The Effect of STEM Education Constructed with Mathematical Modeling on Reasoning Skills, Mathematical Competence and Anxiety

Year 2024, Volume: 3 Issue: 1, 1 - 32, 28.06.2024

Sait Bulut , Ali Özkaya , Gizem Şahin , Ayşegül Orkun , Büşra Tez , Sevcan Sümeyye Parladı , Aslıhan Bölükbaşıoğlu

https://doi.org/10.58650/educatione.1367824

Abstract

In this study, it was aimed to examine the effect of STEM education structured with mathematical modeling on the reasoning skills, mathematical competence and mathematics anxiety of pre-service science teachers. A group of 38 third-year pre-service science teachers enrolled in the Science Education Department of a state university in the Mediterranean region of Turkey constitute the study group. This study was used an embedded mixed design. “Hypothetico-Creative Reasoning Skills Inventory", "Self-Efficacy Scale for Mathematical Modeling Competencies", "Self-Efficiacy Scale for Mathematics Literacy", "Bidimensional Mathematics Anxiety Scale" and the opinion form created by the researchers were used to collect the data. Quantitative data was analysed using dependent samples t-test, while qualitative data was analysed using descriptive analysis and content analysis. During the implementation process, STEM activities structured with mathematical modeling were carried out theoretically and practically for 12 weeks. After the implementation process, a significant difference was detected in favor of the posttest in the reasoning skills, mathematical modeling self-efficacy, mathematical literacy and mathematics anxiety scores of the pre-service science teachers. As a result of the research, STEM activities structured with mathematical modeling are effective in the development of reasoning skills based on scientific predictions and numerical data in solving real life problems, and with this process, it can be said that mathematical modeling skills and mathematical literacy have increased, and accordingly, there has been a positive change in their mathematical competencies, and at the same time, their mathematics anxiety has decreased.

Keywords

STEM, Mathematical modeling, Reasoning skills, Mathematical competencies, Mathematics anxiety

Matematiksel Modelleme ile Yapılandırılmış STEM Eğitiminin Akıl Yürütme Becerisi, Matematiksel Yeterlik ve Kaygıya Etkisi

Abstract

Bu araştırmada, matematiksel modelleme ile yapılandırılmış STEM eğitiminin fen bilgisi öğretmen adaylarının akıl yürütme becerileri, matematiksel yeterlik ve matematik kaygısına etkisinin incelenmesi amaçlanmıştır. Türkiye’nin Akdeniz Bölgesinde yer alan bir devlet üniversitesinde fen bilgisi eğitimi ana bilim dalında kayıtlı 3. sınıf öğretmen adayları (toplam 38 kişi) çalışma grubunu oluşturmaktadır. Bu çalışmada iç içe karma desen kullanılmıştır. Verilerin toplanması için “Hipotetik Yaratıcı Akıl Yürütme Becerileri Envanteri”, “Matematiksel Modelleme Yeterlikleri İçin Öz Yeterlik Ölçeği”, “Matematik Okuryazarlığı Öz Yeterlik Ölçeği”, “İki Boyutlu Matematik Kaygısı Ölçeği” ve araştırmacılar tarafından oluşturulan görüş formu kullanılmıştır. Nicel verilerin analizinde bağımlı örneklemler t-testi, nitel verilerin analizinde ise betimsel analiz ve içerik analizi yapılmıştır. Uygulama sürecinde matematiksel modellemeyle yapılandırılmış STEM etkinlikleri 12 hafta boyunca teorik ve uygulamalı olarak gerçekleştirilmiştir. Uygulama süreci sonrasında fen bilgisi öğretmen adaylarının akıl yürütme becerileri, matematiksel modelleme özyeterliği, matematik okuryazarlığı ve matematik kaygısı puanlarında sontest lehine anlamlı bir farklılık tespit edilmiştir. Araştırmanın sonucunda matematiksel modelleme ile yapılandırılmış STEM etkinliklerinin gerçek yaşam problemlerinin çözümünde bilimsel tahminlerden ve sayısal verilerden yola çıkılarak akıl yürütme becerilerinin gelişmesinde etkili olduğu, bu süreç ile birlikte matematiksel modelleme becerilerinin ve matematik okuryazarlığının arttığı ifade edilebilir. Bu doğrultuda matematiksel yeterliklerinde olumlu yönde değişim yaşandığı aynı zamanda matematik kaygılarının da azaldığı söylenebilir.

Keywords

STEM, Matematiksel modelleme, Akıl yürütme, Matematiksel yeterlik, Matematik kaygısı

References

• Abbott, M. L. (2014). Understanding educational statistics using Microsoft Excel and SPSS. John Wiley & Sons, Inc.
• Akçakın, V., Cebesoy, Ü. B., & İnel, Y. (2015). İki boyutlu matematik kaygısı ölçeğinin Türkçe formunun geçerlik ve güvenirlik çalışması. Gazi Üniversitesi Gazi Eğitim Fakültesi Dergisi, 35(2), 283-301.
• Anderson, J. (2009). Mathematics curriculum development and the role of problem solving. K. School (Ed.), Proceedings of 2009 Australian curriculum studies association National Biennial Conference. Curriculum: A National Conversation (s. 1–8).
• Arslan, Ç., & İlkörücü, Ş. (2018). İlköğretim matematik ve fen bilgisi öğretmen adaylarının matematiksel düşünme düzeyleri. Erzincan Üniversitesi Eğitim Fakültesi Dergisi, 20(1), 156-166. https://doi.org/10.17556/erziefd.310384
• Aydın, E., & Derin, G. (2020). Matematik öğretmeni eğitiminde STEM-matematiksel modelleme birlikteliğinin problem çözme ve modelleme becerilerine etkisi. Boğaziçi Üniversitesi Eğitim Dergisi, 37, 93-121.
• Ata-Baran, A. (2019). Matematiksel modellemeye dayalı bir öğretim deneyinde sekizinci sınıf öğrencilerinin matematiksel iletişim becerilerinin, matematik okuryazarlıklarının ve duyuşsal özelliklerinin incelenmesi [Yayımlanmamış doktora tezi]. Anadolu Üniversitesi.
• Aylar, E. (2017). Sınıf öğretmeni yetiştirme sürecinde problem çözmeye dair pedagojik alan bilgisine ilişkin çıkarımlar. Mersin Üniversitesi Eğitim Fakültesi Dergisi, 13(2), 744-759. http://dx.doi.org/10.17860/mersinefd.312232
• Bai, H., Wang, L., Pan, W., & Frey, M. (2009). Measuring mathematics anxiety: Psychometric analysis of a bidimensional affective scale. Journal of Instructional Psychology, 36, 185-193.
• Baran-Bulut, D., & Alkan, S. (2019, 26-28 Eylül). Matematiksel modellemeye ilişkin öğretim modeli süreçlerinin öğretmen adayı görüşlerine göre değerlendirilmesi. 4th International Symposium of Turkish Computer and Mathematics Education (s. 1216-1225).
• Bekdemir, M. (2007). İlköğretim matematik öğretmen adaylarındaki matematik kaygısının nedenleri ve azaltılması için öneriler (Erzincan eğitim fakültesi örneği). Erzincan Üniversitesi Eğitim Fakültesi Dergisi, 9(2), 131-144.
• Bekdemir, M., Işık, A., & Çıkılı, Y. (2004). Matematik kaygısını oluşturan ve artıran öğretmen davranışları ve çözüm yolları. Eurasian Journal of Educational Research (EJER), 16, 88-94.
• Berlin, F. D., & White, A. L. (2012) A longitudinal look at attitudes and perceptions related to the integration of mathematics, science, and technology education. School Science and Mathematics, 112(1), 20-30. https://doi.org/10.1111/j.1949-8594.2011.00111.x
• Bliss, K. M., Fowler, K. R., & Galluzzo, B. J. (2014). Math modeling: Getting started & getting solutions. Society for Industrial and Applied Mathematics (SIAM). https://m3challenge.siam.org/what-is- math-modeling/modeling-handbooks/
• Blum, W., & Niss, M. (1991). Applied mathematical problem solving, modelling, application, and links to other subjects-state, trends, and issues in mathematics instruction. Educational Studies in Mathematics, 22(1), 37-68.
• Borromeo-Ferri, R. (2006). Theoretical and empirical differentiations of phases in the modelling process. Zentralblatt für Didaktik der Mathematik. 38(2), 86-95.
• Bukova-Güzel, E., Tekin-Dede, A., Hıdıroğlu, Ç. N., Kula-Ünver, S., & Özaltun-Çelik, A. (2016). Matematik eğitiminde matematiksel modelleme. Pegem Akademi.
• Büyüköztürk, Ş. (2011). Sosyal bilimler için veri analizi el kitabı. Pegem Akademi
• Büyüköztürk, Ş., Kılıç-Çakmak, E., Akgün, Ö. E., Karadeniz, Ş., & Demirel, F. (2018). Bilimsel araştırma yöntemleri. Pegem Akademi.
• Cohen, J. (1988). Statistical power analysis for the behavioral sciences (2. baskı). Erlbaum.
• Creswell, J. W., & Plano Clark, V. L. (2011). Designing and conducting mixed methods research (2. baskı). Sage Publications.
• Dandotiya, B., & Sharma, H. K. (2022). Research anthology on environmental and societal impacts of climate change, IGI Global. https://doi.org/10.4018/978-1-6684-3686-8.ch005
• Demir, E., Saatçioğlu, Ö., & İmrol, F. (2016). Uluslararası dergilerde yayımlanan eğitim araştırmalarının normallik varsayımları açısından incelenmesi. Current Research in Education, 2(3), 130-148.
• Doğan, M. F., Gürbüz, R., Çavuş Erdem, Z., & Şahin, S., (2018). STEM eğitimine geçişte bir araç olarak matematiksel modelleme. R. Gürbüz ve M. F. Doğan (Ed.), Matematiksel modellemeye disiplinler arası bakış: Bir STEM yaklaşımı. (s. 43-56) içinde. Pegem Akademi.
• Duran, V. (2014). Öğretmen adaylarının hipotetik-yaratıcı akıl yürütme becerilerinin, bilimsel epistemolojik inançları, öğrenme stilleri ve demografik özellikleri açısından incelenmesi [Yayımlanmamış yüksek lisans tezi]. Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi.
• Edwards, D., & Hamson, M. (2007). Guide to mathematical modelling. Industrial Press.
• English, L. D. (2008). Mathematical modelling: Linking mathematics, science, and the arts in the primary curriculum. Proceedings of the Second International Symposium on Mathematics and its Connections to the Arts and Sciences (MACAS2), (s. 5-32). University of Southern Denmark Press, Odense, Denmark.
• Erdoğan, N., Çorlu, M. S., & Capraro, R. M. (2013) Defining innovation literacy: Do robotics programs help students develop innovation literacy skills? International Online Journal of Educational Sciences, 5(1), 1-9. Erlina, N., Susantini, E., & Wasis. (2018). Common false of student’s scientific reasoning in physics problems. JPhCS, 1108(1), 012016.
• Erol, M. (2015). Modelleme etkinliklerinin 9. sınıf öğrencilerinin matematiksel okuryazarlıkları ve inançları üzerine etkisi [Yayımlanmamış doktora tezi]. Balıkesir Üniversitesi.
• Guba, E. G., & Lincoln, Y. S. (1982). Epistemological and methodological bases of naturalistic inquiry. ECTJ, 30(4), 233-252.
• Güder, Y., & Gürbüz, R. (2018). STEM eğitimine geçişte bir araç olarak disiplinler arası matematiksel modelleme oluşturma etkinlikleri: Öğretmen ve öğrenci görüşleri. Adıyaman University Journal of Educational Sciences, 8(Özel Sayı), 170-198. https://doi.org/10.17984/adyuebd.457626
• Hembree, R. (1990). The nature, effects, and relief of mathematics anxiety. Journal for Research in Mathematics Education, 21(1), 33-46. https://doi.org/10.5951/jresematheduc.21.1.0033
• Hıdıroğlu, Ç. N., Tekin-Dede, A., Kula, S., & Bukova-Güzel, E. (2014). Öğrencilerin kuyruklu yıldız problemi’ne ilişkin çözüm yaklaşımlarının matematiksel modelleme süreci çerçevesinde incelenmesi. Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi Eğitim Fakültesi Dergisi, 31, 1-17.
• Işık, A., Çiltaş, A., & Bekdemir, M. (2008). Matematik eğitiminin gerekliliği ve önemi. Atatürk Üniversitesi Kazım Karabekir Eğitim Fakültesi Dergisi, 17, 174-184.
• İnci, S., & Kaya, V. H. (2022). Eğitimde multidisipliner, disiplinlerarası ve transdisipliner kavramları. Milli Eğitim Dergisi, 51(235), 2757-2772. https://doi.org/10.37669/milliegitim.905241
• İş-Güzel, Ç., & Berberoğlu, G. (2010). Students’ affective characteristics and their relation to mathematical literacy measures in the Programme for International Student Assessment (PISA) 2003. Eurasian Journal of Educational Research, 40, 93-112.
• İşleyen, Ş., & Altun, Y. (2017). Sosyal bilimlerde okutulan matematik dersine ait öğrenci görüşleri. Bitlis Eren Üniversitesi Sosyal Bilimler Dergisi, 6(2), 177-193.
• Jackson, C. D., & Leffingwell, R. J. (1999). The role of instructors in creating math anxiety in students from kindergarten through college. The Mathematics Teacher, 92(7), 583-586. https://doi.org/10.5951/MT.92.7.0583
• Kaiser, G., Leung, F. K. S., Romberg, T., & Yaschenko, I. (2002). International comparisons in mathematics education: An overview. Proceedings of the ICM, Beijing, 1, 631-646. https://doi.org/10.48550/arXiv.math/0212416
• Kim, S. W., & Lee, Y. (2022). Developing students’ attitudes toward convergence and creative problem solving through multidisciplinary education in Korea. Sustainability, 14(9929), 1-19. https://doi.org/10.3390/su14169929
• Koyuncu, I., Guzeller, C. O., & Akyuz, D. (2016). The development of a self-efficacy scale for mathematical modeling competencies. International Journal of Assessment Tools in Education, 4(1), 19-36. https://doi.org/10.21449/ijate.256552
• Köseoğlu, P., & Erten, S. (2022). Paris Anlaşması’na göre çevre eğitimi nasıl olmalıdır?. Dokuz Eylül Üniversitesi Buca Eğitim Fakültesi Dergisi, 54, 1528-1544.
• Kramarski, B., & Mizrachi, N. (2004). Enhancing mathematical literacy with the use of metacognitive guidance in forum discussion. International Group for the Psychology of Mathematics Education, 3, 169-176.
• Lawson, A. E. (1995) Science teaching and development of thinking. Wadsword Publishing Company.
• Lawson, A. E. (1978). The development and validation of a classroom test of formal reasoning. Journal of Research in Science Teaching, 15(1), 11-24.
• Lawson, A. E. (2004). The nature and development of scientific reasoning: A synthetic view. International Journal of Science and Mathematics Education, 2(3), 307-338. https://doi.org/10.1007/s10763-004- 3224-2
• Lesh, R., & Doerr, H. M. (2003). (Eds.). Beyond constructivism: Models and modeling perspectives on mathematics problem solving, learning, and teaching. Lawrence Erlbaum.
• Lesh, R., & Zawojewski, J. S. (2007). Problem solving and modeling. In F. Lester (Ed.), The handbook of research on mathematics teaching and learning (2. baskı) (s. 763–804). National Council of Teachers of Mathematics, Information Age Publishing.
• Martin, H. (2007). Mathematical literacy. Principal Leadership, 7(5), 28-31.
• McKillup, S. (2012). Statistics explained: An introductory guide for life scientists (2. baskı). Cambridge University Press.
• Meaney, T. (2007). Weighing up the influence of context on judgements of mathematical literacy. International Journal of Science and Mathematics Education, 5(4), 681-704
• Miles, M. B., & Huberman, A. M. (1994). An expanded sourcebook qualitative data analysis. SAGE Publications.
• Milli Eğitim Bakanlığı [MEB]. (2013). Ortaokul matematik dersi (5, 6, 7 ve 8. sınıflar) öğretim programı. Talim Terbiye Kurulu Başkanlığı.
• Miller, L. D., & Mitchell, C.E. (1994). Mathematics anxiety and alternative methods of evaluation. Journal of Instructional Psychology, 21(4), 353-358.
• Mousoulides, N., Sriraman, B., & Christou, C. (2006). The Modeling perspective in the teaching and learning of mathematical problem solving at the elementary and secondary school level. Department of Mathematical Sciences of the University of Montana, Technical Reports.
• National Council of Teachers of Mathematics [NCTM]. (2000). Curriculum and evaluation standards for school mathematics. NCTM Publications.
• National Council of Teachers of Mathematics [NCTM]. (2000). Principles and standards for school mathematics. NCTM Publications.
• Niss, M., Blum, W., & Galbraith, P. L. (2007). Introduction. In W. Blum, P. Galbraith, H. Henn, & M. Niss (Eds.), Modelling and applications in mathematics education: The 14th ICMI study (s. 3–32). Springer.
• Niss, M. A., & Højgaard, T. (Eds.) (2011). Competencies and Mathematical Learning: Ideas and inspiration for the development of mathematics teaching and learning in Denmark. Roskilde Universitet. http://milne.ruc.dk/imfufatekster/.
• Organisation for Economic Co-operation and Development [OECD]. (2006). Assessing scientific, reading and mathematical literacy, A Framework for PISA 2006, https://doi.org/10.1787/9789264026407-en
• Özdemir, A. (2021). Matematiksel modelleme etkinliklerinin 7. Sınıf öğrencilerinin duyuşsal özelliklerine etkisi [Yayımlanmamış doktora tezi]. Kocaeli Üniversitesi.
• Özgen, K., & Bindak, R. (2008). Matematik okuryazarlığı öz-yeterlik ölçeğinin geliştirilmesi. Kastamonu Eğitim Dergisi, 16(2), 517-528.
• Pajares, F. (2002). Overview of social cognitive theory and of self-efficacy. http://www.emory.edu/EDUCATION/mfp/eff
• Pollak, H. O. (1997). Solving problems in the real World. L. A. Steen (Ed.) Why numbers count: quantitative literacy for tomorrow’s America (s. 91-105) içinde. College Board.
• Sloan, T., Daane, C. J., & Giesen, J. (2002). Mathematics anxiety and learning styles: What is the relationship in elementary preservice teachers? School Science and Mathematics, 102(2), 84-87. https://doi.org/10.1111/j.1949-8594.2002.tb17897.x
• Stacey, K. (2005). The place of problem solving in contemporary mathematics curriculum documents. Journal of Mathematical Behaviour, 24, 341–350.
• Steen, L. A., Turner, R., & Burkhardt, H. (2007). Developing mathematical literacy. W. Blum, P. L. Galbraith, H.-W. Henn, & M. Niss (Ed.). Modelling and applications in mathematics education (s. 285-294) içinde. Springer.
• Stillman, G., Galbraith, P., Brown, J., & Edwards, I. (2007). A framework for success in implementing mathematical modelling in the secondary classroom. Mathematics: Essential Research, Essential Practice, 2, 688-697.
• Stuart, V. (2000). Math curse or math anxiety?. Teaching Children Mathematics, 6(5), 330-335. https://doi.org/10.5951/TCM.6.5.0330
• Şahin, M. (2019). Korku, kaygı ve kaygı (anksiyete) bozuklukları. Avrasya Sosyal ve Ekonomi Araştırmaları Dergisi, 6(10), 117-135.
• Tabachnick, B. G., & Fidell, L. S. (2015). Çok değişkenli istatistiklerin kullanımı. (Çev. M. Baloğlu). Nobel Yayınevi.
• Trujillo, K. M., & Hadfield, O. D. (1999). Tracing the roots of mathematics anxiety through in-depth interviews with preservice elementary teachers. College Student Journal, 33(2), 219-219.
• Tutak, T., & Güder, Y. (2014). Matematiksel modellemenin tanımı, kapsamı ve önemi. Turkish Journal of Educational Studies, 1(1), 173-190.
• Ütkür-Güllühan, N. (2021). Hayat bilgisi dersinde sosyal problem çözme uygulamaları: İlkokul öğrencileri günlük hayat problemlerini çözmekte zorlanıyor mu? Eğitim ve Bilim, 46(207), 63-84. https://doi.org/10.15390/EB.2021.9396
• Yıldırım, A., & Şimşek, H. (2018). Sosyal bilimlerde nitel araştırma yöntemleri. Seçkin Yayıncılık. Yiğit-Koyunkaya, M. Y., Uğurel, I., & Taşdan, B. T. (2018). Öğretmen adaylarının matematiği günlük yaşam ile ilişkilendirme hakkındaki düşüncelerinin geliştirdikleri öğrenme etkinliklerine yansıması. Uludağ Üniversitesi Eğitim Fakültesi Dergisi, 31(1), 177-206.
• Zawojewski, J. S., Lesh, R., & English, L. D. (2003). A models and modelling perspective on the role of small group learning. R. A. Lesh & H. Doerr (Ed.), Beyond constructivism: Models and modeling perspectives on mathematics problem solving, learning, and teaching (s. 337–358) içinde. Lawrence Erlbaum.
• Zimmerman, C. (2007). The development of scientific thinking skills in elementary and middle school. Developmental Review, 27(2), 172-223. https://doi.org/10.1016/j.dr.2006.12.001