ولاية كنساس تعزز تعليم الإلكترونيات بفضل طفرة في الألياف الضوئية

غالبًا ما تحصر مختبرات الفيزياء التقليدية الطلاب في التحقق من النظريات الراسخة من خلال التجارب المتكررة. يترك هذا النهج مجالًا ضئيلًا لتطبيق المعرفة على تحديات الهندسة في العالم الحقيقي. تعالج دورة القياسات والأجهزة الفيزيائية (PMI) بجامعة ولاية كانساس هذه الفجوة من خلال تغيير طريقة تدريس الإلكترونيات والأجهزة.

تدمج دورة PMI الإلكترونيات والأجهزة وبرمجة LabVIEW في تجارب عملية تحل تحديات القياس الفعلية. يتضمن أحد المشاريع البارزة قياس سرعة الضوء من خلال كابلات الألياف الضوئية — وهي مظاهرة تجسد النهج المبتكر للبرنامج.

في هذه التجربة، يستخدم الطلاب لوحات تطوير NI ELVIS لتوليد إشارات موجة مربعة تقود صمامات الليزر الثنائية. يتضمن الإعداد:

• صمام ليزر ثنائي أساسي ينبعث منه نبضات ضوئية عبر 2 كم من الألياف ذات الجودة العالية المستخدمة في الاتصالات
• اثنين من الصمامات الثنائية الضوئية التي تكتشف النبضات الأولية والمنقولة
• قياسات توقيت دقيقة بين أحداث الكشف

باستخدام برنامج LabVIEW بمعدلات أخذ عينات تبلغ 1.25 MS/s، سجل الطلاب متوسط فرق زمني قدره 10.16 ميكروثانية بين إشارات الصمام الثنائي الضوئي. أظهرت القياسات المتوازية باستخدام مذبذب Tektronix TDS 210 10.05 ميكروثانية، مما يؤكد صحة المنهجية. أسفرت هذه القياسات عن سرعة ضوء محسوبة تبلغ 2.054 × 10 ⁸ م/ث عبر الألياف، بما يتوافق مع معامل انكسار يبلغ 1.4606 — بما يتماشى مع معايير الصناعة.

تجسد تجربة الألياف الضوئية نتائج التعلم متعددة الأبعاد للدورة:

• برمجة LabVIEW المتقدمة لاكتساب البيانات وتحليلها
• تصميم الدوائر على لوحات النماذج الأولية NI ELVIS
• التقييم الإحصائي لعدم اليقين في القياس
• استكشاف طرق التوقيت بما في ذلك مشغلات Schmitt والمؤقتات

تستمر مناهج PMI في التطور مع التحقيقات الجديدة قيد التطوير:

• دراسات التأثير الكهروضوئي
• تنفيذ تجربة فرانك هيرتز
• تطبيقات قياس الطيف بالأشعة السينية
• تقنيات امتصاص التشبع
• قياسات تأثير Mössbauer

تهدف هذه المشاريع إلى سد الفجوة بين الفيزياء النظرية وتصميم الأجهزة العملية، وإعداد الطلاب لتحديات الهندسة المعقدة. ستدمج التحسينات المستقبلية تقنيات إضافية لاكتساب البيانات، بما في ذلك دوائر العينة والإمساك وأنظمة التوقيت المتقدمة.

بدأت الجامعة دراسات طولية لتقييم فعالية البرنامج في تحقيق أهدافه التعليمية. ستوجه هذه الأبحاث التحسينات المستمرة لهيكل المنهج الدراسي وطرق تقديمه، مما يضمن التوافق مع متطلبات الصناعة.

من خلال الجمع بين النظرية الصارمة وتطوير الأجهزة العملية، تنشئ دورة PMI بجامعة ولاية كانساس نموذجًا جديدًا للتعليم الهندسي — نموذجًا يزود الطلاب بالكفاءة الفنية والعقلية اللازمة لحل المشكلات المطلوبة في المجالات التكنولوجية الحديثة.