Jak zaciekawić nauką elektroniki?

Jak pogodzić naukę trudnych zagadnień z czerpaniem radości z elektroniki?

Jak śmiem w ogóle sądzić, że elektronika może być nieciekawa?! Przecież badanie rozpływu prądów stałych w pętli sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego to pasjonująca rzecz! A analiza małosygnałowa modelu wzmacniacza szerokopasmowego: czysta poezja dla duszy. Owszem, dla duszy już wprawionej, która w tych subtelnościach doskonale się odnajduje i potrafi czerpać przyjemność ze wszystkich zależności, odkrywanych z niemal detektywistyczną przebiegłością. Ale nie każda dusza taka jest.

Wielu ludzi musi poznać elektronikę wyłącznie, by zaliczyć przedmiot na studiach. Z reguły bywa ona traktowana przez większość, nierzadko również przez wykładowców, jako „zapchajdziura” wypełniająca wymagany zakres podstawy programowej. To przykre, ale tak jest – w ten oto sposób o efekcie Millera w tranzystorze bipolarnym uczą się przyszli programiści, elektrycy, mechanicy, a nawet architekci. Przez kilka lat udzielałem korepetycji z tego zakresu i przekrój grup zawodowych, z którymi miałem wówczas do czynienia, okazał się naprawdę szeroki. Często ci biedni studenci „klepią” na pamięć formułki, których zupełnie nie rozumieją, tylko po to, aby dostać upragnioną trójkę w USOS-ie. Przy czym naprawdę wielu z nich chciałoby się dowiedzieć, o co naprawdę chodzi np. we wszystkich „Kirchhoffach”, lecz nie potrafią znaleźć zrozumiałego i jednocześnie rzetelnego źródła takich informacji.

Jest też sporo osób, które chcą się zainteresować elektroniką, taktując ją po prostu jako hobby, ewentualnie jako próbę zrozumienia otaczającego nas świata. Skoro elektronikę spotykamy już niemal wszędzie, co więcej: stwarza ona pozory życia (reaguje, odpowiada, komunikuje się z nami), to musi w niej „coś” tkwić. Jednak nawet ambitni amatorzy nowych technologii natrafiają czasem na problemy tak duże, że w końcu zniechęcają się do dalszej nauki. To smutne, bo niektórzy z nich mogliby w przyszłości wnieść cenny wkład do czynnej zawodowo braci konstruktorskiej.

Jestem autorem kilku kursów elektroniki dla bardziej i mniej początkujących, ponadto wiele godzin spędziłem ze studentami, objaśniając im rzeczy z pozoru trudne i złożone. Wyłaniają mi się z tych doświadczeń dwa obszary krytyczne dla zrozumienia omawianego zagadnienia: stosowany język oraz odpowiednio dobrane przykłady. Kwestia języka jest, zdaje się, bardziej intuicyjna: musi być on prosty, a przede wszystkim jasno i klarownie oddawać istotę zagadnienia – ta zasada dotyczy każdego etapu nauki, nawet bardziej zaawansowanego. Po co komu analiza równań różniczkowych opisujących pracę tranzystora w układzie wspólnej bazy, skoro zainteresowany nie będzie rozumiał rzeczy podstawowych: do czego to służy i dlaczego wygląda tak, a nie inaczej?

Przypomina mi się tutaj sytuacja z czwartego semestru studiów inżynierskich, kiedy na wykładzie traktującym o elementach i układach elektronicznych omawiany był temat tranzystora bipolarnego. Piękne wzory, wspaniałe równania, wymuskane schematy i potężna matematyka. Po wykładzie studenci zawinęli się z auli, ja zaś zostałem i zadałem wykładowcy pytanie: Z pana wykładu nie zrozumiałem, jaka jest istota działania tranzystora, czemu oprócz tak potężnej matematyki i fizyki nie zostały omówione fundamentalne, proste do zrozumienia prawidła? Ów wykładowca popatrzył na mnie, zadumał się chwilę i udzieli mi takiej odpowiedzi: Proszę pana, tu jest szkoła wyższa, tutaj się mówi językiem naukowym, a nie prostym. Rozumiem to tak: ma być mądrze, ale czy ktokolwiek zrozumie wykład, to kwestia drugorzędna. Ważne, że zapis na tablicy wygląda majestatycznie…

Z kolei wykłady tych, którzy potrafili (choćby na chwilę) zejść z poziomem swojego przemówienia do przysłowiowej piaskownicy, cieszyły się bardzo dużym uznaniem. Nie dziwi mnie to – słuchacze mieli możliwość odnalezienia się w omawianym temacie, zanim zostały zaprezentowane wyrafinowane szczegóły każdego z elementów owego zagadnienia. Każdy taki element z osobna jest istotny, ale bez zrozumienia połączeń między nimi wszystkie razem tracą jakikolwiek sens. Istotne jest dla mnie również to, żeby nie powtarzać w kółko tej samej frazy, jeżeli odbiorca jasno sygnalizuje, że czegoś nie rozumie. Sam doskonale pamiętam, jak niektóre zagadnienia z dziedziny fizyki czy matematyki wyższej były dla mnie niejasne, po czym usłyszałem od kogoś tę samą definicję, ale nieco innymi słowami – znowu nie rozumiałem, znowu padała odpowiedź sformułowana w nieco inny sposób – i nagle stawała się jasność, coś po prostu zatrybiło!

Uzupełnieniem języka, który ma być przede wszystkim zrozumiały, są dla mnie przykłady. I tak oto początkującym, którzy chcą zrozumieć działanie obwodów elektrycznych, bardzo często podaje się analogie hydrauliczne, które sam też bardzo lubię. Ale to nie wszystko, bowiem każde zagadnienie można zilustrować przykładem. Wszak warto nie tylko rozumieć dany temat – cenna jest również wiedza, po co w ogóle mamy poznać jakieś zagadnienie i jak tę wiedzę później zastosować. W tym właśnie pomagają przykłady.

Mój promotor na swoich zajęciach z elektroniki analogowej i impulsowej bardzo lubił „zarzucać” temat do wspólnego z nim zaprojektowania, na przykład: generator sygnału prostokątnego o płynnie przestrajanej częstotliwości. Z takim urządzeniem łączy się wiele różnych pojęć, które same z siebie mogą wydawać się mało użyteczne, jak chociażby regulowane źródło prądowe czy przerzutnik Schmitta. Kiedy jednak zobaczy się je w szerszym kontekście, wszystko staje się jasne. I nagle widzimy, na co ma (realnie) wpływ upływność źródła prądowego, a z czym wiąże się niezerowa rezystancja wyjściowa przerzutnika Schmitta.

Jednak nie zawsze przykład musi obejmować aż tak szeroki wachlarz pojęć. Przywołajmy tu chociażby wspomniany już efekt Millera w tranzystorze bipolarnym, którego działanie pokazuje się już na wyższym szczeblu nauki elektroniki analogowej. Warto byłoby dodać, jakie zadanie wykonuje w naszym układzie (zmniejsza górną częstotliwość graniczną, ograniczając tym samym pasmo przenoszenia) i jaki ma namacalny wymiar, chociażby przez policzenie przykładowego pasma przenoszenia wybranego wzmacniacza w układzie wspólnego emitera. Może się okazać, że (pozornie) genialny i dopracowany przedwzmacniacz audio ma pasmo przenoszenia odpowiadające starej słuchawce telefonicznej. Jaką jakość ma dźwięk z telefonu, każdy wie (choć w nowoczesnej telefonii komórkowej parametr ten wypada nieco lepiej), więc nietrudno będzie sobie uzmysłowić, jak dużą „krzywdę” wyrządza ów efekt sygnałowi.

W jednym z cykli kursów, które współtworzyłem, każdy odcinek zaczynał się od jakiegoś praktycznego problemu do rozwiązania. Przykład? Mamy serwomechanizm modelarski, trzeba natomiast dodać elektronikę do sterowania nim, aby mógł uchylać klapkę wywietrznika przy wzroście wilgotności powietrza.

Albo inna konstrukcja: wentylator, który kręci się tym szybciej, im wyższa temperatura powietrza panuje w pomieszczeniu. W ten sposób można nawiązać zarówno do idei sterowania PWM, jak też do działania termistora czy czujnika wilgotności.

Reasumując, w mojej opinii, podczas uczenia kogokolwiek elektroniki (lub innego zagadnienia) ważne jest, by wysławiać się na poziomie zrozumiałym dla odbiorcy i popierać wywód przykładami. Jeżeli odbiorca tego komunikatu nie zrozumie, to znaczy, że trzeba nieco zmienić podejście, bo może obrany przez nas pierwotnie kurs jest niewłaściwy. Jeżeli pomimo zmiany nadal nie rozumie, ale mówi nam o tym wprost, dostarcza nam dwóch cennych informacji. Po pierwsze: nie boi się przyznać do swoich trudności, czyli czuje się bezpiecznie, a to bardzo ważne w procesie uczenia. Po drugie, taka uwaga wcale nie oznacza, że strona słuchająca jest głupia. Może to z naszym pojmowaniem omawianego zagadnienia jest coś nie tak…

Michał Kurzela, EP