Почему STEM и что это такое?

Официально STEM (англ. science, technology, engineering and mathematics — «естественные науки, технология, инженерия и математика») — это обобщающий термин, используемый для объединения академических дисциплин. Также этим термином обозначают подход к обучению, при котором дисциплины изучают не по отдельности, а вместе как единую систему.

А теперь поговорим о том же самом, но на более понятном языке.

Возьмем для примера такую задачу: вам нужно создать свой квадрокоптер.

quadcopter

Для этого вам придется:

разобраться с конструкцией (Mechanical Engineering, Materials Science);
решить вопросы с электрикой и силовой частью (Electrical Engineering);
знать законы физики (Physics) — 3 закона Ньютона, гироскопический эффект, понимать аэродинамику;
владеть математикой и алгоритмами (Mathematics, Computer Science) — алгеброй и матричными вычислениями, теорией управления, знать как фильтровать сигналы;
уметь писать программы (Сomputer Science, Software Engineering) — прошивку для полетного контроллера, программу для наземного пульта управления, программу для приёма видеосигнала (в очках или на экране), сопровождающий софт для калибровки сенсоров, настройки ПИД-коэффициентов, визуализации телеметрии и так далее.

Ещё, чтобы решить эту задачу, вам нужно будет:

учиться мыслить системно (Systems Engineering): понимать, как все компоненты — механика, электроника, программное обеспечение — взаимодействуют друг с другом. Например, изменение в одном компоненте (более тяжелые моторы) может влиять на все остальные (нужен другой аккумулятор, другие ПИД-коэффициенты).
использовать итеративный подход в проектировании (Engineering Design Process): создавать прототип → испытывать его → собирать данные → анализировать их → дорабатывать прототип. При этом без понимания STEM-дисциплин анализ данных будет невозможен: почему дрон вибрирует? — это механический резонанс или шумы в сенсорах? или некорректная работа фильтра?
делать оптимизации (Optimizations), опираясь на знания физики, на алгоритмы и математику: чтобы не просто заставить дрон летать, а летать эффективно: как можно дольше, как можно стабильнее, как можно плавнее и так далее.
уметь решать проблемы (Debugging), когда дрон ведет себя странно (например, резко заваливается в сторону), вам потребуется комплекс знаний для диагностики: это разбалансировка пропеллеров (механика)? сбойный контроллер управления двигателями (электроника)? неправильная калибровка акселерометра (программа)? или плохие ПИД-коэффициенты (математика, управление)?

Таким образом, чтобы создать свой квадрокоптер с нуля — нужны прочные знания практически во всех областях STEM.

Это не просто «собрать конструктор и прошить готовую прошивку». Это требует глубокого погружения в механику, электронику, теорию управления, математику, компьютерное зрение (если оно требуется) и программирование, и успех в таком проекте возможен только благодаря синтезу всех STEM-дисциплин.

Подождите! Я не понял: мы будем здесь собирать квадрокоптер?

Нет, собирать квадрокоптер мы, если и будем, то точно не скоро. Это требует большого массива знаний, а я исхожу из того, что читатель данного сайта только начал изучать математику, физику, информатику и возможно, даже не имеет никакого представления о них.

Пример про квадрокоптер был нужен, чтобы показать, в чем разница между отдельным изучением математики, или отдельным изучением физики / информатики, и STEM-подходом.

Безусловно, не все задачи являются настолько комплексными, чтобы охватывать сразу огромное множество тем в разных дисциплинах. Но в своих примерах дальше, объяснениях тех или иных концепций я буду стараться исходить всегда из комплексного, системного подхода.