Educational Imperatives of the NAE Grand Challenges for the 21 st C: 

An Interactive Discussion Discussion leaders: 

Tom Katsouleas, Dean, Duke Pratt School of Engineering 

Richard Miller, President, Olin College Yannis Yortsos, Dean, 

USC Viterbi School of Engineering 

Engineering Deans Institute St. Petersburg, FL April13,2010

2 

Looking Back to the 20 th Century:

NAE Grand Challenges for the 21 st Century Sustainability, Health, Security, Joy of Living

Subtext of the Challenges from Chuck Vest, President, NAE 

• The public and policy makers need to understand what engineers do and can do. 

•  The payoff will come from bridging the frontiers Our [engineering] students must be prepared to do this. 

• And don’t forget why young women and men chose NOT to study engineering … 

They’d “rather go into a field where they can help people and make the world better”!

Further Subtext of the Challenges EDI, St. Petersburg •  Solving the Challenges will require technical advances as well as business, policy, human behavior, global perspective, commitment and leadership in bridging these disciplines •  What does this mean for the way we educate engineers? UG to 

Phd? 

•  What does this mean for the way we educate the greater populace? 

•  K12? 

•  Other majors?

Should the NAE Grand Challenges be used to elicit significant broadening of our curricula, to produce engineers with the multiple skills and toolset required to successfully address them in their totality? If so, what are the most important extra dimensions of a Grand Challenge Scholar (someone prepared to address such challenges over the course of their career)? 

•  Interactive Discussion: At the undergraduate level, the traditional engineering curricula focus primarily on the technical, largely bypassing the other dimensions.

54% 

46% 

Should the NAE Grand Challenges be used to elicit significant broadening of our curricula, to produce engineers with the multiple skills and toolset required to successfully address them in their totality? 

Question 1 Y. Yortsos 

•  At the undergraduate level, the traditional engineering curricula focus primarily on the technical, largely bypassing the other dimensions. 

1.  Yes 

2.  No

What are the most important extra dimensions of a Grand Challenge Scholar (someone prepared to address such challenges over the course of their career)? 

(Please pick 3) 

1  2  3  4  5  6 

11% 

18% 19% 

25% 

13% 

15% 

Question 2 Y. Yortsos 

1.  Social consciousness development 

2.  Entrepreneurship 

3.  Project or research experience on a Grand Challenge‐type problem 

4.  International learning experience 

5.  Interdisciplinary curriculum (incl. policy, behavior, business, etc.) 

6.  Generic soft skills – leadership, lifelong learning, communication, …

National Academy of Engineering Grand Challenge Scholars National Academy of Engineering Grand Challenge Scholars 

Workshop on Establishing Grand Challenge Scholars Programs at U.S. Engineering Schools 

April 22, 2010 Olin College 

Needham, MA 

NSF Sponsorship More than 35 universities are registered 

Keynote:  Deirdre Meldrum, ASU 

Dean’s Dinner Wed April 21 Keynote:  Subra Suresh, MIT 

http://grandchallengescholars.org

Disciplinary Education and Innovation 

Engineering and Science 

Business and Entrepreneurship 

Design and Human Behavior 

K‐12 Education

Disciplinary Education and Innovation 

Engineering and Science 

Business and Entrepreneurship 

Design and Human Behavior 

FEASIBILITY  VIABILITY 

DESIRABILITY

Disciplinary Education and Innovation 

FEASIBILITY  VIABILITY 

DESIRABILITY

Grand Challenges and Innovation 

FEASIBILITY VIABILITY 

DESIRABILITY 

Grand Challenge Solutions  (INNOVATION)

For the extra dimensions you selected previously, which of the following do you believe they are best acquired through? 

Question 3 T. Katsouleas •  Studies have supported the importance of out‐of‐classroom learning. 

1  2 

62% 

38% 

1.  Curricular reform (e.g., courses/projects on the Grand Challenges) 

2.  Co‐ and Extra‐Curricular programs (e.g., EWB,EWH, internships, etc.)

What level of incentives would you be willing to provide students at your school for extra‐curricular Grand Challenge experiences? (pick as many as apply) 

1  2  3  4  5  6 

7% 

29% 

2% 

25% 

14% 

24% 

Question 4 T. Katsouleas 

1.None 

2.Transcript citation 

3.Certificate 

4.Funding 

5.Unit credit 

6.A new car

Bringing the Engineering Grand Challenges to K12 is important  because: 

Question 5 R. Miller 

1  2  3 

65% 

4% 

31% 

1.  Addressing them as a society will require an educated and motivated populace 

2.  They will attract students to STEM 

3.  Not important/too hard

I would be interested in (enhancing) partnerships with my local schools and teachers to translate Engineering Grand Challenges to K12 

Question 6 R. Miller 

www.grandchallengek12.org  Yes  No 

27% 

73% 

1.  Yes, this is a relatively important opportunity 

2.  No, other opportunities are higher priority

Grand Challenge K12 Partners Program Goals: Goals: Leverage Grand Challenges to Leverage Grand Challenges to • • attract students to STEM attract students to STEM • • educate/motivate populace educate/motivate populace 

How it works: How it works: Enlist colleges of engineering as Enlist colleges of engineering as resources for K resources for K‐ ‐12 students, 12 students, teachers and administrators in teachers and administrators in their region. their region. 

Develop age Develop age‐ ‐appropriate appropriate engineering materials and engineering materials and curriculum, host regional curriculum, host regional conferences, and provide support conferences, and provide support and professional development and professional development for teachers. for teachers. 

www.grandchallengek12.org www.grandchallengek12.org 

National Program National Program Launched at Raleigh Summit Launched at Raleigh Summit Duke and NC State Duke and NC State

Should these impact our strategic planning, faculty hiring and PhD investment? 

Discussion Y. Yortsos 

•  At the PhD level, the Grand Challenges provide a sort of a technical roadmap, likely to affect federal funding opportunities and a structure for interdisciplinary scholarship along societal issues rather than the borders between two technical disciplines.

30% 

70% 

Will these impact your strategic planning, faculty hiring and PhD investment? 

Question 7 Y. Yortsos 

•  At the PhD level, the Grand Challenges provide a sort of a technical roadmap, likely to affect federal funding opportunities and a structure for interdisciplinary scholarship along societal issues rather than the borders between two technical disciplines. 

1.  Yes, we will give priority to some of these areas 

2.  No, other challenges are just as important

7% 10% 30% 53% 

Would you be willing to offer enhancements to your PhD program to give students the ability to Start‐up a company based on their PhD discoveries/invention? 

Question 8 •  Students are more motivated than ever by a desire to 

impact society through innovation.  Yet traditional PhD education has emphasized research, knowledge and independence from the market for that knowledge 

1.  Yes, and I would provide/secure resources 

2.  Yes, but students would likely have to pay for that 

3.  No, this would take away from the strength of our PhD programs 4.  I would, but my faculty would rather die first

NAE Grand Challenge Summit in Raleigh ‐ March 3‐5, 2010 

NAE Grand Challenge Summit in Raleigh ‐ March 3‐5, 2010 

Summit Series on the National Academy of Engineering Grand Challenges Summit Series on the National Academy of Engineering Grand Challenges

Summit Series on the National Academy of Engineering Grand Challenges Summit Series on the National Academy of Engineering Grand Challenges 

Join us October 6‐8, 2010 at the University of Southern California for the Second National Academy of Engineering Grand Challenges Summit 

Technology‐Innovation‐Business‐Policy‐Communication‐Education www.grandchallengesummit.org

extras

1  2  3 0%  0% 0% 

Should the NAE Grand Challenges be used to elicit significant broadening of our curricula, to produce engineers with the multiple skills and toolset required to successfully address them in their totality? 

Extra Credit‐‐Question 1 revisited Y. Yortsos •  At the undergraduate level, the traditional engineering curricula focus primarily on the technical, largely bypassing the other dimensions. 

1.  Yes – But must have ABET’s endorsement 2.  Yes – Don’t Care about ABET 

3.  No

1  2  3  4  5 

0%  0%  0% 0% 0% 

•  The NAE Grand Challenges went from a response of complete apathy (February 2008 through March 2009) to that of enthusiasm. Is this enthusiasm warranted? 

Extra Credit 

1.  Yes‐ because they address key societal problems, whose solution will benefit the economic well‐being of this country 

2.  Yes‐ as a general road map for engineering research priorities 

3.  Yes‐ because it will inspire engineering undergraduates and K‐12 students 

4.  Yes‐ because they place engineering at the forefront of important issues 

5.  No‐ it is an overreaction

Engineering Curriculum Content 

STEM subjects 

ABET accreditation requirements For BS degrees in Engineering 

Applied Science and Applied Math topics 

Design topics 

Typical STEM subject distribution across 4 years

Disciplinary Education and Innovation 

K‐12 Education

We Need Outcomes, Not Technologies Alone 

• Unintended consequences of 20 th Century now comprise some of the Grand Challenges of the 21 st Century 

• The NAE GCs involve an additional (to technology) socio‐economic impact 

• Conversations across disciplines, across time zones, and across political boundaries are necessary 

• Leadership is key, and engineers are in a unique position to provide this • Physical science background • Systems thinking • Design and project management • Ideal to lead the increasing convergence (between digital and everything else)

Convergence  (or Engineering +) 

• The digital world and Information Technology make Engineering the Enabler of Sciences (and the Arts) 

• Rapidly emerging (if not already here) convergence of digital world With:  physical, chemical, biological and social sciences worlds 

• Not only importing technology to the other sciences but also: • Enhancing and quantifying these sciences (including social sciences) 

• The NAE Grand Challenges reflect this convergence

Res (Bohr’s quadrant) 

Dev (Pascal’s quadrant) 

Dem (Edison’s quadrant) 

Innovation in the Market Place 

Traditional Research is Disciplinary and Stays within the Triangle 

But Today’s Challenges Demand Path to Innovation 

Engineering and Technology (e.g. IT, but not only) can be Enabling (Engineering+): The Essence of the National Academy of Engineering Grand Challenges 

Rigo

r 

Relevance 

Research Classification

www.grandchallengesummit.org 

www.grandchallengescholars.org