如何造就未來(lái)的工程師——從激光感應(yīng)線開(kāi)始

有機(jī)會(huì)嘗試使用實(shí)際工程設(shè)計(jì)工具的學(xué)生更有希望將來(lái)在工程設(shè)計(jì)方面有所作為

Digilient公司 Clint Cole

美國(guó)教育有一個(gè)令人不安的趨勢(shì)，那就是孩子們不想成為工程師。在即將畢業(yè)的高中生中，有興趣以工程為職業(yè)的學(xué)生已為數(shù)不多。大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程專(zhuān)業(yè)的招生人數(shù)不斷減少。最令人擔(dān)憂的是，最近十年來(lái)，工程專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)生人數(shù)持續(xù)下降。

幸運(yùn)的話，今年美國(guó)將有2萬(wàn)名主修工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)的大學(xué)生畢業(yè)。然而，據(jù)某些資料來(lái)源，就業(yè)市場(chǎng)預(yù)計(jì)會(huì)提供80萬(wàn)個(gè)工作崗位。我們培養(yǎng)的工程師不足以滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，甚至不能彌補(bǔ)退休工程師留下的空缺。

如果對(duì)工程師的需求比以往更大，那么為什么會(huì)出現(xiàn)供給短缺呢？原因也許是如今人們更難以進(jìn)入該領(lǐng)域，因?yàn)楣こ虒?zhuān)業(yè)學(xué)生需要學(xué)習(xí)的技術(shù)和系統(tǒng)比以前多很多。但是，對(duì)于當(dāng)今年輕的工程師來(lái)說(shuō)，工程專(zhuān)業(yè)也更有意思，因?yàn)榭梢越柚浅６嗟哪K和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具。

現(xiàn)在，年輕的工程師幾乎單槍匹馬就能組裝非常復(fù)雜、不容小視的系統(tǒng)。他們?cè)谧约业墓ぷ髋_(tái)上便能做出一些激動(dòng)人心的非常棒的產(chǎn)品，幾乎無(wú)需他人幫助。當(dāng)然，掌握過(guò)去幾年開(kāi)發(fā)出來(lái)的桌面工具和技術(shù)需要時(shí)間。不過(guò)，如果年輕人喜歡創(chuàng)造和構(gòu)建一些東西，這將是很好的學(xué)習(xí)和鍛煉的機(jī)會(huì)，對(duì)他們?nèi)蘸蟪蔀楣こ處煷笥旭砸妗?/p>

那么，如何才能激發(fā)學(xué)生的更大興趣呢？我們需要為高中（甚至初中）的學(xué)生配備低成本、精心設(shè)計(jì)的產(chǎn)品和服務(wù)，以便導(dǎo)入數(shù)字和模擬設(shè)計(jì)的基本概念。我們需要以一種更有說(shuō)服力且饒有趣味的方式介紹科技知識(shí)、傳統(tǒng)工具和設(shè)計(jì)方法。

一項(xiàng)教育計(jì)劃要達(dá)成什么目標(biāo)，需要教育家規(guī)劃遠(yuǎn)景。但是，十幾歲的小孩就能編寫(xiě)真正的代碼，達(dá)成所愿。假設(shè)有一位小朋友想要構(gòu)建一個(gè)激光感應(yīng)線裝置來(lái)檢測(cè)爸爸何時(shí)回家，在爸爸走入家門(mén)時(shí)拍照進(jìn)行識(shí)別，并自動(dòng)為他接通電源煮咖啡。這其中就涉及到大量模擬電路。幫助學(xué)習(xí)控制各種電路，正是我們的Analog Discovery產(chǎn)品的宗旨。該套件包括ADI公司器件、電路板、虛擬示波器及其他工具，可以利用它構(gòu)建基本模擬電路，了解如何在電路中約束電壓和電流以解決有意義的問(wèn)題，如放大音頻信號(hào)或讓電機(jī)旋轉(zhuǎn)等。此類(lèi)實(shí)用的器件級(jí)模擬問(wèn)題為教授工程基礎(chǔ)知識(shí)提供了極佳的途徑。很多大學(xué)都在使用這款套件并取得了巨大的成果。

學(xué)生們進(jìn)入高中或者大學(xué)以后，需要能夠在自家桌面上親自動(dòng)手開(kāi)展獨(dú)具創(chuàng)意的設(shè)計(jì)。這項(xiàng)任務(wù)對(duì)我而言并不陌生，而且有過(guò)切身體會(huì)。1997年我離開(kāi)企業(yè)界后，開(kāi)始教授入門(mén)級(jí)數(shù)字設(shè)計(jì)課程。遺憾的是，那時(shí)使用的電路板非常簡(jiǎn)陋，嚴(yán)重限制了大學(xué)生的設(shè)計(jì)能力。在我教授的更高級(jí)課程中，情況更糟糕。學(xué)生們只能紙上談兵，無(wú)法真正進(jìn)行試驗(yàn)。

后來(lái)，我從一家企業(yè)拿到了一塊普通的可編程計(jì)算機(jī)芯片，設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠用來(lái)進(jìn)行任何編程、包括復(fù)雜微處理器的電路板。

利用實(shí)際的電路板進(jìn)行試驗(yàn)，我的工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生積累了經(jīng)驗(yàn)和信心，離開(kāi)大學(xué)后，能夠更有準(zhǔn)備地適應(yīng)工作環(huán)境。因此，我創(chuàng)立了Digilent公司來(lái)制作并向?qū)W校銷(xiāo)售這種電路板。我們與業(yè)界領(lǐng)先的ADI公司合作，生產(chǎn)一種硬件套件，教師和學(xué)生們可利用它來(lái)開(kāi)展自己的設(shè)計(jì)。我們還開(kāi)發(fā)各種項(xiàng)目和指導(dǎo)實(shí)例，以便推動(dòng)工程方法、工具和技術(shù)的學(xué)習(xí)過(guò)程。

讓學(xué)生從原始材料和工程設(shè)計(jì)的基本觀念開(kāi)始學(xué)起，這才是工程教育的真諦。一旦有了關(guān)于創(chuàng)意過(guò)程和解決問(wèn)題方法的某種觀念，他們就會(huì)發(fā)展出規(guī)范化的思維方式。他們嘗試設(shè)計(jì)，與之互動(dòng)，收集數(shù)據(jù)，并將其反饋到設(shè)計(jì)過(guò)程中。起先是小步前進(jìn)，掌握一定的知識(shí)后，他們就會(huì)邁出更大的步子。

這不是“組合式機(jī)器人套件”之類(lèi)的方法。我們討論的是工業(yè)級(jí)的先進(jìn)微處理器和工具。學(xué)生們了解這些方法和工具后，可以盡其所愿地勇往直前。這可是真家伙。造就未來(lái)工程師的最佳途徑是在很早的階段便激發(fā)其興趣。接觸大學(xué)數(shù)學(xué)和物理學(xué)之前，學(xué)生們可通過(guò)動(dòng)手設(shè)計(jì)直觀地學(xué)習(xí)知識(shí)。

想象一下，若有更多孩子是在鼓搗基本電路和創(chuàng)造各種事物中長(zhǎng)大的，工程領(lǐng)域或許就不會(huì)發(fā)生勞動(dòng)力短缺的問(wèn)題了。

作者介紹：

Clint Cole是美國(guó)華盛頓州立大學(xué)電氣工程教授及Digilient公司總裁。Digilient公司總部位于美國(guó)華盛頓州普爾曼，目前為70多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的2 000多所高等院校提供科技教育設(shè)計(jì)工具。他曾做過(guò)軍醫(yī)，后來(lái)在一家工程公司工作，開(kāi)發(fā)便攜式除顫器。2000年，他進(jìn)入學(xué)術(shù)界并創(chuàng)立Digilent公司。