Kansas State verbessert Elektronikausbildung mit bahnbrechender Glasfasertechnologie

Traditionelle Physiklabore beschränken Studenten oft darauf, gut etablierte Theorien durch sich wiederholende Experimente zu verifizieren. Dieser Ansatz lässt wenig Raum für die Anwendung von Wissen auf reale technische Herausforderungen. Der Kurs "Physical Measurements and Instrumentation" (PMI) der Kansas State University geht diese Lücke an, indem er die Art und Weise, wie Elektronik und Instrumentierung gelehrt werden, verändert.

Der PMI-Kurs integriert Elektronik, Instrumentierung und LabVIEW-Programmierung in praktische Experimente, die tatsächliche Messherausforderungen lösen. Ein herausragendes Projekt beinhaltet die Messung der Lichtgeschwindigkeit durch Glasfaserkabel – eine Demonstration, die den innovativen Ansatz des Programms verkörpert.

In diesem Experiment verwenden die Studenten NI ELVIS-Entwicklungskarten, um Rechteckwellensignale zu erzeugen, die Laserdioden ansteuern. Das Setup umfasst:

• Eine primäre Laserdiode, die Lichtimpulse durch 2 km Telekommunikationsfaser emittiert
• Zwei Fotodioden, die die anfänglichen und übertragenen Impulse detektieren
• Präzisionszeitmessungen zwischen Detektionsereignissen

Mit der LabVIEW-Software bei 1,25 MS/s Abtastraten zeichneten die Studenten eine durchschnittliche Zeitdifferenz von 10,16 Mikrosekunden zwischen den Fotodiodensignalen auf. Parallele Messungen mit einem Tektronix TDS 210 Oszilloskop zeigten 10,05 Mikrosekunden, was die Methodik validierte. Diese Messungen ergaben eine berechnete Lichtgeschwindigkeit von 2,054 × 10 ⁸ m/s durch die Faser, was einem Brechungsindex von 1,4606 entspricht – im Einklang mit Industriestandards.

Das Glasfaser-Experiment veranschaulicht die multidimensionalen Lernergebnisse des Kurses:

• Erweiterte LabVIEW-Programmierung für Datenerfassung und -analyse
• Schaltungsdesign auf NI ELVIS-Prototyping-Boards
• Statistische Bewertung der Messunsicherheit
• Erforschung von Zeitmessmethoden, einschließlich Schmitt-Triggern und Zählern

Der PMI-Lehrplan entwickelt sich ständig weiter und umfasst neue Untersuchungen, die sich in der Entwicklung befinden:

• Untersuchungen zum photoelektrischen Effekt
• Implementierungen des Franck-Hertz-Experiments
• Röntgenspektroskopie-Anwendungen
• Sättigungsabsorptionstechniken
• Mössbauer-Effekt-Messungen

Diese Projekte zielen darauf ab, die theoretische Physik mit dem praktischen Instrumentendesign zu verbinden und die Studenten auf komplexe technische Herausforderungen vorzubereiten. Zukünftige Erweiterungen werden zusätzliche Datenerfassungstechnologien integrieren, darunter Sample-and-Hold-Schaltungen und fortschrittliche Zeitmesssysteme.

Die Universität hat Längsschnittstudien eingeleitet, um die Effektivität des Programms bei der Erreichung seiner Lernziele zu evaluieren. Diese Forschung wird kontinuierliche Verbesserungen der Struktur und der Vermittlungsmethoden des Lehrplans informieren und die Ausrichtung auf die Anforderungen der Industrie sicherstellen.

Durch die Kombination von rigoroser Theorie mit praktischer Instrumentenentwicklung etabliert der PMI-Kurs der Kansas State University ein neues Paradigma für die Ingenieurausbildung – eines, das die Studenten sowohl mit der technischen Kompetenz als auch mit der Problemlösungsmentalität ausstattet, die in modernen technologischen Bereichen benötigt werden.