Rozwiązywanie problemów STEM wymaga głębokiego zaangażowania w zjawiska. Interdyscyplinarne odkrycia STEM często przechodzą przez płynny i chaotyczny proces, w którym naukowcy i inżynierowie przełączają się między badaniami naukowymi, generowaniem problemów i projektowaniem inżynierskim, aby wygenerować wiele rozwiązań, które są udostępniane innym i przez nich oceniane

Nasz świat coraz częściej stawia przed nami skomplikowane, interdyscyplinarne problemy z podstawami nauk ścisłych, technologii, inżynierii i matematyki (STEM). Niezależnie od tego, czy opracowujemy modyfikację szczepionki mającej na celu zwalczanie wariantu wirusa, czujnik monitorujący emisję metanu w pojemnikach na śmieci na obszarach miejskich, czy system filtracji wody zwiększający dostępność wody pitnej, potrzebujemy zespołów osób rozwiązujących problemy, które mogą wspólnie opracowywać rozwiązania.

Ostatnio kilka organizacji wyraziło zapotrzebowanie na materiały instruktażowe dla szkół wyższych, aby zapewnić możliwości interdyscyplinarnego rozwiązywania problemów w nauce i inżynierii (np. Organizacja Narodów Zjednoczonych, 2023). Na przykład dokument zawierający wizję amerykańskich standardów nauki nowej generacji (NRC, 2012) stwierdza, że ​​„granica między naukami stosowanymi a inżynierią jest niewyraźna. Nie da się dziś zajmować się inżynierią bez zastosowania nauki w tym procesie… to wzajemne oddziaływanie nauki i inżynierii sprawia, że ​​właściwe jest umieszczenie inżynierii i technologii jako części ram nauki na poziomie K-12.

W ten sposób uczniowie mogą lepiej zobaczyć, jak nauka i inżynieria odnoszą się do problemów świata rzeczywistego, a także zbadać możliwości zastosowania swojej wiedzy naukowej do problemów związanych z projektowaniem inżynierskim po stworzeniu takiego powiązania (podkreślenie dodane przez tego autora; NRC, 2012; s. 32). Podsumowując, musimy zapewnić naszej młodzieży w wieku 10–18 lat możliwości pogłębienia nauki w zakresie interdyscyplinarnego STEM poprzez iteracyjne cykle badań naukowych i projektowania inżynierskiego, których efektem jest tworzenie rozwiązań.

W Stanach Zjednoczonych standardy naukowe nowej generacji zmieniły nasze oczekiwania co do sposobu nauczania przedmiotów ścisłych i inżynieryjnych. Najbardziej zauważalną zmianą było przejście od uczniów uczących się nauk ścisłych i inżynierii jako odrębnych idei w kierunku uczenia się treści naukowych (podstawowe idee dyscyplinarne i koncepcje przekrojowe) poprzez praktyki naukowo-techniczne (NRC, 2012). Programy instruktażowe, które poszerzają naukę tematów STEM poprzez rozwiązania, podważają status quo nauczania przedmiotów ścisłych i ścisłych. Ostatnie badania naukowe dostarczają dowodów na to, że podejścia pedagogiczne angażujące uczniów w badania naukowe lub projektowanie inżynieryjne prowadzą do głębszego koncepcyjnego zrozumienia zjawisk naukowych. W szczególności materiały instruktażowe, które pomagają uczniom w zadawaniu pytań i odpowiadaniu na nie, uczestniczeniu w dyskusji, krytyce wielu wyjaśnień i rozpoznawaniu wielu rozwiązań, prowadzą do głębszego koncepcyjnego zrozumienia zjawisk naukowych w porównaniu z tradycyjnymi metodami nauczania (np. NASEM, 2019). Badania pokazują również, że do najważniejszych czynników wpływających na ciągłą wytrwałość i sukcesy uczniów w STEM należy promowanie poczucia przynależności i tożsamości naukowej (np. Calabrese Barton i in., 2021). Pomimo tych wyników badań i dokumentów dotyczących wizji, modele nauczania i programy nauczania, które zapewniają głębokie zaangażowanie w zjawiska poprzez badania naukowe i projektowanie inżynieryjne, praktycznie nie istnieją w klasach przeduniwersyteckich.

W tym e-booku opisano model nauczania Iterative Science and Engineering (ISE), który pomaga młodzieży pogłębiać naukę treści naukowych poprzez praktyki zarówno naukowe, jak i inżynieryjne. Ponadto w tym e-booku znajdują się przykłady zajęć i prac uczniów, które ilustrują nasze podejście do uczenia się interdyscyplinarnych treści naukowych poprzez badania i projektowanie inżynieryjne.

Na czym polega iteracyjny model nauczania przedmiotów ścisłych i inżynieryjnych?

W ciągu kilku lat opracowaliśmy model nauczania ISE, który w unikalny sposób splata badania naukowe oparte na zjawiskach z projektowaniem inżynieryjnym. ISE opiera się na dobrze ugruntowanym modelu instruktażowym zwanym BSCS 5E (np. Bybee, 2009). Model nauczania 5Es opiera się na cyklach uczenia się opartych na badaniach Atkina i Karplusa (1962) i jest obecnie powiązany z ponad 400 000 scenariuszy lekcji. ISE rozszerza 5E, aby systematycznie zapewniać badania naukowe i iteracje projektów inżynieryjnych, z których każda stanowi informację dla następnej, odzwierciedlając w ten sposób sposób, w jaki profesjonaliści płynnie wykorzystują wiedzę naukową i inżynieryjną.

Jak pokazano w tabeli 1, działania w zakresie nauk i inżynierii iteracyjnej opierają się na zjawisku interdyscyplinarnym wprowadzonym w fazie zaangażowania. Następnie następują dwa lub trzy iteracyjne cykle Eksploracji (np. zbierania danych w celu wykorzystania ich jako dowodu do zrozumienia problemu), Wyjaśniania (np. analizy danych i konstruowania argumentów) oraz Inżyniera (zdefiniowanie problemu, zaprojektowanie i zbudowanie rozwiązanie).

Iteracja pomiędzy aspektami badań naukowych (badanie, wyjaśnianie) a projektowaniem inżynierskim (inżynier, w tym projektowanie i testowanie) jest niezbędna do kierowania, budowania i testowania wykonalności rozwiązania lub prototypu. W ostatniej fazie (Edukacja) uczniowie syntezują swój proces i prezentują swoje rozwiązania współpracownikom lub innym zainteresowanym stronom. Końcowe produkty dla uczniów obejmują przetestowane rozwiązania i wyniki uczniów szkół średnich, w tym ⁽¹⁾ ostateczny projekt pułapki i plan odłowu miejscowego inwazyjnego owada świetlika plamistego, ⁽²⁾ dane dotyczące skuteczności oraz ⁽³⁾ filmy edukacyjne udostępniane rówieśnikom, naukowcom, lokalnym ekologom i innym osobom.

Przykłady zajęć i prac uczniów

Przedstawiamy przykłady działań i prac uczniów powstałych w wyniku trzech rund realizacji z młodzieżą w wieku 11–14 lat. Jednostka programowa zatytułowana Życie tutaj i wszędzie – inwazyjne owady składa się z pięciu tygodni zajęć instruktażowych w terenie, profesjonalnego uczenia się i materiałów oceniających skupiających się na lokalnych owadach inwazyjnych. Jednostka rozpoczyna się, gdy uczniowie otrzymają znaczący kontekst do nauki dzięki zaproszeniu Departamentu Rolnictwa do przestudiowania i zaprojektowania pułapki umożliwiającej złapanie jednego lokalnego inwazyjnego owada, takiego jak latarniczka plamista lub chrząszcz japoński (ryc. 2).

Po tym ćwiczeniu następuje pierwsze ćwiczenie Eksploruj, podczas którego uczniowie zbierają dane na temat lokalnych organizmów w ich sąsiedztwie, korzystając z internetowego przewodnika terenowego zwanego kieszonkowym przewodnikiem po różnorodności zwierząt (rysunki 3 i 4). Kieszonkowy przewodnik ADW zawiera ponad 6300 opisów gatunków i kluczy taksonomicznych, które pomagają młodzieży identyfikować i badać lokalne organizmy w ich regionie, zwłaszcza organizmy inwazyjne dla Stanów Zjednoczonych.

Po zebraniu danych na temat organizmów lokalnych następuje pierwsze ćwiczenie Wyjaśnij, podczas którego uczniowie rozszerzają badania terenowe poprzez badanie zakłóceń ekologicznych za pomocą symulacji oraz badają wpływ jednego lokalnego owada na rolnictwo, stabilność ekosystemu i/lub zdrowie (rysunek 5). ).

W klasach Inżynier 1 i Inżynier 2 uczniowie biorą udział w dwóch rundach projektowania i budowania rozwiązania (pułapki na owady), aby złapać lokalnego owada, a ich kulminacją jest umieszczenie pułapki i analiza wyników pod kątem skuteczności (rysunki 6 i 7). Ostatnim działaniem jest faza edukacji, podczas której zespoły studenckie edukują innych poprzez prezentacje swojego projektu, wyników i sugestie dotyczące wpływu na lokalne ekosystemy.

Badania przeprowadzono w grupie 94 uczniów i trzech nauczycieli z trzech szkół zróżnicowanych kulturowo, rasowo i językowo. Wyniki wykazały, że uczniowie osiągnęli znaczne postępy w nauce po zaangażowaniu w program nauczania Iterative Science and Engineering (Songer i Ibarrola Recalde, 2021).

Wnioski

Wyzwania stojące przed światem nie są proste, a rozwiązania potrzebne do sprostania tym wyzwaniom wymagają projektowania inżynierskiego, kreatywności, testowania i praktyki. Takie rozwiązania wymagają także myślenia wykraczającego poza tradycyjne podejścia i wąskie granice aktualnego nauczania przedmiotów ścisłych. Modele nauczania, takie jak nauka iteracyjna i inżynieria, pomagają uczniom nie tylko badać interdyscyplinarne koncepcje naukowe, ale także podejmować działania i wykorzystywać swoją wiedzę do projektowania rozwiązań interdyscyplinarnych. Takie myślenie ma kluczowe znaczenie dla całej naszej przyszłości.

Notatki

Program Life Right Here and Everywhere jest finansowany przez Narodową Fundację Nauki (2125844). Jeżeli są Państwo zainteresowani szczegółowym zapoznaniem się z projektem zapraszamy na naszą stronę internetową,

Aby przeczytać i pobrać cały ebook, „The Iterative Science and Engineering Model (ISE)”, kliknij tutaj