学生在开始他们的工程师生涯时，应具备有效地理解和解决复杂挑战的能力，并为这些挑战设计解决方案。他们必须能够团队合作，在设计限制下及时实现目标，并且必须能够创新地应用他们在整个教育生涯中获得的知识。为了确保学生做好准备，我们需要传达对现实世界环境中出现概念的理解，然后通过激发团队合作、有效利用工具和工程方法的项目来考验他们。

基础概念

挑战学生创新设计思维的项目通常涉及到与未知过程或设备的交互。鼓励学生通过理论、仿真和实验来理解未知。然而，在杂乱的、多系统的环境中引入未知的项目自然会挑战学生的创新能力。设计这种风格的测试不仅需要理解规格、设备的限制和应用的基本概念，还需要学生应对外部因素，以及研究输入的变化如何对实验系统产生级联效应。

图1：基础系列课程的主题分布

以弗吉尼亚大学为例，该校开设了一系列电气和计算机工程的课程，他们称之为“基础课程”。基础课程旨在将电气工程的基础知识(包括电路、电子、信号和系统)整合到一个系列的课程中，这些课程相互迭代构建。因此，不同于将运算放大器作为一个单独的主题教学，而是学生们需要分析进入运算放大器的信号，以及这些特征如何影响运算放大器的性能。第一学期以学生创建一个四输入的求和放大器结束，它代表了简单电路、运放和信号的结合知识，以便于让学生充分理解项目的每个元素。自从弗吉尼亚大学实施这一课程结构改革以来，该校的基础概念得分提高了15%，学生在年末设计项目的创新质量也有了显著提高。

图2：基础课程I在UVA最终的求和放大器项目

要以这种方式最有效的分析概念，学生不仅需要进行实验和分析的能力，而且还需要精确的控制以及操纵系统输入类型和行为的能力，这对于学生的理解至关重要。NI ELVIS III是唯一将7种传统仪器与完全可定制的I/O相结合的工程实验室解决方案，它可以使基础概念在实验过程中完全实现。

激发团队合作的项目

激发团队合作的项目

一个可靠的，可重复的测试方案开发考验学生作为一个群体去计划的能力：适当的定义测试步骤；并提供一个输出，传达有关测试条件的相关信息；是否通过或失败，以及为什么。这些可重复的实验要求学生考虑和监控测试主要焦点之外的因素。

以佐治亚理工学院的实验方法课程为例，其中一个重要的概念是自由梁和受迫梁的振动。在这个实验中，学生需要能够监测一个力传感器和激光多普勒测速仪，并控制一个激振器，同时确保放大器和信号调节电路的准确性。虽然教授的概念是单一的，但是测量梁的受迫响应需要一个多方面的方法来开发一个完整的实验，它需要同时监测多个元素。佐治亚理工学院对此的回答是一个实验室解决方案，暴露仪器和控制，作为接口提供给多位同学。这种团队合作的程度和项目的复杂程度使学生们在毕业后有信心解决更难的问题。

图4：佐治亚理工学院ME3057振动项目示意图

NI ELVIS III结合了仪器和控制，专门用于服务实验和学习。就像这个实验，学生们需要创建一个精确的摇动光束的控制器，而激振器的放大器和力传感器的信号调节需要稳定和准确，以确保实验成功。像4通道示波器和16通道逻辑分析仪这样的仪器可以使学生知道他们的实验结果是有效的。

图5：NI ELVIS III控制I/O规范

工程方法

设计测试方案与理解测试方案中使用组件的过程并不是互斥的。事实上，工程设计过程要求在开发一个原型解决方案、测试它、使用结果和数据进行修改之间有一个紧密的联系。这些步骤之间如此紧密的关系需要结合设计和测试的工具。

图6：工程方法

以弗吉尼亚大学基础系列课程的第三学期，也是最后一学期为例。最后一个项目是做一个心电图仪。学生利用三个学期的电气工程基础教育积累的概念，理解和应用复杂信号、数据采集、仪器放大器和数据处理的知识。这些学生确实实现了工程方法，因为他们将需要意识到选择的轨迹长度和组件真的很重要，这用来获得一个纯净的、可理解的信号。在完成他们的设计和第一次测试后，学生们会发现有一个问题:信号几乎完全是噪声，而不是预期的输出。在这一点上，学生处于工程方法的“test solution”阶段，需要回到“brainstorm, evaluate, and choose solution”阶段。由于学生们对电路和系统中的信号有独特的理解，他们得出结论，噪声是通过电源和房间灯的组合引入的。通过数字实现的FIR滤波器后，学生们突然看到了自己的真实心率，并将结果反馈给教授。

图7：LabVIEW中EKG的输出波形

通过遵循工程方法和灵活的数字化原型以及实施元素，学生意识到如何解决项目中的问题，并总结经验教训。

结论

NI ELVIS III通过允许你用更多遵循工程设计过程的项目来考验学生，使你能够教授创新。

考虑到上述情况，学生将接触到大量基础和复杂的主题。在传统意义上，首先处理所有组件，然后，如果时间允许，试图将所有组件合并到一个项目中，可能会花费时间，缺乏吸引学生的环境。相反，如果在整个课程中通过多个项目实现了这一点，那么学生将继续挑战，你将成功获得《华盛顿协议》确定的几种学生学习成果，即:

1. 应用数学、科学和工程知识的能力；

2. 具备在多学科团队中工作的能力；

3. 具有识别、制定和解决工程问题的能力；

4. 能够运用工程实践所需的技术、技能和现代工程工具。