Από τα αυτοκίνητα που μας οδηγούν στην εργασία μέχρι τα τηλέφωνα που επιβεβαιώνουν την ταυτότητά μας, οι συναρπαστικές νέες τεχνολογίες μεταμορφώνουν γρήγορα κάθε πτυχή της ζωής μας. Για αυτό, μπορούμε να ευχαριστήσουμε την εκθετική ανάπτυξη και πρόοδο των πεδίων STEM τις τελευταίες δεκαετίες. Μάλιστα, η απασχόληση στα επαγγέλματα STEM έχει αυξηθεί 79% από το 1990αυξάνοντας από 9,7 εκατομμύρια σε 17,3 εκατομμύρια το 2018. Με αυτούς τους αριθμούς να αυξάνονται συνεχώς, θα πρέπει να περιμένουμε να δούμε μια επιτάχυνση της χρήσης της σύγχρονης τεχνολογίας στην τάξη.
Παρά την τεράστια αυτή ανάπτυξη, η εκπαίδευση STEM δεν έχει ανταποκριθεί στις απαιτήσεις. Ένας τομέας όπου αυτό είναι έντονο είναι η υιοθέτηση αναδυόμενων τεχνολογιών, όπως οργάνων που ορίζονται από λογισμικό σε εργαστήρια μηχανικής, καθώς πολλοί εκπαιδευτικοί διστάζουν να διαταράξουν το status quo και να το εφαρμόσουν στα προγράμματα σπουδών τους.
Τι είναι τα όργανα που ορίζονται από λογισμικό;
Τα όργανα που ορίζονται από λογισμικό παρέχουν στους μηχανικούς, τους επιστήμονες και τους φοιτητές μεγαλύτερη πρόσβαση σε πιο προηγμένα και ευέλικτα εργαλεία με χαμηλότερο κόστος. Ο παραδοσιακός εξοπλισμός δοκιμών και μετρήσεων έχει γενικά τη μορφή κουτιών υλικού σταθερής λειτουργίας με απαρχαιωμένες διεπαφές σχεδιασμένες για έναν μόνο σκοπό. Ωστόσο, τα όργανα που καθορίζονται από το λογισμικό επιτρέπουν στους χρήστες να διαμορφώνουν υλικό πολλαπλών λειτουργιών με μια προσέγγιση πρώτα από το λογισμικό, έχοντας πρόσβαση σε πολλά όργανα σε μία συσκευή μέσω μιας ενιαίας, συνεπούς διεπαφής.
Οι σημαντικές πρόοδοι στις υποκείμενες τεχνολογίες, όπως οι προγραμματιζόμενες στο πεδίο συστοιχίες πυλών (FPGA), οι υπηρεσίες cloud και ο σχεδιασμός UX δημιουργούν γρήγορα μια νέα, πιο ικανή γενιά συσκευών. Η ελκυστικότητα των οργάνων που ορίζονται από λογισμικό βασίζεται στην ευελιξία που επιτρέπει το λογισμικό. Παραδοσιακά, αυτό έχει το κόστος της πολυπλοκότητας και των προκλήσεων απόδοσης. Ωστόσο, τα ολοένα και πιο ισχυρά FPGA και η σύγχρονη σχεδίαση διεπαφής χρήστη προσφέρουν μια διαδρομή για να ξεπεραστούν αυτές οι ανταλλαγές, συνδυάζοντας την ευέλικτη διαμόρφωση και τον έλεγχο στο λογισμικό με την εκτέλεση υψηλής απόδοσης στο υλικό.
Πώς μπορούν τα όργανα που ορίζονται από λογισμικό να συμπληρώσουν την εκπαίδευση STEM;
Στο STEM, οι μαθητές που μαθαίνουν διαφορετικά, ίσως περισσότερο οπτικά, δεν καλύπτονται καλά. Για παράδειγμα, μια από τις μαθησιακές μου προκλήσεις είναι η μνήμη μου για λεπτομέρειες. Αν δεν πιστεύω ότι κάτι είναι σημαντικό, είναι αδύνατο να ασχοληθώ. Δυστυχώς, ο τρόπος με τον οποίο τείνουν να διδάσκονται τα θέματα STEM είναι αρκετά γραμμικός: μάθετε πρώτα θεωρητικά θεμέλια και μετά ανακαλέστε τα όταν είναι χρήσιμα αργότερα. Η μάθηση βάσει έργου είναι μια εξαιρετική λύση. Βοηθά στην ενίσχυση της συγκέντρωσης και των κινήτρων των μαθητών για την επίτευξη απτών, αξιόλογων στόχων, ενώ μαθαίνουν θεμελιώδεις έννοιες.
Τα όργανα οργάνων που καθορίζονται από λογισμικό παρέχουν πολλά πλεονεκτήματα για να φιλοξενήσουν ένα ευρύ φάσμα μορφών μάθησης. Τα όργανα που καθορίζονται από το λογισμικό θέτει ένα νέο πρότυπο ευελιξίας ενσωματώνοντας πολλαπλά εξελιγμένα εργαλεία σε μία εύχρηστη συσκευή. Αυτή η ευελιξία δίνει στους μαθητές πρόσβαση σε περισσότερες ευκαιρίες για οπτικοποίηση και αλληλεπίδραση με σήματα με ουσιαστικούς τρόπους. Για παράδειγμα, τα περισσότερα εργαστήρια είναι εξοπλισμένα με παλμογράφους ή καταγραφείς δεδομένων για τη μέτρηση σημάτων στον τομέα του χρόνου, αλλά πριν από την οργάνωση που καθορίζεται από το λογισμικό, ήταν ασυνήθιστο για τους μαθητές να έχουν πρόσβαση σε προηγμένα εργαλεία όπως αναλυτές φάσματος ή αναλυτές απόκρισης συχνότητας. Με τη σύγχρονη τεχνολογία, οι μαθητές μπορούν να ανακαλύψουν εναλλακτικούς τρόπους προβολής και χαρακτηρισμού σημάτων και συστημάτων (π.χ. στους τομείς χρόνου και συχνότητας). Αυτές οι νέες προσεγγίσεις μπορούν να δώσουν στους μαθητές μια πολύ βαθύτερη κατανόηση, συχνά σε ένα πολύ διαισθητικό επίπεδο που κλειδώνει σε έννοιες για όλη τη ζωή, αντί για λίγο μετά την επόμενη εξέταση.
Πρόσφατα, τα όργανα που καθορίζονται από λογισμικό βοήθησαν στη βελτιστοποίηση των μαθημάτων ηλεκτρονικών ισχύος για εκπαίδευση ηλεκτρολόγων μηχανικών στην Ακαδημία Πολεμικής Αεροπορίας των Ηνωμένων Πολιτειών. Η δυνατότητα γρήγορης αποσφαλμάτωσης και αξιολόγησης της ποιότητας διαφόρων ηλεκτρικών υποσυστημάτων είναι μια βασική ικανότητα για έναν ηλεκτρολόγο μηχανικό. Τα εργαλεία που καθορίζονται από το λογισμικό βοηθούν τους μαθητές να επισπεύσουν αυτή τη διαδικασία, επειδή όλος ο απαιτούμενος εξοπλισμός δοκιμής για το εργαστήριο περιέχεται σε μία μόνο συσκευή.
Τα όργανα που ορίζονται από λογισμικό παρέχουν επίσης έναν οπτικά ελκυστικό τρόπο διδασκαλίας διαφόρων μεθόδων συντονισμού για ελεγκτές αναλογικού ολοκληρωτικού παραγώγου (PID) στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν. Ο ελεγκτής PID παρέχει μία από τις πιο κοινές μορφές ελέγχου ανάδρασης. Χρησιμοποιείται σε μια σειρά εφαρμογών, από το cruise control σε αυτοκίνητα μέχρι τον έλεγχο κινητήρα σε drones. Σε συσκευές που καθορίζονται από λογισμικό, η γραφική διεπαφή χρήστη οπτικοποιεί δυναμικά τη διαμόρφωση και τα δεδομένα του ελεγκτή, βοηθώντας τους μαθητές να δουν τις εσωτερικές λειτουργίες του συστήματος καθώς διεξάγουν τα πειράματά τους.
Λαμβάνοντας υπόψη τα πολύτιμα, ευρέως πλεονεκτήματα που μπορεί να προσφέρει στην τριτοβάθμια εκπαίδευση η οργάνωση που ορίζεται από λογισμικό, μπορεί να φαίνεται περίεργο ότι τα εκπαιδευτικά προγράμματα STEM άργησαν να υιοθετήσουν αυτήν την τεχνολογία, ειδικά με την καινοτομία να βρίσκεται στον πυρήνα αυτού που προσπαθούν να διδάξουν .
Γιατί οι εκπαιδευτές STEM δεν έχουν προλάβει ακόμα και πώς μπορούν να καλύψουν τη διαφορά;
Μέρος της απάντησης σε αυτό το ερώτημα έρχεται στην ψυχολογία. Είναι μεγάλη ευθύνη να εκπαιδεύσουμε την επόμενη γενιά μηχανικών και επιστημόνων και να τους προετοιμάσουμε για επιτυχία — και όχι κάτι που πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπόψη. Οι υπεύθυνοι λήψης αποφάσεων στην εκπαίδευση STEM συχνά καθυστερούν να υιοθετήσουν νέες τεχνολογίες στα προγράμματα σπουδών τους. Γνωρίζουν ότι οι αποφάσεις τους βοηθούν στη διαμόρφωση του μυαλού των μαθητών που αργότερα θα εισέλθουν στο εργατικό δυναμικό για να λύσουν πολύπλοκα παγκόσμια προβλήματα που σχετίζονται με το κλίμα, τη βιομηχανική καινοτομία και τα τεχνολογικά όρια. Λόγω του αντιληπτού κινδύνου που σχετίζεται με σημαντικές ενημερώσεις του προγράμματος σπουδών, οι εκπαιδευτικοί STEM μπορεί να είναι απρόθυμοι να υιοθετήσουν νέους τρόπους διδασκαλίας. Ωστόσο, εάν δεν είναι προσεκτικοί, ο δισταγμός τους να υιοθετήσουν οργάνωση που καθορίζεται από λογισμικό θα μπορούσε να αφήσει την επόμενη γενιά μαθητών ανεπαρκώς προετοιμασμένη να χρησιμοποιήσει την τεχνολογία του μέλλοντος.
Πρωταρχικός στόχος της εκπαίδευσης STEM είναι να προετοιμάσει τους μαθητές για το εργατικό δυναμικό διδάσκοντάς τους πώς να χρησιμοποιούν τις τεχνολογίες αιχμής που χρησιμοποιούνται στον εμπορικό και ερευνητικό τομέα. Στα επόμενα χρόνια, αναμένω να δω μια θόλωση των γραμμών μεταξύ των συμβατικών τύπων οργάνων. Θα είμαστε σε θέση να εστιάσουμε περισσότερο στις μετρήσεις και τις γνώσεις που προσπαθούμε να πάρουμε, παρά στο πλήθος των πλαισίων που χρησιμοποιούμε για να τα αποκτήσουμε. Οι φοιτητές που ξεκινούν τα πανεπιστημιακά τους πτυχία σήμερα δεν είναι πιθανό να συνταξιοδοτηθούν πριν από το 2060. Για να υπηρετήσουμε μια προνοητική βιομηχανία όπου εισάγονται συνεχώς νέες καινοτομίες και ενημερώσεις, είναι επιτακτική ανάγκη να μεταφέρουμε την εκπαίδευση STEM για να επικεντρωθούμε στο πού πηγαίνουν οι τεχνολογίες και όχι στο πού ήταν . Για να εκπαιδεύσουμε την επόμενη γενιά μηχανικών, πρέπει να τους εκπαιδεύσουμε να χρησιμοποιούν την επόμενη γενιά τεχνολογίας — από τώρα.
