A Size and Scale Framework for Guiding Curriculum Design and Assessment

Abstract

Background The concepts of size and scale in nanotechnology are difficult for most beginning engineering students to grasp. Yet, guidance on the specific aspects of size and scale that should be taught and assessed is limited.Purpose This research sought to empirically develop a framework for size and scale conceptualization and provide a blueprint to guide curriculum development and assessment.Design/Methods Through an exploratory sequential mixed methods design, we qualitatively examined 30 teams of 119 first-year engineering students' nanotechnology-based projects to identify concepts beyond those in the literature to create a Size and Scale Framework (SSF). We then created a blueprint with associated learning objectives that can guide curriculum and assessment development. To demonstrate the utility of the SSF blueprint, an SSF-based quiz was developed and studied using classical test theory with 378 first-year engineering students. ResultsThe findings categorized size and scale in terms of eight aspects: Definition, Qualitative Categorical, Qualitative Relational, Qualitative Proportional, Quantitative Absolute, Quantitative Categorical, Quantitative Relational, and Quantitative Proportional. The SSF can be applied as a blueprint for others to develop curriculum and assessment. The SSF-based quiz demonstrated acceptable properties for use with first-year engineering students.Conclusions Development of the SSF-based quiz is an example of how the SSF can be applied to create a classroom quiz to assess students' size and scale knowledge in the context of nanotechnology.Nanotechnology is the science of matter at dimensions between approximately 1 and 100 nanometers (nm). The study of nature at the nanoscale is driving the development of a wide range of processes including imaging, measuring, modeling, and manipulating matter (National Nanotechnology Initiative, 2008). Advances in nanotechnology enable novel engineering applications in agriculture, biotechnology, chemicals, pharmaceuticals, medicine, Journal of Engineering EducationV C 2017 ASEE.

New Perspectives for Implementing Grounded Theory

“…The majority of studies in engineering education employ grounded theory methods during the data analysis phases of research (Beddoes et al, 2014). Grounded theory methods have been used to describe inductive or comparative coding practices (e.g., Anthony et al, 2007;Bilén et al, 2005;Brawner et al, 2012;Dunsmore et al, 2011;Kong et al, 2017;Tang, 2013;Tonso, 2006), to supplement other qualitative or quantitative analyses (e.g., Baker et al, 2002;Diefes-Dux et al, 2012;Nelson et al, 2017;Wilson-Lopez et al, 2016), and for theme identification (e.g., Blosser, 2019;Johnson-Glauch & Herman, 2019;Jonassen et al, 2006). Other researchers have utilized grounded theory methods to develop conceptual models (e.g., McNeill et al, 2016;Walther et al, 2011) or taxonomies (e.g., Gainsburg, 2015) to be used elsewhere.…”

Ανάπτυξη Και Αξιολόγηση Διδακτικών Μαθησιακών Σειρών Για Την Εκπαίδευση Εκπαιδευτικών Στη Νανοτεχνολογία

“…Συμπερασματικά, η έννοια «μέγεθος και κλίμακα» έχει χαρακτηριστεί ως η πρώτη και πιο βασική από όλες τις έννοιες και μάλιστα χαρακτηρίζεται ως προϋπόθεση για την ανάπτυξη της κατανόησης όλων των υπόλοιπων εννοιών της Ν-ΕΤ (Kong, Douglas, Rodgers, Diefes-Dux, & Madhavan, 2017;Swarat, Light, Park, & Drane, 2011;Waldron, Sheppard, Spencer, & Batt, 2005;Blonder & Rap, 2012). Για παράδειγμα, το είδος των δυνάμεων που καθορίζουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των οντοτήτων της ύλης (άτομα, μόρια, σώματα κτλ) μεταβάλλεται καθώς η κλίμακα της ύλης αλλάζει: στη μακροκλίμακα οι αλληλεπιδράσεις καθοδηγούνται γενικά από τη βαρύτητα, ενώ στη νανοκλίμακα η βαρύτητα θεωρείται αμελητέα σε σχέση με τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις που κυριαρχούν (Stevens et al, 2009).…”

“…Ακόμα, στη βιβλιογραφία αναφέρονται περιγραφές των μαθητών για τη Ν-ΕΤ που ανήκουν σε σενάρια επιστημονικής φαντασίας, όπως για παράδειγμα ότι η Ν-ΕΤ κατασκευάζει νανοχάπια, ή ρομπότ που λέγονται «νάνομποτς» ή «grey goo» που είναι απειλητικά για τη ζωή της ανθρωπότητας ή που τρέφονται με μεταλλικά αντικείμενα, ή μικροσκοπικές κάμερες που εμφυτεύονται στο ανθρώπινο σώμα (Spencer & Angelotti, 2004;Waldron et al, 2006 (Kong et al, 2017;Delgado et al, 2015;Magana et al, 2012;Stevens et al, 2009;Delgado, 2009). (Magana et al, 2012;Delgado, 2009;Jones et al, 2007;Waldron et al, 2006;Spencer & Angelotti, 2004).…”

“…Η αναλογική σκέψη (proportional reasoning) έχει συνδεθεί με την κατανόηση του μεγέθους και της κλίμακας μιας και θεωρείται σημαντική γνωστική διαδικασία ώστε τα υποκείμενα της μάθησης να είναι ικανά να πραγματοποιούν νοητικά άλματα από τη μία κλίμακα στην άλλη (Jones et al, 2007). Η αναλογική σκέψη περιλαμβάνει τη χρήση αναλογιών ώστε να συγκριθούν ως προς το μέγεθος ζευγάρια αντικειμένων (Kong et al, 2017;Magana et al, 2012). Μία σχετική διατύπωση είναι: «εάν ένα νανοσωματίδιο είχε το μέγεθος μίας μπάλας ποδοσφαίρου, τότε ένα ερυθρό αιμοσφαίριο θα είχε το μέγεθος ενός γήπεδο ποδοσφαίρου» (Rodgers et al, 2014).…”

“…Νέες σύγχρονες έρευνες (π.χ. Kong et al, 2017) προτείνουν νέες όψεις στο περιεχόμενο, όπως τον ορισμό μονάδων μέτρησης, τον ορισμό των κλιμάκων, την ποσοτική κατηγοριοποίηση (κατηγοριοποίηση αντικειμένων σε κλίμακες), την ποσοτική σειροθέτηση (σύγκριση κλιμάκων). Αυτές οι νέες όψεις θα μπορούσαν να ενσωματωθούν σε νέες ΔΜΣ Ν-ΕΤ και να διερευνηθεί ο βαθμός κατανόησης τους από τους επιμορφούμενους.…”