Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2013
Jay Weitzen, Erin Webster
Electronic Design
Студенты-первокурсники Университета штата Массачусетс, Лоуэлл, обучающиеся по инженерным специальностям, получат практический опыт проектирования благодаря новой программе, в которой используется комплект «lab in a box» (лаборатория в коробке), включающий в себя компоненты, микроконтроллер и плату, а также набор Analog Discovery Kit и программное обеспечение
Сегодня наблюдается стремительный рост количества студентов, выбирающих для себя курсы по научным, технологическим, инженерным и математическим специальностям. Но суровая реальность, как выясняют многие организации и учреждения, может стать преградой на их пути к достижению цели.
В Университете штата Массачусетс (город Лоуэлл) исследование среди абитуриентов, записавшихся на программу «Электроника и вычислительная техника» (Electronics and Computer Engineering – ECE), показало, что менее четверти из них имели какой-либо практический опыт работы над инженерными проектами, включая построение простейших принципиальных схем, работу с вольтметром и паяльником. Такая картина наблюдалась среди любых групп – и среди первокурсниц, и среди жителей городских районов.
Но дело не ограничивается только этими группами. Даже не столь большие вузы в более богатых районах испытывают недостаток в лабораториях для практических занятий из-за нехватки места и высокой стоимости. Ситуация на уровне колледжей не намного лучше, поскольку хорошо оборудованные электроникой лаборатории дороги, требуют больших площадей и, как правило, могут использоваться только во время учебных занятий и сессий, а не во внеучебное время или во время окон в расписании и праздников.
Теория против практики
В связи с отсутствием доступа к лабораториям занятия по основам инженерного дела были только чисто теоретическими. Они не могли заинтересовать студентов, казались скучными, далекими от реальной жизни и отталкивающими от самого инженерного искусства. Они не могли удержать студентов, обучающихся по программе ECE, поскольку их энтузиазм угасал, и, более того, знания, полученные на учебных курсах, терялись.
Тогда ситуацию решено было изменить, дав студентам практические навыки работы над проектом в первый год их обучения, сделав при этом учебу увлекательной, ценной, гибкой и не требующей больших затрат. Но традиционные средства на основе лабораторного стола с измерительным оборудованием и макетными платами для этого не годились.
Вместо этого был выбран другой подход, получивший название «лаборатория в коробке», – полноценный комплект электронных средств, но портативный, удобный в использовании и дешевый (Рисунок 1). С такой лабораторией каждый студент получает свое собственное рабочее место, полностью оснащенное для выполнения индивидуальных проектов.
 |
|
| Рисунок 1. | Эрин Вэбстер (Erin Webster) помогает первокурснице в работе над первым проектом с использованием «лаборатории в коробке», основанной на комплекте Analog Discovery Design Kit и вспомогательных компонентах. |
Это не «виртуальная» лаборатория с симуляцией работы схем на ПК и предполагаемыми результатами. Это реальное лабораторное оборудование, с помощью которого студенты создают базовые схемы, испытывают их, подавая различные сигналы, получают аналоговые и цифровые данные, наблюдают выходные сигналы и анализируют результаты. В дополнение к обработке данных по соответствующим алгоритмам, они могут отображать информацию на двухканальном осциллографе. Это очень хорошая практика для студентов, которые прежде не имели даже понятия о том, что такое осциллограф.
Что может эта лаборатория
Одно дело сказать, что лаборатория в коробке – хорошая идея, но другое – создать такую. Требовалась полнофункциональная лаборатория, которую можно было бы использовать везде, и для которой был бы нужен только компьютер с разъемом USB. К счастью, на рынке нашлось доступное решение (Рисунок 2).
 |
|
| Рисунок 2. | Комплект Analog Discovery Design Kit представляет собой реальный интерфейс ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов. В сочетании с ним компьютер, имеющий разъем USB, превращается в осциллограф, анализатор спектра, вольтметр и генератор сигналов синусоидальной формы. |
Лаборатория состоит из:
- Набора деталей: резисторов, конденсаторов, светодиодов и других базовых компонентов
- Микроконтроллера Parallax «Board of Education» с платой для прототипирования
- Набора Analog Discovery Kit, представляющего собой полную систему анализа, включая двухканальный осциллограф, вольтметр, генератор функций, цифровой логический анализатор и источник питания
- Программного обеспечения для связи всех компонентов в единое целое
Студенты начинают обучение с таких простых вещей, как зажигание светодиода и использование вольтметра для измерения падающего на нем напряжения. На следующем этапе они пишут простую программу для управления переключением одного светодиода, затем двух, и наблюдают на осциллографе соответствующие сигналы. Для большинства студентов такой подход к программированию является новым и, несмотря на их ежедневное времяпрепровождение в Интернете, дает ценный живой опыт.
В ходе занятий студенты набираются опыта, считывая состояния переключателей, управляя небольшими двигателями, исследуя постоянные времени RC-цепей, наблюдая спектры аудио сигналов, создавая коды для генерации тональных сигналов, собирая схемы на транзисторах и операционных усилителях. В программе есть и творческая составляющая, где перед студентами ставится задача, не имеющая готовых рецептов решения.
Чтобы свести к минимуму сложные проблемы, связанные с высокими частотами, большинство проектов основано на низкочастотных сигналах звукового диапазона, однако для содержательных проектов этого более чем достаточно. Студенты интенсивно используют осциллограф, генератор функций и, конечно, источник питания.
Заключение
Когда студенты переходят ко второму году обучения, за их плечами уже имеется опыт использования измерительного оборудования. Они завершили свои реальные практические проекты, написали прикладные программы, работали с аналоговыми и цифровыми сигналами и различными способами анализировали полученные результаты (Рисунок 3). Стоимость подобного обучения одного студента сопоставима со стоимостью учебника, но такой подход гораздо эффективнее.
 |
|
| Рисунок 3. | Второкурсник и первокурсник работают вместе над решением задачи, используя комплект Analog Discovery Design Kit. |
Были обнаружены и другие преимущества «лаборатории в коробке». В других инженерных лабораториях группа из нескольких человек, будь то студенты предыдущих поколений, или сегодняшние, работала за одним стендом. Зачастую при этом только один студент выполнял бóльшую часть работы, в то время как остальные просто наблюдали, а то и вообще ничего не делали. Напротив, новый подход дает каждому студенту гарантию возможности работать над проектом самостоятельно, хотя, безусловно, они могут обмениваться идеями и помогать друг другу в решении проблем.
Портативность и удобство комплектов также означает, что студенты могут использовать их по своему усмотрению в общежитии, библиотеке или дома в любое время дня и ночи и во время каникул. Если студент «застрял» на каком-то этапе, или ему нужно проделать какие-то этапы эксперимента заново, он не станет объектом общественного порицания. Это в корне меняет характер взаимоотношений с преподавателем, поскольку теперь студенты могут просто принести свою работу и показать ему результаты, а также получить необходимую помощь. Это лучше, чем сидеть на лабораторных занятиях, дожидаясь, когда до них дойдет очередь.
Новый тип лаборатории в большей степени совместим с современными ограничениями по стоимости и занимаемому пространству. Он также больше соответствует требованиям студентов 21 века, благодаря тому, что может применяться когда и где угодно, он многофункционален, предлагает индивидуальный подход, прост в установке и настройке и очень удобен.
