Klucz do sukcesu inżyniera? Nowoczesne metody kształcenia | Politechnika Gdańska

Dzisiaj mówimy o inżynierze 4.0, jednak jutro będziemy myśleć o inżynierze 5.0, ponieważ wyzwania w przemyśle, z którymi zetknie się student po siedmiu semestrach, muszą odpowiadać potrzebom rynku.

– Musimy wyprzedzać to, co się dzieje na rynku pracy, żeby kształcić osoby, które wejdą w nowe realia po 3,5 roku studiowania – mówi dr hab. inż. Mariusz Kaczmarek, prof. PG, prorektor ds. kształcenia. – Jeżeli dodamy do tego studia drugiego stopnia, to mamy do dyspozycji 5 lat. Politechnika Gdańska planuje kształcenie co najmniej na pięć lat do przodu, myśląc o tym, co powinno się znaleźć w programach studiów dzisiaj oraz jakie kompetencje uczynić kluczowymi podczas procesu kształcenia inżynierów.

Inżynierskie kompetencje przyszłości

Umiejętności inżynierskie wychodzące na pierwszy plan to nie tylko wysokie kwalifikacje, dogłębna wiedza i praktyczne podejście do rozwiązywania złożonych problemów. Tuż obok wyłania się potrzeba wychodzenia naprzeciw wyzwaniom zielonej i cyfrowej transformacji. Inżynier przyszłości powinien być też wyposażony w wysokie umiejętności społeczne oraz etyczne.

– Stoimy przed wyzwaniem, żeby edukować w zakresie nowoczesnych technologii na różnych poziomach, korzystając z nowoczesnych narzędzi, które będą wykorzystywane w sposób odpowiedzialny i etyczny – mówi prof. dr hab. inż. Jacek Rumiński, kierownik Katedry Inżynierii Biomedycznej.

W procesie kształcenia studentów i kadry naukowej Politechnika Gdańska korzysta z nowoczesnych metod edukacji, by zaspokajać potrzeby związane z rozwijaniem szerokiego wachlarza inżynierskich kompetencji.

– Przeprowadziliśmy na Politechnice Gdańskiej badanie, w którym wzięło udział ponad dwa tysiące studentów – mówi dr hab. Joanna Mytnik, prof. PG, dyrektorka Centrum Nowoczesnej Edukacji. – Jedno z pytań dotyczyło tego, jakie kompetencje młodzi ludzie chcieliby zdobyć lub podnieść podczas studiów. Odpowiedź brzmiała: rozwiązywanie złożonych problemów (74 proc.), krytyczne myślenie (62 proc.), miejsce trzecie zajęła umiejętność uczenia się (55 proc.). Dla mnie, jako liderki CNE, jest to sygnał, że trzeba położyć jeszcze większy nacisk na podnoszenie kwalifikacji nauczycieli w zakresie projektowania zajęć, które umożliwiają studentom rozwijanie tych kompetencji – podsumowuje.

By osiągnąć wysoko postawione cele kształcenia inżynierów przyszłości, CNE myśli interdyscyplinarnie i korzysta z nowoczesnych metod kształcenia opartych na wynikach badań naukowych.

Cyfrowy bliźniak to wyższy poziom modelowania 

Inżynier przyszłości za kilka lat stanie przed wyzwaniami organizacyjnymi we wszystkich branżach. Znajdzie się pod presją dostarczania innowacyjnych inżynierskich rozwiązań lub rozbudowanych modeli operacyjnych w krótkim czasie. Naprzeciw temu wyzwaniu wychodzi projekt cyfrowego bliźniaka (digital twin). Projekty tego rodzaju umożliwiają wizualizację, monitorowanie, optymalizację aktywów operacyjnych, procesów i zasobów poprzez wykonywanie różnorodnych symulacji. By myśleć i projektować w taki sposób, studenci muszą mieć wysokie kompetencje cyfrowe.

– Na drugim stopniu studiów możemy znaleźć elementy związane z nabywaniem przez studentów kompetencji cyfrowych, szeroko rozumianych – mówi prof. Mariusz Kaczmarek. – To nie tylko sztuczna inteligencja, ale chodzi o możliwości wykorzystania inteligencji modeli w danej dziedzinie. Chcielibyśmy, żeby na przykład absolwent kierunku na Wydziale Elektrotechniki i Automatyki był w stanie zaimplementować model głębokiego uczenia maszynowego do konkretnych potrzeb w swojej dziedzinie – dodaje prof. Kaczmarek.

– Analiza dużych zbiorów danych czy inżynierii biomedycznej, automatyka, cybernetyka i robotyka – staramy się na każdym z prowadzonych kierunków podnosić kompetencje cyfrowe naszych studentów – mówi prof. Kaczmarek. – Do tego dochodzi idea rozwijania cyfrowych bliźniaków. Łatwiej coś zamodelować, zasymulować, a potem przenieść to doświadczenie do rzeczywistych obiektów. Może to pomagać każdemu inżynierowi w przewidywaniu potencjalnych awarii – podsumowuje.

Do tej pory projekty stworzenia cyfrowego bliźniaka na Politechnice Gdańskiej obejmują projekty naukowe zastosowane w architekturze (stworzenie bliźniaka Gdańska) i medycynie (monitorowanie ryzyk powikłań związanych z ciążą).

Po utworzeniu i wdrożeniu cyfrowych bliźniaków można używać ich do tworzenia samouczących się systemów, które są w stanie optymalizować właściwie wszystko – od zużycia energii po harmonogramowanie konserwacji. Prowadzi to naukowców, badaczy i inżynierów do stworzenia niekończącej się pętli nauki i innowacji.

Mimo funkcjonowania świata cyfrowego inżynier musi zrozumieć, spróbować, dotknąć, poskromić stres, zrobić próbę i odkryć rozwiązanie.

Użycie VR w edukacji i projektach badawczych

Laboratorium Zanurzonej Wizualizacji Przestrzennej (LZWP) to jedno z najbardziej zaawansowanych technologicznie miejsc na Politechnice Gdańskiej. To miejsce pomaga inżynierom realnie odczuć, jak to jest zobaczyć i sterować dowolnie wykreowanym urządzeniem lub systemem w świecie wirtualnym.

– Wrażenie to uzyskuje się, zakładając jedynie lekkie okulary 3D, podobne do tych używanych w salach kinowych – mówi dr inż. Jacek Lebiedź, prof. PG, kierownik Laboratorium Zanurzonej Wizualizacji Przestrzennej, pomysłodawca powstania LZWP. – Nie ma więc konieczności zakładania na głowę ciężkiego sprzętu optoelektronicznego. Rzeczywistość wirtualna rewolucjonizuje nauczanie inżynierów – dodaje prof. Jacek Lebiedź.

Laboratorium Zanurzonej Wizualizacji Przestrzennej ma szerokie zastosowanie, a w jego wnętrzu można znaleźć około 150 wirtualnych przestrzeni, projektów, urządzeń lub scenografii.

Jaskinia rzeczywistości wirtualnej to sześcian o wysokości ponad 3,4 metra, który w jednej chwili staje się wnętrzem elektrowni jądrowej, polem walki, kosmosem, wirtualną salą operacyjną lub halą produkcyjną.

– Możliwości jest nieskończenie wiele – mówi prof. Lebiedź. – Od nauki obsługi frezarki czy przeszkolenia operatora drona, przez trening strzelecki, wizję lokalną na miejscu zbrodni, wirtualny tunel aerodynamiczny, po wizualizację struktur chemicznych albo trójwymiarowe obrazowanie medyczne.

W LZWP ogranicza nas tylko fantazja, ponieważ miejsce to można wykorzystywać także do oswajania lub leczenia różnorodnych fobii albo do rehabilitacji, oczywiście wszystko pod nadzorem specjalistów z danej dziedziny nauki.

Wnętrze wirtualnej jaskini stawia na interdyscyplinarność. Laboratorium współpracuje z architektami, chemikami, fizykami, matematykami, historykami, edukatorami wojskowymi, mechanikami, lekarzami i psychologami. Efektami współpracy są między innymi aplikacja wspomagająca leczenie lęku wysokości, gra pomagająca dzieciom ograniczonym ruchowo rozszerzyć swoje możliwości mięśniowe, wirtualny wehikuł czasu ukazujący wygląd zabytku w różnych epokach historycznych czy wirtualny escape room z matematyki, fizyki lub chemii. Przy okazji zbierania naukowego materiału i robienia eksperymentów można się dobrze bawić.

Zespołowe projekty badawcze

Inżynierskie wyzwania naukowe idą w parze z rozwijaniem umiejętności porozumienia się z osobami z innych branż. Rozwinięte umiejętności społeczne inżynierów przyszłości znajdują się wysoko w rankingu oczekiwanych przez pracodawców kompetencji.

– Z ankiet od pracodawców, ale też studentów, wynikła kwestia umiejętności miękkich – mówi prof. Mariusz Kaczmarek. – Praca w zespole, odnajdywanie się w interdyscyplinarnych środowiskach w celu rozwiązywania interdyscyplinarnych zagadnień, nauka liderowania zespołowi. Z powodu zdefiniowanego zapotrzebowania wprowadziliśmy na drugim stopniu studiów zespołowe projekty badawcze.

– Nasi studenci są świetnie przygotowani z danej dziedziny, ale idą do pracy i okazuje się, że ci, z którymi pracują, są ulepieni z zupełnie innej gliny – mówi dr inż. Krzysztof Nowicki, prof. PG, pełnomocnik rektora ds. zespołowego projektu badawczego. – Studenci informatyki często nie rozumieją potrzeb, pojęć lub wyzwań inżynierskich, które pochodzą z innej branży.

– W tej chwili na Politechnice Gdańskiej realizowany jest projekt mający na celu dać przestrzeń studentom do pracy w grupach interdyscyplinarnych, by doświadczyli, jak trudno jest przekazywać wiedzę, którą posiadają – wyjaśnia prof. Nowicki.

Studenci, uczestnicząc w zespołowym projekcie badawczym, przeprowadzają proces, w ramach którego muszą zweryfikować zadaną hipotezę badawczą.

– Każdy student może się zapisać do jednego z kilkuset tematów projektowych – mówi prof. Nowicki. – To jest bogaty wybór, dodatkowo student może wybrać temat mniej lub bardziej związany ze swoim kierunkiem lub specjalnością, nie ma tu żadnego ograniczenia. Student kierunku okrętowego może wziąć temat informatyczny i odwrotnie, byle potem miał odpowiednie kompetencje do jego realizacji – tłumaczy prof. Nowicki.

Wybrany przez grupę studentów projekt może wymagać wykonania produktu w postaci aplikacji, urządzenia oraz przeprowadzenia odpowiednich badań, analizy wyników, stworzenie prezentacji i odpowiedniego opisu.

– Studenci pokazują publicznie, jak ten projekt został przez nich zrealizowany – mówi prof. Nowicki. – Można otrzymać nagrodę dziekana, jest to fundusz kilkunastu tysięcy złotych. Dodatkowo jest przyznawana nagroda firmowa: kilkanaście tysięcy złotych, na dobry obiad na pewno wystarczy – uśmiecha się profesor.

Obowiązkowym wynikiem dla projektów z hipotezą badawczą jest raport w formie publikacji sformatowany zgodnie z szablonem IEEE/Elsevier, przygotowany w języku angielskim.

– Ponad 10 proc. projektów kończy się publikacją w światowym wydawnictwie – mówi prof. Nowicki. – Autorami są studenci albo studenci i pracownik jako opiekun.

Zespołowe projekty badawcze rozwijają umiejętności studentów. Ci poznają różne branże i rozwiązują problemy. Uczą się prezentować badania, rozwiązania lub zastosowania, ponadto umieją je odpowiednio opisać i zaprezentować.

Zespołowy projekt badawczy obejmuje każdy z wydziałów Politechniki Gdańskiej. By skoordynować tak liczne grupy projektowe, potrzeba inteligentnego oraz indywidualnego podejścia do edukacji.

Inteligentne systemy uczenia

W związku z rosnącymi możliwościami włączania sztucznej inteligencji do procesów edukacyjnych, na Politechnice Gdańskiej podjęto kilka prób, by stworzyć dopasowaną do potrzeb edukacyjnych wersję chatbota, który jest spersonalizowany i odpowiada na zadany temat.

– Usługa GPTs polega na tym, że z mechanizmu chata GPT firmy OpenAI, który jest dla wszystkich, mogę zrobić wersję spersonalizowaną – opowiada dr hab. inż. Piotr Szczuko, prof. PG z Katedry Systemów Multimedialnych. – Przygotowuję dokumenty tekstowe, mogą to być także grafiki lub wybrane dane i materiał, który jest bazą do danego przedmiotu. Ustawiam polecenia, których użytkownik nie będzie widział, na przykład: jesteś asystentem, który służy do nauki programowania inteligentnych algorytmów na poziomie magisterskim w przedmiocie uczenie maszynowe. Do tego wypisuję mu, że użytkownik będzie z nim rozmawiał o różnych rzeczach, będzie go pytał, a on ma działać jak nauczyciel, czyli zadawać pytania pomocnicze, podpowiadać materiały źródłowe, a zadaniem studenta jest samodzielnie wyciąganie wniosków. Te wnioski asystent AI ma oceniać i zadawać dalsze pytania pomocnicze – wyjaśnia prof. Szczuko.

Autor takiego GPTs-a po zrobieniu konfiguracji może rozesłać wszystkim zainteresowanym link prowadzący wprost do spersonalizowanej usługi, która będzie asystentem albo specjalistą od jednej, konkretnej dziedziny.

– Jest to droga, którą teraz mogą iść nauczyciele, jeżeli chcą – dodaje prof. Szczuko. – Istnieje wiele różnych problemów z rozwojem tej technologii, na przykład generowanie niepoprawnych informacji oraz ryzyko nadmiernego uzależnienia dydaktyki od dostępności tej usługi, ponieważ GPTs jest dzisiaj, ale jutro może go nie być – podsumowuje.

Czy taka forma wspierania edukacji kieruje nas w stronę wyeliminowania wykładowców lub uczynienia ich uczelnianymi awatarami?

A może wykładowca jako awatar?

Koncepcja wykładowcy awatara może wydawać się z pozoru kusząca, ponieważ w pierwszym skojarzeniu pracownik uczelniany nie będzie musiał przebywać na sali wykładowej, lecz może poświęcić czas na badania naukowe.

– Znajdziemy tu dużo szans, możliwości i zagrożeń – mówi prof. Jacek Rumiński. – Zagrożeń głównie związanych z niewłaściwym wykorzystaniem narzędzi AI. Dużo zależy też od wykładanych treści oraz od form zakładanych przez wykładowcę. Jeśli jest to taki wykład, że ktoś mówi, a reszta biernie słucha, to oczywiście można to nagrać i nie trzeba używać do tego sztucznej inteligencji. Natomiast wiele wykładów odbywa się w formie interaktywnej. Wykładowcy w trakcie wykładu widzą, jakie zagadnienia w danym temacie należy pogłębić, a jakie można zredukować – mówi prof. Rumiński.

– Czy można zastąpić wykładowcę nowoczesnymi metodami? Tak, w przypadku niektórych form nauczania można zastosować metody AI. Zaletą przyszłego wykorzystania sztucznej inteligencji w edukacji będzie również personalizacja nauczania – podsumowuje prof. Rumiński.

– Model językowy (chat) jest, wydawałoby się, świetnym przykładem inteligentnego dydaktycznego asystenta AI – mówi prof. Piotr Szczuko. – Taka interakcja ma duże zalety: nauczyciel AI ma zawsze czas, nigdy się nie męczy, ma dużą wiedzę. Jeżeli ktoś chce, na przykład siedząc w pociągu, przez 10 minut czegoś się nauczyć, ten nauczyciel jest dla niego dostępny w każdej chwili. To są ogromne zalety sztucznej inteligencji. Ale jednocześnie warto pamiętać o różnych wadach. Tymi najważniejszymi wadami w edukacji są halucynacje, czyli błędy w generowanych odpowiedziach.

Chociaż pozostaje pytanie, czy wykładowca, gdy mu się zadaje pytanie, zawsze zna odpowiedź?

– Gdy wykładowca czegoś nie wie, może powiedzieć, „o!, to jest świetny temat, nie słyszałem o tym, spotkajmy się za tydzień, a ja w tym czasie się czegoś nauczę” – odpowiada prof. Szczuko. – AI także mogłaby być zaprogramowana, aby tak samo reagować, ale niestety wszystkie modele mają tendencję do odpowiadania zawsze, nawet gdy nie posiadają wiedzy na dany temat, i mają problem z tym, żeby powiedzieć, że czegoś nie wiedzą. Wszystkie modele językowe są uczone w takim kierunku, żeby produkowały odpowiedzi, które są zadowalające dla użytkownika. Ta odpowiedź ma być napisana ładnym językiem, odpowiednio długa i w punktach, a niekoniecznie poprawna i logiczna – dodaje prof. Szczuko.

Student, patrząc na wykładowcę awatara, odczuje na własnej skórze zjawisko znane z lat 70., nazywane doliną niesamowitości.

– Twarz i oczy, które imitują ludzkie, powodują w człowieku odrazę, a ona blokuje możliwość przyjęcia treści – mówi prof. Szczuko. – Kolejną rzeczą jest to, że naturalna mowa inaczej angażuje naszą uwagę. Syntezator mowy jest zaś nużący, nie mówiąc o nudnych treściach generowanych przez sam model językowy, którym jest Chat GPT.

– Pamiętajmy, że studia są również po to, by dojrzewać – mówi prof. Jacek Rumiński. – Studia nie są po to, by tylko przyswoić sobie jakąś treść. To proces interakcji z innymi studentami i nauczycielami. Dodatkowo przed nauczycielami i mentorami leży odpowiedzialność wypracowania najlepszej propozycji z punktu widzenia ekspertów. I jest to czasami wbrew temu, co mówią młodzi ludzie, żeby było lekko. To nie znaczy, że w ramach programu kształcenia wszystko wszystkim się przyda. Pamiętajmy, że chodzi także o trening intelektualny. Bo przecież nigdy tak nie jest, że wszystkie treści się komuś przydadzą, ale te treści stanowią pewną bazę do samorozwoju, do studiowania. I tu uważam, że istniejące narzędzia w zakresie technik edukacyjnych na odległość, czy materiałów w formie elektronicznej, czy innych nowoczesnych form interaktywnych, są świetnym materiałem dodatkowym – rozwija temat prof. Rumiński.

– Podsumowując, uważam, że niektóre wykłady z powodzeniem będą mogły być zastąpione metodami sztucznej inteligencji, natomiast szereg innych form będzie nie do zastąpienia. A to wynika z natury ludzkiej i wartości związanych z kontaktami interpersonalnymi wpływającymi również na aspekty motywacji i dojrzałości intelektualnej – kończy prof. Rumiński.

Szkolenie nauczycieli

– Musimy zrezygnować z tej koncepcji, że nauczyciel to źródło wiedzy – mówi prof. Krzysztof Nowicki. – To się skończyło. Nauczyciel w tej chwili powinien motywować i pokazywać dlaczego jest tak, a nie inaczej. Jak coś się dzieje lub jak to działa. Natomiast wiedza szczegółowa, która trzydzieści lat temu była podstawą, a uczelnia była miejscem, z którego studenci mogli tę wiedzę czerpać, to już się skończyło. Proces poukładania wiedzy jest w tej chwili zadaniem nauczyciela – mówi prof. Nowicki.

Kilka lat temu na Politechnice Gdańskiej powstało Centrum Nowoczesnej Edukacji, które ma na celu podnoszenie innowacyjności w kształceniu inżynierów poprzez projektowanie działań w oparciu o raporty i światowe trendy w edukacji wyższej.

– Nauczyciele mają wiedzę specjalistyczną i doświadczenie, a CNE oferuje im możliwość rozwoju i podnoszenia kompetencji metodyczno-dydaktycznych, także w obszarze generatywnej sztucznej inteligencji – mówi prof. Joanna Mytnik. – Pracujemy w oparciu o nowoczesną metodykę nauczania, najnowszą wiedzę neuronaukową, analizę zmian na rynku pracy i w uważności na potrzeby drugiego człowieka, by projektując proces edukacyjny, nauczyciel myślał o tym jak o całym ekosystemie uczenia się ściśle powiązanym ze światem poza murami uczelni, który dynamicznie się zmienia – rozszerza perspektywę prof. Mytnik. – Centrum w trybie ciągłym oferuje szeroki zakres szkoleń warsztatowych, na których spotyka się kadra akademicka wszystkich wydziałów i centrów dydaktycznych. Poza metodyką nauczania nauczyciele mają okazję poznać specyfikę działania innych wydziałów. To pozwala poznać odmienną perspektywę i umożliwia wymianę doświadczeń, dzielenie się dobrymi praktykami, wzajemną inspirację, ale także, a może przede wszystkim, daje okazję do budowania relacji, wzmacnia poczucie bycia w społeczności i poczucie przynależności, co przeciwdziała wypaleniu zawodowemu – dodaje prof. Mytnik.

Centrum Nowoczesnej Edukacji Politechniki Gdańskiej zostało powołane 1 marca 2021 roku przez JM Rektora PG, prof. Krzysztofa Wildego.

– Idea powstania nowej jednostki to początek procesu realizacji marzenia o wprowadzeniu realnej zmiany w edukacji – mówi prof. Joanna Mytnik.  – Naszym celem jest wspieranie nauczycieli w refleksyjnym projektowaniu środowiska aktywnego uczenia się. I tu chodzi zarówno o solidną metodykę nauczania oraz biegłość w implementacji najnowszych technologii do dydaktyki akademickiej (m.in. VR, genAI), jak i budowanie wspólnoty nauczycieli akademickich. W CNE stawiamy na kompetencje komunikacji, współpracy, kreowania, krytycznego myślenia, funkcjonowania w zmianie, uważność i dobrostan oraz wspieranie w tym procesie studentów – mówi prof. Mytnik.

– Oferując nauczycielom różnego rodzaju programy rozwojowe i doceniające, konferencje dydaktyczne, szkolenia, coaching, konkursy na innowacje, debaty, grupy projektowe, huby metodyczne czy sieci współpracy (np. sieć ambasadorów metodyki AI lub kształcenia zdalnego), dajemy możliwość ciągłego podnoszenia swoich kompetencji – podkreśla prof. Mytnik. – Nauczyciele, którzy mają potrzebę ciągłego uczenia się, są przygotowani do wspierania młodych ludzi w tym procesie, przygotowywania ich do rozwijania postaw proaktywnych i brania odpowiedzialności za proces swojego rozwoju – podsumowuje.

– Sztuczna inteligencja nie motywuje – mówi prof. Krzysztof Nowicki. – Sztuczna inteligencja daje wiedzę. I to jest moim zdaniem kluczowe, jeżeli chodzi o rolę AI w przyszłości. Będziemy z niej korzystać, będziemy ją rozwijać i to jest nieuniknione, ale sztuczna inteligencja nie zastąpi nam autorytetu nauczyciela oraz chęci podążania za nim – podsumowuje naukowiec.

– Warto również podkreślić, że rozwój przez całe życie jest dzisiaj niezwykle ważny – mówi prof. Jacek Rumiński. – Nie jest tak, że skończę studia i to jest koniec mojej edukacji. Jeżeli tak myślę, to szanse na moją atrakcyjność na rynku będą niewielkie. Dlatego niezwykle ważna jest promocja edukacji i nauki – kończy prof. Rumiński.

Katarzyna Michałowska