211service.com
Ingenieurausbildung reformiert
Nach dem Fall der Berliner Mauer, dem Ende des Kalten Krieges, wusste Earll Murman, damals Leiter der MIT-Abteilung für Luft- und Raumfahrt, dass die Zukunft der Luftfahrt eine ganz andere sein würde als ihre Vergangenheit. Der Kalte Krieg hatte eine 50-jährige Periode intensiver Entwicklung von Flugzeugen, Raketen, Satelliten und Raumfahrzeugen in den Vereinigten Staaten angeheizt, die darauf abzielten, die kommunistischen Staaten im Auge zu behalten. Mit dem Fall des Kommunismus in Osteuropa und der Sowjetunion, fragte sich Murman, würde der Bedarf an Luft- und Raumfahrtingenieuren in den Vereinigten Staaten sinken? Wie müsste sich die Abteilung anpassen, um in der Zeit nach dem Kalten Krieg überlebensfähig zu sein? Ich wusste, dass sich etwas ändern musste, aber ich wusste nicht, was es war, erinnert er sich jetzt. Diese Frage führte die Fakultät auf eine 12-jährige Reise, die die Art und Weise, wie Luftfahrt am MIT und an anderen Universitäten im In- und Ausland gelehrt wird, verändert hat.
Das Ergebnis dieser Reise ist ein neuer konzeptioneller Rahmen für die Bildung mit vier Richtlinien: konzipieren, entwerfen, implementieren, betreiben. Ziel ist es, Studierenden der Ingenieurwissenschaften nicht nur die technischen Grundlagen ihres Faches, sondern auch nichttechnische Fähigkeiten wie Teamarbeit, Kommunikation durch schriftliche oder mündliche Präsentationen sowie die gesellschaftliche und berufsethische Betrachtung ihrer Arbeit zu vermitteln. Anstatt Analyse und Problemlösung im theoretischen Bereich zu betonen, werden im Unterricht nun teambasierte Projekte betont, bei denen die Schüler den gesamten Konzeptions-, Entwurfs-, Bau- und Betriebszyklus durchlaufen. Die Reform in der Ingenieurausbildung erfolgt stückweise im ganzen Land, aber laut Projektleiter Ed Crawley '76, SM '78, ScD '81 ist Aero/Astro die einzige Abteilung, die ihren gesamten Lehrplan ändert und das Design-and-Build durchführt Zyklus allgegenwärtig.
CDIO, wie das Framework genannt wird, ist das Ergebnis zahlreicher Umfragen, die die Abteilung in den 1990er Jahren unter Führungskräften aus Industrie und Regierung, Alumni und Pädagogen durchgeführt hat. Die Umfragen zeigten, dass der Erfolg komplexer Luftfahrtprojekte ebenso vom kritischen Denken und Modellieren abhängt wie vom Verständnis der Thermodynamik. Im Jahr 2000 wurde CDIO zu einer internationalen Kooperation: Drei schwedische Universitäten schlossen sich dem Institut an, um das Curriculum zu entwickeln, das im Herbst 2003 an allen vier Institutionen eingeführt wurde. Die Mitarbeiter führen einen Dialog darüber, was funktioniert und was nicht und verfeinern das Projekt weiter. Die Ermittlung weiterer Mitglieder der Kooperation ist ein selektives Verfahren, das von den vier Gründungsinstitutionen geleitet wird. Jetzt, mit fünf neuen Mitgliedern und vielen weiteren Schulen, die in den Startlöchern warten, ist CDIO bereit, sich auf der ganzen Welt zu verbreiten.
Der Kern der Sache
Im neuen Projektbereich neben der Bibliothek sind rund ein Dutzend mit Papieren und Modellen bedeckte Tische versammelt. Der Lärm hört sich eher an wie in einem Konfab im Studentenzentrum als nach einem in einer akademischen Abteilung. Es ist das Ende des Herbstsemesters und die Teams beeilen sich, ihre Projekte abzuschließen. Im Frühjahr ihres zweiten Studienjahres treffen die Studierenden auf ihr erstes großes Teamprojekt: Sie nutzen das gesamte Semester, um ferngesteuerte Flugzeuge zu konzipieren, zu konstruieren und zu bauen. Dann haben die Teams einen Wettbewerb, um ihre Fähigkeit zu testen, die von ihnen gebauten Flugzeuge zu bedienen. Peter Young '67, der 29 Jahre an Weltraumprojekten der Luftwaffe gearbeitet hat, leitet die studentischen Projekte. Normalerweise verstehen die Studenten Konzepte in den Vorlesungen, sagt er, aber sie in etwas anzuwenden, das sie tatsächlich bauen, ist eine Erfahrung, die die Augen öffnet. Und das ist das Herz von CDIO. Die Projekte bieten den Kontext für das Lehren all dieser anderen Fähigkeiten, bieten aber auch eine Verstärkung und Motivation zum Erlernen disziplinärer Fähigkeiten, sagt Crawley.
Je weiter die Schüler das Curriculum durchlaufen, desto komplexer werden die Projekte. Während der letzten drei Semester können die Studierenden einen Studiengang „Capstone Design“ belegen, bei dem sie ihr gesamtes Wissen der Luftfahrt in einem Projekt integrieren und anwenden müssen. Das erste derartige Abschlusssteinprojekt wurde durch ein Projekt auf Graduiertenebene verfeinert, das in naher Zukunft auf der Internationalen Raumstation ISS getestet wird. Die Studenten des Schlusssteins konzipierten, entwarfen und bauten, was sie intelligente Kugeln nannten. Die Kugeln sind drei fußballgroße Mikrosatelliten, die sich auf Befehl bewegen und so programmiert werden können, dass sie zusammen oder alleine arbeiten. Die letzte Aufgabe der Studenten bestand darin, die Kugeln auf dem KC-135-Flugzeug der NASA zu testen, das durch die Ausführung von Parabelbögen die Bedingungen der nahezu Schwerelosigkeit des Weltraums erreicht. Die Schüler mussten feststellen, dass die Kugeln funktionieren und dann einige begrenzte Experimente mit ihnen durchführen. In der Raumstation befindet sich ein Labor zum Testen von Algorithmen zum Andocken von Satelliten und zum Bau großer Teleskope im Weltraum.
Young arbeitet auch mit Studenten, die außerschulisch Experimente auf dem KC-135 bauen und fliegen wollen. In diesem Sommer wird ein Team von vier Studenten einen Prototypen eines Ersatzes für Cockpitinstrumente testen, der Piloten helfen soll, sich von Drehern oder Strömungsabrissen zu erholen oder durch schlechtes Wetter zu fliegen, indem sie auf Vibrationen in ihren Sitzen reagieren. Bei einem anderen Projekt arbeitet ein Team von MIT-Studenten mit Gruppen der University of Washington und der University of Queensland in Australien daran, Mäuse drei Monate lang in einer erdnahen Umlaufbahn in einem rotierenden Fahrzeug zu fliegen, das die Schwerkraft auf dem Mars simuliert. Das Projekt, das 2006 fliegen soll, wird helfen herauszufinden, ob Menschen zum Mars reisen können.
Aktives Lernen
Zusätzlich zu den Projekten hat die MIT-Fakultät neue Unterrichtsmethoden im Klassenzimmer eingeführt, die dazu beitragen, dass die Studenten den Inhalt ihrer Kurse wirklich verstehen. Diese sogenannten aktiven Lernmethoden machen die Studierenden zu Teilnehmern ihrer eigenen Ausbildung statt zu den passiven Mitschreibern der traditionellen Vorlesungsklasse. Wir betrachten eine Klasse nicht mehr als einen Ort, an dem Sie den Schülern Informationen mitteilen und sie diese aufnehmen, sagt Steven Hall '80, SM '82, ScD '85. Eine 50-minütige Vorlesung ist ein Ort, an dem Dozenten und Studenten zusammenarbeiten, um den Studenten beim Lernen zu helfen.
Hall begann 1999 mit aktiven Lerntechniken zu experimentieren. Die erfolgreichste Technik waren Konzepttests. Ein- oder zweimal während des Unterrichts stellt Hall den Schülern eine Multiple-Choice-Frage, die ihm mitteilt, ob sie den Stoff verstanden haben. Die Schüler verwenden Infrarot-Antwortpads, um ihre Antworten zu registrieren, die in Halls Computer eingehen. Er kann fast sofort erkennen, ob die Klasse Probleme mit einem Konzept hat. Als ich das erste Mal eine Frage stellte, dachte ich, die Schüler hätten es verstanden, aber ich habe festgestellt, dass niemand in der Klasse wusste, wovon ich rede, sagt er. Hall reagiert auf verschiedene Weise, je nachdem, wie viel Prozent der Klasse Probleme haben. Manchmal lässt er die Schüler miteinander reden, um zu sehen, ob sie es herausfinden können. Zu anderen Zeiten fügt er sogar eine ganze zusätzliche Vorlesung mit Material hinzu, um den Schülern das Verständnis zu erleichtern.
Eine andere effektive aktive Lernmethode, die Hall verwendet, sind Matschkarten. Am Ende jeder Vorlesung bittet er die Studierenden, über das Erlernte des Tages nachzudenken und auf Karteikarten zu beschreiben, was sie am wenigsten verstanden haben. Die Karten zu haben, stellt einen Professor vor ein weiteres Dilemma. Gehen Sie voran, halten Sie mehr Vorträge, stellen Sie weitere Materialien zur Verfügung, verstauen Sie sie und machen Sie es im nächsten Jahr besser? Halls Lösung besteht darin, alle Fragen zu beantworten und sie auf der Klassen-Website zu veröffentlichen, die es interessierten Schülern ermöglicht, die Antworten zu durchsuchen, ohne andere Schüler in der Klasse zu belasten. Auch für Hall erfüllen die Karten einen echten Zweck: Sie helfen ihm, künftige Vorlesungen zu gestalten.
Obwohl der Übergang von traditionellen Vorlesungen zu aktiven Lernmethoden für die Fakultät schwierig sein kann, sagt Hall, dass diejenigen, die die Techniken erfolgreich angewendet haben, sagen, dass sie nie wieder auf die alte Art und Weise unterrichten werden. Es ist so klar überlegen, sowohl was die Reaktion der Studierenden als auch die Dozentenerfahrung angeht, sagt er. Es macht einfach keinen Sinn, zurück zu gehen.
Weitersagen
Im Jahr 2000 benötigte das MIT einen erheblichen Zuschuss, um sein Experiment zur Bildungsreform umzusetzen. Die Knut und Alice Wallenberg Foundation, eine schwedische Organisation, die sich auf die Finanzierung großer wissenschaftlicher und pädagogischer Forschung spezialisiert hat, stellte die Mittel unter der Bedingung bereit, dass das MIT mit drei schwedischen Universitäten ( siehe CDIO-Mitarbeiter, Seitenleiste ) um das Projekt zu verfeinern und umzusetzen. Diese Zusammenarbeit hat das Projekt schnell vorangebracht und bereichert und bestätigt, dass CDIO auf jede technische Disziplin weltweit angewendet werden kann.
Jetzt treffen sich Schulvertreter dreimal im Jahr und tauschen ihre Erfahrungen bei der Integration der CDIO-Kompetenzen in ihre Kurse aus. Die Studierenden nehmen an den Sitzungen teil, um den Lehrenden und Mitarbeitern Feedback zu geben und sich in ihrer eigenen Gruppe zu treffen. Sie führen auch gemeinsame Forschungsprojekte zu einigen Aspekten von CDIO durch.