Das Circuit Navigation System in der Lehre

Einleitung

Abstrakte Konzepte wie Ströme und Spannungen zu verstehen und zu lehren war schon immer schwierig. Denn Elektrizität kann man nicht anfassen oder sehen, oder sollte es zumindest in den allermeisten Fällen nicht.

Die Maschinenbauer haben es da etwas besser: Nicht nur dass man eine stählerne Konstruktion anfassen und sehen kann, sondern die Kollegen haben auch noch Computerprogramme, mit denen sie ihre Konstruktionen ansehen können. Sie sehen direkt, welche Teile zusammengehören und wie sie zusammen wirken.

In der Elektrotechnik können wir zwar auch mit Computerprogrammen Schaltpläne zeichnen, aber die Analyse, wie die Teile der Schaltung zusammen wirken, war bisher nur mit umständlichen Umschreibungen und Liniendiagrammen möglich.

Für Schüler und Studenten

Bist du schon mal in einer Vorlesung über eine elektrotechnische Schaltung gesessen und einfach daran hängen geblieben, dass du nicht wusstest, wofür welche Linie steht? Oder daran, dass dir nicht klar war, wieso der Verlauf der einen Kurve den Verlauf einer anderen Kurve so beeinflusst, wie dargestellt?

Keine Sorge, das ist oft so - viele deiner Mitschüler haben das gleiche Problem. Und mir ging es in der Schule auch so. Und dann im Studium auch. Und danach bei meiner Arbeit als Elektroingenieur ebenso.

Meistens kostet dieses Hängenbleiben an diesen Bedeutungen von Kurven mehr Zeit und Nerven als der ganze Rest der Schaltplan-Analyse zusammen. Das hat mich so sehr genervt, dass ich irgendwann ein eigenes Schaltplan-Analyse-Programm geschrieben habe. Aber dieses neue Programm soll nicht nur Linien ausgeben, sondern es soll dir zeigen, wo welche Spannung anliegt, und welcher Strom wo entlang fliesst.

Denn es ist nicht unsere Aufgabe, Werte und Bauteile einander zuzuordnen. Das können Maschinen viel besser und viel schneller. Unsere Aufgabe ist es, aus diesen zugeordneten Werten die Schaltung zu verstehen. Und dann aus dem Verstandenen etwas besseres  zu schaffen. Darin sind wir Menschen gut.

Für Lehrer, Tutoren und Professoren

Wie oft haben Sie schon eine Schaltung erklärt, aber dann gemerkt, dass kaum jemand von Ihren Schülern mit dem Vortrag mitkommt?

Und dass Sie dann das gleiche nochmal ausführlicher erklären, aber auch mehr Worte nur ein Bisschen helfen?

 

Oftmals ist das Verständnisproblem in der Elektrotechnik gar nicht die Schaltung selbst. Sondern das grösste Problem ist die Zuordnung von Linien zu Bauteilen:

Meistens ist den Schülern nicht klar, welche Stromkurve für welchen Strom durch welchen Anschluss von welchem Bauteil steht. Oder welche Spannungskurve für welchen Spannungsabfall über welchem Bauteil. Erst recht schwierig ist es dann, Zusammenhänge zwischen den Kurvenverläufen zu erkennen und daraus das Wirkprinzip der jeweiligen Schaltung zu verstehen.

 

Dieses Problem existiert in allen Bereichen der Elektrotechnik. Egal, ob Sie die Grundlagen erklären, oder eine bestimmte Digitalschaltung oder eine OpAmp-Schaltung. Oder ein Motorsteuergerät mit ihrem Kollegen analysieren. Man hängt sich fast immer an den Kurvenverläufen und der damit zusammenhängenden Zuordnung und Interpretation auf.

Mit dem CNS eine Animation zu erstellen erfordert nur wenige Klicks, und das CNS zeichnet Spannungen und Ströme dort ein, wo sie im Schaltplan auch hingehören.

Zeigen Sie ihren Schülern die Animation, dann genügt eine kurze Erklärung, warum die Spannungen und Ströme sich so verhalten wie dargestellt.

Insofern können Sie sich selbst viel Arbeit sparen, wenn Sie nicht mehr jede Schaltung mehrfach erklären müssen, sondern den für alle Personen umständlichsten Teil durch den Computer erklären lassen. Und Sie können trotz der gesparten Arbeit ein besseres Verständnis erreichen.

Für alle, deren Lehrplan durch Corona durcheinander geworfen wurde

Elektrotechnik zu unterrichten und zu lernen war schon immer umständlich genug, doch mit den Veränderungen durch die Corona-Pandemie wurde es noch schwieriger:

Während man zuvor wenigstens eine grosse Tafel für die Darstellung  im Klassenzimmer hatte, muss nun bei Online-Unterricht ein kleiner Bildschirm reichen.

Hier muss also der Platz für die Darstellung gut genutzt werden. Und was bietet sich da besser an, als die in den Schaltplan integrierte Darstellung des CNS?

Mit der Corona-Pandemie fallen an manchen Schulen und Universitäten immer wieder Laborpraktika aus.

Das ist insofern schade, als dass die Praktika an den Geräten oft ein vertieftes Verständnis der jeweiligen Schaltungen ermöglicht. Denn wer etwas selber macht, und selber sieht wie es dann funktioniert, kann es in der Regel auch besser verstehen.

Dieses vertiefte Verständnis lässt sich zum Glück auch Coronasicher am Bildschirm mit dem CNS und KiCad erreichen:

Eine Schaltung kann man auch mit KiCad aufbauen, und dann im CNS sehen wie es funktioniert.

Manchmal führt das Erstellen und analysieren am Bildschirm zu einem nicht ganz so guten Verständnis wie das reale Aufbauen, weil man es nicht physisch in der Hand hat, und manchmal führt es zu einem noch besseren Verständis, weil man das gesamte Ergebnis sehen kann.

Schlussfolgerung für alle

Nutzt KiCad zum Erstellen von Schaltungen und das CNS um Animationsfilme zu diesen Schaltungen zu erstellen.

Denn wer in Vorträgen über elektrische Schaltungen das CNS nutzt, spart sich beim Erklären mehr Arbeit, als er zum Erstellen der Animation benötigt, und erhält sogar ein noch besser verständliches Ergebnis.

Und wer in Übungen selbst eine Schaltung und die dazu gehörende Animation erstellt, hat nicht nur den Lerneffekt des selber Aufbauens, sondern erhält auch noch eine eigene Übersicht über alle Ströme und Spannungen.

Dabei ist es mit dem CNS sogar einfach, ein eigenes Animationsvideo zu erstellen.