你一定看到過很多相關報導與競賽:無論是教育者、家庭、還是企業,都積極鼓勵從小學到高中的學生對理工類學科──即科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)與數學(Math),縮寫為STEM的相關學科──產生興趣;在我看來這是好消息,因為未來STEM領域很可能需要更多人才,你永遠無法預知誰會用創新而有遠見的方法來解決眾多設計挑戰。

即使那些理工科學生最後沒有成為卓越的創新者,還是有許多基礎性的工程任務等著他們;例如將更多「東西」塞進越來越小的機殼裡,同時要讓功耗更低。這些都需要扎實的基礎工程知識和技能。

也許有人不同意「我們需要更多工程師和科學家」的說法,因為目前確實不缺這樣的人才,而且技術類從業者太多,反而會導致薪資水準下降。這可能有點道理,畢竟「工程人才短缺迫在眉睫」已經喊了幾十年,但底缺什麼、還有工程師人數的增減會對職場環境產生怎樣的影響,暫時還不知道。

所以我很高興看到人們對理工領域的興趣,其中大部分與機器人類型的專案相關;這是有道理的,因為會激發人們的想像力,讓學生維持興趣,並且會有可以展示的實際成果。

但關於我看到的眾多STEM專案與課程,有一件事讓我感到困擾:大部分時間都花費在諸如Arduino這種眾所周知的平台來編寫程式,因此那些學生對STEM知識的探索大多是只透過電腦鍵盤,就像一切都只是一堆程式碼,或是一個應用程式,而且幾乎所有工程問題都可以透過寫點程式來解決。

很抱歉,事實並非如此。有經驗的工程師都知道,許多真正的設計挑戰是在實體層和介面層,包括驅動電流和電壓、源極與汲極、暫態、損耗、寄生、洩漏、負載特性、雜訊、時序、脈衝干擾等等問題,種類繁多不及備載──而且在大多數情況下,看似聰明的程式碼是解決不了問題的,那些「粗重的工作」反而都是與類比電路功能與元件(包括主動與被動)有關。就算某個電路在名義上是數位的,實際上在實體層,所有系統都是類比的,這只是物理學觀點。

了解實體層電路最好的方法,當然是構建一些電路並使用它們,同時將處理器/軟體方面的因素減到最小甚至消除它們,至少在一開始的時候。下圖是我在《QST》(美國無線電中繼聯盟-ARRL發行的期刊)發現的一個小電路,很容易在麵包板上實現,因為它沒有關鍵元件或佈線、構建方面的問題,也沒有高風險電壓和電流,低於1/2mΩ以下為短路、高於1/2MΩ為開路,打造該電路的人可以使用基本的數位伏特計(DVM)或示波器測量各種電流和電壓,還可以探索改變元件值會產生什麼影響。讓人怎能不喜歡?

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這個在音訊/ LED連續性和洩漏檢測器中採用的類比電路,簡單又無測試風險,可以讓理工科學生認識實際元件及其功能。
(來源:《QST》期刊,ARRL)

有很多參與STEM專案的學生可能會發現工程和科學領域不適合他們,這也沒關係,他們至少會藉此了解工程師和科學家們創造出的那些「魔法」是多麼不容易,並因此讚賞和尊重他們。也許下一次當他們看到某個產品,就會知道一些關於設計、原型製造、除錯以及讓產品上市,需要付出哪些努力。

同樣重要的是,他們也可能會慢慢接受一種最重要的設計現實:折衷和約束。因此,當他們發現一個產品的特徵或功能他們並不喜歡,或者一個產品沒有他們喜歡的特徵或功能時,就不會只用表面觀點提出「為什麼他們不這樣/那樣,是有那麼難嗎?」之類的問題,因為真是不好意思,增加或改變一個「小」東西,的確可能產生影響重大的連鎖反應。

而對於該在STEM專案中讓學生大量依賴電腦編寫數位程式碼,或者讓他們自己動手製作可以測試和修改的電路與介面,你認為何者更重要?

編譯Jenny Liao, EDN China;責編:Judith Cheng

(參考原文: Analog Circuits Give Boost to STEM Reality ,by Bill Schweber)