Research of using problem based learning educational method in engineering laboratories

Higher education is turning to authentic and student-centered learning practices to improve how students acquire, retain and transfer knowledge. Marine engineering students are to be considered effective problem solvers and in addition to their knowledge, they should be able to use a wide range of analytical and complex thinking tools that result in creative solutions and decisions. The present doctoral dissertation aims to investigate the learning outcomes produced by applying the teaching methods widely known as "Problem-Based Learning, PBL" to the training of Merchant Marine Engineers. For this purpose, a teaching method has been developed, implemented, evaluated, and improved, which has been named MyPBL. This name reflects the use of the PBL teaching method and problems - activators that originate from students and their practical training experiences. The investigation of the learning outcomes also includes the study of the general context of the method's application: the conditions and terms by which the learning outcomes can be optimized are studied, the student's perceptions, the teachers' attitudes, and, in general, the necessary conditions and requirements for optimal use of the method in this context are also investigated, with emphasis on the characteristics of the selected problems. In addition, the particular conditions prevailing due to the covid-19 pandemic made it possible to test the method in a distance learning context. The study adopted an action research strategy, where the researcher-educator integrated teaching and research activities in an engineering laboratory at the Merchant Marine Academy (MMA) of Macedonia. In the pilot study (spring semester 2018-2019 & winter semester 2019-2020), MyPBL's recording form, problem selection rubric, and research tools (observation sheets, students' satisfaction questionnaire, and professors' interview) were developed. The primary survey was initially conducted in person at the start of the academic semester (spring 2019-2020) but had to be stopped and shifted to an online format during the same semester. The research method was primarily qualitative with quantitative data collection as well. The action and survey instruments were used as they were formulated after the pilot survey, after necessary adjustments due to the online training. In the following academic year, a survey of distance education was conducted on the whole faculty to define the context in which the teaching proposal was implemented and to investigate the implementation of online education in the MMA in general. Finally, the research was concluded the following semester with face-to-face interviews of the teachers and marine engineers. The results of the training activity are consistent with the relevant literature on the benefits of using PBL in engineering. The application of the MyPBL teaching method in maritime education in Greece seems to produce satisfactory learning outcomes, both in terms of knowledge, but also in terms of problem-solving and critical thinking skills, which contribute to the achievement of the overall goal of engineers' education, namely their self-directedness, so that they can successfully deal with problems that may arise at sea. Regarding student engagement, it seems to increase when students themselves are involved in the selection and design of the problem actuators, and they seem to have positive perceptions about the application of the MyPBL training method, with the help of which they can link the internship with their academic studies. The attitude of teachers is also positive, who believe that the assessment rubric provides them with problems of appropriate structure and complexity. Finally, regarding distance learning, students and teachers accept it only as an emergency solution during the pandemic and prefer the face-to-face implementation of MyPBL. However, this approach has enhanced students' enthusiasm toward online learning, reinstating the dynamism and urgency of a traditional classroom setting. The presented evidence is crucial and reinforces the idea that MyPBL is a necessary addition to problem-based learning. Students have expressed their eagerness to utilize it in other courses at the school.Η τριτοβάθμια εκπαίδευση στρέφεται σε αυθεντικές και μαθητοκεντρικές πρακτικές μάθησης σε μια προσπάθεια να βελτιώσει τον τρόπο με τον οποίο οι φοιτητές αποκτούν, διατηρούν και μεταφέρουν τη γνώση. Ιδιαίτερα οι φοιτητές ναυτικοί μηχανικοί, για να θεωρούνται αποτελεσματικοί λύτες προβλημάτων, εκτός από τις γνώσεις τους, θα πρέπει να είναι σε θέση να χρησιμοποιήσουν ένα ευρύ φάσμα αναλυτικών και πολύπλοκων εργαλείων σκέψης που καταλήγουν σε δημιουργικές λύσεις και αποφάσεις. Σκοπός της διατριβής είναι να διερευνήσει αναλυτικά τα μαθησιακά αποτελέσματα που παράγονται από την εφαρμογή των διδακτικών μεθόδων οι οποίες είναι ευρύτερα γνωστές με την ονομασία «Problem Based Learning, PBL», στην εκπαίδευση Μηχανικών του Εμπορικού Ναυτικού. Για το σκοπό αυτό έχει αναπτυχθεί, υλοποιηθεί, αξιολογηθεί και βελτιωθεί μια διδακτική μέθοδος η οποία ονομάστηκε MyPBL. Η ονομασία αυτή αντικατοπτρίζει αφενός τη χρήση της εκπαιδευτικής μεθόδου PBL και αφετέρου το γεγονός ότι τα προβλήματα – ενεργοποιητές προέρχονται από τους ίδιους τους φοιτητές και από την εμπειρία τους από την πρακτική άσκηση. Η διερεύνηση των μαθησιακών αποτελεσμάτων περιλαμβάνει και τη μελέτη του γενικότερου πλαισίου εφαρμογής της μεθόδου: μελετώνται οι συνθήκες και οι όροι με τους οποίους μπορεί να βελτιστοποιηθούν τα μαθησιακά αποτελέσματα, εξετάζονται οι αντιλήψεις των σπουδαστών, η στάση των καθηγητών και γενικότερα ερευνώνται οι απαραίτητες συνθήκες και προϋποθέσεις για μια βέλτιστη χρήση της μεθόδου στο συγκεκριμένο πλαίσιο, με έμφαση στα χαρακτηριστικά των επιλεγμένων προβλημάτων. Επιπλέον, οι ιδιαίτερες συνθήκες που επικράτησαν λόγω της πανδημίας του covid-19, κατέστησαν δυνατή και τη δοκιμή της σε πλαίσιο εξ αποστάσεως εκπαίδευσης. Αυτή η μελέτη υιοθέτησε μια στρατηγική έρευνας δράσης, όπου η ερευνήτρια – εκπαιδευτικός ενσωμάτωσε διδακτικές και ερευνητικές δράσεις σε εργαστήριο ναυτικών μηχανικών στην Ακαδημία Εμπορικού Ναυτικού (ΑΕΝ) Μακεδονίας. Στο πιλοτικό στάδιο (εαρινό εξάμηνο 2018-2019 & χειμερινό 2019-2020) αναπτύχθηκαν τα εργαλεία της δράσης και συγκεκριμένα η φόρμα καταγραφής και η ρουμπρίκα αξιολόγησης και επιλογής προβλημάτων για την MyPBL, καθώς και τα ερευνητικά εργαλεία, τα φύλλα παρατήρησης, το ερωτηματολόγιο ικανοποίησης των φοιτητών και η δομή των συνεντεύξεων. Η κύρια εφαρμογή της έρευνας ξεκίνησε το αμέσως επόμενο ακαδημαϊκό εξάμηνο (εαρινό 2019-2020) διά ζώσης, αλλά διακόπηκε και συνεχίστηκε διαδικτυακά στο ίδιο εξάμηνο. Η μέθοδος της έρευνας ήταν κατά βάση ποιοτική με συλλογή και ποσοτικών δεδομένων. Χρησιμοποιήθηκαν τα εργαλεία δράσης και έρευνας όπως αυτά διαμορφώθηκαν με το πέρας της πιλοτικής έρευνας, έπειτα από τις απαιτούμενες προσαρμογές λόγω της διαδικτυακής εκπαίδευσης. Το επόμενο ακαδημαϊκό έτος έγινε η έρευνα για την εκπαίδευση εξ αποστάσεως στο σύνολο της σχολής, σε μια προσπάθεια να οριστεί το πλαίσιο στο οποίο εφαρμόστηκε η διδακτική πρόταση αλλά και να διερευνηθεί η εφαρμογής διαδικτυακής εκπαίδευσης στις ΑΕΝ γενικότερα. Τέλος, η έρευνα έκλεισε το αμέσως επόμενο εξάμηνο με διά ζώσης συνεντεύξεις των εκπαιδευτικών και των ναυτικών μηχανικών που είχαν άμεση ή έμμεση σχέση με την έρευνα. Τα αποτελέσματα της εκπαιδευτικής δράσης συμφωνούν με τη σχετική βιβλιογραφία ως προς τα οφέλη από τη χρήση της μάθησης βασισμένης σε προβλήματα σε μηχανικούς. Η εφαρμογή της διδακτικής μεθόδου MyPBL στην ναυτική εκπαίδευση στην Ελλάδα φαίνεται να παράγει ικανοποιητικά μαθησιακά αποτελέσματα, τόσο σε επίπεδο γνώσεων, αλλά και δεξιοτήτων επίλυσης προβλημάτων και κριτικής σκέψης, τα οποία συμβάλλουν στην επίτευξη του γενικότερου στόχου της εκπαίδευσης των μηχανικών, δηλαδή την αυτονόμησή τους, έτσι ώστε να είναι σε θέση να αντιμετωπίζουν με επιτυχία προβλήματα που μπορούν να παρουσιαστούν εν πλω. Αναφορικά με τη δέσμευση των φοιτητών, δείχνει να αυξάνεται όταν οι ίδιοι συμμετέχουν στην επιλογή και στο σχεδιασμό των προβλημάτων-ενεργοποιητών και φαίνεται ότι έχουν θετικές αντιλήψεις σχετικά με την εφαρμογή της εκπαιδευτικής μεθόδου MyPBL, με τη βοήθεια της οποίας μπορούν να συνδέσουν την πρακτική άσκηση με τις ακαδημαϊκές τους σπουδές. Θετική είναι και η στάση των εκπαιδευτικών, οι οποίοι πιστεύουν ότι η ρουμπρίκα αξιολόγησης τους παρέχει προβλήματα με κατάλληλη δομή και πολυπλοκότητα. Τέλος, σε σχέση με την εξ αποστάσεως εκπαίδευση, φοιτητές και καθηγητές την αποδέχονται μόνο ως λύση έκτακτης ανάγκης, κατά τη διάρκεια της πανδημίας, και προτιμούν την δια ζώσης εφαρμογή της MyPBL. Παρόλο αυτά, η μέθοδος αυτή, δείχνει να έχει αυξήσει το ενδιαφέρον των φοιτητών για το διαδικτυακό μάθημα, δίνοντας πίσω κάτι από τη ζωντάνια και την αμεσότητα της τάξης. Τα στοιχεία αυτά είναι σημαντικά και συνηγορούν στη θεώρηση της MyPBL ως μιας σημαντικής επέκτασης της μάθησης βασισμένης σε προβλήματα, με τους φοιτητές να εκφράζουν την θέλησή τους για εφαρμογή της και σε άλλα μαθήματα της σχολής