Smart Labs Piano Scuola 4.0: Guida alla progettazione dei laboratori

Spazio Chirale Metodi   •   16 febbraio, 2023

In questi giorni, tutti i licei e gli istituti tecnici e professionali italiani sono chiamati alla presentazione dei progetti preliminari per la realizzazione di aule didattiche e laboratori attrezzati come ambienti digitali innovativi per l’apprendimento.

Infatti, il capitolo del PNRR dedicato all’Istruzione, denominato Piano Scuola 4.0, ha una dotazione di oltre un miliardo e mezzo di euro per innovare in senso digitale l’intero sistema scolastico superiore, con particolare riguardo al potenziamento degli Istituti Tecnico-Professionali, chiamati a formare le nuove generazioni di tecnici specializzati richiesti dalle imprese che hanno completato la propria transizione 4.0.

Ma cosa sono questi nuovi ambienti digitali, avanzati e innovativi per l’apprendimento?

Quali sono i nuovi obiettivi formativi, e soprattutto, quali sono le tecnologie che devono essere previste?

Per rispondere a queste, e a molte altre domande correlate, ad esempio quelle relative ai nuovi curriculi, abbiamo deciso di pubblicare una serie di articoli tematici, che costituiscano una guida per i docenti e i dirigenti scolastici incaricati della realizzazione dei progetti relativi alla Scuola 4.0, replicando l’analoga nostra iniziativa attuata con successo in occasione del Bando Atelier Creativi del Miur nel 2016.

A seguito di quell’iniziativa, le linee guida che avevamo tracciato e i progetti pilota seguiti direttamente da Chirale sono stati recepiti come gli standard di riferimento da parte dell’INDIRE, Ente di Ricerca del MIUR.

Da allora, lo scenario è totalmente cambiato, sia a seguito dell’evoluzione delle tecnologie e del mercato, sia a seguito dei nuovi modelli di investimento che a livello europeo caratterizzano il PNRR.

In questi anni abbiamo continuato a maturare nuove esperienze nel settore della formazione e soprattutto abbiamo affiancato molte aziende nei loro percorsi di Transizione Digitale e conosciamo molto bene la nuova domanda di figure professionali qualificate, senza le quali le imprese italiane non raggiungeranno mai i loro obiettivi.

In questo primo nostro articolo daremo una panoramica generale del problema e analizzeremo i diversi, possibili, ambiti di progettazione, in relazione al tipo di istituto scolastico, all’orientamento didattico e agli obiettivi formativi.

Nel Piano Scuola 4.0 sono già specificati in modo dettagliato, sia gli obiettivi generali della linea d’investimento denominata Smart Labs sia delle tecnologie da considerare nell’allestimento dei laboratori.

Sono proprio quest’ultime che in genere determinano la maggiore confusione in coloro che per la prima volta si accingono a progettare ambienti didattici digitali.

Partiamo quindi proprio dalle nuove tecnologie, alcune delle quali sono salite improvvisamente alla ribalta negli ultimi giorni e stanno avendo un impatto inaspettato proprio sulla scuola.

Probabilmente gli stessi estensori del Piano Scuola 4.0, durante la preparazione del documento, non immaginavano che pochi mesi più tardi, ChatGPT, un’Intelligenza Artificiale accessibile gratuitamente a tutti, sarebbe stata in grado di svolgere una prova d’esame come ad esempio un tema d’Italiano o un esercizio di coding.

Mentre in tutto il Mondo si dibatte sul se e sul come mettere al bando questo tipo di tecnologie per evitare che compiti a casa e verifiche in classe siano affidate ad un automa, occorre pensare come sfruttare in modo positivo questi strumenti, che inevitabilmente avranno una diffusione enorme sul mondo del lavoro.

Siamo sicuramente di fronte alla nuova innovazione di tipo rivoluzionario dopo l’invenzione del Personal Computer.

Ma procediamo con ordine.

Il Piano Scuola 4.0 cita diverse categorie di tecnologie e strumenti che da tempo sono oggetto di adozione in campo didattico. Ciascuna categoria può assumere importanza sia come strumento puramente didattico, cioè finalizzato a facilitare, supportare e rafforzare i processi di insegnamento/apprendimento, sia come argomento stesso del processo formativo, in quanto strumento o tecnologia impiegato nel mondo del lavoro.

Quella che segue è una prima panoramica delle tecnologie da considerare nel progetto di un laboratorio innovativo.

  • Robotica e Automazione

    La Robotica è da tempo utilizzata come strumento pedagogico nell’ambito della didattica laboratoriale, con l’obiettivo di stimolare e sviluppare le attitudini alla logica e al coding. Nel nostro caso è utile distinguere tra Robotica Educativa, corrispondente all’accezione precedente, e Robotica Industriale, che è uno degli argomenti su cui è necessario maturare competenze sempre più richieste nel mondo del lavoro.

    La tecnologia che maggiormente caratterizza l’attuale scenario è quello della cosiddetta Robotica Collaborativa. Si tratta di una nuova generazione di macchine, denominate Cobot (Collaborative robot), progettate per lavorare assieme agli operatori umani, dirette ad una platea di imprese molto vasta, comprendente anche micro imprese e imprese artigiane, potenziate da sensori e software d’Intelligenza Artificiale, in grado di svolgere lavori ripetitivi anche complessi.

    Il costo di acquisto e installazione dei cobot è sempre più basso e le modalità di utilizzo non richiedono specializzazioni tecniche particolari e per questo la penetrazione sul mercato sarà molto estesa nel corso dei prossimi anni.

  • Intelligenza Artificiale

    È sicuramente la tecnologia destinata ad avere il maggior impatto su tutti i settori.

    Le competenze che devono essere maturate in relazione all’Intelligenza Artificiale riguardano tanto il coding e la capacità di comprendere e realizzare algoritmi di machine learning, quanto la capacità di utilizzare proficuamente i nuovi strumenti che iniziano ad essere sempre più pervasivi nel mondo del lavoro.

    Si tratta di una tecnologia trasversale impiegabile in ambiti molto diversi tra loro. Se in passato la tecnologia e l’automazione hanno causato la scomparsa dei posti di lavoro connessi ad attività manuali e ripetitive, i nuovi strumenti basati sulle tecnologie di machine learning stanno mettendo a rischio anche professioni intellettuali e creative che fino a pochissimo tempo fa si ritenevano al sicuro rispetto all’automazione.

    La diagnosi per immagini affidata alla computer vision comincia ad essere più efficace del processo diagnostico affidato esclusivamente ad esseri umani. Le nuove intelligenze artificiali generative sono in grado di realizzare immagini con qualità fotografica, disegni, testi e interi articoli di giornale, con qualità comparabile a quella di grafici, designer e copywriter di medio livello.

    Occorre ripensare il concetto di creatività e favorire lo sviluppo di competenze che definiscano nuove figure professionali che sappiano sfruttare queste tecnologie secondo il paradigma dell’Intelligenza Aumentata.

    Il processo di ricerca delle informazioni e delle fonti, tipico di molte attività intellettuali, può essere ridefinito e potenziato da questi nuovi strumenti.

    L’Intelligenza Artificiale offre opportunità enormi in ambito pedagogico ma richiede un cambio di mentalità importante da parte di docenti, studenti e genitori.

  • Cloud Computing

    Si tratta di un ambito tecnologico già ampiamente utilizzato nella scuola. L’infrastruttura dei nuovi laboratori dovrà tenere in considerazione questo paradigma di accesso alle applicazioni e agli strumenti informatici in misura ancora maggiore rispetto a quello che è avvenuto finora.

    Oltre all’utilizzo classico dei numerosi strumenti di condivisione e di collaborazione, attraverso il Cloud Computing è possibile accedere a tecnologie di ultima generazione, come ad esempio il Quantum Computing o il Calcolo ad Alte Prestazioni per il Machine Learning (accesso sistemi TPU – Tensor Process Unit).

  • Cybersicurezza

    Si tratta di un tema molto attuale e sempre più importante.

    La sicurezza dei sistemi è un elemento che deve essere obbligatoriamente considerato nel progetto dell’infrastruttura di laboratorio, ma deve anche essere uno dei temi su cui concentrare lo sforzo pedagogico.

    La pervasività dei computer e delle tecnologie di telecomunicazioni richiede che ciascuno, a prescindere dal ruolo sociale che ricopre, sia consapevole e competente sui temi della cybersicurezza.

    I formatori si trovano di fronte ad una disciplina delicata e critica. Se da un lato l’attuazione di politiche di prevenzione e mitigazione dei rischi richiede il possesso di opportune conoscenze, la diffusione di queste stesse conoscenze ne aumenta la probabilità di un uso malevolo.

    È un problema caratteristico del nostro mondo moderno e per il quale esistono delle best practices consolidate che devono essere applicate anche nell’ambito scolastico.

  • Internet delle Cose

    La pervasività dei microcontrollori e la diffusione capillare della connettività ad Internet ha favorito lo sviluppo di questo paradigma, e il nostro quotidiano è popolato da oggetti che raccolgono e scambiano informazioni, anche in modo non sempre trasparente e controllato.

    L’Internet delle Cose assume importanza nella Transizione Digitale delle imprese, nella sua accezione di Industrial Internet of Things (IIoT).

    La distribuzione nell’ambiente (locale, industriale, urbano, geografico, …) di dispositivi in grado di raccogliere informazioni e parametri attraverso sensori ed eventualmente svolgere azioni di controllo su macchine e impianti è una configurazione sempre più utilizzata in molti contesti, dal monitoraggio ambientale al controllo di impianti industriali.

    Tradizionalmente associato al Cloud Computing, l’IoT è evoluto verso configurazioni di Edge Computing e Tiny Machine Learning. In entrambi i casi l’elaborazione dei dati avviene sui dispositivi periferici, alleggerendo il volume di dati trasmesso ai sistemi centrali.

    Sistemi distribuiti su scala geografica possono sfruttare protocolli di comunicazione di nuova generazione, come LoRaWan, più sostenibili ed economici rispetto alla tradizionale connettività su rete telefonica mobile.

    Le competenze sulle comunicazioni dati e sui sistemi IoT sono oramai fondamentali, in un mondo sempre più interconnesso.

  • Making, Modellazione e Stampa 3D/4D

    Le tecnologie di stampa 3D sono entrate nella scuola a partire dal 2014 a seguito dell’onda di popolarità mediatica del movimento maker.

    Il valore pedagogico della stampa 3D è stato ampiamente dimostrato ed’è stato il principale fattore trainante che ha riportato in auge la didattica laboratoriale basata sul paradigma del Learn By Doing.

    A livello generale, la diffusione della stampa 3D ha influenzato il linguaggio del design industriale.

    Oggi, siamo di fronte ad una tecnologia in piena fase di maturità. Sono stati compiuti progressi importanti nelle tecnologie di stampa e nello sviluppo di nuovi materiali.

    Nella progettazione di un laboratorio destinato alla formazione occorre porre particolare attenzione a questa tecnologia evitando prodotti e soluzioni che oramai risultano datate e legate al modello maker.

    La Stampa 3D deve essere vista come una delle tecnologie di produzione su bassa scala e prototipazione rapida da affiancare agli altri strumenti di fabbricazione digitale, come il taglio laser, la fresatura CNC e la stampa UV, che oggi rivestono pari importanza sia in ambito didattico che industriale.

  • Realtà aumentata e virtuale

    Lo sviluppo dell’hardware GPU (Graphics Processing Unit), stimolato dall’esigenza di prestazioni sempre più elevate nei settori del rendering grafico real time, machine learning e mining di criptovalute, ha consentito lo sviluppo di visori in realtà virtuale e realtà aumentata, ergonomici funzionali e confortevoli per la maggior parte delle persone.

    Le attuali piattaforme di rendering grafico real time consentono la realizzazione a costi contenuti di applicazioni immersive.

    Didattica e intrattenimento sono i due settori maggiormente influenzati.

    Negli ultimi anni, la realtà aumentata ha iniziato a prevalere sulla realtà virtuale e la maggior parte delle migliori applicazioni, sia in ambito didattico che industriale, possono essere oramai definite a realtà mista.

    Si tratta di una tecnologia trasversale, irrinunciabile, per qualsiasi ambiente interattivo dedicato all’apprendimento, sia per l’intrinseca efficacia in campo pedagogico che per la crescente importanza che questa tecnologia sta assumendo nell’industria.

  • Economia digitale e blockchain

    La tecnologia blockchain ha avuto il suo momento di massima attenzione mediatica negli ultimi anni. Nel 2023 sembra prevalere la disillusione soprattutto verso il settore delle criptovalute, fortemente legato a questa tecnologia.

    In realtà si tratta di un corretto ridimensionamento delle aspettative. È comunque indubbio che la tecnologia Blockchain sarà un ingrediente importante soprattutto nell’ambito della cosiddetta economia digitale.

    Il Metaverso, altro tema che ha vissuto un ingiustificato periodo di iper attenzione mediatica, sta iniziando a delinearsi come naturale estensione del Web. L’incremento delle transazioni che avvengono attraverso la rete Internet continua ad essere un trend costante.

    Stimolare lo sviluppo di competenze nell’ambito del più ampio concetto di economia digitale dovrebbe essere uno degli obiettivi formativi da tenere in adeguata considerazione.

Come si vede da questa semplice elencazione di ambiti tecnologici, lo scenario relativo alla progettazione di ambienti destinati all’apprendimento è molto più complesso e articolato rispetto al modello utilizzato nel disegno e implementazione di laboratori in stile fab lab, che era considerato dal 2015 in poi il “golden standard” per i laboratori didattici.

Rispetto ad allora, il mondo dell’impresa è radicalmente cambiato, il fenomeno della delocalizzazione della produzione è terminato ed è iniziata la fase del cosiddetto reshoring, cioè la rilocalizzazione in territorio nazionale della produzione, le supply chains, che nel periodo pandemico hanno mostrato tutta la loro debolezza, sono state ridefinite, la Transizione Digitale è in pieno svolgimento e l’automazione per la prima volta interessa anche le micro imprese e le attività artigianali.

Le competenze richieste per inserirsi nel mondo del lavoro sono sempre più connesse al digitale. Tutto ciò ha un impatto importante sul progetto dei nuovi ambienti scolastici dedicati all’apprendimento.

I nuovi laboratori dovranno essere supportati da una maggiore presenza delle tecnologie ICT.

Tutte le tecnologie di riferimento richiedono capacità di elaborazione dati importanti. Le dotazioni in termini di computer, sia personal che server, l’infrastruttura di comunicazione interna (LAN) e l’accesso alla rete Internet in banda ultralarga sono primi punti su cui concentrare l’attenzione.

Nel 2016, è stato possibile attrezzare laboratori innovativi, sfruttando le macchine desktop di fabbricazione digitali e il modello Fab Lab, con un impiego molto limitato di personal computer e con accessi di tipo ADSL alla rete Internet, richiesti spesso solo nelle fasi di configurazione e aggiornamento delle attrezzature.

Oggi, qualunque sia la vocazione del laboratorio che siamo chiamati a progettare, l’infrastruttura ICT caratterizzata da alte capacità di elaborazione e accesso ultraveloce alla rete Internet è una condizione necessaria per poterne garantire la reale efficacia.

Una volta garantita la presenza di una adeguata infrastruttura, si può passare alla fase di progettazione vera e propria.

In questa sede, forniremo un quadro generale della metodologia di progettazione, indicando quali sono le fasi e le macro attività da seguire.

Ciascuno dei punti, sarà analizzato e trattato nel corso dei successivi articoli che abbiamo in programma di pubblicare nel corso delle prossime settimane.

  • Identificazione degli obiettivi formativi generali

    Il Piano Scuola 4.0 riguarda tanto i licei quanto gli Istituti Tecnico-Professionali. Le finalità delle due categorie di istituiti sono differenti e tali differenze dovranno caratterizzare il progetto del laboratorio.

    Non a caso, le dotazioni economiche previste per gli Istituti Tecnico-Professionali sono maggiori rispetto a quelle previste per i Licei.

    La riforma del sistema degli Istituti Tecnico-Professionali è uno dei cardini centrali del PNRR. Si tratta di scuole destinate a formare la nuova generazione di tecnici che entreranno subito nel mondo del lavoro, rispondendo alla forte domanda di skill specialistiche verticali, creata dal processo generalizzato di digitalizzazione delle imprese.

    Lo Smart Lab, in questo caso, dovrà essere simile ad un laboratorio di ricerca applicata e industriale e prevedere strumenti e dotazioni di tipo industriale.

    Nel caso dei Licei, l’obiettivo è quello di formare studenti che entreranno nel mondo universitario e saranno destinati a professioni che potranno comprendere la ricerca scientifica e il lavoro intellettuale.

    In questo caso, il laboratorio dovrà prevedere dotazioni e strumenti più orientati alla ricerca scientifica e allo studio.

    In molti casi le tecnologie impiegate saranno le stesse, ma la scelta delle configurazioni dovrà riflettere la differenza dei diversi curricoli che caratterizzano le rispettive offerte formative.

    In alcuni casi vi potrà essere una presenza di tecnologie diverse. Ad esempio, l’accesso ai nuovi computer quantistici, ancora non sufficientemente potenti per essere di interesse pratico per le imprese, offre per la prima volta nella storia la possibilità di condurre esperimenti di meccanica quantistica senza dover disporre di un acceleratore di particelle o importanti attrezzature da laboratorio. Si tratta di un’importante opportunità per gli studenti dei liceo che dovrebbe essere considerata nella progettazione dei servizi offerti dai nuovi laboratori.

  • Analisi del territorio di riferimento e della vocazione specifica dell’Istituto di Formazione

    Ogni Istituto Scolastico ha il proprio ambito territoriale di riferimento. Soprattutto nel caso delle scuole Tecnico-Professionali, il tessuto imprenditoriale locale dovrebbe essere il principale riferimento per la progettazione dei curricoli e di conseguenza degli ambienti innovativi di apprendimento.

    Occorre anche considerare che il laboratorio può essere sede di eventi e iniziative realizzati in collaborazione con le imprese del territorio.

    La presenza di distretti industriali e della vocazione storica specifica di ogni Istituto dovrebbe essere il punto di partenza su cui basare la progettazione del laboratorio.

  • Identificazione degli obiettivi formativi, dei curricoli di riferimento e delle competenze del corpo docente

    In quanto ambiente destinato all’apprendimento, il laboratorio deve essere uno strumento pedagogico finalizzato al tipo di obiettivo formativo che si intende perseguire e deve essere utilizzabile dal corpo docente.

    Il progetto del laboratorio deve essere parte di un più ampio progetto di riformulazione dell’offerta formativa.

    Le competenze del corpo docente e le relative capacità di utilizzare le tecnologie e gli strumenti con cui il laboratorio sarà allestito dovranno essere tenute in debita considerazione, prevedendo all’occorrenza un piano di formazione per gli stessi docenti, da attuarsi avvalendosi del laboratorio stesso, con il supporto di esperti esterni.

  • Selezione delle tecnologie e delle dotazioni

    La scelta di tecnologie, macchine, attrezzature e strumenti dovrebbe sempre essere correlata agli obiettivi e al piano generale di definizione dell’offerta formativa, individuati nella fase precedente.

    Uno degli errori più frequenti nella progettazione dei laboratori scolastici è la scelta di macchine, strumenti o attrezzature di laboratorio, di per sé avanzati e innovativi, ma scorrelati dall’effettiva offerta formativa, che vengono richiesti da docenti, entusiasti delle nuove tecnologie, con un profilo da early adopters, che vedono in occasioni come quella offerta dagli investimenti del Piano Scuola 4.0, l’opportunità di sperimentare personalmente innovazioni che hanno grande attenzione mediatica, senza valutarne la reale utilità nel contesto specifico.

    Si tratta di un errore costoso, che distrae risorse importanti che dovrebbero essere allocate in modi più utili al perseguimento degli obiettivi didattici.

  • Dimensionamento degli strumenti e disegno del layout del laboratorio

    Si tratta della fase finale del progetto del laboratorio.

    Una volta ben chiari curricoli, obiettivi didattici, contesto esterno e interno di riferimento, sulla base dei vincoli ambientali, logistici e di budget, si può passare al dimensionamento dei diversi strumenti, selezionando prodotti, macchine e attrezzature nell’ambito dell’offerta di mercato, scegliendo i modelli e le configurazioni in base ai requisiti individuati.

    In questa fase viene disegnato il layout degli spazi e prodotti i disegni tecnici e gli eventuali rendering che serviranno per guidare la successiva fase di adeguamento degli ambienti e allestimento del laboratorio.

    L’utilizzo di tecnologie immersive AR e VR in questa fase può essere molto efficace per previsualizzare e simulare il laboratorio.

    Qualora in questa fase si disponga di strumenti adeguati, la creazione di un modello virtuale 3D del laboratorio può essere già una attività da effettuare assieme agli studenti, sperimentando un paradigma che diventa sempre più diffuso in ambito industriale: la definizione del gemello digitale di una struttura o di un impianto.

  • Definizione dei capitolati di fornitura e gestione degli appalti

    Il budget allocato per ogni Istituto dal Piano Scuola 4.0 consente procedure per gli acquisti che non richiedono gare europee. Tuttavia, il processo dovrà essere gestito nel pieno rispetto del Codice degli Appalti Pubblici.

    Questa fase è particolarmente critica poiché occorre conciliare le esigenze di qualità della stazione appaltante con i criteri di economicità previsti dal codice degli appalti.

    La nostra raccomandazione è quella di utilizzare procedure ristrette, progettando attentamente la suddivisione dell’appalto in lotti che consentano di individuare facilmente una rosa di fornitori affidabili e specializzati nei rispettivi ambiti.

    Il supporto di una società di consulenza indipendente, come la nostra, in questa fase può essere fondamentale. L’assenza di accordi di distribuzione e rivendita e la vocazione sulle sole attività di ricerca, formazione, progettazione e consulenza, garantisce l’indipendenza sia rispetto ai diversi vendor tecnologici che rispetto ai numerosi distributori e rivenditori operanti in Italia.

  • Allestimento, collaudo e avviamento

    Si tratta della fase finale, ed esecutiva del progetto, durante la quale le forniture dovranno essere attentamente verificate e validate, il laboratorio sarà allestito e saranno avviati i primi progetti pilota, eventualmente preceduti da programmi di formazione rivolti al corpo docente.

    Anche in questa fase il supporto di una azienda di consulenza indipendente dai fornitori può essere un elemento determinante per gestire eventuali contenziosi ed assicurare un avviamento fluido del laboratorio.

Nei prossimi articoli, approfondiremo i punti appena delineati.

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