Bιωματική εκπαίδευση μηχανικών στη βιωσιμότητα και ανακύκλωση ΑΗΗΕ, με εστίαση στη δημιουργικότητα των φοιτητών: ανακυκλωδομική μέθοδος και διαμόρφωση μέσω έρευνας-δράσης

Abstract

This doctoral thesis focuses on linking the education of Electrical and Electronics Engineers (EEE) with the concepts of Recycling, Sustainability, Sustainable Development and Circular Economy. The thesis is aimed at the development, implementation and evaluation of an innovative educational method based on experiential learning and practical laboratory activities. The proposed method educates students simultaneously on specific topics within their field of study (Electrical and Electronics Engineering) as well as on the concepts and principles related to the environment, sustainability and the circular economy. The proposed method is organized into successive phases of ‘analysis’ and ‘synthesis’ (construction). In the analysis phase, students dismantle devices at the end of their life cycle (End-of-Life, EOL) down to the level of electronic components, recover the functional components by test and measurement, identify and classify them. In the synthesis phase, students utilize the recovered electronic components either to repair similar devices that are damaged or worn out, or to design entirely new devices and construct a functional prototype of them. Through this process, students acquire high-level knowledge in the taught subject, through empirical understanding of the structure and operation of complex real-world devices and systems. They also practice reverse engineering and experientially approach and adopt the concepts of sustainability and the circular economy. Beyond student gains in the cognitive domain, the proposed method cultivates their skills in the social, emotional, and metacognitive domain; it also cultivates their creativity. Creativity is a central 21st century skill, required and highly demanded in the job market – especially regarding young engineers. In this thesis, creativity is systematically measured through the artefacts designed and constructed by the students in the hands-on laboratory. The proposed method incorporates elements of experiential, exploratory and collaborative learning. Furthermore, during the spiral path of shaping the method into its final form, the dynamics of peer learning have been explored, by organizing the learners into ‘experts’ and ‘novices’. The final form of the method was gradually shaped through its implementation and formative evaluation in three successive cycles, according to the action research methodology, where the instructor is simultaneously the researcher. The 1st cycle of action research was hosted in Secondary Education (Evening Vocational High School); subsequent cycles were extended to Higher Education (undergraduate students of a Department of Electrical and Electronic Engineering). The structure and contents of the thesis can be summarized as follows:1. A systematic literature review of recent scientific publications (from 2013 to the present) is conducted to shed light on existing empirical educational research that embeds the topics of WEEE, Recycling, Sustainability, and Circular Economy in education, regardless of grade or subject taught, as well as on raising learners’ awareness of these concepts and engaging them in related good practices. 2. An innovative educational method for Electrical and Electronic Engineers (EEE) was proposed, designed and developed through hands-on laboratory activities. The proposed method combines education on specific subject areas of EEE with education on concepts and issues related to WEEE, Recycling, Sustainability, and Circular Economy. 3.The proposed method was successfully tested and validated in a designed quasi-experimental setup, with encouraging results. Specifically, evaluation results document the educational effectiveness of this method in the cognitive, social/emotional, and metacognitive domains, as well as in the domain of 21st-century skills, focusing on creativity. Evaluations through both closed-ended and open-ended activities verify the potential of the proposed method to change learners’ attitudes toward WEEE, handling of EOL devices, as well as towards the broader relationship between technology and the environment. The creativity of the students, in particular, is a skill that appears to flourish in the appropriate educational setup and processes. 4.By the end of the 3 educational interventions implemented in this theses, an unplanned, ‘spontaneous’ outcome has emerged: it seems that a Community of Learning was formed by the volunteering DEEE-UNIWA undergraduate students, with ongoing exchange of knowledge, experiences, resources, and information among them. Furthermore, they expressed active interest in undertaking initiatives similar to the educational interventions they participated in, yet, this time on a self-organized basis. They sought only ‘high-level’ supervision by the instructor-researcher, with senior students assuming the role of ‘experts’ and encouraging new students to participate as ‘novices’. The first sparks of a Community of Practice are detected, with a scope that might well extend beyond the completion of the program of study. On the basis of evaluation results from all cycles of the action research presented in Chapters 6, 7, and 8 of the thesis, it can be argued that the thesis has largely achieved its primary goal, which was to propose, test, and optimize an innovative educational method for teaching young engineers the concepts of sustainability, sustainable development, and circular economy, through reclaiming and reusing electronic components from EOL devices (WEEE). Specifically, positive outcomes were measured in the cognitive, social-emotional, and metacognitive domains, as well as in the 21st century skill of creativity. Of particular importance and value for future research is the outcome of the development of a Community of Learning among volunteering students.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στη σύνδεση της εκπαίδευσης μηχανικών ειδικότητας Ηλεκτρολογίας και Ηλεκτρονικής με τις έννοιες της Ανακύκλωσης, της Βιωσιμότητας, της Βιώσιμης Ανάπτυξης και της Κυκλικής Οικονομίας. Στόχος της είναι η ανάπτυξη, εφαρμογή και αξιολόγηση μιας καινοτόμου εκπαιδευτικής μεθόδου που βασίζεται στη βιωματική μάθηση και στις πρακτικές εργαστηριακές δραστηριότητες. Η μέθοδος αυτή εκπαιδεύει τους συμμετέχοντες ταυτόχρονα τόσο σε συγκεκριμένα θέματα μέσα στο γνωστικό αντικείμενο (Ηλεκτρολογία και Ηλεκτρονική) όσο και σε αρχές και έννοιες σχετικές με το περιβάλλον, τη βιωσιμότητα και την κυκλική οικονομία. Η προτεινόμενη μέθοδος οργανώνεται σε διαδοχικές φάσεις ανάλυσης και σύνθεσης. Στη φάση ανάλυσης, οι εκπαιδευόμενοι διαλύουν συσκευές σε κατάσταση τέλους της ζωής τους (End-of-Life, EOL) σε επίπεδο ηλεκτρονικών εξαρτημάτων, και ανακτούν τα λειτουργικά εξ αυτών, αφού τα ελέγξουν με μετρήσεις και τα κατηγοριοποιήσουν. Στη συνέχεια, κατά τη φάση σύνθεσης, αξιοποιούν τα ανακτημένα ηλεκτρονικά εξαρτήματα είτε για επισκευή παρόμοιων συσκευών που έχουν βλάβη ή φθορά, είτε για την από μηδενική βάση σχεδίαση νέων, διαφορετικών συσκευών και κατασκευή λειτουργικών πρωτοτύπων. Μέσα από αυτή τη διαδικασία, οι συμμετέχοντες αποκτούν υψηλού γνωστικού επιπέδου γνώσεις στο αντικείμενο, μέσα από την εμπειρική γνώση της δομής και λειτουργίας των σύνθετων συσκευών και διατάξεων του πραγματικού κόσμου. Επίσης ασκούνται στην αντίστροφη μηχανική (reverse engineering) αλλά και εμπεδώνουν βιωματικά τις έννοιες της βιωσιμότητας και της κυκλικής οικονομίας. Πέραν του καθαρά γνωστικού τομέα, καλλιεργεί στους εκπαιδευόμενους δεξιότητες και σε άλλους τομείς, όπως ο κοινωνικός, ο συναισθηματικός, ο μεταγνωστικός αλλά και οι δεξιότητες του 21ου αιώνα, με εστίαση μεταξύ αυτών στη δημιουργικότητα των εκπαιδευομένων. Η δημιουργικότητα είναι μία πολύ σημαντική και ζητούμενη στην αγορά εργασίας δεξιότητα – ειδικά για τους νέους μηχανικούς. Στην παρούσα διατριβή, η δημιουργικότητα που αναπτύσσουν οι εκπαιδευόμενοι μετράται συστηματικά μέσα από τα τεχνουργήματα που σχεδιάζουν και κατασκευάζουν.Η μέθοδος ενσωματώνει στοιχεία βιωματικής, ανακαλυπτικής και συνεργατικής μάθησης. Επιπλέον, κατά την σταδιακή διαμόρφωση και ανασχεδίαση της μεθόδου, διερευνήθηκε η δυναμική της αλληλοδιδασκαλίας με οργάνωση των εκπαιδευόμενων σε ‘βετεράνους’ (experts) και ‘αρχαρίους’ (novices). Η τελική μορφή της μεθόδου διαμορφώθηκε σταδιακά μέσα από την εφαρμογή της και διαμορφωτική αξιολόγησή της σε τρεις επάλληλους κύκλους, ακολουθώντας τη μέθοδο της έρευνας-δράσης, όπου ο διδάσκων ήταν ταυτόχρονα και ο ερευνητής. Η έρευνα-δράση ξεκίνησε από τη Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση (μαθητές Εσπερινού ΕΠΑΛ) και επεκτάθηκε στην Τριτοβάθμια Εκπαίδευση (φοιτητές Τμήματος Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών). Η δομή και το περιεχόμενο της παρούσας διατριβής μπορεί να συνοψιστεί στα εξής σημεία: 1.Πραγματοποιήθηκε συστηματική βιβλιογραφική επισκόπηση πρόσφατων επιστημονικών δημοσιεύσεων (2013 έως σήμερα) για να ρίξει φως στην υπάρχουσα εμπειρική εκπαιδευτική έρευνα που αξιοποιεί τα θέματα ΑΗΗΕ, Ανακύκλωσης, Βιωσιμότητας και Κυκλικής Οικονομίας στην εκπαίδευση, ανεξαρτήτως βαθμίδας και ειδικότητας, αλλά και στην ευαισθητοποίηση των εκπαιδευόμενων στις ανωτέρω έννοιες και στην άσκησή τους σε συναφείς καλές πρακτικές. 2.Προτάθηκε, σχεδιάστηκε και διαμορφώθηκε καινοτόμος εκπαιδευτική μέθοδος μηχανικών ειδικότητας Ηλεκτρολόγου-Ηλεκτρονικού, μέσα από βιωματικές εργαστηριακές δραστηριότητες (hands-on laboratory practice). Η προτεινόμενη μέθοδος συνδυάζει την εκπαίδευση σε συγκεκριμένα γνωστικά αντικείμενα της ειδικότητας αυτής με την εκπαίδευση σε έννοιες και ζητήματα ΑΗΗΕ, Ανακύκλωσης, Βιωσιμότητας και Κυκλικής Οικονομίας. 3.Έγινε επιτυχής πειραματική δοκιμή και επιβεβαίωση της προτεινόμενης μεθόδου με αποτελέσματα ιδιαίτερα ενθαρρυντικά, καθώς τεκμηριώνουν την εκπαιδευτική αποτελεσματικότητα της μεθόδου στο γνωστικό, τον κοινωνικό / συναισθηματικό και το μεταγνωστικό τομέα, καθώς και στις δεξιότητες 21ου αιώνα, με εστίαση σε αυτή της δημιουργικότητας. Οι αξιολογήσεις μέσα από κλειστού και ανοικτού τύπου δραστηριότητες αναδεικνύουν τη δυναμική της μεθόδου στην αλλαγή της στάσης των εκπαιδευομένων ως προς τα ΑΗΗΕ, τη μεταχείριση συσκευών σε κατάσταση EOL και τη σχέση τεχνολογίας και περιβάλλοντος γενικότερα. Η δημιουργικότητα των εκπαιδευομένων, ειδικότερα, φαίνεται να ανθίζει μέσα στο κατάλληλο περιβάλλον και τις κατάλληλες διαδικασίες. 4.Στο τέλος των εκπαιδευτικών παρεμβάσεων της διατριβής, αναδείχθηκε τελικά ένα μη σχεδιασμένο αλλά ‘αυτοφυές’ αποτέλεσμα που είναι η ανάπτυξη μεταξύ των εθελοντών φοιτητών του ΤΗΗΜ ΠΑΔΑ μίας Κοινότητας Μάθησης (Community of Learning) με διαρκή ανταλλαγή γνώσεων, εμπειριών, πηγών και στοιχείων. Περαιτέρω, εξέφρασαν το έμπρακτο ενδιαφέρον τους για ανάληψη πρωτοβουλιών παρόμοιων με τις εκπαιδευτικές παρεμβάσεις που συμμετείχαν, αλλά σε βάση αυτό-οργάνωσης πλέον, ζητώντας μόνο την ‘υψηλή’ εποπτεία από το διδάσκοντα-ερευνητή, αναλαμβάνοντας οι παλιότεροι το ρόλο των ‘βετεράνων’ και ενθαρρύνοντας νέους/ες φοιτητές/τριες να συμμετάσχουν ως ‘αρχάριοι’. Διαφάνηκαν τα πρώτα σπέρματα της δημιουργίας μίας Κοινότητας Πρακτικής (Community of Practice) με εμβέλεια πέρα από την ολοκλήρωση των σπουδών. Με βάση τα αποτελέσματα των αξιολογήσεων όλων των κύκλων της έρευνας δράσης που παρατίθενται στα κεφάλαια 6, 7 και 8 της διατριβής, μπορεί να υποστηριχθεί ότι η διατριβή έχει επιτύχει σε μεγάλο βαθμό το βασικό της σκοπό, ο οποίος ήταν να προτείνει, δοκιμάσει και βελτιστοποιήσει μία καινοτόμο εκπαιδευτική μέθοδο για την εκπαίδευση μηχανικών σε θέματα βιωσιμότητας, βιώσιμης ανάπτυξης και κυκλικής οικονομίας, με αφορμή και όχημα την ανάκτηση και επαναχρησιμοποίηση ηλεκτρονικών εξαρτημάτων από συσκευές σε κατάσταση EOL (AHHE). Ειδικότερα, θετικά αποτελέσματα μετρήθηκαν ως προς τα οφέλη των εκπαιδευόμενων στο γνωστικό τομέα, τον κοινωνικό-συναισθηματικό τομέα, το μεταγνωστικό τομέα και την δημιουργικότητα, ως δεξιότητα του 21ου αιώνα. Ιδιαίτερη σημασία αλλά και αξία για μελλοντική έρευνα έχει το αποτέλεσμα της ανάπτυξης μια Κοινότητας Μάθησης (Community of Learning) μεταξύ των εκπαιδευομένων.