Университет штата Канзас расширяет образование в области электроники благодаря прорыву в области оптоволокна

Традиционные физические лаборатории часто ограничивают студентов проверкой устоявшихся теорий посредством повторяющихся экспериментов. Такой подход оставляет мало места для применения знаний к реальным инженерным задачам. Курс физических измерений и приборостроения (PMI) в Университете штата Канзас решает этот пробел, преобразуя преподавание электроники и приборостроения.

Курс PMI интегрирует электронику, приборостроение и программирование LabVIEW в практические эксперименты, которые решают реальные задачи измерений. Один выдающийся проект включает в себя измерение скорости света через оптоволоконные кабели — демонстрация, которая отражает инновационный подход программы.

В этом эксперименте студенты используют платы разработки NI ELVIS для генерации сигналов прямоугольной формы, которые управляют лазерными диодами. Установка включает в себя:

• Основной лазерный диод, излучающий световые импульсы через 2 км оптоволокна телекоммуникационного класса
• Два фотодиода, обнаруживающие начальные и переданные импульсы
• Точные измерения времени между событиями обнаружения

Используя программное обеспечение LabVIEW со скоростью дискретизации 1,25 MS/s, студенты записали среднюю разницу во времени 10,16 микросекунд между сигналами фотодиодов. Параллельные измерения с помощью осциллографа Tektronix TDS 210 показали 10,05 микросекунд, подтверждая методологию. Эти измерения дали рассчитанную скорость света 2,054 × 10 ⁸ м/с через волокно, что соответствует показателю преломления 1,4606 — в соответствии с отраслевыми стандартами.

Эксперимент с оптоволокном иллюстрирует многомерные результаты обучения курса:

• Расширенное программирование LabVIEW для сбора и анализа данных
• Разработка схем на прототипных платах NI ELVIS
• Статистическая оценка неопределенности измерений
• Изучение методов синхронизации, включая триггеры Шмитта и таймеры-счетчики

Учебная программа PMI продолжает развиваться с новыми исследованиями в разработке:

• Исследования фотоэлектрического эффекта
• Реализации эксперимента Франка-Герца
• Применение рентгеновской спектроскопии
• Методы насыщения поглощения
• Измерения эффекта Мёссбауэра

Эти проекты направлены на объединение теоретической физики с практическим проектированием приборов, готовя студентов к сложным инженерным задачам. Будущие улучшения будут включать дополнительные технологии сбора данных, включая схемы выборки-хранения и передовые системы синхронизации.

Университет начал лонгитюдные исследования для оценки эффективности программы в достижении ее учебных целей. Это исследование будет информировать о постоянных улучшениях структуры и методов реализации учебной программы, обеспечивая соответствие отраслевым требованиям.

Сочетая строгую теорию с практической разработкой приборов, курс PMI Университета штата Канзас устанавливает новую парадигму инженерного образования — ту, которая вооружает студентов как техническими знаниями, так и мышлением, необходимым для решения проблем в современных технологических областях.