŽáci (studenti)Třídy (skupiny)Školy
Mateřské školky363 77616 0645 287
1. stupeň ZŠ573 44228 7594 712
2. stupeň ZŠ367 48618 0152 746
Střední vzdělávání celkem420 81419 2251 290
z toho s maturitou:316 69812 8051 077
VŠ studium290 099- (~9 670)- (~1000)
Vyšší odborné vzdělávání18 416778166
Celkem od 2. stupně ZŠ1 096 81547 6885 202

Tab. 1 – Počet žáků, tříd a škol v ČR
(Zdroj: MŠMT Tab. A1.1.3
[údaje za školní rok 2018/19, data za VŠ k 31. 12. 2018 – stav matriky k 21. 1. 2019]; pozn.: počty „tříd‟ a „škol‟ pro VŠ nejsou originálně uváděny, ale extrapolovány jako umělé jednotky z počtu studentů)

Vzhledem k rozměru problému považuji za nutné rozdělit řešení na ta od 2. stupně ZŠ výše a na ta níže. Děti od 2. stupně ZŠ považuji za v zásadě schopné samostatné práce s počítačem, zatímco ty mladší spíše nikoli. Jistě tomu bude individuálně občas jinak, ale rámcově dělení dle mne odpovídá.

Případ mateřských škol spočívá převážně v dohledu a řešení nemá informatický charakter.

Domnívám se, že pro 1. stupeň ZŠ by řešení mohlo spočívat v plošném vysílání stejného obsahu (nikoli nutně pouze přes internet), zatímco pro 2. stupeň a výše by bylo vhodné výuku „customizovat‟ na míru podle jednotlivých škol a tříd v nich. Látka, úroveň i způsob probírání se totiž již budou lišit.

Rozměr či rozsah úlohy lze pak následně shrnout jako souhrnná čísla z tabulky, tj. potřebu obsloužit až 1 097 000 žáků (studentů) ze zhruba 47 tis. tříd (skupin). Průměrná velikost třídy sice vychází na 23 žáků, v praxi mnohých středních škol však je studentů i 30 až 36. Organizačních jednotek „škol‟ je zhruba 5202.

Živý video-stream ze třídy

Za technicky a zvykově nejpřirozenější náhradu tradiční výuky považuji video přenos z původní třídy žáka. Záběr by snímal především pedagoga a zřejmě klasickou tabuli, v lepším případě místo ní kontrastnější whiteboard na vodorovno. Výuka by sice byla jen klasická „frontální‟, ale i mnohé současné webináře či telekonference jsou stále dominantně založeny na takovém zcela jednosměrném přenosu informace. Zpětné chaty slouží jen k drobnému upřesňování a dotazům účastníků.

CDN

Obr. 1 – Schéma video-streamingu ze škol přes infrastrukturu CDN

Tento model je kompromis vůči metodě [video-] konference s ohledem na rozměr problému a co nejmenší nároky řešení na kapacitu sítí.

Datové pásmo

Pro 1 video kanál daného modelu ve zhruba HD kvalitě je zapotřebí průměrná přenosová kapacita 1‑2 Mbit/s. Vychází se přitom z využití nejmodernějších kodeků videa H.264 nebo H.265 a z toho, že snímaná scéna není příliš dynamická.

Síť pro doručování obsahu (Content Delivery Network – CDN)

Video-streaming vyžaduje pro plynulou dodávku existenci sítě pro doručování obsahu (tzv. CDN), rozprostřené vhodně v rámci českého internetu. Pro uvedený počet žáků (přes milion) je zapotřebí vysílací kapacita CDN zhruba 1-2 Terabit/s.

Tato vysílací kapacita je bohužel zhruba 5x vyšší než jsou dosud známé provozy takových vysílacích systémů v ČR.

Model by se musel buď opřít o využití aspoň již existujících CDN v ČR (ukáže-li se to technicky schůdné), nebo by muselo dojít k rapidní implementaci nové CDN. Druhý přístup zahrnuje potřebu dodání a zprovoznění řádově 300 až 3000 serverů (podle volby výkonnosti jednotlivých serverů) rozložených po infrastruktuře různých poskytovatelů internetu, v různých datových centrech. Uvedené množství serverů je následně též nutné vzdáleně spravovat a udržovat v chodu.

Příjem žáky

Video-streaming může být v současnosti již přijímán běžnými prohlížeči (browsery). Žáci by tedy měli disponovat buď osobním počítačem, nebo větším tabletem, popř. příjmem na chytré televizi. V případě místního rušení by měli mít sluchátka. Přípojka k internetu schopná přijímat internetovou televizi, tj. aspoň 5 Mbit/s downlink běžně.

Vysílání školními třídami

V každé třídě je třeba mít instalovánu vhodnou kameru (Full HD nebo 4K), upevněnou na stativu, dále softwarový nebo hardwarový kodér a připojení na školní LAN. Lze-li to, pak řešení kamery by pro snímání zvuku mělo být bezdrátově spojeno s mikrofonem, který pedagog nese na klopě.

Škola by měla disponovat uplinkem s garantovanou rychlostí asi 5 Mbit/s na každou třídu, ze které vysílá. Kupř. škola se 20 třídami (místnostmi) může potřebovat asi 100 Mbit/s uplink. Rezerva nad průměrnou přenosovou kapacitou (1-2 MBit/s) je nutná pro vykrytí nárazových změn komunikace se sítí CDN.

Vyučuje-li škola v ročníku souběžně několik tříd se zcela stejnými osnovami učiva (např. třídy A, B, C), lze uvažovat o jejich sloučení do jedné společné třídy pro účely vysílání. Výhodou je snížení počtu vysílacích tříd (méně zařízení) i kanálů (dostačuje nižší společný uplink). Nevýhodou je zvýšení počtu žáků ve skupině, zhoršení případné interaktivity. Takové opatření odlehčí pouze škole, nikoli síti CDN.

Kamery by měly být schopné vysílat v rozlišení Full HD, 50 fps nebo 60 fps, mít širokoúhlé snímání. Dále ke kamerám níže.

A. Kamery s videostreamingem

Z hlediska nasazení do třídy by nejjednodušší bylo řešení, v němž má kamera možnost videostreamingu již v sobě zabudovánu. Bohužel je mívají spíše jen pokročilé profesionální kamery, ať již videokonferenční nebo obecné, dost často s cenovkou nad 50 tis. Kč. Jejich výhodou je i kvalitní obraz.

B. Jednoduchá kamera a mixážní pécéčko

Při sourcování z řad rodičů žáků do úvahy připadají spíše kamery nižší třídy. Příklady takových kamer jsou Canon Legria HF R88 (aj. entry level camcordery od Sony a Panasonicu atp.), snad kamery GoPro (obojí do 10 tis. Kč), mobil ne starší 2 let se 4K snímáním videa (do 15 tis. Kč), a dále již kamery střední třídy (20+ tis. Kč). Před zejména plošnějším nasazováním je nutné kameru vyzkoušet (!) v daném modelu a osvětlení třídy, zda obrazový záznam vyhoví (vláda vyhlásila zavírku škol dříve než jsem vyzkoušet stihl sám), zda tabule bude čitelná atp.

Výstupy z kamery ideálně HDMI* je nutné zapojit do „mixážního pécéčka‟. Mixážní pécéčko musí mít vstup (sic) pro HDMI*, některé moderní notebooky je mají samy o sobě, jinak je třeba redukce HDMI -> USB pro tento účel, např. Elgato Camlink. Redukci ev. vybírejte i s ohledem na to, aby jistě pracovala se studiovým softwarem (níže).

* Jen signál z GoPro a mobilu je nutno zřejmě softwarově portovat, připojení zde zřejmě přes WiFi.

V mixážním PC je třeba nainstalovat studiový software, nabízí se předně open source OBS Studio. Není-li mikrofon připojen ke kameře, je nutné ho nyní připojit k PC studia a nastavit mu vhodný časový ofset, aby došlo k přesné synchronizaci se signálem videa. U OBS Studia bývá někdy zmiňována nedostatečná spolehlivost, doporučuje se nemíchat signál z více než dvou kamer, což však na počátku zkoušeno spíše nebude. Studio zvládá i funkce kodéru do H.264 a snad i do H.265. Podpora H.265 je ideální z hlediska nejnižší zatížitelnosti sítě CDN, ale může působit potíže na některých koncových zařízeních žáků s nedostatečným „rozkódovávacím‟ výkonem, zejména na mobilech. Souhrnně bude pro H.264 k dispozici násobně více technologií než pro zánovní H.265. Snížit vysílací tok na potřebných 1-2 Mbit/s lze u H.264 mírným snížením kvality.

Prakticky všechny sítě CDN používají zřejmě protokol RTMP pro svůj vstup, který tedy musí být výstupem z mixážního pécéčka.

Nevyhoví-li pro studio zmíněný open souce, Youtubeři často používají software vMix, lze jej v režimu trial vyzkoušet. Další tipy jsou např. zde.

Mixážní PC by provedením asi ideálně byl moderní notebook s větší obrazovkou, postavený na první lavici tak, aby samotný pedagog dobře viděl celou snímanou scénu včetně sebe. V praxi bude z úsporných důvodů zřejmě často nutné použít školní PC, které se již v učebně nachází. Bude nutné vyzkoušet, zda má dostatečnou kapacitu pro obsluhu software studia.

Pozn.: Velmi kvalitně snímat video umí i mnohé zrcadlovky. Setkáváme se u nich však s omezením nejvýše půlhodinového snímání, byť se snad týká jen doby záznamu na SD kartu a nikoli streamingu (nutno ověřit). Zrcadlovky mají ale rozměrné čipy, což spolu s jejich optikou vytváří malou hloubku ostrosti (buď je ostře učitel nebo tabule metr za ním, nikoli obojí současně), tedy kompozice vhodné pro fotografii, ne však pro náš účel. Je třeba hledat řešení spíše s vysokou hloubkou ostrosti, tj. paradoxně s menšími čipy.

Ochrana soukromí a ev. DRM

Vzhledem k charakteru video-relací by tyto měly být spíše koncipovány jako soukromé (tj. nikoli veřejné), určené pouze pro uzavřenou množinu žáků třídy (ev. více žáků sloučených tříd školy). To bohužel vnáší další komplikaci. Nejjednodušší by bylo použít nějaké autentizačně - autorizační řešení s tím, že příležitostný únik takového videa není ovšem technicky zcela vyloučen, ochrana proti zneužití je spíše právní.

Technicky dokonalejší ochranou by bylo využití DRM, tedy takové ochrany, které používají například komerční streamující televize druhu NetFlix, HBO apod. I takové vřazení technologie je možné a představovalo by dokonalou ochranu i technicky, ale může znamenat další komplikaci při vytvoření modelu, ev. i při spouštění relací žáky.

Interakce

Implementačně nejméně náročným doplňkem modelu by byl chatovací systém, kterým by žáci mohli vznášet dotazy vůči pedagogovi.

Do úvahy přichází i speciální webově založené služby pro vznášení otázek jako slido.

Zvláštní televizně streamovací služby

Zvláštní tržní postavení v oblasti streamovaného videa mají nyní především služby YouTube a Facebook Live. Využití některé z těchto platforem by zřejmě usnadnilo vysílání (mnohá video zařízení s rozhraním přímo na služby), ale i příjem (uživatelsky snadné a známé), jakož i organizaci skupin (tříd).

Při využití těchto služeb je třeba postupovat obezřetně s ohledem na ochranu osobních údajů. Není samozřejmé, aby čeští žáci měli povinnost zřizovat si účty u zahraničních komerčních subjektů. S určitou obezřetností by však tyto služby využitelné přesto být mohly a především představovat rychle nasaditelné a spolehlivé řešení.

Je též vhodné jednat s provozovateli a zjistit, zda budou případný provoz schopen zajistit i v případě jeho očekávatelného nárůstu, což není nijak samozřejmé.

Videokonference tříd (skupin)

Školy v zahraničí se někdy pokoušejí realizovat výuku pomocí některé technologie videokonference.

Proti videokonferenčním řešením se namítá, že škálují velmi špatně, zhruba o 2 řády hůře než živý video-straeaming, probíraný výše. I proto jsou zřejmě mnohá videokonferenční řešení omezena jen na zhruba 20 současných účastníků. Tato principiální námitka velmi pravděpodobně znamená, že pokud by se tento model začal využívat ve větším, dnes existující servery infrastruktury se přetíží a model zkolabuje. Uvádí se, že je-li pro CDN výše zapotřebí 300-3000 serverů, tak pro videokonferencing by byl potřeba plnohodnotný server na českém internetu prakticky pro každou třídu zvlášť, tj. cca 50 tisíc serverů!

Zpětný video-kanál od žáků by za mimořádné situace pravděpodobně byl mrháním přenosovou kapacitou, valnou většinu doby nevyužit.

Články ze zahraničí uvádějí i to, že žáci a studenti se zpravidla zdráhají zapínat své kamery, neboť nechtějí, aby ostatní viděli místa jejich domovů či prostor určité intimity. Dle mého právního názoru je k tomu rozhodně nelze ani nutit.

Z uvedených důvodů se domnívám, že konferenční řešení budou případně přijatelná spíše jen na úrovni audiokonferencí, ev. převážně jednosměrné komunikace (viz níže), a pokud bude pak daná konfigurace aspoň trochu dobře škálovat, popř. zajístí-li si škola skutečně garantované a pro sebe dedikované servery, které si bude muset pronajímat.

Nevylučuji, že může existovat přenosově úsporné konferenční řešení zaměřené na výuku, pro nějž má někdo připravené učební materiály, ale nejsem si jeho existence vědom.

Bylo by vhodné získat dobrozdání odborníků, která řešení jsou schopná potřebné funkci zajistit a jaké kapacitní nároky se s nimi přesně pojí, jak jsou zajištěny v ČR nyní a jak mohou být v krátké perspektivě týdnů apod.

Vysílaná (sdílená) obrazovka s případnou audiokonferencí

Z hlediska síťových přenosů je ještě efektivní webinář založený na vysílání obrazovky pedagoga a jeho hlasu, přičemž zpět jde nejvýše audiokonference, nebo chatování. Pedagogové zde musí mít připraveny své prezentace do značné míry předem, zpravidla z nástrojů druhu Power Point, vyexportované do formátu PDF.

Pro zpětnou vazbu buď plná audiokonference, anebo aspoň chatovací konference či jen sběr zpětné vazby. Bývá součástí řešení.

Pro prezentační účely samotné se autorovi osvědčuje aplikace Drawboard PDF (je k mání ze storu Microsoft), mající jako vstup předem připravenou prezentaci v PDF, využitá na pécéčku s dotykovou obrazovkou, ještě lépe na pécéčku ovladatelném stylusem. Aplikace umožňuje zvětšovat prstovými gesty určité části každého slajdu na displeji, zvětšení i posouvat. Umožňuje též obrázky během výuky dokreslovat (více možností poskytuje stylus, základ lze ale i prsty), dozvýrazňovat, aniž by se výklad jakkoli zdržoval.

Volba konkrétní vysílací technologie modelu ani spotřeba kapacity pásma mi není jasná.

Jako kandidát „konferenčních‟ řešení bývá nabízen Microsoft Teams. Ten je dokonce pro školy licenčně nabízen víceméně zdarma, a to v rámci volby Office 365 A1. Co není jasné je kapacita a schopnost zabezpečení vysílání pomocí Microsoft Teams v ČR „ve velkém‟.

Opět by bylo dobře získat dobrozdání odborníků se zkušenostmi vč. znalosti kapacitních nároků a znalosti serverové kapacity, která je v ČR k dispozici, popř. možnosti jejího posílení v řádu dnů až jednotek týdnů.

E-learning

Existují e-learningové technologie, které umožňují organizovat celé kursy formou distančního vzdělávání.

Potíží přechodu na ně v plošném měřítku právě nyní spatřuji v tom, že školy založené vesměs na prezenčním studiu svá curricula v jejich podobě vesměs nemají vůbec zpracované, tím méně odzkoušené. Transformace do jejich podoby by pravděpodobně zabrala mnohem více času než je nyní k dispozici. Školy i žáci by přitom vstupovali do rizika, že se tvorba kurzu nepovede.

Existují-li školy nebo pedagogové se zkušenostmi s e-learningovými systémy, nebo dokonce s hotovými kurzy v nich, mohlo by přesto jejich využití být nyní zajímavé, neboť minimálně mohou saturovat čas žáků.

Identifikaci takových systémů musí zřejmě provést sama pedagogická obec, zejména co do jejich kvality. Technici by měli posoudit nároky těchto systémů na kapacitu sítí a jejich využitelnost při masovějším nasazení.

E-mail, samostudium, formulářové testy

Tato metodologie může být tou, na které vývoj situace mnohdy nejpravděpodobněji skončí. Pedagogové vždy připraví určité materiály ze svých předmětů pro samostudium a rozešlou je emailem. Formulářovými systémy lze případně látku později na dálku procvičit, byť bude záležet spíše na studentech samotných, zda ke studiu a testům přistoupí poctivě.

V každém případě by školy měly získat emailové kontakty na žáky. Pokud je nemají žáci, tak jejich rodiče ano a žákům je lze zřídit dodatečně.

Organizační úskalí

Ať již budou školy používat kterýkoli model, je třeba upozornit na organizační úskalí zajištění. Rozhodnutí o uzavření přišlo náhle, bez přípravy. I v případě, že stát nyní právně vyhlásí nouzový stav, nebude zřejmě žádný státem centrálně řízený projekt schopný být dodání dříve než za 4-5 měsíců. Pro nyní tedy pozdě, snad využitelný pro příští krize.

Pro využití toho či onoho modelu náhrady výuky proto bude nutné získat souhlas pedagogů i podporu rodičů. Pro pedagogy bude jakákoli změna jistě náročná, ale mnohé modely jim ponechávají dobrou účast v činnosti a koneckonců i perspektivu pozdějšího návratu k normálu. Žádný představený model zřejmě není schopen nahradit a konkurovat současnému prezenčnímu systému výuky.

Celkově se domnívám, že řešení se bude muset zprovozňovat spíše soukromoprávními prostředky, a způsoby, tedy i soukromou aktivitou.

Školy mohou mít potíže s financováním. Školní třídy mohou proto potřebovat, aby jim s dodávkou techniky pomohli někteří rodiče, popř. aspoň s jejich financováním. Myslím však, že rodiče nepřijde jednorázová pomoc škole na více peněz než kupř. běžně platí za školní výlet autobusem.

Realizace některých modelů je velmi náročná, zejména mají-li být potenciálně škálovatelné pro rozměr celé ČR.

Na jedné straně je zřejmě nutná účast kompetentních stakeholderů, kteří zajistí vnitřek infrastruktury modelu (např. síť CDN, tvůrci a operátoři serverů), na straně druhé může být potřeba rozsáhle decentralizované ale rychlé činnosti na úrovni každé školy. Jen potkají-li se tyto aktivity vzájemně, bude možné opravdu rychlé zprovoznění některého modelu.

Účelem tohoto článku mj. je, aby stakeholdeři zaregistrovali vzniklé potřeby po zavření českých škol a přišli s návrhy na řešení, která budou schopni zaštítit. Ideálně tak možnosti budou známé a aspoň prodiskutované co nejdříve. Obdobný proces by měl proběhnout na straně škol a rodičů. Bohužel už se vše bude dít již v době uzavření škol.

Věřím, že s mnohými praktickými podněty či zkušenostmi přijdou i zde čtenáři v rámci diskuse článku.

Co dál?

Vývoj směrem k některému modelu bude stát na aktivitách:

- ředitelů škol, jejich jednání s rodiči a probrání s pedagogickým sborem,

- školních rad rodičů, ev. jejich třídních obdob, obecně na aktivních rodičích,

- operátorů CDN ev. jiných systémů.

MŠMT by mělo zvládnout sledovat to, jak se bude náhradní výuka dařit realizovat, které modely jsou úspěšné a které méně. Prostředkovat o tom i mezi školami informace. Mělo by školy v možné míře podpořit. U úspěšných a funkčních modelů může vstupovat i do vztahů s operátory CDN aj. služeb. Zejména v režimu nouzového stavu jsou možnosti právně širší než běžně. Na základě úspěšných modelů může ev. zkusit navrhnout systém centrálněji vytvářený a podporovaný. Realistický výhled realizace takového centralizovanějšího systému odhaduji ale nejdříve na od září 2020.

10. března 2020
Autor je počítačový inženýr, právník a v rámci tématu především rodič








 Neviditelný pes
Toto je DENÍK: do sítě jde obvykle nejpozději do 8.00 hod. aktuálního dne. Pokud zaspím, opiji se, zešílím nebo se zastřelím, patřičně na to upozorním - neboť jen v takovém případě vyjde Pes jindy, eventuálně nikdy.
Šéfredaktor Ondřej Neff (nickname Aston), příspěvky laskavě posílejte na adresu redakce Jiřímu Wagnerovi, redaktorovi NP (nickname JAG). Rubriku Zvířetník vede Lika.