Identifying the Cognitive Structures of Pre-Service Chemistry Teachers within the Framework of Nanoparticles and Ecological Sustainability

Abstract

The aim of this study is to determine the cognitive structures and inter-conceptual connections of pre-service chemistry teachers (PSCTs) related to Nanoscience and Nanotechnology within the framework of Nanoparticles and Ecological Sustainability. The study was conducted using the key concepts specified in the content framework "Nanoparticles and Ecological Sustainability" under the "Sustainability" theme of the 9th-grade Chemistry Curriculum in the Türkiye Century Education Model, introduced in 2024. Twenty-three PSCTs enrolled in the chemistry teaching programme at a state university participated in the study, which was designed according to the survey model, during the autumn semester of the 2025–2026 academic year. The Word Association Test was used as the data collection tool in the study. The data obtained were analysed using frequency analysis, and concept maps were created using the cut-off point method proposed by Bahar and colleagues (1999). The findings revealed that although the PSCTs generated a wide range of associations with the key concepts in the "Nanoparticles and Ecological Sustainability" content framework, these associations were predominantly grounded in everyday experiences and remained at a concrete, superficial conceptual level. It has been found that concepts related to nanotechnology are mostly associated with size- and scale-based expressions such as small, micro, atomic, and nanometer, while the concepts of ecological footprint and sustainability are predominantly explained using environmental terms such as environment, waste, pollution, water, and nature. The diversification of concept networks, particularly at low cut-off points, reveals that PSCTs' conceptual structures are fragmented and far from a holistic scientific framework. The research results indicate a need for instructional designs that target conceptual integrity, enabling PSCTs to structure their concepts around relevant themes in a more in-depth, process-based, and interdisciplinary manner.

Keywords

• Chemistry education
• ecological sustainability
• nanoparticle
• pre-service chemistry teacher
• word association test

Ethical Statement

Ethical approval for the study was granted by the Ethics Committee of the Legal Consultancy of the Rectorate of Dokuz Eylül University (Decision dated 07 August 2025, No. E-87347630-659-1492220).

Kimya Öğretmen Adaylarının Nanoparçacıklar ve Ekolojik Sürdürülebilirlik Çerçevesinde Bilişsel Yapılarının Belirlenmesi

Abstract

Bu çalışmanın amacı, kimya öğretmen adaylarının Nanoparçacıklar ve Ekolojik Sürdürülebilirlik çerçevesinde Nanobilim ve Nanoteknoloji ile ilişkili bilişsel yapılarını ve kavramlar arası ilişkilendirme örüntülerini belirlemektir. Bu çalışma, 2024 yılında uygulamaya konulan Türkiye Yüzyılı Maarif Modeli 9. sınıf Kimya Dersi Öğretim Programı'nda "Sürdürülebilirlik" teması altında yer alan "Nanoparçacıklar ve Ekolojik Sürdürülebilirlik" içerik çerçevesinde belirtilen anahtar kavramlar esas alınarak yürütülmüştür. Tarama modeline göre tasarlanan araştırmaya, 2025–2026 öğretim yılı güz yarıyılında bir devlet üniversitesinin kimya öğretmenliği programında öğrenim gören 23 öğretmen adayı katılmıştır. Araştırmada veri toplama aracı olarak Kelime İlişkilendirme Testi kullanılmıştır. Elde edilen veriler frekans analizi ile çözümlenmiş ve Bahar ve diğerleri (1999) tarafından önerilen kesme noktası yöntemi kullanılarak kavram ağları oluşturulmuştur. Araştırma bulguları, öğretmen adaylarının "Nanoparçacıklar ve Ekolojik Sürdürülebilirlik" içerik çerçevesindeki anahtar kavramlara yönelik zengin çağrışımlar ürettiklerini; ancak bu çağrışımların çoğunlukla günlük yaşam deneyimlerine dayalı, somut ve yüzeysel kavramsal ilişkilerle sınırlı kaldığını ortaya koymaktadır. Nanoteknolojiyle ilişkili kavramların çoğunlukla küçük, mikro, atomik ve nanometre gibi boyut ve ölçek temelli ifadelerle ilişkilendirildiği; ekolojik ayak izi ve sürdürülebilirlik kavramlarının ise ağırlıklı olarak çevre, atık, kirlilik, su ve doğa gibi çevresel bağlamlı kelimelerle açıklandığı belirlenmiştir. Kavram ağlarının özellikle düşük kesme noktalarında çeşitlenmesi, öğretmen adaylarının kavramsal yapılarının parçalı ve bütüncül bir bilimsel çerçeveden uzak olduğunu göstermektedir. Araştırma sonuçları, kimya öğretmen adaylarının ilgili temalara ilişkin kavramlarını daha derinlikli, süreç temelli ve disiplinlerarası bir bakış açısıyla yapılandırabilmeleri için kavramsal bütünlüğü hedefleyen öğretim tasarımlarına ihtiyaç duyduklarını göstermektedir.

Keywords

• Ekolojik sürdürülebilirlik
• kelime ilişkilendirme testi
• kimya eğitimi
• kimya öğretmen adayı
• nanoparçacık

Ethical Statement

Dokuz Eylül Üniversitesi Rektörlüğü Hukuk Müşavirliği Etik Kurulunun 07.08.2025 tarihli E-87347630-659-1492220 sayılı kararı ile etik izin onayı alınmıştır.

References

1. Aslan, O., & Şenel, T. (2015). Ortaokul ve lise fen alanları öğretmen adaylarının nanobilim ve nanoteknoloji farkındalık düzeylerinin çeşitli değişkenlere göre incelenmesi. Dicle Üniversitesi Ziya Gökalp Eğitim Fakültesi Dergisi, 24, 363–389. https://doi.org/10. 14582/
2. Bahar, M., & Özatlı, N. S. (2003). Kelime ilişkilendirme test yöntemi ile lise 1. sınıf öğrencilerinin canlıların temel bileşenleri konusundaki bilişsel yapılarının araştırılması. Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 5(2), 75–85. https://dergipark.org.tr/tr/pub/baunfbed/article/261831 adresinden 24.10.2025 tarihinde erişilmiştir.
3. Bahar, M., Johnstone, A. H., & Sutcliffe, R. G. (1999). Investigation of students’ cognitive structure in elementary genetics through word association tests. Journal of Biological Education, 33(3), 134–141. Retrieved October 25, 2025 from https://doi.org/10.1080/00219266.1999.9655653
4. Balemen, N. (2009). Biyoloji öğretmen adaylarının nanobiyoteknoloji konularındaki bilgi seviyelerinin belirlenmesi ve nanobiyoteknoloji öğretim yöntem ve seviyelerinin araştırılması. (Yayın No. 229143) [Yüksek lisans tezi, Gazi Üniversitesi.] YÖK Ulusal Tez Merkezi. https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/tezDetay.jsp?id=UJEoIeDwIbTkmqIFT1wpeQ adresinden 15.12.2025 tarihinde erişilmiştir.
5. Blonder, R., Parchmann, I., Akaygun, S., & Albe, V. (2014). Nanoeducation: Zooming into teacher professional development programmes in nanoscience and technology. C. Bruguière, A. Tiberghien & P. Clément (Ed.), In Topics and trends in current science education: Contributions from science education research Vol. 1, (pp. 199–219). Springer.
6. Bryan, L. A., & Magana, A. J. (2020). Research on pre-college nanoscale science, engineering, and technology learning. In D. K. Sattler (Ed.), 21st Century Nanoscience–A Handbook: Public Policy, Education, and Global Trends (Ch. 12). Retrieved November 22, 2025 from https://bookshelf.vitalsource.com
7. Bryan, L. A., Magana, A. J., & Sederberg, D. (2015). Published research on pre-college students’ and teachers’ nanoscale science, engineering, and technology learning. Nanotechnology Reviews, 4(1), 7-32. Retrieved October 23, 2025 from https://doi.org/10.1515/ntrev-2014-0029
8. Büyüköztürk, Ş., Kılıç Çakmak, E., Akgün, Ö. E., Karadeniz, Ş., & Demirel, F. (2025). Bilimsel araştırma yöntemleri (37. baskı.). Pegem Akademi.

9. Çoban, A., & Altun, Z. D. (2023). Kelime ilişkilendirme testi aracılığıyla bilişsel yapının ve kavramsal değişim sürecinin gözlenmesi. Uygulamada Eğitim ve Yönetim Bilimleri Dergisi, 3(2), 131-154. https://dergipark.org.tr/tr/pub/ueybid/article/1372998 adresinden 06.11.2025 tarihinde erişilmiştir.
10. Delgado, C., Stevens, S. Y., Shin, N., & Krajcik, J. (2015). A middle school instructional unit for size and scale contextualized in nanotechnology. Nanotechnology Reviews, 4(1), 51–69. Retrieved October 22, 2025 from, https://doi.org/10.1515/ntrev-2014-0023
11. DePaolo, C. A., & Wilkinson, K. (2014). Get your head into the clouds: Using word clouds for analyzing qualitative assessment data. TechTrends, 58(3), 38–44. Retrieved October 25, 2025 from, https://doi.org/10.1007/s11528-014-0750-9
12. Demircioğlu, H., & Özdemi̇r, R. (2019). Bağlam temelli öğrenme yaklaşımının öğretmen adaylarının nanoteknoloji konusunu anlamaları üzerindeki etkisi. Journal of Computer and Education Research, 7(14), 314–336. https://doi.org/10.18009/jcer.576978 adresinden 26.10.2025 tarihinde erişilmiştir.
13. Ekli, E., & Şahin, N. (2010). Science teachers and teacher candidates’ basic knowledge, opinions and risk perceptions about nanotechnology. Procedia – Social and Behavioral Sciences, 2(2), 2667–2670. Retrieved October 23, 2025 from https://doi.org/10.1016/j.sbspro.2010.03.392
14. Enil, G., & Köseoğlu, Y. (2016). Fen Bilimleri (Fizik, Kimya ve Biyoloji) öğretmen adaylarının nanoteknoloji farkındalık düzeyleri, ilgileri ve tutumlarının araştırılması. International Journal of Social Sciences and Education Research, 2(1), 50-63. https://doi.org/10.24289/ijsser.279084 adresinden 30.11.2025 tarihinde erişilmiştir.
15. Gamishidze, Z. (2025). Teaching the basics of nanotechnology in school. In The Eurasia Proceedings of Educational and Social Sciences (EPESS) (Vol. 41, pp. 99–105). ICETI 2025: International Conference on Education in Technology and Innovation. Retrieved November 20, 2025 from https://www.epess.net › epess › article › download
16. Gilbert, J. K., & Lin, H. (2013). How might adults learn about new science and technology? the case of nanoscience and nanotechnology. International Journal of Science Education Part B, 3(3), 267–292. Retrieved November 23, 2025 from, https://doi.org/10.1080/21548455.2012.736035
17. Göçmen, A. & Kaya. H. (2023). Fen bilimleri öğretmen adaylarının nanoteknolojiye yönelik bilgi ve tutum düzeylerinin incelenmesi. Eğitimde Yeni Yaklaşımlar Dergisi, 6(1), 1-16. https://doi.org/10.53506/egitim.1218044 adresinden 02.11.2025 tarihinde erişilmiştir.
18. Göçmen, A., Karabulut, H., & Kariper, I. A. (2024). Review of studies conducted in nanotechnology education: A meta-synthesis study. Discover Education, 3, 169. Retrieved December 10, 2025, from, https://doi.org/10.1007/s44217-024-00277-6
19. Greenberg A. (2009). Integrating nanoscience into the classroom: perspectives on nanoscience education projects. ACS Nano, 3(4), 762-769. Retrieved December 5, 2025, from, https://doi.org/10.1021/nn900335r
20. Harman, G., & Şeker, R. (2018). Fen bilgisi öğretmen adaylarının nanoteknoloji kavramı hakkındaki farkındalıkları, Bingöl Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü Dergisi, 8(15), 429-450. https://dergipark.org.tr/tr/download/article-file/462082 adresinden 05.12.2025 tarihinden erişilmiştir.
21. Hingant, B., & Albe, V. (2010). Nanosciences and nanotechnologies learning and teaching in secondary education: A review of literature. Studies in Science Education, 46(2), 121-152. Retrieved December 5, 2025, from, https://doi.org/10.1080/03057267.2010.504543
22. İpek, Z., Atik, A. D., Tan, Ş., & Erkoç, F. (2020). Awareness, exposure, and knowledge levels of science teachers about nanoscience and nanotechnology. Issues in Educational Research, 30(1), 134–155. Retrieved December 7, 2025, from, https://www.iier.org.au/iier30/ipek.pdf
23. Jones, M. G., Blonder, R., Gardner, G. E., Albe, V., Falvo, M., & Chevrier, J. (2013). Nanotechnology and nanoscale science: Educational challenges. International Journal of Science Education, 35(9), 1490–1512. Retrieved December 7, 2025, from, https://doi.org/10.1080/09500693.2013.771828
24. Jones, M. G., Paechter, M., Yen, C., Gardner, G., Taylor, A., & Tretter, T. (2011). Teachers’ concepts of spatial scale: an international comparison. International Journal of Science Education, 35(14), 2462–2482. Retrieved December 7, 2025, from https://doi.org/10.1080/09500693.2011.610382
25. Jung, C. G. (1910). The association method. The American Journal of Psychology, 21(2), 219–269. Retrieved December 7, 2025, from https://doi.org/10.2307/1413002
26. Kähkönen, A.-L., Laherto, A., Lindell, A., & Tala, S. (2016). Interdisciplinary nature of nanoscience: Implications for education. In K. Winkelmann & B. Bhushan (Eds.), Global perspectives of nanoscience and engineering education (pp. 35–81). Springer. Retrieved November 8, 2025 from https://doi.org/10.1007/978-3-319-31833-2_2
27. Karasar, N. (2024). Bilimsel araştırma yöntemi: Kavramlar, ilkeler, teknikler (39. bs.). Nobel Akademik Yayıncılık. Karataş, F. Ö., & Ülker, N. (2014). Kimya öğrencilerinin nanobilim ve nanoteknoloji konularındaki bilgi düzeyleri. Journal of Turkish Science Education, 11(3), 103-118. https://doi.org/10.36681/
28. Kılınç-Alpat, S., Uyulgan, M. A., Şeker, S., Altaş, H. Ş., & Gezer, E. (2017). Nanoteknoloji konusunda işbirlikli öğrenme yönteminin ortaöğretim 10.sınıf öğrencilerinin akademik başarı ve görüşlerine etkisi. İnönü Üniversitesi Eğitim Fakültesi Dergisi, 18(1), 27-57. https://doi.org/10.17679/inuefd.286128 adresinden 10.12.2025 tarihinde erişilmiştir.
29. Kobak, R. (2023). Maddenin doğası ile ilgili büyüklük ve ölçek konusuna ilişkin öğrenme ilerlemesinin incelenmesi (Yayın No. 87732) [Doktora tezi, Balıkesir Üniversitesi.] YÖK Ulusal Tez Merkezi. https://acikerisim.balikesir.edu.tr/items/1e3487ed-bf46-4c5b-9b9b-6288309c6f33 adresinden 31.07.2026 tarihinde erişilmiştir.
30. Kriek, J., Lemmer, M., & Ojal, J. (2021). Exploration and categorisation of pre-service physics teachers’ understanding of superconductivity and nanotechnology. European Journal of Physics, 43(2), 025701. Retrieved November 8, 2025 from, https://doi.org/10.1088/1361-6404/ac3f40
31. Kumar, D. D. (2007). Nanoscale science and technology in teaching. Australian journal of Education in Chemistry, 68, 20-22. Retrieved November 15, 2025 from, https://search.informit.org/doi/10.3316/aeipt.166391
32. Miles, M. B., & Huberman, A. M. (1994). Qualitive data analisis. international educationaland professional publisher.
33. Muniz, M. N., & Oliver-Hoyo, M. T. (2014). On the use of analogy to connect core physical and chemical concepts to those at the nanoscale. Chemistry Education Research and Practice, 15(4), 807–823. Retrieved November 8, 2025 from, https://doi.org/10.1039/c4rp00097h
34. Özata-Yücel, E., & Özkan, M. (2018). Fen bilimleri öğretmen adaylarının çevre sorunları algılarındaki değişimin incelenmesi: Kocaeli örneği. Pamukkale Üniversitesi Eğitim Fakültesi Dergisi, 44(44), 146-160. https://doi.org/10.9779/puje.2018.211 adresinden 28.11.2025 tarihinde erişilmiştir.
35. Patton, M. Q. (2015). Qualitative research & evaluation methods: Integrating theory and practice (4th ed.). SAGE Publications.
36. Peikos, G., Spyrtou, A., Pnevmatikos, D., & Papadopoulou, P. (2020). Nanoscale science and technology education: Primary school students’ preconceptions of the lotus effect and the concept of size. Research in Science & Technological Education, Retrieved November 12, 2025 from, https://doi.org/10.1080/02635143.2020.1841149
37. Peikos, G., Spyrtou, A., Pnevmatikos, D., & Papadopoulou, P. (2022). A teaching learning sequence on nanoscience and nanotechnology content at primary school level: evaluation of students’ learning. International Journal of Science Education, 44(12), 1932–1957. Retrieved November 12, 2025 from, https://doi.org/10.1080/09500693.2022.2105976
38. Roco, M. C., & Bainbridge, W. (2005). Societal implications of nanoscience and nanotechnology: Maximizing human benefit. Journal of Nanoparticle Research, 7(1), 1-13. Retrieved November 12, 2025 from, https://doi.org/10.1007/s11051-004-2336-5
39. Roco, M. C., & Bainbridge, W. S. (2013). The new world of discovery, invention, and innovation: Convergence of knowledge, technology, and society. Journal of Nanoparticle Research, 15, Article 1946. Retrieved November 19, 2025 from, https://doi.org/10.1007/s11051-013-1946-1
40. Sakhnini, S., & Blonder, R. (2016). Nanotechnology applications as a context for teaching the essential concepts of NST. International Journal of Science Education, 38(3), 521–538. Retrieved November 17, 2025 from, https://doi.org/10.1080/09500693.2016.1152518
41. Schank, P., Wise, A., Stanford, T., & Rosenquist, A. (2009). Can high school students learn nanoscience? An evaluation of the viability and impact of the NanoSense curriculum. SRI International Technical Report. Retrieved November 17, 2025 from, https://nanosense.sri.com/documents/reports/FinalEvaluationReport.pdf
42. Schönborn, K. J., Höst, G. E., & Palmerius, K. E. L. (2015). Measuring understanding of nanoscience and nanotechnology: development and validation of the nano-knowledge instrument (NanoKI). Chemistry Education Research and Practice, 16(2), 346–354. Retrieved November 17, 2025 from, https://doi.org/10.1039/c4rp00241e
43. Schönborn, K. J., Höst, G. E., Palmerius, K. E. L., & Flint, J. (2014). Development of an interactive immersion environment for engendering understanding about nanotechnology: Concept, construction, and implementation. In Web Design and Development: Concepts, Methodologies, Tools, and Applications (pp. 519-536). IGI Global Scientific Publishing.
44. Schütz, H., & Wiedemann, P. M. (2008). Framing effects on risk perception of nanotechnology. Public Understanding of Science, 17(3), 369–379. Retrieved November 18, 2025 from, https://doi.org/10.1177/0963662506071282
45. Sheetz, T., Vidal, J., Pearson, T. D., & Lozano, K. (2005). Nanotechnology: Awareness and societal concerns. Technology in Society, 27(3), 329–345. Retrieved November 13, 2025 from, https://doi.org/10.1016/j.techsoc.2005.04.010
46. Stevens, S. Y., Sutherland, L. M., & Krajcik, J. (2009). The big ideas of nanoscale science & engineering: a guidebook for secondary teachers. Retrieved November 15, 2025 from, https://openlibrary.org/books/OL24115822M/The_big_ideas_of_nanoscale_science_engineering
47. Şenel-Zor, T., & Aslan, O. (2018). The effect of activity-based nanoscience and nanotechnology education on pre-service science teachers’ conceptual understanding. Journal of Nanoparticle Research, 20(75), 1-22. Retrieved November, 28, 2025 from, https://doi.org/10.1007/s11051-018-4182-x
48. Tenekecigil, E., & Kariper, İ. A. (2025). Determination of the opinions of science teacher candidates about nanoscience and nanotechnology and their development through activities. Scientific Reports, 15, 26384. Retrieved November 25, 2025 from, https://doi.org/10.1038/s41598-025-12458-w
49. Tomasik, J., Jin, S., Hamers, R., & Moore, J. (2009). Design and initial evaluation of an online nanoscience course for teachers. Journal of Nano Education, 1, 48-69. Retrieved November 19, 2025 from, https://doi.org/10.1166/jne.2009.003
50. Türkmen, H., Köseoğlu, P., & Haner, S. (2025). Fen bilgisi öğretmen adaylarının nanobiyoteknolojiye yönelik tutumlarının değerlendirilmesi. Buca Eğitim Fakültesi Dergisi, 65, 2822–2840. https://doi.org/10.53444/deubefd.1566649 adresinden19.11.2025 tarihinde erişilmiştir.
51. Waldron, A. M., Spencer, D., & Batt, C. A. (2006). The current state of public understanding of nanotechnology. Journal of Nanoparticle Research, 8(5), 569–575. Retrieved November 25, 2025 from, https://doi.org/10.1007/s11051-006-9112-7
52. Yıldırım, A., & Şimşek, H. (2021). Sosyal bilimlerde nitel araştırma yöntemleri (12. baskı). Seçkin Yayıncılık.
53. Yıldırım, T. (2021). Nanoteknoloji öğretimi üzerine yapılan çalışmaların uluslararası literatür kapsamında tematik i̇ncelenmesi. Buca Eğitim Fakültesi Dergisi, 52, 77–96. https://doi.org/10.53444/deubefd.838236 adresinden 26.11.2025 tarihinde erişilmiştir.
54. Yıldırım, T., & Kahraman, S. (2024). Development and validation of a module for nanoscience and nanotechnology education: a case of pre-service chemistry teachers. International Journal of Science Education, 47(11), 1346–1380. Retrieved November, 28, 2025 from, https://doi.org/10.1080/09500693.2024.2365460