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Contribution to the development of technology-enhanced education in manufacturing and energy generation
Palacios Neffke, Jens C.
In order to revert a global ecological collapse that would jeopardize Earth’s capacity to sustain life, international organizations, such as the United Nations, have stressed the need to improve manufacturing methods and energy generation technologies. However, challenges towards the implementation of these methods and technologies vary according to the perspective. Rich countries need to drastically reduce their carbon emissions without abandoning their economic growth and / or decreasing the living standards of their populations. On the other hand, developing economies need to subject their rapid socio-economic development to environmental constraints while facing a severe scarcity of human resources technically competent to introduce methods and technologies necessary to generate local wealth, while reducing the environmental impact generated by productive and energy generation processes. This scarcity is especially dire in rural and informal urban settlement, where the need of local value creation is needed the most.
Given the limited success of current instructional approaches in overcoming specialists’ deficits in these societies, new paradigms of education are necessary to support global sustainable development. These paradigms should be based in the integration of economic globalization aspects, rapid development of educational technologies, and didactic methods as a means to generate societal well-being with minimal environmental impacts. This dissertation proposes an Instructional Design Model for Engineering Education (IDMEE) aimed at improving engineering education’s quality in developing countries. The proposed model bases its approach in the alignment of so-called educational dimensions to support instruction planners during the planning and delivery of formal and non-formal instruction with a strong technical component. In the proposed model, a strong emphasis has been given to the design of laboratories, appropriate to match specific engineering educational needs of heterogeneous audiences in developing countries.
The model is validated through the design and development of mobile high-end portable laboratories to support developing countries’ education in the fields of sustainable manufacturing and energy generation. The design of these laboratories, deemed its physical portability feature as fundamental as a means to overcome technical and pedagogical shortcomings of distant-education alternatives. Demonstrators, realized and documented within the framework of this dissertation include a mobile E-Bike photovoltaic charging station, a portable wind tunnel, and a mobile learning factory for manufacturing. Each demonstrator is designed to address a variety of audiences according to its academic level and training purpose. Through appealing designs and features, as well as intuitive interfaces reducing external supervision, audiences comprising primary and secondary education students for instance, can be motivated to pursue higher education in the fields of engineering. On the other hand, undergraduate and graduate engineers can gain deep technical knowledge in renewable energies and manufacturing, and uneducated audiences can obtain basic knowledge enabling them to generate local value creation networks.
Um einen globalen ökologischen Kollaps abzuwenden, der die Fähigkeit der Erde, das Leben zu erhalten gefährden würde, haben internationale Organisationen wie die Vereinten Nationen die Notwendigkeit betont, umweltfreundliche Fertigungsverfahren und Energieerzeugungstechnologien aus erneuerbaren Quellen zu implementieren. Die Herausforderungen bei der Umsetzung dieser Methoden und Technologien sind allerdings, je nach Entwicklungsstand des Landes, unterschiedlich. Frühindustrialisierte Länder müssen ihre CO2-Emissionen und den Ressourcenkonsum drastisch reduzieren, ohne ihr Wirtschaftswachstum zu gefährden und / oder den Lebensstandard ihrer Bevölkerungen zu verringern. Auf der anderen Seite müssen Entwicklungsländer ihre rasche sozioökonomische Entwicklung den Umweltauflagen unterziehen, wobei sie jedoch kaum über die notwendigen technisch-kompetenten Humanressourcen verfügen. Besonders beträchtlich ist die Knappheit dieses Personals in ländlichen und informellen urbanen Siedlungen in Entwicklungsländern, wo der gezielte Aufbau von Wertschöpfung am dringlichsten ist.
Angesichts des begrenzten Erfolges aktueller internationaler Ansätze bei der Überwindung dieser Bildungsdefizite, sind neue Bildungsparadigmen notwendig, um eine globale nachhaltige Entwicklung zu unterstützen. Diese Paradigmen sollten auf der Integration von ökonomischen Globalisierungsaspekten, einer raschen Entwicklung von Bildungstechnologien und didaktischen Methoden als Mittel zur Erzeugung von gesellschaftlichem Wohlergehen mit minimalem ökologischen Einfluss beruhen. In dieser Dissertation ist das sogenannte Instructional Design-Model for Engineering Education (IDMEE) erarbeitet, das darauf abzielt, die Qualität der Ingenieurausbildung in Entwicklungsländern zu verbessern. Das vorgeschlagene Modell stützt sich auf die Ausrichtung von sogenannten Bildungsdimensionen, um Unterrichtsplaner bei der Planung und Durchführung von formaler und nicht-formaler Ausbildung mit einem starken technischen Bestandteil zu unterstützen. In dem vorgeschlagenen IDMEE wurde ein Schwerpunkt auf die Gestaltung von Laboratorien gelegt, und spezifische technische Bildungsbedürfnisse heterogener Lernergruppen in Entwicklungsländern beachtet.
Das Modell wird durch die Konzeption und Entwicklung von mobilen High-End-Laboren in den Bereichen der nachhaltigen Wertschöpfung und Energieerzeugung validiert. Die physische Portabilität ist eine fundamentale Eigenschaft dieser Laboratorien, um technische und pädagogische Mängel im Vergleich zum Fernunterricht zu überwinden. Zu den im Rahmen dieser Dissertation entwickelten Laboren gehören eine mobile E-Bike-Photovoltaik-Ladestation, ein tragbarer Windkanal, und eine mobile Lernfabrik. Jeder Demonstrator ist dazu ausgelegt, eine Vielzahl von Zielgruppen nach seinem akademischen Niveau und Ausbildungszweck zu adressieren. Durch ansprechende Gestaltung und Features sowie intuitive Schnittstellen können z.B. Schüler motiviert werden, eine Hochschulausbildung im Bereich des Ingenieurwesens zu verfolgen. Andererseits können Studierende an Universitäten tiefe technische Kenntnisse in der Erzeugung erneuerbar Energien und nachhaltiger Produktion erwerben. Ungebildete Zielgruppen können Grundkenntnisse erlangen, die es ihnen ermöglichen, lokale Wertschöpfungsnetze zu generieren.
