혁신 방법에 대한 강의

본질적으로 학생들이 혁신적인 설계 사고를 할 수 있도록 도전 의식을 고취시키는 프로젝트는 종종 알 수 없는 프로세스나 장치와의 상호 작용을 요구하기도 합니다. 학생들은 이론, 시뮬레이션 및 실험을 통해 미지의 것을 이해하도록 지원 받지만, 현실적으로 이 미지의 것을 복잡한 멀티시스템 환경에 도입하는 프로젝트는 학생들에게 훨씬 더 혁신적인 존재가 되도록 요구하는 경향이 있습니다. 이러한 방식에서 테스트를 설계하기 위해서는 사양, 장비의 한계, 적용되고 있는 기본 개념 등을 이해하고 있어야 할 뿐만 아니라, 외부 요인들과 씨름하고 한 가지 변화가 실험 구성에 어떤 단계적 효과를 미칠 수 있는지에 대해서도 고심해야 합니다.

그림 1: 기본원칙 강의 시리즈의 주제 분배

예를 들어, 버지니아 대학교에서 가르치고 있는, 기본원칙¹이라고 하는 일련의 전기 및 컴퓨터 공학 강의를 채택해 보십시오. 기본원칙 강의는 서로 반복해서 구축하는 하나의 강의에 회로, 전자공학, 신호 및 시스템을 모두 포함하는 전기 공학의 기본원칙을 전달하는 것을 목적으로 합니다. 따라서 연산 증폭기를 개별 주제로 강의하는 것보다, 학생들은 OpAmp에 들어가는 신호와 신호의 특성이 OpAmp의 성능에 미치는 영향을 분석합니다. 학생들은 4개의 입력 가산 증폭기를 만들어, 단순 회로, OpAmps 및 신호에 대해 결합된 지식을 표현하고 프로젝트의 모든 요소를 전체적으로 이해하는 것으로 첫 번째 학기를 마칩니다. 버지니아 대학교는 강의 구조에서 이러한 변화를 도입한 이후, 개념 검사 점수가 15% 증가했고 학년이 끝날 무렵 학생 설계 프로젝트에서 혁신적 성과의 현저한 향상을 보였습니다².

그림 2: UVA 최종 가산 증폭기 프로젝트에서의 기본원칙 I

이러한 방식에서 개념을 가장 효과적으로 분석하려면, 학생들은 실험을 효과적으로 계측하고 분석할 뿐만 아니라 정밀하게 제어할 수 있어야 합니다. 시스템에 대한 입력 내용의 유형 및 동작을 조작하는 능력 또한 학생들의 이해에 중요합니다. NI ELVIS III는 기존의 7가지 계측기를 완전한 사용자 맞춤이 가능한 I/O와 결합하여, 상황에 맞는 접근 방식에서 개념을 완벽하게 구현할 수 있도록 하는 유일한 공학 실험실 솔루션입니다.

그림 3: NI ELVIS III 계기 사양

믿을 수 있고 반복적인 테스트 개발은 학생들에게 그룹으로서 계획을 세우고, 적절한 테스트 단계를 정의하고, 테스트 조건, 테스트의 통과/실패 여부 및 그 이유에 대한 관련 정보에 대해 소통하는 아웃풋을 얻을 수 있도록 합니다. 이러한 반복 가능한 실험에서 학생들은 테스트의 주요 쟁점을 벗어난 요소들을 고려하고 모니터링해야 합니다.

예를 들어, 조지아 공과 대학교의 실험 방법 강의³ 을 채택해 보십시오. 강의에서 설명하는 중요한 개념 중 한 가지는 자유 및 강제 보의 진동입니다. 이 실험에서 학생들은 힘 변환기, 레이저 도플러 속도계를 모니터링할 뿐만 아니라 증폭기 및 신호 조정 전기회로의 정확성을 확인하면서 쉐이커를 모두 제어할 수 있어야 합니다. 강의에서 설명하는 개념은 보의 힘 반응을 측정하는 것 하나지만, 이를 위해서는 다면적 접근 방식으로 한 번에 여러 요소를 모니터링해야 하는 믿을 만한 실험을 개발해야 합니다. 이에 대한 조지아 공대의 해법은 계측과 제어를 모두 실행할 수 있으면서 한 번에 두 명 이상의 학생을 연결하는 접점 역할을 하는 실험실 솔루션입니다. 프로젝트에서 얻은 팀웍과 정교함의 수준이 학생들에게 졸업 후 더 힘든 문제를 가지고 씨름할 때 필요한 자신감을 얻게 할 것입니다⁴.

그림 4: 조지아 공대 ME3057 진동 프로젝트 다이어그램

NI ELVIS III는 계측과 제어를 특수하게 결합하여 이와 같은 실험과 학습 경험을 제공합니다. 학생들은 보를 정밀하게 흔드는 제어기와 쉐이커용 증폭기를 만들어야 하며, 성공적인 실험을 위해서는 힘 변환기에 대한 신호 조정이 안정적이고 정확해야 합니다. 4-채널 오실로스코프와 16-채널 로직 분석기와 같은 계측기를 통해 학생들은 실험 결과의 유효성에 대해 확신을 가질 수 있습니다.

그림 5: NI ELVIS III 제어 I/O 사양

그림 6: 공학 방법

테스트를 설계하고 이 테스트에 사용된 구성요소를 이해하는 과정은 상호 배타적이지 않습니다. 실제로, 공학 설계 과정에는 프로토타입 솔루션을 개발하고, 이를 테스트하고, 결과 및 데이터를 사용해 수정하는 일들이 긴밀하게 결합되어야 합니다. 이러한 단계들 간에 긴밀한 관계를 형성하기 위해서는 설계와 테스트 요소를 결합하는 도구가 필요합니다.

예를 들어, 버지니아 대학교 기본원칙⁵의 세 번째 학기와 마지막 학기를 채택해 보십시오. 최종 프로젝트는 심전도 또는 EKG를 만드는 것입니다. 학생들은 자신들이 3학기에 걸쳐 전기공학 기초 교육에서 쌓은 지식을 사용하여 복잡한 신호, 데이터 획득, 계측 증폭기 및 데이터 처리에 대한 지식을 이해하고 적용합니다. 학생들은 공학 방법을 수행하면서, 깨끗하고 쉽게 이해할 수 있는 신호를 얻는 데 실제로 중요한 것은 자신이 선택하는 추적 길이와 구성요소라는 것을 깨닫게 됩니다. 처음으로 설계를 완료하고 테스트를 마치면, 학생들은 다음과 같은 문제가 있다는 것을 깨닫습니다. 신호는 거의 노이즈와 같으며 예상된 결과가 아닙니다. 이때 학생들은 공학 방법의 '테스트 솔루션' 단계 내에 있고 '브레인스토밍, 평가 및 솔루션 선택' 단계로 되돌아가야 합니다. 학생들은 회로와 시스템의 해당 상황에서 신호에 대한 적절한 이해를 하고 있으므로, 노이즈가 전력 공급장치와 실내 조명의 조합을 통해 유입되고 있다고 결론내립니다. 노이즈를 디지털 방식으로 구현된 FIR 필터에 통과시킨 후, 그 결과를 보고 놀란 학생들을 이를 교수에게 보고할 것입니다.

그림 7: LabVIEW에서 EKG의 출력 파형

공학 방법을 따르고, 디지털 방식으로 요소를 프로토타이핑하고 구현할 수 있는 유연성을 확보함으로써 학생들은 학습한 단원에 대한 프로젝트와 보고서에서 문제를 해결하는 방법을 알게 됩니다.

NI ELVIS III를 사용하면 공학 설계 과정을 따르는 더 많은 프로젝트를 통해 학생들의 도전 의식을 높임으로써 혁신을 가르칠 수 있습니다.

위의 시나리오를 고려할 때, 학생들은 기초적이고 복잡한 여러 주제에 접근할 수 있습니다. 처음에 전통적인 방식으로 모든 구성요소를 다룬 다음, 시간이 허용될 때 이들을 모두 하나의 프로젝트에 결합하려고 하면 시간이 오래 걸리고 학생들을 참여시키는 데 필요한 여건도 부족할 수 있습니다. 대신에, 하나의 강의에서 여러 프로젝트를 거치며 이러한 점을 깨달았다면 학생들은 여전히 도전 의식을 갖게 될 것이고 여러분은 다음과 같이 워싱턴 협정(Washington Accord)⁶으로 식별된 여러 가지 학생 학습 성과에 성공적으로 도달할 것입니다.

(a) 수학, 과학 및 공학 기술 지식을 적용하는 능력

(d) 다학문간 팀에서 기능하는 능력

(e) 공학 기술 문제를 식별하고 수식화하고 해결하는 능력

(k) 공학 기술 실행에 필요한 기법, 기술 및 현대적 공학 도구를 사용하는 능력

• NI ELVIS III에 대한 프로젝트 기반 실험실을 알아봅니다.
• 팀웍을 교실에 적용하는 방법을 배웁니다.