The Effects of The Activities Developed According To The Engineering Design Process On The 8th Class "Simple Machines" On The Understanding Of The Students And The Scientific Process Skills

Abstract

The aim of this study is to reveal the effect of STEM activities developed using the Engineering Design Process (EDP) within the scope of the "Simple Machines" unit on eighth grade students' understanding and scientific process skills. The research was carried out using a mixed method. The study group consists of 11 students (N boys = 6, N girls = 5) studying in the eighth grade of a village school in Giresun province in the 2018-2019 academic year. In the study, STEM activities developed using the EDP within the scope of the "Simple Machines" unit were applied to the experimental group. In the research, as data collection tools, "Two-Stage Simple Machine Test (TSSMT)" consisting of 16 questions and two stages, Science Process Skill Test (SPST) and semi-structured interview about subject concepts and teaching practices were used. The data obtained from the TSSMT and the SPST applied as pre and post tests to the students were analyzed and compared with the SPSS program. After the application, the data obtained from the semi-structured interviews with the students about the concepts of "Simple Machines" and teaching practices were subjected to content analysis. In this study, it was concluded that EDP-focused STEM activities provide a significant increase in students' understanding of the concepts related to "Simple machines". However, although EDP-focused STEM activities provide a slight increase in developing students' scientific process skills, it was determined that this increase was not statistically significant. In addition, although the students stated that they had difficulties in the process, when the whole process was considered, it can be said that they had the opportunity to develop many aspects such as harmonious working, effective communication, social skills, developing new ideas, responsibility, problem solving, decision making and overcoming difficulties.

Keywords

• Simple machines
• Engineering design process
• STEM education approach.

“Basit Makineler” Konusunda Mühendislik Tasarım Sürecine Göre Geliştirilen Etkinliklerin 8. Sınıf Öğrencilerinin Kavramsal Anlamalarına ve Bilimsel Süreç Becerilerine Etkileri

Öz

Bu araştırmanın amacı, “Basit Makineler” ünitesi kapsamında Mühendislik Tasarım Süreci (MTS) kullanılarak geliştirilmiş olan STEM etkinliklerinin sekizinci sınıf öğrencilerin konuları anlamalarına ve bilimsel süreç becerilerine etkisini ortaya koymaktır. Araştırma, karma yöntem kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Araştırmanın çalışma grubunu 2018-2019 eğitim-öğretim yılında Giresun iline bağlı olan bir köy okulunun sekizinci sınıfında öğrenim gören toplam 11 öğrenci (Nerkek=6, Nkız=5) oluşturmaktadır. Araştırmada deney grubuna “Basit Makineler” ünitesi kapsamında MTS aşamaları dikkate alınarak geliştirilen STEM etkinlikleri uygulanmıştır. Veri toplama aracı olarak 16 sorudan ve iki aşamadan oluşan “İki Aşamalı Basit Makine Testi (İABMT)”, Bilimsel Süreç Beceri Testi (BSBT) ve konu kavramları ve öğretim uygulamaları ile ilgili yarı yapılandırılmış mülakat kullanılmıştır. Öğrencilere, ön test ve son test olarak uygulanan İABMT ve BSBT’den elde edilen veriler SPSS programı ile analiz edilerek karşılaştırılmıştır. Uygulama sonrası öğrencilerle “Basit Makineler” konusundaki kavramlar ve öğretim uygulamaları hakkındaki yarı yapılandırılmış mülakatlardan elde edilen veriler ise içerik analiziyle çözümlenmiştir. Bu araştırmada MTS odaklı STEM etkinliklerinin öğrencilerin “Basit makineler” konusuyla ilgili kavramları anlamalarında anlamlı bir artış sağladığı sonucuna ulaşılmıştır. Ancak MTS odaklı STEM etkinlikleri öğrencilerin bilimsel süreç becerilerini geliştirmede bir miktar artış sağlasa da bu artışın istatistiksel olarak anlamlı olmadığı ortaya koyulmuştur. Buna ek olarak öğrenciler süreçte her ne kadar zorlandıklarını belirtmiş olsalar da bütün süreç düşünüldüğünde uyumlu çalışma, etkili iletişim, sosyal beceri, yeni fikir geliştirme, sorumluluk, problem çözme, karar verme ve zorlukların üstesinden gelme gibi birçok yönlerini geliştirmelerine fırsat yakaladıkları söylenilebilir.

Anahtar Kelimeler

• Basit makineler
• Mühendislik tasarım süreci
• STEM eğitim yaklaşımı.

References

1. Akgündüz, D., Aydeniz, M., Çakmakçı, G., Çavaş, B., Çorlu, M. S., Öner, T., & Özdemir, S. (2015). STEM eğitimi Türkiye raporu. İstanbul: Scala Basım.
2. Aktamış, H. ve Ergin Ö. (2007). Bilimsel Süreç Becerileri ile Bilimsel Yaratıcılık Arasındaki İlişkinin Belirlenmesi. Hacettepe Üniversitesi Eğitim Fakültesi Dergisi, 33, 11-23.
3. Altunel, M. (2018). STEM eğitimi ve Türkiye: Yönetim ve riskler. Siyaset, Ekonomi ve Toplum Araştırmaları Vakfı, 1-7.
4. Avcı, D. E., Kara, İ., & Karaca, D. (2012). Fen bilgisi öğretmen adaylarının iş konusundaki kavram yanılgıları. Pamukkale Üniversitesi Eğitim Fakültesi Dergisi, 31(1), 27-39.
5. Ayazgök, B. (2013). Basit makineler konusunun dayandığı fizik ilkeleri hakkındaki ilköğretim 7. sınıf öğrencilerinin akademik başarı düzeyleri ile biliş ötesi farkındalık düzeylerinin incelenmesi. Yayımlanmamış Yüksek Lisans Tezi. Gazi Üniversitesi Eğitim Bilimleri Enstitüsü, Ankara.
6. Aydın, E., & Karslı Baydere, F. (2019). Yedinci Sınıf Öğrencilerinin STEM Etkinlikleri Hakkındaki Görüşleri: Karışımların Ayrıştırılması Örneği. Ondokuz Mayis University Journal of Education, 38(1).
7. Aydın-Günbatar, S. (2018). Elmanın kararmasının engellenmesi: Bir FeTeMM Etkinliği. Araştırma Temelli Etkinlik Dergisi, 8(2), 99-110.
8. Aydin-Gunbatar, S., Tarkin-Celikkiran, A., Kutucu, E. S., & Ekiz-Kiran, B. (2018). The influence of a design-based elective STEM course on pre-service chemistry teachers’ content knowledge, STEM conceptions, and engineering views. Chemistry Education Research and Practice, 19(3), 954-972.

9. Bagiati, A., & Evangelou, D. (2015). Engineering curriculum in the preschool classroom: the teacher's experience. European Early Childhood Education Research Journal, 23(1), 112-128.
10. Baran, E., Bilici, S. C., Mesutoglu, C., & Ocak, C. (2016). Moving STEM beyond schools: Students’ perceptions about an out-of-school STEM education program. International Journal of Education in Mathematics, Science and Technology, 4(1), 9-19.
11. Berta, R., Bellotti, F., Van Der Spek, E., & Winkler, T. (2016). A tangible serious game approach to science, technology, engineering, and mathematics (STEM) education. Handbook of Digital Games and Entertainment Technologies, 571-592.
12. Brunsell, E. 2012. The engineering design process. In Brunsell, E. (Ed.), Integrating Engineering + Science in Your Classroom (pp. 3-5). Arlington, Virginia: National Science Teacher Association [NSTA].
13. Burns, J C, Okey, J R ve Wise, K C (1985). Bütünleşik bir süreç beceri testinin geliştirilmesi: TIPS II. Fen öğretiminde araştırma dergisi, 22(2), 169-177.
14. Bybee, B. (2010). Advancing STEM education: A 2020 vision. Technology and engineering teacher, 70(1), 30-35.
15. Cebesoy, Ü. B. ve Yeniterzi, B. (2016). 7th grade students’ mathematical difficulties in force and motion unit. Turkish Journal of Education, 5(1), 18-32.
16. Ceylan, S. (2014). Ortaokul fen bilimleri dersindeki asitler ve bazlar konusunda fen, teknoloji, mühendislik ve matematik (FeTeMM) yaklaşımı ile öğretim tasarımı hazırlanmasına yönelik bir çalışma. Yayımlanmamış yüksek lisans tezi, Uludağ Üniversitesi, Bursa.
17. Cohen, J. (1988). Statistical power analysis for the behavioral sciences, 2nd ed. Hillsdale, NJ: Erlbaum
18. Cotabish, A., Dailey, D., Robinson, A., & Hughes, G. (2013). The effects of a STEM intervention on elementary students' science knowledge and skills. School Science and Mathematics, 113(5), 215-226.
19. Creswell, J. W. & Plano-Clark, V. L. (2017). Designing and Conducting Mixed Methods Research. 3th ed. Los Angeles: Sage Publications.
20. Creswell, J. W. (2012). Qualitative inquiry and research design: Choosing among five approaches. Sage Publications.
21. Creswell, J. W. (2014). A Concise Introduction to Mixed Methods Research. London: Sage Publications.
22. Çakır, R., Ozan, C. E., Kaya, E., & Buyruk, B. (2016). The impact of FeTeMM activities on 7th grade students’ reflective thinking skills for problem solving levels and their achievements. Participatory Educational Research (PER), 4, 182-189.
23. Çorlu, M. A., & Aydin, E. (2016). Evaluation of learning gains through integrated STEM projects. International Journal of Education in Mathematics, Science and Technology, 4(1), 20-29.
24. Çorlu, M. S., Capraro, R. M., & Capraro, M. M. (2014). Introducing STEM education: implications for educating our teachers for the age of innovation. Egitim ve Bilim, 39(171), 74-85.
25. Dabney, K. P., Tai, R. H., Almarode, J. T., Miller-Friedmann, J. L., Sonnert, G., Sadler, P. M., & Hazari, Z. (2012). Out-of-school time science activities and their association with career interest in STEM. International Journal of Science Education, Part B, 2(1), 63-79.
26. Deveci, İ. & Karteri, İ. (2020): Context-based learning supported by environmental measurement devices in science teacher education: A mixed method research. Journal of Biological Education, 1-26. DOI: 10.1080/00219266.2020.1821083.
27. Dilek, H., Taşdemir, A., Konca, A. S., & Baltaci, S. (2020). Preschool children’s science motivation and process skills during inquiry-based stem activities. Journal of Education in Science Environment and Health, 6(2), 92-104.
28. English, L. D., & King, D. T. (2015). STEM learning through engineering design: fourth-grade students’ investigations in aerospace. International Journal of STEM Education, 2(1), 1-18.
29. Eroğlu, S., & Bektaş, O. (2016). STEM eğitimi almış fen bilimleri öğretmenlerinin STEM temelli ders etkinlikleri hakkındaki görüşleri. Eğitimde Nitel Araştırmalar Dergisi, 4(3), 43-67.
30. Fan, S., & Ritz, J. (2014). International views of STEM education. PATT-28 Research into Technological and Engineering Literacy Core Connections, 7-14.
31. Günbatar, S. A., & Tabar, V. (2019). Türkiye’de gerçekleştirilen STEM araştırmalarının içerik analizi. Yüzüncü Yıl Üniversitesi Eğitim Fakültesi Dergisi, 16(1), 1054-1083.
32. Holbrook, J., & Kolodner, J. L. (2013, April). Scaffolding the development of an inquiry-based (science) classroom. In International conference of the learning sciences (pp. 233-239). Psychology Press.
33. Hynes, M., Portsmore, M., Dare, E., Milto, E., Rogers, C., Hammer, D., & Carberry, A. (2011). Infusing engineering design into high school STEM courses.
34. Kahraman, F., & Karataş, F. Ö. (2012). Bilim tarihi temelli hikâyeler kullanımı ile 7. sınıf “basit makineler’’ konusunun öğretimi: Bir eylem araştırması. X. Ulusal Fen Bilimleri ve Matematik Eğitimi Kongresi, 27-30.
35. Karahan, E., & Canbazoğlu Bilici, S. (2015). Fen, Teknoloji, Mühendislik ve Matematik (FeTeMM) Eğitimi. Uygulamalı etkinlerle fen eğitiminde yeni yaklaşımlar, 77-97.
36. Karslı, F. (2011). Fen bilgisi öğretmen adaylarının bilimsel süreç becerilerini geliştirmesinde ve kavramsal değişim sağlamasında zenginleştirilmiş laboratuar rehber materyallerinin etkisi. Yayınlanmamış Doktora Tezi. Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon.
37. Karslı-Baydere, F. (2020). Fen bilimleri eğitimi anabilim dalı’nda lisansüstü eğitim yapan öğrencilerin aldıkları STEM eğitim yaklaşımı dersi sürecine ilişkin görüşleri, International Social Mentality and Researcher Thinkers Journal, 6(39), 2649-2662.
38. Karslı-Baydere, F., Hacıoğlu, Y., & Kocaman, K. (2019). An example of the science, technology, engineering, and mathematics (STEM) education activity: Anticoagulant drugs. Kastamonu Education Journal, 27(5), 1935.
39. Karsli-Baydere, F., Ayas, A., & Çalik, M. (2020). Effects of a 5Es learning model on the conceptual understanding and science process skills of pre-service science teachers: The case of gases and gas laws. Journal of the Serbian Chemical Society, 85(4), 559-573.
40. Katehi, L., Pearson, G., & Feder, M. (2009). Engineering in K-12 education: Understanding the status and improving the propects. Washington, DC: The National Academies Press.
41. Kier, M. W., Blanchard, M. R., Osborne, J. W., & Albert, J. L. (2014). The development of the STEM career interest survey (STEM-CIS). Research in Science Education, 44(3), 461-481.
42. Klahr, D., & Li, J. (2005). Cognitive research and elementary science instruction: From the laboratory, to the classroom, and back. Journal of Science Education and Technology, 14(2), 217–238. doi: 10.1007/s10956-005- 4423-5
43. Koehler, C., Faraclas, E., Sanchez, S., Latif, S. K., & Kazerounian, K. (2005). Engineering frameworks for a high school setting: guidelines for technical literacy for high school students. age, 10, 1.
44. Kolodner, J. L. (2002). Facilitating the learning of design practices: Lessons learned from an inquiry into science education. Journal of Industrial Teacher Education, 39(3), 9-40.
45. Kurtoğlu, S. & Karslı-Baydere, (2021). Diş çürüklerini önleyici” isimli STEM etkinliği hakkında fen bilgisi öğretmen adaylarının görüşleri. Cumhuriyet International Journal of Education. 10(2), 481-509.
46. Küçük, S., & Şişman, B. (2017). Birebir robotik öğretiminde öğreticilerin deneyimleri. İlköğretim Online, 16(1), 312-325.
47. Lacey, T. A., & Wright, B. (2009). Employment outlook: 2008-18-occupational employment projections to 2018. Monthly Lab. Rev., 132, 82.
48. León, J., Núñez, J. L., & Liew, J. (2015). Self-determination and STEM education: Effects of autonomy, motivation, and self-regulated learning on high school math achievement. Learning and Individual Differences, 43, 156-163.
49. Lestari, T. P., Sarwi, S., & Sumarti, S. S. (2018). STEM-based Project Based Learning model to increase science process and creative thinking skills of 5th grade. Journal of primary education, 7(1), 18-24.
50. Maltaca, A.V., & Tai, R.H. (2011). Ardışık düzen kalıcılığı: ABD'li öğrenciler arasında FeTeMM alanında kazanılan derecelerle eğitim deneyimleri arasındaki ilişkinin incelenmesi. Fen eğitimi, 95(5), 877-907.
51. Marsden, E. & Torgerson, C. J. (2012). Single Group, Pre-and Post-Test Research Designs: Some Methodological Concerns. Oxford Review of Education, 38(5), 583–616.
52. Marulcu, I., & Barnett, M. (2013). Fifth graders’ learning about simple machines through engineering design-based instruction using LEGO™ materials. Research in Science Education, 43(5), 1825-1850.
53. Means, B., Wang, H., Young, V., Peters, V. L., & Lynch, S. J. (2016). STEM‐focused high schools as a strategy for enhancing readiness for postsecondary STEM programs. Journal of Research in Science Teaching, 53(5), 709-736.
54. MEB – (2016). STEM eğitim raporu. Ankara: Yenilik ve Eğitim Teknolojileri Genel Müdürlüğü.
55. MEB. (2018). Fen Bilimleri Dersi Öğretim Programı -İlkokul ve Ortaokul 3, 4, 5, 6, 7 ve 8. Sınıflar. Ankara: Millî Eğitim Bakanlığı.
56. MEB. (2018). Matematik Dersi Öğretim Programı –İlkokul ve Ortaokul 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ve 8. Sınıflar. Ankara: Milli Eğitim Bakanlığı.
57. MEB. (2018). Teknoloji ve Tasarım Dersi Öğretim Programı –Ortaokul 7 ve 8. Sınıflar. Ankara: Milli Eğitim Bakanlığı.
58. Mentzer, N. (2011). High school engineering and technology education integration through design challenges. Journal of STEM Teacher Education, 48(2), 7.
59. Michaels, S., Shouse, A. W., & Schweingruber, H. A. (2008). Ready, set science! Putting research to work in K-8 science classrooms. Washington, DC: The National Academies Press.
60. Moomaw, S. (2013). Teaching STEM in the early years: Activities for integrating science, technology, engineering, and mathematics. Redleaf Press.
61. Morrison, A. (2006). A contextualisation of entrepreneurship. International Journal of Entrepreneurial Behavior & Research, 12(4), 192-209.
62. National Academy of Engineering [NAE] & National Research Council [NRC] (2009). Engineering in K-12 education understanding the status and improving the prospects. Edt. Katehi, L., Pearson, G. & Feder, M. Washington, DC: National Academies Press.
63. National Research Council [NRC]. (2012). A Framework for k-12 science education: practices, crosscutting concepts, and core ideas. Washington DC: The National Academic Press.
64. National Research Council. (2011). Successful K-12 STEM Education: Identifying effective approaches in science, technology, engineering, and mathematics. Washington: The National Academies Press.
65. Niess, M. L. (2005). Preparing teachers to teach science and mathematics with technology: Developing a technology pedagogical content knowledge. Teaching and teacher education, 21(5), 509-523.
66. Özkul, H., & Özden, M. (2020). Investigation of the effects of engineering-oriented stem ıntegration activities on scientific process skills and STEM career ınterests: A mixed methods study. Egitim ve Bilim, 45(204), 1-23.
67. Pekbay, C. (2017). Fen teknoloji mühendislik ve matematik etkinliklerinin ortaokul öğrencileri üzerindeki etkileri. Doktora Tezi, Hacettepe Üniversitesi.
68. Roehrig, G. H., Moore, T. J., Wang, H.-H., & Park, M. S. (2012). Is adding the e enough? Investigating the impact of K-12 engineering standards on the implementation of STEM integration'. School Science and Mathematics, 112(1), 31-44.
69. Schnittka, C., & Bell, R. (2011). Engineering design and conceptual change in science: Addressing thermal energy and heat transfer in eighth grade. International Journal of Science Education, 33(13), 1861-1887.
70. Shahali, E. H. M., Halim, L., Rasul, M. S., Osman, K., & Zulkifeli, M. A. (2016). STEM learning through engineering design: Impact on middle secondary students’ interest towards STEM. EURASIA Journal of Mathematics, Science and Technology Education, 13(5), 1189-1211.
71. Siew, N. M., Amir, N., & Chong, C. L. (2015). The perceptions of pre-service and in-service teachers regarding a project-based STEM approach to teaching science. Springer Plus, 4(1), 8.
72. Silk, E. M., & Schunn, C. (2008, January). Core concepts in engineering as a basis for understanding and improving K-12 engineering education in the United States. In National academy of engineering/National research council workshop on K-12 engineering education, Washington, DC.
73. Stohlmann, M., Moore, T. J., & Roehrig, G. H. (2012). Considerations for teaching integrated STEM education. Journal of Pre-College Engineering Education Research (J-PEER), 2(1), 4.
74. Telli, A., Yıldırım, H. İ., Şensoy, Ö., & Yalçın, N. (2004). İlköğretim 7. sınıflarda basit makinalar konusunun öğretiminde laboratuar yönteminin öğrenci başarısına etkisinin araştırılması. Gazi Üniversitesi Gazi Eğitim Fakültesi Dergisi, 24(3).
75. Thyer, B. A. (2012). Quasi-experimental research designs. New York: Oxford University Press.
76. Tindall, T., & Hamil, B. (2004). Gender Disparity in Science Education: The Causes, Consequences, and Solutions. Education, 125(2).
77. Tunkham, P., Donpudsa, S., & Dornbundit, P. (2016). Development of STEM activities in chemistry on “protein” to enhance 21 st century learning skills for senior high school students. Silpakorn University Journal of Social Sciences, Humanities, and Arts, 16(3), 217-234.
78. Uğraş, M. (2017). Okul Öncesi Öğretmenlerinin STEM Uygulamalarına Yönelik Görüşleri, Eğitimde Yeni Yaklaşımlar Dergisi, 1(1), 38-54
79. Uğur, S., Duygu, E., Şen, Ö. F., & Kırındı, T. (2020). The Effects of STEM education on scientific process skills and STEM awareness in simulation based ınquiry learning environment. Journal of Turkish Science Education, 17(3), 387-405.
80. URL-1: http://scientix.eu/
81. Wagner, T. (2008). Rigor redefined. Educational Leadership, 66(2), 20-24.
82. Wan Husın, W. N. F., Mohamad Arsad, N., Othman, O., Halim, L., Rasul, M. S., Osman, K., & Iksan, Z. (2016). Fostering students' 21st century skills through Project Oriented Problem Based Learning (POPBL) in integrated STEM education program. In Asia-Pacific Forum on Science Learning & Teaching, 17(1).
83. Yamak, H., Bulut, N., & Dündar, S. (2014). The impact of STEM activities on 5th grade students’ scientific process skills and their attitudes towards science. Gazi Eğitim Fakültesi Dergisi, 34(2), 249-265.
84. Yıldırım, B. (2016). STEM Eğitimi Araştırmalarının Bir Analizi ve Meta-Sentezi. Eğitim ve Uygulama Dergisi, 7(34), 23-33.
85. Yıldırım, B., & Altun, Y. (2015). STEM eğitim ve mühendislik uygulamalarının fen bilgisi laboratuar dersindeki etkilerinin incelenmesi. El-Cezeri Journal Of Science And Engineering, 2(2), 28-44.
86. Yılmaz, H., Koyunkaya, M. Y., Güler, F., & Güzey, S. (2017). Turkish adaptation of The attitudes ttoward science, technology, engineering, and mathematics (STEM) education scale. Kastamonu Education Journal, 25(5).
87. Young, V. M., House, A., Wang, H., Singleton, C., & Klopfenstein, K. (2011). Inclusive STEM schools: Early promise in Texas and unanswered questions. In Highly Successful Schools or Programs for K-12 STEM Education: A Workshop. Washington, DC: National Academies. Retrieved May (Vol. 1, p. 2014).