Avaliação das necessidades de formação de professores e desenvolvimento profissional para a implementação de abordagens integradas à educação STEM

Artigo dos autores, 

Dado o crescente interesse e a relevância de abordagens integradas à educação STEM (ciência, tecnologia, engenharia e matemática), há um desejo urgente de entender os desafios e obstáculos ao desenvolvimento e implementação de currículos e instruções STEM integrados. Neste artigo, apresentamos a fase 1 de um estudo de avaliação de necessidades em duas fases para identificar desafios e necessidades de promover abordagens integradas na educação STEM. Utilizando uma abordagem informante chave, foram entrevistados 22 professores do ensino fundamental e médio e quatro administradores selecionados como líderes em potencial na educação STEM em um estado não identificado na costa leste dos EUA. Solicitou-se aos participantes que identificassem desafios e suportes percebidos para conduzir a educação STEM integrada. As perguntas foram abertas a fim de informar um maior,

Resultados

Vários temas distintos foram identificados, conforme descrito pelos participantes do professor, ao discutir desafios e obstáculos da implementação da educação integrada em STEM, bem como apoios que seriam mais úteis para superá-los. Os participantes também forneceram sugestões específicas para a formação de professores, necessárias para apoiar a educação STEM integrada.

Conclusões

Os resultados preliminares sugerem que muitos professores estão interessados ​​em abordagens integradas ao STEM, mas não acreditam que estejam bem preparados para implementá-las. Professores e administradores também sugerem que a preparação adequada no STEM integrado implicaria uma repensação e reformulação considerável dos cursos de pré-serviço e oficinas em serviço. As conclusões fornecem um ponto de partida para uma melhor compreensão das necessidades dos professores no STEM integrado e um trampolim para estudos adicionais.

As abordagens integradas à educação em STEM (ciência, tecnologia, engenharia e matemática) são cada vez mais populares, mas permanecem desafiadoras e ilusórias. Há muita esperança de que abordagens integradas à educação STEM possam ajudar a próxima geração de estudantes a resolver problemas do mundo real, aplicando conceitos que abrangem várias disciplinas, bem como capacidades de pensamento crítico, colaboração e criatividade (Burrows e Slater 2015 ). No entanto, a maioria dos professores recebeu treinamento em apenas uma disciplina (Honey et al. 2014 ), e a maioria das escolas e turmas de todos os níveis ainda possui departamentos e períodos de aula separados para as disciplinas STEM. Aí reside um desafio significativo para educadores e administradores interessados ​​em promover STEM integrado.

Neste artigo, apresentamos a fase 1 de um estudo integrado de duas fases sobre educação STEM e desenvolvimento profissional de professores (DP), para identificar desafios e necessidades da promoção da educação STEM integrada. O estudo enfoca os desafios de promover a educação integrada em STEM e os possíveis apoios necessários para superá-los em um estado não identificado na costa leste dos EUA. Procuramos aprender quais apoios seriam mais úteis no esforço de integrar as disciplinas STEM nos currículos e instruções, especialmente em termos de educação pré-serviço e desenvolvimento profissional contínuo (por exemplo, oficinas de professores em serviço). As avaliações de necessidades são importantes para a tomada de decisão orientada a dados para beneficiar um número máximo de distritos, escolas, professores e alunos com recursos disponíveis (Nagle e Gagnon 2008) Um motivador principal do presente estudo foi informar a alocação de recursos dos centros de educação STEM e do Departamento de Educação do estado (DoE) no estado examinado. O estudo ocorreu no contexto de uma parceria entre um desses centros e o Departamento de Estado.

Na fase 1 do estudo, entrevistamos uma seleção de professores STEM do ensino fundamental e médio e supervisores de matemática / ciências em todo o estado que participaram de uma iniciativa patrocinada pelo estado no STEM integrado. Essas entrevistas com informantes-chave têm como objetivo informar um questionário estadual maior na fase 2 do estudo, a ser relatado posteriormente após a conclusão.

Por que integrar o STEM agora?

A educação em ciências, matemática, engenharia e tecnologia (STEM) é amplamente reconhecida como um estado premente e uma prioridade nacional (Honey et al. 2014 ). A excelência na educação STEM pode afetar empregos, produtividade e competitividade em vários setores e campos, incluindo saúde, inovação tecnológica, manufatura, distribuição de informações, processos políticos e mudança cultural (Asunda 2014 ; Peters 2006 ). A inovação nos campos de STEM impulsiona não apenas o crescimento econômico, mas também a qualidade de vida. Espera-se que os empregos relacionados com STEM cresçam 17%, em comparação com 9,8% para empregos não-STEM (Langdon et al. 2011) Ao mesmo tempo, o fluxo para os trabalhos de STEM pode ser descrito como vazado: nos EUA, apenas 75% dos estudantes que se concentram ou se destacam nas matérias de STEM no ensino fundamental e médio entram no curso de STEM; 38% dos cursos de especialização em STEM não se formam com um diploma em STEM; 43% dos graduados em STEM não trabalham em uma ocupação STEM; e 46% dos trabalhadores de STEM com um bacharelado em STEM deixam os campos de STEM para cargos gerenciais mais bem remunerados ( Centro de Educação e Força de Trabalho da Universidade de Georgetown ). Embora existam perspectivas diferentes sobre até que ponto a escassez de trabalhadores qualificados em STEM é real ou percebida (Charette 2013 ; Centro de Políticas Científicas da Royal Society 2014 ), há uma preocupação crescente e quase universal com a qualidade da educação e o desenvolvimento de habilidades em sujeitos STEM .

Embora esses fatores tenham levado a ganhos dramáticos no foco na educação STEM, a visão da educação STEM também evoluiu. Uma nova visão exige que o STEM seja aprendido e ensinado de maneiras integradas com métodos interdisciplinares (Departamento de Educação dos EUA e Escritório de Inovação e Melhoria 2016) Como as soluções para a maioria dos desafios globais relacionados a energia, saúde e meio ambiente (por exemplo, mudança climática, sustentabilidade) exigem uma perspectiva interdisciplinar (e freqüentemente internacional) envolvendo matemática, ciências e tecnologia, reformas recentes, como os Padrões de Ciência da Próxima Geração ( O NGSS) e os Padrões Comuns do Estado Principal para Matemática (CCSSM) defendem a integração intencional de instruções e currículos, fornecendo conexões mais fortes entre as disciplinas STEM. O NGSS está sendo adotado por muitos estados nos EUA, incluindo o estado em que nosso estudo é realizado, e solicita que os alunos aprendam conceitos que abrangem as disciplinas STEM, as práticas de ciência e engenharia, bem como as principais idéias disciplinares. Também eleva a necessidade de ensino de engenharia no ensino fundamental e médio, que pode orientar a solução de problemas que exigem ciência e matemática. Suportado por evidências empíricas de que o processo de projeto de engenharia pode ser uma maneira eficaz de facilitar e sustentar a integração de conceitos de várias disciplinas STEM (por exemplo, Estapa e Tank2017 ; Guzey et al. 2016 ), o NGSS reconhece o processo de projeto de engenharia como uma prática importante e uma idéia central disciplinar que os alunos devem dominar (Moore et al. 2014 ).

Assim, a educação integrada em STEM rapidamente se tornou uma meta-disciplina, focada na inovação, no design de soluções e no aproveitamento da tecnologia (Kelley e Knowles 2016 ). Espera-se que os alunos participem de um currículo rigoroso, com instrução e avaliação em questões de matemática e ciências, bem como projeto de engenharia (Kelley e Knowles 2016 ). Há esperança de que tais abordagens, que freqüentemente são baseadas em projetos e envolventes, motivem mais estudantes a seguirem carreiras STEM (Stohlmann et al. 2012 ). Para muitos, “educação STEM” passou a significar educação “STEM integrada”.

Definindo a educação integrada STEM

Neste estudo, buscamos solicitar os entendimentos e definições atuais de STEM integrado na comunidade educacional, a fim de entender melhor a necessidade de clareza de definição. Uma variedade de definições de educação integrada em STEM tem sido proposta, mas ainda há pouco consenso claro. A maioria das definições girava em torno da integração de uma ou mais disciplinas STEM no processo de ensino e aprendizagem. Por exemplo, Sanders ( 2009 ) definiu a educação integrada em STEM como “abordagens que exploram o ensino e o aprendizado entre / entre duas ou mais áreas de assunto de STEM e / ou entre um assunto de STEM e uma ou mais outras disciplinas escolares” (p. 21) Moore et al. ( 2014) acrescentam que a combinação de disciplinas é “baseada em conexões entre os assuntos e os problemas do mundo real” e, mais especificamente, implica “um esforço dos educadores para participar do projeto de engenharia como um meio de desenvolver tecnologias que exijam aprendizado significativo e uma aplicação de matemática e / ou ciências “(p. 38). Além do ensino de dois ou mais domínios STEM, Kelley e Knowles ( 2016 ) caracterizam ainda STEM integrado como” vinculado às práticas STEM em um contexto autêntico com o objetivo de conectar esses assuntos para melhorar a aprendizagem dos alunos “(p. 3). Stohlmann et al. ( 2012) sugerem que o ensino integrado de STEM é um esforço para combinar as disciplinas STEM em uma classe, mas esclarece que pode envolver várias classes e não precisa envolver todas as quatro disciplinas STEM. Este não é um esclarecimento trivial, porque uma pergunta comum é se todas as quatro disciplinas STEM precisam ser integradas para que a instrução seja considerada STEM integrada.

Outras definições incluem uma “visão” mais ampliada de como seria uma boa educação integrada em STEM, transcendendo muito a integração de disciplinas. Por exemplo, o Dayton Regional STEM Center ( 2011 ) promoveu uma estrutura baseada em princípios para definir STEM de qualidade e educação STEM integrada com base em 10 componentes. Além de alguns princípios de integração da disciplina STEM, eles incluem princípios como “o potencial para envolver alunos de diversas origens”, “qualidade das tarefas cognitivas” e “conexões com as carreiras STEM”.

Muitas escolas focadas em STEM integradas também integram disciplinas não-STEM, como estudos sociais / ciências, em disciplinas STEM e vice-versa. Quando a integração inclui as artes, isso foi referido como STEAM ou STEAM integrado. Este estudo confinou-se à educação integrada em STEM pela principal razão de estar localizado em uma academia de STEM hospedada pelo Departamento de Educação do Estado (DoE) no verão de 2016, que não incorporou a integração de indivíduos não-STEM. A atual conceituação atual do DoE sobre educação STEM é caracterizada por abordagens integradas. Na Academia STEM, o DoE elaborou e ofereceu a seguinte definição aos seus participantes: “A educação STEM é o uso da ciência, tecnologia, engenharia, matemática e suas práticas associadas, criar ambientes de aprendizado centrados no aluno nos quais os alunos investigam e projetam soluções para problemas e constroem explicações baseadas em evidências dos fenômenos do mundo real. A educação STEM baseada em evidências promove a criatividade e a inovação enquanto desenvolve habilidades críticas de pensamento, colaboração e comunicação, enquanto os alunos buscam explicações sobre o mundo natural para melhorar o mundo construído ”. Essa foi uma conceituação comum de abordagens integradas à educação STEM que foi oferecida a todos os participantes do presente estudo. No entanto, deve-se notar que o mesmo estado reuniu uma força-tarefa crescente, liderada por sua Associação de Conselhos Escolares, no iSTEAM (isto é, “STEAM integrado”). Assim, o desejo de incluir outros assuntos nas abordagens integradas de STEM é muito a tendência atual dentro do estado,

Uma estrutura conceitual para STEM integrado

Para que os suportes da educação integrada em STEM ganhem impulso suficiente, é necessária uma estrutura conceitual que vá além de uma definição simples e inclua a justificativa, objetivos, resultados pretendidos, componentes e como os componentes interagem. Uma estrutura conceitual também pode ajudar a construir uma agenda de pesquisa para informar as partes interessadas e realizar todo o potencial da educação integrada em STEM (Kelley e Knowles 2016 ).

Uma variedade de estruturas conceituais úteis para STEM integrado foi oferecida (por exemplo, consulte Asunda 2014 ; Asunda e Mativo 2016 ; Kelley e Knowles 2016 ; e Inglês 2016 ). Moore e colegas (por exemplo, Glancy et al. 2014 ; Guzey et al. 2016 ; Moore e Smith 2014 ; Moore et al. 2014) fornecem suporte empírico à proposição de que a engenharia é um vínculo ou conector essencial que pode integrar as disciplinas STEM na educação básica, além de facilitar a resolução de problemas, o pensamento criativo, as habilidades de comunicação e trabalho em equipe e a motivação e atitudes positivas em relação à STEM carreiras. A engenharia pode ser um motivador como uma maneira natural de aprender a integrar os conceitos de STEM, porque os problemas de engenharia do mundo real são frequentemente complexos e requerem a aplicação de matemática e ciências. Idealmente, essa integração iria além da mistura de “tipos tradicionais de entendimento” e, portanto, “novos modelos de instrução, incluindo modelos curriculares, devem ser desenvolvidos para que a integração STEM leve a uma aprendizagem significativa” (Moore et al. 2014p. 41) Por exemplo, os desafios do projeto de engenharia são freqüentemente ensinados por meio de aprendizagem baseada em projetos (PBL) e atividades de aprendizagem colaborativa. Para muitos professores, isso exigiria DP adequada para professores, estruturas institucionais que apóiam a integração e currículos integrados (Glancy et al. 2014 ).

Talvez de maneira mais abrangente, a Academia Nacional de Engenharia e o Conselho Nacional de Pesquisa apresentaram uma estrutura para a educação integrada de STEM na integração de STEM na educação K-12: status, perspectivas e uma agenda de pesquisa (Honey et al. 2014 ). A estrutura é composta por quatro características: (1) metas, (2) resultados, (3) natureza e escopo e (4) implementação da educação STEM integrada. Os objetivos da educação integrada em STEM incluem a alfabetização em STEM, as competências do século XXI, a prontidão da força de trabalho em STEM e o interesse e engajamento dos estudantes nas disciplinas STEM. Resultados da educação integrada em STEMincluir resultados para estudantes, como aprendizado e desempenho, e competências do século XXI e resultados para professores, como mudanças na prática, melhor entendimento do conteúdo STEM e maior conhecimento pedagógico de conteúdo (PCK). Foram identificados três elementos importantes que caracterizam a natureza e o escopo da educação STEM integrada : (1) tipo de conexões entre as disciplinas STEM, (2) ênfase disciplinar ou disciplina dominante e (3) duração, tamanho e complexidade da iniciativa ( por exemplo, um único projeto, curso único, programa curricular ou escola inteira). O comitê identificou três fatores importantes que impactam a implementação da educação integrada em STEM : desenho instrucional, apoio ao educador e ajustes no ambiente de aprendizagem.

Estruturas conceituais como essas tornam cada vez mais claro que STEM integrado não é apenas sobre as disciplinas STEM. Está freqüentemente enraizado na aprendizagem baseada em projetos e problemas, na pedagogia centrada no aluno e nas habilidades transferíveis do século XXI. Promove os alunos como aprendizes ativos; inventividade, criatividade e pensamento crítico são objetivos fundamentais.

Pesquisas descobriram que o ensino integrado de STEM incentiva pedagogias centradas no aluno (Roehrig et al. 2012 ) e um tratamento mais autêntico do conteúdo de matemática e ciências (Stohlmann et al. 2012 ). Até certo ponto, a educação STEM (como nas escolas inclusivas) tem se concentrado em problemas interdisciplinares, autênticos e contextualizados (LaForce et al. 2016) – mesmo antes de movimentos mais contemporâneos em direção ao NGSS e ao STEM integrado. O que parece ser novo é a busca séria de “aulas de STEM” e “professores de STEM” – ou seja, aulas que ensinam disciplinas de STEM juntas de maneira integrada, por “professores de STEM” em vez de especialistas em uma única disciplina. Essa possibilidade pode levar a novos graus “STEM”, certificações, endossos e PD de professores, significando especificamente uma abordagem integrada para o ensino de STEM. De fato, essa atividade já começou (ver Glancy et al. 2014 ). De acordo com a prática comum, o significado implícito de “educação STEM” ao longo deste artigo é tipicamente “educação STEM integrada”.

Evidência de efetividade STEM

Muitos benefícios foram associados à educação em STEM, como oferecer oportunidades para experiências de aprendizado mais centradas no aluno, significativas, envolventes e menos fragmentadas, envolvendo habilidades de pensamento e resolução de problemas de nível superior (Stohlmann et al. 2012 ). Pensa-se que os alunos que recebem educação em STEM sejam capazes de pensar logicamente e utilizar a tecnologia de forma independente para resolver problemas, inovar e inventar. A integração de disciplinas STEM tem sido associada a efeitos positivos nas atitudes da escola (Bragow et al. 1995 ), desempenho (Hurley 2001 ) e aprendizado (Becker e Park 2011) Estudos também descobriram que os alunos exibem níveis mais altos de motivação e desempenho nas disciplinas STEM quando envolvidos em atividades como prototipagem, design de soluções e utilização de tecnologia como impressoras 3D (Tillman et al. 2014 ). Isso pode ocorrer porque as abordagens integradas levam as percepções de instrução dos alunos a serem mais relevantes, ativas, desafiadoras, significativas e de apoio às competências, todas as percepções relacionadas ao maior envolvimento dos alunos (Shernoff 2013 ). Becker e Park ( 2011)) meta-análise de 28 estudos sobre o efeito dos esforços integrados de STEM na aprendizagem dos alunos relatou efeitos principalmente positivos na aprendizagem dos alunos, com os maiores tamanhos de efeito no ensino fundamental e os menores no ensino superior. A meta-análise demonstrou que abordagens integradas podem fornecer um contexto rico para o desenvolvimento de interesses, além de benefícios cognitivos.

A pesquisa sobre os resultados dos alunos foi considerada inconclusiva, no entanto, especialmente de uma perspectiva de longo prazo (inglês 2016 ). Por exemplo, embora uma grande esperança para STEM integrado seja o incentivo ao engajamento, motivação e perseverança, esses resultados raramente são medidos nas avaliações de iniciativas integradas em STEM (Honey et al. 2014 ). Além disso, como o inglês ( 2016 ) apontou, a educação integrada em STEM é um campo embrionário, e as pesquisas até o momento levantam mais perguntas do que respostas. Do nosso ponto de vista, o principal entre essas questões é o da viabilidade.Enquanto as escolas públicas continuarem a ensinar STEM, e de fato todas as disciplinas separadamente, os desafios da implementação de abordagens integradas de STEM na educação K-12 prometem ser significativos. Qual é o potencial realista de implementar a educação integrada em STEM em larga escala? Pesquisas sugerem que os professores lutam para implementar paradigmas novos e centrados no aluno da educação STEM, mesmo depois de demonstrar um entendimento conceitual aprofundado por meio do desenvolvimento profissional do professor (Han et al. 2015 ). Em uma escala mais ampla, os recentes esforços de reforma da educação em STEM que apóiam escolas inclusivas focadas em STEM, embora introduzidos com grande alarde, frequentemente se dissolvem devido a uma variedade de fatores contextuais, políticos, de professores e de alunos muito subestimados (Weis et al. 2015) Abordagens integradas à educação STEM, como a propagada pelo NGSS, exigem uma abordagem instrucional fundamentalmente diferente, na qual o professor assume um papel facilitador de investigações sustentadas e dirigidas ao aluno para desafios. A seguir, são apresentadas algumas das barreiras relacionadas que foram identificadas para o avanço da educação em STEM como um estudo interdisciplinar no ensino fundamental e médio: (a) falta de preparação e escassez na oferta de professores qualificados; (b) falta de investimento no PD dos professores, (c) ) falta de preparação e inspiração dos alunos, (d) falta de conexão com os alunos, (e) falta de apoio do sistema escolar, (f) falta de colaboração em pesquisa nos campos STEM, (g) falta de preparação do conteúdo, (h) má entrega de conteúdo e métodos de avaliação, (i) más condições e instalações,2013 ). A maioria dessas barreiras vai muito além dos desafios da integração conceitual entre as disciplinas STEM.

Conteúdo e conhecimento pedagógico dos professores

A implementação do STEM integrado envolve o desafio inerente de apoiar um forte entendimento conceitual e fundamental dos conceitos-chave em várias disciplinas. Além disso, pedagogias construtivistas, incluindo exploração e descoberta, podem exigir a formação de professores tanto em fundamentos educacionais quanto em princípios voltados para a ciência e conhecimento pedagógico (Honey et al. 2014 ; Stohlmann et al. 2012 ). O conhecimento pedagógico também desempenha um papel importante na eficácia do professor, que foi considerado muito importante para o ensino eficaz (Stohlmann et al. 2012 ).

Uma premissa central deste estudo é que é importante dar voz aos professores e administradores das escolas que realmente têm as necessidades e enfrentam barreiras potenciais em sua capacidade de avançar em direção a abordagens integradas no STEM. Embora os professores estejam no centro da expansão da educação K-12 para abordagens integradas de STEM, muitas das políticas que moldam a educação K-12 são formadas com pouca ou nenhuma contribuição dos professores (Academias Nacionais de Ciências, Engenharia e Medicina 2017 ).

O estudo atual

Na fase 1 do estudo, entrevistamos uma amostra limitada e propositada de informantes-chave de professores e administradores, fazendo perguntas centradas em questões primárias de pesquisa projetadas para informar um estudo de fase 2 do questionário em todo o estado. Nossas perguntas de pesquisa foram as seguintes:

  1. 1Quais são os maiores desafios para implementar efetivamente abordagens integradas à educação STEM? Quais apoios seriam mais úteis para superar esses desafios?
  2. 2)Que recomendações para a educação pré-serviço poderiam ajudar os professores a integrar melhor as disciplinas STEM? Que recomendações para o desenvolvimento profissional contínuo ou em serviço ajudariam a apoiar a educação integrada em STEM?

Esta segunda questão de pesquisa não se baseia em uma suposição ou opinião de que abordagens integradas ao STEM são uma direção que a formação de professores develevar. Em vez disso, baseia-se no reconhecimento de que a entrega de projetos, aulas e programas integrados nas escolas de ensino fundamental e médio é a principal agenda atual para a educação STEM do Departamento de Educação do estado examinado – uma direção fortemente impulsionada pela indústria e pelos negócios para a educação. benefícios percebidos em relação às qualidades desejáveis ​​da força de trabalho. Dado que as escolas de ensino fundamental e médio serão cada vez mais solicitadas a fornecer STEM integrado, nossas perguntas de pesquisa buscam apenas identificar as necessidades atuais dos professores e os apoios que seriam necessários para que esse objetivo fosse realizado. Este estudo foi elaborado para esclarecer os muitos fatores que precisariam ser considerados para permitir que os professores fossem bem-sucedidos na integração de assuntos STEM, incluindo habilidades e práticas como métodos de ensino de aprendizagem colaborativa e baseados em projetos.

Métodos

O presente estudo utilizou uma abordagem qualitativa e fundamentada, contando com os participantes para articular seus próprios desafios e necessidades ou apoios percebidos em STEM e na educação integrada em STEM. Assim, os padrões identificados estavam enraizados nas próprias descrições dos participantes Estávamos comprometidos em verificar os atuais desafios e necessidades da educação integrada em STEM, conforme descrito por professores e administradores. Em seguida, sintetizamos as descrições em categorias de codificação para análise.

Participantes e procedimento

Os participantes foram professores  do ensino fundamental e médio ( n  = 22, incluindo quatro “mestres”) e administradores ( n = 4, três diretores e um supervisor do distrito de matemática / ciências) que trabalhavam nas escolas públicas do estado. Ao nos concentrarmos em professores e administradores selecionados como líderes por meio de um processo de concessão competitivo, contamos com informantes-chave com uma boa compreensão dos desafios e necessidades do STEM integrado para maximizar as informações de fontes com conhecimento (Nagle e Gagnon 2008 ).

Todos os participantes da fase de entrevista com informantes-chave também foram participantes de uma Academia STEM integrada, organizada pelo Departamento de Estado do Estado no verão de 2016. A participação na Academia baseou-se em ser um destinatário do programa de subsídios competitivos do Estado de Estado na educação STEM. O objetivo do programa financiado por doações era apoiar professores interessados ​​em ser líderes e afetar as mudanças na educação STEM. Os beneficiários do subsídio receberam a academia de verão de 5 dias e uma quantidade limitada de recursos adicionais para o desenvolvimento de currículos e instruções STEM integrados, mediante solicitação. Os participantes foram nomeados e apoiados por sua escola e / ou distrito no processo de solicitação de subsídio e foram selecionados para inclusão pelo Departamento de Estado. Aproximadamente 67 professores de 19 distritos foram premiados; todos esses professores participaram da Academia STEM de verão, junto com um administrador de cada distrito. Os participantes do estudo foram selecionados aleatoriamente neste grupo maior de participantes da academia STEM.

Na Academia STEM, os participantes participaram de uma variedade de workshops sobre conceitualização STEM integrada, com base na definição de educação STEM feita pelo Departamento de Estado, fornecida na seção ” Definindo educação integrada STEM ” acima. As oficinas foram conduzidas por oficiais do Departamento de Justiça, especialistas em STEM e cinco professores mestres que haviam ganho um Prêmio Presidencial de Excelência em Ensino de Matemática e Ciências ou um Prêmio Milken Educator e contribuíram significativamente para o desenvolvimento da educação em STEM. Como os participantes obtiveram um entendimento compartilhado do STEM integrado no workshop (por exemplo, a definição de educação STEM do DoE foi fornecida a todos os participantes), ele não foi mais definido ou conceitualizado durante a entrevista.

A equipe de pesquisa obteve uma lista de participantes da academia STEM do Departamento de Estado e baseou o tamanho da amostra da fase 1 no tempo disponível para quatro pesquisadores entrevistarem os participantes em horários determinados durante o workshop de 5 dias. Selecionamos e entrevistamos aleatoriamente o maior número possível de professores e administradores, dentro das restrições de tempo, notade rodapé1, devido ao seu status de informadores-chave informados. Apenas os entrevistados foram indicados como participantes do estudo.

A amostra final de 22 professores representou um bom equilíbrio de professores do ensino fundamental, médio e médio e um bom equilíbrio de disciplinas científicas, tecnologia / engenharia e matemática. Oito dos 22 professores lecionaram no ensino médio (36%), oito lecionaram no ensino médio (36%), cinco lecionaram no ensino fundamental (23%) e um trabalhou no nível distrital (ou seja, ensino fundamental e médio) ; 5%). Oito eram professores de ciências (36%), cinco eram professores de matemática (23%), quatro eram professores de tecnologia (18%), três lecionavam outras disciplinas (por exemplo, professores ou coordenadores sobredotados / talentosos; 14%) e dois eram do ensino fundamental professores sem disciplina específica (9%). Dezessete dos 22 professores (77%) e dois dos quatro (50%) administradores eram do sexo feminino.

Coleção de dados

Utilizamos entrevistas semiestruturadas como nossa principal fonte de dados. As entrevistas têm várias vantagens em um estudo de avaliação de necessidades: fornecer informações detalhadas sobre uma ampla gama de tópicos, permitir a explicação de respostas ambíguas e obter mais informações do que é possível por meio de métodos de grupo. As entrevistas podem servir como um ponto de partida útil para a construção de questionários, identificando possíveis problemas para uma investigação mais aprofundada (Nagle e Gagnon 2008 ).

As entrevistas variaram de 25 a 45 minutos. Quatro pesquisadores experientes conduziram as entrevistas. Utilizamos protocolos de entrevista ligeiramente diferentes para professores e administradores. A entrevista do professor começou perguntando aos participantes suas maiores necessidades e desafios em sua área ou área de ensino e quais os apoios que melhor os ajudariam a superar seus desafios. Isso estabeleceu uma linha de base das necessidades dos professores como um ponto de contraste com as necessidades e apoios percebidos, permitindo abordagens integradas de STEM além de suas necessidades instrucionais comuns . Em seguida, solicitamos até que ponto eles integravam várias disciplinas em suas instruções. As questões remanescentes foram as seguintes: Quais são as barreiras ou desafiospara alcançar educação integrada em STEM? Quais apoios você precisaria fazer mais com abordagens integradas ao STEM ou para levá-lo ao próximo nível? Como você imaginaria a formação de professores que seria mais útil para desenvolver qualificações adequadas como professor de STEM? Em termos de educação e preparação pré-serviço ? Em termos de desenvolvimento profissional contínuo e em serviço ?

Também entrevistamos vários administradores ( n  = 4) sobre atividades integradas de STEM em suas escolas ou distritos; seus maiores desafios e necessidades relacionados à educação integrada em STEM; os apoios, recursos e pessoal mais desejados precisam ensinar STEM de maneira integrada; as qualificações dos candidatos ideais para professores de STEM; e sugestões para formação de professores e DP.

Análise de dados

A equipe que conduziu as entrevistas analisou os dados para determinar os temas, conforme sugerido para a análise qualitativa dos dados (Creswell 2007 ; Denzin e Lincoln 2005 ). As entrevistas gravadas foram divididas aleatoriamente entre os quatro pesquisadores-codificadores. Utilizando uma abordagem da teoria fundamentada, desenvolvemos um processo sistemático e organizado para o surgimento de temas (Glaser e Strauss). 1967).) Uma etapa inicial foi identificar elementos essenciais, conceituando, examinando e categorizando os dados. Todos os codificadores geraram categorias e as discutiram. Isso levou à codificação seletiva, na qual determinamos categorias essenciais e essenciais, consolidando alguns códigos em códigos centrais e abrangentes. Os códigos preliminares eram frequentemente idiossincráticos a uma única entrevista. Por exemplo, um entrevistado identificou a “aprendizagem centrada no aluno” como algo necessário para levar o STEM ao próximo nível, e esse foi o código fornecido inicialmente. No entanto, ela elaborou que o que precisava ser implementado era um ethos escolar que valorizava o aprendizado centrado no aluno. Quando visto à luz de várias outras respostas que discutem o tema de um “ethos ou cultura de suporte STEM, ”, Esse último código foi considerado o“ tema ”mais abrangente em execução nas entrevistas. Os códigos finais podem ser encontrados na Tabela 1 . Permitimos a codificação dupla, o que significa que mais de um tópico pode ser identificado como discutido por um entrevistado. Vinte e cinco por cento dos manuscritos foram codificados por dois codificadores para estimar a confiabilidade entre avaliadores. A concordância entre avaliadores foi de 90% e a Kappa de Cohen (que leva em consideração a taxa de concordância aleatória) foi de 0,80, o que é aceitável para uma boa faixa.Tabela 1 Categorias de codificação e frequências dos participantes discutindo cadaMesa de tamanho completo

Resultados

Os resultados são discutidos por tópico, concentrando-se nas categorias mencionadas com mais frequência. A Tabela  1 fornece a frequência com que cada tema foi discutido. Como permitimos a codificação dupla, cada contagem de frequência é independente das outras. Os resultados foram analisados ​​pelos níveis de ensino fundamental, médio e médio; diferenças notáveis ​​são relatadas quando aplicável.

Quais eram as maiores necessidades e apoios desejados dos professores em sua própria área de ensino?

Primeiro, pedimos aos professores que identificassem suas maiores necessidades e desafios de ensino dentro de sua área de ensino para estabelecer necessidades “básicas”. As respostas estão resumidas abaixo (não mostradas na Tabela  1) No geral, os tópicos mais discutidos foram (a) falta de recursos físicos e tecnologia (7 de 22, ou 32%), (b) lidar com mudanças nas expectativas e atitudes dos alunos (6 de 22 ou 27%), (c ) lidar com habilidades mistas e lacunas no entendimento dos alunos (5 de 22, ou 23%); (d) falta de interesse e envolvimento dos alunos (4 de 22 ou 18%); (e) falta de tempo para planejamento e colaboração (3 de 22, ou 14%), (f) preenchimento da papelada (3 de 22, ou 14%) e (g) falta de apoio administrativo distrital (3 de 22, ou 14%). Quando perguntados sobre quais apoios ajudariam a superar seus desafios ou a se tornar um instrutor mais eficaz, os tópicos mais comuns eram (a) mais recursos e suporte de tecnologia (9 de 22, ou 41%), (b) suporte para colaboração e planejamento com o professor colegas (8 ou 22; 36%), (c) mais desenvolvimento profissional (6 de 22 ou 27%),

Como os participantes dos professores integraram as disciplinas STEM em suas instruções até o momento?

Os participantes foram questionados: “Você integrou várias disciplinas, como ciências, matemática e / ou engenharia, em suas instruções?” Temas e frequências de respostas são mostrados na Tabela  1. A maioria dos professores (14 de 22, ou 64%) relatou ter integrado uma combinação de algumas disciplinas. Vários relataram que eles já estavam implementando educação STEM integrada. Atualmente, em alguns distritos, de acordo com vários administradores, havia aulas de ciências “integradas” para dar suporte a novos padrões de ciências (ie, NGSS) e (Common Core) de matemática, que incentivam a atenção à aplicação. Em algumas escolas, o STEM existia como uma aula de artes especial. No entanto, quatro professores participantes (3 de 8 professores do ensino médio, 1 de 8 professores do ensino médio e nenhum professor do ensino fundamental) relataram que as atividades integradas de STEM eram mínimas ou ainda não existiam.

Metade dos professores (11 de 22; 50%) indicou que eles integram a tecnologia em suas aulas. Entre os que relataram a integração de tecnologia, alguns identificaram tecnologias de sala de aula bastante padronizadas, como placas inteligentes e laptops, enquanto outros relataram uma integração de tecnologia mais inovadora, como a criação de livros digitais pelos alunos e a reprodução de videogames educacionais interativos. Aproximadamente um terço dos professores (8 ou 22; 36%) relataram que tentaram integrar o STEM recorrendo a problemas da vida real.

Os professores do ensino fundamental eram mais propensos a acreditar que já estavam integrando disciplinas STEM, aparentemente porque aulas separadas não são tão comuns, especialmente nas séries iniciais. No ensino médio e médio, a extensão da integração era mista, mas muitos professores haviam experimentado a integração de alguma maneira significativa, com alguns projetos envolvendo coordenação entre as disciplinas. Por exemplo, um professor de matemática conduziu um projeto integrado sobre revestimento de cobre. Os dados foram coletados na aula de ciências e analisados ​​na aula de matemática. Um instrutor de tecnologia educacional implementou unidades integrando ciências e matemática, como a construção de uma casa de pássaros. Um professor de ciências desenvolveu uma atividade para construir pontes, integrando geometria para resolver problemas, como quanto peso ele pode suportar. Outra unidade usou o Play-doh para modelar o sistema solar; os alunos estimaram tamanho, escala e distância entre planetas. Alguns professores eram bastante sofisticados com sua integração. Por exemplo, um professor de tecnologia profissional desenvolveu várias unidades integradas, incluindo uma para projetar e construir edifícios com suprimentos de madeira. Outras unidades se concentraram em biotecnologia, transporte, ferramentas médicas, hidroponia e agricultura, com o objetivo de os alunos obterem fortes conexões com vocações viáveis.

Nossos professores mestres já tinham trajetórias de carreira demonstrando comprometimento com os currículos e instruções que integram as disciplinas STEM. Um professor mestre foi um dos dois professores que ensinam em uma escola STEM dentro de uma escola. O que havia começado como um programa STEM especial tornou-se reconhecido como superior em termos educacionais e cresceu em popularidade e tamanho. Para ela, quase todos os seus currículos e instruções foram integrados. Outro professor mestre com formação em engenharia e pós-graduação havia desenvolvido uma variedade de atividades integradas de STEM, centradas no processo de projeto de engenharia, não diferentes das demonstradas na literatura atual (por exemplo, Estapa e Tank 2017 ; Glancy et al. 2014 ; Grubbs e Strimel 2015 ; Guzey et al. 2016) Essa professora compartilhou seu trabalho catalisando mudanças em uma escola secundária da academia STEM para envolver os alunos no processo de projeto de engenharia e na “investigação baseada na escola”, na qual os alunos usam o projeto de engenharia para resolver vários problemas. Ela facilitou uma variedade de atividades em toda a escola, desde as Primeiras Ligas Lego até a participação em uma competição patrocinada pela NASA para projetar foguetes (envolvendo videoconferências com engenheiros e astronautas da NASA), até exposições STEM para exposições de estudantes de projetos STEM.

Outro professor mestre tinha formação em ciências e medicina, começou a lecionar como professor de biologia e atualmente atua como professor adjunto do ensino médio e da universidade em programas que promovem carreiras relacionadas à saúde. Em seu curso de anatomia e fisiologia, os alunos pesquisaram as causas e terapias de uma variedade de doenças e traumas esqueléticos e musculares, incluindo lesões que requerem amputação, diabetes e queimaduras traumáticas. Após essa fase inicial de pesquisa, seus alunos trabalharam em grupos de habilidades mistas para projetar uma mão protética com a capacidade de pegar, segurar e soltar. Os alunos precisavam considerar uma variedade de fatos e conceitos, desde os ângulos das curvas até os vários tendões e ligamentos que conectam músculos e ossos. Em outra atividade baseada na profissão médica, cada aluno desempenharia o papel de médico, paciente, ou transcriptionist médico. Os médicos precisavam obter informações do paciente, como sintomas e histórico médico, antes de executar os testes. Ciência e conhecimento matemático e habilidade eram necessários, especialmente no diagnóstico de várias doenças. Conexões com a preparação para a faculdade e carreiras relacionadas à saúde foram feitas ao longo desses cursos.

Quais foram os desafios para obter instrução STEM interdisciplinar?

Os professores foram questionados: “Quais são as barreiras ou os desafios para alcançar a educação interdisciplinar em STEM?” As respostas a essa pergunta representaram uma gama de 15 categorias diferentes de codificação. Entre os desafios mais frequentes identificados estava a falta de entendimento (8 de 22, ou 36%). Muitos professores explicaram que simplesmente não sabiam como integrar efetivamente as áreas STEM, embora isso não tenha sido identificado como um desafio entre os professores do ensino fundamental. Alguns professores explicaram que a falta de compreensão de como ensinar de maneira integrada estava fortemente relacionada à falta de compreensão ou falta de motivação dos alunos para aprender de maneiras diferentes. Eles afirmaram que era necessária uma mudança de mentalidade por parte dos alunos e professores, a fim de entender que o papel do professor não era dar aos alunos a resposta correta. Os administradores forneceram uma perspectiva um pouco diferente, mas não incompatível. Eles tinham uma noção realista de quão profundos são os desafios para a formação de professores em STEM integrado, devido ao fato de a maioria dos professores ter cursado a faculdade antes da concepção do STEM integrado. Eles reconheceram que indivíduos que realmente têm uma estrutura conceitual firme em abordagens STEM integradas são mercadorias escassas.

Relacionados a essa barreira, vários participantes também expressaram a necessidade de desenvolver um entendimento de conteúdo e padrões em assuntos que não ensinam. Como um participante de um professor de matemática da 6ª série disse: “Eu sou bom com as coisas práticas, reunindo e descobrindo as coisas; (com) que eu estou bem. Mas quando se trata da parte científica (como) real, como por que funciona e por que algumas coisas estão sendo feitas, os padrões da ciência são minha queda. É como se eu estivesse olhando para um idioma diferente. Eu sou como, ‘o que isso significa?’ ”. Relacionados, alguns professores observaram que parecia haver múltiplos entendimentos sobre o que é ou poderia ser a instrução de engenharia e desejava que isso fosse esclarecido.

Outro desafio comumente discutido foi a falta de tempo – tanto para o planejamento colaborativo (8 de 22, ou 36%) quanto para o ensino integrado de STEM (5 de 22, ou 23%). Os professores relataram que falta tempo para trabalhar com colegas para desenvolver atividades curriculares multidisciplinares. Segundo os entrevistados, esse tempo juntos permitiria que os professores gerassem idéias e pegassem carona no trabalho um do outro. O tempo para a colaboração promoveria o trabalho em equipe necessário para apoiar a educação integrada em STEM. Em termos de tempo de instrução, um desafio discutido principalmente pelos professores do ensino médio foi que os projetos de STEM requerem períodos mais longos, tornando a falta de tempo de instrução suficiente um sério desafio. Vários sugeriram que o STEM deveria ser de sua própria classe.

Outra barreira, relatada por pelo menos 20% dos professores, incluía questões relacionadas à organização e estrutura da escola. Os participantes reconheceram que o horário das aulas durante o dia escolar restringia as possibilidades de integrar STEM em suas salas de aula. Professores do ensino fundamental e médio, em particular, relataram limitações em sua capacidade de encontrar blocos de tempo comuns que permitiriam aos professores de várias disciplinas STEM colaborar, desenvolver e implementar lições integradas. Eles também relataram que, com tanto conteúdo para cobrir, não há tempo instrucional suficiente para projetos STEM. Professores do ensino fundamental, nenhum dos quais relatou a organização da escola como um desafio, indicaram que tinham maior flexibilidade durante o dia para dedicar períodos de tempo significativos ao trabalho em aulas integradas de STEM.

Uma preocupação adicional manifestada por vários professores (5 de 22, ou 23%) foi o impacto dos testes. Esse era um problema pertinente, especialmente no ensino médio. Esses professores afirmaram que existe uma pressão substancial para garantir que os alunos estejam prontos para os testes padronizados e que a preparação para os testes diminui o tempo de instrução para formas criativas e integradas de instrução, como a aprendizagem baseada em problemas ou baseada em projetos. Enquanto isso, os administradores discutiram a necessidade de mudanças em como medir a aprendizagem ou o desempenho no STEM integrado, especialmente no que diz respeito às “habilidades sociais” essenciais ou fatores não cognitivos, como a persistência em caso de falha.

Vários professores também identificaram recursos insuficientes e material instrucional (3 de 22, ou 14%) e uma escassez de finanças (3 de 22, ou 14%) como desafios importantes. Vale ressaltar que a falta de recursos foi o desafio mais frequente discutido nas próprias disciplinas dos professores, mencionado por metade dos professores entrevistados, antes mesmo de considerar recursos adicionais e materiais de instrução que os projetos STEM exigiriam.

Quais os apoios necessários para abordagens mais integradas ao STEM?

Os professores foram questionados: “Que apoio você precisaria fazer mais com abordagens integradas ao STEM ou para levá-lo ao próximo nível?” Consistente com as respostas anteriores, o apoio mais frequente mencionado (8 de 22, ou 36%) era hora de colaborar e planejar. Para levar a educação STEM integrada para o próximo nível, os professores relataram que precisam de mais tempo para que diferentes áreas de conteúdo os professores trabalhem juntos. Mais tempo de instrução foi identificado como apoio desejado por vários professores, todos eles ensinando nas escolas secundárias.

Segundo, muitos professores (7 de 22, ou 32%) discutiram a necessidade de mais PD para professores. Eles indicaram que, para serem eficazes, precisavam de DP adicional sobre como incorporar e conectar diferentes disciplinas STEM e sobre integração de tecnologia. Os administradores consideraram o financiamento de PD suficiente entre as maiores necessidades para alcançar seus objetivos, especialmente para o desenvolvimento de currículo STEM e implementação instrucional. Vários administradores foram perspicazes quanto à mudança de mentalidade necessária para obter a integração STEM, acreditando que é importante, por exemplo, que os professores entendam o uso da tecnologia no contexto do processo de design de engenharia, em vez de caracterizar mais superficialmente a incorporação de tecnologia como qualquer tipo de aluno uso do computador. Alguns administradores reconheceram o importante papel do PD no reforço da estrutura conceitual de STEM, incluindo evidências de sua eficácia. Por exemplo, um administrador acreditava que uma das principais funções da DP poderia ser alavancar o processo de design de engenharia e a aprendizagem baseada em projetos como filosofias orientadoras. Alguns sugeriram que a DP no local seria a mais útil, para que a DP fosse mais personalizada de acordo com a singularidade dos ambientes e currículos escolares.

Da mesma forma, perguntamos aos administradores se eles atualmente queriam contratar um professor de STEM. Embora a maioria tenha manifestado interesse nisso, nossos administradores reconheceram a falta de um pool de candidatos de boa-fé, devido à atual escassez de programas de formação de professores de STEM verdadeiramente integrados. Os administradores acreditavam que o professor de STEM ideal não seria intimidado pela matemática e pelas ciências, mas teria uma paixão e um sólido conhecimento de conteúdo em ambos – juntamente com a proficiência em disciplinas relacionadas. Bons candidatos também teriam um nível de conforto ao explorar territórios desconhecidos, tentar coisas novas, adaptar-se e o inevitável fracasso que vem com a experimentação.

Vários entrevistados (6 de 22, ou 27%) relataram que recursos adicionais os ajudariam a levar o STEM integrado para o próximo nível. Ter bons exemplos, modelos, planos de aula estruturados e materiais em abordagens integradas foram todos identificados como necessidades importantes para alcançar a integração STEM. Esses recursos também incluíam materiais, equipamentos, móveis móveis e outros recursos físicos para criar ambientes de aprendizado propícios à investigação científica. Os administradores também entenderam a importância dos recursos para atingir as metas de STEM.

Vários professores, principalmente das escolas de ensino médio, discutiram a necessidade de comunicação entre todos os departamentos para facilitar as iniciativas transversais ao currículo. Finalmente, alguns administradores discutiram a importância de aproveitar os recursos e apoios da comunidade, incluindo os pais.

Embora não tenha sido uma pergunta sobre o nosso protocolo de entrevistas, vários professores descreveram espontaneamente alguns apoios para as atividades integradas de STEM que eles têm atualmente. Três professores discutiram maneiras pelas quais seu atual supervisor de matemática / ciências apoiava muito a atividade integrada de STEM. Dois professores observaram que o tempo de planejamento comum que já é fornecido (por exemplo, duas vezes por semana) tem sido muito útil no planejamento de aulas integradas de STEM.

Recomendações para educação pré-serviço

Os professores participantes relataram que sua própria preparação pré-serviço enfatizava práticas pedagógicas, conhecimento da área de conteúdo e padrões curriculares. Embora isso os ajudasse a melhorar a qualidade do ensino em sua área de conteúdo, era inadequado para os esforços atuais em direção à instrução STEM integrada. Para superar o desafio de conhecer o conteúdo e os padrões nas disciplinas em que não haviam se especializado, muitos professores (9 de 22, ou 41%) sugeriram um redesenho dos programas de pré-serviço para nutrir explicitamente abordagens integradas. Eles sugeriram a inclusão de cursos focados nos padrões de aprendizagem em todas as disciplinas STEM e práticas pedagógicas que apóiam a integração STEM, como atividades de aprendizagem colaborativa e baseada em projetos.

Outras sugestões para a educação pré-serviço incluíram a disponibilidade de aulas modelo ou exemplares de STEM (7 de 22, ou 32%) e orientação de professores com experiência em abordagens integradas (3 de 22, ou 14%). Os professores expressaram o desejo de observar professores experientes em STEM em ação, a fim de ver como são as lições integradas em STEM. Alguns entrevistados afirmaram que, devido à cultura predominante de testes, muitos professores não entendem intuitivamente a aprendizagem baseada em projetos. Os professores sugeriram que as observações em sala de aula também fossem necessárias para fornecer orientação sobre como gerenciar as salas de aula STEM. Consistente com a discussão de desafios e apoios, alguns professores acreditavam que a educação pré-serviço precisava enfatizar abordagens pedagógicas centradas no aluno, onde é valorizado o aprendizado por experiência e a pergunta, em vez de responder a perguntas.

Os administradores também reconheceram a necessidade de novos programas de educação pré-serviço no STEM integrado. Eles sugeriram que gostariam de ver novos programas de pré-serviço fornecendo experiência com práticas de ciência e engenharia; educação em aplicações do mundo real, brincadeiras e criatividade; e a vinculação de instruções a empregos e carreiras, a fim de estabelecer relevância. Eles acreditavam que programas de alta qualidade também ajudariam a desenvolver conhecimentos em padrões de ciências, matemática e engenharia e como envolver efetivamente os alunos em projetos que atendam a esses padrões.

Nenhum professor afirmou que as mudanças na educação pré-serviço não eram importantes ou necessárias, ou que outros tipos de mudanças na educação eram mais importantes. No entanto, não sabemos a extensão de qualquer viés de resposta causado pela sugestividade da própria pergunta da entrevista. Também não sabemos o que os professores poderiam ter dito se tivéssemos pedido a eles que avaliassem a importância relativa das mudanças na educação pré-serviço, apoiando diretamente o STEM integrado.

Recomendações para o desenvolvimento profissional em serviço

Os participantes dos professores já haviam passado pela educação pré-serviço, mas ainda participam regularmente da continuação da DP em serviço. Semelhante às suas sugestões para a educação pré-serviço, muitos professores (7 de 22, ou 32%) sugeriram que mais serviços eram necessários para ajudá-los com abordagens integradas à educação STEM explicitamente. Aproximadamente um terço dos participantes (7 de 22, ou 32%) relatou que seria útil se eles tivessem a oportunidade de revisar unidades exemplares em estratégias pedagógicas importantes, como a aprendizagem baseada em projetos, uma sugestão ecoada pelos administradores. Professores e administradores sugeriram a importância de oportunidades para ver gravações em vídeo de professores experientes implementando aulas integradas de STEM e acessar planos ou unidades de aulas exemplares. Também foi sugerido que os dias de DP sejam dedicados a ajudar os professores a experimentar a solução de problemas usando várias disciplinas STEM. Por exemplo, um professor desejou a oportunidade de experimentar o processo de projeto de engenharia em primeira mão – primeiro como aluno, seguido pelo desenvolvimento de um nível mais alto de domínio para abordá-lo como professor.

Os administradores sugeriram que a inclusão de professores de matemática, ciências e engenharia no PD seria muito importante para atender aos objetivos do STEM integrado. Alguns enfatizaram a importância de enfatizar a “visão” integrada de STEM para criar aceitação e gerar entusiasmo sobre o imenso potencial que existe se os professores trabalharem juntos em projetos mais ambiciosos do que seria possível trabalhar separadamente. Forjar e sustentar a colaboração entre professores nas escolas e entre distritos também foi sugerido como uma estratégia valiosa. Enquanto isso, alguns professores sugeriram que os administradores precisassem realizar mais observações em sala de aula para tomar decisões políticas informadas relacionadas ao STEM integrado. Os professores esperavam oportunidades em que pudessem ter tempo para compartilhar, discutir,

Discussão

Neste artigo, discutimos a fase 1 de um estudo de avaliação de necessidades de desenvolvimento profissional em duas fases em abordagens integradas à educação STEM. As entrevistas realizadas nesta fase do estudo tiveram como objetivo informar a construção de um questionário, atualmente em andamento, a ser administrado em todo o estado. Buscamos entender os maiores desafios e necessidades percebidos pelos professores e administradores em todo o estado, relacionados ao ensino de disciplinas STEM de maneira integrada e quais apoios seriam os mais bem-vindos no esforço de avançar para uma integração instrucional, a fim de informar recursos e políticas. decisões. As conclusões e conclusões neste ponto do estudo devem, portanto, ser consideradas preliminares.

Nossas entrevistas produziram vários temas distintos. No geral, eles sugeriram que a atividade integrada de STEM está ocorrendo em pequenos bolsos, mas ainda não é generalizada. Os professores mestres que entrevistamos forneceram modelos convincentes de professores envolvidos na educação integrada em STEM. No entanto, era aparente que a maioria dos professores ficou muito atrás da visão e promessa de STEM integrado que os professores mestre demonstraram ser possível. Os professores de nosso estudo reconheceram que sua incapacidade de imaginar como o ensino integrado de STEM “se parece” era o maior obstáculo atual. Como Moore et al. ( 2014), muitos professores têm lacunas no conhecimento do conteúdo de suas próprias disciplinas, e esperar que os professores estejam familiarizados com outras disciplinas cria mais lacunas. Alguns professores admitiram prontamente que não tinham conhecimento suficiente do conteúdo e dos padrões das disciplinas STEM, além da que eles ensinam. Como uma abordagem integrada se concentra em grandes idéias conectadas e inter-relacionadas, é necessário suporte para ajudar os professores com abordagens instrucionais que organizam o conhecimento em torno de grandes idéias, conceitos e temas (Stohlmann et al. 2012 ).

Os professores queriam participar do PD ensinado usando abordagens STEM integradas, para que pudessem experimentar, da perspectiva de um aluno, bons exemplos. De um modo geral, os professores que entrevistamos sabiam como começar a trabalhar em direção a uma abordagem integrada de STEM, mas perceberam que precisavam de ajuda: mais colaboração, mais modelagem, mais exemplos e mais orientação.

Necessidades, desafios e suportes desejados exclusivos para STEM integrado

Além da falta de conhecimento e visão, os professores mencionaram vários outros desafios, nem todos completamente novos, mas podem ser particularmente significativos quando aplicados à instrução STEM integrada. Isso inclui necessidades relacionadas à falta de tempo (tanto para planejamento colaborativo quanto para tempo instrucional para aulas integradas de STEM), estrutura e organização da escola, testes estaduais, avaliações para o desempenho de STEM, falta de recursos percebida e formação de professores (tanto em fase inicial quanto contínua PD em serviço) e modelos visíveis de integração STEM.

Percepção de falta de tempo

A falta de tempo estava entre as necessidades mais frequentes mencionadas – tempo para preparação e instrução colaborativas. Os professores são notoriamente pressionados pelo tempo, e isso está longe de ser novo como um desafio para os professores. De fato, aproximadamente um terço dos professores entrevistados observou que o tempo de planejamento colaborativo estava entre as suas maiores necessidades de instrução eficaz em sua própria matéria, sem levar em consideração o planejamento colaborativo entre departamentos que apoia a instrução STEM integrada. Ainda mais professores identificaram isso como um desafio ao discutir especificamente as necessidades de STEM integrado, especialmente entre professores do ensino médio e do ensino médio. A necessidade de tempo instrucional para atividades ou lições integradas de STEM, mencionadas com mais frequência pelos professores do ensino médio, não foi discutida como um desafio nas disciplinas dos professores.

Hora do planejamento colaborativo

Havia aspectos nos desafios dos professores ao longo do tempo que eram exclusivos das demandas do STEM integrado. Os professores expressaram o desejo e a necessidade de tempo para colaborar com outros instrutores. Até que mais professores tenham mais educação em disciplinas fora de sua área de ensino, ou especificamente no STEM, a integração bem-sucedida do STEM depende em grande parte da colaboração entre professores de várias disciplinas. Os informantes-chave estavam cientes de que a integração do STEM não seria alcançada sem mais tempo para trabalhar juntos. Os professores acreditavam que a colaboração com outros professores de diferentes disciplinas era essencial para melhorar a compreensão de outras áreas e desenvolver abordagens integradas e multidisciplinares.

Tempo de instrução

Existem maneiras pelas quais a necessidade de mais tempo instrucional também está relacionada exclusivamente à abordagem STEM integrada. As abordagens baseadas em projetos e em descobertas levam muito mais tempo do que as instruções diretas. Tentativa de atingir as metas de aprendizado de várias áreas de conteúdo no contexto de tais projetos, conforme descrito por Moore et al. ( 2014 ), também pode levar um tempo considerável para ser implementado. A sugestão de muitos professores do ensino médio de que o STEM precisa ser de sua própria classe certamente ressalta a necessidade de incorporar tempo instrucional adicional para ele.

Estrutura e organização da escola

Da mesma forma, os participantes dos professores reconheceram que o horário escolar impactou fortemente as possibilidades de tempo de planejamento colaborativo, bem como tempo instrucional para a integração de STEM. Professores do ensino fundamental e médio, em particular, relataram limitações em termos de encontrar blocos de tempo comuns que permitiriam que professores de várias disciplinas STEM colaborassem e ministrassem aulas integradas. Se a colaboração e o tempo de instrução são requisitos essenciais devido à natureza interdisciplinar das mudanças desejadas, as escolas podem precisar reconsiderar seriamente as questões do horário escolar e como os vários objetivos da escola são organizados.

Teste de estado

Outro desafio estrutural está relacionado aos desafios dos testes (por exemplo, PARCC, Common Core testing), uma preocupação expressa pelos professores do ensino médio em particular. Embora os desafios dos professores sobre os testes e as questões altamente relacionadas à cobertura de conteúdo já sejam um tópico amplamente discutido e debatido, neste estudo não foi um tópico notável de discussão quando os professores foram questionados sobre os desafios de sua própria disciplina. Isso não significa que nossos participantes nunca experimentem desafios relacionados ao teste em seu próprio assunto. Uma interpretação razoável, no entanto, é que os professores têm dificuldade em imaginar efetivamente instituir instrução STEM interdisciplinar, enquanto a responsabilidade pelo domínio do conteúdo dentro da disciplina permanece intensa.desejado, testando diminui tempo para o pedagógico abordagens que a instrução STEM requer . De fato, os objetivos dos testes de conteúdo são experimentados pelos professores como diametralmente opostos aos objetivos da educação integrada em STEM. Assim, uma consideração importante para os formuladores de políticas e administradores é a clareza em relação a quaisquer compromissos para adotar uma abordagem instrucional radicalmente diferente. Os professores parecem reconhecer que não podem simplesmente adicionar STEM integrado além de suas expectativas atuais. Em vez disso, suas responsabilidades precisariam mudar de maneiras claramente definidas.

Avaliações para a realização de STEM

Como os testes estaduais influenciam o conteúdo ensinado em sala de aula, os métodos apropriados de avaliação para os currículos STEM integrados também prometem ser outra área importante que precisa ser reconsiderada e repensada. Os formuladores de políticas e administradores precisarão considerar uma resposta apropriada às mudanças nas expectativas de instruções em relação aos testes padronizados. Serão necessárias avaliações alternativas que avaliem a aplicação dos conceitos pelos alunos, além de conhecimento e compreensão. Conforme mencionado por alguns administradores da escola, as escolas também precisam considerar como medir o desempenho com relação às habilidades “brandas” ou não cognitivas, como persistência e trabalho em equipe.

Percepção de falta de recursos

A falta percebida de recursos também não é um problema novo; de fato, foi o desafio mais frequente discutido nas áreas de ensino dos participantes. No entanto, os materiais para atividades integradas de STEM, sem dúvida, adicionam uma camada adicional de materiais que seriam necessários, especialmente suprimentos e software de engenharia, além de materiais e ferramentas para construção e fabricação, como madeira, plástico e máquinas. Esses tipos de recursos eram mais prováveis ​​de serem necessários no ensino médio. Nossas descobertas sugerem que a falta de recursos adequados é algo que os formuladores de políticas e administradores precisam considerar, porque a expectativa de abordagens integradas de STEM requer esses tipos de materiais e ferramentas.

Formação de professores

Talvez a descoberta preliminar mais saliente deste estudo da fase 1 seja a crença quase universal de que a atual formação de professores é totalmente inadequada e precisaria ser consideravelmente repensada e renovada, para que o STEM integrado floresça nas escolas. As respostas dos professores sugeriram a necessidade de cursos e oficinas de formação de professores de STEM (pré-serviço e em serviço) para abordar diretamente a peça de integração, demonstrando como as várias disciplinas de STEM podem ser superadas através do trabalho em equipe na solução de problemas do mundo real. Uma abordagem autenticamente integrada enfatizaria a natureza abrangente e transdisciplinar da investigação científica para formar explicações que, por sua vez, podem informar o projeto de engenharia e o uso da tecnologia para resolver problemas. Com relação à prática pedagógica, um professor postulou que os professores passaram a confiar em soluções corretas, assim como os alunos e devem se sentir mais confortáveis ​​com os riscos inerentes e as possíveis falhas que acompanham as abordagens baseadas em projetos. Esses desafios únicos sugerem uma prioridade dupla para os programas de formação de professores em STEM. O primeiro é fortalecer o conhecimento da área de conteúdo dos professores e as habilidades de gerenciamento de sala de aula necessárias para executar com eficiência as aulas integradas de STEM. O segundo é preparar os professores com práticas pedagógicas que incentivem os alunos a colaborar, lidar produtivamente com o fracasso e perseverar. Portanto, a formação de professores necessária para o STEM parece implicar um redesenho completo do processo de ensino e aprendizagem – que, pelo menos inicialmente, pode exigir equipes interdisciplinares de educadores de várias disciplinas do STEM.

Educação pré-serviço

Proporcionar oportunidades para experimentar equipes interdisciplinares trabalhando juntas pode ser um objetivo desafiador para programas de educação pré-serviço. Mesmo as sub-disciplinas da ciência (isto é, biologia, física e química) são freqüentemente vistas apenas como marginalmente relacionadas, e as várias disciplinas STEM ainda existem em diferentes edifícios em muitas instituições de ensino superior que oferecem educação pré-serviço. Embora existam alguns programas isolados de formação de professores em programas STEM integrados (veja, por exemplo, Glancy et al. 2014 ), precisamos saber mais sobre como isso pode ser alcançado realisticamente em uma escala mais ampla.

Educação em serviço

A natureza do desenvolvimento profissional contínuo necessário para apoiar os professores é outra necessidade altamente exclusiva do movimento STEM integrado. Em particular, os professores atestaram a necessidade de PD contínuo para professores certificados se concentrarem em áreas e padrões de conteúdo fora da especialização dos professores e em como integrar vários objetivos de aprendizagem de diferentes áreas de conteúdo. Como sugerido por Moore et al. 2014, os desafios do projeto de engenharia e outros projetos podem ser complexos e envolver ciências e matemática, mas um ingrediente essencial é a habilidade do professor para facilitar as conversas que abraçam essa complexidade, destacando conceitos e aspectos transversais das práticas de ciência e engenharia que unificam as muitas “partes” . ”A habilidade do professor também é necessária para promover o trabalho em equipe e as habilidades de comunicação. Assim como o PD necessário para apoiar o design de engenharia e os modelos baseados em projetos, conforme discutido por Glancy et al. ( 2014 ), nossas entrevistas sugeriram que o PD apoiando STEM integrado deve incluir pedagogia construtivista, baseada em investigação e baseada em projetos.

Modelos de integração STEM

Os professores expressaram repetidamente a necessidade de ver exemplos de outros professores implementando aulas integradas de STEM. Ao observar exemplos de lições, os professores veem como os currículos, a abordagem instrucional e suas interações se desenrolam. Ver exemplos ricos de interações em sala de aula para estruturar efetivamente a criação de sentido dos professores, incluindo observações em vídeo e ao vivo, tem sido frequentemente identificado na literatura sobre as melhores práticas no desenvolvimento profissional dos professores (Ball et al. 2009 ; Borko et al. 2008 ; Roth et al. . 2011 ; Sherin e Han 2004) Os professores receberam bem as oportunidades de ver modelos de lições e avaliações apropriadas com base nos desafios do projeto de engenharia. A eficácia de tais abordagens na promoção da motivação e engajamento dos alunos, bem como na aprendizagem de conteúdo disciplinar, tem sido apoiada por uma série de pesquisas (por exemplo, Estapa e Tank 2017 ; Glancy et al. 2014 ; Grubbs e Strimel 2015 ; Guzey et al. 2016 ) Uma variedade de relacionamentos entre engenharia e ciência pode surgir à medida que os modelos se tornam cada vez mais disponíveis.

Implicações para políticos e tomadores de decisão

É provável que este estudo, especialmente o estudo completo de duas fases, tenha implicações para as políticas em relação à certificação, recomendações e credenciamento de professores, incluindo a possibilidade de credenciamento alternativo. Os requisitos de aprovação e / ou certificação do estado podem impulsionar novos programas de certificação de professores oferecidos por instituições de ensino superior. Com muitos professores certificados se sentindo mal equipados para implementar STEM integrado e reconhecendo as mudanças necessárias nas mentalidades e práticas de professores e alunos que isso implica, parecem ser necessárias oportunidades educacionais mais substanciais do que oficinas isoladas em serviço. Para não reproduzir os requisitos e os investimentos de uma educação pré-serviço para certificação de professores, no entanto, credenciais alternativas ou microcredenciais “empilháveis” podem ser desejáveis,

Em um sentido muito real, o principal desafio que as escolas enfrentam no ensino de assuntos STEM de maneira integrada é o mais exclusivo de todos para o movimento STEM integrado: as escolas continuam ensinando assuntos STEM separadamente. Esse pode ser considerado um desafio superordenado, subordinado à maioria dos outros, uma vez que muitos dos vários desafios e obstáculos identificados pelos participantes estavam fortemente relacionados ao ensino separado de disciplinas nas escolas. Pode haver pouco tempo nos horários das escolas para planejar e ensinar STEM integrado até que sejam feitas mudanças substanciais na organização e programação das escolas. Como Moore e Smith ( 2014) afirmam: “É necessário mudar a escola para apoiar a integração STEM. As escolas são criadas para silenciar as disciplinas STEM … As escolas precisam fazer mudanças estruturais que permitam aos alunos … aprender a natureza de cada uma das disciplinas STEM e aprender que elas estão interconectadas de maneira a … encontrarem problemas do mundo real ”( p. 7). A medida em que administradores e professores entendem e esperam uma reforma significativa na forma como as disciplinas STEM (se não todas as disciplinas da escola) são atualmente ensinadas é uma questão importante, pois continuamos a estudar as necessidades e os desafios associados à educação K-12 no STEM integrado.

Implicações para a construção do questionário da fase 2

Na Academia STEM do verão de 2016, os participantes do nosso estudo receberam uma definição de STEM do Departamento de Estado, que refletia uma estrutura conceitual para a educação integrada em STEM. No entanto, não se pode esperar que professores de todo o estado tenham uma compreensão ou definição de trabalho do que é STEM integrado, sem falar de um entendimento comum. As definições de educação integrada em STEM parecem variar significativamente. Portanto, é preciso saber mais sobre o entendimento atual dos professores sobre STEM integrado e como ele é atualmente conceitualizado. É provável que os entendimentos dos componentes básicos do STEM integrado. Por exemplo, enquanto muitos reconhecem a importância de integrar a tecnologia como o “T” em “STEM”, a integração da tecnologia parece ser concebida de maneiras muito diferentes,2014 ). Também houve sugestões em nossas entrevistas de que os entendimentos de engenharia e educação em engenharia também variam. O estudo da fase 1 também sugere fortemente a importância de personalizar as perguntas para os níveis de ensino fundamental, médio e médio, uma vez que as necessidades dos professores nesses níveis parecem ser bastante diferentes. Isto é especialmente verdade, dada a tendência dos professores do ensino fundamental acreditarem que já estão integrando disciplinas STEM. Embora o preenchimento do questionário da fase 2 esteja além do escopo da fase 1, essas observações ajudarão a informar sua construção.

Limitações

Os informantes-chave em nossa amostra intencional foram escolhidos porque foram indicados por seus supervisores como professores com potencial para liderar o movimento STEM integrado em seus distritos e que receberam mais apoio instrucional e curricular. É importante ter em mente que tanto a amostra seletiva quanto a experiência compartilhada dos participantes do estudo na academia STEM provavelmente teriam influenciado os resultados. Primeiro, provavelmente houve um viés de seleção em relação aos professores mais avançados. Segundo, o nível de aceitação e receptividade entre os professores em relação ao STEM integrado como uma meta desejável foi provavelmente maior do que o de uma amostra aleatória de professores que ensinam assuntos de STEM. Provavelmente, isso resultou em viés de resposta em comparação com uma população maior de professores. É nossa intenção superar essa limitação na fase 2 do estudo;

Além disso, as respostas aos tipos de perguntas feitas neste estudo provavelmente foram influenciadas pelas etapas de implementação dos professores. Por exemplo, os professores são responsáveis ​​pela implementação do NGSS em nosso estado atualmente e observamos um alto nível de estresse e ansiedade entre alguns professores ao fornecer o NGSS PD. Neste estudo, a implementação ainda não era necessária e, portanto, a maioria das disposições dos professores em relação ao STEM integrado pode ser melhor descrita como exploratória (com exceção dos professores mestres). No entanto, também houve variabilidade no estágio de implementação que não foi medido.

Conclusões

Dado o crescente interesse e a relevância de abordagens integradas à educação em STEM, há um desejo urgente de entender os desafios e obstáculos no desenvolvimento e implementação de currículos e instruções integrados em STEM. As conclusões preliminares da fase 1 deste estudo de avaliação de necessidades em duas fases fornecem um ponto de partida para uma melhor compreensão das necessidades dos professores na educação integrada em STEM. Discutimos temas que foram identificados por pelo menos vários de nossos 22 professores participantes e discutimos com profundidade durante as entrevistas. A fase 2 do estudo nos permitirá considerar novas questões e orientações decorrentes dos achados da fase 1, além dos sugeridos pela literatura.

A força do estudo de duas fases completo está em representar os desafios e os apoios no terreno necessários entre aqueles que trabalhariam mais diretamente para implementar currículos STEM integrados e programas de instrução para o ensino fundamental e médio. Isso é de importância crítica, dada a variação significativa entre indivíduos, escolas e disciplinas com relação aos entendimentos atuais da educação integrada em STEM e seus componentes principais. Os temas identificados e discutidos na fase 1 deste estudo ajudam a fornecer uma linguagem comum e um trampolim para mais comunicações e pesquisas explorando o desenvolvimento de abordagens integradas à educação STEM nas escolas de ensino fundamental e médio.

 

 

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