شش اصل برای دعوت همه دانش‌آموزان
برنامه‌ریزان درسی با همکاری موزه علوم در
بوستون آمریکا، شش اصل را شناسایی کردند که معلمان با استفاده از آن‌ها می‌توانند مطمئن شوند که تدریس در کلاس
درس، فعالیت‌ها و مواد و مطالب آموزشی، همه
دانش‌آموزان، از جمله دانش‌آموزان اقلیت‌ها4 و شاگردان با عملکرد پایین
را درگیر می‌کند. ما این اصول را هنگام تدوین
برنامه درسی «مهندسی ابتدایی» نامیدیم. مهندسی
ابتدایی هدایت دانش‌آموزان را در فعالیت‌های مهندسی و بر مبنای مسائل واقعی به
عهده دارد. این اصول را می‌توان در فعالیت‌ها یا واحدهای تدریس مهندسی در هر کلاسی
به‌کار گرفت.
اصل 1. انجام فعالیت‌های مهندسی در شرایط دنیای واقعی
بسیاری از دانش‌آموزان به دانشی که در مدرسه یاد می‌گیرند به‌عنوان چیزی نامناسب برای حرفه و زندگی آینده
خود نگاه می‌کنند (کارلون، هان فرانک و وب،
2011).
یک راه برای تعیین شرایط دنیای
واقعی، داشتن یک داستان است؛ داستانی ساختگی، یک خبر جدید یا حتی یک مسئله.
واحدهای برنامه درسی مهندسی
ابتدایی برای دانش‌آموزان پایه‌های یکم تا پنجم ابتدایی با یک داستان
شروع می‌شوند. ویژگی اصلی آن داستان،
مواجه شدن با یک مسئله و حل آن با استفاده از مهندسی است. پس از خواندن داستان،
دانش‌آموزان با چالش‌های مشابه درگیر می‌شوند. این رویکرد فعالیت‌های آموزش مهندسی را بلافاصله در شرایط
و موقعیت‌های بافت بزرگ‌تری قرار می‌دهد. داستان‌ها می‌توانند در مکان‌های مختلف در جهان اتفاق بیفتند.
قهرمانان اصلی داستان‌ها می‌توانند از نژادهای مختلف، از قومیت‌ها و با توانایی‌های گوناگون باشند که به دانش‌آموزان سرمشق می‌دهند. بهتر است که طرح داستان‌ها با تجربه‌های دانش‌آموزان مرتبط باشد.
برای مثال، بیشتر کودکان کارهای
ناخوشایند و مشکلی را تجربه کرده‌اند. کارهای ناخوشایند، نقاط
عطفی در داستان «لراتو طرحی را سر هم می‌کند»
هستند. این داستان مربوط به یک دختر بوتسوانایی است که مسئول جمع‌آوری هیزم برای پختن غذای خانواده است.
این کار طاقت‌فرساست، به‌ویژه آنکه لراتو خواهر یا برادری کوچک‌تر از خود دارد که باید از او هم مراقبت
کند. یکی از دوستان لراتو، دانشجوی دانشگاهی در رشته مهندسی سبز است و به لراتو یک
اجاق خورشیدی نشان می‌دهد. ابتدا اجاق به خوبی کار نمی‌کند اما براساس برخی کارهای مهندسی دقیق، لراتو طرح آن را بهبود می‌دهد، به طوری که اجاق می‌تواند غذا هم بپزد. هم‌اکنون او برای جمع‌آوری هیزم زمان کمتری را صرف می‌کند.
پس از مطالعه داستان، دانش‌آموزان عایقی برای اجاق خورشیدی خود که
با جعبه کفش ساخته می‌شود، طراحی می‌کنند. آن‌ها ابتدا آزمایش‌های کنترل شده‌ای را به منظور بررسی ویژگی عایق گرمایی
بودن گلوله‌های فویل، اسفنج صنعتی، کاغذ و
پارچه کتان انجام می‌دهند. آن‌گاه براساس نتایج آزمایش‌های خود تصمیم می‌گیرند، از کدام ماده برای عایق‌بندی اجاق خورشیدی استفاده کنند.
برنامه درسی مهندسی ابتدایی، یک
برنامه درسی خارج از زمان مدرسه را نیز برای دانش‌آموزان دوره راهنمایی با عنوان «مهندسی
در همه جا»6 تدوین کرده است. این برنامه درسی را می‌توان از وبگاه پروژه به نشانی «www.eie.org/engineering-everywhere» دانلود کرد.
هر واحد درسی با یک ویدیوی
مستندگونه شروع می‌شود که کوتاه و پرتحرک است و
چالش‌های مهندسی در دنیای واقعی را
نشان می‌دهد.7 این رویکرد
داستان‌گویی، در دانش‌آموزان سال‌های بالاتر انگیزه به وجود می‌آورد. برای نمونه، در چالشی از دانش‌آموزان برای مهندسی یک فضای شهری به
منظور کنترل آب ناشی از طوفان، مسئله‌ای
که ایالات متحده به وفور با آن مواجه است، دعوت به عمل می‌آید. دانش‌آموزان در فیلمی، توسط یک مهندس محیط‌زیست و با گردش در داخل شهر و دریافت
راهنمایی‌ها، با مسئله آشنا می‌شوند.
دانش‌آموزان در این چالش طراحی مهندسی، به‌صورت گروهی کار می‌کنند. هر گروه یک مدل از شهر را در ساحل
مدل رودخانه ایجاد می‌کند. دانش‌آموزان آلاینده‌ها را ـ با استفاده از تکه‌های پلاستیک، ذرات رنگ غذا و مایع ظرف‌شویی ـ در مکان‌های متفاوت در سراسر شهر قرار می‌دهند. سپس از یک بطری آب‌پاش برای شبیه‌سازی بارانی سیل‌آسا استفاده می‌کنند. هنگامی که باران می‌بارد، دانش‌آموزان مشاهده نظام‌مندی در مورد اینکه چگونه آلودگی از روی
سطوح سخت شسته می‌شود و در رودخانه رسوب می‌کند، خواهند داشت. آن‌ها فناوری‌های موجود را برای جلوگیری از آب‌های
روان در شهرها و آزمایش مواد جاذب آن بررسی می‌کنند و سپس آنچه را که یاد گرفته‌اند، در مدل شهر خود به‌کار می‌بندند. در مرحله بعد، معلمان دانش‌آموزان را با فرایند هشت مرحله‌ای مهندسی که شامل شناسایی، بررسی، تصور
کردن، برنامه‌ریزی، ابداع، آزمایش، بهبود و
اطلاع‌رسانی است، آشنا می‌سازند.
اصل 2: تأکید بر نحوه کمک
مهندسان به دیگران
بسیاری از دانش‌آموزان به حرفه‌هایی علاقه‌مند هستند که تمرکز آن‌ها بر کمک به دیگران است. این موضوع به‌ویژه برای دختران و اقلیت‌ها صدق می‌کند. زیرا اغلب دختران خواهان درک ارزش
اجتماعی چیزی هستند که مطالعه می‌کنند. بنابراین بهتر است فعالیت‌هایی انتخاب شوند که بر چگونگی کمک‌مهندسی به مردم، حیوانات، محیط‌زیست و جامعه تأکید دارند (آکادمی ملی
مهندسی، 2008)7.
گاهی با تغییر ساختار فعالیتی که
به آن مشغول هستید و با تأکید بر جنبه بشردوستانه آن، می‌توانید انگیزه دانش‌آموزان را زیاد کنید. برای مثال، یک
فعالیت رایج در کلاس درس می‌تواند طراحی یک مدار برقی باشد.
اما این تکلیف بدون توجه به بافت و شرایط خاص انجام می‌گیرد. در عوض، می‌توانیم کودکان را برای طراحی یک مدار الکتریکی
به منظور راه‌اندازی زنگ یا روشن شدن لامپ،
وقتی ظرف آب حیوانات خالی می‌شود، به چالش بکشیم! زنگ خطری که
به نگهبان یا افراد هشدار می‌دهد، ظرف آب را پر کنند و از اینکه
حیوانات آب برای خوردن داشته باشند، مطمئن شوند.
مهندسان محیط‌زیست برای حفاظت از محیط‌زیست کار می‌کنند. دانش‌آموزانی که برای طراحی فرایند پاک‌سازی روغن ریخته شده به چالش کشیده می‌شوند، فهمی از کار مهندس محیط‌زیست خواهند داشت. آن‌ها همچنین درک می‌کنند که چگونه این کار به حفاظت از حیاط
وحش و زیست‌بوم کمک خواهد کرد. دانش‌آموزانی که توصیه می‌کنند پل جدید در چه مکانی ساخته شود، از
کمک‌مهندسی «ژئوتکنیک» نیز بهره
خواهند برد، زیرا نه‌تنها باید پل را در جایی بسازند
که ایمنی داشته باشد بلکه باید جایی باشد که روستاییان نیز دسترسی آسانی به مدرسه
و درمانگاه آن طرف رودخانه داشته باشند.
اصل 3: طراحی فعالیت‌های دارای راه‌حل‌های متنوع
درس‌های مرسوم اغلب به این صورت‌اند که دانش‌آموزان را برای رسیدن به یک پاسخ صحیح
موظف می‌کنند. این رویکرد باعث درگیر
نشدن دانش‌آموزان می‌شود، به‌ویژه اگر دانش‌آموزان شکست را بارها تجربه کنند. فعالیت‌های «بازپاسخ»، حل‌کننده مسئله را قادر خواهند ساخت به راه‌حل‌های متنوع دست یابد، خلاقیت خود را تقویت
کند، خطرپذیری بیشتری داشته باشد و ایده‌های
ناب و تازه را مورد توجه قرار دهد.
فعالیت‌های بازپاسخ باید به گونه‌ای طراحی شوند که دانش‌آموزان نتیجه به دست آمده از طراحی خود
را براساس معیارها و محدودیت‌ها ارزیابی کنند و امکان اصلاح
و بهبود طرح خود را داشته باشند. به‌طور کلی، به اشتراک گذاشتن راه‌حل‌های طراحی شده با کلاس درس نیز باید
مورد توجه قرار گیرد. تعمق و تفکر در مورد ویژگی‌های مشترک طرح‌های موفق، ایده‌های جدیدی را سبب می‌شود.
در اینجا یک چالش بازپاسخ در
مهندسی زیست‌پزشکی در برنامه مهندسی ابتدایی،
یعنی طراحی زانوبند (بریس8 زانو) مطرح شده است. دانش‌آموزان کار را با اندازه‌گیری دامنه حرکت مفصل زانوی آسیب ندیده
و سالم شروع می‌کنند. سپس به دانش‌آموزان مدلی از زانوی صدمه دیده داده می‌شود که از یک توپ بیس‌بال ساخته شده (به‌عنوان مفصل زانو) و درون دو لوله مقوایی
تودرتو که با لاستیک و کش سفت شده‌اند، قرار دارد. دانش‌آموزان خواهند دید که دامنه حرکت مدل
صدمه دیده، با زانوی سالم متفاوت است.
چالش مهندسی دانش‌آموزان این است زانوبندی طراحی کنند که
علاوه بر استحکام، قابلیت انعطاف داشته باشد تا اجازه حرکت عادی را به زانوی صدمه
دیده بدهد. آن‌ها می‌توانند تنها از چوب بستنی، باند کشی،
نخ، اسفنج، نمد، پارچه و مقوا استفاده کنند.
وقتی دانش‌آموزان به مهندسی مشغول‌اند، باید دانش خود را در مورد دامنه حرکت
یک زانو، خواص مواد و نیز مهارت‌های حل مسئله به‌کار گیرند. پس از طراحی و ساخت ابزار،
دانش‌آموزان دامنه حرکت زانوبند و
دوام‌پذیری آن را ارزیابی می‌کنند. دانش‌آموزان همواره انواع متفاوتی از زانوبند
کارامد را می‌سازند و این نشان می‌دهد که برای هر مسئله بیش از یک پاسخ
وجود دارد!
«رسیدن کودکان به تنوع و
گوناگونی راه‌حل‌ها، جذاب‌ترین قسمت کار بود. هیچ‌یک از طراحی‌ها شبیه هم نبودند، اگرچه از مواد یکسانی
تهیه شده بودند. هیجان‌انگیزترین بخش، این بود که آن‌ها تلاش می‌کردند و سپس با یکدیگر در مورد بهبود
زانوبند بحث می‌کردند. این تجربه پربها و
ارزشمند بود».
اصل 4: ارزش‌دهی به شکست
شکست یک ویژگی ضروری مهندسی
است. خواه دانش‌آموز، معلم یا مهندس باشید، هر
زمان که ایده‌های نوآورانه را امتحان کنید،
ممکن است برخی از طراحی‌های شما در برآوردن معیارها یا
غلبه بر محدودیت‌های مسئله، با شکست روبه‌رو شوند. به دلیل آنکه مهندسی فرایندی تکرارشونده
است، طراحی‌ها را همیشه می‌توان بهبود بخشید. شکست، تأمل و اندیشمندی
را ارتقا می‌دهد (چرا پاسخ نداد؟ چرا کار نکرد؟)
و به این ترتیب، طراحی‌های بعدی تحت‌تأثیر قرار می‌گیرند. این نحوه کار در تضاد کامل با کار
مدرسه‌ای است؛ جایی که شکست در آن،
سبب بدنامی می‌شود!
فعالیت‌های مهندسی باید شکست را پذیرا باشند و
آن را فرصتی برای یادگیری قلمداد کنند. باید به دانش‌آموزان تفهیم کرد که آن‌ها شکست نمی‌خورند، بلکه آنچه که شکست می‌خورد، طرح آن‌هاست. به استناد تجربه ما، دانش‌آموزان از فرصت‌های داده شده برای بهبود طرحشان استقبال
می‌کنند. پس از تکمیل یکی از فعالیت‌های برنامه درسی مهندسی ابتدایی دانش‌آموزی نوشت: «من این پروژه درختکاری را
دوست دارم. زیرا موفق نشدن و تلاش‌های دوباره برای من جالب
بودند». معلمان اظهار می‌کنند که دانش‌آموزان تقاضای زمان بیشتری برای اصلاح
طرحشان دارند. آن‌ها قبل و بعد از کلاس به مدرسه
می‌آیند و طراحی‌های مهندسی خود را در زمان دایر نبودن کلاس‌ها و در خانه ادامه می‌دهند.
فرصت مجدد برای تلاش می‌تواند تجربه‌ای آزادانه باشد، به‌ویژه برای دانش‌آموزانی که با عملکرد سطح پایین دسته‌بندی می‌شوند. ما داستان‌های بی‌شماری از معلمان شنیده‌ایم که چگونه دانش‌آموزی که قبلاً در کارهای مدرسه درگیر
نمی‌شد، در یک کار مهندسی کاملاً
درگیر و فعال شد، بر مراحل چندگانه طراحی پافشاری کرد و خود به‌عنوان رهبر گروه پدیدار شد.
اصل 5: تقویت همکاری
مهندسان معمولاً به‌صورت گروهی کار می‌کنند. پرورش مهارت کارگروهی از آن‌رو اهمیت ویژه‌ای دارد که محیط‌های رقابتی سبب می‌شوند، دختران و کودکانی که در فرهنگ‌های دارای کار تیمی پرورش یافته‌اند و برای تعامل ارزش قائل هستند، ناامید
نشوند (لی، 2003).
وقتی دانش‌آموزان
به‌طور مؤثر و کارامد در گروه کار
می‌کنند، اغلب راه‌حل‌های مهندسی قوی‌تری ارائه می‌دهند و به‌طور مؤثرتری یاد می‌گیرند. همکاری و کار گروهی به دانش‌آموزان کمک می‌کند تا هنگام کار با دیگران چیزهایی را
دقیق‌تر ببینند. به علاوه، طیف بیشتری
از ایده‌ها به وجود می‌آیند و احتمال موفقیت یک ایده (یا ترکیبی
از ایده‌ها) افزایش می‌یابد. کار در گروه‌ها به دانش‌آموزان فرصت می‌دهد بر توانمندی‌های خود تأکید کنند. همکاری بین گروه‌ها به دانش‌آموزان نشان می‌دهد که چگونه می‌توانند از شکست و موفقیت دیگران یاد بگیرند
و وقتی گروه‌ها، داده‌ها و اطلاعات خود را روی هم می‌گذارند، روند کارها بیشتر آشکار می‌شود.
ما تأثیر کار گروهی را وقتی
دانش‌آموزان درگیر چالش طراحی چتری
با فرود آرام بودند، دیدیم. دانش‌آموزان اندازه‌های مختلف پارچه را با طول‌های متفاوت آویختگی آزمایش می‌کردند. وقتی همه داده‌های مختلف گروه روی هم ریخته شوند، ترکیب
این اطلاعات به آن‌ها کمک می‌کند رابطه سرعت سقوط چتر با اندازه
پارچه و طول آویختگی آن را دریابند. اگر دانش‌آموزان به‌صورت انفرادی کار می‌کردند، برای به دست آوردن چنین نتیجه‌ای باید زمان بیشتر را صرف می‌کردند و آزمایش‌های بسیار بیشتری انجام می‌دادند.
البته دانش‌آموزان همانند بزرگ‌سالان نیاز دارند چگونگی کار در گروه‌ها را یاد گیرند. معلمان باید به‌طور فعال دانش‌آموزان را تشویق کنند، اندیشه‌های خود را به اشتراک بگذارند، نظرهای دیگران
را مورد توجه قرار دهند، براساس شواهد و داده‌ها به بحث بپردازند و برای انتخاب بهترین
راه‌حل، مدارا و سازش کنند.
اصل 6: استفاده آسان از مواد در
دسترس
استفاده از مواد ارزانی که به
راحتی در مغازه‌ها، اسباب‌بازی‌‌فروشی‌ها، خرازی‌ها و ابزارفروشی‌ها یافت می‌شود، راه دیگری است تا گروه بیشتری از
دانش‌آموزان درگیر فعالیت‌های مهندسی شوند. مواد دارای فناوری پایین،
از قبیل بطری نوشابه و چوب آب‌نبات، که برای دانش‌آموزان آشناترند، دست‌یافتنی‌تر هستند. این مواد ارزان برای مدارس و کلاس‌هایی که دارای مشکلات مالی هستند، مناسب‌اند. همچنین استفاده از مواد در دسترس
سبب می‌شود دانش‌آموزان هنگام مواجه با یک چالش در
مدرسه، فعالیت مهندسی خود را در خانه نیز ادامه دهند. اکنون مشخص شده است که وقتی
در چالش‌های مهندسی از مواد ساده
استفاده شود (برای نمونه، طراحی روشی برای تهیه خمیربازی با استفاده از آب، نمک و
آرد)، دانش‌آموزان خواهان ادامه انجام کار
مهندسی در خانه با نتایج مثبت می‌شوند.
یکی از معلمان یک مدرسه دوزبانه
متن زیر را به اشتراک گذاشته است:
سال گذشته با دانش‌آموزان چالشگر زیادی کار کردم. برخی از
آن‌ها ضربه‌های روحی شدیدی را متحمل شده بودند و به
بزرگ‌ترها و دیگران اعتماد نداشتند.
این موضوع اغلب در کاهش انگیزه برای انجام تکالیف مدرسه و طغیان خشم و سرپیچی
مشهود بود. این شرایط با شروع کلاس من که واحد درسی مهندسی ابتدایی شیمی مقدماتی
بود، تغییر کرد. در این کار دانش‌آموزان باید فرایند تهیه خمیربازی
را طراحی می‌کردند. دانش‌آموزان من چنان با انگیزه شده بودند که
تقریباً نیمی از آن‌ها، نمونه‌ها و مراحل کارهایی را که در کلاس انجام
داده و در خانه بهبود بخشیده بودند، با خود به کلاس آوردند. در طول کلاس، آن‌ها در مورد کیفیت نمونه‌ها بحث می‌کردند و برای شناخت راه‌های ترکیب ایده‌ها به منظور دستیابی به بهترین نمونه می‌کوشیدند. ما کار خود را با آردهای گندم
و ذرت که در ساخت نمونه‌ها به‌کار بردیم، به پایان رساندیم. برخی از
دانش‌آموزان مکزیکی و آمریکای مرکزی،
به دلیل برخی مسائل فرهنگی، از آرد ذرت به جای آرد گندم استفاده کرده بودند. تعدادی
از دانش‌آموزان نیز در پایان واحد درسی
خواهان این موضوع بودند که در بزرگسالی مهندس شوند.
هر دانش‌آموز یک مهندس
هر وقت موضوع جدیدی از مهندسی
را برای دانش‌آموزان می‌گویم، می‌کوشم این کار را به روشی انجام دهم که
همه دانش‌آموزان را درگیر و جذب خود کند،
همچنین به آن‌ها فرصت‌های تجربه مهندسی و آموزش علوم را به‌طور معنی‌داری بدهد. با به‌کارگیری این اصول جامع طراحی، که رئوس
آن در این مقاله آمد، مطمئن می‌شویم که هر دانش‌آموز می‌تواند یک مهندس شود.
پی نوشت ها
1. The National Science Foundation
2. Science, Technology, Engineering & Mathematics
3. The new Next Generation Science Standards
4. در این مقاله، منظور از اقلیت‌ها دانش‌آموزان آمریکایی ـ آفریقایی، آمریکایی ـ
آسیایی و .. است ( ).
5. Carlone, Haun-Frank & Webb, 2011
6. Engineering everywhere
7. روی وبگاه www.eie.org «مهندسی به‌صورت مقدماتی» فیلم‌ها و دیگر منابع آموزشی برای استفاده
معلمان، به انضمام انواع درس‌ها و فعالیت‌های مشخص شده در برنامه درسی برای این کلاس
درس ارائه شده‌اند.
8. National Academy of Engineering, 2008.
9. Brace
منابع
1. Carlone H.B., Haun-Frank,J., & Webb,
A. (2011). Assessing equity beyond Knowledeg- and skills-based outcomes: A
comparative ethnography of two' fourthgrade reform-based science classrooms.
Journal of Research in Science Teaching, 48 (5), 459-485.
2. Lee, O. (2003). Equity for linguistically and culturally
diverse students in science education: A research agenda. Teachers College
Record, 10/5 (3), 465-489.
3. National Academy of Engineering (2008). Changing the
conversation: Messages1 for imoroving public understanding of engineering.
Washington, DC: National Academies Press.
4. NGSS Lead Slates. (2013). Next; Generation; Science
Standards: For states, by states. Washington, DC: National Academies Press.