Fechando a Lacuna Entre Design e Ciência na Educação

Os métodos de ensino em Ciências e engenharia estão mudando para ajudar os alunos a aprender melhor. Uma mudança chave é combinar ciência com tarefas de engenharia nos laboratórios de Física. Isso permite que os alunos resolvam problemas de engenharia enquanto usam princípios científicos. No entanto, estudos mostram que os alunos muitas vezes não aplicam conceitos científicos de forma eficaz. Em vez disso, eles às vezes apenas confiam em métodos de tentativa e erro, o que leva ao que alguns chamam de "lacuna entre design e ciência". Isso significa que os alunos podem não pensar em ideias científicas enquanto resolvem problemas de engenharia.

Para entender essa lacuna, é importante definir o que queremos dizer com "design" e "ciência". Infelizmente, não há uma definição consensual para esses termos, o que torna a compreensão dessa lacuna ainda mais complicada. Este artigo explora como os alunos discutem e escrevem sobre uma longa tarefa de design de engenharia em um laboratório de física para investigar essa conexão entre design e ciência.

#Contexto

Em 2012, um relatório sugeriu que os cursos de laboratório tradicionais deveriam ser substituídos por cursos focados em pesquisa e design. Envolver os alunos em STEM (Ciência, Tecnologia, Engenharia e Matemática) pode acontecer por meio de experiências de pesquisa do mundo real. O objetivo é despertar o interesse dos alunos por engenharia e ciência nos primeiros anos da faculdade.

A formação bem-sucedida de futuros trabalhadores em STEM precisa de métodos de ensino novos e eficazes. Um desses métodos é combinar práticas de ciência e engenharia para enfrentar desafios do mundo real, especialmente em laboratórios de física introdutórios. Ao integrar esses campos, os alunos podem desenvolver melhores habilidades e, com um bom suporte, aprofundar sua compreensão desses assuntos.

Apesar dessas vantagens, muitos estudos mostram que os alunos muitas vezes não veem a conexão entre ciência e design de engenharia. Em vez de aplicar conceitos científicos, eles tendem a usar métodos de tentativa e erro. Esse é um fator importante que contribui para a lacuna entre design e ciência.

Nossa pesquisa começou buscando evidências dessa lacuna em uma tarefa de design de engenharia onde os alunos precisavam resolver um problema complicado. Queríamos entender como os alunos lidam com tais problemas. Descobrimos que não há um acordo claro sobre o que “design” e “ciência” significam, o que nos levou a mudar nossa perspectiva de uma lacuna para uma conexão.

#Metodologia

Para obter insights, analisamos as discussões e relatórios escritos dos alunos durante uma tarefa de design de engenharia que durou várias semanas em um laboratório de física de graduação. Criamos um sistema de codificação detalhado para categorizar o pensamento de design e o pensamento científico.

#Objetivos da Pesquisa

Nossos objetivos incluíram:

1. Entender como os alunos abordam um problema de design e como usam princípios de física em suas soluções.
2. Desenvolver maneiras de descrever o pensamento de design e o pensamento científico.
3. Examinar como o pensamento de design e o pensamento científico influenciam um ao outro.

Além disso, analisamos como os apoios que fornecemos durante a tarefa de design de engenharia ajudaram a orientar os alunos na refinamento de suas soluções.

#Importância de Integrar Engenharia e Ciência

Seguindo as recomendações de vários relatórios, queríamos destacar a necessidade de novas estratégias de ensino para envolver melhor os alunos. Pesquisas recentes enfatizaram que as práticas de engenharia devem estar fundamentadas na ciência. O objetivo é garantir que a engenharia seja vista como uma prática reflexiva, em vez de apenas um método de construção.

#O que é Design de Engenharia?

O design de engenharia é um processo repetível que resulta em produtos físicos e virtuais. Inclui várias etapas, como identificar o problema, coletar informações, gerar ideias, executar o projeto e discutir os resultados.

Um problema de design de engenharia é impulsionado pelas necessidades do cliente e tem objetivos relacionados a situações do mundo real. Há restrições como custo e materiais, e a solução deve ser um produto ou processo tangível.

#Aprendendo através do Design

Aprender em engenharia pode ajudar a melhorar a compreensão da ciência. O conceito de "transferir aprendizagem" sugere que os alunos podem aplicar seu conhecimento em diferentes contextos. Por exemplo, lidar com certos desafios de engenharia pode incentivar os alunos a explorar conceitos científicos em maior profundidade.

#A Lacuna entre Design e Ciência

Apesar da pressão para integrar tarefas de design na educação STEM, muitos estudos revelam que os alunos muitas vezes não veem a relevância da ciência no design de engenharia. Embora os Estudantes de engenharia aprendam sobre práticas de design, os cursos introdutórios de física ainda tendem a focar mais em princípios científicos.

Quando tarefas de design de engenharia são introduzidas em aulas de ciências, muitos alunos ainda falham em aplicar conscientemente seu conhecimento científico durante atividades de resolução de problemas. Essa lacuna é vista à medida que os alunos frequentemente resolvem problemas através de tentativa e erro, sem se aprofundar nos princípios científicos.

#Explorando o Pensamento dos Alunos

Nossa investigação buscou entender como os alunos pensam durante o processo de design de engenharia. Ao examinar discussões em grupo e relatórios escritos, pretendíamos caracterizar seu pensamento de design e científico.

#Coleta de Dados

Em nosso estudo, gravamos as discussões dos alunos durante as sessões de laboratório e coletamos relatórios escritos. Isso forneceu uma riqueza de informações para analisar seus processos de pensamento enquanto enfrentavam o problema de design de engenharia. Os alunos trabalharam em grupos e foram convidados a discutir suas ideias e abordagens abertamente.

#Questões de Pesquisa

Nosso objetivo era responder às seguintes perguntas:

1. Como podemos caracterizar o pensamento de design e o pensamento científico dos grupos de alunos durante a tarefa de design de engenharia, e como suas conexões se desenrolam?
2. Como os suportes influenciam o pensamento de design e científico dos grupos de alunos à medida que progridem em direção a uma solução?

#Contexto do Estudo

O estudo ocorreu em um grande curso introdutório de física em uma universidade bem conhecida. O curso passou por reformas para incorporar melhor o design em seu componente laboratorial.

#Descrição da Tarefa de Engenharia

Os alunos enfrentaram uma tarefa de engenharia única. Eles foram solicitados a projetar um sistema para entregar comida a uma ilha remota sem prejudicar o meio ambiente ou causar distúrbios ao habitat.

O problema exigia consideração de várias restrições, como limites de peso e impactos ambientais. Os alunos foram incentivados a brainstormar uma variedade de soluções sem se restringir a um único método.

#Estrutura do Curso

No curso, os alunos participam de aulas e laboratórios que cobrem conceitos fundamentais de física. As sessões de laboratório são projetadas para facilitar a aprendizagem prática enquanto apoiam os alunos na resolução do desafio de design de engenharia.

#Engajamento e Pensamento dos Alunos

O estudo revelou padrões interessantes em como os alunos abordaram o problema de design. Suas conversas e relatórios mostraram interações ricas onde trocaram ideias e feedback.

#Variedade de Abordagens de Solução

Durante as sessões iniciais de brainstorming, os alunos consideraram uma ampla gama de ideias para suas soluções. Abordagens comuns incluíam o uso de catapultas, drones e outros sistemas de entrega inovadores.

Enquanto muitos alunos se inclinavam para um mecanismo de catapulta, outros propuseram ideias criativas como sistemas automatizados ou veículos. Essa diversidade de pensamento demonstrou sua capacidade de se engajar profundamente com o problema de design.

#Maneiras de Pensar dos Alunos

Ao longo da tarefa, os alunos exibiram diferentes formas de pensar-pensamento de design, pensamento científico e pensamento matemático.

1. Pensamento de Design: Isso envolveu gerar ideias, discutir soluções potenciais e tomar decisões sobre sua abordagem.
2. Pensamento Científico: Os alunos precisavam invocar princípios físicos, como momento e energia, ao considerar seus Designs.
3. Pensamento Matemático: Os alunos ocasionalmente usaram matemática em suas discussões, mas principalmente limitaram-se a referências numéricas básicas.

#Descobertas

Esta seção apresenta nossas descobertas sobre como os alunos se envolveram com o pensamento de design e ciência durante a tarefa de design de engenharia.

#Análise das Discussões dos Alunos

Nossa análise das discussões dos alunos mostrou uma mistura de pensamento de design e científico. Embora os alunos estivessem ansiosos para elaborar soluções, sua compreensão dos princípios científicos relevantes era, às vezes, superficial.

#Uso de Princípios de Física

Os alunos predominantemente focaram em princípios de momento e energia em suas discussões. No entanto, muitas vezes perderam oportunidades de elaborar sobre como esses princípios poderiam informar seus designs.

#Conexões Entre Design e Ciência

Apesar da ênfase inicial em uma possível lacuna, descobrimos que os alunos integraram naturalmente o pensamento de design e o pensamento científico. Suas conversas frequentemente refletiam uma fusão de ambos os domínios, demonstrando que não estavam isolados em sua abordagem.

#Papel dos Suportes

O suporte fornecido durante as sessões de laboratório desempenhou um papel significativo em orientar os alunos. Tarefas práticas e simulações ajudaram os alunos a entender conceitos científicos e aplicá-los em seus designs. No entanto, havia algumas indicações de que os suportes poderiam ter levado os alunos a soluções específicas, em vez de permitir que explorassem uma gama mais ampla de abordagens.

#Recomendações para o Ensino

Com base nas descobertas, propomos várias recomendações para melhorar o ensino em cursos introdutórios de física que incorporam tarefas de design de engenharia:

1. Incentivar o Engajamento Ativo: As tarefas de design devem promover criatividade e exploração, permitindo que os alunos se envolvam profundamente com o problema em questão.
2. Fornecer Orientação Clara: Os alunos podem se beneficiar de prompts estruturados e orientação para ajudá-los a articular seus pensamentos sobre design e ciência.
3. Fomentar a Colaboração: Incentivar ambientes de aprendizagem colaborativa onde os alunos possam trocar ideias e fornecer feedback uns aos outros.
4. Integrar Matemática: Enfatizar a importância da matemática na criação de soluções e reforçar sua aplicação em tarefas de engenharia.
5. Refletir sobre Suposições: Incentivar os alunos a pensar criticamente sobre suas suposições durante o processo de design, o que pode ajudar a solidificar sua compreensão tanto dos princípios de design quanto de ciência.

#Conclusão

Neste estudo, exploramos como os alunos processaram uma tarefa de design de engenharia em um laboratório de física. Nossas descobertas sugerem que, em vez de uma lacuna clara entre design e ciência, há uma conexão intrincada que os alunos navegam durante a resolução de problemas.

Ao focar nesta conexão, podemos preparar melhor os alunos para os desafios que enfrentarão nas áreas de STEM. Os insights obtidos desta pesquisa podem informar práticas pedagógicas futuras, ajudando educadores a unir a divisão enquanto aprimoram tanto o pensamento de design quanto o pensamento científico nos alunos.

Essas descobertas destacam a importância de integrar princípios de design de engenharia com conceitos científicos em contextos educacionais. À medida que avançamos, uma abordagem holística que incentive a criatividade e o pensamento crítico será essencial para promover uma compreensão mais profunda da interconexão entre design e ciência na educação.