Grundläggande elektronikundervisning är ofta ganska begränsad i sättet att lära ut. Den inriktar sig ofta på att lära ut grundläggande fysisk lagar

Transkript

1 Ett nytt och kreativt projekt presenteras med målet att examinera ingenjörsstudenter i alla CDIO-moment under ett tillfälle. Detta för att lära ut helheten av ett ämne istället för att som vanligare är fokusera på detaljkunskap, vilken förstås är nödvändig, men som bidrar mindre till yrkesfärdigheten. Examinationsuppgiften väljs för att motsvara den uppgift en ingenjör förväntas behärska inom sin roll. Här ingår det att formulera och förstå ett problem, formulera en lösningsstrategi, lösa problemet genom att använda rätt verktyg, samt demonstrera lösningen för uppdragsgivaren. För att genomföra projektet så har vi utvecklat stöd för examinationen i form av datorverktyg och metoder som stöder lektions- och laborationsundervisning samt infört väl avvägda problemformuleringar som kan lösas effektivt med tillgängliga verktyg. Denna rapport beskriver genomförandet och resultatet av ett mindre pedagogiskt utvecklingsprojekt som fått namnet CDIO-LAX. Projektet beviljades 80 ksek i finansiellt stöd från Pedagogiska utvecklingsgruppen PUG vid LiTH i december Utvecklingen påbörjades i januari 2016 genom att vissa av projektidéerna implementerades i en elektronikkurs. Resterande idéer sparades till nästa kursstart i januari 2017 och projektet färdigställdes i maj Följande punkter är karaktäristiska för projektet. Huvudmomenten i CDIO-modellen införs i examinationen. Målet är att täcka in väsentliga ingenjörsmässiga ställningstaganden och problemlösningsmoment vid examinationstillfället. Examinationsdriven pedagogik. Vi låter en ambitiös examination stå i fokus och utvecklar pedagogiken för att studenten ska kunna nå målet. Utvecklingen i detta projekt består i att ta fram lämpliga examinationsuppgifter med lämplig svårighetsgrad, djup och bredd, samt att anpassa undervisningen så att den gör det möjligt för studenten att lösa och redovisa en uppgift som innehåller alla CDIO-moment i slutet av kursen.

2 Grundläggande elektronikundervisning är ofta ganska begränsad i sättet att lära ut. Den inriktar sig ofta på att lära ut grundläggande fysisk lagar för elektriska kretsar och metoder för hur man analyserar dessa med ekvationslösning på tavla och papper. De kretsar som analyseras är inte sällan skolboksexempel för att vara lättbegripliga. Kursen avslutas med en skriftlig tentamen som bedömer studentens kunskapsnivå. Den traditionella undervisningen beskriven ovan syftar till att ge en tillräcklig förståelse av ämnet så att man kan gå vidare med mer normala ingenjörsuppgifter. Ingenjörsyrket är dock betydligt mycket mer kreativt än metoderna och bilden man får i den traditionella undervisningen. Verkliga problem löses genom att modeller av problemet ställs upp, vilket kräver större förståelse än förmågan att lösa typexempel. Problemen är ofta olinjära och besvärliga att lösa analytiskt varför simulering är ett viktigt verktyg i lösningsgången. Detta gör att problemställning och förståelse är viktigare i slutändan än ekvationslösning. Frågan är om inte denna form av undervisning lämnar studenten lite väl långt från vägen till effektiva lösningar av ingenjörsuppgifter. Kan vi istället visa studenten hur man angriper verkliga problem redan i tidiga elektronikkurser? För att variera examinationen vid institutionen Systemteknik så har vissa elektronikkurser examinerats med ett antal individuella inlämningsuppgifter som löses hemma under kursens gång. Här har ett stort urval av uppgifter utvecklats för att göra det svårare för studenter att återanvända kamraters lösningar och minska risken för samarbete vid examinationen. Fördelarna med detta upplägg jämfört med en tentamen är att det är mindre stressande för studenten som ges möjlighet att arbeta och prestera under en längre period samt att det finns tid att komplettera med den inlärning som behövs för att klara uppgiften. Nackdelarna är att bedömningen blir rättsosäker eftersom inte någon kontroll görs att studenten har löst uppgiften på egen hand, upplägget kräver mycket disciplin då hårda deadline inte sätts för inlämning och så saknas examinering av normala ingenjörsmoment som problemuppställning, modellering och simulering. Sammanfattningsvis så fungerar detta upplägg hyggligt bra i stort, men frågan är om inte redovisningen av studentens kunskap borde kontrolleras bättre när en rättvis individuell bedömning ska göras? En annan examinationsform på Systemteknik som har vi goda erfarenheter av är en så kallad laborativ examination, LAX. Under denna får studenterna lösa en konstruktionsuppgift individuellt i en känd laborationsmiljö. Lösningen ska sedan implementeras och redovisas inom avsatt tid. Studenterna får redovisa sina lösningar hur många gånger de vill under examinationen. Fördelarna är att lärarens roll blir mindre kontrollerande och dömande under laborationspassen och det går lättare att motivera studenterna till att engagera sig och samarbeta. Den kommande LAX:en motiverar också studenten till att hänga med under kursens laborationer

3 som brukar ske i grupp. Denna examinationsform har fått god respons av våra studenter. I detta projekt kombinerar vi både analys och konstruktion av kretsar för att ge kunskap som ligger nära vanligt ingenjörsarbete. Här är CDIO-modellen en viktig komponent som ska ge ingenjörsstudenten en bättre förståelse för ämnets helhet än mer traditionella kursformat. För att nå målen så gör vi den tidigare examinationsformen LAX bredare genom att se till att de ingenjörsmässiga aspekterna täcks in väl enligt CDIO-modellen och sedan utvecklar undervisningen och verktygen som behövs för att studenten ska klara uppgiften. Följande idéer är drivande. Genom att sammanföra alla CDIO-moment i examinationspasset uppstår ett behov och ett tillfälle för studenterna att förstå sammanhanget i kursen. Då alla moment ska genomföras under ett examinationstillfälle så ställs sunda krav på studentens färdighet och lärares undervisning. Effektivitet är viktig för en ingenjör varför det är fördelaktigt att redovisa god användning av implementeringsmodeller och verktyg, vana att hantera utrustning och demonstrera resultat. För att nå fram till en lyckad CDIO-LAX så behöver vi utveckla ett antal förberedande moment som ska ge studenterna tillräcklig färdighet för att klara av denna. Vi valde att använda kursen Elektronik för civilingenjörsstudenter i årskurs 1 för att testa implementeringen av idéerna i. Då detta är ett mindre utvecklingsprojekt så behåller vi den gamla kursstrukturen som vi modifierar för att stödja den nya examinationsformen. Vi börjar med att bygga upp teorin genom att lära ut problemformulering och matematiska lösningsmetoder på ett rätt så traditionellt vis. Här är det viktigt att ställa upp målen tidigt under kursen för att förklara och motivera studenternas och lärares insatser och sedan presentera vägen framåt. Tid avsätts för detta redan från första föreläsningen då examinationen presenteras. Vi diskuterar vad en krets är, hur en specifikation av en önskad funktion kan se ut, hur man väljer kretsstruktur, hur kretsen kan fås att uppfylla specifikationen och hur man med hjälp av mätningar demonstrerar att kretsen uppfyller specifikationen. Lärare påminner genomgående om vart vi vill nå i slutet av kursen. Vi inför även datorverktyg för att lösa komplexare problem effektivare än tidigare för att förbereda studenten inför examinationen. För att nå målet är det viktigt att träna problemuppställning som är förutsättningen för lösning med dator. Sedan löser man

4 problemen snabbare än med penna och papper. Laborationskursen får nu en central roll i kursen då denna tar upp de praktiska momenten inom elektronik. Dessutom kan man se övningarna som en slags styrd mini-lax som förbereder studenten på kommande LAX. I slutet av kursen går vi genom examinationen noggrant med ett riktigt exempel som förberedelse. Ett antal moment för att åstadkomma en CDIO-LAX identifieras och motsvarande aktiviteter planeras in i undervisningen för att stödja formen. Avslutningsvis så förbereds och genomförs själva examinationen. Studenten behöver till att börja med vana i att hantera problemställningar för att kunna formulera problem. Denna del har vi inte utvecklat nya metoder för utan förlitar oss på att traditionell lektionsundervisning med ett bra urval av övningar räcker för att ge önskad kunskap. Utöver detta behöver studenten vana i att implementera kretsar. För detta så utnyttjar vi traditionella laborationer, men genom att införa nya verktyg så avser vi att öka den allmänna effektiviteten vid lösande av uppgifter. Verktygen består av en programmeringsspråket Python tillsammans med en programvara baserad på öppen källkod som heter SciPy vilken liknar det välkända datorverktyget Matlab. Denna miljö passade speciellt bra in i kursen vi valde att testa projektidéerna i då studenterna läser en introducerande programmeringskurs i Python i läsperioden innan. Språket har dessutom inbyggt stöd för räkning med komplexa tal vilket är en förutsättning för att vi ska kunna lösa kretsproblem effektivt. Överlag så införde vi många moment där vi löste problem med datorverktyg för att ge vana i hur man effektivt löser problem. Under föreläsningarna visades genomgående hur problem ställs upp och löses med datorverktyg. Fyra av tio lektioner gavs i datasal där studenten fick möjlighet att öva på uppgifter som hade omformulerats för att passa lösning med datorverktyg. En ny metod för att beskriva och simulera enkla kretsar utvecklades och lärdes ut. Den praktiska tillämpningen görs under laborationspassen. Slutligen ska studenten demonstrera lösningar där teoretiska sådana görs under datorlektioner och kretsimplementeringar under laborationspass. Inför examinationen så konstruerades flera olika uppgifter då antalet deltagare var så många att sex examinationspass behövde spridas ut över flera dagar. Själva uppgifterna och en liten hjälpmanual plastades in för att kunna återanvändas medan specifikationen för kretsen som ska konstrueras presenterades på vanligt papper. Komponenter inhandlades och examinationssalen förbereddes genom att tillgången till internet blockerades. Nytt för denna kurs och laborativ examination överhuvudtaget är att studentens prestation bedöms med betygsskalan U, 3, 4, 5 beroende av hur stor del av uppgiften som lösts. En mycket viktig detalj för att

5 möjliggöra en snabb och rättvis bedömning av en demonstration är att bestämma vad som behöver redovisas för respektive betyg och sedan presentera en enkel, detaljerad beskrivning av vad som krävs för studenten. Under de examinationstillfällen som getts så här långt så har tre deluppgifter förkommit där en godkänd uppgift ger betyg 3, två godkända uppgifter betyg 4 och tre godkända uppgifter betyg 5. Som exempel kan en deluppgift gå ut på att demonstrera en implementering i SciPy, en andra deluppgift gå ut på att demonstrera mätresultat och en tredje att demonstrera en egenhändigt implementerad simulator i vilken kretsen modelleras. Efter att CDIO-LAX införts har vi fått en fallande trend i släppet. Vid förstagångsexaminationen under 2016 så gick 62 studenter upp på examinationen. 19 studenter fick betyg 3, 14 studenter fick betyg 4 och 5 studenter fick betyg 5, vilket resulterade i släppet (godkända studenter) 61%. Under motsvarande förstagångstillfälle under 2017 så gick 68 studenter upp på examinationen varav 27 studenter fick betyg 3, 4 studenter fick betyg 4 och inga studenter högsta betyg. Detta resulterade i släppet 46% vilket är lägre än förväntat. Utvärderingen av kursen visar att kursen inte har tagits mot så bra. Kommentarerna pekar på att studenterna inte förstår upplägget med CDIO-LAX. De verkar förvirrade och förstår inte vad som ska göras. En del ber om enklare exempel och typexempel. Det ser tyvärr ut som att projektet inte har gett något ökat intresse för undervisningen så här långt. Examinationen är ny och oväntad för studenterna. Den kräver mer förståelse och effektivitet i insatsen än att lösa typexempel. Eftersom studenterna verkar känna en osäkerhet i vad som behöver läras in så måste detta med nödvändighet förtydligas på ett mycket bättre sätt. Dessutom kan det vara så att det är för tidigt att fokusera på vad som ska göras som färdig ingenjör redan i årskurs ett. För att se om upplägget fungerar bättre för äldre studenter så kommer vi nu att prova flytta kursen till högre årskurs.

6 Examination av ingenjörsstudenter Svar på standardfrågorna Ledde projektet till önskat resultat? Nej, se resultatstycket i rapporten Kommer projektet att leva vidare, och i så fall hur? Ja, fast vi flyttar det till en högre årskurs från ettan Finns någon dokumentation om hur studenterna uppfattat projektet? Vad säger i så fall den? Ja, se resultatstycket i rapporten Har ni presenterat projektet vid någon konferens eller på något annat sätt publicerat resultaten utanför LiU? Nej Finns det någon dokumentation (t.ex. från en konferens) utöver den rapport som lämnas till PUG? Nej