שימוש בשטות של גרמונים כדי ללמד מושגים מהנדסים בצורה יעילה

הקדמה: למה לחסום דיאגרמות משנה בחינוך להנדסה

הנדסה היא שדה בנוי על מערכות - מעגלים חשמליים, לולאות בקרה, קישורים מכניים, רשתות תקשורת ואדריכלות תוכנה.הוראת מערכות אלה דורש ביעילות יותר ממשוואות וטקסט; התלמידים חייבים להבין כיצד רכיבים אינטראקציה, שבו אותות לזרום, וכיצד כל מתנהגת.בלוקים.בלוקים הם דיאגרמת הנדסית של פדגוגיה הנדסית בדיוק כי הם הופכים יחסים מופשטים לתוך בטון, תצוגות מרחביות כאשר הם משתמשים במכוון, עומס קוגניטיבי, ומגבירים, את התבנית האפקטיביים, כדי לחקור את התבנית הטובה ביותר, ואת התבנית הטובה ביותר, כדי לחקור את התבנית המעשית, בין דפוס התכנון, לבין עיצובית, לבין דפוס התכנון, באופן יעיל.

מה הם חוסמים דיאגרמות?

דיאגרמת בלוק היא schematic ברמה גבוהה המייצגת מערכת באמצעות בלוקים מלבניים עבור רכיבים וחצץ או שורות לחיבורים.בניגוד ל-Schematics מעגלים מפורטים או טביעות אצבע מכניות, חוסמת דיאגרמות בכוונה או הנחות ספציפיות ברמה נמוכה (ערכים מנוגדים, יחסי הילוכים) להתמקד בהיבטים פונקציונליים של מהנדסים להשתמש בהם כמעט בכל משמעת: מערכות בקרה להראות נתיבים, הנדסה, מודולים מתארת מודולים, ויודעים של חומרים, אך לא משקף "מסנן" הוא סימן" הוא "מסנן" או "מתאים" (אך" (אך" (אך" (אך" (אך" (cookies) הוא "מסומים) כדי להתמקד בגרסאות עיבוד" (cookies) כדי להתמקד בפרטים פונקציונליים) כדי להתמקד ב-" (אך" (אך" (cookies) כדי להתמקד ב-cookies) כדי להתמקד ב-cookies) כדי להתמקד ב-cookies) כדי להתמקד ב-cookies) כדי להתמקד ב-ידי הפשטות).

ישנם מספר גרסאות נפוצות:

(ב) ,0) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) ,0) חסימות דיאגרמות של חסימה (FLT:1) - להתמקד ברצף הפעולות או תנועת הנתונים.
(FLT:0) אמינות חוסמת דיאגרמות של ההרחבה 1 - מראה מקבילה וסדרה נתיבים לניתוח תלות במערכת.
(ב) ,0) ייצוגי שטח-מדינה-מרחב (FLT:1) – משתמשים בלוקים כדי לציין את המשתנים הממלכתיים ואת נגזרותם.

למרות הבדלים אלה, הדקדוק הליבה נשאר זהה: בלוקים מייצגים תהליכים או רכיבים, קווים מייצגים יחסים, ואת כל הדיאגרמה מספר סיפור על סיבה ותוצאה.

מדע קוגניטיבי מאחורי למידה חזותית עם בלוק דיגרמה

[ה] דיאגרמות יעילות לא במקרה אלא משום שהן תואמות את האופן שבו המוח האנושי מעבד מידע.התיאוריה הדו-שיחתית, המוצעת על ידי אלן פאביו, טוענת כי אנשים שומרים חומר טוב יותר כאשר הוא מיוצג הן מילולית והן מבחינה ויזואלית: תרשים מקודש את אותם מערכות יחסים לוגיות כמו פסקה של טקסט, אך הפריסה המרחבית מאפשרת למוח לתפוס את המבנה לפני הצלילה לפרטים של ריצ'רד מיי:

בחינוך הנדסי, שבו תלמידים צריכים לעתים קרובות לגוון מספר מופשטים (משוואות אדישות, יציבות משוב, תגובה תדירות), דיאגרמת בלוק מאורגנת היטב פועלת כ"חפץ קוגניטיבי" (הפחתת עומס זיכרון עבודה על ידי חיצוני של הארכיטקטורה של המערכת, המאפשרת ללומד סיבה על השלם ולא נאבקים להחזיק את כל החלקים בראש.

היתרונות של שימוש ב-block Diagrams instruct (Expanded)

למידה חזותית ו"התמונה הגדולה"

סטודנטים להנדסה לעתים קרובות ללכת לאיבוד במישומי של התאמות מתמטיות או מפרטים רכיב.אגרמת בלוק מכריחה אותם להיכנס אחורה ולראות את מטרת המערכת.לדוגמה, תרשים מערכת בקרה חוסם מיד מגלה את מבנה הלולאה: הצמח, הבקר, החיישן, ואת הצומת הממסים.תלמידים יכולים לחבר את המכשולים האלה לתיאוריה (תפקודי העברה, תגובה) ללא תחושה של המטרה הכוללת.

סימולציה ללא שיפור

מערכות מורכבות כמו יחידת בקרת מנוע מודרנית כרוכות בעשרות משתנים.אגרמת בלוק מאפשרת למדריכים להתחיל עם קומץ בלוקים (למשל, throttle, Speed חיישן, PID בקר) ולאחר מכן למקם כל בלוק נוסף ככל שהגישה הפיתיחה הזו מכבדת את אזור הלמידה של התפתחות פרוקסימית.

מעורבות מוגברת והשתתפות

כאשר התלמידים מתבקשים לצייר או להשלים דיאגרמת בלוק במהלך השיעור, הם הופכים למשתתפים פעילים ולא מאזינים פסיביים.שאלו "מה זה בלוק מייצג?" או "היכן האות עובר?", מעודד דיון עמיתים ויישום מיידי.מדריכים רבים משתמשים בתרגילים "חשיבה-pair-share" שבו זוגות רישומים על נייר או לוחות יבשים, ואז מציגים לכיתה.

מיומנויות משופרות של בעיות ואבחון

בעבודה הנדסית אמיתית, דיאגרמות בלוק הן הכלי הראשון המשמש בעת פתרון בעיות. טכנאי מסתכל על לולאה כושלת שליטה עקבות הדיאגרמה בלוק לבודד את המרכיב הפגום.למד תלמידים לקרוא ולבנות דיאגרמות מצייד אותם בגישה מרתיעה שיטתית.הם לומדים לשאול: "האם השגיאה נכנסת לצומת הממסכם, או היא החיישן נותן קריאה רעה?"

אפשרויות ל-Cros-Disciplinary Applicability

דיאגרמות בלוק הן שפה אוניברסלית על פני חשמל, מכני, אזרחי והנדסת תוכנה. סטודנט לומד לייצג מערכת מכנית (מס-מגש-מינג-אמפר) עם בלוקים של תפקוד העברה יכול ליישם מאוחר יותר את אותו היגיון למחזור RLC חשמלי.זה העברה מחזקת את מושג ההנדסה הליבה של אנלוגיות בין תחומים.

כיצד להשתמש בלוק דיגרמה ביעילות: מסגרת Pedagogical

פשוט להראות דיאגרמת בלוק על שקופיות לעתים רחוקות משיגה למידה עמוקה.כדי למקסם את ההשפעה, המדריכים צריכים לעקוב אחר מתודולוגיה מובנית.

(FLT:0)Start עם בעיה בעולם האמיתי.BuildFLT:1 לפני הצגת תרשים בלוק, לתאר תלמידי מערכת יכולים להתייחס - בקרת שיוט במכונית, הרגולטור טמפרטורה בתנור, או קישור תקשורת בסמארטפון.
[ה]הבנה את הדיאגרמה צעד אחר צעד.הרש"פ:1] במקום לחשוף את כל הדיאגרמה בבת אחת, להוסיף בלוק אחד או חיבור בזמן.שאל תלמידים בכל שלב: "מה קורה כאן?
(ב) [ה]כלים כמו [ה]:2 לוקידשרט"ד: [ה], [ה] ,[דרוש מקור] [ה]] [ה]]] [ה]]] [ה]]] [ה'[דרושה]] [ה'[ה']]]] [ה'[ה']']'[ה']']'[ה'[ה']']']']']'[ה'[ה'[ה']'[ב[[ה'[ה'[ה'[ה'[ה']']'[ה'[ה'[ה']']'[ה']']']'[ה']']'[ב[[ה']'[ה']']']']']']'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה']'[ב[[ה']'[ה'[ה']']'[ה'[ה']'[ה']']'[ה']']'[ב'[ה'[ה'[ה'[
(FLT:0) בלוקים במתמטיקה.FLT:1 כל בלוק בתרשים בלוק ניתן לחדור עם תפקוד ההעברה שלו, רווח, או משוואה שונה.כתיבה המשוואה ליד בלוק עוזר לתלמידים לקשר ייצוגים חזותיים ואלגבריים - מיומנות הליבה של דינמיקת מערכת וקורסי בקרה.
(FLT:0) דיוקנאות של סטודנטים מתוחכמים.Perfect.FLT ( 1:1 יש תלמידים ליצור דיאגרמות בלוק משלהם עבור תיאורים מערכתיים נתונה.זה מכריח אותם לזהות רכיבים ומערכות יחסים באופן עצמאי. Peer Review of דיאגרמות (למשל, באמצעות שפשף פשוט עם קריטריונים כגון "קשרים נכונים", "תוויתות צלולה", "כיוון פרופורטיבי") metagnition.
(FLT:0) מחקרים ותרחישים של כישלונות.FreaLT:1) מספקים תרשים בלוק המכיל שגיאה מכוונת - כגון לולאה משוב נעדר או בלוק שהוצב באופן לא נכון - ולבקש מהתלמידים למצוא ולתקן אותו.

מורכבות מסובייקט מעל Semester

בקורס טיפוסי של אחד-סמסטר, הוראות תרשים לחסום צריך להתפתח:

שבועות 1–3: הכירו בלוקים בסיסיים (גינס, צומת סיכום) וסדרה פשוטה / קשרים מקבילים.
שבועות 4-6: הוסף לולאות משוב, הפרעות קלטות, וגלולות מרובות.
שבועות 7-10: כולל בלוקים לא ליניאריים (טבעה, אזור מת) ופרמטרים של זמן.
שבועות 11-14: סטודנטים בונים דיאגרמות ממקריות נתונים בפועל או ניסויים במעבדה (למשל, מגליון נתונים מוטורי של סרבו).

דוגמאות לקונספטים של הנדסה מוסברות עם בלוק דיאגרמות

מערכות בקרה: היישום הקלאסי

שום נושא הנדסי אינו מסתמך על דיאגרמות בלוקים כמו מערכות בקרה.הדמיה סטנדרטית של בלוק הנקה (plant, בקר, חיישן, הפניה קלט, משוב) הוא הדבר הראשון שתלמידים נתקלים בו.מדריכים יכולים להשתמש בו כדי להסביר את הרעיון של Open-loop לעומת סגור-loop, שגיאות מצב קבועות, ורווחי יציבות. מרחיבים את התרשים כדי לכלול קדמית או סלולים מתקדמים מציגים טכניקות פיצוי מתקדמות באופן טבעי.

מעגלים חשמליים: מקירצ'וף ועד לתפקודים

בעוד ש-Schematics מעגלים מראים ערכים וחיבורים של רכיב, דיאגרמת בלוק של אותו מעגל מדגיש את זרימת האות (התחילה למתח הנוכחי, הנוכחי למתח) למשל, מסנן RC נמוך הופך בלוק עם הפונקציה העברה 1 / 1 + sRC) לפלס אותו לאחר בלוק buffer מבהיר את ההשפעה הטעינה. התלמידים יכולים לשלב כמה בלוקים כאלה כדי לבנות תפקודים, מסננים, s, s, s, scators כוח.

מערכות מכניות: תרגומים של כוחות ותנועות

הנדסה מכנית משתמשת לעתים קרובות דיאגרמות בלוק לייצג דינמיקות רב-גוף.מערכת השעיה של מכונית יכול להימשך עם בלוקים עבור מסת גוף המכונית, הזעזוע סופג לחות, ואת הנוקשות האביב.הקלט הוא עקירת הכביש; הפלט הוא תנועה של שאסי.אגרמה כזו מסייעת לתלמידים להפריד את התפקידים של רכיבים לפני כתיבת משוואות של תנועה.

רשתות תקשורת: זרימת נתונים ופרוטוקולים

בטלקומוניקציה, דיאגרמות בלוק להראות את הנתיב כולו ממקור (למשל, מיקרופון) באמצעות קודקים, מודולטורים, מגברים, ואנטנות למקבל.כל בלוק יכול להיות מנוסד עם הפונקציה שלו (מדגם, קוונטיזציה, מודולציה) תלמידים יכולים להשוות בין מערכות דיגיטליות על ידי החלפת בלוקים.

הנדסת תוכנה: System Architecture

מערכות תוכנה נהנה דיאגרמות חסום (לעתים קרובות נקראות דיאגרמות הקשר של מערכת או דיאגרמות ארכיטקטוניות) בלוקים מייצגים מודולים או מיקרו-שירותים; קווים מייצגים APIs או זרמי נתונים.למדו את התלמידים לצייר ולקרוא דיאגרמות כאלה משפרות את יכולתם להיגיון על הפיכה, כפייה, עיצוב ממשק.

כלים וטכנולוגיות ליצירת בלוק דיאגרמות

כלים מודרניים הופכים ליצור, לשתף ולשנות דיאגרמות בלוק הרבה יותר קל מאשר סקיצות לוחיות עוריות.כאן הם כמה אפשרויות בשימוש נרחב:

(FLT:0) Draw.io (diagrams.net)BuildFLT) 1 - חינם, מבוסס דפדפן, משלב עם Google Drive ו- Confluence.Good for Quick דיאגרמות ועריכה שיתופית.
(FLT:0)LucidchartigtFLT:1 - מלוטש יותר, עם תבניות עבור מערכות בקרה, לוגיקה הנדסית ורשת להתנצלות.
(FLT:0)MATLAB/SimulinkFIRLT:1) - תקן הזהב עבור דינמיקת מערכת ושליטה.תלמידים יכולים לדמות את דיאגרמת בלוק ולראות פלטים, סגירת הלולאה בין תיאוריה ויישומים.
(FLT:0) Microsoft VisioveFLT:1 - ידידותי לארגונים; שימושי עבור ארכיטקטורות מערכת גדולות יותר, אם כי פחות מותאם לחסימות מתמטיות.
(FLT:0)LaTeX עם TikZFreaLT:1) עבור פרופסורים שרוצים דיאגרמות באיכות פרסום בהערות או בספרי לימוד.

עבור מעורבות ב-class, ציור Tablet פשוט (iPad עם Apple Pencil) או מצלמות מסמכים המציגות דיאגרמות משיכת ידיים יכול להיות יעיל בדיוק כמו, במיוחד כאשר המדריך מוסיף אנטנות לחיות.

מלכודות נפוצות וכיצד להימנע מהם

Overcomplexity

הטעות הגדולה ביותר היא כולל בלוקים וקווים רבים מדי, במיוחד בלקחים מוקדמים.אגרמת עם עשרות בלוקים מטשטשת את מערכות היחסים העיקריות.FLT:0Remedy:veFLT:1 השתמש בתרשים בלוק "מאסטר" המציג רק את הרמה הגבוהה ביותר, ולאחר מכן היפרלינק או "Decompose" כל בלוק לתוך המצע שלו.

תוויות: Missing Labels and Legends

בלוקים לא מבולבלים או קווים מעורפלים מבלבלים את הלומדים.כל בלוק חייב להיות תווית ברורה (למשל, "סנסטור", "קונטרולר K(s)" וכל קו חייב להצביע על כיוון האות (שימוש חצים) ובאופן אידיאלי, שם האות (למשל, "סימן טרור" (a) לאגדה אם כל סמלים אינם סטנדרטיים.

פורמטים לא עקביים

אם קורס משתמש בתרשיםים מרובים ממקורות שונים, לשמור על צורת בלוק עקבית, גופנים וסגנון קו. מעבר בין פינות עגולות ופינות חדות, או בין סגנונות חץ שונים, מוסיף חיכוך קוגניטיבי מיותר.

התעלמות מהזמן וההוויה

דיאגרמות בלוק עבור מערכות דינמיות צריך לכבד סיבתיות: חצים מצביעים על מה אותות המשפיעים על בלוק.העברת חץ יכול לשנות את ההתנהגות של המערכת.למדו את התלמידים לבדוק שכל קלט לבלוק מגיע מפלט של עוד בלוק (לא "מתפתל" קלטות אלא אם כן הם הפרעות חיצוניות או הפניות).

אסטרטגיות שימוש ב-block Diagrams

כדי לאמת כי התלמידים באמת מבינים דיאגרמות בלוקים - לא רק את המיומנות של ציור אותם - הערכות צריכות לעבור מעבר לזיכרון פשוט.

הסבר את ה-Digram

תן לתלמידים דיאגרמת בלוק ללא תוויות ולשאול אותם לכתוב הסבר קצר על מה שכל בלוק עושה וכיצד המערכת הכוללת עובדת.זה בוחן הן דיאגרמות אוריינות וידע דומיין.

לתקן את ה-Digram

לספק דיאגרמה עם לפחות שלוש שגיאות (חיבורי חוצות, משוב חסר, צומת הערות לא פגום) ולבקש מהתלמידים לזהות ולתקן אותם.זה מחק את כישורי הדה-הההשימוש בתעשייה.

התאמה ו- Transform

הצג תרשים בלוק ומערכת משוואות; בקש מהתלמידים להתאים כל בלוק למשוואה המקבילה שלו.או לתת לתלמידים תיאור מילולי של מערכת ויש להם לייצר תרשים בלוק שיוביל לתפקוד ההעברה הנכון.זה מחזק את הקשר בין ייצוגים חזותיים אלגבריים.

עיצוב מערכת מדרישות

מציג סט של מפרטים ביצועים (למשל, "הפלט צריך לעקוב אחר הקלט עם פחות מ-2% שגיאות מצב יציב וזמן התיישבות מתחת ל-0.5 שניות") התלמידים חייבים לעצב תרשים בלוק (סוג בקר, מיקום חיישן, וכו ') ולהצדיק את הבחירות שלהם.

מסקנה

דיאגרמות בלוק הן הרבה יותר מאשר סקיצות פשוטות - הן מכשירים פדגוגיים המנצלים קוגניציה חזותית כדי להפוך מערכות הנדסיות מורכבות נגישות. על ידי החל בדיאגרמות היררכיות ברורות, המחברות כל בלוק למודל המתמטי שלו, ושימוש בכלים אינטראקטיביים כדי לחקור התנהגות, מדריכים יכולים להפוך למידה פסיבית למחשבה פעילה.

לקריאה נוספת על יישום עקרונות קוגניטיביים לחינוך הנדסי, ראה את העבודה של מאיר על ⁇ :0multimedia LearningFLT:1, או לחקור כיצד IEEE שילב חשיבה חזותית לתוך FLT:2 מודולים חינוכיים על מערכות בקרה למערכות sph3 כאשר נעשה שימוש במכוון, דיאגרמות נשאר אחד הכלים היעילים ביותר בכלי ה-ducationskit של הנדסת חשמל.