Czy chcesz, aby Twoi uczniowie potrafili wykorzystywać wiedzę naukową tworząc innowacyjne konstrukcje? Chcesz by fascynowali się naukami ścisłymi tworząc roboty, statki kosmiczne lub proste usprawnienia? Zaproś ich do wspaniałej szkolnej, inżynierskiej przygody STEAM.
Inżynier, czyli kto?
Inżynieria to wykorzystanie wiedzy i doświadczenia do rozwiązywania rozmaitych problemów oraz ochrony i poprawy życia. Mamy tutaj zatem prosty proces inżynierski, który paradoksalnie doskonale znamy. Na początku jest problem, który wyznaczasz uczniom. Trzeba go rozwiązać.
"Apollo 13: Houston, We’ve Had a Problem" Co mamy na myśli mówiąc problem? Na przykład: “Jak poprawić bezpieczeństwo pojazdu podczas zderzenia z słupem ulicznym”, “jak zmniejszyć hałas w szkole”, “jak usunąć zanieczyszczenie rzek odpadami”, “jak zbudować bioniczną kończynę rosnącą wraz z dzieckiem”, “jak zaprojektować osiedle przyszłości”… problemów do rozwiązania jest całe mnóstwo i wiele z nich może i jest rozwiązywanych już dzisiaj w szkołach. W ten sposób uczniowie realizując podstawę programową poznają zastosowanie nauki w praktycznych zastosowaniach.
Inżynier zadaje pytania
Gdy inżynierowie poznają problem, zmieniają się w prawdziwych badaczy. Wiedza naukowa to podstawa, ale często trzeba rozpocząć od poznania istoty problemu, dopytać, aby zrozumieć.
Inżynier zapyta zatem dlaczego ten problem chcemy rozwiązać, co było pierwotną przyczyną problemu? Dlaczego problem się pojawia oraz kiedy dokładnie się pojawia. Na koniec zapyta “co będzie świadczyło o tym, że problem zostanie rozwiązany?”
Uczniowie zastanawiający się nad problemem projektowym (fot. PCSS)
Nauczenie uczniów zadawać właściwe pytania jest nie lada sztuką. Ale z pomocą przychodzą różne metody, ćwiczenia, gry i zabawy jak na przykład Drabina problemu.
W Procesie projektowania inżynierskiego (o którym później) etap ten nazwiemy Definiowaniem problemu.
Inżynier jest badaczem
Zanim problem zostanie rozwiązany mija zwykle wiele czasu poświęconego na badania, eksperymenty, testy i analizy. Odbędzie się prawdopodobnie całe mnóstwo dyskusji, obliczeń, wymiany informacji. To właśnie inżynierowie każdego dnia przekonują się jak bardzo wiedza jest użyteczna.
Uczniowie bawiący się w inżynierię doświadczają tego samego.
● Budując lądownik dla jajka udającego łazika marsjańskiego zbiorą informacje o planecie, warunkach, ciśnieniu, temperaturze, oporze powietrza.
● Projektując turbinę wiatrową dowiedzą się czym jest prąd, jak powstaje prąd, jak go magazynować. Dowiedzą się czym jest wiatr i jak go przewidzieć.
● Tworząc strefę ciszy w szkole poszukają informacji o dźwięku, co sprawia , że się rozchodzi, zmierzą natężenie hałasu w szkole.
Uczniowie wyszukują informacje związane z problemem (fot. PCSS)
Przydatna jest tu umiejętność pozyskiwania potrzebnych informacji np. z podręczników, książek, z Internetu lub od ekspertów. To taki swoisty test czy potrafimy to robić. Nagle wszystko czego uczą się na lekcjach chemii, fizyki, biologii, informatyki staje się przydatne.
W Procesie projektowania inżynierskiego etap ten nazwiemy Zbieraniem informacji.
Inżynier jest kreatywny i pracuje zespołowo
Gdy już inżynierowie zdobyli niezbędne informacje przechodzą do najbardziej kreatywnego zadania. Trzeba wymyślić coś, co rozwiąże problem. Przydaje tutaj się wyobraźnia, podglądanie natury, analiza i… zeszyt innowatora (mały notatnik, w którym jak Leonardo notujemy fajne koncepcje).
Sposobów i metod na generowanie problemów jest sporo, a burza mózgów nie jest w cale najlepszą z nich. SCAMPER, Metoda 635, pisana Burza mózgów powinny pomóc. Warto też pomysły omówić w grupach. W grupach często pomysły ewoluują i nabierają nowych kształtów. Współpraca jest tu niezbędna.
W Procesie projektowania inżynierskiego etap ten nazwiemy Wymyślaniem rozwiązań.
Inżynier buduje prototypy
Większość inżynierów - wbrew wielu obiegowym opiniom - tak naprawdę nie buduje urządzeń, z których na co dzień my korzystamy. Podejmują się raczej opracowaniu pomysłów, koncepcji, planów czy prototypów poprzedzonych badaniami, analizami i testami.
Uczniowie w szkolnych fablabach, makerspace-ach lub salach technicznych budują prototyp rozwiązania z materiałów które często mają pod ręką, a później sprawdzają obliczenia, weryfikują założenia testując. To właśnie w tym momencie najbardziej dostrzegają powiązania nauki z rzeczywistością.
W Procesie projektowania inżynierskiego etap ten nazwiemy Budowaniem prototypów..
Przykład prototypu przygotowanego przez uczniów (fot. PCSS)
Przykład prototypu przygotowanego przez uczniów (fot. PCSS)
Inżynier nie boi się porażki
Nawet najlepsza w teorii koncepcja czasem się nie sprawdza w życiu lub po prostu nie działa. Dlatego inżynierowie (jak również uczniowie uprawiający inżynierię) testom i ulepszeniom poświęcają sporo czasu.
Testy prowadzą w miejscu, które przypomina prawdziwe warunki lub środowisko stąd aby przetestować czy lądownik zadziała potrzebne będzie okno na II piętrze lub antresola. Testując turbinę, potrzebny będzie wiatr, testując wymyśloną interaktywną wystawę potrzebni będą testowi widzowie. Tutaj nie można udawać. Pracując nad tym etapie uczniowie budują umiejętność udzielania informacji zwrotnej, analizowania, wyciągania wniosków.
Po nieudanych testach trzeba prototyp poprawić. Dzięki temu młody przyszły inżynier zrozumie, że nie może obawiać się porażki. Po dziesiątym powtórzeniu powie jak Edison: Nie poniosłem porażki. Po prostu odkryłem 10.000 błędnych rozwiązań.
Uczniowie testują rozwiązania (fot. PCSS)
W Procesie projektowania inżynierskiego etapy ten nazwiemy: prezentacją i testowaniem oraz poprawianiem.
Miejsce Inżynierii jest w szkole
Szkoła przyzwyczaiła uczniów do wykonywania konkretnych i niestety często bardzo prostych i odtwórczych zadań. Cele edukacyjne tradycyjnej lekcji w dużej mierze koncentrują się na zdobyciu umiejętności niższego rzędu (Taksonomia Blooma: zapamiętywanie, zrozumienie, zastosowanie) podczas gdy na umiejętności wyższego rzędu nauczycielom nie starcza miejsca i czasu (Taksonomia Blooma: analizowanie, ocenianie, tworzenie).
Musimy wspólnie dostrzec jak wiele uczeń nauczy się pracując w Laboratoriach Przyszłości metodą projektu, rozwiązując bardziej złożony, interdyscyplinarny problem.
Lekcje inżynierskie w oczywisty sposób są też zgodne z koncepcją uczenia przez działanie, uczenia przez doświadczenie (John Dewey), umożliwiania dzieciom samodzielnego odkrywania (Piaget) czy podążanie za zainteresowaniem ucznia (Maria Montessori). Tym samym wpisują się idealnie w model nowoczesnej edukacji. Przygotują też ucznia do życia w XXI wieku.
Wyznaczając uczniom problem inżynierski jako temat projektu, zmuszamy uczniów do wykorzystania swojej wiedzy, umiejętności zdobytej na lekcjach przedmiotowych. Zachęcamy do ciągłego rozwoju poprzez nawyk poszukiwania informacji i współpracy. Tutaj miejsca na bezkrytyczną "produkcję" nie ma. Jest natomiast nauka przez doświadczenie.
Zaprojektuj lekcję szkolnym cyklem projektowania
Wszystkie omówione wyżej etapy prac projektowych tworzą Proces projektowania albo Proces projektowania inżynierskiego. Stosuje go z sukcesem wiele szkół na całym świecie, aby ustrukturyzować zajęcia. Podobieństwo z Design Thinking nie jest przypadkowe.
Proces projektowania inżynierskiego
Mamy zatem zrozumienie problemu, zbieranie informacji, wymyślanie rozwiązania, budowanie prototypu, prezentację i zbieranie feedbacku, poprawianie. Proces składa się w 6 etapów i do kolejnego etapu uczniowie przechodzą po ukończeniu zadań z poprzedniego.
Proces się zamyka w nieskończoną pętlę. Oznacza to, że po wytworzeniu prototypu i przeprowadzanych testach powinniśmy dać przestrzeń uczniom na poprawę i ulepszenia. Tak kształtuje się wiedza i umiejętności.
Przechodząc przez wszystkie etapy, projektując aktywności na każdym z etapów, dajemy uczniom szansę na wszechstronny rozwój, głębokie zrozumienie zagadnień teoretycznych, zdobycie umiejętności pozwalających przygotować się do życia i pracy zawodowej nowej ery.
Laboratorium Innowatorów
Problemów przybywa, ich złożoność rośnie a inżynierów (a szczególnie inżynierek) nie przybywa zbyt szybko. Od wielu lat rządy na całym świecie przeznaczają olbrzymie pieniądze, jak również uruchamiają globalne programy edukacyjne, które zachęcą młodych ludzi do studiowania i pracy na kierunkach STEAM (science, technology, engineering, arts/design, maths). Programy takie tworzy Microsoft, NASA (NASA's Beginning Engineering, Science and Technology), ESA (Esero), Samsung (Solve for Tomorrow), LEGO (FLL - First Lego League), Intel (Intel Make Tomorrow), Intel (AI for Youth) i wiele innych.
Stwórz w swojej szkole Laboratorium Przyszłości na miarę naszych czasów. Niech Twoi absolwenci zdobywają umiejętności krytycznego myślenia, analizowania a przede wszystkim rozwiązywania problemów. Tego, co jest podstawą inżynierii. Czy zajęcia w tych Laboratoriach mogą stać się fantastyczną, prawdziwą kuźnią talentów? Jestem przekonany, że tak.
Notka o autorze: Zbyszek Karwasiński - trener, konsultant ds. edukacji w Dziale Zaawansowanej Wizualizacji i Interakcji Poznańskiego Centrum Superkomputerowo–Sieciowego, specjalista ds. kompetencji cyfrowych. Lider Zespołu Laboratorium Innowacyjnej Edukacji PSNC FutureLabs. Koordynator projektu AI for Youth w Polsce. Laureat wyróżnienia SPRUC Listy 100 osób szczególnie zasłużonych w zakresie rozwijania kompetencji cyfrowych w Polsce 2018. Współtwórca gry Scottie Go! i zestawu do nauki podstaw programowania BeCreo. Współautor scenariuszy i projektów edukacyjnych w obszarze STEAM. Twórca bloga https://stemwszkole.pl. Dawniej nauczyciel informatyki, fizyki i techniki.