Kansas State rozwija edukację elektroniczną dzięki przełomowi w światłowodach

Tradycyjne laboratoria fizyczne często ograniczają studentów do weryfikowania dobrze ugruntowanych teorii poprzez powtarzalne eksperymenty. Takie podejście pozostawia niewiele miejsca na zastosowanie wiedzy do rzeczywistych wyzwań inżynieryjnych. Kurs Pomiarów Fizycznych i Instrumentacji (PMI) na Uniwersytecie Stanowym Kansas wypełnia tę lukę, zmieniając sposób nauczania elektroniki i instrumentacji.

Kurs PMI integruje elektronikę, instrumentację i programowanie LabVIEW w eksperymentach praktycznych, które rozwiązują rzeczywiste wyzwania pomiarowe. Jednym z wyróżniających się projektów jest pomiar prędkości światła przez kable światłowodowe — demonstracja, która ucieleśnia innowacyjne podejście programu.

W tym eksperymencie studenci używają płyt rozwojowych NI ELVIS do generowania sygnałów fali prostokątnej, które sterują diodami laserowymi. Konfiguracja obejmuje:

• Pierwotną diodę laserową emitującą impulsy świetlne przez 2 km światłowodu klasy telekomunikacyjnej
• Dwie fotodiody wykrywające początkowe i transmitowane impulsy
• Precyzyjne pomiary czasu między zdarzeniami detekcji

Używając oprogramowania LabVIEW przy częstotliwości próbkowania 1,25 MS/s, studenci zarejestrowali średnią różnicę czasu 10,16 mikrosekund między sygnałami fotodiod. Równoległe pomiary za pomocą oscyloskopu Tektronix TDS 210 wykazały 10,05 mikrosekund, co potwierdziło metodologię. Pomiary te dały obliczoną prędkość światła 2,054 × 10⁸m/s przez światłowód, co odpowiada współczynnikowi załamania światła 1,4606 — zgodnemu ze standardami branżowymi.

Eksperyment z optyką światłowodową ilustruje wielowymiarowe efekty kształcenia w kursie:

• Zaawansowane programowanie LabVIEW do akwizycji i analizy danych
• Projektowanie obwodów na płytach prototypowych NI ELVIS
• Statystyczna ocena niepewności pomiaru
• Eksploracja metod pomiaru czasu, w tym przerzutników Schmitta i liczników-timerów

Program nauczania PMI wciąż ewoluuje, a nowe badania są w fazie rozwoju:

• Badania efektu fotoelektrycznego
• Implementacje eksperymentu Francka-Hertza
• Zastosowania spektroskopii rentgenowskiej
• Techniki absorpcji nasycenia
• Pomiary efektu Mössbauera

Projekty te mają na celu połączenie fizyki teoretycznej z praktycznym projektowaniem instrumentacji, przygotowując studentów do złożonych wyzwań inżynieryjnych. Przyszłe ulepszenia będą obejmować dodatkowe technologie akwizycji danych, w tym obwody próbkowania i pamiętania oraz zaawansowane systemy pomiaru czasu.

Uniwersytet zainicjował badania podłużne w celu oceny skuteczności programu w osiąganiu jego celów edukacyjnych. Badania te będą informować o ciągłych ulepszeniach struktury i metod dostarczania programu nauczania, zapewniając zgodność z wymaganiami branżowymi.

Łącząc rygorystyczną teorię z praktycznym rozwojem instrumentacji, kurs PMI Uniwersytetu Stanowego Kansas ustanawia nowy paradygmat edukacji inżynierskiej — taki, który wyposaża studentów zarówno w umiejętności techniczne, jak i sposób myślenia o rozwiązywaniu problemów, potrzebne we współczesnych dziedzinach technologicznych.