## Pembelajaran STEM Berbasis Engineering Design Process untuk Siswa Sekolah Alam di Kabupaten Klaten
Indah Widiastuti 1* , Cucuk Wawan Budiyanto 2
1 Mechanical Engineering Education Dept., The Faculty of Teacher Training and Education Sebelas Maret University Indonesia
2 Informatics Education Department, The Faculty of Teacher Training and Education Sebelas Maret University Indonesia,
Corresponding email: indahwidiastuti@staff.uns.ac.id

## ABSTRACT
This  community  service  activity  aims  to  improve  STEM  (Science,  Technology, Engineering,  and  Mathematics)  learning  at  a  natural  school  in  Klaten  through engineering design. STEM is directed as integrated learning between several fields of  science,  especially  those  related  to  mathematics,  science  (physics,  chemistry, biology, and environmental science), and IT (Information Technology). Learning is  done  by  introducing  several  technologies  that  use  wind  energy  sources. Engineering  design  process  activities  are  carried  out  in  3  modules,  namely, understanding  the  context  of  the  problem,  experimenting  with  materials  and  sail shapes capable of capturing wind energy, and designing windmills according to the results  of  previous  experiments.  The  learning  module  is  made  by  a  service  team with the teacher and then given to parents. Parents are expected to assist children during the implementation of activities. Students are encouraged to use STEM skills in designing windmills.
Keywords: engineering design process ; nature-based school; STEM

## ABSTRAK
Kegiatan  pengabdian  kepada  masyarakat  ini  bertujuan  untuk  meningkatkan pembelajaran STEM (IPA, Teknologi, Teknik, dan Matematika) di sekolah alam di Klaten  melalui  desain  teknik.  STEM  diarahkan  sebagai  pembelajaran  terpadu antara beberapa bidang ilmu, khususnya yang berkaitan dengan matematika, IPA
(fisika,  kimia,  biologi,  dan  ilmu  lingkungan),  dan  IT  (Teknologi  Informasi). Pembelajaran  dilakukan  dengan  memperkenalkan  beberapa  teknologi  yang menggunakan sumber energi angin. Kegiatan proses perancangan teknik dilakukan dalam 3 modul, yaitu, memahami konteks masalah, bereksperimen dengan material dan  bentuk  layar  yang  mampu  menangkap  energi  angin,  serta  merancang  kincir angin  sesuai  hasil  percobaan  sebelumnya.  Modul  pembelajaran  dibuat  oleh  tim layanan  dengan  guru  dan  kemudian  diberikan  kepada  orang  tua.  Orang  tua diharapkan  dapat  membantu  anak-anak  selama  pelaksanaan  kegiatan.  Siswa didorong untuk menggunakan keterampilan STEM dalam merancang kincir angin.
Kata kunci: STEM; engineering design process ; sekolah alam

## PENDAHULUAN
Pembelajaran bidang sains, teknologi, rekayasa dan matematika atau dikenal dengan   istilah STEM menjadi fokus  perhatian tidak hanya oleh guru di sekolah namun  juga  semua    pemangku  kepentingan  yang  terlibat.  Berbagai  upaya  telah dilakukan  dalam  rangka  proses    peningkatan  kualitas  proses  pembelajaran  dan kurikulum di bidang-bidang tersebut. Pada  awalnya program peningkatan kualitas tersebut dilakukan secara terpisah di masing-masing  bidang studi. Namun saat ini, fokus  perbaikan  mutu  diarahkan  pada  integrasi  antara  semua    bidang  pada pembelajaran STEM.
Integrasi antara sains, teknologi, rekayasa dan matematika pada pembelajaran di    sekolah  sebaiknya  juga  dikaitkan  dengan  fenomena  yang  dihadapi  di  dunia nyata. Hal ini  dilakukan dengan tujuan untuk membuat pembelajaran STEM lebih bermakna dan relevan bagi  siswa dan guru (Honey et al., 2014). Dengan cara ini, diharapkan akan meningkatkan motivasi  dan minat belajar siswa yang selanjutnya dapat meningkatkan pemahaman serta kemampuan  literasi siswa terutama dalam sains,  matematika  dan  teknologi.  Penelitian  menunjukkan  bahwa    peningkatan
motivasi  siswa  untuk  belajar  ketika  siswa  merasa  apa  yang  dipelajari  tersebut bermanfaat besar.
Lingkungan  hidup  merupakan  isu  kontekstual  yang  sangat  menarik  dalam pembelajaran STEM. Isu lingkungan mulai dari daur ulang sampai masalah sumber energi alternatif merupakan masalah nyata yang menarik untuk dieksplorasi. Studi di  Amerika  menunjukkan  bahwa  integrasi environment  based  education pada kurikulum STEM memberikan pengaruh positif pada pembelajaran sains,  literasi, kemampuan beradaptasi dan kemampuan untuk bekerja sama dalam tim.
Penguatan  pembelajaran  STEM  berbasis  pendidikan  lingkungan  diarahkan untuk    meningkatkan  kemampuan  siswa  terutama  pada  bidang  studi  sains  dan matematika  sekaligus    meningkatkan  kesadaran  siswa  terhadap  isu  lingkungan misalnya perubahan iklim dan  keseimbangan ekosistem. Pembelajaran sains dan matematika yang kontekstual terkait dengan  isu lingkungan hidup ini sangat sesuai dengan framework STEM  dalam  penggunaan scientific    inquiry dan engineering design process sebagai bagian dari pengalaman belajar.

## TINJAUAN PUSTAKA
Engineering Design Process (EDP) merupakan pendidikan pedagogi yang diterapkan  kepada  siswa  (Tipmontiane  &  Williams,  2022).  Dalam Engineering Design Process (EDP) tidak hanya menghasilkan konsep abstrak tetapi menerapkan kemampuan  desain  kepada  siswa,  melalui  pendekatan  pemecahan  masalah  dan konsep dasar (Moore et al., 2014). Dengan adanya pembelajaran berbasis EDP akan meningkatkan  pengalaman  siswa  akan  pengetahuan  desain  (Hynes,  Milto,  et  al., 2011). Oleh karena itu EDP, berperan penting dalam pembelajaran pendidikan K- 12 untuk membantu siswa dapat menyelesaikan masalah melalui konsep kehidupan sehari-hari (Tipmontiane & Williams, 2022).
Penelitian  oleh  Berland  dkk  (2014)  pada  siwa  Sekolah  Menengah  Atas (SMA) terkait pembelajaran berbasis EDP di Amerika Serikat menerapkan konsep sains  dan  matematika  menunjukan  hasil  kemampuan  siswa  melalui  pemecahan
masalah  dan  memberikan  solusi  pada  suatu  masalah  berasal  dari  proses  berpikir siswa sendiri. Melalui pembelajaran EDP siswa dapat mengindentifikasi masalah, menentukan  solusi,  mendesain prototype, mendesain  ulang  dengan  baik  (Hynes, Milto, et al., 2011).  Sehingga pembelajaran EDP berdampak positif meningkatkan keterampilan  siswa  dalam  memecahkan  masalah  berbasis  sains  dan  matematika (Syukri et al., 2018).
Dalam  pembelajaran  berbasis  EDP  sendiri  melibatkan  penggabungan prinsip-prinsip teknik, penganalisisan, dan sistematika berpikir (Kelley & Knowles, 2016). Engineering  Design  Process (EDP)  sendiri  dalam  STEM  terpadu berkontribusi  pada  pengembangan  kurikulum  dari  sekolah  taman  kanak-kanak hingga  pendidikan  K-12  (Tipmontiane  &  Williams,  2022). Engineering  Design Process (EDP) merupakan elemen penting dalam sistem pembelajaran pendidikan teknik  K-12.  Melalui  penerapan  dan  keterampilan  teknik  dengan Engineering Design  Process (EDP)  akan  menciptakan  siswa  yang  mampu  belajar  sendiri  dan mampu mengembangkan literasi desain (Hynes, Milto, et al., 2011). Pada sekolah tingkat  dasar,  pembelajaran  EDP  berfokus  pada  pembangkitan  ide,  di  sekolah menengah  atas  berfokus  pada  analisis,  pengujian  dan  evaluasi  dan  pada  guru berfokus pada pendesaian ulang (Lin et al., 2021b), meskipun berbeda fokus pada tiap tingkat sekolah tetapi pada proses pembelajarannya, EDP mempunyai tahapan pembelajaran yang sama (Hynes, Milto, et al., 2011).
Implementasi  pendidikan  STEM  dapat  ditingkatkan  dengan  merencanakan kegiatan  pembelajaran  teknologi  seperti Engineering  Design  Process sehingga dengan  adanya  EDP  siswa  akan  memperoleh  pengetahuan  yang  komprehensif (Song et al., 2016). Artinya siswa akan lebih banyak menerapkan pengetahuan dan kompetensi  STEM  dalam  memecahkan  masalah  (Lin  et  al.,  2021c).  Selain  itu, banyak  penelitian  yang  mengatakan  bahwa  melalui Engineering  Design  Process (EDP)  dapat  meningkatkan  pembelajaran  di  STEM  (Lin  et  al.,  2021c).  Hasil penelitian  lain  mengungkapkan  melalui  sistem  pembelajaran  melalui  pendekatan EDP membuat siswa dapat memahami masalah, pemahaman prinsip-prinsip EDP,
dan menerapkannya kedalam ilmu sains dan matematika (Lin et al., 2021b) melalui pengalaman belajar secara nyata (Widiastuti et al., 2020).
Melalui  pembelajaran  berbasis  EDP  yang  dimasukkan  kedalam  STEM terintegrasi  berdampak  positif  pada  siswa  dan  lingkungan  belajar. Engineering Design Process (EDP) membuat siswa terlibat langsung pada proses pembelajaran (Siddika Selcen Guzey et al., 2016). Menurut Committee on Public Understanding of Engineering dalam (Tipmontiane & Williams, 2022) mengatakan bahwa korelasi antara  desain  teknik  dan  minat  siswa  secara  positif  mempengaruhi  kompetensi pemecahan masalah dan partipasi siswa terhadap pembelajaran.
Komunikasi dan kolaborasi akan meningkatkan pemahaman siswa terhadap STEM  melalui  pembelajaran  berbasis  EDP.  Dalam  pembelajaran,  biasanya  guru mengelompokkan  siswa  berdasarkan  keahliannya  untuk  memecahkan  masalah mengenai Engineering Design Process (EDP) (Alfonseca et al., 2006). Akan tetapi ternyata  pengelompokan  siswa  tersebut  menghambat  komunikasi  dan  kolaborasi kerena  siswa  cenderung  bekerja  secara  individu  berdasarkan  keahliannya  sendiri sehingga  membatasi  prosess  EDP  (Householder  &  Hailey,  2012).  Dengan demikian,  EDP  lebih  mendorong  partisipasi  dan  kolaborasi  siswa  selama  proses pembelajaran berlangsung.
Menurut  Hammer  dan  Schifter  dalam  (Tipmontiane  &  Williams,  2022) mengatakan peran guru dalam implementasi pembelajaran desain teknik di kelas berbeda dengan pembelajaran teori biasanya. Peran guru awalnya sebagai pemberi materi  secara  lengkap  kemudian  bergeser  menjadi  fasilitator  yang  mendukung siswa dalam pemecahan masalah ( problem solver) (Householder & Hailey, 2012). Kebijakan dan kreativitas guru merupakan faktor penting yang harus dimiliki guru (Mohd  Hafiz  &  Ayop,  2019).    Sehingga  pada  pembelajaran  berbasis  EDP  peran guru bergeser dari pemberi materi secara lengkap menjadi fasilitator (Tipmontiane &  Williams,  2022).  Meskipun  sebagai  fasilitator  guru  harus  mampu mempertimbangkan pendekatan desain teknik dalam pembelajaran STEM  (Mohd Hafiz  &  Ayop,  2019).  Sehingga  pada  proses  pembelajaran  seorang  guru  mampu
memiliki  pengetahuan  dan  keterampilan  dengan  memasukkan  konsep  sains  dan matematika,  sehingga  siswa  akan  lebih  paham  terhadap  konsep  STEM  melalui pembelajaran yang berbasis EDP (Widiastuti et al., 2020)..

## METODE PELAKSANAAN
Kegiatan  pengabdian  ini  ditujukan  untuk  memberikan  variasi  metode pembelajaran  STEM    berbasis  konsep  kesadaran  lingkungan  hidup  dengan melakukan  aktivitas engineering  design    process yang  memberikan  kesempatan bagi  siswa  untuk  mengembangan  kemampuan    memecahkan  masalah  secara kolaboratif. Secara terperinci, tujuan pengabdian dapat  dijabarkan sebagai berikut
1. Mengembangkan  rancangan  pembelajaran  STEM  berbasis  lingkungan dengan  topik Energi Baru dan Terbarukan
2. Memberikan  contoh  dan  panduan  kegiatan  pembelajaran  STEM  yang sesuai  dengan    tahap  perkembangan  dan  usia  siswa,  termasuk  lembar amatan dan laporan
3. Menyediakan alternatif model pembelajaran yang menyenangkan melalui kegiatan engineering design process dengan perancangan kincir angin
Kegiatan dimulai  dengan melakukan identifikasi capaian pembelajaran bidang sains dan  matematika yang   diintegrasikan  dengan aplikasi teknologi, proses rekayasa ( engineering ) dan isu lingkungan hidup. Isu lingkungan yang menjadi  fokus  kegiatan  pengabdian  ini  terkait  dengan  penggunaan    sumber energi  angin  sebagai  sumber  energi  alternatif.  Beberapa  materi  yang  relevan dengan  isu tersebut antara lain adalah:
• Mekanisme kincir angin untuk menghasilkan energi
• Analisis  faktor  –  faktor  yang  mempengaruhi  kemampuan menghasilkan energi
• Proses  perancangan  kincir  angin  yang  sistematis  berbasis engineering design process

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Kegiatan  pengabdian  telah  dilakukan  di  Sekolah  Alam  Bengawan  Solo dengan tahapan  kegiatan dijelaskan sebagai berikut.
1. Tinjauan pustaka
Fokus kegiatan pengabdian ini adalah mengintegrasikan mata pelajaran pada STEM  melalui aktivitas belajar yang terkait dengan engineering design process  (EDP) atau  proses    desain  rekayasa.  Untuk  itu,  tim  pengabdi melakukan tinjauan terhadap praktek kegiatan  belajar yang sudah dilakukan dengan  pendekatan  tersebut.  Beberapa  referensi    menunjukkan  bagaimana implementasi  EDP  pada  kegiatan  belajar  di  Sekolah  Dasar.  Salah    satunya adalah  yang  disebut  sebagai Engineering  is  Elementary (Cunningham  and Hester,  2007) yang menggunakan EDP dengan siklus dalam Gambar 1 sebagai berikut.

## Gambar 1 Siklus Engineering Design Process
Melalui  siklus  ini,  siswa  beraktivitas  secara  terstruktur  untuk  membuat suatu rancangan  solusi masalah nyata yang dibawa ke dalam kegiatan belajar.
2. Penyusunan modul pembelajaran
Dari  referensi  yang  didapatkan,  tim  pengabdi  menyusun  modul pembelajaran  untuk    diterapkan  siswa  SD  dengan  topik  Energi.  Sesuai  peta kurikulum  SD,  materi  energi    menjadi  salah  satu  tema  belajar  siswa  kelas  4 dengan kajian pada pemanfaatan energi  angin.
Modul ini terdiri dari 3 sesi dengan kerangka dalam Gambar 2 berikut.

## Gambar 2 Kerangka modul pembelajaran
Pada sesi 1 modul ini, siswa diminta memahami konteks masalah nyata yang dihadapi  dan harus dicari solusinya melalui pemahaman bacaan. Percobaan untuk mengetahu    faktor-faktor  yang  harus  dipertimbangkan  dalam  perancangan teknologi  dipelajari  melalui    kegiatan  di  sesi  2.  Sedangan  sesi  3  ditujukan  untuk memberikan  panduan  kepada  siswa    dalam  melakukan  tahapan  EDP  secara terstruktur.
Gambar 3 Gambaran Modul Pembelajaran
3. Diskusi modul pembelajaran dengan guru/fasilitator
Untuk  memperoleh  masukan  dari  pengguna  modul,  tim  pengabdi melakukan  diskusi    dengan  guru/fasillitator  dan  orang  tua  siswa.  Beberapa
perbaikan yang dilakukan tim  setelah diskusi antara lain adalah memperbaiki isi  bacaan  supaya  lebih  mudah  dipahami  siswa  dan  memberikan  panduan berupa video. Modul pembelajaran diilustrasikan dalam Gambar 3.
4. Pengembangan video tutorial
Sebagai  pendamping  modul,  tim  pengabdi  membuat  video  pembelajaran yang berisi  panduan penggunaan modul, mengingat bahwa kegiatan pembelajaran akan  dilakukan    siswa  di  rumah.  Gambar  4  mencontohkan  cuplikasn  video pembelajaran.

## Gambar 4 Gambaran Video Pembelajaran
5. Diseminasi modul pembelajaran
Di tahap ini, tim pengabdi memberikan modul pembelajaran secara bertahap kepada  siswa  kelas  4  SD  Alam  Bengawan  Solo  melalui  orang  tua.  Tim menyediakan modul sekaligus  dengan alat-alat dan bahan yang diperlukan untuk kegiatan belajar tiap siswa. Dalam Gambar 5, kegiatan belajar mandiri dilakukan oleh anak.
Gambar 5 Kegiatan Belajar Mandiri Siswa Sekolah Alam

## KESIMPULAN
Dari  kegiatan  pengabdian  ini,  dapat  diambil  kesimpulan  bahwa  aktifitas berbasis Engineering  Design untuk  pembelajaran  STEM  bisa  dilakukan    anak  di rumah dengan pendampingan orang tua. Anak akan memiliki pemahaman tentang tahapan  dalam Engineering  Design dan  mampu  menarik  kesimpulan    dari eksperimen  dan  rancangan  yang  dibuat.  Kegiatan  pembelajaran  STEM  berbasis Engineering  Design memberikan  kesempatan    anak  untuk  melakukan  kegiatan bersama semua anggota keluarga di rumah.

## ACKNOWLEDGMENT
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada  Lembaga  Penelitian  dan Pengabdian Masyarakat Universitas Sebelas Maret atas hibah yang diberikan untuk pelaksanaan kegiatan.

## DAFTAR PUSTAKA
Tipmontiane,  K.,  &  Williams,  P.  J.  (2022). ASEAN  Journal  of  Science  and  The Integration  of  the  Engineering  Design  Process  in  Biology-related  STEM Activity :  A  Review  of  Thai  Secondary  Education . 1 (1),  1–10.
https://doi.org/10.17509/ajsee.v2i1.35097
Moore,  T.  J.,  Glancy,  A.  W.,  Tank,  K.  M.,  Kersten,  J.  A.,  Smith,  K.  A.,  &
Stohlmann,  M.  S.  (2014).  A  Framework  for  Quality  K-12  Engineering Education: Research and Development. Journal of Pre-College Engineering Education Research (J-PEER) , 4 (1). https://doi.org/10.7771/2157-9288.1069 Hynes,  M.,  Milto,  E.,  &  Hammer,  D.  (2011). DigitalCommons  @  USU  Infusing Engineering Design into High School STEM Courses .
Berland, L., Steingut, R., & Ko, P. (2014). High School Student Perceptions of the Utility of the Engineering Design Process: Creating Opportunities to Engage in  Engineering  Practices  and  Apply  Math  and  Science  Content. Journal  of Science Education and Technology , 23 (6), 705–720. https://doi.org/10.1007/s10956-014-9498-4
Syukri,  M.,  Soewarno,  S.,  Halim,  L.,  &  Mohtar,  L.  E.  (2018).  The  impact  of engineering  design  process  in  teaching  and  learning  to  enhance  students’ science  problem-solving  skills. Jurnal  Pendidikan  IPA  Indonesia , 7 (1),  66– 75. https://doi.org/10.15294/jpii.v7i1.12297
Kelley,  T.  R.,  &  Knowles,  J.  G.  (2016).  A  conceptual  framework  for  integrated STEM education. International Journal of STEM Education . https://doi.org/10.1186/s40594-016-0046-z
Lin, K. Y., Wu, Y. T., Hsu, Y. T., & Williams, P. J. (2021b). Effects of infusing the engineering  design  process  into  STEM  project-based  learning  to  develop preservice  technology  teachers’  engineering  design  thinking. International Journal of STEM Education , 8 (1). https://doi.org/10.1186/s40594-020-00258-

## 9
Song,  T.,  Becker,  K.,  Gero,  J.,  Deberard,  S.,  Lawanto,  O.,  &  Reeve,  E.  (2016).
Problem  decomposition  and  recomposition  in  engineering  design:  A comparison of design behavior between professional engineers,  engineering seniors, and engineering freshmen. Journal of Technology Education , 27 (2), 37–56. https://doi.org/10.21061/jte.v27i2.a.3
Lin, K. Y., Wu, Y. T., Hsu, Y. T., & Williams, P. J. (2021c). Effects of infusing the
engineering  design  process  into  STEM  project-based  learning  to  develop preservice  technology  teachers’  engineering  design  thinking. International Journal of STEM Education , 8 (1), 1–15. https://doi.org/10.1186/s40594-020- 00258-9
Widiastuti,  I.,  Budiyanto,  C.  W.,  &  Ramli,  M.  (2020). Pre-service  Teacher Conceptions  of  Integrated  STEM  Using  the  Engineering  Design  Approach . 106–111. https://doi.org/10.1109/TALE48869.2020.9368382
Guzey, Siddika Selcen, Moore, T. J., & Harwell, M. (2016). Building Up STEM : An  Analysis  of  Teacher-Developed  Engineering  Design-Based  STEM Integration Curricular Materials . 6 (1). https://doi.org/10.7771/2157-9288.1129
Alfonseca, E., Carro, R. M., Martín, E., Ortigosa,  A., & Paredes, P. (2006). The impact  of  learning  styles  on  student  grouping  for  collaborative  learning:  A case study. User Modeling and User-Adapted Interaction , 16 (3–4), 377–401. https://doi.org/10.1007/s11257-006-
Householder,  D.  L.,  &  Hailey,  C.  E.  (2012).  Incorporating  Engineering  Design Challenges into STEM Courses. Digital Commons @ USU , 0426421 , 1–68. Ayop, S. K. (2019). Engineering Design Process in Stem Education : A Systematic Review . April . https://doi.org/10.6007/IJARBSS/v9-i5/5998