"Uma experiência de 15 anos mudando as Culturas Educacionais no MIT", por Peter Dourmashkin

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Fórum de Lideranças: Desafios da Educação
Agosto/2015 - Edição São Paulo/SP
Realização: Grupo A Educação e Blackboard Brasil
Apoio: Universidade Anhembi Morumbi e Hoper Educação
http://www.desafiosdaeducacao.com.br/

Palestra "Uma experiência de 15 anos mudando as Culturas Educacionais no MIT", por Peter Dourmashkin.
Professor Sênior do Departamento de Física e Diretor Associado do Grupo de Estudo Experimental, ambos no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT). Está ativamente envolvido na educação acadêmica de graduação no MIT desde 1984, e já apresentou resultados do projeto de Tecnologias de Aprendizagem Ativa nas conferências anuais da Associação Americana de Professores de Física e da Sociedade Americana de Física. Anteriormente ao seu envolvimento com esse projeto, Dr. Dourmashkin trabalhou com o Professor John King, também do MIT, no Departamento de Física desenvolvendo dois cursos experimentais, workshops e seminários obrigatórios para alunos do primeiro ano, e para todos novos assistentes de ensino na pós-graduação do Departamento de Física.

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  • TEAL: A Fifteen Year Experiment in Changing Educational Cultures at MIT The Challenges in Education Forum Anhembi Morumbi University Sao Paulo City – Brazil  Aug 12, 2015 Dr. Peter Dourmashkin Physics Department MIT padour@mit.edu
  • MIT Experiment in Active Learning (Technology Enabled Active Learning)
    TEAL Fourteen Year Ongoing Experiment at MIT:

    A merger of presentations, tutorials, and hands-on laboratory experience into a technologically and collaboratively rich environment

  • TEAL Time Line
  • Interactive Teaching and Learning
  • TEAL Learning Objectives
  • Physics Learning Objectives

    Enable students to see physics as a coherent framework of concepts which describe nature and are established by experiment
    Enhance conceptual understanding of mechanics and electromagnetism
    Enhance problem-solving abilities
    Incorporate hands-on experience that develop project-based/research lab learning skills




  • Broad Educational Learning Objectives

    Move away from passive lecture format to interactive studio learning environment

    Develop communication skills in core sciences

    Develop collaborative learning

    Encourage undergraduates to teach

    Develop new teaching/learning resources based on scientific standards of research
  • Learning Space: Design Principles

    Architectural design based on

    How people interact and learn

    Pedagogical model: interactive learning

    Learning space becomes a laboratory for experimenting with active learning techniques


  • Transforming the Learning Space: TEAL Classroom
  • TEAL Learning Space: Active Learning
  • TEAL Modular Learning Sequence

    Online pre-modular questions require students to master prerequisite material

    First active learning class (Monday two hours)

    Second active learning class (Wednesday two hours)

    Online prepset focusing on problem solving skills

    Third active learning class devoted to problem solvin with online immediate feedback (Friday one hour)

    Problem Set due following Tuesday

    Modular Tuesday Review Night (optional)


    Encourage undergraduates to teach

    Develop new teaching/learning resources based on scientific standards of research

  • Teaching Teams

    Faculty Member: Conductor. Provides subject expertise, motivation, measures learning outcomes

    Graduate Teaching Assistant : Learn to teach

    Undergraduate Teaching Assistant : Encourages student teaching. Role model for students.

    Students: Peer Instructors
  • (Some) Elements of Active Learning

    Peer Instruction and Concept Tests

    Simulations and Visualizations

    Group Problem Solving

    Discovery Activities

    Discussion Questions

    Project Based Learning

  • Concept
    Questions
  • ConcepTests / Peer Instruction

    Model: Eric Mazur’s Peer Instruction based on ConcepTests using “Clicker” Technology

    Methodology:

    Concept Test
    Thinking
    Individual answer
    Feedback: Just in Time Teaching
    Peer discussion
    Revised group answer
    Explanation
  • Concept Question: Contact Force

    Consider a person standing in an elevator that is accelerating upward. The magnitude of the upward contact force on the person is

    greater than
    equal to
    less than

    the magnitude of the downward force of gravity on the person.
  • Concept Q.: Contact Force Ans

    Answer 1. System: person. Newton’s Second Law:

    N – mg = ma

    implies that N > mg. So the magnitude of the upward contact force is greater than the magnitude of the downward gravitational force.
  • Visualizations and Simulations
  • Changing magnetic flux induces current
  • Demo: Electromagnetic Induction
  • Group Problem Solving

    Students work in small groups at the white boards solving problems with instructor feedback
  • Estimate the acceleration of the head due to the heading of a soccer ball. Could this cause brain injury?

    In your groups: discuss what models and concepts may apply. What information is needed and what can be neglected?

  • At the start teachers provide motivation and direction

    During problem solving teachers circulate and give guidance

    At the end of the problem solving, teachers provide explanation (closure)


  • MIT students will solve approximately 10,000 problems in four years

    Students learn to become expert problem solvers through practice

    Develop confidence based on experience

    Necessary for innovation and creative thinking
  • Discovery Activities in Physics

    Paul Klee Senecio 1922
  • On a weekly basis require students to identify examples of physics concepts (that they are currently studying) that appear in their everyday lives, using cell phones to record and analyze phenomena

    Students make video presentations making use of media (YouTube)

    Solicit the best explanations and quantitative analysis of student work
  • Work led by Saif Rayyan

    Online Reading Assignments and Homework Problems

    Answer multiple choice and analytic questions using the MITX platform

    Shift some content delivery to pre-class preparation to maximize in-class learning

    Current project: develop content library of materials, concept questions, short video clips, problems, etc for both MOOCs and residential classes at MIT
  • Immediate Online Feedback
  • Immediate Online Feedback: Checkable Answers to Problem Solving
  • Survey of Student Attitudes Regarding Online Learning
  • Faculty Training

    Essential to train faculty who are use to traditional lecture-based teaching to understand how to teach in an active learning classroom
  • Undergraduate Teaching Assistants
  • Gender gap can be diminished in the active learning environment compared to a traditional lecture format.

    Peer discussion

    Ability to ask questions

    Many opportunities to practice problem solving

    Cooperative learning in a non-competitive learning environment

    Demonstrate that science and engineering solves problems that people encounter in their everyday lives

  • Peer instruction
  • Assesment
  • Assessment Strategy

    Each activity represents a subset of learning objectives. Identify which learning objectives are attached to each activity.

    Measure the utility of each of the activities by recording results of concept questions and comparing those results to determine if learning objectives were achieved.

    Grade and evaluate homework.

    Traditional test.

    Interview students.
  • Research Instruments

    Assessing Variables
    Instruments
    Problem Solving
    Tests with quantitative problems
    Conceptual Understanding
    Pre-tests and post-tests
    Spatial tests
    Attitudes
    Mid-term & post-term questionnaires
    Focus discussion group
  • Pre/Post Conceptual Test Scores Relative Improvement Measure
  • Pre/Post Conceptual Test
  • Pre-Post Concept Test Scores

    Experimental group – fall
    Control group - spring
  • E&M Lower Failure Rate
  • Increases Seen Long Term
  • Assessment: Cornell
    Traditional: 2012 vs. active learning 2015
  • TEAL Development Team
  • "Uma experiência de 15 anos mudando as Culturas Educacionais no MIT", por Peter Dourmashkin

    1. 1. Uma experiência de 15 anos mudando a cultura educational no MIT Fórum de Lideranças: Desafios da Educação Universidade Anhembi Morumbi São Paulo – Brazil 12 de Agosto de 2015 Dr. Peter Dourmashkin Departamento de Física MIT padour@mit.edu
    2. 2. 14 anos contínuos de experimentos com o TEAL no MIT: Uma fusão de apresentações, tutoriais, e experimentos práticos em laboratório em um ambiente altamente tecnológico e colaborativo. A experiência do MIT com Aprendizagem Ativa: (Technology Enabled Active Learning – TEAL)
    3. 3. Linha do Tempo do TEAL Modelos: RPI’s Studio Physics (Jack Wilson) NCSU’s Scale-Up (Bob Beichner) Harvard Peer Instruction (Eric Mazur) Outono/2001 e 2002 Protótipo Off-term E&M 8.02 Primavera/2003 – Até agora Scaled-up E&M 8.02 Outono/2003 e 2004 Prototype Mechanics 8.01 Outono/2005 – Até agora Scaled-up Mechanics 8.01
    4. 4. Ensino e Aprendizagem Interativas Prof. John Belcher – Fundador do TEAL
    5. 5. TEAL - Objetivos de Aprendizagem
    6. 6. Objetivos do Ensino de Física 1. Permitir que os estudantes vejam o estudo de física como uma estrutura coerente de conceitos que descrevem a natureza e são comprovados via experimentos. 2. Aumentar a compreensão conceitual de áreas como a Mecânica e Eletromagnetismo. 3. Aprimorar as habilidades de solução de problemas. 4. Incorporar experiências práticas que desenvolvem habilidades baseadas em projetos e pesquisa em laboratório.
    7. 7. Objetivos Gerais de Ensino 1. Afastar-se do formato passivo de aula, a fim de aproximar- se de um modelo de ambiente de aprendizagem em estúdio interativo. 2. Desenvolver habilidades de comunicação nas principais ciências. 3. Desenvolver o aprendizado colaborativo. 4. Encorajar os estudantes de graduação a ensinarem. 5. Desenvolver novos recursos de ensino e aprendizagem baseados em padrões científicos de pesquisa.
    8. 8. Efetivo Design Aprendizagem Espaço
    9. 9. Espaço de aprendizagem: Princípios do projeto Projeto arquitetônico baseado em: 1. Como as pessoas interagem e aprendem. 2. Modelo pedagógico: aprendizagem interativa 3. Espaço de aprendizagem se torna um laboratório para experiências com técnicas de aprendizagem ativa.
    10. 10. MIT 1918
    11. 11. Espaço de Ensino Olímpico
    12. 12. Transformando o Espaço de Aprendizagem: TEAL Classroom Aprendizagem colaborativa (desenhada depois da Sala de Aula “Scale-Up” da Universidade Estadual da Carolina do Norte): nove estudantes trabalham, juntos, colaborativamente em cada uma das mesas, em grupos menores de três alunos.
    13. 13. Espaço de Ensino TEAL: Aprendizagem Ativa
    14. 14. TEAL - Sequência Modular de Ensino 1. Questões pré-modulares, online, incentivam os estudantes a se aprofundarem no material de pré-requisito 2. Primeira aula de aprendizagem ativa. (Segunda – duas horas) 3. Segunda aula de aprendizagem ativa (Quarta – duas horas) 4. Preparação online focando na solução de problemas 5. Terceira aula de aprendizagem ativa voltada à solução de problemas online com feedback imediato. (Sexta-feira – um hora) 6. Questionário – Terça-feira 7. Revisão de modulo na terça-feira à noite (Opcional) 8. Encorajar os estudantes a aprender e ensinar. 9. Desenvolver novos Recursos de ensino e aprendizagem baseados em padrões científicos de pesquisa
    15. 15. Times de Ensino Docentes: Condutores, oferecem conhecimento sobre o assunto, motivação, registram e analisam os resultados. Assistentes de Pós-graduação: Aprendem a ensinar. Assistentes de Graduação: Encorajam os estudantes a ensinar. São os principais modelos dos estudantes. Estudantes: Instrução em pares.
    16. 16. (Alguns) Elementos da Aprendizagem Ativa 1. Instrução por pares (Peer Instruction) e Testes conceito (ConcepTest) 2. Simulações e Visualizações 3. Solução de problemas em grupo. 4. Atividades de descoberta 5. Discussão de questões 6. Aprendizagem baseada em projetos.
    17. 17. Questões conceituais
    18. 18. ConcepTests / Peer Instruction Modelo: Instrução por Pares baseadas em ConcepTests, conceito de Eric Mazur, usando “clickers”. Metodologia: • Concept Test • Reflexão • Respostas individuais • Feedback: Ensino Just-in-Time • Discussão em pares • Resposta revisada em grupo • Explanação
    19. 19. Questão conceito: Força de contato Considere uma pessoa, de pé, em um elevador em aceleração, no sentido de subida. A magnitude de força de contato de subida na pessoa é: 1. Maior que 2. Igual a 3. Menor que A magnitude da força da gravidade, para baixo, na pessoa.
    20. 20. Questão conceito: Força de contato - Resposta Resposta 1. Sistema: pessoa. Segunda Lei de Newton: N – mg = ma Implica que N > mg. Logo, a magnitude da força de contato para cima é maior que a magnitude da força gravitacional, para baixo. Diagrama da aceleração Diagrama da força
    21. 21. Visualizações e Simulações
    22. 22. Visualizações e Simulações Atividade de descoberta Mudança de fluxo magnético induz a corrente http://public.mitx.mit.edu/gwt-teal/FaradaysLaw2.html
    23. 23. Demo: Indução eletromagnética
    24. 24. Estudantes trabalham em pequenos grupos, no quadro branco, solucionando problemas com o feedback do instrutor. Solução de problemas em grupo
    25. 25. Problema em grupo: Cabecear Estimar a aceleração da cabeça em função da cabeceada de uma bola de futebol. Isso poderia causar alguma lesão cerebral? Nos grupos: Discutam quais modelos e conceitos podem ser aplicados. Qual informação é necessária e quais podem ser dispensáveis?
    26. 26. No início, os professors oferecem motivação e direção. Durante a resolução do problema, os professors circulam e aconselham. Ao final, os professors fornecem explicação (conclusão). Ativando a resolução de problemas
    27. 27. Especialista em Resolução de Problemas Estudantes do MIT resolvem, aproximadamente, 10.000 problemas em quatro anos. Os alunos aprendem como tornar-se um expert na resolução de problemas através da prática. Desenvolvimento de confiança baseada na experiência. Necessidade para inovação e pensamento criativo.
    28. 28. Atividades de Descoberta na Física
    29. 29. Atividades de Descoberta: Experiências de Física no Cotidiano. 1. Semanalmente, é exigido aos alunos que identifiquem exemplos conceituais de física (que eles estejam estudando) que aparecem na vida e cotidiano, usando celulares para gravar e analisar os fenômenos. 2. Esudantes fazem apresentações em video utilizando mídias (Youtube) 3. Estimular as melhores explicações e análises quantitativas dos trabalhos dos alunos.
    30. 30. MITx Platform Trabalho liderado por Saif Rayyan. Tarefas de leitura online e resolução de problemas como tema de casa. Responder questões analíticas e de múltipla escolha usando a MITx platform. Tranferir a entrega de alguns conteúdos para antes da aula a fim de otimizar o aprendizado na sala de aula. Projeto atual: desenvolver uma livraria de conteúdos de materiais, questões conceito, vídeos, problemas, etc, tanto para MOOCs quanto em aulas no MIT.
    31. 31. Feedback Online Imediato
    32. 32. Feedback Online Imediato: Solução de problemas com respostas verificáveis.
    33. 33. Pesquisa de comportamento do aluno acerca do ensino online.
    34. 34. Capacitação de docentes Wolfgang Ketterle Ernest MonizAlan Guth Marin Soljačić A capacitação de docentes que estão acostumados a modelos tradicionais é essencial, a fim de que os mesmos entendam e aprendam como conduzir as aulas em uma sala de aula de aprendizagem ativa.
    35. 35. Assistentes de graduação
    36. 36. Gap de Gênero O gap de gênero pode ser diminuído com mais facilidade em um ambiente de aprendizagem ativa se comparado a um formato de aula tradicional. 1. Discussão em pares 2. Habilidade de fazer perguntas. 3. Muitas oportunidades para praticar a resolução de problemas. 4. Aprendizagem cooperativa em um ambiente de ensino não competitivo 5. Demonstrar que a ciência e a engenharia podem resolver problemas encontrado no dia-a-dia das pessoas.
    37. 37. Peer Instruction
    38. 38. Avaliação
    39. 39. Estratégia de avaliação 1. Cada atividade representa um subconjunto de objetivos de ensino. Identifique quais objetivos de ensino estão atrelados a cada uma das atividades. 2. Mensure a utilidade de cada uma das atividades registrando os resultados das questões conceito, e compare os resultados para determiner se os objetivos de ensino foram atingidos. 3. Avalie e dê nota aos trabalhos de casa. 4. Testes tradicionais. 5. Entreviste os estudantes.
    40. 40. Variáveis de avaliação Instrumentos Solução de problemas Testes com problemas quantitativos Compreensão conceitual 1. Pré-testes and pós-testes 2. Testes espaciais. Atitudes 1. Questionários durante e após os módulos 2. Discussão em grupos focais Instrumentos de pesquisa
    41. 41. Testes Conceituais - Pré/Pós: Pontuações relativas e grau de melhorias. g = %Correctpost-test - %Correctpre-test 100 - %Correctpre-test æ è ç ö ø ÷
    42. 42. Testes Conceituais - Pré/Pós Spring 2003Control 2002Trial 2001Group gNgNgN 0.525140.271210.46176 Entire population 0.46400.13190.5658High 0.551760.26500.3948Intermediate 0.513000.33520.4370Low g = %Correctpost-test - %Correctpre-test 100 - %Correctpre-test æ è ç ö ø ÷ Hecke g-factor
    43. 43. High Intermediate Low Pre Post 61 56 5057 40 25 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Pre Post N students = 121 Grupo experimental – Outono/2001 Grupo de controle – Primavera/2002 High Intermediate Low Pre Post 83 64 5660 40 22 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Pre Post N students = 176 Testes Conceituais - Pré/Pós: Pontuações
    44. 44. E&M Baixa na taxa de reprovação 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 0 5 10 15 FailRate(%) Year
    45. 45. Melhorias a longo prazo • Source: Dori, Y.J., E. Hult, L. Breslow, & J. W. Belcher (2005). “The Retention of Concepts from a Freshmen Electromagnetism Course by MIT Upperclass Students,” paper delivered at the NARST annual conference.
    46. 46. Avaliação: Cornell Ensino Tradicional - 2012 X Aprendizagem Ativa - 2015
    47. 47. Prof. John Belcher Fundador do TEAL Atual vencedor do Oersted Award, da Associação Americana de Professores de Física Prof. Eric Hudson Dr. Peter Dourmashkin Dr. Sen Ben-Liao Saif Rayyan Time de Desenvolvimento do TEAL

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