5 etapów projektowania inżynierskiego

5 etapów projektowania inżynierskiego

Inżynierowie NASA stają przed kolejnym wyzwaniem stworzenia modułu lądownika dla łazika marsjańskiego Curiosity… Zadanie nie będzie proste, bo grawitacja Marsa jest 3-krotnie mniejsza od ziemskiej, atmosfera ma inny skład, znaczna część powierzchni Marsa jest pokryta pyłem tlenku żelaza, atmosfera jest bardzo rozrzedzona, temperatury panujące na powierzchni są delikatnie mówiąc nieprzyjazne, a łazik to bardzo delikatne jeżdzące laboratorium…

Zastanawialiście się w jaki sposób inżynierowie podchodzą do rozwiązania tych problemów?

Czym jest cykl inżynierski

Projektowy cykl inżynierski to sekwencja czynności, które należy wykonać, aby przejść od wyznaczonego wyzwania (problemu, pomysłu lub potrzeby) do rozwiązania na przykład gotowego produktu, który ten problem rozwiązuje. Choć istnieje wiele odmian cyklu inżynierskiego, inna jest liczba etapów, nazwa niektórych czynności jest inna, uwierzcie mi – wszystkie mają mniej więcej podobną strukturę. W tym artykule będę chciał zapoznać Was z modelem, z którego skutecznie korzystają nie tylko inżynierowie. Korzystają marketingowcy, designerzy, ludzie zajmujący się kulturą i edukacją. Korzystają z niej także nauczyciele z uczniami pracując w modelu STEM. W ten sam sposób pracuję z uczniami i ja.

Etapy cyklu inżynierskiego

Zdefiniuj problem

W tym pierwszym etapie uczniowie identyfikują problem pytając “Na czym naprawdę polega problem?” To ważne pytanie, od którego zależy przebieg całego projektu. Czasem nie kończy się na tym jednym pytaniu. Problem może być przecież inny niż na pozór się wydaje. Odpowiedź na to pytanie uczniowie zapisują na flipcharcie lub tablicy.

Badaj

Po etapie definiowania problemu uczniowie analizują i przeprowadzają badania, aby poznać gruntownie problem, ograniczenia, czynniki. Uczniowie pytają: „Jakie są ograniczenia w stworzeniu udanego rozwiązania?”, “Czy to jest właściwy problem?” “dlaczego ten problem występuje”, “co sprawia, że nikt tego problemu jeszcze nie rozwiązał?” Tutaj uczeń uwzględnia wiedzę o zjawiskach, warunki środowiskowe, ilość miejsca, dostępność materiałów, czasu, pieniędzy itp. Wielu powie, że tu się dzieje nauka. Nie do końca się z tym zgadzam. Nauka dzieje się w każdym etapie cyklu zarówno gdy badamy problem jak i testujemy rozwiązania.

Generuj pomysły

Uczniowie mają już bogatą wiedzę o przyczynach występowania problemu, skutkach, wiedzą jakie istnieją ogranieczenia. Teraz wspólnie generują innowacyjne pomysły rozwiązujące wskazany problem. Korzystają np. z burzy mózgów, metody 635, SCAMPER. Wybierają od dwóch do trzech najlepszych pomysłów z listy podczas np. burzy mózgów. Ważne, żeby rozwiązania były wyjątkowe i nieszablonowe.

Twórz

Wybrany innowacyjny produkt czas zobaczyć. My mówimy – zwizualizować. Taki produkt, który można dotknąć – łatwiej się testuje, sprawdza jak się zachowa w rzeczywistości. Uczniowie budują działający prototyp, który jest zgodny z wymaganiami projektowymi i mieści się w ramach ograniczeń projektowych. Prototyp na początku może być schematem, później działającym roboczo urządzeniem.

Testuj

Produkt jest nic nie warty, jeśli nie znajdzie swoich odbiorców. Uczniowie oceniają rozwiązanie poprzez testy na użytkownikach; zbierają od nich informacje, analizują dane; podsumowują mocne i słabe strony ich projektu, które zostały ujawnione podczas testów. Uczą się słuchać i na podstawie informacji analizować.

Ulepszaj

Na podstawie wyników swoich testów uczniowie wprowadzają ulepszenia w swoim projekcie. Identyfikują również zmiany, które wprowadzą, i uzasadniają swoje poprawki (NASA, 2020).

Komunikuj

Uczniowie pokazują i dzielą się swoimi wynikami. Demonstrują innym w jaki spośób dotarli do rozwiązania problemu. Wyjaśniają, jak opracowany produkt, rozwiązanie rozwiązuje problem

Cykl jako proces iteracyjny

Proces projektowania inżynierskiego jest procesem iteracyjnym. Oznacza to, że na testach praca się nie kończy. Po etapie testów, uczeń musi przejść do etapu ulepszeń, jednak aby te bardziej odpowiadały potrzebom, trzeba czasem wrócić do zadawania pytań. Koło procesu się zamyka… Jak ja lubię rytuały.

Co mówią badania?

Projektowanie inżynierskie jest niesamowitym narzędziem dydaktycznym. Realizując projekt w tym modelu uczeń nie tylko pogłębia swoją wiedzę, ale prowadzi badania, obserwacje, obliczenia, testuje, zadaje pytania, generuje pomysły, analizuje je, wybiera kilka najlepszych argumentując. Tutaj uczeń znajduje odpowiedź na odwieczne pytanie “a po co mi to”.
Zysk płynący z zajęć opartych o inżynierię (STEM) potwierdzają też wyniki badań.

Uczniowie zajmujący się rozwiązywaniem problemów technicznych lub inżynierskich często dużo łatwiej uczą się nowych pojęć, umiejętności matematycznych, przyrodniczych. Lepiej i szybciej zapamiętują, a informacje na dłużej zapadają im w pamięć. Jest to oczywiście zrozumiałe, gdyż z jednej strony ucznia stymulują pozytywne emocje, a z drugiej strony jego działania oparte są na praktycznej weryfikacji tez, przetrenowaniu wykorzystania dotychczas abstrakcyjnych pojęć.

Badania wskazały też, że uczniowie biorący udział w projektowaniu inżynierskim lub uczestniczący w tego rodzaju doświadczeniach, osiągali lepsze wyniki w nauczaniu matematyki w porównaniu z uczniami, którzy ich nie mieli tego typu doświadczeń. „Oznaczałoby to, że lekcje STEM, których inżynieria jest w zasadzie istotą, z wysokim prawdopodobieństwem pomogą uczącym się rozwiązywać problemy matematyczne lub dociekania naukowe – zamiast po prostu zapamiętywać fakty”

Jak zacząć?

Jestem zwolennikiem małych kroków. Dlatego zacznijmy razem od czegoś prostego:

  1. wyznacz na początku uczniom proste wyzwanie projektowe. Choćby “jak zaoszczędzić zużywaną wodę w szkole”. Ale pomyśl o tym jak ich zanurzyć w ten temat, aby faktycznie poczuli, że jest dla nich ważny. Może odszukaj film, który dobitnie pokazuje z jakim problemem mamy do czynienia.
  2. Następnie zaproponuj uczniom przeprowadzenie analizy tego problemu. Niech poczują się jak prawdziwi inżynierowie. Zachęcaj ich do zastanowienia się lub przypomnienia:
    1. czym jest woda, jakie są własności wody,
    2. jakie są globalne i polskie zasoby wody pitnej,
    3. na czym polega obieg wody w przyrodzie i kto jest głównym konsumentem wody,
    4. dlaczego w Polsce występuje susza hydrologiczna,
    5. jak wygląda obecne zużycie wody w szkole, jakie czynności sprawiają, że wody zużywamy najwięcej,
    6. określ ceny wody, zasoby wodny w okolicy,
      zaproś uczniów do przeprwadzenia czegoś na kształt audytu zużycia wody. W czasie audytu warto nauczyć się mierzyć zużycie i rozumieć jednostki zużycia.
  3. Poproś uczniów o przeprowadzenie burzy mózgów, której celem będzie wymyślenie innowacyjnych sposobów pozwalających zaoszczędzić wodę w szkole. Zadanie powinno być wykonywane w małych grupach. Po wykonaniu zadania zachęcaj uczniów do wyboru maksymalnie trzech pomysłów.
  4. Poproś uczniów o zwizualizowanie rozwiązania – produktu, narzędzia, wydarzenia lub usługi. Wizualizacja czyli prototyp powinien pomóc osobom testującym zapoznać się nim i go ocenić na ile skutecznie rozwiązuje problem.
  5. Zachęć uczniów do testowanie rozwiązania z osobami, których będzie dotyczył. Jeśli uczniowie opracują urządzenie liczące ilość zużywanej wody, badanie powinno być przeprowadzone wśród osób z niego na codzień korzystających. Zbierajcie opinie i zapisujcie je.
  6. Postarajcie się stworzyć kolejny prototyp uwzględniający wszelkie usprawnienia wynikające z etapu testowania.
  7. Dokumentujcie swoją pracę, aby podzielić się z jej efektami w sieci.