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Kenneth Connor

每一天都是实验日

我不再讲课, 不再开展通常意义上的讲课, 但我却第一次体会到了教学原来是如此有趣。

在家里,如果我有了一个关于我的电子仪器仪表课的想法,我就会将移动工作室I/O板插入笔记本电脑,建立一个电路活动,录制讲座,添加书面作业和/或PSpice仿真,这样一切就完成了。 我不必等到抵达学校并在我的实验室找到空闲时间后再做这些。 我甚至能要求助教、以前的学生或另一所大学的同事提供反馈意见。 学生们可以在任何地方开展实验,我可以在任何地方工作,我还能从任何人那里获得帮助,因为我们全都拥有同样的一套简单、移动式学习工具。

学生们听到的讲课内容跟我亲自讲授的内容完全相同,但重点是用所学知识做事,而不是被动地坐在那里看别人演示。 当我们见面开展两小时的讨论会时,他们已经听完了讲座,画出了电路图,并且完成了一些计算。 他们已准备好在其自己的课桌上构建和测试电路,甚至可能已在家中完成部分活动。 录制的讲座成为学生可资参考的又一个工具,帮助他们一步一步完成实验。 我有一位朋友任教于犹他州的一所大学,她的学生如果不能证明已看过讲座,就不得进入她的电磁学理论课堂。学生们必须带上我们很多人所说的“门票”,证明他们做过阅读和相关作业。 全部意义就在于要善加利用课堂时间。

学生在家里或校园实验室完成实验后再来到课堂,就能更好地解释他们做了什么,为什么他们认为该方法是正确的,以及遇到了哪些问题。 最棒的是,无论学生在哪里做,其学习体验都涵盖了完整工程设计周期的所有关键方面。 传统书面计算、仿真和实验相结合,形成一个实用的系统模式,使得学生可以更像一名实习工程师那样思考和工作。

在RPI,我们把这种动手实践的教学方法称为“移动工作室项目”(mobilestudioproject.com)。 该理念的原型是RPI之前的工作室课堂,这项工作让ECSE系获得了2001 ECE系主任协会创新课程奖。 工作室课程将所有活动整合到同一设施中完成,不再分别开设讲座、问题讨论会、报告会、计算机实验和传统实验课。 这样,每一堂课都可以引入动手体验。 2000年以前,工程教学与实践严重脱节。 实验课常常不是与理论课排在同一学期,甚至可能要到大学四年级才有实验课。 这与现实世界显然完全不同,在现实世界里,我们一般是先做实验,再去阅读文献以了解更多信息。

因此,在上世纪90年代,RPI建立了一些极为出色但非常昂贵的设施,每个座位大约1万美元,称为“工作室课堂”,目的是把多种工程活动融入一间装备精良的教室。 每个工作站都有一整套实验设备、一部台式电脑和用于做笔记、手工计算的桌子。 从引入一个主题到完成书面作业、仿真和实验是循序渐进的,中间穿插小组和一对一讨论。 讲课时间可能是一小时或十分钟,之后学生们就会动手尝试。 很多时候,一堂课是从演示或动手活动开始,边做边讲。

这太有趣了,我非常喜欢。 我们以为我们开创了新的教学方式。 但是,采用这种模式的工程院校非常少,因为其成本高昂,而且多数教室只能容纳30到40人,不允许轻易增加学生。 我们的选修人数越来越多,但我们无力接纳那么多学生。 该模式不具扩展性,即使对我们也是如此。

随着笔记本电脑时代的到来,我们意识到我们不需要特别的工作室。 除了那些需要使用实验室设备的活动,其他活动都可以借助笔记本电脑实现, 只需要想办法给学生的笔记本电脑增加相应的功能。 我们尝试了各种现有方案,大多数都涉及到某种价格低廉的数据采集板,但要么它们没有我们需要的功能,要么成本太高。 学生和教员很难大规模采用任何成本超过一本典型教科书的东西。 因此,我们发现我们处在一个神奇的十字路口,在这里,已经可以想象每名工程专业学生都有自己的个人移动电子实验室的美好景象。 接下来,我们在全球范围内坚持不懈地寻找电子行业的新产品——它应具有更好的性能和更低的成本,能够提供我们需要的基本构建模块集。 最终,Don Millard(当时的移动工作室项目领导人,目前在NSF领导新的大学生教育转型工作)的出色才能和远见卓识,其学生Jason Coutermarsh(现在ADI公司工作)的卓越创造力,行业领导者ADI公司及其研究员Doug Mercer (RPI '77)的大力支持,以及NSF对RPI开发团队(Howard和Rose-Hulman)的多年资助,形成独一无二的大学、产业、政府三方合作关系,打造出“移动工作室”(Mobile Studio)并在教室里进行过全面测试,使得激动人心的新型教授方法成为可能。 我们的“移动工作室项目”套件包括硬件和软件,能够提供装有仪器的工作室课堂通常具备的实验室功能,如示波器、函数发生器、电源DMM等。 最新版的硬件(现由ADI公司供货)成本约为每名学生150美元, 便宜到足以让每名工程专业学生都拥有自己的电路板。 如果要他们分享,他们肯定会有意见。

因此,现在我们能在任何像样的教室推行工作室方法。 最重要的是,通过阿尔伯尼大学考试评估协会的广泛评估,我们已经证明,使用移动工作室的学生进步非常明显,家庭作业分数更高。 学生可以将自己的想法付诸实践,做出一些东西,让自己感到满足,在我的课堂上还可以加分。 即使平常不善于分析的学生,也能走完整个过程,做出一个有效的滤波器等电路。 这种教学方法与工程师的工作方法更接近,允许学生从他们最擅长的地方着手建立理解,而不是局限于传统教室中使用的有限选择。

一旦学生们能在家里做实验,就会开启我们从未想过的可能性。 从不做实验的课程,现在也可以做实验。 例如,选修Rose-Hulman电路入门课程的机械和土建工程主修生可以通过时长20分钟的微型实验学习电路。 现在还可以要求学生做硬件作业。 他们也可以鼓捣自己的项目。

正如前面所说,如果我在家里有一个想法,我只需设置移动工作室,建立电路,看看会有什么结果。 我不必等到去教室后再做。 这就是工程教育发展的方向。 移动工作室I/O板之类的产品日益增多,使得新的教学模式成为可能,目前的教学方法将被彻底改变。 我可能再也不需要站在讲台后面了。

我对此感到高兴。
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Kenneth Connor是纽约特洛伊伦斯勒理工学院电气、计算机与系统工程系教授兼移动工作室项目总监。