שילוב של מודלים פונקציונליים לחינוך הנדסי

החינוך להנדסה דורש יותר ויותר כי התלמידים לעבור מעבר לאבחון רכיבים ומשוואות להבנה עמוקה כיצד מערכות לפעול כמו שלמות מאוחדת.מודל פונקציונלי מציע מסגרת פדגוגית חזקה להשגת שינוי זה. על ידי התמקדות ב-FLT:0 מההנדסה 1FLT 1 מערכת עושה במקום FLT:2howFLT 3 הוא בנוי פיזית, מחנכים יכולים לעזור להבין עקרונות הנדסיים, שיפור בעיות שילוביות לתוך תוכניות הלימודים המודרניות.

גישה זו רלוונטית במיוחד משום שבעיות הנדסיות רבות בעולם האמיתי מוגדרות; הן דורשות ממעצבים לזהות פונקציות קודם, ולאחר מכן לחפש פתרונות.מממאטרוניקה לאנרגיה בת קיימא, היכולת לפרק מערכת מורכבת לתפקודים החיוניים שלה - זרימת אנרגיה, שינויים חומריים, חילופי מידע - היא מיומנות המעסיקים מחפשים באופן פעיל.

מה זה מודל פונקציונלי?

מודלים פונקציונליים היא טכניקת ייצוג המתארת מערכת בלעדית במונחים של הפונקציות שהיא מבצעת. במקום לצייר סכימטי של משאבה, למשל, המודל תופס את הפונקציה "נוזל העברה" עם קלטות ופלטים של חומר, אנרגיה, וסימן. המסגרות הנפוצות ביותר כוללות את מבנה הפונקציה (נקרא גם עץ הפונקציה-means), המודל השחור-box, ואת הבסיס הפונקציונלי של אוניברסיטת סטון ומיזורי.

במודל שחור-box, המערכת מוצגת כבלוק אחד עם כל קלטות חיצוניות ופלטים - אנרגיה, חומרים וסימנים.המבצעים הפנימיים מוסתרים.השקפה ברמה גבוהה זו מסייעת לתלמידים לזהות את המטרה העיקרית של כל חפץ.מכאן, הקופסה השחורה יכולה להיות מפוסקת לתוך מבנה תפקוד: רשת של תת-תפקוד כגון "מניעה אנרגיה להילוך מכני" או "לעביר לדרגה פיזית נוספת."

חוקרים ציינו כי מודלים פונקציונליים מפחיתים עומס קוגניטיבי על ידי מתן אפשרות לתלמידים סיבה להתנהגות לפני הגיאומטריה.על פי מחקר שפורסם ב FLT:0Journal of Engineering DesignveFLT:1, תלמידים שהשתמשו במודלים פונקציונליים יצרו יותר מושגים חדשים במהלך פרויקטים עיצוביים בהשוואה לאלה שהחלו עם פריסות רכיב.זה כי פונקציונליות משחררת את המוח מפתרונות preconceived, פתחה פתרון רחב יותר.

ישנם סוגים מוכרים של מודלים פונקציונליים המשמשים בחינוך:

  • (ב) ,0) מודלים של Black-boxear ModelFLT:1 - אידיאלי עבור בעיות ראשוניות מחלחלות והגדרה של דרישה.
  • (FLT:0Function StructuresFLT:1) (נקרא גם מודלים מבוססי זרימה) - ממפה את הטרנספורמציות של אנרגיה, חומר, אות דרך המערכת.
  • (ב) התפלגות עצים מתפוררות:0 (FLT:0Functional decomposition TreeFLT:1) – התמוטטות היררכית של הפונקציה הכוללת לתפקוד תת-תפקודים, המשמשת לעתים קרובות בהנדסה ערך.
  • (ב) ⁇ :0 ⁇ - ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

על ידי הוראה של וריאציות אלה, מחנכים נותנים לתלמידים ערכת כלים תכליתית שניתן להתאים לדיסציפלינות החל עיצוב מכני לאדריכלות תוכנה.

היתרונות של שימוש במודלים פונקציונליים בחינוך

שיפור חשיבה ביקורתית וניתוח מערכות

מודלים פונקציונליים התלמידים לשאול שאלות בסיסיות: מה צריך המערכת הזו להשיג?מה זרימתם חשובה? איך אנרגיה ומידע נע? לענות על שאלות אלה דורש השקיה אנליטית במקום פשוט לתאר מוצר, התלמידים חייבים סיבה לגבי סיבתיות ואמינות. A 2018 מחקר באוניברסיטת Purdue מצא כי סטודנטים להנדסה ראשונה שנה למד מודלים פונקציונליים הבקיע 23% גבוה יותר על משימות decomposition לאחר מודול רק ארבעה שבועות.

עידוד חשיבה של מערכת-רמה

אתגרים הנדסיים הם לעתים נדירות רכיבים מבודדים; הם מערכות מורכבות של חלקי אינטראקציה.מודל פונקציונלי מקדם נקודת מבט "תמונה גדולה" (כאשר התלמידים מודל של מנוע הרכב היברידי, הם רואים כיצד מנוע ההבעירה הפנימית, מנוע חשמלי, סוללה, גנרטור אינטראקציה באמצעות זרימת אנרגיה וסימן.השקפה הוליסטית זו מפחיתה את הנטייה לקפוץ לפתרון צר (למשל, "יצירת גדול יותר") ללא תופעות לוואי, בהתחשב במשקל חום ובקרת.

עיצוב וחדשנות

מכיוון שמודלים פונקציונליים הם פתרון-ניטרלי, הם מאפשרים לחקור יישומים פיזיים מרובים עבור אותה פונקציה.לדוגמה, הפונקציה "אנרגיה חשמלית" יכול להיות מימוש על ידי סוללה ליתיום-יון, supercapacitor, או מערכת גלגל גלגלים. התלמידים יכולים להשוות חלופות מבלי להינעל לתוך עיצוב ראשוני.זה חופש לטפח יצירתיות ותומכת תהליכי עיצוב קריטורי, שהם מרכזי לחדשנות.

גשרים תיאוריה ופרקטיקה

מודלים פונקציונליים המחברים ידע תיאורטי מופשט - תרמודינמיקה, פיזיקה, תורת בקרה - עם יישום קונקרטי.כאשר סטודנט בונה מבנה פונקציה של מחזור קירור, הם ליישם ישירות את החוקים הראשונים והשניים של תרמודינמיקה לזרמים של חום, עבודה, ו refrigerant. זה הופך תוכן תיאורטי רלוונטי יותר ובלתי נשכח.

פיתוח מיומנויות תקשורת ושיתוף פעולה

מודלים פונקציונליים הם שפה חזותית.סטודנטים עובדים בצוותים יכולים לשתף ולבקר מודלים במהירות, שיפור תקשורת בין-תחומית.לדוגמה, סטודנט להנדסה חשמלית ותלמיד הנדסה מכני יכול להתאים את החשיבה שלהם סביב קידוד פונקציונלי משותף, גם אם יש להם vocabularies רכיב שונה.מיומנות זו חיונית בפיתוח מוצר מודרני שבו צוותי תפקוד צלב הם נורמה.

יישום מודלים פונקציונליים בקוריקולום שלך

התחל מוקדם עם מערכות פשוטות

הכירו מודלים פונקציונליים בשנה הראשונה או השנייה של תוכנית הלימודים להנדסה. השתמש בחפצים יומיומיים - יצרנית קפה, מייבש שיער, או בלם אופניים - כדי להפגין את הגישה השחורה של תיבת הדואר האלקטרוני. בקש מהתלמידים לרשום את כל האנרגיה, החומר, והודעות אותות קלטות ופלטים.זה תרגיל נמוך תופס בונה אמון לפני המעבר למערכות מורכבות יותר.

שימוש בכלים חזותיים ותוכנות דוגמנות

(ה) דיאגרציות חיוניות. Freehand סקיצה על לוחות לבנים פועלת עבור סיעור מוח ראשוני, אך עבור משימות מובנים, השתמש בתוכנה התומכת בדוגמנות פונקציונליות.FLT:0PTC Creo Elements/Direct Modeling ModelingFLT:1 מאפשר לתפקוד -means anotations, בעוד כלי SysML כמו FLT:2IB הנדסה RhsodyFLT: 3 LTs:

עקבו אחרי On Projects

למידה מבוססת פרויקטים מחזקת מודלים פונקציונליים.אסים פרויקט ארוך סמסטר שבו צוותים מעצבים מחדש מוצר קיים או מפתחים מערכת חדשה כדי לעמוד בפונקציה נתונה. לדוגמה, "עיצוב משאבת מים מופעלת אדם לכפר כפרי" דורש מודל של הפונקציה "להרחיק אנרגיה מכנית אנושית ללחץ מים" ולאחר מכן לחקור פתרונות כמו משאבות פיסטון, משאבות אדפמס, או חבלים.

פשטות עם מורכבות מתקדמת

אל תצפו מהתלמידים לשלוט בכל הרמות בקורס אחד. השתמש באפיזוק תלת-שלבי:

  • (בקיצור:0) לליטר 1 (Introductory): ההרחבה השלישית של ה-Black-box Models בלבד.
  • (בקיצור:0) ויקרא 2 (intermediate): מבנים פונקציונליים 1:1 עם עד 10 תת-תפקודים.
  • (FLT:0) לליטר 3 (הקדמה): FLT:1 , קידוד פונקציונלי פורמאלי באמצעות אוטונומיה בסיס פונקציונלי (התאים כחומר, אנרגיה, אות).

הבנה באמצעות רובריק

אססמה פונקציונלית מודלים עם שפשףrics ברורים. .הדמיון של תוויות זרימה, שלמות של פירוק, ויצירתיות במיפוי פונקציות לפתרונות פיזיים. Peer-review שבו התלמידים מבקרים זה את המודלים של השני יכול להעמיק את ההבנה.בנוסף, דורשים הצדקה בכתב עבור מדוע פונקציות מסוימות כלולים או לא נכללים.

דוגמאות לחיקוי פונקציונלי בחינוך הנדסי

רובוטיקה: אינטגרציה חושית-מבצעית

בקורס הרובוטיקה, התלמידים מעצבים את הפונקציות של רובוט מעקב קו.התפקיד הכולל "עקב קו שחור על פני השטח הלבן" הוא מופרש ל"משקל סנסציה", "סימן תהליכים כדי לקבוע סטייה", "תיקון מנוע מטעה", ו"נהגים נהיגה" כל פונקציה קשורה לאלגוריתמים פיזיים: phototransistor (sense), microcontrol (מעבד), מנוע (מנהל) ו- DC-Coreative) מסייע ל-Coreativesto-Coreativestotance (Coreative) לשלוט ב-Coreativesto-cookies (Coreative) ו-D.comtototo-Coreative (Coreative) עם האלגוריתם פונקציונלי (Coreative) עם אותו מודל זה יכול להיות בעל תפקוד שונה (Coreative (Coreative) עם אותו מודל פונקציונלי (Coreative) עם ה-cookies) עם האלגוריתם פונקציונלי (Coreative (Coreative (Coreative) עם הפונקציונלי (Coreative (Coreativesto-cookies) עם אותו מכשיר מכני (Coreative) עם אותו הדבר יכול להיות מתאים ל-cookies) עם האלגוריתם פונקציונלי (Scaracter (Scaract

מערכות אנרגיה: עיצוב מחדש

בקורס אנרגיה בר קיימא, התלמידים מעצבים מיקרוגרידית המופעלת על ידי השמש.הקופסא השחורה מראה "חשמל איטי לכפר מרוחק" עם אי-הרעבה וטמפרטורה מכוונת כמו קלטות, וכוח AC כפלט.מבנה פונקציונלי שובר את "השמש ללא השמש ל- DC אנרגיה", "כוח אחסון" (MPPT)", "אנרגיה של חנות סוללות", "ב- DC ל-AC", ו"עומס לטכנולוגיות מימן מבוססות על תפקוד חשמלי" (חומצה" (חומצה) לעומת אבטחה).

תהליכי ייצור: ניתוח קו אקטיבי

בהנדסה הייצור, מודלים פונקציונליים עוזרים לתלמידים לנתח קו הייצור.הם ממפה את רצף הפעולות - "חלק חיוני", "רכיב מהיר", "מפרקים" כל פונקציה קשורה לתהליך: חגורת העברה (טרנספורט), מערכת הראייה (אועד), בורגר (אועד), חי חיישן לייזר (inspecten) על ידי פונקציות מודל, התלמידים יכולים לזהות בקבוקים (צוואר), ובמקום זאת, להציע תפקוד ארוך יותר), ו-"תחוללעת" (למשל,"לדוגמא) באמצעות תפקודים).

עיצוב רכב: מערכת Brake Decomposition

דוגמה קלאסית היא מערכת ההשבחה ההידראולית במכונית.התפקוד הכולל "מהירות הרכב בבטחה" הוא מוקרן "כוח פדראלי מלחץ הידראולי" "לדחוף לחץ ל caliper", "לחץ בלתי נמנע לכוח חיכוך", "לחץ בלתי נמנע חום", "אי-התמדה", ו"כישלון הנדסי" (פעולת תאורה פנימית)" (מוכיחהמערכת הזו מסייעת להבין את ההתערבות של המכניקה, מכנית, ומניעה, לעתים קרובות, "ה" (מערכת החיסונית" היא "נכשלת" (מערכת הכשל" (מערכת) אם היא גם היא לא נכונה) "נכשלת" (מערכת") אם היא גם כן, "נכשלת" (ה" היא לא נכונה) "נכשלת לחץ מכנית) "נכשלת" (מערכת הנדסה" (מוכיחהפעלת לחץ") ו" (מוכיחה" (אפקטים)".

מכשירים ביו-רפואיים: ונוטרטור מתפקד

בהנדסה ביו-רפואית, מודלים פונקציונליים של אוורור יכול להמחיש את הזרמים הקריטיים של גז, אנרגיה וסימנים שליטה. פונקציות כוללות "אוויר מחוסן", "תערובת חמצן עם אוויר", "לחץ אווירי", ו"נשיפה טריגרפית" תלמידים רואים כיצד כל פונקציה ניתן לממש עם עקרונות פיזיים שונים (למשל, טורבינות לעומת פירעון עבור פעילות גופנית).

אתגרים ושיקולים

התנגדות פשטות

חלק מהתלמידים - במיוחד אלה המוכוונים כלפי מטה-על-ידיים - הפשטות פונקציונלית, מעדיפים לקפוץ ישר לדגמי CAD או ל-Schematics מעגלים. כדי להתמודד עם זה, להדגיש כי מודלים פונקציונליים הם צעד חיסכון זמן: זה מונע עיצובים יקר מאוחר יותר. להראות מחקרים שבהם מודלים פונקציונליים מוקדמים הפחיתו את התחזיות ב-30% או יותר.

זמן רב של קורטיקו

תוכניות הנדסה צפופות.כדי לשלב מודלים פונקציונליים, לשקול החלפת חלק של הוראה קיימת על עיצוב מערכת או גרפיקה הנדסית.מודול של 6-8 שעות הרצאה במשך שבועיים מספיק כדי להציג את מושגי הליבה ולאפשר פרויקט קטן. לחלופין, להטביע מודלים פונקציונליים לתוך קורס עיצוב קסטון שבו התלמידים חייבים לייצר מבנה פונקציה כחלק מדוח העיצוב שלהם.

הבטחת יציבות לאורך מדריכים

אם מדריכים מרובים מלמדים חלקים מאותו קורס, סטנדרטיזציה סביב בסיס פונקציונלי משותף של מסונומיה (Stone & Wood, 2000) מספק אוצר מילים מבוקר לפונקציות (למשל, "טרנסמיט", "בית" "החלק"" וזרימה (למשל, "אנרגיה אנושית", "אנרגיה חשמלית", "אנרגיה חשמלית", "לא" (quid) אימוץ מס זה על פני המחלקה להבטיח שתלמידים יוכלו להעריך מודלים עקביים ולפתח מודלים עקביים.

הערכה אתגרים

מודלים פונקציונליים אינם נכונים / wrong - הם פחות או יותר שימושיים. לפתח rubrics אשר להעריך שלמות, בהירות, תווית זרימה, ואת איכות האמצעים - מיפוי פונקציונלי. השתמש תיקון מודל (למשל, הוא שימור זרימה מכובד) ומודל רוחב מודל (מספר פונקציות נחשב) כקריטריונים. per ו- Self-assesment יכול להשלים את הפחתת.

כלים ומשאבים למחנכים

כמה משאבים מקוונים לתמוך הוראה מודלים פונקציונליים:

  • (FLT:0)עיצוב RepositoryFLT:1 (עיצוב מחדש.org): מסד נתונים של מודלים פונקציונליים למוצרים צרכניים, שימושי בדוגמאות ובפניות סטודנטים.
  • (FLT:0Function-Means Trees in SysMLFLT) 1:1: Tutorials from INCOSE (המועצה הבינלאומית להנדסה מערכות) מראה כיצד לנסח מודלים פונקציונליים בכלים המבוססים על מודלים (MBSE).
  • (ב) [ה]] [ה]: [ה] [ה] [ה]] [ה]] [ה]]] [ה]]], [ה'] [ה']]]][ה']'[ה']'[ה']'[ה']'[ה']'[ה']''''']'[ה']'[ה'[ה']']'''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''
  • (ב) [ה]ב"ה]: [ה]התקדש: [ההעיצוב]: [הופנה מהדף] 3] על ידי פאהל וביתץ' נותר טקסט יסוד.

אפשרויות תוכנה חינם וזולות כוללות את FLT:0 (Google Drawingsph) 1 עבור מודלים מקוונים שיתופיים, FLT:2yEdveFLT 3: 3 עבור פריסת גרף אוטומטי, ו-FLT:4 נסוג.ioph:5 עם ספריות צורה אישית.

מסקנה

מודלים פונקציונליים אינם רק שיטת עיצוב אחרת – זוהי דרך בסיסית של חשיבה המציידת את התלמידים להתמודד עם מורכבות, לחדש ללא הטיה, לתקשר על פני גבולות משמעתיים.על ידי הצגת המושגים מוקדם, באמצעות כלים חזותיים ופרויקטים, וקשיים פיסוליים, מחנכים יכולים להטמיע מודלים פונקציונליים עמוק לתוך תוכניות לימודים הנדסיות.

ככל שהאתגרים ההנדסיים גדלים יותר מחוברים (ערים חכמות, הסתגלות אקלים, מערכות בריאות), היכולת למודל פונקציות באופן מופשט תהפוך אפילו יותר חיונית: להתחיל תרגיל שחור אחד בקורס הבא שלך.להתבונן איך תלמידים עוברים מ"מה זה?", "מה זה משנה?", השינוי הוא הצעד הראשון לקראת ייצור מהנדסים שיכולים לעצב את מערכות הבהירות והיצירתיות.