Colmare il divario tra design e scienza nell'istruzione

I metodi di insegnamento nella Scienza e nell'ingegneria stanno cambiando per aiutare gli Studenti ad imparare meglio. Una modifica chiave è quella di unire la scienza con compiti ingegneristici nei laboratori di Fisica. Questo permette agli studenti di risolvere problemi ingegneristici utilizzando principi scientifici. Tuttavia, studi mostrano che spesso gli studenti non applicano bene i concetti scientifici. Invece, a volte si affidano solo a metodi di prova ed errore, il che porta a quello che alcuni chiamano un "divario Design-scienza." Questo significa che gli studenti potrebbero non riflettere su idee scientifiche mentre risolvono problemi ingegneristici.

Per capire questo divario, è importante definire cosa intendiamo per "design" e "scienza." Purtroppo, non c'è una definizione concordata per questi termini, il che rende la comprensione di questo divario ancora più complicata. Questo articolo esplora come gli studenti discutono e scrivono su un lungo compito di design ingegneristico in un laboratorio di fisica per indagare questa connessione design-scienza.

#Contesto

Nel 2012, un rapporto ha suggerito che i corsi di laboratorio tradizionali dovrebbero essere sostituiti con corsi focalizzati sulla ricerca e sul design. Coinvolgere gli studenti nelle STEM (Scienza, Tecnologia, Ingegneria e Matematica) può avvenire attraverso esperienze di ricerca nel mondo reale. L'obiettivo è far interessare gli studenti all'ingegneria e alla scienza nei primi anni di università.

La formazione efficace dei futuri lavoratori nelle STEM richiede nuovi metodi di insegnamento. Uno di questi metodi è unire pratiche scientifiche e ingegneristiche per affrontare sfide reali, specialmente nei laboratori di fisica introduttivi. Integrando questi campi, gli studenti possono acquisire competenze migliori e, con un buon supporto, approfondire la loro comprensione di queste materie.

Nonostante questi vantaggi, molti studi mostrano che gli studenti spesso non vedono il legame tra scienza e design ingegneristico. Invece di applicare i concetti scientifici, tendono ad usare metodi di prova ed errore. Questo è un fattore importante che contribuisce al divario design-scienza.

La nostra ricerca è partita cercando prove di questo divario in un compito di design ingegneristico dove gli studenti dovevano risolvere un problema complicato. Volevamo capire come gli studenti gestiscono tali problemi. Abbiamo scoperto che non c'è un chiaro accordo su cosa significhino “design” e “scienza,” il che ci ha portato a cambiare la nostra prospettiva da un divario a una connessione.

#Metodologia

Per acquisire informazioni, abbiamo analizzato le discussioni degli studenti e i rapporti scritti di un compito di design ingegneristico di più settimane in un laboratorio di fisica. Abbiamo creato un sistema di codifica dettagliato per categorizzare il pensiero di design e il pensiero scientifico.

#Obiettivi della Ricerca

I nostri obiettivi includevano:

1. Comprendere come gli studenti affrontano un problema di design e come utilizzano i principi della fisica nelle loro soluzioni.
2. Sviluppare modi per descrivere il pensiero di design e scienza.
3. Esaminare come il pensiero di design e il pensiero scientifico si influenzano a vicenda.

Inoltre, abbiamo guardato a come i supporti che abbiamo fornito durante il compito di design ingegneristico hanno aiutato a guidare gli studenti nel perfezionare le loro soluzioni.

#Importanza dell'Integrazione tra Ingegneria e Scienza

Seguendo le raccomandazioni di vari rapporti, volevamo sottolineare la necessità di nuove strategie didattiche per coinvolgere meglio gli studenti. Recenti ricerche hanno messo in evidenza che le pratiche ingegneristiche dovrebbero essere basate sulla scienza. L'obiettivo è far sì che l'ingegneria sia vista come una pratica riflessiva piuttosto che solo come un metodo di costruzione.

#Cos'è il Design Ingegneristico?

Il design ingegneristico è un processo ripetibile che porta a prodotti sia fisici che virtuali. Comprende diverse fasi, come identificare il problema, raccogliere informazioni, generare idee, eseguire il progetto e discutere i risultati.

Un problema di design ingegneristico è guidato dalle esigenze del cliente e ha obiettivi legati a situazioni reali. Ci sono vincoli come costi e materiali, e la soluzione deve essere un prodotto o un processo tangibile.

#Apprendere attraverso il Design

Apprendere in ingegneria può aiutare a migliorare la comprensione della scienza. Il concetto di "trasferimento dell'apprendimento" suggerisce che gli studenti possono applicare le loro conoscenze in contesti diversi. Ad esempio, affrontare certi problemi ingegneristici potrebbe spingere gli studenti ad esplorare concetti scientifici in modo più approfondito.

#Il Divario Design-Scienza

Nonostante l'incentivo a integrare compiti di design nell'istruzione STEM, molti studi rivelano che gli studenti spesso non vedono la rilevanza della scienza nel design ingegneristico. Anche se gli studenti di ingegneria apprendono pratiche di design, i corsi introduttivi di fisica tendono ancora a concentrarsi maggiormente sui principi scientifici.

Quando i compiti di design ingegneristico vengono introdotti nelle classi di scienza, molti studenti non riescono ancora ad applicare consapevolmente le loro conoscenze scientifiche durante le attività di problem-solving. Questo divario è evidente poiché gli studenti spesso risolvono problemi attraverso prove ed errori senza impegnarsi a fondo con i principi scientifici.

#Esplorare il Pensiero degli Studenti

La nostra indagine mirava a capire come gli studenti pensano durante il processo di design ingegneristico. Esaminando discussioni di gruppo e rapporti scritti, volevamo caratterizzare il loro pensiero di design e scientifico.

#Raccolta Dati

Nel nostro studio, abbiamo registrato le discussioni degli studenti durante le sessioni di laboratorio e raccolto rapporti scritti. Questo ha fornito una ricchezza di informazioni per analizzare i loro processi di pensiero mentre affrontavano il problema di design ingegneristico. Gli studenti hanno lavorato in gruppi e sono stati invitati a discutere le loro idee e approcci apertamente.

#Domande di Ricerca

Ci proponiamo di rispondere alle seguenti domande:

1. Come possiamo caratterizzare il pensiero di design e il pensiero scientifico dei gruppi di studenti durante il compito di design ingegneristico, e come si sviluppano le loro connessioni?
2. Come influenzano i supporti il pensiero di design e il pensiero scientifico dei gruppi di studenti mentre progrediscono verso una soluzione?

#Contesto dello Studio

Lo studio si è svolto in un ampio corso introduttivo di fisica in un'università ben nota. Il corso ha subito riforme per integrare meglio il design nel suo componente di laboratorio.

#Descrizione del Compito di Ingegneria

Agli studenti è stato assegnato un compito di ingegneria unico. Dovevano progettare un sistema per consegnare cibo a un'isola remota senza danneggiare l'ambiente o causare disturbo all'habitat.

Il problema richiedeva di considerare vari vincoli, come limiti di peso e impatti ambientali. Gli studenti erano incoraggiati a generare una varietà di soluzioni senza essere ristretti a un solo metodo.

#Struttura del Corso

Nel corso, gli studenti partecipano sia a lezioni che a laboratori che coprono concetti fondamentali di fisica. Le sessioni di laboratorio sono progettate per facilitare l'apprendimento pratico mentre supportano gli studenti nell'affrontare la sfida del design ingegneristico.

#Coinvolgimento e Pensiero degli Studenti

Lo studio ha rivelato schemi interessanti su come gli studenti affrontavano il problema di design. Le loro conversazioni e rapporti hanno mostrato interazioni ricche in cui scambiavano idee e feedback.

#Varietà di Approcci Solutivi

Durante le sessioni iniziali di brainstorming, gli studenti hanno considerato una vasta gamma di idee per le loro soluzioni. Gli approcci comuni includevano l'uso di catapulte, droni e altri sistemi di consegna innovativi.

Mentre molti studenti si sono orientati verso un meccanismo a catapulta, altri hanno proposto idee creative come sistemi automatizzati o veicoli. Questa diversità nel pensiero ha dimostrato la loro capacità di impegnarsi a fondo con il problema di design.

#Modi di Pensare degli Studenti

Durante il compito, gli studenti hanno mostrato diverse forme di pensiero: pensiero di design, pensiero scientifico e pensiero matematico.

1. Pensiero di Design: Questo ha comportato la generazione di idee, la discussione di potenziali soluzioni e la presa di decisioni sul loro approccio.
2. Pensiero Scientifico: Gli studenti dovevano invocare principi fisici, come la quantità di moto e l'energia, mentre consideravano i loro design.
3. Pensiero Matematico: Gli studenti occasionalmente usavano la matematica nelle loro discussioni, ma principalmente la limitavano a riferimenti numerici di base.

#Risultati

Questa sezione presenta i nostri risultati su come gli studenti si sono impegnati nel pensiero di design e scientifico durante il compito di design ingegneristico.

#Analisi delle Discussioni degli Studenti

La nostra analisi delle discussioni degli studenti ha mostrato un misto di pensiero di design e scientifico. Mentre gli studenti erano ansiosi di ideare soluzioni, la loro comprensione dei principi scientifici rilevanti era a volte superficiale.

#Uso dei Principi della Fisica

Gli studenti si sono concentrati prevalentemente sui principi di quantità di moto e energia nelle loro discussioni. Tuttavia, spesso perdevano opportunità per elaborare su come questi principi potessero informare i loro design.

#Connessioni tra Design e Scienza

Nonostante l'iniziale enfasi su un potenziale divario, abbiamo scoperto che gli studenti integravano naturalmente il pensiero di design e il pensiero scientifico. Le loro conversazioni riflettevano frequentemente una fusione di entrambi i domini, dimostrando che non erano isolati nel loro approccio.

#Ruolo dei Supporti

Il supporto fornito durante le sessioni di laboratorio ha giocato un ruolo significativo nel guidare gli studenti. Le attività pratiche e le simulazioni hanno aiutato gli studenti a comprendere i concetti scientifici e ad applicarli ai loro design. Tuttavia, ci sono state alcune indicazioni che i supporti potrebbero aver condotto gli studenti verso soluzioni specifiche, piuttosto che consentire loro di esplorare una gamma più ampia di approcci.

#Raccomandazioni per l'Istruzione

Basandoci sui risultati, proponiamo diverse raccomandazioni per migliorare l'istruzione nei corsi introduttivi di fisica che incorporano compiti di design ingegneristico:

1. Incoraggiare il Coinvolgimento Attivo: I compiti di design dovrebbero promuovere creatività ed esplorazione, permettendo agli studenti di impegnarsi a fondo con il problema.
2. Fornire Chiare Indicazioni: Gli studenti possono beneficiare di suggerimenti strutturati e indicazioni per aiutarli ad articolare i loro pensieri sul design e sulla scienza.
3. Favorire la Collaborazione: Incoraggiare ambienti di apprendimento collaborativo dove gli studenti possono scambiare idee e fornire feedback reciproco.
4. Integrare la Matematica: Sottolineare l'importanza della matematica nella progettazione delle soluzioni e rinforzare la sua applicazione nei compiti ingegneristici.
5. Riflettere sulle Ipotesi: Incoraggiare gli studenti a pensare criticamente alle loro ipotesi durante il processo di design, il che può aiutare a consolidare la loro comprensione sia dei principi di design che di scienza.

#Conclusione

In questo studio, abbiamo esplorato come gli studenti elaborano un compito di design ingegneristico in un laboratorio di fisica. I nostri risultati suggeriscono che, piuttosto che un chiaro divario tra design e scienza, c'è una connessione intricata che gli studenti navigano durante il problem-solving.

Concentrandoci su questa connessione, possiamo preparare meglio gli studenti alle sfide che affronteranno nei campi STEM. Le intuizioni ottenute da questa ricerca possono informare le future pratiche didattiche, aiutando gli educatori a colmare il divario mentre migliorano sia il pensiero di design che quello scientifico negli studenti.

Questi risultati evidenziano l'importanza di integrare principi di design ingegneristico con concetti scientifici nei contesti educativi. Mentre andiamo avanti, un approccio olistico che incoraggi creatività e pensiero critico sarà essenziale per favorire una comprensione più profonda dell'interconnessione tra design e scienza nell'istruzione.