Examination Of The Impact Of Stem Education Approach On Computational Thinking Skills: A Systematic Literature Review

Abstract

In the current era, changes in technology and science are leading to shifts in educational systems and the expected skills of individuals. The skill of computational thinking (CT) and the STEM (Science, Technology, Engineering, and Mathematics) education approach have emerged as a result of these changes. This research aims to examine the impact of the STEM education approach on CT in Turkey and abroad (e.g., the USA, Japan, etc.) through a thematic analysis of scientific studies (articles, theses). A systematic literature review model was utilized to evaluate existing studies. The data source of the research consists of 11 studies published in Turkey and 5 studies published abroad that investigate the impact of the STEM education approach on CT. The studies included in the research were searched through databases such as "Web of Science, Wiley, ProQuest, EBSCO, JSTOR, Researchgate, Google Scholar, TR Index, Dergipark, and Yöktez" using the keywords "information processing thinking and STEM education approach" and "computational thinking and STEM education approach”. Within the scope of the research, the full texts of the studies were recorded, listed in accordance with the timeline, and the methods, working groups, data collection tools used in the studies were evaluated within the scope of the STEM disciplines on which the STEM activities were focused. Findings revealed an increase in the number of published studies in Turkey and abroad since 2019 compared to previous years. The majority of studies conducted in Turkey were found to focus on the field of natural sciences. The most common type of studies published in scientific research in Turkey and abroad were found to be mixed-method studies. In studies conducted, quantitative data collection tools (surveys, scales, and achievement tests) are mostly used in Turkey, while qualitative data collection tools (interviews, observations, and documents) are predominantly utilized abroad.

Keywords

• STEM
• Computational thinking skills
• Mathematics education
• Systematic literature review

STEM Eğitim Yaklaşımının Bilgi İşlemsel Düşünme Becerisine Etkisi Üzerine Yapılan Çalışmaların İncelenmesi: Sistematik Literatür Taraması

Öz

İçinde yaşadığımız dönemde teknoloji ve bilimde meydana gelen değişimler doğrultusunda eğitim sistemleri ve bireylerden beklenen beceriler de değişmektedir. Bilgi işlemsel düşünme (BİD) becerisi ve STEM [Science (Fen Bilimleri), Technology (Teknoloji), Engineering (Mühendislik) and Mathematics (Matematik)] eğitim yaklaşımı bu değişimlerin sonucu olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu araştırmanın amacı Türkiye’de ve yurt dışında (Örn; ABD, Japonya vd.) STEM eğitim yaklaşımımın BİD becerisine etkisini inceleyen bilimsel çalışmaların (makale, tez) tematik bir çerçevede incelenmesidir. Araştırmada mevcut çalışmaların değerlendirilmesi yapıldığından sistematik literatür taraması modeli kullanılmıştır. Araştırmanın veri kaynağını STEM eğitim yaklaşımının BİD becerisi üzerine etkisini inceleyen Türkiye’de yayımlanan 11, yurt dışında yayımlanan 5 çalışma oluşturmaktadır. Araştırmada yer alan çalışmalar “Web of Science, Wiley, ProQuest, EBSCO, JSTOR, Researchgate, Google Schoolar, TRDizin, Dergipark, Yöktez” veri tabanları üzerinden “bilgi işlemsel düşünme ve STEM eğitim yaklaşımı”, “bilişimsel düşünme ve STEM eğitim yaklaşımı”, “hesaplamalı düşünme ve STEM eğitim yaklaşımı”, “bilgisayarca düşünme ve STEM eğitim yaklaşımı”, “computational thinking and STEM education” anahtar kelimeleri ile taranmıştır. Araştırma kapsamında çalışmaların tam metinleri kaydedilmiş, zaman çizelgesine uygun olarak sıralanmış ve çalışmalarda kullanılan yöntem, çalışma grubu, veri toplama araçları, STEM etkinliklerinin odaklandığı STEM disiplinleri kapsamında değerlendirilmiştir. Elde edilen bulgularda yayımlanan çalışmaların sayısında 2019 yılından itibaren Türkiye’de ve yurt dışında diğer yıllara göre bir artışın olduğu tespit edilmiştir. Türkiye’de yapılan çalışmaların büyük çoğunluğunun fen bilimleri disiplinine odaklandığı görülmüştür. Yayımlanan bilimsel çalışmalarda Türkiye’de ve yurt dışında en çok karma desenli çalışmaların olduğu görülmüştür. Yapılan çalışmalarda kullanılan veri toplama araçlarına bakıldığında Türkiye’de en çok nicel veri toplama araçlarından (anket, ölçek, başarı testi) yurtdışında ise en çok nitel veri toplama araçlarından (görüşme, gözlem, doküman) yararlanılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• STEM
• Bilgi işlemsel düşünme becerisi
• Matematik eğitimi
• Sistematik literatür taraması.

References

1. Akarsu, M., Okur-Akçay, N. ve Elmas, R. (2020). STEM eğitimi yaklaşımının özellikleri ve değerlendirilmesi. Boğaziçi Üniversitesi Eğitim Dergisi, 37, 155-175.
2. Akaygün, S. ve Aslan-Tutak, F. (2022). STEM eğitiminde disiplinler arası düşünme. H. Nuhoğlu (Ed.), Eğitimcinin STEM Öğrenme Yolculuğu (2. Baskı, s.146-167) içinde. Pegem Yayıncılık.
3. Akaygün, F., Aslan-Tutak, F. ve Tezsezen, S. (2017). İşbirlikli FeTeMM (Fen, teknoloji, mühendislik, matematik) eğitimi uygulaması: Kimya ve matematik öğretmen adaylarının FeTeMM farkındalıklarının incelenmesi. Hacettepe Üniversitesi Eğitim Fakültesi Dergisi, 32(4), 794-816.
4. *Ayverdi, L., Şahin, E. ve Sarı, U. (2023). A STEM activity for gifted students: bıodegradable smart packaging design through physical computing. Journal of Inquiry Based Activities (JIBA) / Araştırma Temelli Etkinlik Dergisi (ATED) Vol 13(1), 54-79.
5. Bell, D. (2016). The reality of STEM education, design and technology teachers perceptions: A phenomenographic study. International Journal of Technology and Design Education, 26(1), 61-79.
6. *Bolat, Y. İ. (2020). STEM temelli matematik etkinliklerinin problem çözme ve bilgi işlemsel düşünme becerisi ile STEM alanlarına olan ilgiye katkılarının araştırılması. [Yayımlanmamış Doktora Tezi, Atatürk Üniversitesi]. https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/tezDetay.jsp?id=IYc2pxJ0rCyMaOpE3rG7_g&no=DIkMyhd56xBxtNKrGP9krg
7. Breiner, J.M., Harkness, S.S., Johnson, C.C. and Koehler, C.M. (2012). What is STEM? A discussion about conceptions of STEM in education and partnerships. School Science and Mathematics, 112(1), 3-11.
8. Brunsell, E. (2012). The engineering design process. Integrating engineering + Science in your classroom. Arlington, Virginia: National Science Teacher Association (NSTA) Press.

9. Buzzao, G. & Rizzi, F. (2021). On the conceptualization and measurement of dynamic capabilities for sustainability: Building theory through a systematic literature review. Business Strategy and the Environment, 30(1), 135–175. https://doi.org/10.1002/bse.2614
10. Bybee, R. W. (2010). Advancing STEM education: A 2020 vision. Technology and Engineering Teacher, 70(1), 30-35.
11. Bybee, R. W. (2013). The case for STEM education: Challenges and opportunities. Arlington, VA: NSTA Press. *Canseven, O. (2023). Robotik destekli STEM uygulamalarının ortaokul öğrencilerinin bilgi işlemsel düşünme, motivasyon ve meslek ilgilerine etkisinin incelenmesi. [Yayımlanmamış Yüksek Lisans Tezi, Afyon Kocatepe Üniversitesi], https://acikbilim.yok.gov.tr/handle/20.500.12812/734209
12. 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]. https://acikerisim.uludag.edu.tr/items/5f552ffc-0c2e-4235-a21c-92a5d60b0214
13. Culver, D. E. (2012). A qualitative assessment of preservice elementary teachers’ formative perceptions regarding engineering and K-12 engineering education. [Unpublished Master's Thesis, Iowa State University]. https://dr.lib.iastate.edu/entities/publication/87349ed9-4a56-42a0-b4c3-93b729ab2881
14. Creswell, J. W. and Clark, P. (2011). Designing and conducting mixed methods research (2. bs.). Thousand Oaks: Sage.
15. Creswell, J. W. (2013). Research Design: Qualitative, Quantitative, And Mixed Methods Approaches. New York: Sage.
16. Csizmadia, A., Curzon, P., Dorling, M., Humphreys, S., Ng, T., Selby, C., and Woollard, J. (2015). Computational thinking-A guide for teachers. UK: Computing at School Retrieved February 21, 2024 from https://eprints.soton.ac.uk/424545/1/150818_Computational_Thinking_1_.pdf
17. Çetin, İ. ve Toluk Uçar, Z. (2022). Bilgi işlemsel düşünme tanımı ve kapsamı. Y. Gülbahar. (Ed), Bilgi işlemsel düşünmeden programlamaya (ss. 341-356) içinde Pegem Akademi.
18. *Çiftçi, A. ve Topçu, M. S. (2023). Improving early childhood pre-service teachers’ computational thinking skills through the unplugged computational thinking integrated STEM approach. Thinking Skills and Creativity. Doi: https://doi.org/10.1016/j.tsc.2023.101337
19. Çepni, S. ve Ormancı, Ü. (2017). Kuramdan uygulamaya STEM+A+E eğitimi. (5. Baskı, s.1-32) içinde. Pegem Yayıncılık.
20. *Çimentepe, E. (2019). STEM etkinliklerinin akademik başarı, bilimsel süreç becerileri ve bilgisayarca düşünme becerilerine etkisi. [Yayımlanmamış Yüksek Lisans Tezi, Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi]. https://acikbilim.yok.gov.tr/handle/20.500.12812/277041
21. Elmas, R., ve Adıgüzel-Ulutaş, M. (2022). STEM eğitimi yaklaşımı. M. Akarsu, N. Okur-Akçay ve R. Elmas (Ed), STEM eğitimi yaklaşımı içinde (ss. 1-14). Pegem Yayıncılık.
22. *Ertuğrul Akyol, B. (2020). STEM etkinliklerinin fen bilgisi öğretmen adaylarının bilgi işlemsel, eleştirel, yaratıcı düşünme ve problem çözme becerilerine etkisi. [Doktora Tezi, Erciyes Üniversitesi]. https://avesis.erciyes.edu.tr/yonetilen-tez/adc76175-0d16-4116-9380-466e09eca677/stem-etkinliklerinin-fen-bilgisi-ogretmen-adaylarinin-bilgi-islemsel-elestirel-yaratici-dusunme-ve-problem-cozme-becerilerine-etkisi
23. Grover, S. (2015, September). “Systems of Assessments” for deeper learning of computational thinking in K-12. Proceedings of the 2015 Annual Meeting of the American Educational Research Association, 15-20. Instructional Technology and Teacher Education Symposium. Trabzon, Türkiye.
24. Hovardaoğlu, S. (2007), Davranış Bilimleri İçin Araştırma Teknikleri, Hatiboğlu Yayınları, Ankara. Hynes, M., Portsmore, M., Dare, E., Milto, E., Rogers, C., Hammer, D., and Carberry, A. (2011). Infusing engineering design into high school STEM courses. January 24, 2024 from http://ncete.org/flash/pdfs/Infusing%20Engineering%20Hynes.pdf
25. *Jiang, H., Atuquil Islam, A. Y. M., Gu, X. and Guan, J. (2022). How do thinking styles and STEM attitudes have effects on computational thinking? A structural equation modeling analysis. J Res Sci Teach. 2023;1–29. Doi: 10.1002/tea.21899
26. Johnson, R. B. and Onwuegbuzie, A. J. (2006). The Validity Issue in Mixed Research. Research in the Schools, 13(1), 48–63.
27. *Karaşahin, A. (2022). STEM eğitiminde bilgi işlemsel düşünme: öğretmen öz-yeterliği ve bilgi işlemsel düşünmenin gelişimi. [Yayımlanmamış Yüksek Lisans Tezi, Kırıkkale Üniversitesi]. https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/tezSorguSonucYeni.jsp
28. Karaşahin, A. ve Sarı, U. (2020). Fen Eğitiminde Bilgi İşlemsel Düşünme: Bir Öğretim Etkinliğinin Değerlendirilmesi. Turkish Journal of Primary Education (TUJPED), 2020, 5 (2), 194-218.
29. Karataş, Z. (2015). Sosyal bilimlerde nitel araştırma yöntemleri. Manevi temelli sosyal hizmet araştırmaları dergisi, 1(1), 62-80.
30. Karataş, F. Ö. (2023). Eğitimde geleneksel anlayışa yeni bir S(İ)TEM. S. Çepni (Ed.) Kuramdan uygulamaya STEM+A+E Eğitimi içinde (ss.53-68). Pegem Yayıncılık.
31. *Kara Zorluoğlu, D. (2020). Using a STEM education approach with a computatıonal tool: the impact on students’ computatıonal thinking skills and understanding of climate change. [Yayımlanmamış Yüksek Lisans Tezi, Boğaziçi Üniversitesi]. https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/tezSorguSonucYeni.jsp
32. *Karabulut Coşkun, B., Bozdemir Yüzbaşıoğlu, H. ve Aşkın Tekkol, İ. (2022). Investigation of the effects of tinkercad based STEM implementations on computational (computer) thinking skills and technology use standards of teacher candidates. Kastamonu Education Journal, 30(4), 889-899. Doi: 10.24106/kefdergi. 1195676
33. Kert, S. B., Yeni, S. ve Erkoç, M. F. (2022). Enhancing computational thinking skills of students with disabilities. Instructıonal Science, 50, 625-651.
34. Lacey, T. A. and Wright, B. (2009). Occupational employment projections to 2018. Montly Labor Review,132(11), 82-123.
35. Liskov, B., and Guttag, J. (2000). Program Development in JAVA: Abstraction, Specification and Onject Orient Design. Boston: Adison Wesley.
36. Liu, Z., Zhi, R., Hicks, A. and Barnes T., (2017) Understanding problem solving behavior of 6–8 graders in a debugging game. Computer Science Education, 27(1), 1-29.
37. Miles, M, B. and Huberman, A. M. (1994). Qualitative data analysis: An expanded Sourcebook. (2nd ed). Thousand Oaks, CA: Sage.
38. Morrison, J., Bartlett, R., and Raymond, V. (2009). STEM as curriculum. Education Week, January 12, 2024 from https://www.edweek.org/teaching-learning/opinion-stem-as-a-curriculum/2009/03
39. National Council of Teachers of Mathematics [NCTM]. (2018). Building STEM education on a sound mathematical foundation: A joint position statement on STEM from the National Council of Supervisors of Mathematics and the National Council of Teachers of Mathematics. March 15, 2024 from https://www.nctm.org/Standards-and-Positions/Position-Statements/Building-STEM-Education-on-a-Sound-Mathematical-Foundation/
40. National Research Council [NRC]. (2009). Successful K-12 STEM education: Identifying effective approaches in science, technology, engineering and mathematics. The National Academies Press, January 16, 2024 from https://nap.nationalacademies.org/read/13158/chapter/1
41. National Research Council [NRC]. (2012). A framework for K-12 science education: Practices, crosscutting concepts, and core ideas. National Academies Press, January 15, 2024 from https://nap.nationalacademies.org/read/13165/chapter/1
42. Papert, S. (1980). Mindstorms: Children, computers, and powerful ideas. New York, NY: Basic Books.
43. *Pewkam, W. and Chamrat, S. (2022). Pre-service teacher training program of stem-based activities in computing science to develop computational thinking. Informatics in education. 21(2), 311–329. Doi: 10.15388/infedu.2022.09
44. Plano-Clark, V.L. Ve Ivankova, N.V. (2018). Karma Yöntemler Araştırması Alana Yönelik Klavuz. (1. Baskı). (Ö. Çokluk-Bökeoğlu, Çev. Ed.). Nobel Akademik Yayınları.
45. N. Şahin (Çev. Ed.) ve A. Kapucu (Çev). Psikoloji: Bir keşif gezintisi. (2. baskı, s. 88-129) içinde. Nobel Tıp Kitabevi. (Orijinal eserin yayın tarihi 2015, 3. Baskı).
46. Schneider, G, Gersting, J. and Brinkman, B. (2015). Bilgisayar bilimine davet. Gale, Cengage Learning.
47. Sedgewick, R., and Wayne, K. (2011). Algorithms. February 24, 2024 from https://books.google.com.tr/books?hl=tr&lr=&id=MTpsAQAAQBAJ&oi=fnd&pg=PR6&dq=Sedgewick,+R.,+%26+Wayne,+K.+(2011).+Algorithms.+Addison-Wesley.&ots=QhkCxKFaqU&sig=xmdZBFTr_KHZKlBEEMqJNGQxspM&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false
48. Sengupta, P., Kinnebrew, J. S., Basu, S., Biswas, G., and Clark, D. (2013). Integrating computational thinking with K-12 science education using agent-based computation: A theoretical framework. Education and Information Technologies, 18(2), 351-380.
49. Seuring, S., and Gold, S. (2012). Conducting content‐analysis based literature reviews in supply chain management. An International Journal, 17(5), 544-555.
50. *Srisangngam, P. and Dechsura, C. (2020, 4-6, November). STEM education activities development to promote computational thinking’s students. 2020 International STEM Education Conference (iSTEM-Ed 2020). Huahin, THAILAND
51. *Shang, X., Jiang, Z., Chlang, F. K., Zhang, Y. and Zhu, D. (2023). Effects of robotics STEM camps on rural elementary students’ self‑efficacy and computational thinking. Education Tech Research Dev. 71, 1135–1160. Doi: https://doi.org/10.1007/s11423-023-10191-7
52. *Sırakaya, M., Alsancak Sırakaya, D. ve Korkmaz, Ö. (2020). The impact of STEM attitude and thinking style on computational thinking determined via structural equation modeling. Journal of Science Education and Technology 29:561–572. Doi: https://doi.org/10.1007/s10956-020-09836-6
53. Teddlie, C. ve Tashakkori, A. (2009). Foundations of mixed methods research: Integrating quantitative and qualitative approaches in the social and behavioral sciences. Thousand Oaks: Sage.
54. Top, O. ve Arabacıoğlu, T. (2021). Bilgi işlemsel düşünme: bir sistematik alanyazın taraması. Uludağ Üniversitesi Eğitim Fakültesi Dergisi, 34(2), 527-567. https://doi.org/10.19171/uefad.850325
55. Topçu, S. M. ve Çiftçi, A. (2019). 21. Yüzyıl becerileri ve STEM. A. Öğretir-Özçelik ve M. N. Tuğluk (Ed), Eğitimde ve Endüstride 21. Yüzyıl Becerileri. (ss. 95- 114). Pegem Akademi.
56. Tsai, L.-T., Chang, C.-C. and Cheng, H.-T. (2021). Effect of a STEM-oriented course on students’ marine science motivation, interest, and achievements. Journal of Baltic Science Education, 20(1), 134-145. https://doi.org/10.33225/jbse/21.20.134
57. Uğur, N. (2019). Bilgisayarsız ortamda bilgisayar bilimi öğretiminde yansıtıcı düşünme etkinliklerinin bilgi işlemsel düşünme becerileri geliştirmede etkisi. [Yayımlanmamış yüksek lisans tezi]. Trabzon Üniversitesi.
58. Usta, N. ve Düzalan, N. (2021). Thematic Analysis of Studies on Computational Thinking in Education in Turkey and Abroad. International Journal of Humanities and Social Science Invention (IJHSSI), 10(8), 22-38
59. *Uz, G. Y. (2022). STEM etkinliklerinin STEM alanlarına karşı tutum, bilgi işlemsel düşünme becerileri, STEM mesleklerine ilgi ve farkındalığa etkisinin incelenmesi. [Doktora Tezi, Marmara Üniversitesi]. https://www.proquest.com/openview/382e6325bc978a563f03d90bb5663df8/1?pq-origsite=gscholar&cbl=2026366&diss=y
60. Yıldırım, A. ve Şimşek, H. (2012). Sosyal Bilimlerde Nitel Araştırma Yöntemleri. Ankara: Seçkin Yayıncılık.
61. *Qıan, Y. (2019). Effectiveness of explicıt guidance and practıces on abstractıon (EGPA): focus on computatıonal tasks ın a stem-ıntegratıve robotıc educatıon program for fıfth grade students. [Doctoral dissertation, University of Georgia]. UCL Discovery. https://esploro.libs.uga.edu/esploro/outputs/9949365552402959/filesAndLinks?index=0
62. Wang, H.-H. and Knobloch, N. A. (2018). Levels of STEM integration through agriculture, food, and natural resources. Journal of Agricultural Education, 59(3), 258-277. https://doi.org/10.5032/jae.2018.03258
63. Weinberg, A. E. (2013). Computational thinking: An investigation of the existing scholarship and research. Unpublished Doctoral Dissertation, Colorado State University, Colorado, USA.
64. Wing, J. M. (2006). Computational thinking. Communications of the ACM, 49(3), 33-35.
65. Wing, J. M. (2008). Computational thinking and thinking about computing. Philosophical Transactions A, 366, 3717–3725
66. Wing, J. M. (2011). Research Notebook: Computational Thinking—What and Why. The link Magazine, 6, 20-23