SU KONULU PROBLEME DAYALI STEM UYGULAMALARININ ORTAOKUL ÖĞRENCİLERİNİN BAŞARI VE TUTUMLARINA YANSIMALARI

Öz

Bu çalışmanın amacı probleme dayalı öğrenme yaklaşımına göre hazırlanan STEM etkinliklerinin öğrencilerin akademik başarılarına ve mühendisliğe yönelik tutumlarına etkisini incelemektir. Araştırmada nicel araştırma yöntemlerinden biri olan tek gruplu ön test son test deneysel model kullanılmıştır. Çalışma grubunu Türkiye'nin güneydoğu bölgesindeki kırsal bir bölgede taşımalı eğitimin uygulandığı bir devlet okulunda öğrenim gören 10 kız ve 3 erkek olmak üzere 13 ortaokul öğrencisi oluşturmuştur. Araştırmada öğrencilerin suyun tanımı ve önemi, suyun fiziksel, kimyasal ve biyolojik özellikleri, su döngüsü, su kirliliği ve su arıtımı konularındaki başarı düzeylerini ortaya çıkarmak amacıyla başarı testi kullanılmıştır. Araştırmada kullanılan bir diğer veri toplama aracı ise Mühendislik Tutum Ölçeğidir. Başarı testi puanları arasında fark olup olmadığını belirlemek amacıyla bağımlı örneklem t-testi yapılmıştır. Araştırmada öğrencilerin mühendislik tutum ölçeğinden ön ve son testlerde aldıkları toplam puanların parametrik olmayan istatistiksel yöntemlerden biri olan Wilcoxon işaretli sıra testi ile analiz edilmiştir. Araştırmadan elde edilen bulgulara göre probleme dayalı STEM etkinliklerinin öğrencilerin akademik başarılarına olumlu yönde etki yaptığı ancak mühendislik tutumları üzerinde anlamlı bir farklılık yaratmadığı sonucuna varılmıştır. Araştırmanın bulguları tartışılarak gelecek araştırmalara yönelik çeşitli önerilerde bulunulmuştur. Özellikle dezavantajlı bölgelerdeki öğrencilerin mühendisliğe yönelik tutumlarının geliştirilmesi için daha fazla STEM etkinliklerinin uygulanması önerilmektedir.

Anahtar Kelimeler

• Akademik başarı
• mühendislik tutumu
• probleme dayalı öğrenme
• STEM eğitimi
• su eğitimi

EFFECTS OF PROBLEM-BASED STEM ACTIVITIES ON MIDDLE SCHOOL STUDENTS’ ACADEMIC ACHIEVEMENT AND ATTITUDES

Öz

The purpose of this study is to examine the effects of STEM activities designed according to the problem-based learning approach on students' academic achievement and attitudes toward engineering. A single-group pretest-posttest experimental design, a quantitative research method, was used in the study. The study group consisted of 13 middle school students (10 girls and 3 boys) attending a public school in a rural area in southeastern Türkiye where transportation is implemented. An achievement test was used to determine the students' achievement levels on the definition and importance of water, the physical, chemical, and biological properties of water, the water cycle, water pollution, and water treatment. Another data collection tool used in the study was the Engineering Attitude Scale. A dependent-samples t-test was conducted to determine whether there was a difference between the achievement test scores. The students' total pre- and post-test scores on the engineering attitude scale were analyzed using the Wilcoxon signed-rank test, a nonparametric statistical method. The findings of the study concluded that problem-based STEM activities had a positive effect on students' academic achievement but did not create a significant difference in their attitudes toward engineering. The findings of the study were discussed and various suggestions for future research were made. It is recommended that more STEM activities be implemented to improve the attitudes of students towards engineering, especially those in disadvantaged areas.

Anahtar Kelimeler

• Academic achievement
• engineering attitudes
• problem-based learning
• STEM education
• water education

Kaynakça

1. Archie, M. (2003). Advancing education through environmental literacy. Alexandria, VA: Association for Supervision and Curriculum Development. http://hdl.handle.net/1969.3/27975
2. Aysu, G. (2019). Probleme dayalı öğrenme tabanlı STEM uygulamalarının öğrencilerin akademik başarılarına ve öğrendikleri bilgilerin kalıcılığına etkisinin incelenmesi. (Yayımlanmamış Yüksek Lisans Tezi). Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi.
3. Bahar, A., & Adıgüzel, T. (2023). Analysis of factors influencing interest in STEM career: Comparison between high ability and motivated American and Turkish high school students. Journal of STEM Education: Innovations and Research 17(3). Retrieved from https://www.jstem.org/jstem/index.php/JSTEM/article/view/2122
4. Barrows, H. (2002). Is It truly possible to have such a thing as pbl? Distance Education, 23(1), 119-122.
5. Baştürk, R. (2011). Bütün yönleriyle SPSS örnekli nonparametric istatiksel yöntemler (2. Baskı). Ankara: Anı Yayıncılık
6. Becker, K., & Park, K. (2011). Integrative approaches among science, technology, engineering, and mathematics (STEM) subjects: A meta-analysis. Journal of STEM Education, 12(5–6), 23–37.
7. Bevan, B., Gutwill, J. P., Petrich, M., & Wilkinson, K. (2015). Learning through STEM-rich tinkering: Findings from a jointly negotiated research project taken up in practice. Science Education, 99(1), 98-120. doi: 10.1002/sce.21151
8. Bilir, T. (2019). Ortaokul Öğrencilerinin Mühendislik Alanına İlişkin Tutumlarının ve Algılarının İncelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Eğitim Bilimleri Enstitüsü, Ege Üniversitesi, İzmir.

9. Büyüköztürk, Ş. (2007). Deneysel Desenler: Öntest-Sontest Kontrol Grubu Desen ve Veri Analizi (2. baskı). Ankara: Pegem A Yayıncılık.
10. Büyüköztürk, Ş., Çokluk, Ö. & Köklü, N. (2018). Statistics for social sciences, Ankara: Pegem Academy.
11. Brophy, S. Klein, S., Portsmore, M. & Rogers, C. (2008). Advancing Engineering Education in P-12 Classrooms. Journal of Engineering Education, 97(3), 369-387.
12. Bybee, R. W. (2013). The case for STEM education: Challenges and opportunities. NSTA Press
13. Capraro, R. M., & Slough, S. W. (Eds.). (2013). STEM Project-Based Learning: An Integrated Science, Technology, Engineering, and Mathematics (STEM) Approach (2nd ed.). Sense Publishers.
14. Choi, Y., Yang, J. H., & Hong, S.-H. (2016). The effects of smart media based STEAM program of’chicken life cycle’on academic achievement, scientific process skills and affective domain of elementary school students. Journal of Korean Elementary Science Education, 35(2), 166-180. https://doi.org/10.15267/keses.2016.35.2.166
15. Cunningham, C. M., & Lachapelle, C. P. (2010). The impact of Engineering is Elementary (EiE) on students’ attitudes toward engineering and science. Sözel bildiri, ASEE Annual Conference and Exposition, Louisville
16. Cintamulya, I., Murtini, I., & Warli. (2025). Optimization of critical thinking by empowering collaboration and communication skills through information literacy-based e-books: In STEM integrated problem-based learning. European Journal of Educational Research, 14(1), 151-166. https://doi.org/10.12973/eu-jer.14.1.151
17. Crismond, D. P., & Adams, R. S. (2012). The informed design teaching & learning matrix. Journal of Engineering Education-Washington, 101(4), 738. https://doi.org/10.1002/j.2168-9830.2012.tb01127.x
18. Çalış, S., & Özdilek, Z. (2022). Topluma hizmet uygulamaları dersinde yürütülen “su ve eğitim hayattır” projesinin etkililiğine yönelik fen bilgisi öğretmen adaylarının görüşlerinin değerlendirilmesi. Kocaeli Üniversitesi Eğitim Dergisi, 5(1), 236-257. https://doi.org/10.33400/kuje.1062482
19. Çavaş, B., Bulut, Ç., Holbrook, J. & Rannikmae, M. (2013). Fen eğitimine mühendislik odaklı bir yaklaşım: ENGINEER projesi ve uygulamaları. Fen Bilimleri Öğretimi Dergisi, 1(1), 12-22.
20. Çorlu, M. S., Capraro, R. M., & Capraro, M. M. (2014). Introducing STEM education: Implications for educating our teachers for the age of innovation. Eğitim ve Bilim, 39(171), 74–85.
21. Dischino, M., DeLaura, J. A., Donnelly, J., Massa, N. M. & Hanes, F.(2011). Increasing the STEM pipeline through problem-based learning. Technology Interface International Journal, 12(1): 21-29.
22. Dumanoğlu, F. (2018). Fen, teknoloji, mühendislik ve matematik uygulamalarının yedinci sınıf öğrencilerinin akademik başarısına ve tutumlarına etkisi (Yüksek lisans tezi), İstanbul Üniversitesi, Eğitim Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
23. Doppelt, Y., Mehalik, M. M., Schunn, C. D., Silk, E. & Krysinski, D. (2008). Engagement and achievements: A case study of design-based learning in a science context. Journal of Technology Education, 19(2), 22-39.
24. English, L. D. (2016). STEM education K-12: Perspectives on integration. International Journal of STEM Education, 3(3) https://doi.org/10.1186/s40594-016-0036-1
25. 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), 14.
26. Ercan, S. (2014). Fen eğitiminde mühendislik uygulamalarının kullanımı: Tasarım temelli fen eğitimi. (Yayımlanmamış Doktora Tezi). Marmara Üniversitesi, Eğitim Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
27. Ercan, S., & Şahin, F. (2015). Fen eğitiminde mühendislik uygulamalarının kullanımı: Tasarım temelli fen eğitiminin öğrencilerin akademik başarıları üzerine etkisi. Necatibey Eğitim Fakültesi Elektronik Fen ve Matematik Eğitimi Dergisi, 9(1), 128-164
28. Erdem, A., & Gezer, A. (2018). Su stresi, su kıtlığı ve su tasarrufu hakkında halkın farkındalığının belirlenmesi: Akdeniz üniversitesi örnek çalışması. Doğal Afetler ve Çevre Dergisi, 4(2), 113-122. 10.21324/dacd.408379.
29. EİE (Engineering is Elementary) (2013). Here comes the sun: Engineering insulated homes. United States of America: Museum of Science Engineering is Elementary (EiE) (2018). Engineering Design Process. Retrieved May 28, 2023, from http://eie.org/overview/engineering-design-process
30. Field, A. (2009). Discovering statistics using SPSS. SAGE Publications Ltd. London, 264-315.
31. Fraenkel, J. R., Wallen, N. E., & Hyun, H. H. (2015). How to design and evaluate research in education (9th ed.). McGraw-Hill.
32. Gleick, P. H. (1993). Water in Crisis: A Guide to the World’s Fresh Water Resources. Oxford University Press.
33. Han, S., Capraro, R., & Capraro, M. M. (2015). How science, technology, engineering, and mathematics (STEM) project-based learning affects high, middle, and low achievers differently: The impact of student factors on achievement. International Journal of Science and Mathematics Education, 13(5), 1089–1113.
34. Harwell, M., Moreno, M., Phillips, A., Guzey, S. S., Moore, T. J., & Roehrig, G. H. (2015). A study of STEM assessments in engineering, science, and mathematics for elementary and middle school students. School Science and Mathematics, 115(2), 66-74.
35. He, X., Li, T., Turel, O., Kuang, Y., Zhao, H., & He, Q. (2021). The impact of stem education on mathematical development in children aged 5-6 years. International Journal of Educational Research, 109, 101795. https://doi.org/10.1016/j.ijer.2021.101795
36. Helvacı, S. C., & Helvacı, İ. (2019). An Interdisciplinary Environmental Education Approach: Determining the Effects of E-STEM Activity on Environmental Awareness. Universal Journal of Educational Research, 7(2), 337-346. DOI: 10.13189/ujer.2019.070205
37. Hiğde, E., & Aktamış, H. (2022). The effects of STEM activities on students’ STEM career interests, motivation, science process skills, science achievement and views. Thinking Skills and Creativity, 43, 101000. https://doi.org/10.1016/j.tsc.2022.101000
38. Hmelo-Silver, C. E. (2004) Problem-based learning: What and how do students learn? Educational Psychology Review, 16(3), 235-266. https://doi.org/10.1023/B:EDPR.0000034022.16470.f3
39. Johnson, C. C. (2013). Conceptualizing integrated STEM education. School Science and Mathematics, 113(8), 367-368. https://doi.org/10.1111/ssm.12043
40. Jonassen, D. H. (2011). Learning to solve problems: A handbook for designing problem-solving learning environments (2nd ed.). Routledge.
41. İstanbul İl Millî Eğitim Müdürlüğü. (2025). Türkiye Yüzyılı Maarif Modeli ışığında STEM ders planı ile okuma yazma öğretimi uygulamasının değerlendirilmesi. In İstanbul Eğitim Araştırmaları Kongresi bildiriler kitabı. İstanbul İl MEM.
42. Kennedy, T. J., & Odell, M. R. L. (2014). Engaging students in STEM education. Science Education International, 25(3), 246–258.
43. 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.
44. Lichtenberger, E., & George-Jackson, C. (2013). Predicting High School Students’ Interest in Majoring in a STEM Field: Insight into High School Students’ Postsecondary Plans. Journal of Career and Technical Education, 28(1), 19-38.
45. Li, Y., Wang, K., Xiao, Y., Froyd, J. E., & Nite, S. B. (2020). Research and trends in STEM education: a systematic analysis of publicly funded projects. International Journal of STEM Education, 7(1), 17. https://doi.org/10.1186/s40594-020-00213-8
46. Lou , S. J., Shih, R. C., Diez, C. R. & Tseng, K. H. (2011). The impact of problembased learning strategies on STEM knowledge integration and attitudes: an exploratory study among female Taiwanese senior high school students. International Journal of Technology and Design Education, 21, 195–215.
47. Maltese, A. V., & Tai, R. H. (2011). Pipeline persistence: Examining the association of educational experiences with earned degrees in STEM among US students. Science Education, 95(5), 877- 907.
48. Martín‐Páez, T., Aguilera, D., Perales‐Palacios, F. J., & Vílchez‐González, J. M. (2019). What are we talking about when we talk about STEM education? A review of literature. Science Education, 103(4), 799–822. https://doi.org/10.1002/sce.21522
49. Milli Eğitim Bakanlığı (2017). Fen bilimleri dersi öğretim programı. Ankara: Milli Eğitim Bakanlığı.
50. Milli Eğitim Bakanlığı (2018). Fen bilimleri dersi öğretim programı. Ankara: Milli Eğitim Bakanlığı.
51. Milli Eğitim Bakanlığı (2024). Türkiye Yüzyılı Maarif Modeli Fen Bilimleri Öğretim Programı. MEB Yayınları.
52. Mehalik, M. M., Doppelt, Y., & Schuun, C. D. (2008). Middle‐school science through design‐based learning versus scripted inquiry: Better overall science concept learning and equity gap reduction. Journal of Engineering Education, 97(1), 71-85.
53. Moore, T. J., Glancy, A. W., Tank, K. M., Kersten, J. A., & Smith, K. A. (2014). A Framework for quality K-12 engineering education: Research and development. Journal of Pre-College Engineering Education Research, 4(1), 1–13. https://doi.org/10.7771/2157-9288.1069
54. Moore, T. J., Stohlmann, M. S., Wang, H. H., Tank, K. M., Glancy, A. W., & Roehrig, G. H. (2014). Implementation and integration of engineering in K-12 STEM education. In Engineering in pre-college settings: Synthesizing research, policy, and practices (pp. 35-60). Purdue University Press.
55. Nağaç, M. (2018). 6. Sınıf fen bilimleri dersi madde ve ısı ünitesinin öğretiminde fen, teknoloji, mühendislik ve matematik (FETEMM) eğitiminin öğrencilerin akademik başarısı ve problem çözme becerilerine etkisinin incelenmesi. Yayımlanmamış yüksek lisans tezi. Hatay Mustafa Kemal Üniversitesi, Hatay.
56. National Research Council (NRC) (2010). Exploring the intersection of science education and 2lst century skills: A workshop summary. Washington, DC: National Academies Press
57. Patton, M. Q. (2002). Qualitative research and evaluation methods (3rd ed.). Sage.
58. Pekmez, E., Yılmaz, H., Akşit, A.C.A., & Güler, F. (2018). İlköğretim öğrencilerinin fen teknoloji-tasarım süreci ile ilgili becerilerinin geliştirilmesi üzerine bir eğitim modülü uygulaması. Ege Eğitim Dergisi, 19(1), 135-160. Doi: 10.12984/egeefd.343374
59. Pintrich, P. R., & De Groot, E. V. (1990). Motivational and self-regulated learning components of classroom academic performance. Journal of Educational Psychology, 82(1), 33–40.
60. Rehmat, A. P. (2015). Engineering the path to higher-order thinking in elementary education: A problem-based learning approach for STEM integration. Dissertations theses, University of Nevada, Las Vegas, USA.
61. OECD. (2016). Education for global competence: Preparing our youth to engage the world. OECD Publishing.
62. Osborne, J., Simon, S., & Collins, S. (2003). Attitudes towards science: A review of the literature and its implications. International Journal of Science Education, 25(9), 1049–1079.
63. Özcan, M. (2019). Ortaokul öğrencilerinin akıllı tahta kullanımı ile su eğitimi hakkındaki başarı ve tutumlarının incelenmesi. Doktora Tezi, Kastamonu Üniversitesi.
64. Sadler, P. M., Coyle, H. P., & Schwartz, M. (2000). Engineering competitions in the middle school classroom: Key elements in developing effective design challenges. The Journal of the Learning Sciences, 9(3), 299-327. https://doi.org/10.1207/S15327809JLS0903_3
65. Savran Gencer, A., & Çakıroğlu, J. (2007). Turkish preservice science teachers’ efficacy beliefs regarding science teaching and their beliefs about classroom management. Teaching and Teacher Education, 23(7), 1031–1045.
66. Schmidt, H. G., Van der Molen, H. T., Te Winkel, W. W., & Wijnen, W. H. (2011). Constructivist, problem-based learning: An introduction. In H. G. Schmidt et al. (Eds.), AFM Anniversary Publication. Springer.
67. Schunk, D. H., Meece, J. R., & Pintrich, P. R. (2014). Motivation in education: Theory, research, and applications (4th ed.). Pearson.
68. Smith, R. L. (2012). Mixed methods research design: a recommended paradign for the counseling profession. In Ideas and research you can use: VISTAS. http://www.counseling.org/Resources adresinden 23 Aralık 2023 tarihinde edinilmiştir.
69. Sumarni, W., & Kadarwati, S. (2020). Ethno-stem project-based learning: Its impact to critical and creative thinking skills. Jurnal Pendidikan IPA Indonesia, 9(1), 11-21. https://doi.org/10.15294/jpii.v9i1.21754
70. Şendağ, S. (2008). Çevrimiçi probleme dayalı öğrenmenin öğretmen adaylarının eleştirel düşünme becerilerine ve akademik başarılarına etkisi. Doktora tezi, Anadolu Üniversitesi Eğitim Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir
71. UNEP (United Nations Environment Programme). (2016). A Snapshot of the World’s Water Quality: Towards a Global Assessment.
72. UNESCO. (2017). Education for sustainable development goals: Learning objectives. UNESCO Publishing.
73. UNESCO (2020). The United Nations World Water Development Report 2020: Water and Climate Change. United Nations
74. Tabachnick, B. G., & Fidell, L. S. (2013). Using multivariate statistics (sixth). Pearson, Boston.
75. Tavşancıl, E. (2002). Tutumların ölçülmesi ve SPSS ile veri analizi. Nobel Yayıncılık.
76. Tüysüz, C., Tatar, E. ve Kuşdemir, M. (2010). Probleme dayalı öğrenmenin kimya dersinde öğrencilerin başarı ve tutumlarına etkisinin incelenmesi. Mustafa Kemal Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü Dergisi, 7(13), 48-55.
77. Yıldırım, B., & Altun, Y. (2015). STEM Eğitim ve Mühendislik Uygulamalarının Fen Bilgisi Laboratuvar Dersindeki Etkilerinin İncelenmesi. El-Cezerî Fen ve Mühendislik Dergisi, 2(2), 28-40.
78. Yıldırım, B. (2016). 7. Sınıf Fen Bilimleri Dersine Entegre Edilmiş Fen Teknoloji Mühendislik ve Matematik (STEM) Uygulamaları ve Tam Öğrenmenin Etkilerinin İncelenmesi. Doktora Tezi. Gazi Üniversitesi, Eğitim Bilimleri Enstitüsü.
79. Yıldırım, B., & Selvi, M. (2017). STEM uygulamaları ve tam öğrenmenin etkileri üzerine deneysel bir çalışma. Eğitimde Kuram ve Uygulama, 13(2), 183-210.
80. Yılmaz, A., Gülgün, C. & Çağlar, A. (2017). 7. sınıf öğrencilerine “Kuvvet ve Enerji” ünitesinin STEM uygulamaları ile öğretimi: Paraşüt, su jeti, mancınık, akıllı perde ve hidrolik iş makinası (kepçe) yapalım etkinliği. Journal of Current Researches on Educational Studies, 7(1), 97-116.
81. Weber, K. (2011). Role models and informal STEM-related activities positively impact female interest in STEM. Technology and Engineering Teacher, 71(3), 18-22.
82. Wendell, K. B., & Kolodner, J. L. (2014). Learning disciplinary ideas and practices through engineering design. In A. Johri & B. M. Olds (eds.), Cambridge handbook of engineering education research (pp. 243 – 263). New York: Cambridge University Press
83. Wendell, K. B., & Rogers, C. (2013). Engineering design‐based science, science content performance, and science attitudes in elementary school. Journal of Engineering Education, 102(4), 513-540.
84. World Health Organization (WHO). (2017). Guidelines for Drinking-water Quality. WHO Press.