إثارة ثورة في تعليم العلوم باستخدام روبوتات البحث بالذكاء الاصطناعي

الدكتور بنجي ماروياما، الباحث المرموق في مختبر أبحاث القوات الجوية (AFRL)، في مهمة لإتاحة تعليم العلوم وابتكاره باستخدام برمجيات تجريبية ذاتية المصدر مفتوحة المصدر. يعمل ماروياما وفريقه مع الصناعة والأوساط الأكاديمية لإيصال نظامهم التعليمي ARES OS (نظام التجريب البحثي المستقل) إلى فصول المدارس العامة في جميع أنحاء البلاد، مما يغرس الجيل القادم من العلماء الصغار.

النظام التعليمي ARES OS

يُعد النظام التعليمي ARES OS منصة بحثية ذاتية القيادة تدمج بسلاسة بين الروبوتات الآلية وخوارزميات الذكاء الاصطناعي (AI). تقوم هذه البرمجية الرائدة بإجراء التجارب بشكل مستقل، وتسجيل النتائج، ووضع الخطوات التالية لمعالجة أسئلة البحث أو حل المشكلات. وهي تستند إلى نجاح البرمجيات مفتوحة المصدر الأصلية ARES التي تم تقديمها في عام 2021، والمتاحة للتنزيل المجاني للجمهور.

روبوتات بحث الذكاء الاصطناعي للجميع

يشدد ماروياما على أهمية جعل روبوتات البحث بالذكاء الاصطناعي في متناول الجميع بتكلفة منخفضة لدعم الهدف الطموح لمختبر أبحاث القوات الجوية (AFRL) المتمثل في توسيع نطاق الجهود البحثية بشكل أسي. وهو يؤمن firmly بأن العلم يجب أن يكون شاملاً ومتاحاً للجميع، بدءاً من سن مبكرة. ومن خلال تعريف الطلاب بالتجريب المستقل في وقت مبكر، ويفضل ذلك بحلول المرحلة المتوسطة، يأمل ماروياما في تحطيم التصور القائل بأن العلم حصري أو غير قابل للتحقيق لبعض الأفراد، مما يؤدي في النهاية إلى مجتمع علمي أكثر تنوعاً.

تمكين المعلمين باستخدام الذكاء الاصطناعي

يتمثل أحد الأهداف الرئيسية لمشروع النظام التعليمي ARES OS في تمكين المعلمين بالأدوات التي يحتاجونها لتدريس العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات (STEM) بفعالية. ومن خلال توفير منهج كامل يتماشى مع المعايير الحكومية، يهدف ماروياما إلى تخفيف العبء عن المعلمين، لا سيما أولئك الذين يعملون في مناطق مدرسية تعاني من نقص التمويل. الهدف هو تمكين المعلمين من دمج التجريب المستقل بسلاسة في فصولهم الدراسية، مما يعزز تجربة التعلم للطلاب.

روبوتيات ميسورة التكلفة للقيام بها بنفسك

تمتد رؤية ماروياما إلى ما هو أبعد من البرمجيات؛ فهي تشمل إمكانية الوصول إلى الأجهزة. بميزانية تقارب 300 دولار، يمكن لمعلم مدرسة تجميع طابعة ثلاثية الأبعاد ذاتية التشغيل مدعومة بنظام ARES باستخدام مكونات متاحة بسهولة. وقد نشر ماروياما وزملاؤه حتى مقالًا مفتوح الوصول يوضح معايرة نظام طابعة ثلاثية الأبعاد منخفضة التكلفة يعتمد على نموذج الترسيح بالانصهار، مما يجعل الجانب المادي في متناول الجميع وميسور التكلفة.

الريادة في تعليم العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات

الدكتور كريستوفر ريفيس، الأستاذ المساعد في الرياضيات التطبيقية في جامعة بوفالو، يقود الجهود لدمج نظام Educational ARES OS في تعليم العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات. وتشمل جهوده إنشاء مختبر تجارب ذاتي القيادة، المقرر افتتاحه في يناير 2024. سيوفر هذا المختبر أحد برامج التعليم الأولى التي تستفيد من برنامج ماروياما ARES OS، مما يربط بين علوم الكمبيوتر، وتعلم الآلة، وتطبيقات علوم المواد في الدورات الجامعية.

دراسة المواد الفائقة وما بعدها

يتخيل ريفيس استخدام الطلاب للمختبر وبرمجيات ARES للانخراط في دراسة المواد الفائقة، وطباعة نماذج دقيقة الحجم للمواد وتحسين هياكلها بناءً على خصائص محددة. يبسط Educational ARES OS المشاريع المعقدة ويقلل من الحواجز أمام الطلاب والمعلمين، مما يجعل تعليم العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات أكثر سهولة.

شراكات المجتمع وتوسيع النطاق

الدكتورة إميلي فيرمان كوري، مستشارة رئيسية في شركة Airship Consulting مقرها دايتون وموظفة سابقة في مختبر أبحاث القوات الجوية (AFRL)، تعمل بنشاط على نقل Educational ARES إلى الفصول الدراسية. بالتعاون مع المؤسسات المحلية مثل جامعة دايتون، تهدف كوري إلى جعل برمجة STEM الخاصة بـ ARES في متناول المدارس. وتشمل جهودها تطوير عبوات فعالة من حيث التكلفة لتزويد المدارس بحلول لكل من الأجهزة والبرمجيات.

مبادرات يقودها الطلاب

في جامعة دايتون، يتولى الطلاب زمام المبادرة في تنفيذ Educational ARES OS. يعمل طلاب البكالوريوس المشاركين في برنامج Stitt Scholar على تطوير المناهج والموارد لمخيمات العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات الصيفية والدورات الدراسية. كما يقومون بإجراء أبحاث السوق لتحديد مكونات الطابعات ثلاثية الأبعاد الفعالة من حيث التكلفة لإنشاء مجموعات ميسورة التكلفة للمعلمين.

كسر الحواجز أمام تعليم العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات

يدرك ماروياما أن المعلمين يواجهون بالفعل أعباء عمل كبيرة وقد لا يكون لديهم الوقت لتصميم مناهج التجارب المستقلة بأنفسهم. يهدف Educational ARES OS إلى توفير ليس فقط المنصة الروبوتية، ولكن أيضًا منهجًا شاملاً يتماشى مع المعايير الحكومية، مما يسهل على المعلمين إدخال التجارب المستقلة في فصولهم الدراسية.

رؤية للعلوم المعززة

مع استمرار تقدم الذكاء الاصطناعي والروبوتات، يرى ماروياما أنها أدوات لتعزيز، وليس لاستبدال، الباحثين البشر. وهو يعتقد أنه من خلال أتمتة الجوانب المملة للبحث، سيتحرر العلماء الشباب للتركيز على الابتكار والاكتشاف، مما سيؤدي في النهاية إلى إحياء الاهتمام بمجالات العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات والاحتفاظ بالمواهب في المجتمع العلمي.

لقد أكسب التزام ماروياما بتطوير البحث المدعوم بالذكاء الاصطناعي وجعل العلوم في متناول الجميع اعترافًا به كزميل في مجتمع أبحاث المواد (MRS). لقد وضعت جهوده الرائدة في مجال الذكاء الاصطناعي والتجارب المستقلة الأساس لمستقبل يتعاون فيه البشر والتكنولوجيا لدفع حدود الاكتشاف العلمي.