هوشمندسازی مدارس چگونه کیفیت آموزش و یادگیری را بهبود می‌بخشد؟

نظام‌های آموزشی برای همگام شدن با تغییر و تحولات جهانی باید از بسترهای نوین آموزشی برای برطرف کردن نواقص سیستم‌های سنتی استفاده کنند. مدارس هوشمند با ارائه سازوکار نوینی در حوزه آموزش که ماحصل هم‌گرایی فناوری‌های نوینی نظیر اینترنت اشیا است این ظرفیت را دارند تا تحول‌آفرین باشند. در ساده‌ترین تعریف، مدارس هوشمند به واحدهای آموزشی اشاره دارد که از مکانیزم یادگیری الکترونیکی به شکل حضوری و با حفظ خط‌مشی‌های نظام آموزشی سعی می‌کنند خدمات جامع آموزشی و پرورشی را ارائه کنند. مدارس هوشمند می‌توانند برنامه‌های درسی را با انعطاف‌پذیری بیشتری ارائه کنند و از روش‌های نوین برای تدریس دروس ساده و پیچیده استفاده کنند. به‌طور مثال، این امکان وجود دارد که طیف گسترده‌ای از برنامه‌های درسی و روش‌های آموزشی که دانش‌آموزان محور اصلی آن هستند را با در نظر گرفتن تفاوت‌های فردی و توجه بیشتر به سلایق، نیازها و استعدادهای دانش‌آموزان آماده کرد و معضل شکاف آموزش را برطرف کرد. به‌کارگیری مکانیزم‌ها و راه‌حل‌های ارائه شده توسط اینترنت اشیا در مدارس تغییر و تحولات زیادی در خط‌مشی‌های سنتی آموزش، مفاهیم سوادآموزی، نقش و جایگاه معلم و دانش‌آموز، روش‌های ارزیابی، روش‌های تدریس و تعامل میان معلم و دانش‌آموزان به وجود می‌آورد. ارزیابی‌های انجام شده در این خصوص نشان می‌دهند که مدارس هوشمند را می‌توان به عنوان یک سازمان یادگیرنده توصیف کرد که در سال‌های گذشته تکامل پیدا کرده‌اند، تمامی نهادهای اجرایی آن قابلیت انطباق با شرایط موجود را دارند و به راحتی قابل توسعه هستند. رویکرد فوق به مدارس هوشمند اجازه می‌دهد خود را با شرایط متغیر سازگار کنند. به‌طور مثال، هنگامی که رخداد غیرمنتظره‌ای مثل شیوع یک بیماری اتفاق می‌افتد، این امکان وجود دارد که آموزش را استمرار داد و از زیرساخت‌های بالقوه برای آموزش از راه دور استفاده کرد. با وجود تحول‌آفرینی بزرگ مدارس هوشمند در نظام آموزشی، با این‌حال پیاده‌سازی جامع این برنامه در مقیاس کلان با موانع و مشکلات زیادی همراه است. کمبود نیروی انسانی متخصص و آموزش دیده، کمبود منابع مالی جهت تجهیز مدارس هوشمند به سامانه‌های کامپیوتری و هزینه‌بر بودن خرید و پیاده‌سازی تجهیزات هوشمند اینترنت اشیا نظیر حس‌گرهای هوشمند از معضلات اصلی توسعه مدارس هوشمند در مقیاس کلان است. پژوهش‌های انجام شده در خصوص ورود فناوری‌اطلاعات و اینترنت اشیا به نظام‌های آموزشی کشورهایی مثل مالزی نشان می‌دهد که این طرح باعث شکوفایی استعدادهای درخشان دانش‌آموزان و تسهیل آموزش در این کشورها شده است. 

مدرسه هوشمند چیست؟

مدرسه هوشمند، مدرسه‌ای است که در آن تمامی روندهای اجرایی مثل مدیریت، نظارت، کنترل، یاددهی، یادگیری، منابع درسی و کمک درسی، ارزشیابی، اسناد و امور دفتری، ارتباطات و راه‌حل‌های توسعه مبتنی بر فناوری اطلاعات همسو با خط‌مشی‌های نظام آموزشی و تربیتی هستند که پژوهش نقش مهمی در این زمینه دارد. مرکز آمار و فناوری اطلاعات و ارتباطات وزارت آموزش و پرورش در سند شیوه‌نامه هوشمندسازی مدارس این تعریف را ارائه کرده است: «مدرسه هوشمند به عنوان یکی از مهم‌ترین مولفه‌های نظام آموزشی یک سازمان آموزشی و پرورشی پویا و یادگیرنده است که در جهت فرآیند یادگیری و بهبود مدیریت به صورت نظام‌یافته بازسازی شده تا دانش‌آموزان سطوح مختلف را برای زندگی در عصر اطلاعات و ارتباطات آماده کند. در مدرسه هوشمند تمامی فرآیندها مبتنی بر فاوا و در جهت بهبود نظام آموزشی و تربیتی پژوهش‌محور هستند.» 

بر مبنای سند منتشر شده مدرسه‌ای را هوشمند توصیف می‌کنیم که ویژگی‌های زیر را داشته باشد:

محیط یاددهی: در یک مدرسه هوشمند یادگیری متناسب با تفاوت‌های فردی دانش‌آموزان ارائه می‌شود و محتوای چندرسانه‌ای و پژوهش‌محور تاکید خاصی بر تولید دانش دارند. در این محیط معلمان و کارکنان توانمند، متخصص و دارای اشتیاق به استفاده از فناوری‌های نوین مشغول کار هستند. به‌طوری که زیرساخت‌های ارتباطی از جدیدترین فناوری‌های روز استفاده می‌کنند تا فرآیند مدیریت به شکل نظام‌مند و یکپارچه انجام شود. بر همین اساس باید امکانات ارتباطی مناسب برای حضور آنلاین در اینترانت برای دانش‌آموزان و کادر آموزشی برقرار باشد تا هر دو طرف بتوانند بدون مشکل به شبکه ارتباطی متصل شوند. تعامل پویا میان مدرسه، دانش‌آموزان و اولیای دانش‌آموزان باعث می‌شود تا اهداف عالی آموزش و پرورش تحقق یابد. 

تولید دانش: عدم وابستگی به زمان و مکان در فراهم‌آوری دانش، نوآوری ساختاری و آموزشی و پرورشی در فرآیند یاددهی و یادگیری باعث می‌شود تا کاستی‌های نظام سنتی برطرف شوند. علاوه بر این‌که مدارس می‌توانند استعدادهای بالقوه دانش‌آموزان را شناسایی کرده و به پرورش این استعدادها کمک کنند.

فعالیت‌های اجتماعی: یکی از مهم‌ترین اهداف پیاده‌سازی مدارس هوشمند، انجام فعالیت‌های پژوهشی به صورت تیمی است. بسترهای ارتباطی مناسب مثل شبکه ارتباطی و اینترانت ملی به دانش‌آموزان و معلمان اجازه می‌دهند منابع مختلف را به کار گرفته و از تلفیق آن‌ها با یکدیگر به بهترین شکل روی یاددهی و یادگیری متمرکز شوند. رویکردی که باعث تفکر خلاق و پرورش ایده‌ها می‌شود. این انعطاف‌پذیری کمک می‌کند تا مدرسه هوشمند به محلی مناسب برای تولید دانش تبدیل شود. 

اینترنت اشیا در مدرسه هوشمند

محیط‌های هوشمند به دنبال سه هدف اصلی یادگیری، استدلال و پیش‌بینی هستند. به بیان ساده‌تر، محیط‌های هوشمند یا به عبارت دقیق‌تر تجهیزات هوشمند باید یاد بگیرند که چگونه محیط پیرامون کار می‌کند و هنگامی که نشانه‌ای را شناسایی کردند چه نوع واکنشی نشان دهند یا چه اقداماتی را به شکل خودکار انجام دهند. محیط هوشمند، محیطی است که می‌تواند دانشی درباره محیط به دست آورد و این دانش را برای بهبود عملکرد محیط اعمال کند. برخی کاربران بر این باور هستند که مدارس هوشمند شامل مجموعه‌ای از کلاس‌های مجهز به امکانات فنی مثل تخته هوشمند هستند، در حالی که هوشمندسازی مدارس و آموزش اینترنت اشیا-محور قبل از قدم گذاشتن در کلاس آغاز می‌شود. مدرسه هوشمندی که مبتنی بر اصول اولیه اینترنت اشیا گام بر می‌دارد، در اولین گام به دنبال راهکاری خواهد بود که سرویس‌های مدارس را به فناوری اینترنت اشیا مجهز کند. به‌طوری که اتوبوس‌ها یا سرویس‌های مدارس را به اینترنت اشیا متصل می‌کند تا والدین بدانند چه زمانی فرزند آن‌ها از مدرسه خارج شده است. در کلاس‌ها و راهروهای مدرسه، حس‌گرها می‌توانند به‌طور خودکار نور و صدای استاد در کلاس را تنظیم کنند و نظارت دقیقی بر راهروها و محیط اطراف مدرسه اعمال کنند. علاوه بر این، سامانه‌های هوشمند گرمایشی، سرمایشی و تهویه HVAC زمانی که درجه حرارت در ساختمان مدرسه و کلاس‌های درس از نقطه خاصی کمتر یا بیشتر می‌شود تجهیزات را فعال می‌کنند تا صرفه‌جویی قابل ملاحظه‌ای در مصرف انرژی و کاهش هزینه‌ها به وجود آید. صرف‌نظر از مبحث یادگیری، اینترنت اشیا دستاوردهای مهم دیگری در حوزه امنیت، امور دانش‌آموزی، منابع آموزشی داخلی و خارجی، منابع انسانی و مدیریت مالی برای مدارس هوشمند به ارمغان می‌آورد.

 زیرساخت مدارس هوشمند

اینترنت اشیا و مدرسه هوشمند برای ارائه بهترین خدمات به شبکه وای‌فای قدرتمندی نیاز دارد تا بتواند جوابگوی نیازهای تجهیزات هوشمند باشد. با توجه به نگرانی‌های امنیتی و حفظ حریم خصوصی در سطوح عالی، نیاز به نرم‌افزار مدیریت شبکه در رده‌های بالای آموزشی به خوبی احساس می‌شود. در همین ارتباط، تجزیه و تحلیل شبکه دیدگاه روشنی در ارتباط با مدیریت ترافیک شبکه و اجرای برنامه‌ها در اختیار مسئولان مدرسه قرار می‌دهد. نکته مهمی که نباید به سادگی از آن عبور کرد این است که در یک مدرسه هوشمند مدیریت بیشتر از استفاده تجهیزات نوین فناوری اهمیت دارد. اگر قرار باشد در مورد پروتکل‌هایی صحبت کنیم که مختص محیط‌های هوشمند و اینترنت اشیا طراحی شده‌اند در این صورت با نمونه‌های کاربردی زیادی روبرو می‌شویم که هدف آن‌ها متعادل‌سازی مصرف انرژی و پیاده‌سازی سامانه‌هایی است که عملکرد سریع‌تر و دقیق‌تری دارند. از مهم‌ترین پروتکل‌های اینترنت اشیا که قابلیت استفاده در مدارس هوشمند را دارند باید به موارد زیر اشاره کرد: 

زیگ‌بی پروتکل ارتباطی برای لایه کاربردی

زیگ‌بی اولین بار در سال 2004 معرفی شد و به‌روزرسانی‌های مختلفی برای آن ارائه شده است. پروتکل زیگ‌بی یکی از پر استفاده‌ترین پروتکل‌های بی‌سیم خانگی است، زیرا ایده‌آل‌ترین راه‌حل را برای تجهیزاتی که نرخ تبادل داده‌های آن‌ها کم است ارائه می‌کند. علاوه بر این برای دستگاه‌هایی که نیازمند عمر باتری بیشتری هستند مناسب است. این پروتکل در مقایسه با بلوتوث عملکرد بهتری داشته و جایگزین بهتری برای بلوتوث است. 

پروتکل هویت میزبان HIP

HIP  راه‌حلی است که حرکت و جابه‌جایی میان شبکه و لایه‌های انتقال را موقعیت‌یابی می‌کند.HIP هویت میزبان جدیدی (لایه 5/3) را بین لایه‌های IP و لایه‌های بالاتر معرفی می‌کند. دلیل این امر اجتناب از موقعیتی است که در آن متصل کردن سوکت‌ها به IP نشانی‌ها، نشانی را به ایفای نقش دوگانه شناساگر نقطه پایانی و شناساگر ارسال وادار می‌سازد. در HIP، سوکت‌های لایه‌های بالایی به‌جای IP نشانی‌ها به هویت‌های میزبان (شناساگرهای HIP) متصل می‌شوند. علاوه بر این، اتصال این هویت‌های میزبان به IP نشانی‌ها (موقعیت‌یاب‌ها) به‌طور پویا صورت می‌گیرد. هدف HIP پشتیبانی از اعتماد میان سیستم‌ها، افزایش حرکت و جابه‌جایی و کاهش چشم‌گیر حملات محروم‌سازی از سرویس (DOS) است.

معماری CUBIQ

معماری CUBIQ از سه لایه زیر ساخته شده است:

•  لایه منبع داده‌ها: دسترسی و اداره شفاف داده‌ها را فراهم می‌سازد و پویایی، جابه‌جایی، تکرار، خطاها و پایداری داده‌ها را مدیریت می‌کند. 
• لایه پردازش‌گر درون‌متنی: ارائه‌دهنده خدمات پردازش داده است.
•  لایه پردازش‌گر برون‌متنی: مسئولیت ترکیب خدمات را بر عهده دارد.

Wireless HART

محصول توسعه یافته و محبوب فناوری ارتباطی (HART)  سرنام (Highway Addressable Remote Transducer) است. HART به معنای مبدل از راه دور و نشانی‌پذیر بزرگراه است. این محصول ویژگی‌هایی همچون امنیت و دوام دارد، اما به دلیل فلسفه تک‌منظوره خود فاقد قابلیت به اشتراک‌گذاری داده‌ها با دیگر فناوری‌های ارتباطی است. از جمله ویژگی‌های شاخص این پروتکل به موارد زیر می‌توان اشاره کرد:

•  برقراری ارتباط با دستگاه‌ها در یک میدان از طریق فرآیند هوشمند 
•  توسعه یافته از فناوری ارتباطی محبوب Wired HART برای برنامه‌های بی‌سیم
•  پیاده‌سازی بر مبنای استاندارد IEEE 802.15.4-2006 PHY و پشتیبانی‌کننده از نشانی‌های مک
•  قابلیت پیاده‌سازی ارتباطات بی‌درنگ از طریق مدیریت مرکزی شکاف‌های TDM و مسیریابی شبکه‌های مش (Mash)
•  پیاده‌سازی ارتباطات ایمن از طریق مکانیسم‌های ارتباطی امنیتی

استاندارد IEEE 151

گسترش‌پذیری تجهیزات الکترونیکی هوشمند روبه افزایش است، در حالی که هزینه‌های مبدل‌های انرژی روند کاهشی دارد. استاندارد مذکور فرآیند اتصال حس‌گرها و دستگاه‌های محرک را ساده‌تر و سریع‌تر می‌کند. علاوه بر این، استاندارد فوق مزایای اتصال و استفاده سریع تجهیزات الکترونیکی به سامانه‌های کامپیوتری را برای بیشتر حس‌گرها و تجهیزات سیار فراهم می‌کند. 

شش اصل کلیدی یک مدرسه هوشمند 

ارل پرکینز معاون پژوهشی موسسه گارتنر بر این باور است که یک مدرسه هوشمند باید به دنبال رسیدن به شش اصل زیر باشد:

• دانش خلاق: مدارس هوشمند با ارائه محتوای مناسب بیشترین تاثیر را بر رشد فکری دانش‌آموزان می‌گذارند، زیرا آموزش تئوری همراه با کار عملی است که به دانش‌آموزان مهارت‌های حل مسئله را یاد می‌دهد. 
• استعداد یادگیری: آماده‌سازی دانش‌آموزان برای اندیشیدن، به آن‌ها کمک می‌کند در آینده تصمیمات منطقی و مبتنی بر خرد اتخاذ کنند. 
• یادگیری با هدف انتقال دانش: یکی از بزرگ‌ترین معضلات جامعه امروزی عدم توانایی درست انتقال دانش از نسلی به نسل دیگر است. یکی از اصول مهم یادگیری در مدارس هوشمند به‌کارگیری فنون نوین تدریس است. یک مدرسه هوشمند به دانش‌آموزان یاد می‌دهد که چگونه یاد بگیرند و آموخته‌های خود را به دیگران انتقال دهند. نظام‌های آموزشی که روی مهارت‌هایی مثل تقویت انگیزه، فن بیان، شبیه‌سازی انجام کارها و مهارت انتقال دانش به دیگران از سنین پایه کار کنند در آینده افرادی را به جامعه تحویل می‌دهند که می‌دانند چگونه باید مهارت‌ها و مباحث پیچیده را به زبانی ساده به دیگران انتقال دهند. 
• ارزیابی آموخته‌ها به شیوه متمرکز: پژوهش‌های انجام شده نشان می‌دهند که ارزشیابی مبتنی بر یادگیری نتایج دقیق‌تری به نسبت ارزشیابی مبتنی بر خروجی (نمرات پایان دوره) ارائه می‌کند. به‌طوری که دانش‌آموزان و معلمان را تشویق می‌کند به شکل جدی‌تری آموزش را دنبال کنند. 
• توانایی حل مسئله: یکی از مهم‌ترین دستاورهای تفکر خلاق و درک عمیق مسائل، آماده‌سازی دانش‌آموزان و حتا معلمان برای حل مشکلات پیچیده است. در مدارس هوشمند دانش‌آموزان و معلمان می‌توانند با اتکا بر نوآوری و خلاقیت روش‌های نوینی برای حل مسائل ارائه کنند. بارزترین مثال در این زمینه تیم‌های روباتیک دانش‌آموزی هستند که در قالب مسابقات از دستاوردهای خیره‌کننده‌ای رونمایی می‌کنند. 

چرا هوشمندسازی مدارس نه یک انتخاب، بلکه یک ضرورت است؟

آلوین تافلر در کتاب شوک آینده به موضوع مهمی اشاره کرده و می‌گوید: «فناوری‌های نوین آینده دیگر به میلیون‌ها نفر انسان کم‌سواد که حاضر هستند هر کار تکراری را انجام دهند، بدون تفکر از دستورات دیگران پیروی کنند و بدون تفکر از مدیران خود اطاعت محض کنند نیازی ندارد. آینده از آن افرادی است که توانایی قضاوت و داوری را دارند و به درستی قادر به درک شرایط هستند. این افراد می‌دانند چه واکنشی در تعامل با محیط‌های تازه از خود نشان دهند و خود را با جهانی که روابط در آن دائما در حال تغییر است وفق دهند.» با توجه به کاربرد گسترده شبکه‌های بزرگی نظیر اینترنت و شبکه ارتباطی، نیازهای آموزشی دانشگاه‌ها، موسسات، مراکز آموزشی و دانش‌آموزان یا دانشجویان تغییر پیدا کرده و همگی به دنبال یادگیری مهارت‌های روز هستند. با ورود کامپیوترها به مراکز آموزشی، به ویژه کامپیوترهای متصل به شبکه‌های اطلاعاتی مثل شبکه رشد، تغییرات عمده‌ای در کلاس‌های درسی به وجود آمده که زمینه تغییر در ساختارهای آموزشی، الگوهای رفتاری نظام آموزشی و محتوای آموزشی را هموار کرده است. به‌طور کلی، نظام‌های آموزشی سنتی تمرکزشان بر تربیت افرادی است که قرار است در چارچوب‌های مشخص صنعتی مشغول به کار شوند، در حالی که واقعیت این است که نظام‌های آموزشی باید متناسب با تحولات روز تغییر کنند. به‌طور معمول برای هوشمندسازی کلاس‌ها به شش ابزار اصلی کامپیوتر، دیتاپروژکتور، تخته هوشمند، نرم‌افزارهای تدریس هوشمند و تجهیزات اینترنت اشیا نیاز است. 

چالش‌های پیش‌روی هوشمندسازی مدارس چیست؟

یکی از بزرگ‌ترین موانع در مسیر تحقق طرح هوشمندسازی مدارس، باورهای فرهنگی جامعه است. در حالی که کارشناسان آموزش و ارتباطات به نقش تاثیرگذار فناوری‌های نوین مثل اینترنت اشیا در پیشبرد اهداف آموزشی تاکید دارند و معتقد هستند فناوری‌های نوین به دانش‌آموزان در یادگیری مفاهیم نوین کمک می‌کنند، با این‌حال، مقاومت‌های زیادی در ارتباط با تحقق این مهم مشاهده می‌شود. متاسفانه برخی خانواده‌ها بر این باور هستند که رایانه‌ها تنها یک ابزار بازی و تفریح هستند و دانش‌آموزان تنها زمانی در حال مطالعه و یادگیری هستند که پشت میز مطالعه نشسته باشند و کتاب‌های درسی روبروی آن‌ها باز باشد. دومین مشکل مهم عدم دسترسی تمامی آحاد جامعه به شبکه‌های ارتباطی است. متاسفانه هنوز هم برخی مناطق و روستاها به شبکه‌های ارتباطی دسترسی ندارند و گاهی اوقات شبکه‌های ارتباطی به دلایل مختلف با کندی سرعت روبرو می‌شوند. مشکل اقتصادی معضل دیگری است که باید به آن اشاره کرد. مشکل اقتصادی یکی از موانع مهم در فرهنگ‌سازی تعامل با مدارس هوشمند است. واقعیت این است که برخی خانواده‌ها در خرید یک کامپیوتر با مشکل روبرو هستند که خود مانع بزرگی در پیشبرد و موفقیت مدارس هوشمند است. حال اگر قرار باشد مدارس هوشمند در قالب یک طرح ملی اجرا شوند، اما خانواده در خرید کامپیوتر با مشکل جدی روبرو باشد برخی دانش‌آموزان از تحصیل باز می‌مانند. هند نزدیک به ده سال پیش با رونمایی از لپ‌تاپ‌های 35 دلاری که مخصوص دانش‌آموزان طراحی شده بود این مشکل را حل کرد. در آن زمان کاپيل سيبال وزير توسعه نيروی انسانی هند به هنگام رونمايی و معرفی این لپ‌تاپ‌های کوچک که برای دانش‌آموزان طراحی شده بود اعلام کرد که دولت هند مذاکره با شرکت‌های بين‌المللی توليدکننده کامپیوتر را آغاز کرده تا در آينده اين محصول را در سطح گسترده‌ای توليد کنند. او گفت: «ما به لحاظ توسعه و پيشرفت صنعت کامپيوتر به مرحله‌ای رسيده‌ايم که توليد تمام قطعات اين کامپيوتر شامل تراشه، حافظه و تمام بخش‌ها حتا سيستم‌عامل حدود ۳۵ دلار هزينه دارد.» سومین مشکل مهم در این زمینه ضعف دانش‌آموزان در ارتباط با زبان انگلیسی است. با وجود این‌که آموزش زبان‌های خارجی در مقاطع مختلف وجود دارد، اما دانش‌آموزان نمی‌توانند با سهولت از منابع انگلیسی استفاده کنند و به همین دلیل محدود به سایت‌های فارسی هستند. چهارمین مشکل بافت فرسوده مدارسی است که سنتی هستند و در نظر دارند تغییر کاربری داده و به سمت هوشمند شدن گام بردارند. این فرآیند مستلزم صرف بودجه و زمان زیادی است که همکاری بخش خصوصی با وزارت آموزش و پرورش را می‌طلبد. علاوه بر این، همگام با ورود مکانیزم‌های هوشمند به مدارس، نرم‌افزار و محتوای کتب درسی باید تغییر پیدا کند و بانک‌های اطلاعاتی قدرتمندی به زبان پارسی ایجاد شوند تا تحقیق و برنامه‌سازی شکل بومی به خود گیرد