2135
Pengintegrasian Reka Bentuk Kejuruteraan Dalam Pengajaran & Pembelajaran Sains: Satu Model Pendekatan Pendidikan Stem
Muhammad Syukrı
Universitas Syiah Kuala,Indonesia Lılıa Halım & T. Subahan Mohd. Meerah
Fakulti Pendidikan,UKM
_____________________________________________________________________ Abstrak
Artikel ini memaparkan bagaimana reka bentuk kejuruteraan (engineering design) dapat diintegrasikan ke dalam pengajaran & pembelajaran sains di bilik darjah. Perkembangan sains dan teknologi abad ke-21 yang begitu pesat telah membawa perubahan dalam setiap aspek kehidupan kita. Pendidikan STEM (Science, Technology, Engineering, & Mathematics) merupakan satu di antara jawapan yang wujud untuk menyahuti perkembangan sains dan teknologi dalam bidang pendidikan. Negara-negara maju seperti US, UK, Korea, dan Singapura telah pun mulai mengaplikasikan pelbagai pendekatan pendidikan STEM ke dalam sistem kurikulum pendidikan sains mereka, ini bertujuan bagi menjamin sumber daya manusia mereka untuk mampu dan cakap dalam menghadapi kemajuan dan perkembangan zaman teknologi. Begitu juga halnya Malaysia dan Indonesia, melalui pelbagai kajian dan program sedang mencari bentuk dan format yang paling sesuai bagi melaksanakan pendidikan STEM merentasi kurikulum di peringkat sekolah rendah dan menengah. Guru selaku pelaksana pengajaran dan pembelajaran dituntut mampu mencari cara pengintegrasian terbaik bagi melaksanakan pendidikan STEM. Justeru itu melalui artikel ini, pengkaji menghuraikan pelbagai kajian yang telah mengintegrasikan reka bentuk kejuruteraan ke dalam pengajaran dan pembelajaran sains. Sehingga guru sains diharapkan dapat menjadikannya sebagai satu cadangan dan garis panduan untuk melaksanakan pengintegrasian reka bentuk kejuruteraan ke dalam P&P sains secara tepat sebagai satu model pendekatan pendidikan STEM.
Kata kunci: Reka bentuk kejuruteraan; Pendidikan Sains; Pendidikan STEM.
___________________________________________________________________________ 1.Pengenalan
Pengintegrasian dalam kurikulum pendidikan di sekolah bukanlah merupakan sesuatu hal yang baru. Untuk dapat menyesuaikan dengan perkembangan zaman yang sentiasa berubah, pengintegrasian kurikulum merupakan salah satu cara yang tepat untuk mengikuti perubahan tersebut
_______________________________ *Coressponding author :+6016-6308433 E-mel: syukri.physics@unsyiah.ne
(Fogarty 1991; Alberta Education 2007; Fogarty & Pete 2009). Pengintegrasian kurikulum dapat dilaksanakan pada semua peringkat dan subjek pelajaran termasuk dalam subjek pelajaran sains. Salah satu model pengintegrasian dalam pengajaran dan pembelajaran sains di sekolah yang lagi banyak dikaji dan hangat diperbincangkan dewasa ini adalah pengintegrasian STEM (Science, Technology, Engineering, & Mathematics), iaitu pengintegrasian antara komponen-komponen pengetahuan STEM tersebut, seperti pengintegrasian sains dengan teknologi, sains dengan kejuruteraan, sains dengan matematik, ataupun sains dengan ketiga-tiganya (Sanders 2009; Schachter 2011; Becker & Park 2011).
Inisiatif pendidikan STEM dalam kurikulum pendidikan sekolah merupakan satu usaha untuk mempertingkatkan dan menggalakkan pelajar untuk terlibat dalam bidang-bidang STEM. Dari pelbagai dapatan kajian mengenai minat pelajar terhadap bidang-bidang STEM didapati bahawa pada masa ini sudah berada pada tahap yang mengkhuatirkan. Minat pelajar terhadap bidang STEM terhadap bidang STEM di pelbagai Negara seperti US, UK, dan juga termasuk Malaysia & Indonesia tidak sebanding dengan keperluan Negara dan industri terhadap lulusan yang berlatar belakang bidang-bidang STEM (BLS 2012). Selain untuk meningkatkan minat pelajar terhadap bidang-bidang STEM, pendidikan STEM pada asasnya juga merupakan buah fikiran dari pandangan bahawa antara sains, teknologi, kejuruteraan, dan matematik merupakan kemahiran-kemahiran abad ke-21 yang saling memiliki keterhubungkaitan yang erat antara satu dengan lainnya.
Oleh itu, untuk menghadapi pelbagai tantangan di era teknologi ini kita memerlukan pelajar yang tangguh dan kompeten dalam bidang-bidang STEM. Salah satu caranya ialah dengan memperkenalkan dari awal lagi kepada pelajar pelbagai pengetahuan dan kemahiran melalui pendekatan pendidikan STEM yang merentasi kurikulum pendidikan sekolah, baik sekolah rendah mahupun sekolah menengah. Sememangnya pelaksanaan pendidikan STEM tidak hanya terbatas dalam pengajaran dan pembelajaran sains sahaja, namun walau bagaimanapun guru sains memiliki peluang yang lebih besar untuk mengembangkan pelbagai pendekatan pendidikan STEM dalam pengajaran dan pembelajarannya. Salah satunya ialah dengan cara pengintegrasian reka bentuk kejuruteraan ke dalam langkah-langkah pengajaran dan pembelajaran sains. Untuk itu, penting bagi kita selaku pelaksana pengajaran dan
pembelajaran memahami mengapa, apa, dan bagaimana reka bentuk kejuruteraan di integrasikan dalam pengajaran dan pembelajaran sains di bilik darjah.
2.Pendidikan STEM
Sebelum kita membincangkan apa dan bagaimana reka bentuk kejuruteraan dapat diintegrasikan dalam pengajaran dan pembelajaran sains, ada baiknya kita fahami dulu apa yang di maksud dengan pendidikan STEM itu sendiri. Istilah STEM awal sekali bermula pada tahun 1990-an, pada masa itu, kantor NSF (National Science Foundation) US, menggunakan istilah “SMET” sebagai singkatan untuk “Science, Mathematics, Engineering, & Technology”. Namun seorang pegawai NSF tersebut melaporkan bahawa “SMET” hampir berbunyi seperti “smut” dalam pengucapannya, sehingga diganti dengan “STEM (Science, Technology, Engineering, and Mathematics” (Sanders 2009).
Manakala pendidikan STEM pula merujuk kepada pengintegrasian teknologi/kejuruteraan ke dalam pengajaran dan pembelajaran sains/matematik pada kurikulum sekolah rendah dan sekolah menengah (Sander 2009). Selain itu, pendidikan STEM juga boleh didefinisikan sebagai suatu pendekatan pengajaran dan pembelajaran antara mana-mana dua atau lebih dalam komponen STEM atau antara satu komponen STEM dengan disiplin ilmu lain (Becker & Park 2011). Oleh itu, pendidikan STEM dapat kita fahami sebagai satu usaha untuk mengintegrasikan pengajaran dan pembelajaran antara dua subjek pengetahuan atau lebih yang tertakluk dalam STEM (Science, Technology, Engineering, and Mathematics) kepada satu proses pengajaran dan pembelajaran di sekolah (Sanders 2009), seperti pengintegrasian sains dengan teknologi, sains dengan kejuruteraan, sains dengan matematik, ataupun sains dengan ketiga-tiganya (Schachter 2011; Becker & Park 2011).
3.Reka Bentuk Kejuruteraan
Mengikut definisi formal dari badan akreditasi kejuruteraan dan teknologi ABET (Accreditation Board for Engineering and Technology), proses reka bentuk kejuruteraan merupakan proses perancangan sistem, komponen, atau proses bagi memenuhi keperluan yang diinginkan. Ia merupakan proses membuat suatu
keputusan, di mana sains asas, matematik, dan sains kejuruteraan diaplikasikan untuk mengoptimumkan sumber dalam mencapai objektif. Antara elemen-elemen asas dari proses reka bentuk ini adalah pembentukan objektif dan kriteria, sintesis, analisis, pembinaan, pengujian dan penilaian (Hyman 1998). Oleh itu, secara mudahnya reka bentuk kejuruteraan dapat didefinisikan sebagai aktiviti penyelesaian masalah melalui proses pembangunan suatu idea atau produk yang memerlukan pemikiran bijak, cara yang sistematik, dan penilaian kesesuaian hasil dengan objektif konstruktif produk itu sendiri (Eide et al. 2012; Haik 2003; Hyman 1998).
Secara amnya, kemampuan untuk mereka bentuk sesuatu idea atau produk baru dalam proses reka bentuk dapat dikategorikan kepada tiga tahap (Haik 2003). Ketiga tahap kemampuan reka bentuk tersebut terdiri dari: reka bentuk adaptif (adaptive design), reka bentuk yang membangun (development design), dan reka bentuk baru (new design). Ketiga tahap kemampuan reka bentuk ini mempunyai tingkat kesukaran yang berbeza-beza (Haik 2003). Umumnya, pelajar sekolah rendah dan menengah selalunya hanya mampu mereka bentuk sesuatu produk atau idea baru setakat pada tahap adaptif (adaptive design) dan tahap yang membangun (development design), manakala tahap reka bentuk baru (new design) mereka belum mampu. Hal ini berlaku kerana pada tahap reka bentuk baru (new design) memerlukan pengetahuan dan kemahiran yang kompleks daripada hanya sekadar pengetahuan asas (Haik 2003).
Untuk itu, Haik (2003) mencadangkan dalam melakukan pengintegrasian reka bentuk ke dalam kurikulum sekolah mesti mengandungi beberapa ciri seperti berikut; dapat membangun dan membantu pelajar untuk memiliki sikap kreativiti, menyelesaikan masalah-masalah terbuka, membangun dan menggunakan reka bentuk teori serta metodologi moden, memformulasikan masalah reka bentuk serta spesifikasinya, penghuraian proses hasil pengeluaran yang sejalan dengan prinsip reka bentuk kejuruteraan, dan dapat menjelaskan secara terperinci sistem yang digunakan. Lebih lanjut beliau juga menambahkan jika pengintegrasian reka bentuk dilakukan dalam pengajaran dan pembelajaran sains, kemampuan pelajar dalam bidang pengetahuan sains juga harus memadai kerana ianya akan mempengaruhi kemampuan pelajar semasa melakukan proses reka bentuk, terutamanya proses reka bentuk yang melibatkan pengaplikasian konsep-konsep sains.
4.Langkah-langkah Reka Bentuk Kejuruteraan
Terdapat pelbagai model langkah proses reka bentuk kejuruteraan yang boleh digunakan dalam kajian-kajian kejuruteraan dan juga kajian lain yang menggunakan reka bentuk kejuruteraan sebagai model pendekatan kajiannya. Salah satunya adalah model yang di perkenalkan oleh ABET atau badan akreditasi untuk kejuruteraan dan teknologi (Accreditation Board for Engineering and Technology). Model proses reka bentuk kejuruteraan mengikut model ABET ini dibahagi kepada sembilan langkah aktiviti (Hyman 1998). Kesembilan langkah model ABET ini selalunya dapat berubah sesuai dengan keperluan dan konten yang hendak diaplikasikan. Beberapa pengkaji hanya akan memberi tumpuan pada beberapa langkah proses reka bentuk kejuruteraan sahaja, manakala beberapa langkah lainnya tidak di digunakan (Haik 2003; Hyman 1998). Berikut penjelasan secara singkat kesembilan langkah aktiviti proses reka bentuk kejuruteraan mengikut model ABET.
a. Mengenali keperluan (recognizing the need); Langkah pertama proses reka bentuk kejuruteraan Model ABET adalah memahami dan mengenali apa sebetulnya yang menjadi keperluan dari sesuatu produk yang hendak di reka bentuk (Hyman 1998). Langkah pertama ini lazimnya disebut sebagai langkah analisis keperluan (need analysis). Dengan menjalankan langkah pengenalpastian keperluan ini, tentunya produk yang hendak direka bentuk nantinya akan sesuai dengan apa yang diinginkan.
b. Mentakrifkan masalah (defining the problem); Langkah mentakrifkan masalah adalah langkah mengenalpasti pelbagai masalah dan kekangan produk semasa serta dihubungkaitkan dengan apa yang hendak dicapai dengan produk baru. Mengikut Hyman (1998) pengenalpastian masalah untuk mereka bentuk sesuatu produk, umumnya merangkumi daripada tiga komponen iaitu tujuan, objektif, dan kekangan.
c. Perencanaan projek (planning the project); Adalah langkah merencanakan apa yang mesti dilakukan untuk membangun idea dan rancangan produk. Perencanaan yang terancang secara baik dan sistematis selalunya akan dapat membantu kita untuk mengaplikasikan proses reka bentuk secara tepat dan betul (Eide et al. 2012).
d. Pengumpulan maklumat (gathering information); Pengumpulan maklumat adalah aktiviti mengumpulkan maklumat mengenai pelbagai produk sejenis yang telah ada sebelumnya. Produk yang ingin di reka bentuk hendaklah mempunyai keunikan dan ciri-ciri tersendiri (Hyman 1998).
e. Pendekatan alternatif (conceptualizing alternative approaches); Langkah pendekatan alternatif adalah langkah untuk mencari beberapa kemungkinan reka bentuk yang dapat diaplikasikan guna menghasilkan sesuatu produk sesuai dengan keperluan dan tujuan yang hendak kita capai. Tentu untuk dapat menghasilkan beberapa pendekatan reka bentuk memerlukan kemampuan kreativiti dan imajinasi yang tinggi (Hyman 1998).
f. Menilai pendekatan alternatif (evaluating the alternatives); Seterusnya adalah langkah menilai secara saksama pada semua pendekatan yang paling mungkin untuk diaplikasikan sesuai dengan objektif dan permasalahan yang ingin diselesaikan. Agar dapat menjalankan langkah menilai pendekatan alternatif ini, diperlukan kemampuan matematik dan pengetahuan sains yang baik (Haik 2003; Hyman 1998).
g. Memilih alternatif terbaik (selecting the best alternatives);Langkah Seterusnya adalah memilih salah satu pendekatan reka bentuk yang paling sesuai untuk diaplikasikan berasakan keperluan dan objektif yang hendak dicapai. Dalam memilih pendekatan reka bentuk yang paling sesuai juga mesti mempertimbangkan dari aspek biaya, bentuk, dan juga fungsi (Hyman 1998). h. Memaparkan reka bentuk (communicating the design); Pemaparan reka
bentuk ini merupakan langkah penting dalam proses reka bentuk kejuruteraan (Eide 2012). Dengan memaparkan semua maklumat mengenai reka bentuk yang hendak diaplikasikan kepada pengguna, pereka bentuk akan mendapatkan masukkan mengenai produk yang hendak diaplikasikan apakah sudah sesuai dan dapat diterima oleh pengguna.
i. Melaksanakan reka bentuk pilihan (implementing the preferred design); Pengaplikasian reka bentuk pilihan ini hendaklah dijalankan sesuai dengan apa yang telah direncanakan sebelumnya, baik itu dari aspek keperluan, objektif, mahupun permasalahan atau kekangan yang ingin diatasi. Produk yang dihasilkan dari proses reka bentuk ini seterusnya juga mesti dilakukan pengujian untuk menentukan keberkesanannya (Hyman 1998).
5.Reka Bentuk Kejuruteraan dalam P&P Sains
Kesembilan langkah aktiviti model ABET yang telah dihuraikan tersebut sesuai dijalankan oleh para pakar reka bentuk, manakala jika reka bentuk kejuruteraan tersebut ingin kita integrasikan dalam pengajaran dan pembelajaran sains di bilik darjah tentu mesti terlebih dahulu diubahsuai mengikut kesesuaian dengan pelajar. Dalam hal ini Cunningham (2009) dan MoS (2012) telah mencadangkan lima langkah reka bentuk kejuruteraan yang telah diubahsuai dari model ABET untuk diaplikasikan pada peringkat pelajar sekolah rendah dan sekolah menengah. Kelima langkah reka bentuk ini juga telah diaplikasikan dalam program “engineering is elementary” oleh Museum of Science, Boston dan juga diadaptasi oleh pelbagai kajian lepas (Apedoe et al. 2008; Mehalik et al. 2008; Riskowski et al. 2009; Rogers & Portsmore 2004; Schnika 2009; Wendell 2011). Lima langkah reka bentuk kejuruteraan tersebut terdiri daripada lima kitaran aktiviti, iaitu; soal (ask), bayangkan (imagine), rancang (plan), reka (create), dan penambahbaikan (improve).
Walaupun langkah-langkah reka bentuk kejuruteraan berbentuk kitaran dan boleh bermula pada apa-apa langkah. Namun untuk memudahkan pelajar mengaplikasikan kelima kitaran aktiviti tersebut, sebaiknya dilakukan secara berurutan dimulai dari langkah soalan (ask). Hal ini dilakukan supaya mereka mudah memahami dan mengikuti semua langkah-langkah aktiviti secara sistematik (Cunningham 2009; MoS 2012). Berikut huraian singkat mengenai aktiviti yang mesti dijalankan oleh pelajar pada setiap langkah kitaran proses reka bentuk kejuruteraan yang selalu diaplikasikan dalam pengajaran dan pembelajaran sains.
a. Soalan (ask)
Pada langkah awal ini pelajar dikehendaki untuk mencerap atau memikirkan permasalahan yang berlaku pada persekitaran mereka. Jika pelajar tidak dapat menemukan masalah yang berhubungan dengan konsep sains yang hendak direka bentuk, maka guru dapat membantunya dengan memberikan sesuatu fenomena atau kejadian dalam bentuk cerita (Cunningham 2009; MoS 2012).
b. Bayangkan (imagine)
Setelah pelajar mempunyai masalah dalam fikirannya, langkah seterusnya adalah memikirkan atau membayangkan bagaimana untuk menyelesaikan masalah tersebut. Penyelesaian yang difikirkan ini hendaklah berasaskan dan dihubungkaitkan dengan
pengetahuan tentang konsep-konsep sains yang telah pelajar pelajari sebelumnya. Melalui langkah bayangkan ini pelajar diarahkan untuk memikirkan beberapa rancangan untuk di rancang pada langkah berikutnya (MoS 2012).
c. Rancang (plan)
Penyelesaian yang terbaik yang telah dipilih, seterusnya secara bersama-sama dibincangkan mengenai bagaimana agar penyelesaian tersebut dapat diaplikasikan menjadi sesebuah produk teknikal sains. Pada langkah ini pelajar membuat rancangan dalam bentuk graf gambar rajah terlebih dahulu bagi memudahkan pelajar untuk mengaplikasikannya menjadi sesebuah produk teknikal sains pada langkah reka (create) selanjutnya (MoS 2012).
d. Reka (create)
Langkah seterusnya adalah menterjemahkan lakaran gambar rajah dari langkah sebelumnya (plan) menjadi sesebuah produk teknikal sains. Dalam langkah reka bentuk, pelajar dikehendaki untuk mereka bentuk sesebuah produk sesuai dengan apa yang telah direncanakan dan sesuai dengan lakaran gambar rajah yang telah dibuat (MoS 2012). Setelah produk dapat direka bentuk sesuai dengan graf gambar rajah, pelajar pada langkah “create” ini juga dikehendaki untuk mencuba (test it out) produk yang telah mereka hasilkan.
e. Penambahbaikan (improve)
Langkah seterusnya adalah melakukan penambahbaikan dari produk yang telah dihasilkan. Pada masa mencuba produk tadi, tentu terdapat beberapa hal yang tidak sesuai dengan tujuan atau tidak dapat menyelesaikan masalah. Untuk itu, pelajar pada langkah ini dikehendaki menyenaraikan mengenai bahagian-bahagian apa sahaja yang sudah sesuai dengan tujuan, bahagian yang belum sesuai, atau juga bahagian yang perlu dilakukan penambahbaikan (MoS 2012). Pelajar seterusnya akan melakukan ubahsuai reka bentuk untuk menjadikannya lebih baik. Penambahbaikan ini dapat dilakukan oleh pelajar dengan mengulangi dari awal lagi (langkahask) ataupun mana-mana langkah yang dianggap perlu untuk diulangi.
6.Kajian Lepas Pengintegrasian Reka Bentuk Kejuruteraan dalam P&P Sains. Seperti yang telah dijelaskan pada bahagian awal tadi, bahawa antara reka bentuk kejuruteraan (engineering design) dan pengetahuan sains mempunyai hubungan yang
erat antara satu dengan lainnya. Untuk mahir dalam proses reka bentuk kejuruteraan, sebelumnya pelajar mesti menguasai pengetahuan konsep sains secara mantap. Hal ini diperlukan kerana proses reka bentuk kejuruteraan merupakan pengaplikasian daripada konsep-konsep sains itu sendiri. Pelbagai kajian yang telah mengintegrasikan reka bentuk kejuruteraan dalam pengajaran dan pembelajaran sains di sekolah mendapati bahawa pemahaman dan pengetahuan sains pelajar meningkat secara signifikan dalam pelbagai aspek kemahiran (Apedoe et al. 2008; Mehalik et al. 2008; Riskowski et al. 2009; Rogers & Portsmore 2004; Schnika 2009; Wendell 2011). Berikut dipaparkan pelbagai kajian yang telah mengintegrasikan reka bentuk kejuruteraan ke dalam pengajaran dan pembelajaran sains di peringkat sekolah rendah dan sekolah menengah, dengan harapan dapat kita jadikan sebagai satu cadangan atau garis panduan untuk melaksanakan pendidikan STEM merentasi kurikulum sekolah rendah dan menengah.
1. Kajian Rogers & Portsmore (2004)
Awal sekali pengkaji membahas satu kajian yang telah mengintegrasikan kejuruteraan ke dalam pengajaran dan pembelajaran sains sekolah rendah (K-12) yang bertajuk “bringing engineering to elementary school”. Kajian Rogers & Portmore (2004) cuba membentuk dan meningkatkan kemampuan pelajar dalam aspek menghubungkaitkan, mengaplikasikan, dan memperkukuh antara pengetahuan sains, matematik, dan reka bentuk. Rogers & Portmore beranggapan bahawa pengintegrasian kejuruteraan dalam kurikulum sekolah dapat memberikan pengalaman dan pengetahuan pada diri pelajar melalui reka betuk dan pembinaan, di samping dapat meningkatkan pencapaian matematik dan konsep sains. Menurut mereka hal ini boleh berlaku disebabkan pada proses reka bentuk kejuruteraan pelajar akan belajar mengenai beberapa perkara, seperti meneroka dan merumuskan masalah, mereka bentuk penyelesaian, menilai penyelesaian, mereka bentuk semula penyelesaian, dan berbincang untuk memberikan maklumat penyelesaian yang direka. Kajian mereka berjaya membangun satu landasan (platform) yang berkesan bagi mengajarkan reka bentuk kejuruteraan di peringkat sekolah rendah. Landasan ini bersifat cukup fleksibel untuk memberikan kebebasan bagi pelajar dalam mengaplikasikan reka bentuk melalui apa-apa konsep pelajaran sains dan matematik. Selain itu, mereka juga berjaya mengubah cara pandang pelajar terhadap pengajaran sains dan matematik. Jika sebelumnya pelajar merasa kurang
minat dan motivasi untuk belajar sains dan matematik, maka setelah mengikuti kajian ini mereka didapati menjadi lebih berminat dan bermotivasi untuk mempelajari sains dan matematik. Namun sebelum menjalankan pengintegrasian reka bentuk kejuruteraan, mereka mencadangkan kepada guru agar terlebih dahulu mempersiapkan lima aspek untuk mengajarkan pengintegrasian reka bentuk kejuruteraan kepada pelajar, iaitu; rasa ingin tahu, semangat memulai pembelajaran, berkeyakinan diri, tahu mencari jawapan, dan tahu bagaimana untuk menguji kesahihan jawapan tersebut.
2. Wendell (2011)
Pengintegrasian pendekatan reka bentuk kejuruteraan dalam kurikulum sains sekolah rendah juga dijalankan oleh Wendell (2011). Beliau menjalankan satu kajian kes kepada sembilan orang pelajar tingkatan tiga sekolah rendah. Kajian yang bertajuk “Elementary Students’ Learning of Materials Science Practices Through Instruction Based on Engineering Design Tasks” ini bertujuan untuk menentukan dan mengenal pasti langkah-langkah apa sahaja yang diaplikasikan oleh pelajar tingkatan tiga sekolah rendah semasa menjalankan aktiviti dua tugasan pemilihan bahan sains yang berasaskan reka bentuk kejuruteraan. Pelajar diberi dua tugasan pemilihan bahan sains berupa tugasan mereka bentuk pijakan jalan (stepstool) yang kuat dan mereka bentuk rumah haiwan (pet habitat) yang terlindung. Kesembilan pelajar ini ditemu bual oleh pengkaji sebelum dan sesudah pelaksanaan aktiviti pemilihan bahan untuk mereka bentuk tugasan yang diberikan. Semasa pelaksanaan aktiviti memilih bahan sains, pelajar dikehendaki untuk mengisi buku kerja (workbooks) yang telah diberikan oleh pengkaji. Seterusnya beliau menilai semua buku kerja pelajar untuk pemarkahan. Tiga dapatan utama daripada kajian beliau adalah: (1) semua pelajar didapati mengalami peningkatan yang signifikan dalam kedua-dua tugasan pemilihan bahan sains yang diberikan; (2) peningkatan hasil tugasan tersebut mempunyai hubungan positif dengan markah pada buku kerja (workbook’s) yang mereka tulis; dan (3) pelajar yang mempunyai markah tinggi dalam buku kerja juga didapati mempunyai peningkatan yang tinggi pada tugasan pemilihan bahan sains. Ketiga dapatan ini menunjukkan bahawa dengan pengintegrasian reka bentuk kejuruteraan dalam pengajaran dan pembelajaran sains, pelajar sekolah rendah sekalipun dapat menjalankan amalan
pemilihan sains bahan melalui penaakulan dan siasatan sains secara saintifik, di mana disiplin ini selalunya dipelajari oleh pelajar-pelajar kejuruteraan.
Namun walau bagaimanapun dapatan kajian beliau juga menunjukkan bahawa manakala arahan berasaskan reka bentuk kejuruteraan dapat meningkatkan kebolehan pelajar untuk membuat dan menguji keputusan pemilihan bahan, pencapaian pelajar secara menyeluruh selalunya terhalang oleh pemahaman mereka mengenai konsep sifat bahan tertentu yang terhad. Oleh itu, walaupun reka bentuk kejuruteraan boleh diintegrasikan dalam pengajaran dan pembelajaran sains di peringkat sekolah rendah, namun menurut beliau sebelumnya guru mesti memberi perhatian dan sokongan pengetahuan konsep sains yang cukup kepada pelajar untuk menjalankan pengintegrasian ini.
3. Apedoe et al. (2008)
Apedoe et al. (2008) dalam journal of science education and technology, melaporkan satu kajian yang mengintegrasikan pendekatan reka bentuk kejuruteraan ke dalam pembelajaran sains kimia pada peringkat sekolah menengah. Beliau beranggapan bahawa pembelajaran yang berasaskan reka bentuk kejuruteraan merupakan satu pendekatan yang boleh digunakan untuk memenuhi matlamat pendidikan sains dan pendidikan kejuruteraan. Dalam kajiannya, beliau mengajarkan topik sistem pemanasan dan pendinginan selama lapan minggu kepada 380 pelajar dengan mengintegrasikan pendekatan reka bentuk kejuruteraan ke dalam beberapa konsep kimia terutamanya pada konsep-konsep yang di anggap sukar seperti interaksi atom, reaksi kimia, dan perubahan daya reaksi. Tiga tujuan utama kajian ini dijalankan adalah; (1) untuk menerangkan konsep sains berasaskan reka bentuk kejuruteraan; (2) menyediakan garis panduan bagi guru untuk mengaplikasikan pembelajaran yang berasaskan reka bentuk pada pelbagai topik sains kimia, dan (3) menyediakan maklumat bagi guru untuk mengajarkan konsep-konsep sains yang sukar sebagai usaha untuk meningkatkan minat pelajar terhadap bidang-bidang sains dan kejuruteraan. Dengan menggunakan 24 soalan instrumen penilaian konsep kimia Chemical Concept Inventory (CCI) dan American Chemical Society’s (ACS), beliau mendapati bahawa kesan terhadap pencapaian dan pengetahuan pelajar mengenai konsep kimia meningkat, banyak pelajar yang berkebolehan menjawab soalan instrumen setelah diajarkan melalui pendekatan reka bentuk kejuruteraan berbanding
sebelum menggunakan pendekatan ini, baik untuk konsep interaksi atom, reaksi kimia, mahupun konsep perubahan daya reaksi. Selain itu, minat dan sikap pelajar terhadap bidang-bidang sains dan kejuruteraan untuk setiap dimensi didapati juga meningkat.
4. Mehalik et al. (2008).
Kajian yang membandingkan pendekatan reka bentuk kejuruteraan dengan pendekatan lain seperti pendekatan pembelajaran inkuiri juga telah dikaji oleh Mehalik et al. (2008). Dalam kajiannya, beliau membandingkan pencapaian pemahaman konsep sains pelajar antara pembelajaran yang mengintegrasikan pendekatan reka bentuk kejuruteraan dengan pembelajaran inkuiri. Beliau memilih 26 kelas sains sekolah menengah yang terdiri daripada 10 guru dan 587 pelajar untuk menggunakan pendekatan reka bentuk kejuruteraan dan 20 kelas sains dengan 5 guru dan 466 pelajar untuk menggunakan pendekatan pembelajaran inkuiri. Beliau mendapati bahawa pengajaran dan pembelajaran sains yang diajarkan melalui pendekatan reka bentuk kejuruteraan lebih berkesan berbanding dengan pengajaran dan pembelajaran yang diajarkan dengan pendekatan inkuiri. Kumpulan kelas pelajar yang menggunakan pendekatan reka bentuk kejuruteraan memperoleh peningkatan markah antara ujian sesudah (post-test) dari ujian sebelum (pre-test) sebesar 22.5 peratus. Manakala kumpulan kelas yang menggunakan pendekatan inkuiri hanya mengalami peningkatan sebesar 11.3 peratus. Kelas sains yang menggunakan pendekatan reka bentuk kejuruteraan dalam pengajaran dan pembelajarannya didapati mengalami peningkatan yang signifikan untuk setiap aspek pencapaian yang diukur, seperti penguasaan konsep sains, penglibatan pelajar, dan pengekalan konsep, berbanding dengan kelas yang menggunakan pendekatan inkuiri dalam pengajaran dan pembelajarannya. Menurut beliau, hal ini boleh berlaku sebab pelajar dapat mengaplikasikan idea mereka melalui langkah-langkah dalam reka bentuk kejuruteraan tanpa harus menunggu instruksi dan panduan daripada guru seperti pada pembelajaran inkuiri.
5. Riskowski et al. (2009)
Dalam kajiannya Riskowski et al. (2009) membandingkan kesan antara modul sains berasaskan reka bentuk kejuruteraan dengan modul syarahan tradisional terhadap
penguasaan konsep sains pelajar, khasnya mengenai isu-isu sumber air (water resources). Untuk menentukan keberkesanan kedua modul tersebut, mereka menggunakan ujian pra dan post yang melibatkan sampel seramai 126 pelajar daripada 220 populasi pelajar pada tingkatan empat sekolah menengah negara bagian Indiana, US. Satu hal yang menarik daripada kajian yang dijalankan oleh Riskowski et al. (2009) ini adalah beliau membandingkan tingkat penguasaan konsep sains pelajar daripada pelbagai aspek, seperti jantina, gred, etnik, bangsa, dan status sosial-ekonomi, dengan menyatukan semua pelajar dari pelbagai aspek tersebut ke dalam satu kumpulan eksperimen. Beliau mendapati bahawa semua pelajar yang terlibat dalam penggunaan modul berasaskan reka bentuk kejuruteraan (kumpulan eksperimen) mengalami peningkatan pencapaian pengetahuan sains yang lebih tinggi berbanding pelajar yang menggunakan modul pembelajaran syarahan tradisional. Selain itu, peningkatan yang didapati pada kumpulan eksperimen tidak dipengaruhi oleh kepelbagaian pelajar dalam kumpulan tersebut. Menurut beliau peningkatan pengetahuan pelajar pada kumpulan eksperimen yang tidak terpengaruh oleh pelbagai faktor seperti jantina, gred, etnik, bangsa, dan status sosial-ekonomi telah menunjukkan bahawa sememangnya pengintegrasian pendidikan kejuruteraan dalam kurikulum pendidikan sains di sekolah menengah boleh dan perlu dijalankan.
6. Schnika (2009)
Satu lagi kajian eksperimen untuk menentukan keberkesanan aktiviti reka bentuk kejuruteraan dalam pengajaran dan pembelajaran sains di sekolah menengah dijalankan oleh Schnika (2009). Kajian yang bertajuk “Engineering Design Activities and Conceptual Change in Middle School Science” ini bertujuan untuk mengenal pasti bagaimana aktiviti reka bentuk kejuruteraan dapat meningkatkan pemahaman pelajar mengenai isi kandungan, kemahiran teknikal, dan penguasaan konsep sains. Kajian ini ingin mengenal pasti bagaimana pelajar dapat membina pengetahuan untuk topik kuasa haba dan pemindahan haba yang dijalankan dalam kumpulan-kumpulan kecil melalui aktiviti reka bentuk kejuruteraan. Data kuantitatif dan kualitatif dalam kajian diperoleh melalui kajian eksperimen dengan membuat perbandingan antara kumpulan pelajar yang menggunakan aktiviti reka bentuk kejuruteraan dan kumpulan pelajar yang menggunakan aktiviti amali tradisional. Beliau mendapati bahawa kumpulan pelajar yang menggunakan pendekatan aktiviti reka bentuk kejuruteraan menunjukkan
peningkatan pencapaian yang lebih baik pada setiap aspek seperti isi kandungan, kemahiran teknikal, dan juga penguasaan konsep sains berbanding kumpulan pelajar yang menggunakan aktiviti amali tradisional. Selain itu, beliau juga mendapati bahawa sikap, minat, dan pandangan pelajar terhadap sains dan bidang kejuruteraan setelah mengikuti semua aktiviti reka bentuk kejuruteraan mengalami peningkatan yang cukup signifikan pada semua pelajar. Pengintegrasian aktiviti reka bentuk kejuruteraan dalam pengajaran dan pembelajaran sains menurut beliau juga dapat membantu pelajar merubah pandangan dan sikap terhadap pembelajaran sains menjadi lebih baik dan positif.
Kesimpulan
Reka bentuk kejuruteraan dalam pelbagai kajian pengintegrasian kejuruteraan dan sains digunakan sebagai langkah-langkah aktiviti pengintegrasian nya. Langkah reka bentuk kejuruteraan yang diintegrasikan ini pada asasnya merupakan model langkah reka bentuk kejuruteraan yang gagas oleh ABET (Accreditation Board for Engineering and Technology) yang terdiri daripada sembilan langkah aktiviti. Namun walau bagaimanapun kesembilan langkah aktiviti model ABET tersebut lebih sesuai dijalankan untuk kalangan pelajar universiti berbanding kepada pelajar sekolah rendah dan menengah. Pengintegrasian reka bentuk kejuruteraan ke dalam pengajaran dan pembelajaran sains pada peringkat sekolah rendah mahupun sekolah menengah, pada umumnya menggunakan lima langkah aktiviti hasil pengubahsuaian model ABET (Cunningham 2009; MoS 2012), yang terdiri daripada lima langkah aktiviti, iaitu soalan (ask), bayangkan (imagine), rancang (plan), reka (create), dan penambahbaikan (improve).
Pelbagai kajian yang telah menjalankan pengintegrasian lima langkah reka bentuk kejuruteraan dalam pengajaran dan pembelajaran sains, didapati sesuai untuk dijalankan pada semua peringkat sekolah, baik itu sekolah rendah (Rogers & Portsmore 2004; Wendell 2011), mahupun sekolah menengah (Apedoe et al. 2008; Mehalik et al. 2008; Riskowski et al. 2009; Schnika 2009). Kesan pengintegrasian didapati mampu meningkatkan pencapaian pelajar daripada pelbagai aspek seperti penguasaan konsep sains (Apedoe et al. 2008; Mehalik et al. 2008; Riskowski et al. 2009; Schnika 2009), minat dan sikap pelajar terhadap sains dan kejuruteraan
(Apedoe et al. 2008; Mehalik et al. 2008; Rogers & Portsmore 2004), meningkatkan kemahiran teknikal pelajar (Schnika 2009). Selain itu pengintegrasian reka bentuk kejuruteraan juga sesuai dijalankan oleh pelbagai latar belakang pelajar (Riskowski et al. 2009).
RUJUKAN
Apedoe, X. S., Reynolds, B., Ellefson, M. R. & Schum, C. D. 2008. Bringing engineering design into high school science classrooms: The heating/cooling unit.Journal of Science Education and Technology17(5): 454-465.
Becker, K. & Park, K. Effects of integrative approaches among science, technology, engineering, and mathematics (STEM) subjects on students’ learning: A preliminary meta-analysis.Journal of STEM Education.12(2011), 23-37. BLS (Bureau of Labor Statistics), US. 2012. Occupational Employment Projections to
2020.http://www.bls.gov/emp/ep_table_103.htm. [16 May 2012]. Cunningham, C. M. 2009. Engineering Is Elementary.The Bridge: 11-17.
Eide, A. R., Jenison, R.D., Northup, L.L. & Mickelson, S. K. 2012. Engineering Fundamental and Problem Solving. New York: McGraw-Hill.
Haik, Y. (2003).Engineering Design Process. Pacific Grove, CA, USA.
Hyman, Barry. 1998. Fundamentals of Engineering Design. New Jersey: Prentice-Hall.
Mehalik, M. M., Doppelt, Y., & Schunn, C. D. 2008. Middle-school science through design-based learning versus scripted inquiry: Better overall science concept learning and equity gap reduction. Journal of Engineering Education 97(1): 71-85.
Riskowski, J. L., Todd, C. D., Wee, B., Dark, M., & Harbor, J. 2009. Exploring the effectiveness of an interdisciplinary water resources engineering module in an eighth science course. International Journal Engineering Education 25(1): 181-195.
Rogers, C. & Portsmore, M. 2004. Bringing engineering to elementary school. Journal of STEM Education5(3&4): 17-28.
Sanders, Mark. 2009. STEM, STEM Education, STEMmania. The Technology Teacher.2(2009), 20-26.
Schachter, R. 2011. Helping STEM Take Root: 43-48. www.DistrictAdministration.com.
Schnittka, C. G. 2009. Engineering design activities and conceptual change in middle school science. Ph.D Dissertation, Faculty of the Curry School of Education, University of Virginia.
Wendell, K. B. 2011. Science Through Engineering in Elementary School: Comparing Three Enactments of an Engineering-Design-Based Curriculum on The of Sound. A Doctoral Dissertation in Education, Tufts University.
