Статья

Kathleen_Meehan About The Author
Kathleen Meehan

Лабораторная работа на дому

Разработайте лабораторный курс, и студенты придут к вам, однако им может не хватить места. Но если вы вынесите лабораторные работы за пределы класса, если студенты получат возможность проводить эксперименты, где бы они не находились, если вы снабдите студентов онлайн обучающими материалами, то в лабораторных работах сможет принять участие неограниченное число человек.

Модель обучения "Lab-in-a-Box" была разработана техническим университетом штата Вирджиния по причине острой необходимости. В настоящее время на факультете электронной и компьютерной техники университета лабораторный курс по схемотехнике и электронике проходят примерно 750 студентов в семестр, а общее количество мест в двух лабораториях – всего 32. При 2-3 часах лабораторных работ в неделю – это около 50 занятий. Организовать такой процесс в реальной жизни невозможно по причине недостаточного количества часов в неделе, не говоря уже о бюджете проведения подобных лабораторных работ.

Вместо этого, мы выносим лабораторные работы за пределы класса. Благодаря последним инновациям наши студенты могут использовать свой собственный портативный лабораторный макет, состоящий из комплекта проектирования аналоговых схем и персонального компьютера, у себя дома. Это позволяет гораздо большему количеству студентов испытать невероятные ощущения от практического обучения, выполняя задания лабораторных работ или экспериментируя с собственными схемами по мере роста любопытства. Такая свобода особенно важна в современных условиях. 

Комплект включает в себя мультиметр, осциллограф с интерфейсом USB, генератор сигналов, макетную плату и набор электронных компонентов. Благодаря поддержке ведущих производителей электроники, таких как Analog Devices Inc., стоимость базовых комплектов проектирования аналоговых схем (99-199 долларов) примерно равна стоимости учебника. Возможности комплекта постоянно растут по мере совершенствования оборудования компаниями-производителями. Кроме того, некоторые компании обеспечивают экспертную техническую поддержку и предоставляют бесплатные, доступные в режиме онлайн образовательные материалы для студентов и преподавательского состава. 

Инженерное искусство переживает сложные, но интересные времена. Заглавная статья недавнего выпуска журнала американского сообщества технического образования Prism посвящена внедрению колледжами практических методов в образовательный процесс. Несмотря на различия инициатив, все они ориентированы на то, чтобы помочь студентам ближе познакомиться с инженерной практикой. Наши студенты любят Lab-in-a-Box. Они говорят, что приобретают уверенность в своих инженерных навыках и получают более глубокое представление о концепциях схемотехники и электроники, применяя их в создаваемых схемах и сравнивая результаты реальных измерений со своими расчетами. Строя схемы при помощи реальных компонентов вместо “символов”, используемых в программах схемотехнического моделирования, студенты получают гораздо больше удовлетворения от процесса.

Студенты в восторге от удобства Lab-in-a-Box, поскольку они теперь могут взять комплект проектирования домой. Однако мы не оставляем их полностью наедине с собой. Благодаря гранту NSF мы сопровождаем Lab-in-a-Box онлайн мультимедийными средствами, включая короткие лекции и более 60 обучающих материалов (www.lab-in-a-box.net). 

Технический университет штата Вирджиния также разрабатывает подходы, с помощью которых преподаватели, используя популярные программы передачи речи и видеоизображения, такие как Skype, могут "заглянуть через плечо" своих студентов, когда они проводят эксперименты, выполняют измерения и анализируют данные. Данный тип преподавания позволил нам предложить некоторые из наших лабораторных работ по схемотехнике полностью в режиме онлайн. 

Кроме того, сотрудничая с такими компаниями, как MathWorks и Digilent, мы смогли предоставить нашим студентам возможность освоить полный цикл проектирования. Студенты могут экспортировать данные из осциллографа и сопоставить результаты измерения с результатами собственных расчетов. Подобная визуализация помогает понять причины отличия поведения реальной схемы от идеального проекта и способствует получению интуитивного представления о задачах, стоящих перед инженером.

Онлайн-лаборатория решает некоторые из наиболее сложных проблем технического образования по всему миру. Найти площади под лаборатории сложно практически для любых учебных заведений, но при этом потребность в квалифицированных инженерах и, как следствие, количество студентов растет. А кто может позволить себе построить и оснастить оборудованием новые лаборатории? Наш лабораторный комплект, и другие подобные ему, обеспечивает такую же точность измерения, как и настольное измерительное оборудование, используемое в наших лабораториях, стоимость которого достигает до 10000 долларов за один лабораторный комплект на двух человек. Представьте себе возможности, которые такой комплект дает муниципальным колледжам (техникумам), в которых нет лабораторий вообще. Ценой очень скромных инвестиций они могут внедрить практическое обучение в свои образовательные программы; это крайне важно для студентов, которые планируют перевестись на полноценные университетские программы по электронике и компьютерной технике. 

Более того, многие наши студенты работают или ухаживают за родственниками. Они не имеют возможности для стопроцентного посещения всех занятий, и им сложно выкроить время для полноценной трехчасовой лабораторной работы в своем графике. Проведение лабораторной работы на дому позволяет им пройти все курсы, необходимые чтобы стать инженерами. Дистанционное и онлайн-обучение являются большим подспорьем для техникумов штата Вирджиния, а также для многих других техникумов с двухгодичным обучением по всей территории США, и лабораторные курсы в режиме онлайн с использованием портативных лабораторных комплектов помогают большему количеству студентов впоследствии перевестись в университет для получения технической степени. 

С точки зрения преподавателя портативная лаборатория – это, образно говоря, дар свыше. Большинство технических факультетов не имеют формальных практических занятий в образовательном процессе. Молодые преподаватели, которые только приступают к образовательной деятельности, зачастую сталкиваются с трудностями при обучении и обычно вынуждены сами разрабатывать собственные учебные материалы. Комплект Lab-in-a-Box сопровождается учебной программой и руководством по проведению лабораторных работ, подвергшимся нескольких ревизиям за последние несколько лет, что дает им существенную помощь на начальном этапе. Измученным молодым преподавателям не требуется заново изобретать колесо. Один из наших студентов даже написал программу автоматического проставления оценок за лабораторные отчеты, которая помогает снизить нагрузку на преподавательский состав и позволяет студентам гораздо быстрее учиться на собственных ошибках. Подводя итог можно сказать, что этот комплект прикладного обучения помогает сократить дистанцию между преподавателями и студентами.

Инженерное искусство – это больше, чем абстрактная теория и подстановка чисел в уравнения. На своих занятиях я хочу, чтобы студенты интуитивно понимали, что происходит в схеме. Задавая вопросы такого характера, как "Уменьшается или увеличивается ток, протекающий в цепи, при увеличении сопротивления резистора?", я могу проиллюстрировать ответ на них прямо в аудитории при помощи живой демонстрации. Я использую для этих целей принесенный мной в класс комплект Lab-in-a-Box, или могу попросить студентов построить цепь и самостоятельно проверить, правильно ли они ответили. С помощью таки инструментов, как Lab-in-a-Box, студенты учатся подтверждать свое понимание принципов работы систем на практике, что очень важно, если они хотят стать хорошими инженерами. 

Многие в нашей профессии говорят, что легче сдвинуть горы, чем изменить план обучения техническим дисциплинам. Медленно, но верно мы меняем ситуацию. Практические занятия являются лучшим способом привлечь всех наших студентов к активной работе. Нам нужно продвигаться в этом направлении, и один из наилучших подходов заключается в использовании онлайн-технологий. В конечном итоге мы хотели бы, чтобы многие из наших инструментов были размещены на веб-сайте и стали доступными всех инженерным школам. Это ускорит широкое внедрение практического обучения и поможет всем студентам технических дисциплин получить наилучшее возможное образование.

  • About The Author
  • Kathleen Meehan

Kathleen Meehan is ECE associate professor in the Bradley Department of Electrical and Computer Engineering at Virginia Tech in Blacksburg, VA.