Tiểu bang Kansas Tăng cường Giáo dục Điện tử với Đột phá về Sợi quang

Các phòng thí nghiệm vật lý truyền thống thường giới hạn sinh viên vào việc xác minh các lý thuyết đã được thiết lập thông qua các thí nghiệm lặp đi lặp lại. Cách tiếp cận này ít tạo ra không gian cho việc áp dụng kiến thức vào các thách thức kỹ thuật trong thế giới thực. Khóa học Đo lường và Dụng cụ Vật lý (PMI) của Đại học Bang Kansas giải quyết khoảng trống này bằng cách thay đổi cách giảng dạy về điện tử và dụng cụ.

Khóa học PMI tích hợp điện tử, dụng cụ và lập trình LabVIEW vào các thí nghiệm thực hành để giải quyết các thách thức đo lường thực tế. Một dự án nổi bật liên quan đến việc đo tốc độ ánh sáng thông qua cáp quang—một minh họa bao gồm cách tiếp cận sáng tạo của chương trình.

Trong thí nghiệm này, sinh viên sử dụng bảng phát triển NI ELVIS để tạo ra các tín hiệu sóng vuông điều khiển các điốt laser. Thiết lập bao gồm:

• Một điốt laser chính phát ra các xung ánh sáng qua 2 km sợi quang cấp viễn thông
• Hai điốt quang phát hiện các xung ban đầu và truyền đi
• Các phép đo thời gian chính xác giữa các sự kiện phát hiện

Sử dụng phần mềm LabVIEW ở tốc độ lấy mẫu 1.25 MS/s, sinh viên đã ghi lại sự khác biệt thời gian trung bình là 10.16 micro giây giữa các tín hiệu điốt quang. Các phép đo song song với máy hiện sóng Tektronix TDS 210 cho thấy 10.05 micro giây, xác nhận phương pháp luận. Các phép đo này cho thấy tốc độ ánh sáng được tính toán là 2.054 × 10 ⁸ m/s qua sợi quang, tương ứng với chỉ số khúc xạ là 1.4606—phù hợp với các tiêu chuẩn công nghiệp.

Thí nghiệm quang học sợi quang minh họa các kết quả học tập đa chiều của khóa học:

• Lập trình LabVIEW nâng cao để thu thập và phân tích dữ liệu
• Thiết kế mạch trên bảng nguyên mẫu NI ELVIS
• Đánh giá thống kê về sự không chắc chắn trong đo lường
• Khám phá các phương pháp định thời bao gồm bộ kích hoạt Schmitt và bộ đếm thời gian

Chương trình giảng dạy PMI tiếp tục phát triển với các nghiên cứu mới đang được phát triển:

• Nghiên cứu hiệu ứng quang điện
• Triển khai thí nghiệm Franck-Hertz
• Ứng dụng quang phổ tia X
• Kỹ thuật hấp thụ bão hòa
• Đo hiệu ứng Mössbauer

Các dự án này nhằm mục đích kết nối vật lý lý thuyết với thiết kế dụng cụ thực tế, chuẩn bị cho sinh viên đối mặt với các thách thức kỹ thuật phức tạp. Những cải tiến trong tương lai sẽ kết hợp các công nghệ thu thập dữ liệu bổ sung, bao gồm các mạch lấy mẫu và giữ và các hệ thống định thời nâng cao.

Trường đại học đã bắt đầu các nghiên cứu theo chiều dọc để đánh giá hiệu quả của chương trình trong việc đạt được các mục tiêu học tập của mình. Nghiên cứu này sẽ cung cấp thông tin cho những cải tiến liên tục đối với cấu trúc và phương pháp giảng dạy của chương trình giảng dạy, đảm bảo sự phù hợp với các yêu cầu của ngành.

Bằng cách kết hợp lý thuyết nghiêm ngặt với sự phát triển dụng cụ thực hành, khóa học PMI của Đại học Bang Kansas thiết lập một mô hình mới cho giáo dục kỹ thuật—một mô hình trang bị cho sinh viên cả trình độ chuyên môn kỹ thuật và tư duy giải quyết vấn đề cần thiết trong các lĩnh vực công nghệ hiện đại.