תקציר בלי קמח אין טכנולוגיה: קידום מיומנויות חשיבה ירון דופלט, yarondoppelt@gmail.com מנהל מורטק, המחלקה להוראת הטכנולוגיה והמדעים, הטכניון קמ"ח: קידום מיומנויות חשיבה בטכנולוגיה היא תוכנית לפיתוח חשיבה מערכתית בהנדסה המיושמת לתכן וללמידה. מרכיבי מסגרת החשיבה המערכתית הם: מטרות, מידע, פתרונות, בחירה, תכן צעדי פעולה ליישום, והערכה. הרעיון המסתתר מאחורי גישה זו הוא שתלמידים מסוגלים ללמוד באמצעות תהליך המחקה את תהליך התכן אותו מהנדסים מפעילים כאשר הם ממציאים מוצר חדש או מוצאים פתרון לבעיה חדשה. תלמידים לומדים באופני חשיבת תכן כמו: ניתוח וזיהוי צרכים, הגדרת דרישות, ייצור רעיונות באמצעות סיעור מוחות, קבלת החלטות על הפתרון המועדף, ייצור והרכבה והערכת הפתרון שפותח. דיווח זה משקף תהליכים שזיהיתי במהלך 5 שנים בהן הייתי מעורב בהנחיית שלוש קבוצות רובוטיקה שהשתתפו בתוכנית.FIRST תוכנית,FIRST למען ההשראה וההכרה במדע וטכנולוגיה נוסדה לפני 02 שנה ע"י הממציא דין קיימן מניו המפשייר, ארה"ב. השתתפות בתוכנית FIRST מאפשרת לתלמידים לחוות כקבוצה מחזור שלם של תכן, ייצור, הרכבה, תכנות, הפעלה והערכה של מערכת רובוטית מקורית המבצע משימה המשתנה כל שנה. התוכנית התפשטה בעשרים השנה האחרונות מניו-המפשייר לכל המדינות בארה"ב ולקנדה, מקסיקו, ברזיל, אנגליה דנמרק, בוסניה, תורכיה, ישראל וניו-זילנד. מילות מפתח: תכן מערכתי, תהליך למידה, חשיבה יוצרת, רובוטיקה מבוא תלמיד שלומד לפי תוכנית הוראה המאפשרת גמישות פעולה של הלומד לפי נטיותיו, כישרונותיו וסגנון הלמידה הייחודי לו יחווה תהליכי למידה עמוקים ויגיע להישגים לימודיים גבוהים יותר מתלמיד שמשובץ למסלול או תוכנית שאינה רגישה לנטיות החשיבה, והכישורים הייחודיים של כל לומד )1998 Sternberg,.)Kolb, ;1986 Perkins, ;1995 תוכנית מלמיד: מנוף לקידום מוטיבציה וידע יצרה סביבת לימוד בה כל תלמיד יכול לבטא את עצמו ולפתח את כישוריו באמצעות למידה פעילה, מעורבות, עבודת צוות ולהגיע למיצוי הפוטנציאל הטמון בו )דופלט, 8991(. תוכנית זו שודרגה עם השנים )2009 Doppelt,,)Doppelt, ;2004 Doppelt ;2005 וכוללת כיום שלושה מסלולים לביצוע עבודת גמר של 5 יח"ל: המסלול המקורי של "מלמיד" פרויקט יצירתי עצמאי בסביבת לגו, מסלול הרובונר או הרובוטראפיק ומסלול ה-.FIRST ארגון FIRST For Inspiration & Recognition of Science & Technology נוסד על ידי הממציא דין קיימן בניו-המפשייר לפני 02 שנה. במאמר זה נבחן תובנות שתלמידי ומנחי הקבוצה הגיעו אליהן ושחלקן התחזקו בעקבות הובלת קבוצות נוספות בתוכנית.FIRST במאמר נדגים כיצד תהליך התכן ההנדסי שנמצא כשיטה יעילה ללימוד מושגים בטכנולוגיה ובמדעים מאפשר לפתח מיומנויות וכישורים שונים אצל לומדים בתהליך למידה רב גילאי ורב שנתי. 1
היישום בשדה כדי להגשים את החזון שתואר במבוא אני מאמץ את גישה מערכתית ההנדסי התכן שהקבוצות חוות. גישה זו מתאר את תהליך הלמידה והתכן שהתלמידים חווים. תוארה במאמרים קודמים )דופלט, ידע מוקדם על מערכות הנדסיות לתהליך הלמידה ולתהליך.)0229 ;0221 8 איור מגוון רעיונות ובחירה ניתוח וחקר צרכים זיהוי והגדרת דרישות מודל המערכת וניתוח תיפקודי קבלת החלטות הערכה ותקשורת הכנת תיעוד הצגת הפרויקט חשיבה משקפת הערכה עצמית תכן, ייצור והרכבת הפתרון המועדף השערה, בדיקה, איתור תקלות, שיפור, הערכה תת-מערכת מרכב והנעה תת-מערכת זרוע ותופסן תת-מערכת בקרה איור 8: תהליך למידה בגישת תכן הנדסי מערכתי בתהליך זה השתמשנו כדי לחשוב, לפתח וליישם יחידת לימוד שנוסתה עם אלפי תלמידים במחקר רב שנתי 2009( Bird,.)Doppelt, Schunn, Silk, Mehalik, Reynolds & במחקר זה נמצא שתלמידים, שלמדו מדעים על פי יחידות לימוד שפותחו לפי המודל המתואר באיור 8, הגיעו להישגים הגבוהים בשתי סטיות תקן מתלמידים שלמדו בשיטת החקר שהייתה נהוגה בבתי הספר. במחקר גם נמצא שלשיטה זו יש פוטנציאל בהקטנת הפער בין לומדים מרקעים שונים ובעלי הישגים לימודיים קודמים שונים. כיצד מיישמים את המודל הזה בתהליכי למידה רב גילאיים ורב שנתיים שחווים תלמידי קבוצת רובוטיקה במסגרת תוכנית?FIRST כדי להבין את מהות תוכנית FIRST כדאי להתבונן היטב בחזון של דין קיימן מייסד הארגון: "לעצב את תרבותנו על-ידי יצירת עולם בו מדע וטכנולוגיה מוערכים, עולם בו צעירים חולמים להיות גיבורי מדע וטכנולוגיה" המטרה של ארגון FIRST היא: "ליצור השראה עבור צעירים כדי שיחלמו להיות מנהיגים של מדע וטכנולוגיה על-ידי כך שנערב אותם בתוכנית מרגשת מבוססת מנחים שבונה כישורים מגוונים בתחומי המדע, ההנדסה והטכנולוגיה, ומעודדת חשיבה המצאתית, חדשנית ופורצת דרך ומקדמת חיים איכותיים הכוללים בטחון עצמי, מיומנויות של תקשורת ומנהיגות." הערה: ל- FIRST יש שלוש תוכניות עיקריות: FTC,FRC ו-.FLL FRC: FIRST Robotics Competition, FLL: FIRST LEGO League, FTC: FIRST Technology Challenge 2
הגשמת מטרות אלו נעשית על-ידי יצירת מסגרת למידה מוגבלת בזמן ובמשאבים והמונעת ע"י מנחים מתנדבים שחולקים את זמנם ונסיונם עם תלמידים בגילאי 85 עד 81 לצורך חשיבה, תכנון, ייצור והרכבה של רובוט שמשתתף במשחק בעל אופי ספורטיבי תחרותי המשתנה על פי הגדרת המשימה כל שנה מחדש. תהליך התכן והלמידה שמופעל בקבוצות FRC בהנחייתי למרות שבקהילת ה- Competition),FRC (FIRST Robotics נהוג לכנות את התקופה של 6 שבועות שמוקצית להשלמת המשימה, "תקופת הבנייה", התלמידים בקבוצות שהנחתי מקדישים לפחות 52% מזמן זה לתהליך תכן של הרובוט. איור 0 מראה דוגמא אחת ללוח מלא ברעיונות של תלמידים שתועד בקבוצת,MisCar בשנת 0229. איור 0: לוח מלא ברעיונות של תלמידים לתת-מערכת ההנעה סיעור מוחות שבוע ראשון אנחנו מנתחים את האתגר שמפורסם כל שנה בשבוע הראשון של חודש ינואר ומגדירים מהן המטרות שהקבוצה רוצה להשיג במשימה שפורסמה. המטרות משמשות כדרישות לתכנון הרובוט. כדי להשיג את הדרישות הללו אנחנו מתרגמים אותן לפונקציות שהרובוט צריך לבצע. רק אז מנסים להעלות רעיונות לתת-מערכות שיבצעו את הפונקציות שהוגדרו. איור 3 מציג תיעוד אחד של מטריצה המשמשת לקבלת החלטות. הקבוצה כולה מעלה רעיונות, צוותי תלמידים המשולבים לעיתים עם מנחים בונים דגמים מקרטון, מעץ, מלגו וממתכת כדי להציגם לשאר הקבוצה. הקבוצה מנסחת קריטריונים להערכת הרעיונות בהיבט של מידת היעילות שכל פתרון מביא עימו לכל קריטריון. מספר רעיונות מצומצם נבחר באופן דמוקרטי לפיתוח מתקדם יותר. איור 3: מטריצת רעיונות/קריטריונים לקבלת החלטות 3
אבי-טיפוס שבוע וחצי אנחנו בונים אבי טיפוס לרעיונות המועדפים שהקבוצה בחרה תוך כדי ביצוע תכן ראשוני ולפעמים מתקדם באמצעות תוכנת.Autodesk Inventor תכן זה משמש גם כדי לעצב את אבי הטיפוס וגם בשלבים מסוימים כדי לשלוח למפעלים שונים תוכניות ייצור של חלקים שאין באפשרותנו לייצר בבית הספר. בתום שבועיים וחצי יש לנו בדרך כלל רעיונות סופיים עבור כל תת-המערכות שהוגדרו עבור הרובוט. בשנים האחרונות גישה זו של תכן הנדסי מערכתי הניבה מספר רעיונות יצירתיים כמו: ציר אקצנטרי להגברת החיכוך עם משטח חסר חיכוך. איור 4 מראה פירוק של הציר המקורי שלנו. איור 4: פירוק של הרכבת ציר אקצנטרי, בתי המיסב והגלגל שימוש במדחפים הוא רעיון שנשקל ויושם בהצלחה. תכן האב טיפוס הראשון של המדחפים הסתיים וגם יוצר עוד לפני פרסום העידכון שדרש שינוי של התכן. האיור מראה את האב טיפוס שתוכנן ויוצר לצד המוצר הסופי שבסופו של דבר הורכב על הרובוט שנשלח לתחרות. המדחפים שבתמונה, כאשר פעלו הוסיפו כ- 42% תוספת לכוח ההנעה של הרובוט. איור 5: מערכת של זוג מדחפים מקוריים של קבוצת הרובוטיקה MisCar 4
גיר ייחודי המאפשר להרכיב שני מנועי FP בעלי מהירות סיבוב גבוהה מאוד של 80222 סל"ד אך בעלי מומנט קטן מאוד של 2.8 ניוטון מטר, וליצור תמסורת ייחודית שמפיקה עוצמה ומהירות סיבוב השקולים למנוע CIM שנתוניו 0422 סל"ד ו- 8.0 ניוטון מטר. איור 6: שרטוט פרט של בית הגיר ייחודי שנשלח לייצור במפעל תכן סופי בשבועיים הבאים הקבוצה מסיימת את התכן הסופי של חלקים שצריכים לצאת לייצור במפעלים השונים איתם יש לנו קשר מתמשך ומתהדק כבר מספר שנים. משמעות הקשר היא שהתלמידים שאחראים על התכן מכירים את המפעלים ויודעים לאיזה מפעל לשלוח איזה חלק. לדוגמא: באיור 6 המכסה המסומן כחלק מספר 5 יוצר על-ידי מפעל אחד ואילו הבסיס חלק מספר 3, ובית המסב חלק מספר 1 יוצרו על ידי מפעל אחר. את הציר חלק מספר 6 ייצרנו במחרטה שקיימת בבית הספר. איור 7: שרטוט הרכבה של גיר ייחודי 5
תהליכי למידה רב גילאיים רב שנתיים הקבוצה מורכבת מ- 04 תלמידים בכיתות י' עד יב' בדרך כלל כ- 6 תלמידים בכיתה יב' ו- 9 תלמידים מכיתה יא' ומכיתה י'. כך נוצרת קבוצה שבכל שנה עוזבים אותה כ- 6 בוגרים ונכנסים אליה 6 תלמידים צעירים. הקבוצה נפגשת בחופשת סוכות לסדנת היכרות בה תלמידי יב' מנהלים למידה מעמיתים במסגרתה לומדים התלמידים החדשים בקבוצה את היסודות של פעילות תכן והרכבה של רובוט. מתחילת השנה ועד חופשת חנוכה הקבוצה נפגשת כל שבוע ביום חמישי משעה 80:22 ועד 028:22 וביום שישי משעה 29:22 ועד 83:22. במסגרת ימים מרוכזים אלו הקבוצה מאמנת את צוות התוכנה ע"י הטלת משימות הקשורות בתכנות הרובוט של שנת 0221. צוות הבנייה והאלקטרוניקה מחזיר רובוט זה לפעילות שכן רובוטים של שנים קודמות מפורקים כדי לנצל רכיבי אלקטרוניקה ומנועים הנדרשים להרכבת רובוט אימון במהלך על עונה חדשה. בחופשת החנוכה הקבוצה מאמנת צוות מפעילים על רובוט 0221 המחודש. מטרות שהפרויקט מציב בפני הילדים בשלוש השנים האחרונות הקבוצה ביצעה סיעור מוחות לגבי המיומנויות שברצוננו לטפח. הדיונים כללו את התלמידים וחמישה מנחים. להלן סיכום הדיון שעוצב לקראת סיום עונת 0282:.8.0.3 בשנים 0282-0221 הפרויקט מערב את בני הנוער בתהליך תכנון הנדסי בגישה רב-מערכתית, הכולל את כל התהליכים בהם מתנסים מהנדסים בתעשיות המתקדמות ביותר בלוח זמנים צפוף. המיומנויות שבני הנוער רוכשים תוך כדי הפרויקט הן: עמידה בלוחות זמנים 0.8. עבודת צוות, אחריות אישית ואחריות לקבוצה 0.0. חשיבה יוצרת, פיתוח הדמיון המודרך ומיקודו לחשיבה הנדסית, חשיבה בינתחומית 0.3. סיעור מוחות ותהליכי בחירת פתרון מועדף 0.4. יישום תכנון בעזרת מחשב, הן ברמת התכנון התלת מימדי, והן ברמת תוכניות ייצור. 0.5. תלמידי משגב שולחים תוכניות ייצור ועבודה קשר בלתי אמצעי עם התעשייה 0.6. לחמישה מפעלים שונים ומבצעים מעקב, תוך שמירה על לוח זמנים לחוץ, על אספקת הרכיבים בזמן כדי שניתן יהיה לבצע הרכבת אב טיפוס ומוצר סופי בהפרשי זמן קטנים. חשיבה אלגוריתמית ויישומה לתוכניות בקרת מחשב מורכבות 0.0. תכנות של מערכות בזמן אמת 0.1. למידת מערכות הנדסיות מכטרוניות הנמצאות בחזית הטכנולוגיה, תוך יישומן בפרויקט 0.9. מורכב, פרי התכנון, ההרכבה והעיצוב הסופיים של הקבוצה. איתור תקלות ופתרון בעיות 0.82. תיעוד כל השלבים מסיעור המוחות הראשוני דרך כל שלבי החשיבה, בניית דגמים חלופיים, תכנון תת- מערכות שונות ועד שלב התכנון הסופי ותהליך ייצור, הרכבה ועיצוב.0.88 הרובוט. בניית אתר אינטרנט שתפקידו להוות חלון של הקבוצה לקהילת משגב ולקהילת.FIRST 0.80. שיווק הפרויקט בתוך בית הספר לתלמידים אחרים בגילאים שונים, שיווק בקהילה. 0.83. מחויבות אישית לתרומה לקהילה - בבתי חולים, כפר הילדים, פרויקט ניצנים, נוער 0.84. מנותק ועוד. הפרויקט מראה לילדים שאם הם ייקחו אחריות על תפקידים ופעילויות שנדרשו לבצע בפרויקט - הקבוצה תשיג את מטרותיה. רובוטיקה בקהילה. מקבוצת MisCar הקבוצה הרחיבה את פעילותה בסיוע לקבוצות אחרות ובארגון פעילויות הקבוצה תרמה רבות לצמיחת קבוצות מסייעים בהנחיית קבוצות ה-.FLL שבוחר ללמוד כבר שנתיים במגמות המכטרוניקה והאלקטרוניקה.,FLL בחטיבת הביניים. תלמידים כתוצאה מכך גם הוכפל מספר התלמידים 6
הערות לסיכום אם אתה לא מנחה קבוצת FRC תתקשה להאמין שרובוט כמו באיור 1, שוקל 02 ק"ג, במימדים של (95cm)x(71cm)x(152cm) נוסע במהירות של 3 מטר לשניה תוכנן, הורכב ותוכנת על-ידי חבורה של נערים ונערות בכיתות י' עד יב'. אבל ההישג המשמעותי ביותר של קבוצה זו היא שהם אימצו מעל 52% מהקבוצות בישראל במשך 6 השנים האחרונות. בנוסף, קבוצה זו פיתחה תהליכי לימוד הניתנים להעברה לקבוצות אחרות. איור 8: רובוט 7002 של קבוצת MisCar בשנת 0220 ייסדתי קבוצה חדשה, רובואורד, שהגיעה כבר בשנה הראשונה למקום הרביעי במשחקי המוקדמות והפסידה ברבע הגמר. בשנה השנייה, שנת 0221, קבוצה זו העפילה למקום השני במשחקי המוקדמות והפסידה בחצי הגמר. אולם, השופטים שהבחינו בהישגים המדהימים של קבוצת רובואורד העניקו לה את פרס ההשראה להנדסה שזיכה אותה בזכות לטוס להשתתף באליפות העולם. איור 9 : רובוט 7002 של קבוצת רובואורד התהליכים שהופעלו בקבוצת רובואורד דומים מאוד לתהליכים שתוארו בקבוצת.MisCar רובואורד קיבלה סיוע ממספנות חיל הים, דבר שאיפשר לקחת קבוצות קטנות של תלמידים בעיקר אחרי השעה 83:22 כדי להתבונן בייצור חלקים לרובוט שלהם, להרכיב את החלקים המוכנים על השילדה שהם בנו בתחילת תקופת הבנייה במרכז המדעים שנתרם ע"י מרק גלפנד. איור 01 : רובוט 7002 של קבוצת רובואורד בשנה השלישית, שנת 0229, רובואורד הוזמנה להשתתף בברית שניצחה את אליפות הארץ וטסה בשנית להשתתף באליפות העולם ולייצג את ישראל. מנחה אחר מקבוצת MisCar לקח שנת חופש מהתנדבות בקבוצה כמנחה, והקים קבוצות רובוטיקה חדשות בבית שאן ובסולם צור. 7
תודות מכל מלמדי השכלתי, הרבה למדתי מרבותי, מחברי יותר מרבותי ומתלמידי יותר מכולם. תודה לחברי המנחים בקבוצת MisCar חיים דריבין, ברק פילוסוף ועדי עידן, תודה גם למנחים שעבדו איתי בקבוצת רובואורד, ניסים בית אור ומוטי עובדה. תודה לאבי קלפפר ובני שוובסקי מקבוצת עמק חפר אותה ליוויתי שנה שלמה, תודה לברוך בקלו ואסף שולמן מהריאלי והכי חשוב תודה לתלמידי מהם אני לומד יותר מכולם, חשיבתם הרעננה משמשת לי מקור השראה ואנרגיה להמשיך הלאה בעשייה החינוכית. רשימת מקורות דופלט, )0229(. דופלט, י. י. הגישה המערכתית להוראה כאמצעי לפיתוח מסלולי לימוד מואצים בטכנולוגיה, מורטק, 5-1 0, הוצאת מרכז המורים הארצי למקצועות הטכנולוגיים, הטכניון, חיפה. 88-85 גישה מערכתית לשינוי חינוכי. מורטק, 8, הוצאת מרכז המורים הארצי.)0221( דופלט, י. למקצועות הטכנולוגיים, הטכניון, חיפה. )8991(. למידה וחשיבה יוצרת בסיוע פרוייקטים במדע וטכנולוגיה, עבודת מסטר, המחלקה להוראת הטכנולוגיה והמדעים, הטכניון, חיפה. Doppelt, Y. (2009). Assessing creative thinking in design-based learning, International Journal of Technology and Design Education. 19 (1), 55-65. Doppelt, Y. (2005). Assessment of Project-based learning in a MECHATRONICS Context, Journal of Technology Education, 16 (2), 7-24. Doppelt, Y. (2004). Impact of science-technology learning environment characteristics on learning outcomes: Pupils' perceptions and gender differences, Learning Environment Research, 7 (3), 271-293. Doppelt Y., Mehalik, M. M., Schunn, C. D. Silk, E., and Krysinski, D. (2008). Engagement and achievements in design-based learning, Journal of Technology Education, 19 (2), 21-38. Doppelt, Y., Schunn, C. D., Silk, E. M., Mehalik, M. M., Reynolds, B. & Ward E. (2009). Evaluating the impact of a facilitated learning community approach to professional development on teacher practice and student achievement. Research in Science and Technological Education, 27(3), 339-354. Kolb, D. A. (1985). Learning Styles Inventory, Boston, Massachusetts: McBer and Company. Perkins, N. D. (1992). Technology meets constructivism: do they make a marriage?, in Duffy, T. M. & Jonassen, H. D. (Eds.), Constructivizim and the Technology of Instruction: A Conversation, Hillsdale, New Jersey: Lawrence Erlbaum Associates, Chap. 4, 45-55. Sternberg, J. R. (1998). Teaching and assessing for successful intelligence, The School Administrator, 26-31. 8