Mühendislik Eğitim Müfredatına Fonksiyonel Modelleme

Mühendislik Eğitimine Fonksiyonel Modeling

Mühendislik eğitimi giderek artan bir şekilde öğrencilerin bileşenleri ve denklemleri derinden anlamalarını talep ediyor, sistemlerin bütünleşik bir şekilde nasıl çalıştığını anlamak için. Fonksiyonel modelleme, bu değişimi elde etmek için güçlü bir pedagojik çerçeve sunuyor.ŞUygunluk:0) Bir sistem, sınıfınızı fiziksel olarak inşa ettiği gibi, eğitimciler temel mühendislik prensiplerini kavramalarına yardımcı olabilir ve modern, disiplinler arası zorluklara odaklanırlar.

Bu yaklaşım özellikle de geçerlidir çünkü birçok gerçek dünya mühendisliği sorunu hasta tanımlanıyor; tasarımcıların öncelikle işlevleri tanımlamaları gerekiyor, sonra çözümler için araştırmasını gerektirir. Mechatronics'ten sürdürülebilir enerjiye, karmaşık bir sistemin temel işlevlerine sahip olma yeteneği -enerji akışları, maddi dönüşümleri ve bilgi değişimleri - işverenlerin şimdi aktif olarak nasıl sistematik olarak işlevsel modellemeyi mühendislik derslerine entegre edeceğini açıklıyor, beton örnekler sunar ve ortak engellerin üstesinden gelmek için stratejiler sunar.

Fonksiyonel Modelleme Nedir?

Fonksiyonel modelleme, bir sistemi yalnızca performansları açısından tanımlayan bir temsil tekniğidir. bir pompanın bir şematikini çizmek yerine, örneğin, model "dönüşüm sıvısı" işlevini girdiler ve çıktılarla yakalar.En yaygın çerçeveler işlev-means ağacı olarak da adlandırılır), siyah kutu modeli ve Missouri Üniversitesi'nde Stone ve Wood tarafından geliştirilen işlevsel temel.

Siyah-box modelinde, sistem, herhangi bir sanat eserinin birincil amacının belirlenmesine yardımcı oluyor: bir işlev yapısına karşı tek bir blok olarak gösterilir: “ Mekanik harekete elektrik enerjisi” veya “transmit tok toklama” gibi bir alt işlev.

Araştırmacılar, öğrencilerin geometriden önce davranış hakkında neden bulunmalarını sağlayarak bilişsel yükü azaltdığını uzun süre belirttiler.Ücretsiz çözümlerde yayınlanan bir çalışmaa göre, daha geniş bir çözüm alanı açıyorlar.

Eğitimde kullanılan birkaç tanınmış fonksiyonel model vardır:

[FONT:0]Black-box modelleri[Dönemli: 1) İlk problem için ideal scoping ve ihtiyaç tanımı.
[FONT=0)Function structures[[[Dönetici: 1)) (ayrıca akış temelli modeller olarak da adlandırılır) - enerji, malzeme ve sistemin dönüşümü harita.
[FONT:0]Functional decomposition ağaçlar) – genel işlevin alt işlevlerin alt işlevlerin hiyerarşik bozulması, genellikle değer mühendisliğinde kullanılır.
[FONT:0]Function-means ağaçlar) – her işlevi fiziksel bir şekilde (çözüm) embodiment tasarımını teşvik etmek için.

Bu varyasyonları öğretmekle, eğitimciler öğrencilere mekanik tasarımdan yazılım mimarisine kadar uzanan disiplinlere adapte edilebilir bir araçtır.

Eğitimde Fonksiyonel Modelleme Kullanımının Faydaları

Eleştirel Düşünce ve Sistemler Analizleri

Fonksiyonel modelleme güçleri öğrencileri temel sorular sormaları: Bu sistem başarılı olmalıdır? Fonksiyonel modelleme yapan ilk yıl mühendisliği öğrencileri, bu soruları cevaplamak, analitik bir rigor gerektirir.Sadece bir ürün tanımlamak yerine, öğrenciler neden Kalifistik ve bağımlılıklar hakkında olmalıdır. Purdue Üniversitesi'nde ilk yıl mühendislik öğrencileri, sistemin% 23 daha yüksek puanını sistemden alan işlevsel modelleme görevlerine sadece dört haftalık bir modülden sonra cevap verirler.

Encourages System-Level thinking

Mühendislik sorunları nadiren izole edilmiş bileşenlerdir; karmaşık sistemler etkileşim parçalarıdır. Fonksiyonel modelleme, “büyük bir resim” perspektifi teşvik eder.Öğrenciler hibrit bir araç sürüşü modellerinde, iç yanma motoru, elektrik motoru, batarya ve jeneratörün enerji ve sinyal akışları ile etkileşimini görürler.

Tasarım ve İnovasyon

Fonksiyonel modeller çözüm-neutral olduğundan, aynı işlev için birden fazla fiziksel uygulama keşfini sağlarlar. Örneğin, "kapı elektrik enerjisi" işlevi bir lityum-iyon bataryası, süper kapasiteli veya uç bir sistem tarafından fark edilebilir.Öğrenciler, ilk tasarıma kilitlenmeden alternatifler karşılaştırabilirler.

Köprüler Teorisi ve Uygulama

Fonksiyonel modelleme soyut teorik bilgileri bağlar -modinamik, fizik, kontrol teorisi - beton uygulama. Bir öğrenci bir soğutma döngüsünün bir işlevi yapısı inşa ettiğinde, doğrudan ısı akışlarına ilk ve ikinci termodinamik yasaları uygularlar, iş ve soğutucu.Bu bridging teorik içerik daha alakalı ve unutulmaz hale getirir.

İletişim ve İşbirliği Becerileri Geliştirmek

Fonksiyonel modeller görsel bir dildir. Takımlarda çalışan öğrenciler hızlı bir şekilde paylaşıp eleştiri modellerini paylaşabiliyor, disiplinlerarası iletişim geliştirmek. Örneğin, bir elektrik mühendisliği öğrencisi ve mekanik bir mühendislik öğrencisi, ortak bir fonksiyonel dekompozisyon etrafında düşünmelerini, farklı bir bileşen vocabularies olsa bile, bu beceri, çapraz işlevli takımların norm olduğu modern ürün geliştirmede önemlidir.

Özgeçmişinizde Fonksiyonel Modelleme

Basit Sistemlerle Erken Başlayın

Mühendislik müfredatının ilk veya ikinci yılında fonksiyonel modellemeyi tanıtmak. Günlük nesneler kullanın - kahve makinesi, saç kurutma makinesi veya bir bisiklet fren - öğrencilerin tüm enerji, malzeme ve sinyal girişlerini listelemelerini isteyin.Bu düşük ücretli egzersiz daha karmaşık sistemlere gitmeden önce güven yaratır.

Görsel Araçlar ve Modelleme Yazılımı kullanın

Diagrams önemlidir. Beyaz tahtalarda Freehand kompostlamalar ilk beyin fırtınası için çalışır, ancak yapılandırılmış atamalar için, işlevsel modellemeyi destekleyen yazılımlar kullanılır.ETHFLT:0)PTCreo Elements/Direct Modeling) işlevi görür -meyler bir notlar sağlarken, SysML araçları şöyle özelleştirilmiştir:2).IBM Engineering Rhapsody resmi blok tanımları sağlar.

Tüm Projeler

Proje bazlı öğrenme işlevsel modellemeyi güçlendiriyor. Takımların mevcut bir ürün tasarladığı veya verilen bir işlevi yerine getirmek için yeni bir sistem geliştirdikleri bir dönem boyu proje imzalayın. Örneğin, “Bir kırsal köy için insan destekli su pompası tasarlayın”, inşa etmeden önce kavramsal olarak düşünmelerini sağlar.

Progresif Kompleksi ile Scaffold with Progresif Kompleksiity

Öğrencilerin bir dersteki tüm seviyeleri ustalığa beklemelerini beklemeyin. Üç aşamalı bir saffold kullanın:

[FONT:0)Level 1 (Introductory): ), Black-box modelleri sadece girişleri ve çıktıları tanımlamak için uygular.
[FONT:0)Level 2 (Intermediate): ), 10 alt işleve sahip Fonksiyonlar.
[[Düzen 3 (Gelin): [Dönetici:0) Fonksiyonel temel vergionomi kullanarak formasyon (para, enerji, sinyal) -işlev haritalama ve ticaret-offları değerlendirme.

Rubrics aracılığıyla Anlaşılanlar

Açık rubrics ile fonksiyonel modelleme yetkinlikleri. Belirli işlevlerin neden dahil edildiği veya dışlanmış olduğu için yazılı gerekçeler gerektirir.Assess functional modeling processes with open rubrics. Evaluate correctness of flow labeling, completeness of decomposition, and creativity in mapping functions to fiziksel solutions. Peer- review session where students critical each other's models can deep understand. Ayrıca bazı işlevlerin neden dahil edildiği veya dışlanmış olması için yazılı gerekçeler gerektirir.

Mühendislik Eğitiminde Fonksiyonel Modelleme örnekleri

Robotik: Sensör-Prodüktör Entegrasyon

Bir robotda, öğrenciler bir çizginin takip edilen robotun işlevlerini modeller. Genel işlev “beyaz bir yüzeyde siyah çizgi takip edin” ve DC motor (ucuz yansımaları) “işlem sinyalini belirlemek için çalışır” ve “tecide motor düzeltmesi” ve “tevap motorları” ile ilişkilendirilebilir.

Enerji Sistemleri: Yenilenebilir Mikrogrid Tasarımı

Sürdürülebilir bir enerji kursunda, öğrenciler güneş enerjisi ile çalışır, “seçmiş bir köye”, güneş ışınlama ve çevre sıcaklığına giriş olarak dağıtılır ve çıktı olarak AC. function structure break “convert solar to DC elektrik enerjisi”, “kücretsiz enerji”, “seçmiş enerji” ve “enerji ile birlikte” ve “enerjiye dağıtılır.

Üretim Süreçleri: Assembly Line Fonksiyonlu Analiz

Üretim mühendisliğinde, fonksiyonel modelleme, öğrencilerin bir montaj hattını analiz etmelerine yardımcı olur. Operasyonların sırasını haritalar - "önemli bölüm" “fasten bileşeni”, “uygun ortak” ve alternatif bir gerçekleştirme işlevine bağlıdır: konveyör şerit (geçici), tornavida (hızlı) ve lazer sensörü (görüntüleme işlevleri yerine)

Otomotiv Tasarımı: Fren Sistemi Dekompozisyon

Klasik bir örnek, bir otomobildeki hidrolik frenleme sistemidir. Genel işlev “arka aracı hızı güvenli”, bu sistem öğrencilerinin mekanik, ve elektrik alt sistemleri ile ilgili oynamalarına yardımcı olur. Ayrıca başarısızlık modları da yapar: “Dövme basıncı” işlevi başarısız olursa (parçalı ısı) ve “kanıklıklı hareket durumu” olarak adlandırılır.

Biyomedikal Cihazlar: Ventilator Fonksiyonl Modeling

Biyomedikal mühendisliğinde, bir ventilatörün fonksiyonel modellemesi, gaz, enerji ve kontrol sinyallerinin kritik akışlarını gösterebilir. Fonksiyonlar, “deliver preurized hava”, “hava ile oksijen” ve “monitor hava basıncı” ve “trigger exhalation” gibi durumlarda her işlevin farklı fiziksel prensiplerle nasıl fark edilebilir olduğunu görebilirler (örneğin, baskıcılama için piston vs.) Bu örnek özellikle de son zamanlarda küresel dikkat ve son derece açık kaynak ve gerekli olan, modüler çözümler için.

Meydanlar ve düşünceler

Overcoming Abstraction Direnişi

Bazı öğrenciler - özellikle el-on tinkering'e yönelik bu odaklı - fonksiyonel soyutlama, CAD modellerine veya devre şematiğine doğrudan atlamak tercih eder.Bunu karşı koymak için, fonksiyonel modellemenin zaman tasarrufu olduğunu vurgulayın: pahalı yeniden tasarımların daha sonra azaltılmasını önler.

Zaman Kıtaları zaten Packed Curricula

Mühendislik programları kalabalıktır. Fonksiyonel modellemeyi entegre etmek, öğrencilerin tasarım veya mühendislik grafikleri üzerinde mevcut bir talimat parçası değiştirmeyi düşünün. 6-8 ders saatinin bir bölümü temel kavramları tanıtmak ve küçük bir projeye izin vermek için yeterlidir. Alternatif olarak, fonksiyonel modellemenin tasarım raporunun bir parçası olarak bir işlev yapısı üretmesi gerekir.

Ensuring Consistency Across Eğitmenler

Birden fazla eğitmen aynı kursun bölümlerini öğretirse, ortak bir işlevsel temel vergionomi. Fonksiyonel Basis (Stone & Wood, 2000) bu vergionomi fonksiyonları için kontrollü bir kelime sağlar (örneğin, “transmit”, “separate”) ve akışlar (örneğin, “insan enerjisi”, “elektriksel enerji”, “liquid”).

Değerlendirme Challenges

Fonksiyonel modeller doğru /wrong değildir - daha fazla veya daha az kullanışlıdır. Tamamlayıcı ve kendini değerlendirme yapan taşıyıcılar ve anlama araçlarının kalitesi - işlev haritalama.Use model correctness (e.g., a flow protection saygın mıdır?) ve model ekmek (tabiya göre kabul edilen fonksiyonlar sayısı).

Educators için araç ve kaynaklar

Birkaç online kaynak, fonksiyonel modellemeyi öğretmeyi destekler:

[FONT=0) Tasarım Repository[Dönetici: Tasarım Stüdyosu.org): Tüketici ürünleri için işlevsel modeller, örnekler ve öğrenci referansları için yararlı bir veritabanı.
[FONT=0]Function-Means Trees in SysML[[Dönetici: INFORMAM (Uluslararası Sistem Mühendisliği) model tabanlı sistemler mühendisliği (MBSE) araçlarında nasıl işlevsel modelleri resmileştireceğinizi gösteriyor.
[FONT:0]Eğitim literatürü[[Dönetici:2) Hirtz et al. (2002) Mühendislik Eğitiminin (FLT:3) ve ) Tasarımı Çalışmaları) doğrulanmış öğretim yöntemleri ve değerlendirme araçları sağlar. Örneğin, Hirtz et al. (2002) ayrıntılarda işlevsel temel vergionomi ve özgürce kullanılabilir.
[FONT:0]Kitaplar[Dönetici:2)Mühendislik Tasarımı: Bir Sistematik Yaklaşım) Pahl ve Beitz temel bir metin olarak kalır.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Fonksiyonel modelleme sadece başka bir tasarım yöntemi değildir - öğrencilerin karmaşık düşünme, disiplin sınırları olmadan yenilik yapma ve iletişim kurmalarını sağlayan temel öğrenme yoludur.ABET ve projeler kullanarak, görsel öğrenme araçlarının ve projelerin oluşturulması ve benzer akreditasyon organlarına derinden bağlı olabileceğini düşünmek temel bir yoldur.

Mühendislik sorunları daha fazla birbirine bağlı olarak (akıllı şehirler, iklim adaptasyonu, sağlık sistemleri), modelleme yeteneği soyut bir şekilde daha da temel hale gelecektir. Küçük başlayın: Bir sonraki giriş kursunuzda tek bir kara kutu egzersiz deneyin.