وقد تحولت المشهد الهندسي للتعليم الهندسي من خلال ظهور برامج هندسية مفتوحة المصدر، وهي أدوات تتعلم الديموقراطية إمكانية الوصول إلى قدرات المحاكاة والتحليل المتطورة، التي تقتصر عادة على المؤسسات الممولة تمويلاً جيداً والشركات الكبيرة، وفي الماضي، لم يكن بإمكان الجامعات التي لديها ميزانيات عميقة أو شراكات صناعية أن توفر تراخيص للمجموعات التجارية من قبيل البدائل ذات الوظائف، أو الآباك، أو التراكمية.

ما هو برنامج "السيارات المفتوحة" ؟

وتشير برامجيات " CAE " المفتوحة المصدر إلى أدوات المحاكاة الهندسية التي تتاح مجاناً رموز مصدرها للاستخدام والتعديل والتوزيع، وعلى عكس البرامجيات المسجلة الملكية، فإن خيارات الموارد المفتوحة تحكمها تراخيص مثل الترخيص العام للشبكة العالمية للنظم العالمية أو " LGPL " ، التي تضمن للمستعملين حرية إدارة البرامجيات ودراسةها وتقاسمها وتحسينها، وقد عزز هذا النموذج المجتمعات المحلية النشطة للمطورين والباحثين والممارسين الذين يسهمون في تطوير النظم الإيكولوجية.

وكثيراً ما تعتمد برامج الطاقة المفتوحة المصدر على أساليب رقمية راسخة - مثل طريقة العناصر المحددة، وطريقة الحجم المحدود، وطريقة عنصر الحدود التي تنفذ في قواعد مشفرة قوية ومختبرة، وقد ظل العديد من هذه المشاريع قيد التطوير المستمر منذ عقود، بتمويل من الوكالات الحكومية، ومختبرات البحوث، وأجهزة الطاقة المتجددة، وأجهزة الإنتاج النووي في لندن.

ويجلب نموذج المصادر المفتوحة عدة مزايا متأصلة للتعليم، ويمكن للطلاب فحص التركيبات الرياضية الدقيقة والخوارزميات التي تتخلل كل محاكاة، مما يعزز الفهم الأعمق للفيزياء الأساسية، ويمكنهم تعديل معايير المذيبات، والظروف الحدودية، والجيل المشرقي دون قيود على الترخيص، كما يمكن أن يسهموا في تحسينهم في المجتمع المحلي، ويبنيوا حافظة من الأعمال الهندسية الحقيقية قبل التخرج.

أمثلة رئيسية على أدوات الدورة المفتوحة

وتشمل المشهد العام للرابطة مجموعة واسعة من الأدوات التي تغطي مختلف أنواع الفيزياء والمحاكاة، وفيما يلي ثلاثة من أكثر البرامج نضجاً واتباعاً على نطاق واسع، وكل منها مجتمع قوي ووثائق واسعة النطاق.

سالومي - ميكا

ويُعدّ برنامج " سالوم ميكا " منبرا متكاملاً للمحاكاة قبل التجهيز وبعده، مبنياً على منصة سالومي، ومقترناً بالمذيبات الرمزية، ويوفر وصلة بينية للمستعملين في مجال استيراد المواد الكيميائية، وتوليد الميوشات، ووضع الحدود، وترشيد النتائج، ويُستخدم نظام " سالوم ميكا " في الميكانيكيات، والتحاليل الحرارية، والصور الفيزيائية المتعددة.

الرمز - Aster

كما أن المدونة - أستر هي مذيب قوي ومحدد الغرض من العناصر التي وضعتها إدارة التنمية الاقتصادية، وهي تدعم مجموعة واسعة من النماذج المادية، بما في ذلك نماذج التحصينات الخطية وغير الخطية، والديناميات، وميكانيكيات الكسور، والتحليل الحراري، والتفاعل بين الهياكل الأساسية، حيث أن أكثر من 1.5 مليون خط من قواعد فورتان وبيتون، والمدونة - أستر هي أحد أكثر أدوات التحليل الهيكلي المتاحة شمولا.

OpenFOAM

(أ) إن " منتدى مفتوح العضوية " (العملية الميدانية المفتوحة والتلاعب) هو المكتبة الرئيسية المفتوحة المصدر لديناميات السوائل المحوسبة، وتشمل مئات من المذيبات في مجال الطاقة غير القابلة للضغط، والتعددية المراحل، والتفاعل، والتدفقات المضطربة، وكذلك المرافق اللازمة للتشذيب، وتحويل البيانات، وتجهيزها بعد ذلك، وتُكتب في الموقع الشبكي C+++، وتستخدم فيه جامعات متحركة عالية.

Other notable open-source CAE tools include CalculiX for structural machines (upstream counterpart to Abaqus), ]FElt (Finite Element Analysis Tool) with a focus on teaching, [FLT format:4]

الأثر على التعليم الهندسي

وكان لتوفر برامجيات المصدر المفتوح على نطاق واسع أثر عميق على التعليم الهندسي على جميع المستويات، ويمكن تجميع الآثار في عدة مجالات رئيسية: تقلص الحواجز المالية، وتعزيز التعلم العملي، وإدماج المناهج الدراسية، والتعاون، والوصول العالمي، والتحضير للصناعة.

تقلص الحواجز المالية

ويمكن أن تكلف تراخيص البرامجيات الخاصة بالشركات المعنية بالصناعة التحويلية عشرات الآلاف من الدولارات لكل مقعد سنويا، مما يجعل من المحظور على العديد من الجامعات الصغيرة، والكليات المجتمعية، والمدارس التقنية أن توفر للطلاب التدريب على الأدوات التي تعتمد على الصناعة، وتلغي البرامج الحاسوبية المفتوحة هذه التكاليف بالكامل، ويمكن للطلاب أن يوضعوا نفس البرمجيات على حواسيبهم الشخصية دون الحاجة إلى خادم للرخص، مما يتيح لهم العمل في مهام ومشاريع وبحوثائق خارج ساعات المختبر.

وعلاوة على ذلك، فإن العديد من أدوات إدارة المعلومات المالية المفتوحة المصدر تتفق أيضا مع برامج الحاسوب السحابي والائتمانات الأكاديمية المجانية المقدمة من مقدمي الخدمات مثل خدمات غوغل كلود أو شبكة الأمازون، مما يزيد من الحد من الحاجة إلى البنية التحتية الحاسوبية الباهظة التكلفة في المخيمات، ويمكن للبرامج التي لم تكن قادرة على تدريس النظرية إلا والأساليب التحليلية المبسطة أن تدمج الآن محاكاة واقعية في كل فصل دراسي.

تحسين اليدين - التعلم

وتكتسي تجربة المحاكاة اليدوية أهمية حاسمة بالنسبة للطلاب الهندسيين، فهي تساعد على سد الفجوة بين النماذج الرياضية العتيقة والسلوك المادي للعالم الحقيقي، وتتيح أدوات التعليم العام المفتوحة المصدر للطلاب تجربة الظواهر المعقدة مثل التدفق المضطرب على الهواء، وتركيز الإجهاد في جزء ميكانيكي، أو نقل الحرارة في مبادلات حرارية دون خطر إلحاق الضرر بالمعدات المادية أو تجاوز ميزانيات المعدات.

فعلى سبيل المثال، يمكن للطلاب، في دورة ميكانيكية نموذجية من المواد، استخدام المدونة -ستير في حساب توزيع الإجهاد في شعاع تحت مختلف شروط التحميل ومقارنة النتائج بنظرية الشعاع التحليلية، ويمكنهم تعديل الكثافة المتوسطة لمعرفة مدى تأثيرها على الدقة، وفحص سلوك التقارب، وتعلم مبادئ تفكك العناصر المحددة، وهذا النوع من التعلم النشط يشجع التفكير النقدي، والتشويه، والمهارات الهندسية لحل المشاكل.

التوحيد والتطبيق

وقد احتضن المعلمون أدوات من مصادر مفتوحة كطريقة لتصميم محتوى البرامج، ويمكنهم تعديل رمز مصادر البرامجيات لإنشاء وحدات تعليمية متخصصة تركز على مفاهيم محددة أو تبسط بعض سير العمل للمبتدئين، فعلى سبيل المثال، يمكن للبروفيسور أن يكتب كتباً عن بيثون تُعدّل مناجم مُستحضرات آلية لسلسلة من الدراسات شبه المُستدلّة، مما يسمح للطلاب بنفقة وقت أكبر في تفسير النتائج بدلاً من وضع البرامجيات.

وتقدم برامج جامعية عديدة الآن دورات دراسية كاملة مخصصة لأدوات التعليم العام الشامل المفتوحة المصدر، فعلى سبيل المثال، تقدم جامعة ساو باولو دورة دراسية عن الدراسات العليا عن " الميكانيكيين الإلكترونيين للمصادر " باستخدام نظام " أوف إف أوم " ، بينما تقوم شركة ديلفت " بدمج " سالومي - مكاكا " في برنامجها الهندسي الهيكلي، وكثيرا ما تُوج هذه الدورات بمشاريع تصميم مفتوحة حيث يقوم الطلاب بتطبيق التحفيز على حل التحديات الهندسية الحقيقية، مثل بناء جسر.

تعزيز التعاون والابتكار

مشاريع مفتوحة المصدر تابعة للجنة الاستشارية لشؤون التعليم العام تشجع بالضرورة التعاون بين الطلاب والمربين والمهنيين العاملين في مجال الصناعة، ويستضيف العديد من المشاريع قوائم البريد والمنتديات والمؤتمرات السنوية التي يقدم فيها المستعملون عملهم ويتقاسمون أفضل الممارسات، ويمكن للطلاب المشاركة في هذه المجتمعات المحلية، ويطرحون الأسئلة، بل ويسهمون في وضع الرموز أو الوثائق، وهذا التعرض لشبكة عالمية من الخبراء أمر لا غنى عنه لتطوير المهارات المهنية والاستمرار في تطبيق التقنيات الناشئة.

وعلاوة على ذلك، فإن نموذج المصادر المفتوحة يحفز الابتكار لأن التحسينات واضحة ومجدية على الفور، ويمكن للباحثين في جميع أنحاء العالم استخدام أداة إصلاح الحشرات أو مذيبات جديدة يسهم بها طالب في إحدى الجامعات، مما يعجل بخطى التنمية ويقلل من ازدواجية الجهود، وعلى النقيض من ذلك، كثيرا ما تختفي التحسينات التي تُدخل على البرامجيات الملكية إلى حين صدور الإعلان التجاري المقبل الذي قد يكون بعيدا عن السنوات.

كما أقامت عدة مشاريع مفتوحة المصدر تابعة للجنة التعليم العام شراكة مع منظمات تعليمية لتوفير التدريب المنظم ومنح الشهادات، ومن ذلك مثلاً موقع " كودي - آستر " على شبكة الإنترنت (]) الذي يتضمن بوابة تعليمية مخصصة تتضمن دروساً دراسية مشفوعة، بينما تقدم مؤسسة التعليم للجميع دورات تدريبية مهنية تضمها العديد من الجامعات في برامجها، وتساعد هذه الموارد على توحيد منحنى التعلم وكفالة حصول الطلاب على المهارات التي يعترف بها أرباب العمل.

إعداد الطلاب للصناعة

وقد أعرب بعض المعلمين في البداية عن قلقهم من أن تدريس أدوات المصادر المفتوحة سيضر بالطلاب مقارنة بالتلاميذ الذين يتم تدريبهم على البرامج التجارية مثل النظام الوطني للإحصاء أو نظام أباكوس، غير أن التجربة أظهرت أن الكفاءات الأساسية للتحفيز - التنظيف، وتعريف الظروف الحدودية، واختيار المذيبات، وتفسير النتائج، والتثبت - يمكن نقلها عبر مختلف المنابر الميكانيكية، وأن الطلاب الذين يتقنون المصدر المفتوح عادة ما يُفهمون للطرق الأساسية لأن هذه لا تزال مُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتُتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّتَّمُتَتَتَتَتُتْتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتُتَتَتَتُتَتَتَتَتَتْتَتَتَتْتَ

وعلاوة على ذلك، فإن العديد من الشركات الهندسية تستخدم حاليا برامجيات مفتوحة المصدر في سير عملها، وكثيرا ما تعتمد المشاريع الصغيرة الناشئة والاستشارات على نظام " أوف إف أو " كود - أستر " لتجنب تكاليف الترخيص، بل إن شركات كبيرة مثل " ناسا " ، وتيوتا " ، و " بوينغ " تستخدم أدوات مفتوحة المصدر لتطبيقات محددة، وكثيرا ما تكون مقترنة ببرامجيات مختصرة، ونتيجة لذلك، يُنظر إلى الكفاءة في استخدام الموارد المفتوحة.

التحديات والحدود

وعلى الرغم من مزاياها الكثيرة، فإن أدوات الاتصال المفتوحة المصدر لا تواجه تحديات، ومن أهم الحواجز القيود التي يفرضها وجودة الوصل بين المستعملين ونوعية الوثائق والأداء والقابلية للتوسع، والحاجة إلى الخبرة التقنية.

المستعملون - الوجوه الصديقة

وقد قام الباحثون بوضع العديد من أدوات التعليم العام المفتوحة المصدر كباحثين، مع وصلات بينية بينية بينية على خط القيادة أو تدفقات عمل قائمة على الكتابة، وفي حين أن المذيبات الأساسية قوية، فإن تجربة المستعملين يمكن أن تكون مضنية على المبتدئين، فعلى سبيل المثال، تعتمد المنظمة على ملفات النصوص والقيادات النهائية في مجال إعداد القضايا، بدلا من أن تكون قائمة على أساس السحب والضغط.

الوثائق

وكثيرا ما تعاني المشاريع المفتوحة المصدر من تجزؤ أو وثائق قديمة، علما بأن التعليمات الأساسية والأدلة النظرية تكون عادة شاملة، ولكن الأدلة التي تُوجه المشاكل وأفضل الممارسات، والأمثلة على نماذج الفيزياء غير العادية قد تكون متفرقة، وقد يحتاج الطلاب والمعلمون إلى الاعتماد على منتديات المجتمع المحلي التي يمكن أن تكون ضارة أو غير صحيحة من حيث وقت الاستجابة والدقة، وهذا يمكن أن يكون محبطا لدورات تدريبية للموردين.

الأداء والقابلية للتكرار

وفي حين أن العديد من المذيبات المفتوحة المصدر للمؤسسة العامة للصناعة التحويلية تتفائل إلى حد كبير، فإن بعض المذيبات التجارية من حيث الأداء الموازي، وقوية المذيبات، وكفاءة الذاكرة بالنسبة للنماذج الكبيرة للغاية، قد يكون ذلك تقييداً عند تحفيز المشاكل الصناعية المفصلة، غير أن التنمية الجارية (التي تمول في كثير من الأحيان من المنح الحكومية واتحادات الصناعات) تغلق هذه الفجوة بشكل مطرد، وعلى سبيل المثال، فإن النسخ الأخيرة من نظام " افترس "

الحاجة إلى الخبرة التقنية

وكثيراً ما يتطلب استخدام نظام المعلومات المسبقة عن علم بصورة فعالة فهماً متيناً للأساليب الحاسوبية ومهارات البرمجة وإدارة النظم، ويجب أن يكون الطلاب مرتاحين بتجميع رموز المصدر، ووضع متغيرات بيئية، وإبطال أخطاء التشكيل، وفي حين أن هذه فرصة تعلم ممتازة للطلاب المتقدمين، فإن بإمكانهم تجاوز مستوى الدراسات العليا الذين يتعلمون فقط الأسس الهندسية، وينبغي للمؤسسات أن تقدم الدعم الكافي - مثل الصور الافتراضية الملزمة للمختبرات.

الاتجاهات والاتجاهات المستقبلية

ويستمر تطور النظام الإيكولوجي لمؤسسة التعليم العام في مجال الموارد المفتوحة، وذلك بسبب التقدم المحرز في مجال الحساب والنمو المجتمعي وزيادة الاعتراف من جانب دوائر الصناعة وهيئات الاعتماد، ومن المرجح أن تؤدي عدة اتجاهات إلى تشكيل دورها في التعليم الهندسي في السنوات القادمة.

التكامل مع منابر السحاب والصابون

وتيسر منابر مرتكزة على السحاب مثل نظام سيمسكالين، التي ترتكز على نظام " أوف إف أوم " (Pascale) و " Code Aster " ، الوصول إلى مصادر مفتوحة عن طريق جهاز " الويب " ، وتعالج هذه الخدمات التركيب والصيانة والارتقاء تلقائياً، وتخفض الحواجز أمام المعلمين والطلاب الذين يفتقرون إلى القدرة المحلية على الحاسوب، حيث يقدم الكثيرون أدوية الأكاديمية الحرة، ويجمع هذا النموذج بين قوسينات.

تحسين أوجه استخدام المستخدمين والبيئة المنخفضة الدخل

وهناك دفعة قوية داخل مجتمع المصادر المفتوحة لتطوير نماذج حديثة ومستجيبة للاحتياجات، لا سيما مع تكنولوجيات الإنترنت، كما أن مشاريع مثل ParaView] لتحليل البيانات والتصوير البصري قد وضعت معياراً عالياً، وقد أدى ظهور مذكرات جوبيتر مع تدفقات عمل تفاعلية من إعداد التقارير إلى الحد من إمكانية الجمع بين نتائج البرمجة في شكل برمجة ذات مستوى منخفض.

النظم الإيكولوجية النموذجية والقابلة للتشغيل

وتُصمم أدوات إدارة المعلومات والخدمات العامة المفتوحة على نحو متزايد لتكون نموذجية وقابلة للتطبيق المتبادل، كما أن استخدام صيغ الملفات الموحدة (مثل VTK، وHDF5، وFamFile) وأجهزة تحديد محددة جيداً تتيح لمذيبات مختلفة، ومعالجات ما قبل التجهيز، وأجهزة ما بعد البرمجيات، العمل معاً بدون رحمة، مثلاً يمكن للطالب أن يدمج في نظام برمجيات مرنة مرئية،

الموارد التعليمية المفتوحة والتصديق

ونظراً لأن اللجنة المعنية بالتعليم العام أصبحت أكثر انتشاراً، فإن هناك مجموعة متزايدة من الموارد التعليمية المفتوحة التي تصمم خصيصاً للتدريس بهذه الأدوات، كما أن الدورات الدراسية المفتوحة على الإنترنت الواسعة النطاق على منابر مثل Coursera و]edX تتضمن الآن نماذج عن مناهج التعليم الرسمية لمؤسسة التعليم للجميع، ورمزها - Aster.

زيادة الدور في البحث والتصميم

ونظراً إلى أن أدوات إدارة تكنولوجيا المعلومات ذات المصدر المفتوح قد أصبحت ناضجة، فإنها تستخدم في البحث والتطوير التجاري المتزايد، وفي الفضاء الجوي، تستخدم الشبكة في مجال الديناميات الهوائية للطائرات؛ وفي الهندسة المدنية، تستخدم المدونة في التحليل السيزمي للجسور؛ وفي الهندسة الطبية الحيوية، وفي إنتاج أدوات نموذجية من نوع FEA وتدفق الدم، وتنتج هذه البحوث دراسات حالاتية ومقاييس مرجعية يمكن أن تدمجها مباشرة في التدريس.

خاتمة

وقد غيرت برامجيات التعليم العام المفتوحة المصدر بصورة أساسية من الصورة العامة للتعليم الهندسي، فبإلغاء تكاليف الترخيص، وتوفير الشفافية، وتعزيز التعاون العالمي، جعلت هذه الأدوات محاكاة أكثر سهولة للطلاب والمربين في جميع أنحاء العالم، وفي حين أن التحديات لا تزال قائمة في مجال الاستخدام، والوثائق والأداء، فإن الجهود المجتمعية الجارية والتقدم التكنولوجي ستتغلب عليها باطراد، وسيتسم مستقبل التعليم الهندسي بزيادة إدماج أدوات المصادر المفتوحة في المناهج الدراسية، والتركيز على المصادر السحابية، وإتاحة فرص العمل البديلة

والمؤسسات التي تعتمد هذه الأدوات اليوم تعطي طلابها ميزة متميزة: القدرة على التعلم، والتجريب، والابتكار بدون حواجز مصطنعة، وبما أن الحدود بين البرامجيات المفتوحة المصدر والبرامج التجارية لا تزال غير واضحة، فإن خريجي الهندسة الماهرين بشركات المصدر المفتوح سيكونون مستعدين استعدادا جيدا لقيادة الصناعات التي تتطلب بشكل متزايد مرونة وانفتاحا وتعلما مدى الحياة.