مدخل STEM (العلوم – التكنولوجيا – التصميم الهندسى - الرياضيات)

 مدخل STEM (العلوم – التكنولوجيا – التصميم الهندسى - الرياضيات)

   يعد مدخل STEM (العلوم - التكنولوجيا - التصميم الهندسى - الرياضيات) من أهم الاتجاهات، والمداخل العالمية فى تصميم المناهج الآن بعد أن أثبت فعاليته على مدار ثلاثة عقود من تطبيقه فى الولايات المتحدة الأمريكية، والمملكة المتحدة، وجنوب إفريقيا، وبعض الدول الأخرى. ويتكامل فى بناء هذا المدخل فروع العلوم، والرياضيات مع التكنولوجيا. ويعتمد على التعلم من خلال تطبيق الأنشطة العملية التطبيقية، وأنشطة التكنولوجيا الرقمية، والكمبيوترية، وأنشطة متمركزة حول الخبرة عن طريق الاكتشاف، والتحرى، وأنشطة الخبرة اليدوية، وأنشطة التفكير العلمى، والمنطقى، واتخاذ القرار.

    يعتمد تصميم مناهج STEM على التمركز حول الخبرة المفاهيمية المتكاملة؛ والتمركز حول حل المشكلات، والتحرى، والتطبيق المكثف للأنشطة العملية؛ والتمركز حول الخبرة المحددة، والموجهة عن طريق الذات؛ والبحث التجريبى المعملى فى ثنائيات، وفرق؛ والتقويم الواقعى متعدد الأبعاد والمستند على الأداء؛ والتركيز على قدرات التفكير العلمى، والإبداعى، والناقد.

ويتمثل منهج STEM فى المواد الدراسية التالية:

1.  العلوم: تتضمن المعارف، والمهارات؛ وطرق التفكير العلمى، والإبداعى، واتخاذ القرار.

2.  التكنولوجيا: تتضمن التطبيقات العلمية، والهندسية؛ وعلوم الكمبيوتر.

3.  التصميم الهندسى: تتضمن عنصرين يحققا التعلم المتمركز حول التصميم الهندسى وهما: تقديم قاعدة أساسية من الثقافة التكنولوجية فى مرحلة المدرسة الثانوية، وإعداد الطلاب لدراسة التصميم الهندسى فيما بعد مرحلة المدرسة الثانوية.

4.  الرياضيات: تتضمن تدريس قاعدة عريضة من أساسيات الرياضيات، وحل المشكلات الرياضية.

1)   متطلبات تطبيق مناهج STEM

  يناقش Stephanie, Pace Marshall, 2008)) متطلبات تطبيق مناهج STEM، ويشير إلى ثلاثة محاور رئيسة للتغيير من المنهج التقليدى إلى منهج متكامل الخبرات كما يلى:

1.   تغيير رؤية تدريس العلوم، والرياضيات من حيث أن يصبح ما يتم تدريسه من العلوم، والرياضيات المدرسية مطابقاً لواقع العلوم، والرياضيات.

  تواجه التربية العلمية خطورة من التعليم المدرسى الذى لا يقدم العلوم فى صورة خبرات، أو يعزز التساؤل، والاكتشاف، ولا يساعد على فهم المواد العلمية، أو يعزز الفهم العميق للخبرة الإنسانية. كما أن تدريس العلوم مازال يتسم بصفات الجمود، والسلبية، والملل، والصعوبة، وينفر من دراسته معظم الطلاب فى المدرسة الثانوية، وذلك للأسباب التالية:

·     السلبية فى تعلم الطلاب لكمية هائلة من المعلومات المرتبة الحقيقية التى يلعب بها المدرس دور الناقل للمعلومات بدون توفير فرص الأسئلة، والمناقشة، والاكتشاف.

·     التركيز على الحفظ، والاستظهار لمعلومات مجاب عنها مسبقاً.

·     فقدان الاستمتاع، والتشويق، والرغبة فى البحث، والأقدام على المغامرة فى التجريب، والتحقق العلمى.

·     انعزال العلوم عن باقى فروع العلم، وقلة تقديم المفاهيم المتكاملة، والبينية.

·     البعد عن ربط تدريس العلوم بالمحتوى الاجتماعى للطلاب، وحياتهم اليومية.

  وتسعى مناهج الخبرات المتكاملة إلى تحقيق احتياجات تدريس العلوم، والرياضيات وهى كما يلى:

·     التركيز على مهارات التحرى، والاكتشاف.

·     الاعتماد على التحليل، والانعكاس.

·     تكوين الفروض، والتجريب العلمى.

·     إصدار الحكم المعتمد على الدليل.

·     الانغماس فى التعجب، والتساؤل.

·     الانغماس فى المعنى، وليس المعرفة.

·     الانغماس فى البحث، والاكتشاف، وليس التحصيل.

·     الانغماس فى التعاون، وليس التنافس.

·     تحقيق الاعتماد على بعضنا البعض، وليس الاستقلالية.

·     تحقيق الثقة، وليس الخوف.

2.   تغيير طريقة تدريس العلوم، والرياضيات فى المدرسة بحيث يتحول الطلاب إلى الانغماس فى المعرفة العلمية، والمهارات، والعادات العقلية، ليقوموا بفعل العلوم والبحث، والتحرى، وحل المشكلات الإبداعية، والتفكير العلمى.

  ومن احتياجات تصميم مناهج STEM تضمين ما يلى من خبرات:

·      منهج خبراتى متكامل متمركز حول المفاهيم

Concept-centered, experiential and integrative curriculum.

·      تدريس يرتكز على التحرى، ويتمركز حول حل المشكلات، ويتضمن التكنولوجيا.

Inquiry-based, problem-centered, and technology embedded instruction

·      التطبيق العملى، والممارسة المكثفة للأنشطة البحثية، والاستكشافية بتوجيه ذاتي، أو فى مجموعات موجهة عن طريق مرشد، أو فرق تعاونية.

 Extensive practice and immersion in self-determined and self-directed investigation and research

·     تقويم يعتمد على الأداء، وتقويم واقعى، مستمر، متعدد الأبعاد.

Authentic, on-going, multi-dimensional, and performance-based assessment

3.   تغيير الرؤية، وأهداف التعليم بحيث تسعى إلى تحقيق فهم العلوم، والرياضيات وتطبيقاتهما التكنولوجية من قبل جميع أفراد الشعب، وليس لفئة من الصفوة العلمية فقط.

     ومن احتياجات تغيير الرؤية (Stephanie, Pace Marshall, 2008) أن نحقق ما يلى:

·     تدريس العلوم، والرياضيات بواقعية.

·     اعتماد تصميم المناهج على نتائج العلوم النفسية، والتعلم المعرفى، وتكنولوجيا التعلم.

·     تغيير تركيب المنهج، وأدواره.

·     العناية بالتخيل، والتحرى.

·     صيانة التجديد.

·     التحدث بفهم للغة العلوم، والرياضيات.

·     وصول النظام، والطلاب لتحقيق الذكاءات المتعددة، والعقل المتكامل Global Mind.

2)   رؤية مقترحة لتطبيق مناهج STEM للتعلم المستمر مدى الحياة

A streamlined vision for a life-long STEM education

أوضح Locke Edward, 2009)) أن الولايات المتحدة الأمريكية تتبنى رؤية تربوية لتدريس مناهج STEM فى جميع المراحل الدراسية فى الآونة الأخيرة. وتبدأ بتطبيق منهج STEM فى المرحلة الأولى، والابتدائية على التلاميذ بصورة عامة. وذلك بتدريس أساسيات الرياضيات، وقاعدة من العلوم، والتكنولوجيا الهندسية. ويطبق المنهج أيضا فى المرحلة المتوسطة عامة على كافة التلاميذ بتدريس الرياضيات، مع دراسة مكثفة للتكنولوجيا عن طريق معامل التجريب، والمحاكاة، والتصنيع، والفنون الصناعية، وComputer-aided design (CAD)، و .Computer-aided manufacturing (CAM) أما فى المدرسة الثانوية فيكون دراسة منهج STEM اختيارى، ويكون بتدريس الرياضيات، والكيمياء، والفيزياء، ومسار متخصص لمنهج فى العلوم، والتكنولوجيا الهندسية كما يلى: يتم دراسة الرياضيات، وعلوم البيولوجى، والأرض، والفضاء وغيرها؛ والتصميم الهندسى، والميكانيكية، والمدنية، والكهربية وغيرها؛ وتكنولوجيا الCAD، والتصنيع، والتصميم الإنتاجى، وغيرها.

3)  التربية الهندسية فى مناهج  STEM

يدعمDaugherty, 2010) ) دعوة الجمعية القومية للهندسة فى الولايات المتحدة الأمريكيةThe National Academy of Engineering Committee  إلى تناول التربية الهندسية فى مناهج التعليم.  وذلك لأن هناك علاقة وثيقة بين تعليم التصميم الهندسى، وكلا من الرياضيات، والعلوم. وتستخدم التصميم الهندسى، والعلوم والرياضيات فى وصف، وتحليل البيانات، ووصف، وبناء النماذج ضمن تطبيقاتها. كما أن الأبحاث، والتطبيقات العملية فى تناول التكنولوجيا، والتصميم الهندسى، والتى يمكن إثراء الأنشطة التعليمية بها، تحقق أهداف مرغوبة فى التعليم المعاصر. وكذلك تحقق التكامل بين العلوم التى تتضمنها مناهج STEM من خلال تضمين التصميم الهندسى للعلوم، والرياضيات. ويضمن ذلك تطوير العملية التعليمية من حيث الأبعاد التالية: تطوير معايير التعلم، واستخدام تكنولوجيات تدريسىة جديدة، ودراسة المزيد من المداخل الفعالة فى المناهج، والطرق التدريسىة، وتطبيق مداخل تزيد من التفاعل والتكامل مع المجتمع.

   كما أكد  (Locke Edward,  2009) على أهمية المعرفة، والمهارات الهندسية فى بناء نموذج مناهج STEM فى ضوء ما سماه النموذج الهندسى Model for a Streamlined, Cohesive, and Optimized K-12 Engineering Curriculum. وذلك بالتركيز على محتوى المعرفة الهندسية عن طريق تضمين المبادئ التحليلية، والمهارات التنبؤية، والتى تعتمد على التمكن من مبادئ العلوم، والرياضيات لجميع الصفوف الدراسية. ويتم تطبيق النموذج بالتواصل فى تدريس المعرفة، والمهارات الهندسية من خلال منهج المرحلة الأولى، والابتدائية، ثم فى المدرسة المتوسطة، والعليا، وحتى التعليم الجامعى العالى.

4)     نموذج علوم الكمبيوتر CS  فى مناهج STEM

  تعتمد مناهج STEM على منظومة من علوم الكمبيوتر اعتماداً أساسياً. ولابد من تدريس علوم الكمبيوتر جنباً إلى جنب لتدريس العلوم، والرياضيات عند تطبيق مناهج STEM. وقدم (Heldman, Bill,2010)  نموذجاً فى منهج علوم الكمبيوتر لجميع المستويات الدراسية كما يلى:

1.  مدخل فى علوم الكمبيوتر: ويتم تدريسه فى المرحلة الابتدائية، وذلك بتقديم المفاهيم المدخلية فى علوم الكمبيوتر بصورة متكاملة مع المهارات الأساسية فى التكنولوجيا مع أفكار بسيطة من التفكير الحسابى، وذلك عن طريق إضافة موديولات تعليمية لمنهج الرياضيات، أو العلوم، أو الدراسات الاجتماعية، أو تقديمها فى منهج متخصص.

2.  علوم الكمبيوتر فى العصر الحديث: ويتم تدريسه فى المرحلة المتوسطة، وفيه يكتسب التلاميذ قاعدة واضحة من فهم مبادئ، وطرق، وتطبيقات علوم الكمبيوتر فى العصر الحديث. ويركز هذا المنهج على المفاهيم المدخلية التى تندرج تحت علوم الكمبيوتر، والمعارف، والمهارات التى يجب أن يكتسبها التلاميذ. ويمكن تدريسه فى عام واحد لهؤلاء التلاميذ فى هذه المرحلة.

3.  علوم الكمبيوتر كتحليل وتصميم: ويتم تدريسه فى بداية المرحلة الثانوية كمادة اختيارية فى منهج لعام واحد. ويمكن دمجه فى المناهج الاختيارية فى فروع العلوم، والرياضيات. وسيساعد هذا المنهج الطلاب ذوى الميول والذين يختاروا مجال علوم الكمبيوتر للعمل، والاحتراف مستقبلاً. ويركز المنهج على دراسة الأبعاد العلمية والهندسية فى علوم الكمبيوتر، والمبادئ الرياضية، وحل المشكلات الحسابية، والبرمجة، وتصميم البرامج، والشبكات، والأثر الاجتماعى للكمبيوتر.

4.    موضوعات فى علوم الكمبيوتر: ويتم تقديمها للطلاب فى نهاية المرحلة الثانوية، وفيه تقدم مواد اختيارية متعمقة فى أحد فروع علوم الكمبيوتر، على سبيل المثال: التعمق فى دراسة البرمجة الحاسوبية، ويتم تدريسها عن طريق الاعتماد على تصميم المشروعات فى صورة تصميم وسائط متعددة، وتقدم كمنهج تجارى يؤدى إلى مهنة محترفة فى علوم الكمبيوتر.

5)   مناهج STEM والتربية من أجل التنمية المستدامة ESD

أستعرض  Pitt, James, 2009)) علاقة مناهج STEM  بتحقيق التربية من أجل التنمية المستدامةEducation for Sustainable Development   فى المجتمع. وقد وضح أنه يمكن للمعلم من خلال مناهج STEM  تخطيط التدريس الذى يحقق التنمية المستدامة. وتسعى هذه المناهج إلى كسر الحواجز بين المواد الدراسية، وتحقيق القيمة مع الفعل فى التعلم بطريقة إبداعية. ولأن التنمية المستدامة هي تحقيق التنمية التى تقابل احتياجات الحاضر واضعة فى الاعتبار عدم تفويت الفرصة على الأجيال القادمة فى تحقيق احتياجاتها؛ فأنها تهتم بالاقتصاد، والأبعاد البيئية، والاجتماعية وفقاً لمعايير تراعى احتياجات الحاضر، والمستقبل. ومن أهم موضوعاتها الإنتاج، والاستهلاك، والتغير المناخى، والطاقة، والموارد الطبيعية، والمجتمعات الإنسانية.

   وإنه من خلال مدخل STEM يمكن أن يقدم المدرس أنشطة تعتمد على حل المشكلات البيئية مثل: الموضوعات المتعلقة بموضوع الطاقة، وتصميم أجهزة لتحويل الطاقة من الشمس والرياح. وكذلك من الموضوعات الهامة التى تستحق الاهتمام والدراسة، والتى تسعى التربية لفهمهما باستخدام مدخل STEM موضوع التغيير المناخى، والمخلفات البيئية. ويمكن فهم، وتعريف الأسباب المؤدية لهذه المشكلات، وإيجاد التصميم الذكى لها، واتخاذ القرار تجاهها. ويمكن تناول موضوعات التنمية المستدامة الملحة من خلال حث الطلاب على التفكير فى المشكلات الحياتية الواقعية، وتحسين مهارات الاتصال، والعمل فى فريق، وتنمية مهارات التفكير العليا. وذلك بحيث يسعى المدرس إلى تحقيق التكامل بين العلم، والتصميم الهندسى، والتكنولوجيا فى تدريسه.

6)   مناهج STEM وتنمية التفكير الفراغى Spatial Thinking

  من أهداف تدريس منهج STEM اكتساب الطلاب أنماط من التفكير، ومن أهمها: التفكير الفراغى Spatial thinking. وقد عرفتNewcombe, Nora S., 2010)) التفكير الفراغى على أنه: الاهتمام بموقع تواجد الأجسام، وشكلها، والعلاقة بين بعضها البعض، والمسارات التى تسلكها عندما تتحرك. ويتكون التفكير الفراغى من عدة أبعاد تسعى مناهج STEM على تنميتها لدى الطلاب، وتتشارك معها بصورة تامة، وهى كالتالى:  التخيل الفراغى ثلاثى الأبعاد Three-dimensional spatial visualization، والتخيل الفراغى ثنائى الأبعاد Two-dimensional spatial visualization، والتفكير الميكانيكى Mechanical reasoning، والتفكير المجرد .Abstract reasoning وعلى المعلمين أن يفهموا ما التفكير الفراغى، وكيف يطبقوا أنشطة تؤدى إلى تنميته لدى التلاميذ، والطلاب فى فصولهم.

   كما أن هناك لغة مقصودة، ومصطلحات يجب أن يستخدمها المدرسون لتعزيز التفكير الفراغى لدى المتعلمين. ويعمل المدرسون على تضمين أنشطة التفكير الفراغى من خلال دراسة العلوم، والتكنولوجيا، والتصميم الهندسى، والرياضيات عن طريق الاهتمام بأنشطة القياس الإبداعى، ومهارات قراءة الخرائط، وأنشطة المقارنة والاختلافات بين الأجسام، وأنشطة الرسم، والتمثيل الشكلى للأجسام، والتصوير، وأنشطة تكوين الأجسام والأشكال مثل أنشطة الأوراق المطوية (أوري جامى Origami 折り紙).

7)  المشروعات التربوىة التى تبنت منهج STEM

   استعرض (Daugherty, 2009) مجموعة من المشروعات التى تتبنى مدخل STEM فى المرحلة الثانوية كالتالى:

1.  مشروع هندسية المستقبل: العلوم، والتكنولوجيا، وعملية التصميم

Engineering the Future

    هذا المشروع تم تصميمه من قبل The National Center for Technological  Literacy (NCTL)  بولاية بوسطن الأمريكية. وفيه يدرس طلاب الصف الأول الثانوى لمدة عاماً كاملاً بنظام محاضرات قصيرة، وأنشطة الخبرة باليد فى ورش عمل. وقد تم إعداد مناهج المشروع على الإنترنت لمساعدة المعلمين على تقديم المنهج، والتدريب عليه، ونشره قومياً. ويتبنى هذا المشروع طريقة E5: الدمج engage، الاكتشاف explore، التفسير explain ، التفصيل elaborate ، التقويم  .evaluate

2.  مشروع قيادة الطريق Project Lead the Way (PLTW)

هذا المشروع برنامج تدريسى تم تصميمه لمساندة تأهيل الطلاب فى المرحلة الثانوية لدراسة التصميم الهندسى، وبرامج التكنولوجيا الهندسية. ويتم إدماج التلاميذ الذين يدرسوا منهج "مدخل إلى التكنولوجيا" فى المرحلة المتوسطة، والطلاب الذين يدرسوا منهج "المسار إلى التصميم الهندسى" فى تدريبات المشروع لمدة أسبوعين بواقع ثمانين ساعة تدريبية. ويتكون هذا البرنامج من عدة عناصر وهى: التقويم الذاتى، والتدريب المبدئى، والتدريب المركزى فى معاهد تدريب متخصصة صيفية، والتدريب المستمر. ويتم اختيار المعلمين لهذا البرنامج من المعلمين الذين يجتازوا اختبار مهارات فى المواد التالية: العلوم، والرياضيات، وعلوم الكمبيوتر.

3.  مشروع الرياضيات خلال مناهج المدرسة المتوسطة (MSTP)

Mathematics across the Middle School Curriculum Project

   يتبنى هذا المشروع فى المدرسة المتوسطة مؤسسة العلوم القومية National Science Foundation (NSF). ويركز المشروع على إدماج الرياضيات فى التربية التكنولوجية من خلال تضمين مشكلات التصميم الهندسى. ويهتم المشروع بتنمية المعلمين مهنياً فى هذا المجال من خلال تدريب المدربين على هذا المشروع، ومقابلة المعلمين، وعقد ورشتين عمل كما يلى:  تطبيق أمثلة من الدروس فى الورشة الأولى، ثم تطبيق مجموعة من الدروس، ثم مناقشة نتائج أنشطة الطلاب فى الورشة الثانية. ويتركز التدريس على تطبيق دروس .Mathematics-infused design 

4.  مشروع الحدود المتناهيةThe Infinity Project 

   هذا المشروع تعاون مشترك بين جامعة جنوب ميثوديست Southern Methodist University (SMU) وشركة تكساس للأجهزةTexas  Instruments  ويطبق المشروع منهج بعنوان  Engineering Our Digital Future لمدة عام لطلاب المرحلة الثانوية العليا. وتستخدم المواد التعليمية للمنهج متضمنة أدوات معملية وأجهزة، وكتيبات، وأدلة معلم، وبرامج كمبيوترية. ويتم تدريب المعلمين بالجامعة على تدريس هذا النوع من المنهج مع التركيز على المهارات المعملية، واستخدام الأجهزة، والبرامج.

5.  مشروع الألهام الإبتكارى   Project INSPIRES

    يمول هذا المشروع  National Science Foundation  (NSF) بهدف زيادة إقبال الطلاب على دراسة العلوم، والتصميم الهندسى، وإعدادهم للعمل فى مجال التكنولوجيا، والتصميم الهندسى. ويتم تقديم منهج يركز على المفاهيم، والمهارات الهندسية المستهدفة. ويتضمن المنهج خمس موديولات عن موضوعات متخصصة فى التصميم الهندسى، والمتصلة بالمجالات العلمية، وعلى سبيل المثال: تصميم حلول لمشكلة نظام الطاقة المتجددة.