Danmarks Fysik- og Kemilærerforening
Didaktik Undervisningsmateriale

STEM og Engineering. Nye trends i naturfagsundervisningen

Af Martin Krabbe Sillasen, VIA University College, Peer Daugbjerg, VIA University College og Keld Nielsen, Aarhus Universitet

Gennem de senere år er begrebet ”STEM” og ”Engineering” begyndt at poppe op i naturfagsdidaktikken. Men hvor kommer begreberne egentlig fra? Hvad er sammenhængen mellem ST_M og E? og hvad betyder E’et egentlig? Det er nogle af de spørgsmål, som denne artikel forsøger at afdække. Inspiration er hentet fra artiklen ”Engineering – svaret på naturfagenes udfordringer?”

Udtrykket STEM (naturfag, teknologi, engineering og matematik) har sine rødder i en diskussion i USA om uddannelsessystemets betydning og ansvar i forbindelse med globalisering og national konkurrenceevne. Det blev introduceret i 1990’erne som en relevant og bekvem forkortelse. Men den megen snak om STEM-fagenes betydning for at skabe vækst og velstand i samfundet er ikke ny. Den går klart tilbage til 1950’ernes Sputnik-chok, hvor amerikanerne indså, at de var sakket agterud i forhold til Sovjetunionen, der havde uddannet langt flere ingeniører og videnskabsfolk.

Men nu er det nok ikke argumenter om national konkurrenceevne og overskud på bruttonationalproduktet, der får unge mennesker til at interessere sig for naturvidenskab og teknologi. Det er nødvendigt at fortolke STEM som et didaktisk begreb for 1) at blive klogere på, hvordan STEM bidrager til elevers læring, 2) at forstå, hvordan det bidrager til at gøre STEM-fagene motivations- og interesseskabende og 3) at få flere til at vælge en naturvidenskabelig eller ingeniørmæssig karrierevej.
Men der er forsat forvirring om STEM-begrebet. Når man hører politikere og arbejdsmarkedets interesseorganisationer udtale sig, så gør de det ud fra en forståelse af STEM som en politisk målsætning. Når lærere og naturfagsdidaktikere udtaler sig, så er det ud fra en tværfaglig forståelse af begrebet, som måske kan bruges til at italesætte et integreret samarbejde mellem naturfagene og matematik, samt inkludere teknologi og engineering i undervisningen.  Arbejdet med den nye STEM-strategi peger i den retning.

Samarbejde med udfordringer

Den overordnede didaktiske pointe med STEM er en vision om faglig integration, hvor E’et ses som en åbning for tværfagligt samarbejde.  STEM er en læseplanstænkning baseret på ideen om at undervise eleverne i fire specifikke områder – naturfag, teknologi, engineering og matematik – med en tværfaglig og anvendt tilgang. I stedet for at undervise i de fire fagområder som separate og selvstændige områder integreres de i STEM til et sammenhængende område, baseret på konkrete anvendelser.

Hvad er status på potentialet for mulige samarbejder mellem fagområderne?

Naturfag: I skolesystemet kan natur/teknologi opfattes som et fag, der opfylder visionen om et naturfag integreret med teknologi og som på nogle skoler sammentænkes med matematik. En kortlægning af engineering aktiviteter i det danske skolesystem  viser at engineering er en arbejdsform, som praktiseres forskellige steder. Mere herom senere. I 7.-9. klasse er der tendenser til stærkere samarbejder mellem naturfagene, fordi den nye fællesfaglige prøve har skabt et incitament herfor. Men egentlig integreret naturfagsundervisning finder mest sted i emneuger eller på fag-dage.
Matematik: Faget er veletableret og har et stort timetal. Etn kig i Fælles Mål for matematik i folkeskolen viser at ordet ”anvendelse” forekommer i mange mål, men der er så godt som udelukkende tale om anvendelse af teknikker eller begreber indenfor matematikken selv. Der er også en hel del mål hvor man kan lære ”omverdenen” ind som et genstandsområde for matematik. Et fællesfagligt samarbejde med naturfagene, teknologi og engineering vil være muligt.
Engineering: Når man kigger på forskningen omkring, hvordan elever kan lære matematik og naturfag gennem integrerede engineering-aktiviteter, så bliver elevernes bedre til at:
•    Designe og udføre eksperimenter til at informere om beslutninger
•    Kommunikere og forhandle idéer med andre
•    Anvende geometriske og rumligt funderede ræsonnementer
•    Repræsentere og håndtere kompleksiteten af systemer ved hjælp af figurer
•    Formulere idéer og resultater med matematikkens sprog
•    Syntetisere idéer mod produktive løsninger der opfylder bestemte krav
•    Udføre eksperimenter til at evaluere om et design opfylder kriterierne for at løse et praktisk problem.

Teknologi: Teknologi er noget andet end engineering. Som ”teknologi” traditionelt har været tænkt i faget natur/teknologi er store dele af det i virkeligheden skabende og problemløsende processer. Men det er jo egentlig engineering der karakteriseres på denne måde. For at få en mere klar forståelse af teknologi i skolen kan det være nødvendig med en begrebsmæssig afklaring: Teknologi som et undervisningsemne omhandler samspil mellem samfundet og teknologien: Hvad er teknologi for et fænomen? Hvad har de store opfindelser betydet? Hvorfor optræder teknologier ofte som store systemer? Hvilken rolle spiller råvarer, transport, præcision, produktion og spildprodukter? Hvad er forudsætningen for teknologisk udvikling? Hvad har udviklingen haft af konsekvenser for mennesker, samfundet og naturen? Hvad har vi af muligheder og valg i fremtiden?

Der er forskel på naturvidenskab og engineering

I amerikansk uddannelsestænkning er engineering blevet sideordnet de øvrige naturvidenskabelige fag i skolen. Men selvom naturvidenskab og engineering er relaterede discipliner med visse overlappende træk, så er der forskelligheder, som kan karakteriseres ved hvordan et ”problem” løses.
• Et naturvidenskabeligt problem kan løses ved at formulere ny teori som understøttes af evidens i form af et eksperiment eller observationer samt analyse og fortolkning af data. Gyldigheden (“sandheden”) af den nye teori vurderes af fagfæller, ofte inden for et højt specialiseret naturvidenskabeligt område.
• Et engineering-problem løses fx gennem design af en specifik løsning til et praktisk problem. Den specifikke løsning af den praktiske problemstilling indeholder måske ikke nogen generaliserbare pointer. Evalueringen af løsningens kvalitet inkluderer måske eksperter med vidt forskellige kompetencer inden for fx økonomi, sikkerhed, æstetik og politik. Ofte involveres “almindelige mennesker” også i vurdering af en løsning, måske som medlemmer af brugergrupper, måske som købere.
På nedenstående figur præsenteres to cykliske modeller, der illustrerer arbejdsprocessen i henholdsvis naturvidenskabs- og engineering-praksis. Figuren illustrerer følgende forskelle mellem naturvidenskab og engineering
1. Naturvidenskab og engineering har forskellige mål. Målet med naturvidenskab er at stille spørgsmål (Trin 1) som man konstruerer forklaringer til (Trin 6). Målet i engineering er at definere problemstillinger (Trin 1) som man udtænker praktiske løsninger til (Trin 6) gennem en designproces.
2. Engineering-praksis indeholder iterative processer, så der er interne cyklusser flere steder i den store engineering-cyklus. Fx en intern cyklus der består af Trin 3‑8a-4‑5  som kan kaldes for en “analysecyklus”. Desuden er der en større intern cyklus (“designcyklus”) som består af “analysecyklus” + Trin 2‑6.
De cykliske modeller viser på et ideelt niveau de forskellige trin for elevers arbejde i en undervisningsmæssig sammenhæng. De er især brugbare til undervisningsplanlægning og mere generelt til at illustrere spiralprincippet i undervisnings- og læringsaktiviteter. Men i et faktisk forløb i en klasse vil elevernes reelle vej gennem de forskellige trin sandsynligvis bestå i talrige store såvel som små skift mellem de forskellige trin i modellen. Faren ved diagrammer som Figur 1, er netop at læreren kan føle sig forpligtet til at føre en klasse successivt fra trin til trin, også i situationer hvor det oplagt vil være mere frugtbart at bryde med den foreskrevne rækkefølge.
 FK3 2017 8 1FK3 2017 8 2
 

Figur 1 Cyklus af forskellige aktivitetstrin i naturvidenskab og engineering). Nummereringen af de forskellige aktivitetstrin viser, at der er forskel på rækkefølgen i naturvidenskab og engineering. I naturvidenskab stiller man spørgsmål (Trin 1 fremhævet) som man konstruerer forklaringer til (Trin 6 fremhævet). I engineering definerer man problemstillinger (Trin 1 fremhævet) som man udtænker praktiske løsninger til (Trin 6 fremhævet).


1. Sillasen, M. K.; Daugbjerg, P., Nielsen, K. (2016). Engineering – svaret på naturfagenes udfordringer? MONA, 2017-2.
2. astra.dk/stemstrategi
3. Kortlægningen er under udarbejdelse af NEUC – Naturfagenes Evaluerings- og UdviklingsCenter som en del af projektet Engineering i Skolen:engineeringiskolen.dk

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.