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Kathleen Meehan

把实验室带回家

学生们可能不愿意上课,但要是去实验室,一般都会非常积极。 如果能把实验室搬出教室,设计实验让学生可以在任何地方开展实验,并且提供在线教程以帮助学生完成工作,那么就无需限制可选修实验室课程的学生人数。

指导弗吉尼亚理工学院于数年前开发“盒子实验室”的基本 前提是“出于需要”。 弗吉尼亚理工学院布兰得利电气与计算机工程系(ECE)目前每学期有大约750名本科生选修电路与电子实验室课程,而两间电路与电子实验室只有32个座 位。 每周每名学生要上2-3小时的实验课,这样每周就要安排近50堂实验课并配备相应的教员。 这是不可能的任务,一周中根本没那么多时间,更不用说所有这些实验课的预算。

我们的做法是把实验室搬出教室。 由于近年来的创新,我们的学生可以在家里使用便携式实验工作台——配合个人电脑使用的模拟设计套件。 这一创新使得更多工程专业学生可以体会到动手学习的喜悦,他们不仅能做实验作业,还能在好奇心驱使下设计自己的电路进行实验。 这种灵活性在今天尤为重要。

该套件包括一个万用表、USB供电示波器、带试验板的电 源电路训练器以及电子元件。 在ADI公司等领先厂商的支持下,基本模拟设计套件的成本(99-199美元)与一本教科书相当。 这些公司还在不断改进设备,套件变得越来越好。 此外,有些公司还为学生和教员提供工程设计技巧和免费在线教育资料。

对于工程设计,这是非常困难但又激动人心的时刻。 美国工程教育协会的杂志Prism近期有一篇封面文章报导了大专院校如何把动手学习放进课程编制中。 虽然各种倡议的范围有所不同,但其宗旨都是要激起学生对工程设计的兴趣。 我们的学生喜爱“盒子实验室”。 他们说:把学到的理论知识应用于他们构建的电路,然后将实际测量结果与计算结果相比较,可以帮助他们产生对自己工程设计技能的自信,并加深对电路和电子概 念的理解。 用实际元器件而不是电路仿真程序中使用的“符号”构建电路,无疑会让学生更有成就感。

“盒子实验室”的便利满足了学生们的渴望,因为他们可以把模拟设计套件带回家中。 但是,学生们并不是完全靠自己。 在NSF的赞助下,我们建立了“盒子实验室”在线多媒体学习网站,其中包括一些简短的讲座和60多个教程(www.lab-in-a-box.net)。

佛吉尼亚理工学院还在开发一些途径来让教授“照看”学生开展实验、执行测量和分析数据,例如利用Skype等流行的在线语音视频程序。 此类教学使得我们能够以完全在线方式讲授一些电路实验课。

另外,我们与MathWorks和Digilent等公司合作,确保学生能够完整体验工程设计过程。 学生可以从示波器导出数据,并将测量结果叠加在计算结果之上。 这种视觉效果有助于引导学生找出其电路设计不够理想的原因,并让他们对工程实践有直观的了解。

在线实验室解决了全国工程教育中最令人头痛的一些问题。 实验室空间对于几乎所有大学都是一个大问题,但我们有培养更多工程师的需求。 谁能承担建设和装备新实验室的成本呢? 我们的套件(以及其他类似套件)在表现上不输于电路实验教室中使用的台式测量设备,而一个两人实验台的成本超过1万美元。 想一想,这对于根本没有实验教室的社区大学意味着什么。 只要非常少的投资,他们就能把动手学习纳入课程中,这对于希望转往全日制ECE课程的学生来说非常重要。

而且,许多都是非传统学生,要他们重新安排工作和家庭计 划以修完1学分、3小时的实验课会有困难。 然而,若能在家里做实验,他们就能选修成为工程师所需的课程。 距离和在线学习是佛吉尼亚州社区大学发展的巨大推动力,对于全国许多两年制大学来说也是如此,采用便携式实验套件的在线实验室课程可帮助更多学生选修工程 学位课程。

在教授眼里,便携式实验室称得上是“天赐之物”。 大部分工程专业教员并没有接受过正式的教育实践培训。 新教授们常常要费尽心思琢磨如何教学,一般都得编写自己的教学资料。 “盒子实验室”可以帮助他们跨越那一阶段,因为它带有经过过去几年仔细修订的课程和实验手册。 苦恼的年轻教授们再也不必重新发明轮子。 我们的一名工程专业学生甚至开发了一个实验室报告自动评分程序,它有助于减轻助教和教员的负担,并让学生更快地从错误中学习并成长。 简而言之,动手套件有助于弥补教授们和学生们的短板。

工程设计绝不只是抽象的理论和将数值代入方程式。 在我的课堂上,我希望学生们能够直观地了解电路中正在发生什么。 当我提出“增加这个电阻器的电阻会提高还是降低电路中的电流”之类的问题时,我可以在课堂上通过实时演示得出答案。 我利用带到课堂上的“盒子实验室”或让学生构建电路,检查他们的答案是否正确。 借助“盒子实验室”等工具,他们学会相信并验证他们对系统的理解,这对于打算成为优秀工程师的学生至关重要。

教育界的很多人士都说过:移山易,改工程课程难。 不过,虽然进展缓慢,但我们的努力正在一步一步取得成功。 动手学习是让所有工程专业学生积极参与的最佳方法。 我们需要更多支持,在线方式是达成期望的最佳途径之一。 我们最终的梦想是把许多工具放到网站上,对所有工程院校开放,使动手学习更容易被采用,并让所有学生都能接受最佳的工程教育。

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Kathleen Meehan是美国弗吉尼亚州布莱克斯堡弗吉尼亚理工学院电气与计算机工程系ECE副教授。