Innovatives Entwickeln

Projekte, die Studierende dazu anregen, innovatives Entwurfsdenken anzuwenden, beinhalten oft die Interaktion mit einem unbekannten Prozess oder Gerät. Studierende werden dazu ermutigt, das Unbekannte durch Theorie, Simulation und Experimentieren zu verstehen. Projekte, die das Unbekannte in der chaotischen, multisystemischen Umgebung, in der es normalerweise vorkommt, vorstellen, fordern die Studierenden jedoch in der Regel dazu heraus, viel innovativer zu sein. Der Entwurf eines Tests dieser Art erfordert nicht nur Kenntnisse der Spezifikationen, der Grenzen der Ausrüstung und der zugrunde liegenden Konzepte, die angewendet werden, sondern auch, dass sich die Studierenden mit externen Faktoren auseinandersetzen und verstehen, wie eine einzige Änderung einen Dominoeffekt auf die Versuchsanordnung haben kann.

Abbildung 1: Themenverteilung der Kursreihe „Fundamentals“

Nehmen Sie zum Beispiel die University of Virginia, die eine Kursreihe zu Elektrotechnik und Informatik mit dem Namen „Fundamentals“ (Grundlagen) anbietet.¹ „Fundamentals“ vermittelt die Grundlagen der Elektrotechnik einschließlich Circuits, Elektronik sowie Signale und Systeme in einer Reihe von Kursen, die iterativ aufeinander aufbauen. Operationsverstärker werden also nicht als eigenständiges Thema unterrichtet. Stattdessen analysieren die Studierenden die Signale, die am Operationsverstärker ankommen, und wie diese Kennwerte die Leistung des Operationsverstärkers beeinflussen. Höhepunkt des ersten Semesters ist die Erstellung eines Summierverstärkers mit vier Eingängen, in den das kombinierte Wissen über einfache Circuits, Operationsverstärker und Signale einfließt, um jedes Element des Projekts vollständig zu begreifen. Seit der Umsetzung dieser Änderung in der Kursstruktur hat die University of Virginia einen Anstieg von 15 % bei der Bewertung des Konzeptinventars und eine deutliche Verbesserung der Innovationsqualität der studentischen Entwurfsprojekte am Ende des Jahres verzeichnet.²

Abbildung 2: „Fundamentals I“ an der UVA – Summierverstärker-Projekt

Um Konzepte auf diese Weise möglichst effektiv zu analysieren, müssen die Studierenden nicht nur in der Lage sein, das Experiment effektiv zu instrumentieren und zu analysieren, sondern auch die Art und das Verhalten der Eingaben in das System präzise zu steuern und zu manipulieren, was für den Lernerfolg der Studierenden von entscheidender Bedeutung ist. NI ELVIS III ist die einzige Lösung für technische Labore, die sieben herkömmliche Geräte mit vollständig anpassbaren Ein- und Ausgängen kombiniert und so die komplette Umsetzung der Herangehensweise mit Konzepten im Kontext ermöglicht.

Abbildung 3: NI ELVIS III – Gerätespezifikationen

Die Entwicklung eines zuverlässigen, wiederholbaren Tests fordert die Studierenden heraus, als Gruppe zu planen, Testschritte richtig zu definieren und eine Ausgabe bereitzustellen, die relevante Informationen über Testbedingungen kommuniziert, also ob der Test als bestanden gilt oder nicht und warum. Diese wiederholbaren Experimente erfordern, dass die Studierenden Elemente außerhalb des Testschwerpunkts berücksichtigen und überwachen.

Ein Beispiel ist Kurs ³ für experimentelle Methoden am Georgia Institute of Technology. Eines der wichtigsten gelehrten Konzepte sind Schwingungen eines freien und erzwungenen Strahls. In diesem Experiment müssen die Studierenden in der Lage sein, einen Kraftaufnehmer, einen Laserdoppler-Geschwindigkeitsmesser und einen Rüttler zu überwachen und gleichzeitig die Genauigkeit des Verstärkers und der Signalaufbereitungsschaltkreise sicherzustellen. Obwohl das gelehrte Konzept zur Messung der erzwungenen Reaktion eines Strahls einzigartig ist, erfordert es eine facettenreiche Herangehensweise zur Entwicklung eines soliden Experiments, bei dem mehrere Elemente gleichzeitig überwacht werden müssen. Die Antwort der Georgia Tech darauf ist eine Laborlösung, die sowohl Geräte als auch Steuerelemente offenlegt und als Schnittstelle für mehrere Studierende gleichzeitig dienen kann. Dieser Grad an Teamwork und Raffinesse in einem Projekt gibt den Studierenden das Selbstvertrauen, nach dem Abschluss auch komplexere Probleme anzugehen.⁴

Abbildung 4: Diagramm aus dem Projekt „ME3057 Vibrations“ der Georgia Tech

NI ELVIS III kombiniert Instrumentierung und Steuerung speziell für Experimente und Lernerfahrungen wie diese. Die Studierenden müssen einen Controller erstellen, der einen Strahl präzise rüttelt, aber der Verstärker für den Rüttler und die Signalaufbereitung für den Kraftaufnehmer müssen stabil und genau sein, um ein erfolgreiches Experiment zu gewährleisten. Geräte wie ein 4-Kanal-Oszilloskop und ein 16-Kanal-Logikanalysator geben den Studierenden die Sicherheit, dass die Ergebnisse ihres Experiments gültig sind.

Abbildung 5: NI ELVIS III-Steuerung – I/O-Spezifikationen

Abbildung 6: Die technische Methode

Der Entwurf eines Tests und das Verständnis der darin verwendeten Komponenten schließen sich nicht gegenseitig aus. Tatsächlich erfordert der Entwurfsprozess ein nahtloses Zusammenspiel zwischen der Entwicklung einer Prototyplösung, dem Testen der Lösung und der Nutzung der Ergebnisse und Daten, um Änderungen vorzunehmen. Eine derart enge Beziehung zwischen diesen Schritten erfordert Tools, die die Entwurfs- und Testelemente kombinieren.

Nehmen Sie zum Beispiel das dritte und letzte Semester der Reihe „Fundamentals“ an der University of Virginia.⁵ Im letzten Projekt soll ein Elektrokardiogramm oder EKG erstellt werden. Die Studierenden nutzen ihr Wissen aus drei Semestern Ausbildung in den Grundlagen der Elektrotechnik, um Kenntnisse über komplexe Signale, Datenerfassung, Instrumentenverstärker und Datenverarbeitung zu verstehen und anzuwenden. Diese Studierenden durchlaufen in der Tat die technische Methode, da sie erkennen müssen, dass die Länge der Leiterbahnen und die ausgewählten Komponenten wirklich wichtig sind, um ein sauberes, verständliches Signal zu erhalten. Nachdem sie ihre Entwürfe fertiggestellt und zum ersten Mal getestet haben, stellen die Studierenden fest, dass ein Problem vorliegt: Das Signal besteht fast vollständig aus Rauschen und ist nicht die erwartete Ausgabe. An diesem Punkt befinden sich die Studierenden in der „Testlösungsphase“ der technischen Methode und müssen zur „Brainstorming-, Evaluierungs- und Lösungsauswahlphase“ zurückkehren. Da die Studierenden ein vorbildliches Verständnis von Signalen im Zusammenhang mit Circuits und Systemen haben, schlussfolgern sie, dass das Rauschen durch eine Kombination aus Stromversorgung und Raumbeleuchtung eingebracht wird. Nach Durchlaufen eines digital implementierten FIR-Filters sehen die Studierenden plötzlich die tatsächliche Herzfrequenz und teilen die Ergebnisse ihrer Lehrkraft mit.

Abbildung 7: Ausgangssignalverlauf eines EKGs in LabVIEW

Durch das Befolgen der technischen Methode und dank der Flexibilität, Prototypen zu entwickeln und Elemente digital zu implementieren, erkennen die Studierenden, wie Probleme in ihrem Projekt gelöst werden können, und berichten über gewonnene Erkenntnisse.

Mit NI ELVIS III können Sie Innovationen lehren, indem Sie Studierende mit mehr Projekten herausfordern, die dem technischen Entwurfsprozess folgen.

Unter Berücksichtigung der obigen Szenarien würden die Studierenden mit einer Fülle grundlegender und komplexer Themen konfrontiert. Die traditionelle Herangehensweise, bei der zunächst mit allen Komponenten gearbeitet wird und dann, wenn es die Zeit erlaubt, versucht wird, sie in einem einzigen Projekt zu kombinieren, kann zeitaufwendig sein und den Kontext vermissen lassen, der für die Einbindung der Studierenden erforderlich ist. Wenn dies stattdessen durch mehrere Projekte im Laufe eines Kurses realisiert wird, bleiben die Studierenden gefordert und Sie werden erfolgreich mehrere Lernergebnisse der Studierenden erreichen, die im Washington Accord⁶ festgelegt sind. Diese lauten wie folgt:

a) Fähigkeit, Kenntnisse in Mathematik, Naturwissenschaften und Ingenieurwissenschaften anzuwenden

d) Fähigkeit, in multidisziplinären Teams zu arbeiten

e) Fähigkeit, technische Probleme zu erkennen, zu formulieren und zu lösen

k) Fähigkeit, die für die technische Praxis erforderlichen Techniken, Fertigkeiten und modernen technischen Tools anzuwenden

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