MWM sử dụng thiết kế như một phương tiện để thu hút sinh viên tham gia nghiên cứu khoa học. Tìm hiểu và thiết kế làm việc cùng nhau để giúp học sinh hiểu rõ hơn về khoa học. Bằng cách tham gia tìm hiểu, sinh viên xác định các nguyên tắc khoa học quan trọng mà họ có thể áp dụng cho thiết kế của mình. Ngược lại, bằng cách tham gia vào thiết kế, sinh viên khám phá ra những gì họ cần biết để cải thiện thiết kế của mình. Các hoạt động trong Mô-đun Thế giới Vật liệu mang đến cho sinh viên cơ hội tham gia vào tìm hiểu khoa học ngoài việc tìm hiểu cách các khái niệm khoa học vật liệu liên quan đến các vấn đề thiết kế trong thế giới thực.
Điều tra là gì?
Khoa học là một cuộc tìm kiếm liên tục nhằm tìm ra những lời giải thích tốt hơn về những gì chúng ta nhìn thấy và trải nghiệm xung quanh mình. Mô-đun Thế giới Vật liệu cho học sinh cơ hội đóng vai như các nhà khoa học, tham gia tìm kiếm để tìm ra lời giải thích cho các hiện tượng mà họ thấy thú vị.
Ở mức tốt nhất, quá trình tìm hiểu này bắt đầu từ các câu hỏi của sinh viên và kiến thức và kinh nghiệm trước đây của họ. Bằng cách tìm kiếm câu trả lời cho các câu hỏi của mình, học sinh có thể khám phá ra những câu hỏi mới, có liên quan và cảm giác ngạc nhiên để tiếp tục quá trình. Để đạt được câu trả lời cho các câu hỏi thường liên quan đến thử nghiệm hoặc nghiên cứu; trong cả hai trường hợp, học sinh chịu trách nhiệm thiết kế cuộc điều tra.
Như được điều chỉnh từ Tiêu chuẩn Giáo dục Khoa học Quốc gia , quá trình tìm hiểu khoa học có thể được nắm bắt bởi các đặc điểm sau:
- Phát triển các câu hỏi có thể tìm lại để hướng dẫn các cuộc điều tra khoa học
- Thiết kế và tiến hành các cuộc điều tra khoa học bằng cách sử dụng công cụ thích hợp và phân tích toán học
- Nêu các giải thích khoa học và đưa ra các mô hình tuân theo các quy tắc logic và bằng chứng
- Nhận biết và phân tích các giải thích và mô hình thay thế
- Truyền đạt và bảo vệ các kết luận của các cuộc điều tra khoa học
Điều gì làm cho thiết kế một bối cảnh tốt cho cuộc điều tra?
Có một số lý do tại sao các vấn đề thiết kế lại là cơ hội tốt cho sự tìm hiểu của sinh viên:
- Các vấn đề thiết kế thường gắn liền với các vấn đề trong thế giới thực. Học sinh có thể có kiến thức hoặc kinh nghiệm từ bên ngoài trường học mà họ có thể liên quan đến nhiệm vụ.
- Các vấn đề thiết kế thường không được xác định rõ ràng hoặc kết thúc mở. Học sinh phải đưa ra quyết định về loại vật liệu nào sẽ sử dụng, cách họ sẽ kiểm tra thiết kế của mình và cách họ xây dựng thiết kế của mình. Quá trình giải quyết và biện minh cho những quyết định này thường dẫn đến sự thử nghiệm của học sinh.
- Việc xây dựng và thử nghiệm thiết kế dẫn đến dữ liệu – dữ liệu mà sinh viên có thể sử dụng để suy luận về thiết kế nào tốt hơn. Có thể sử dụng bằng chứng để hỗ trợ các giải thích khoa học là một khía cạnh quan trọng của việc điều tra.
- Thiết kế là lặp đi lặp lại. Điều này có nghĩa là mỗi chu trình thiết kế có thể cung cấp thông tin mà sinh viên có thể sử dụng để cải thiện thiết kế của họ. Để tận dụng lợi thế của những lần lặp lại này, sinh viên thường tạo ra các thí nghiệm để kiểm tra cách thức hoạt động của các thiết kế khác nhau, với nhận thức rằng họ sẽ có thể tận dụng những gì họ học được trong chu kỳ thiết kế tiếp theo.
- Các vấn đề thiết kế đưa ra một bối cảnh cho giao tiếp khoa học. Những sinh viên đang nghiên cứu các giải pháp khác nhau cho cùng một vấn đề thiết kế có thể học hỏi từ ý tưởng của người khác, không chỉ của riêng họ.
Không phải tất cả các vấn đề thiết kế đều có cả năm đặc điểm này, và thiết kế có thể tạo ra những trở ngại cho việc tìm hiểu của sinh viên. Tuy nhiên, các bài toán thiết kế phù hợp với các mô tả này là các bài toán thiết kế rất phù hợp với việc học sinh học tập thông qua tìm hiểu.
Một số thách thức với Yêu cầu
| Chương trình MWM giải quyết các mối quan tâm của việc giảng dạy với sự hỏi đáp thông qua một cách tiếp cận cụ thể được gọi là cuộc điều tra thông qua thiết kế , trong đó những kinh nghiệm điều tra xác thực nằm trong bối cảnh thiết kế kỹ thuật. |
| Khó khăn với yêu cầu |
| Các hoạt động cung cấp cơ hội cho sinh viên tìm hiểu, mặc dù đầy hứa hẹn, cũng đặt ra gánh nặng lớn hơn cho sinh viên khi có thêm trách nhiệm định hướng việc học của chính họ. Việc hỗ trợ học sinh hỏi đáp phải đối mặt với một số trở ngại, vì học sinh có sự khác biệt đáng kể trong thành công của cá nhân họ với việc học thông qua tìm hiểu. Những sinh viên thực hiện nhiệm vụ với kiến thức trước phức tạp hơn và với các kỹ năng tạo giả thuyết, thử nghiệm và tổ chức dữ liệu hiệu quả hơn sẽ học được nhiều hơn từ thử nghiệm của họ. Hơn nữa, nhiều sinh viên gặp khó khăn khi tham gia thành công vào các khía cạnh khác nhau của cuộc điều tra, bao gồm phát triển các câu hỏi có thể tìm lại được, lập kế hoạch điều tra và lập luận về dữ liệu. |
| Xây dựng các câu hỏi có thể tìm kiếm lại |
| Không phải tất cả các câu hỏi của học sinh đều có thể điều tra được trong lớp học. Các câu hỏi có thể quá đơn giản, trong đó các câu trả lời xuất hiện dưới dạng một câu trả lời một hoặc hai từ hoặc có thể được tra cứu trong một cuốn sách. Mặt khác, các câu hỏi có thể quá phức tạp và không thể điều tra được do hạn chế về thời gian và nguồn lực của lớp học. Học sinh có thể cần học cách xác định các câu hỏi hiệu quả, có thể tìm lại được. |
| Lập kế hoạch thử nghiệm |
| Nghiên cứu của sinh viên để lập kế hoạch thí nghiệm để kiểm tra các giả thuyết có thể không hiệu quả; ví dụ, sinh viên thường có xu hướng tìm kiếm các trường hợp xác nhận nhưng không tìm kiếm chứng cứ xác nhận. Học sinh có thể cần giúp lập kế hoạch thí nghiệm để tạo ra bằng chứng phù hợp để cung cấp cho lý luận của họ. |
| Liên quan dữ liệu với các đối số |
| Học sinh gặp khó khăn khi liên hệ dữ liệu khoa học với lập luận khoa học. Câu hỏi của sinh viên tạo ra dữ liệu có thể cần hỗ trợ thêm nếu sinh viên xây dựng thành công các giải thích khoa học đúng đắn dựa trên bằng chứng đáng tin cậy. |
Yêu cầu thông qua thiết kế: Một mô hình để điều tra tình huống trong bối cảnh thiết kế
Tìm hiểu thông qua thiết kế là một mô hình để thu hút học sinh tham gia nghiên cứu khoa học thông qua việc sử dụng các dự án thiết kế. Trong khi dự án thiết kế là trọng tâm của chương trình giảng dạy, việc tìm hiểu thông qua thiết kế cung cấp các hoạt động và tài liệu hỗ trợ cấu trúc và hướng dẫn trải nghiệm học tập. Cách tiếp cận này tận dụng lợi ích của các dự án thiết kế trong khi cung cấp hỗ trợ cho các quy trình khó đối với sinh viên.
Lời hứa của bối cảnh thiết kế nằm ở tiềm năng của nó để hỗ trợ sự tham gia của sinh viên trong ba khía cạnh thách thức của cuộc điều tra: đặt câu hỏi, lập kế hoạch điều tra và lập luận từ dữ liệu. Ví dụ, các dự án thiết kế có thể giúp sinh viên xác định các câu hỏi có thể tìm kiếm lại. Dự án thiết kế thách thức sinh viên xác định điều gì tạo nên một thiết kế hiệu quả, một câu hỏi định hướng tập trung điều tra của sinh viên trong suốt dự án. Trong một trong các mô-đun, câu hỏi lái xe này về cơ bản có dạng: Điều gì tạo nên một chiếc cần câu tốt? Hai câu hỏi nảy sinh từ thử thách này, cả hai câu hỏi mà sinh viên phải xác định và theo đuổi trong quá trình thiết kế của họ. Bộ câu hỏi đầu tiên liên quan đến việc nghiên cứu các tiêu chí thiết kế: hiểu những gì thiết kế phải làm và những chức năng này có ý nghĩa gì về các thuộc tính mà thiết kế phải có. Học sinh điều tra mối quan hệ giữa các thuộc tính và phát triển sự hiểu biết về các thuộc tính là gì. Khi sinh viên tinh chỉnh các tiêu chí thiết kế của họ, họ giải quyết một nhóm câu hỏi thứ hai liên quan đến các vật liệu cụ thể có thể được sử dụng trong thiết kế. Sinh viên phải nghiên cứu các vật liệu này về các đặc tính được nêu trong tiêu chí thiết kế.
Vì các dự án thiết kế có tính chất mở và có nhiều giải pháp khác nhau cho một thử thách duy nhất, nên mỗi nhóm sinh viên thực sự đang tham gia vào một cuộc điều tra duy nhất, nhưng có liên quan. Điều này tạo ra một môi trường trong đó các câu hỏi do học sinh tạo ra có giá trị, vì mỗi nhóm học sinh có cơ hội tạo ra kiến thức có lợi cho mọi người trong lớp. Ví dụ, một nhóm sinh viên có thể khám phá ảnh hưởng của các loại băng dính khác nhau đối với thiết kế cần câu của họ, trong khi nhóm khác nghiên cứu vai trò của việc gia cố định hướng. Kết quả của cả hai nhóm sẽ được sử dụng cho cả lớp.
Các dự án thiết kế cũng tạo cơ hội cho sinh viên lập kế hoạch điều tra giúp họ phân biệt được ảnh hưởng của các ý tưởng thiết kế khác nhau. Bởi vì các đối tượng được thiết kế có thể được kiểm tra, chúng đương nhiên dẫn đến việc lập kế hoạch điều tra so sánh hiệu suất của các thiết kế khác nhau. Ví dụ, giả sử một học sinh dự đoán rằng việc gia cố thiết kế cần câu bằng băng sẽ cải thiện sức mạnh. Học sinh có thể kiểm tra dự đoán đó bằng cách xây dựng một thiết kế bao gồm băng và so sánh hiệu suất của nó với một thiết kế không có băng. Ngoài ra, học sinh có thể xây dựng một số thiết kế thay đổi loại băng được sử dụng hoặc số lượng băng được dán để tạo ra dữ liệu so sánh có thể được sử dụng để suy luận về tác dụng của các loại băng khác nhau.
MWM và Truy vấn liên tục
Quy trình thiết kế
| Trong Đồ án Thiết kế Mô-đun Thế giới Vật liệu, sinh viên thực hiện theo một quy trình thiết kế lặp đi lặp lại, như thể hiện trong sơ đồ. Thông qua quá trình này, sinh viên học được điều gì đó về thiết kế ban đầu của họ và sau đó áp dụng những gì họ đã học được khi họ làm việc trên một sản phẩm được thiết kế lại. Bởi vì quá trình thiết kế là lặp đi lặp lại, sinh viên có thể áp dụng những gì họ học theo những cách thực tế và thỏa mãn.
Hơn nữa, các thiết kế trong thế giới thực thường là sự dung hòa giữa hiệu suất và chi phí, được gói gọn trong một gói sẽ thu hút người tiêu dùng. Khi sinh viên làm việc trong các Dự án thiết kế, họ có thể kết hợp các ràng buộc thiết kế như chi phí, tính dễ xây dựng, độ bền, tác động môi trường và sự hấp dẫn của khách hàng. Đối với báo cáo hoặc bản trình bày cuối cùng, họ có thể chuẩn bị các chiến dịch quảng cáo hoặc kế hoạch tiếp thị cho sản phẩm của mình, hoặc đề xuất thị trường mới và ứng dụng mới cho sản phẩm mà họ thiết kế. |
| Mục tiêu thiết kế nhà nước |
| Mỗi mô-đun lên đến đỉnh điểm trong một thử thách thiết kế, một dự án trong đó sinh viên phải áp dụng những gì họ đã học trong mô-đun để thiết kế một vật liệu hoặc đối tượng mới sử dụng vật liệu từ mô-đun. Ví dụ, trong mô-đun Composites, học sinh được thử thách thiết kế một cần câu cá nguyên mẫu dựa trên ống hút thông thường.
Thử thách thiết kế có thể do giáo viên đặt ra (ví dụ, thiết kế cần câu cá) hoặc để học sinh thực hiện; mỗi mô-đun bao gồm cả dự án thiết kế hướng tới giáo viên và học sinh. Sau khi chủ đề được chọn, học sinh và giáo viên hợp tác để xác định những hạn chế của thiết kế. Các tiêu chí này sau đó dẫn đến việc xác định các phương tiện thử nghiệm thiết kế, thường dựa trên các thử nghiệm được thực hiện trong các hoạt động trước đó. |
| Động não và chọn lựa chọn tốt nhất |
| Sau khi nhiệm vụ thiết kế được đóng khung đầy đủ và các hướng dẫn hoặc ràng buộc được thiết lập, học sinh bây giờ đã có một ý tưởng rõ ràng về đối tượng cụ thể để thiết kế. Nhưng các phương tiện để đạt được điều đó đã được giao cho các sinh viên.
Học sinh được khuyến khích dành một chút thời gian để động não các ý tưởng thiết kế. Tập trung vào mục tiêu của sản phẩm cũng như các hạn chế sẽ giúp họ cân nhắc ưu và nhược điểm của từng thiết kế. Mỗi nhóm học sinh nên viết ra tất cả các ý tưởng có thể có, ngay cả những ý tưởng mà họ đã quyết định sẽ không hoạt động vì một lý do nào đó. Họ nên bắt đầu với lựa chọn tốt nhất của họ. Các tùy chọn thiết kế khác có thể hữu ích sau này để cung cấp cho nhóm nghiên cứu cái nhìn sâu sắc hơn về điều mà họ chưa hiểu rõ trước đây. |
| Đề xuất thiết kế |
| Một khi các mục tiêu thiết kế được thiết lập và sinh viên đã có cơ hội động não, họ sẵn sàng đề xuất các thiết kế mà họ tin rằng sẽ đáp ứng được các mục tiêu thiết kế. Cấu trúc của mô-đun khuyến khích sinh viên thay đổi một biến trên một số nguyên mẫu để họ có thể khám phá tác động của biến đó đối với thiết kế của họ.
Sinh viên cũng đưa ra dự đoán về tác động mà biến của họ sẽ có đối với thiết kế của họ, bao gồm cả cách họ mong đợi các nguyên mẫu của họ hoạt động như thế nào. Đề xuất thiết kế của sinh viên thường bao gồm thông tin chi tiết về cách họ sẽ xây dựng thiết kế, cùng với danh sách vật liệu. Sau khi hoàn tất, việc xây dựng sẽ bắt đầu. |
| Xây dựng thiết kế |
| Quá trình xây dựng thiết kế, đáng ngạc nhiên, là một quá trình lặp đi lặp lại. Sinh viên thường thực hiện những thay đổi nhỏ đối với thiết kế của họ khi họ xây dựng, thường là bởi vì một khi họ thực sự có thể thấy thiết kế đang hình thành như thế nào, họ nhận ra rằng các khía cạnh khác nhau của thiết kế sẽ không hoạt động tốt như họ đã tưởng tượng.
Kết quả cuối cùng của quá trình mày mò này là các thiết kế của sinh viên thường ít giống với các thiết kế của đề xuất thiết kế. Dự đoán của sinh viên cũng thường thay đổi trong quá trình xây dựng, bởi vì họ bắt đầu thử nghiệm với thiết kế của mình và tìm hiểu thêm về cách họ thực hiện. Đây là một lý do tại sao điều quan trọng là sinh viên phải viết ra dự đoán của họ trước khi bắt đầu xây dựng thiết kế của họ. Sau khi sinh viên đã xây dựng bộ biến thể dựa trên thiết kế của họ, họ đã sẵn sàng để kiểm tra chúng. |
| Kiểm tra thiết kế |
| Phương pháp đánh giá các thiết kế khác nhau thường dựa trên các ràng buộc mà thiết kế dự kiến đáp ứng. Thường thì phương pháp này có thể do học sinh quyết định, mặc dù hầu hết các thử thách thiết kế do giáo viên hướng dẫn trong các học phần đều đề xuất ít nhất về phương pháp kiểm tra khả thi.
Các thử nghiệm này nhằm bắt chước hành vi mà thiết kế sẽ thực hiện trong thế giới thực, ngoài việc đo lường các đặc tính vốn có của vật liệu. Điều này tập trung học sinh vào mối quan hệ giữa các thuộc tính này và các ứng dụng trong thế giới thực. Ví dụ, trong dự án thiết kế cần câu cá, học sinh tạo ra một danh sách các đặc điểm của cần câu cá, chẳng hạn như tính linh hoạt, sức mạnh, trọng lượng và chi phí. Sau đó, học sinh quyết định đặc điểm nào trong số những đặc điểm này là quan trọng nhất và quyết định phương pháp kiểm tra từng đặc điểm. Khi học sinh đã giải thích kết quả của các bài kiểm tra và xác định được hiệu suất của các thiết kế của mình, các em có thể phản ánh mối quan hệ giữa dự đoán và kết quả của mình. |
| Đánh giá thiết kế |
| Sau khi sinh viên xây dựng, thử nghiệm và đánh giá thiết kế ban đầu của họ, họ được yêu cầu phản ánh những gì họ đã học được từ thiết kế đầu tiên để xây dựng thiết kế thứ hai sẽ cải thiện trên bản gốc. Hỗ trợ cho sự phản ánh được đưa vào nhật ký sinh viên dưới dạng các câu hỏi để sinh viên xem xét.
Sinh viên sẽ có thể xác định các biến mà họ đã tìm thấy là có quan hệ nhân quả trong thiết kế ban đầu và tạo ra một thiết kế tối đa hóa (hoặc giảm thiểu) tác động của các biến đã biết. Học sinh thường trình bày kết quả của họ trước lớp và sử dụng phản hồi của lớp để phản ánh những ưu và khuyết điểm trong thiết kế của họ. |
| Thiết kế lại |
| Sau đó, sinh viên thực hiện và kiểm tra thiết kế lại, và phản ánh về hiệu suất của thiết kế này dựa trên những gì họ đã học về thiết kế trước đó của họ.
Quá trình này có thể được lặp lại vô thời hạn, vì sinh viên có thể tiếp tục áp dụng những gì họ đã học trong các lần lặp trước đó trong khi khám phá các biến mới trong không gian thiết kế. Học sinh cũng có thể tận dụng kết quả thiết kế của nhau, có tác dụng khám phá không gian thiết kế song song. |