Competence development in a project and problem based learning professional practice module in engineering education based on ill-structured problem solving: action research and its implications for sustainability education

Abstract

El propósito de esta investigación es desarrollar un módulo de aprendizaje basado en la práctica profesional para que los estudiantes de ingeniería fomenten las competencias propias de su profesión. Por otra parte, se pretende utilizar los resultados obtenidos como directrices para el incorporar el desarrollo sostenible en el contenido de la propuesta del módulo. Para el diseño de modelos de aprendizaje de competencias los principales enfoques incluyen la resolución de problemas mal estructurados en entornos de aprendizaje basados en problemas y proyectos. A partir de esta revisión se diseña una propuesta educativa en la que se adoptan técnicas cómo la simulación y el juego de rol, situados en un ambiente de aprendizaje constructivista y la metodología de “aprender haciendo”. El modelo de aprendizaje se aplica mediante el estudio de investigación-acción de 4 años para estudiantes de último año de ingeniería en la que se llevaron a cabo seis cursos de un semestre. El objetivo de la primera fase de la investigación fue comprender cómo los estudiantes evalúan la experiencia de aprendizaje en términos de su desarrollo profesional y personal, así como los principales problemas y desafíos que los estudiantes experimentan una vez que se enfrentan a problemas de ingeniería del mundo real. La cuestión central de la segunda fase de la investigación fue determinar las competencias que los estudiantes desarrollan en este tipo de aprendizaje. Por este motivo se perfeccionaron los instrumentos de investigación que facilitaran captar la percepción de las habilidades genéricas y profesionales de los estudiantes antes y después del curso. Fue necesario investigar las diferentes fases de la experiencia de aprendizaje, en cuanto a los desafíos y oportunidades que los estudiantes experimentan durante la resolución de problemas mal estructurados. Los desafíos y el desarrollo de competencias se midieron en diferentes momentos durante el módulo en la tercera fase de la investigación. Las conclusiones generales indican que los estudiantes disfrutan de la experiencia de aprendizaje. Los resultados sugieren que los estudiantes están motivados por su trabajo en el proyecto práctico y realista y consideran que es importante para su desarrollo profesional. Los estudiantes perciben el valor del trabajo en equipo para su desarrollo personal y están motivados por la oportunidad de desarrollar sus habilidades. En cuanto al desarrollo de competencias genéricas y profesionales, las competencias genéricas como la comunicación, la resolución de problemas, la generación de ideas y el pensamiento sistémico en contextos técnicos y sociales mejoran significativamente como muestran los resultados de la autoevaluación de los estudiantes pre y post curso. Por otro lado, también mejoran significativamente las competencias profesionales que se investigaron: la capacidad de resolver problemas insuficientemente estructurados, diseñar, evaluar, analizar, interpretar y crear nuevas soluciones de ingeniería. Estos resultados muestran que todos los elementos de la taxonomía de Bloom están presentes en este tipo de instrucción. Otras conclusiones importantes de este estudio muestran que los retos a los que se enfrentan los estudiantes durante el trabajo del proyecto y la resolución de los problemas mal estructurados son de dos tipos: un grupo de retos se manifiesta en forma variable, de ondas periódicas, mientras que el otro grupo se manifiesta de forma más constante a lo largo del curso. Estos resultados sugieren que el enfoque educativo que se debe adoptar debe estar adaptado a la percepción de los retos por parte de los estudiantes en el proceso del aprendizaje. Las conclusiones sobre la adquisición gradual de las competencias durante el trabajo del proyecto y la resolución de problemas mal estructurados sugieren que las competencias tales como el pensamiento sistémico y la generación de nuevas ideas en el proceso de búsqueda de solución están creciendo constantemente durante el proceso, mientras que otras, tienen oscilaciones durante el proceso. Estos resultados aportan nuevos conocimientos sobre las competencias desarrolladas a través del proceso de resolución de problemas mal estructurados y proporcionan nuevos enfoques para futuras investigaciones. Por último, el paralelismo que existe entre las competencias que se encuentran en la literatura sobre la educación para la sostenibilidad y las que se analizan en este trabajo, indica la utilidad del modelo propuesto para la incorporación de los principios básicos de la sostenibilidad en la en la enseñanza práctica en la ingeniería.

The purpose of this research was to further develop the understanding on how the professional practice module could assist engineering students to foster generic and professional competences for engineering practice, and to use the findings to propose the guidelines for professional practice module in the context of sustainable development. The preliminary phase of the research included a broad literature review which indicated ill-structured problem solving in problem and project based learning environments as main approaches to the instructional design for competence development. Workplace simulation and role play were the adopted methods for the implementation of these educational approaches, situating the design in a constructivist learning environment based on learning by doing. The instructional model was implemented through the 4-year action research study for final year engineering students in which I held six one-semester courses. The aim of the first phase of the research was to develop the understanding of how students evaluate the learning experience in terms of their professional and personal development as well as the major issues and challenges that students experience once they are faced with real-world engineering problems. The central question of the second phase of the research was what competences students develop in this kind of instruction. Though the results indicated significant generic skills development, it was concluded that for a more detailed understanding professional skills development needed to be investigated as well, so the research instruments were refined to capture students’ perception of their generic and professional skills before and after the course. The understanding of the different phases of the learning experience needed to be refined as well, in terms of challenges and opportunities that students pass through while solving ill-structured problems in order to understand where they need more support in their efforts. Therefore challenges and skills development were measured in different points of time during the module in the third phase of the research. Overall findings indicate that students enjoy the learning experience. Results suggest that students are motivated by real project work and consider it important for their professional development. Students perceive teamwork as important for their personal development and they are motivated by the opportunity to develop their skills. Regarding the competence development, generic competences such as communication, problem solving, idea generation and systems thinking in technical and societal contexts are significantly improved based on students’ self-assessment pre and post course, while all of the professional skills that were investigated were significantly improved indicating improvements in the ability to solve insufficiently structured problems, design, evaluate, analyse, interpret and create new engineering solutions pointing toward the fact that all elements of the Bloom taxonomy are present in this kind of instruction. Other important study findings include the finding that the challenges that students face during ill-structured problem solving and project work are twofold: one group of challenges that students face has the form of periodic waves while the other group is more constant throughout the course. These results suggest that different approach by educators is required. Findings on the phasing of the skills during ill-structured problem solving and project work suggest that skills such as systems thinking and generating new ideas in the process of finding solution are growing constantly during the process while others, have alternate steep falls and growths during the process. These results permit new insights into the skills developed through the process of ill-structured problem solving and provide directions for further research. Finally, based on all the results, the guidelines for the professional practice instructional module design that integrates basic principles of education for sustainability were presented.