Nilüfer ALTINDAĞ SÖNMEZ
Giriş
Dünyada olduğu gibi ülkemizde de öğretim programımızdaki içerikler çağın gereklerine uygun olarak sürekli yenilenip gelişmektedir. Yenilik ve Eğitim Teknolojileri Genel Müdürlüğü tarafından 2016 yılında ülkemizde hazırlanan “STEM Eğitim Raporu” doğrultusunda 2017 yılında Fen Bilimleri taslak programına “Fen ve Mühendislik Uygulamaları” dâhil edilmiştir (MEB, 2017). Program, raporda ona yönelik iletilen görüşler neticesinde yeniden düzenlenip 2018 yılında güncellenmiştir. Güncellenen programda “Bilimsel Süreç Becerileri”, “ Yaşam Becerileri’’ ve “ Mühendislik Tasarım Becerileri’’ alana özgü yetenekler olarak saptanmıştır. Mühendislik Tasarım Becerileri (MTB) çerçevesinde “Fen, Mühendislik ve Girişimcilik Uygulamaları” tek ünitede toplanmaktan ziyade her ünitenin kazanımları ile tek tek ilişkilendirilmiştir (MEB, 2018). Programda Fen, Mühendislik ve Girişimcilik Uygulamaları boyutunda öğrencilerden temalarda ele alınan konulara ilişkin günlük hayattan bir ihtiyaç veya problemi tespit etmeleri istenmektedir. Bunun yanında, problemin günlük hayatta kullanılan sistemleri geliştirmeye yönelik olması istenir. Problemin çözümünde, öğrenciler alternatif çözüm yollarını birbiriyle karşılaştırarak uygun olanı seçer ve çözüme yönelik planlama yapar. Sonraki evrede ürünü ortaya çıkarmaları ve sunmaları beklenir. Ürünün tasarım ve üretim süreci okul ortamında gerçekleştirilir. Öğrencilerden, ürün geliştirme safhasında deneme yapmaları, bu denemeler sonucunda elde ettikleri nitel ve nicel verileri, gözlemleri kaydetmeleri ve grafik oluşturma veya okuma becerileriyle değerlendirmeleri istenir (MEB, 2018). Öğretim programlarında mühendislik uygulamalarına yer verilmesinin bir nedeni de STEAM eğitimi disiplinleri arasındaki ilişkiyi anlamlandırıp bilim ve mühendislik arasındaki ilişkiyi güçlendirerek gerçek yaşamda uygulamaktır (Esen & Saralar-Aras, 2022; MEB, 2018). Bu yazı, mühendislik tasarım sürecini tanıtıp süreçteki basamakları özetle aktarmaktadır.
Mühendislik Tasarım Süreci
Mühendislik ve teknolojiye yönelik amacın gerçekleşmesi, sosyoekonomik kalkınma ve rekabet gücünü artırılması için öğrencilerin fen ve mühendislik uygulamalarını deneyimlemelerinin önemi her geçen gün daha iyi anlaşılmaktadır. STEAM eğitiminde ‘E’ disiplini olarak karşımıza çıkan mühendisliğin nasıl bir dizi süreç olduğundan bahsetmekte fayda vardır. Mühendislik kavramını insanları ihtiyaçlarını karşılamak için, matematik ve feni kullanarak kendi içerisinde çeşitli sınırlılıkları bulunan problemler için üretebilen karmaşık bir süreç olarak tanımlanmaktadır (Demircioğlu, 2022; Yıldırım, 2020). Araştırmacılar ve mesleki kuruluşlar, matematik ve fen derslerinde mühendislik uygulama sürecinin dâhil edilmesi için bazı gerekçeler sunmaktadırlar, bu gerekçeler aşağıdaki gibi listelenebilir:
- Mühendislik, matematik ve fen öğrenmek için gerçek dünya ile bir bağlam sağlar.
- Mühendislik tasarımının görevleri, problem çözme becerilerini geliştirmek için bir bağlam sağlar.
- Mühendislik tasarım görevleri karmaşıktır ve bu nedenle mühendislik iletişim becerilerinin gelişmesine ve takım çalışmasına teşvik eden bir disiplindir.
Mühendislik tasarımı günlük hayatta karşılaştığımız zorluklara ve bu zorlukların oluşturmuş olduğu gerçek problemlere dayanır. Bu nedenle STEAM eğitimi için ideal bir temel oluşturur (Tuhtakaya, 2019).
Problemin tanımlanmasıyla başlayan mühendislik tasarım süreci, alternatif çözüm yollarının geliştirilmesi, en iyi çözümün seçilmesi, çözüme yönelik prototip oluşturulması, çözümün test edilmesi ve değerlendirilmesi, çözümün sunulması ve gerekiyorsa revize edilmesi gibi adımlardan oluşmaktadır (Hynes, 2011).
Aşağıda listelendiği gibi, mühendislik tasarım süreci döngüsünde basamaklar birbiri ardına sıralanmıştır. Fakat bu durum sürecin doğrusal olduğu anlamına gelmemektedir. MTS farklı basamaklar arasında geçiş yapılabilen kendi içinde dinamik bir süreçtir (Turan vd., 2021). Yazının devamında, bu basamaklardan bahsedilmektedir.
1. Problemin veya ihtiyaçların belirlenmesi
MTS’nin ilk aşaması problemi belirlemedir. Bu aşama bireylerin çevresindeki problemler veya ihtiyaçlar doğrultusunda ortaya çıkar (Bybee, 2010). Problemi belirleme aşaması tasarım sürecinin gidişatını belirleyen önemli bir aşamadır (Hynes vd., 2011). STEM eğitiminde günlük hayat problemlerinin keşfedilmesi ve çözülmesi ön planda olan bir aşamadır. Bu aşamada problem ayrıntılı incelenerek kriter ve sınırlılıklar belirlenir (Şen, 2018). Kriter ve sınırlılıkları dikkatli bir şekilde belirlemek modelin başarılı bir şekilde tasarlanmasını sağlar (Brunsell, 2012; Fortus vd., 2004.
2. İhtiyaç ve problemleri araştırma
Mühendislik komitesinin okul öncesinden on ikinci sınıfa kadar olan eğitimde mühendislik tasarımı için belirlediği aşamalardan birincisi; problemi belirleme ve çözüm için araştırma yapmaktır (NAE ve NRC, 2009). Bu aşamada amaç, problemin çözümü için öğrencilerin önce bireysel sonra grupça araştırmalar yaparak, farklı çözüm önerileri için bilgi edinmelerini sağlamaktır. Genellikle ilk bulunan çözüm üzerinde fazlasıyla durulduğu için, öğrencilerdeki yaratıcılığı geliştirmek adına onları araştırma yapmaya ve eleştirel düşünmeye yönlendirmek oldukça önemlidir (Gök, 2019).
3. Olası çözümlerin geliştirilmesi
Bu aşamada öğrenci direkt bir çözüm önerisi sunması yerine birden fazla çözüm önerisi üretmesi için telkin edilmelidir çünkü gerçek yaşam problemlerinde birden fazla çözüm olabilir (Altaş, 2018; Hynes vd., 2011). Bu çözüm önerilerine ulaşırken öğrencilerin süreci aktif olarak kullanmaları ayrıca fikir alışverişinde bulunarak grup çalışmaları yapmaları beklenir (Hynes vd., 2011; Wendell vd., 2010). Olası çözümler geliştirme aşamasında öğrenciler problem hakkında araştırma yapar ve detaylı bir çalışma raporu oluşturur, bu aşamada yaratıcılığın en üst düzeyde olduğu da söylenmektedir (Brunsell, 2012; NAE ve NRC, 2009). Ayrıca, öğrencilerin bu aşamada kriter ve sınırlılıklar çerçevesinde problemin çözümüne yönelik oluşturdukları çizimleri, fikirlerini ve kullanacağı malzemelerin özelliklerini de not etmeleri gerekmektedir (Bozkurt, 2014).
4. En iyi çözümün seçilmesi
Olası çözümler aşamasından sonra en iyi çözümün seçilmesi karar verme süreci gerektiren bir aşamadır (Ercan ve Bozkurt, 2013). Kriter ve sınırlılıklar göz önünde bulundurularak ihtiyaca yönelik en iyi çözümün seçilmesi beklenmektedir (Brunsell, 2012; Hynes vd., 2011). Yapılması düşünülen prototip için düşünülen kaynaklar yeterli, kriter ve sınırlılıklar ile uyumlu olmalıdır. Eğer en iyi çözüm yolu için karar verilemez ise kriter ve sınırlılıklardan ödün verilerek (trade-off) en uygun çözüm oluşturulur (Brunsell, 2012). Bu aşamaya optimizasyon aşaması da denir (NAE ve NRC, 2009). En iyi çözümün seçilmesinden sonra prototip yapılmaya başlanır.
5. Prototipin yapılması
Tasarımların görsel olarak sunulması için bu aşamada seçilen en iyi çözüm somutlaştırılır (Çepni, 2018). Öğrenciler prototipi oluşturma sürecinde plan yapar, ihtiyaçları listeler, kimlerin bu konu üzerinde ne tür araştırmalar yaptığını belirler (MEB, 2017). Prototipin yapılması, çizilen modelin bir üst seviyeye taşınmasını sağlamasının yanında çözümün test edilmesine de imkân sağlar (Gök, 2019). Öğrencilere prototipin yapılması aşamasının mutlak çözüme ulaşma anlamına gelmeyeceğinin, eğer ihtiyaç duyulursa prototipin eksik yönlerinin tekrar inşa edilebileceğinin farkındalığını oluşturmak gereklidir (Hynes vd., 2011).
6. Çözümleri test etme ve değerlendirme
MTS’nin bu aşamasında problemin çözümüne ulaşmak için yapılan prototip test edilerek zayıf veya eksik yönleri belirlenip gerekirse tekrar revize edilir (Hynes vd., 2011; NAE ve NRC, 2009). Prototip hazırlandıktan sonra “problemin çözümü için yeterli mi?”, “İşe yarıyor mu?” gibi bazı sorulara cevap aranarak sorun teşkil eden durumların belirlenip çözülmesi sağlanır (Uzel, 2019). Prototipin test edilmesi süreci boyunca öğrenciler gözlem yaparak verileri kaydetmeli ve sonuçları gözden geçirerek tartışmalıdır.
7. Çözümlerin sunulması
Mühendisler MTS boyunca her aşamada elde ettikleri bulguları yazılı veya sözlü sunarak karşılıklı paylaşırlar (Hynes vd., 2011). Paylaşım sonrası eleştirel bir bakış açısı ile verilen dönütler tasarımın daha iyi bir hale getirilmesini sağlamada önem teşkil etmektedir (Hynes vd., 2011). Öğrencilerin problemin çözümüne yönelik tartışmalara aktif olarak katılmaları, mühendisliğin ve bilimin toplum yararına nasıl kullanıldığının farkına varmaları açısından önemlidir (MEB, 2017). Çözümlerin sunulması aşaması öğrencilerin kendini ifade etme becerilerini geliştirmeleri, özgüven kazanmaları ve mühendislerin ve bilim insanlarının problemin çözümü için izledikleri süreci anlamaları açısından önemlidir (Esen & Saralar-Aras, 2022).
8. Yeniden tasarlama
Yeniden tasarlama aşamasında, hazırlanan tasarımın ihtiyaçlara ne kadar cevap verdiği, yapılan sunumlar ve dönütler sonucunda değerlendirilir ve prototip tekrar amaç doğrultusunda revize edilir. Bu aşama yapılacak herhangi bir iyileştirme, mühendislik tasarım sürecindeki tüm basamaklar ile etkileşim anlamına gelir (Hynes vd., 2011). Bu süreç, yapısı itibariyle kendi içinde dinamik ve döngüsel bir süreçtir. Bu aşamadan sonra yapılan tasarımın amaca hizmet edip etmediği tekrar tekrar gözden geçirilip farklı basamaklara giderek eksik görülen yerler revize edilerek ürünün uygun şekilde tasarlanması sağlanır (MEB, 2017). Mühendislik tasarım süreci sonunda öğrenciler;
- problemin çözümüne giden yolda her bir basamağı bireysel çaba göstererek öğrenirler,
- bilimsel süreç becerilerini kullanarak yenilikçi çözüm önerileri geliştirirler,
- karşılaştıkları farklı durum ve olaylara karşı adapte olmaları kolaylaşır,
- gerçek hayat problemlerine karşı karmaşık fikirler geliştirebilirler ve
- var olan bilgiler üzerinden yeni durumlara karşı daha yaratıcı bakış açısı ile çözüm geliştirebilirler (Tuhtakaya, 2019).
Tuhtakaya (2019), öğrencilerin süreç sonunda kazandığı becerileri bu şekilde listelerken, diğer araştırmacıların sıralamaları da çok farklı değildir. Örneğin Ertepınar (2018)’in listesi şu şekildedir;
- Kendi performansları ile öğrenirler.
- Bilimsel bir problem üzerinde alternatif çözümler üretmeye teşvik edilirler.
- Gerçek ortamlarda beceriler geliştirirler.
- Bilimsel problem çözümü için uygun ortamlar elde ederler.
- Farklı ortamlara uyum sağlama becerisi kazanırlar.
- Var olan bilgiyi yeni bilgiyle bütünleştirerek yapılandırırlar.
Bu süreçte öğretmen klasik öğretmen modeli yerine rehberlik eden, yaratıcı düşünmelerine fırsat veren, üst düzey düşünme ortamları sunan birey rolündedir (Ertepınar, 2018).
Sonuç
Sonuç olarak, STEM uygulama yollarından biri olan Mühendislik Tasarım Süreci öğrencilere disiplinler arası iş birliği, yaratıcılık ve problem çözebilme, üst düzey düşünebilme gibi becerileri kazandırmayı hedefleyen bir eğitim yaklaşımıdır (Kutlu vd., 2021). Son yıllardaki fen eğitimi araştırmaları da fen öğretiminin geliştirilmesi için mühendislik tasarımı tabanlı yaklaşımın kullanılmasının gerektiğini göstermektedir (Tezel ve Yaman, 2017). Ayrıca, araştırmalar sonucunda STEM eğitiminin ve MTS’nin fen eğitiminde olması gerektiği ortaya çıkmaktadır. Bunun sebebi, birçok becerinin kazanılmasını sağlayan MTS etkinliklerinin uygulama odaklı olması olabilir (Tezel ve Yaman, 2017; Turan vd., 2021). Uygulamalar sayesinde öğrencilerin öğrenmeleri kolaylaşacak ve öğrenciler öğrendiklerini günlük yaşamlarında kullanacaklardır (Yıldırım ve Selvi, 2015). İlköğretimde çocukların meraklarına yönelik fen eğitimi ne kadar önemli ise, tasarım yeteneklerine yönelik mühendislik eğitimi de o kadar önemlidir. Bu yazı ile mühendislik tasarım sürecinin basamakları kısaca aktarılmış, öğretmenlerimiz için bir tanıtım olarak sunulmuştur.
Kaynakça
Altaş, S. (2018). STEM eğitimi yaklaşımının sınıf öğretmeni adaylarının mühendislik tasarım süreçlerine, mühendislik ve teknoloji algılarına etkisinin incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Muş Alparslan Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Muş.
Bozkurt, E. (2014). Mühendı̇slı̇k tasarım temellı̇ fen eğı̇tı̇mı̇nı̇n fen bı̇lgı̇sı̇ öğretmen adaylarının karar verme becerisı̇, bı̇lı̇msel süreç becerilerı̇ ve sürece yönelik algılarına etkisı̇, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Eğitim Bilimleri Enstitüsü, Ankara.
Brunsell, E. (2012). The engineering design process. Brunsell, E. (Ed.) Integrating engineering + science in your classroom (3-5), Arlington, Virginia, National Science Teacher Association Press.
Bybee, R. W. (2010). What is stem education?, Science, 329, 5995, 996-996.
Çepni, S. (2018). Araştırma ve proje çalışmalarına giriş, Celepler Matbaacılık Yayın ve Dağıtım, Trabzon.
Demircioğlu, H. (2022). Popüler Bilim Dergilerinde Mühendislik Tasarım Sürecinin İncelenmesi: Bilim Çocuk Dergisi Örneği, Yüksek Lisans Tezi Aksaray Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü: Aksaray.
Ercan, S., & Bozkurt, E. (2013). Expectations from engineering applications in science education: decision-making skill, IOSTE Eurasian Regional Symposium & Brojerage event Horizon 2020, Antalya, Turkey.
Ertepınar H. (2018). Okul öncesinden üniversiteye kuram ve uygulamada STEM eğitimi. Ankara: Anı Yayıncılık.
Esen, B. & Saralar-Aras, İ. (2022). Çokgenler Konusunun Öğretiminde RETA Modelinin Öğrencilerin Başarı ve Algılarına Etkisi. Necmettin Erbakan Üniversitesi Ereğli Eğitim Fakültesi Dergisi, 4(2) , 96-121. https://dergipark.org.tr/tr/pub/neueefd/issue/74813/1214521
Fortus, D., Dershimer, R. C., Krajcik, J. S., Marx, R. W. ve Mamlok-Naaman, R. 2004. Design-based science and student learning, Journal of Research in Science Teaching, 41, 10, 1081-1110.
Hynes, M., Portsmore, M., Dare, E., Milto, E., Rogers, C., Hammer, D., & Carberry, A. (2011). Infusing engineering design into high school STEM courses. NCETE Publications. 165.
Milli Eğitim Bakanlığı [MEB]. (2017). STEM Eğitimi Raporu. MEB YEĞİTEK.
Milli Eğitim Bakanlığı [MEB]. (2018). Fen bilimleri dersi. öğretim programı. (İlkokul ve Ortaokul 3, 4, 5, 6, 7 ve 8. Sınıflar). Ankara.
National Academy of Engineering and National Research Council [NAE & NRC]. (2009). Engineering in K-12 education: Understanding the status and improving the prospects. Washington: National Academies Press.
Tezel, Ö., & Yaman, H. (2017). FeTeMM eğitimine yönelik Türkiye’de yapılan çalışmalardan bir derleme. Eğitim ve Öğretim Araştırmaları Dergisi, 6(1), 135-145.
Tuhtakaya, N. (2019). Fen bilimleri Öğretmen Adaylarının Mühendislik Tasarım Süreci Uygulamalarına Yönelik Görüşleri, Mühendislik Becerileri ve Bilimsel Yaratıcılıklarının Değerlendirilmesi, Yüksek Lisans Tezi Mersin Üniversitesi, Eğitim Bilimleri Enstitüsü: Mersin.
Kutlu, E., Güzel, U., Yılmaz, C. N., Okşar, F. Ş., & Engin, A. (2021). Fen bilimleri eğitiminde STEM çalışmaları. İ. Saralar-Aras (Ed.), Okul öncesinden ortaöğretime farklı disiplinlerde STEM eğitimi uygulamaları (s.223-253). Ankara, Türkiye: Millî Eğitim Bakanlığı D.S.İ./ Yenilik ve Eğitim Teknolojileri Genel Müdürlüğü.
Turan, A., Soysal, M. H., Dümbüllü, T., & Çelikkol, Ö. (2021). Teknoloji, tasarım odaklı düşünme, mühendislik tasarım süreci ve STEM projeleri. İ. Saralar-Aras (Ed.), Okul öncesinden ortaöğretime farklı disiplinlerde STEM eğitimi uygulamaları (s.99-130). Ankara, Türkiye: Millî Eğitim Bakanlığı D.S.İ./ Yenilik ve Eğitim Teknolojileri Genel Müdürlüğü.
Uzel, L. (2019). 6. Sınıf madde ve ısı ünitesinde gerçekleştirilen mühendislik tasarım temelli uygulamaların öğrencilerin problem çözme ve tasarım becerilerine etkisinin değerlendirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Aksaray Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Aksaray.
Yıldırım, M. T. (2020). Sinir Sistemi’nin Öğretiminde FeTeMM Tabanlı Arduino Robotik etkinliklerinin Akademik Başarı ve Mühendislik Süreci Üzerine Etkileri, Yüksek Lisans Tezi Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi, Eğitim Bilimleri Enstitüsü: Muğla.
Yıldırım, B., & Selvi, M. (2015). Adaptationof STEM attitude scale to turkish. Electronic Turkish Studies, 10(3).
Wendell, K. B., Connolly, K. G., Wright, C. G., Jarvin, L., Rogers, C., Barnett, M., & Marulcu, I. (2010). Incorporating engineering design into elementary school science curricula, American Society for Engineering Education Annual Conference & Exposition, Louisville, KY.