Biyomimikri ve tersine mühendislik temelli STEM etkinliklerinin tasarlanması kimya derslerinde uygulanması ve etkililiğinin değerlendirilmesi
Designing biomimicry and reverse engineering based STEM activities, implementation in chemistry lessons and evaluation of their effectiveness
Yazar: DİLER DİLAVER TÜRE
Danışman: PROF. DR. FİLİZ KABAPINAR
Marmara Üniversitesi / Eğitim Bilimleri Enstitüsü / Ortaöğretim Fen ve Matematik Alanları Eğitimi Ana Bilim Dalı / Kimya Öğretmenliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Eğitim ve Öğretim = Education and Training
Dizin: 5E Modeli = 5E Model ; Biyomimikri = Biomimicry ; FeTeMM = STEM ; Kimya dersi = Chemistry lesson ; Kimya eğitimi = Chemistry education ; Kimya öğretimi = Chemistry teaching ; Ortaöğretim okulları = Secondary education schools ; Tersine mühendislik = Reverse engineering ; İnovasyon = Innovation

Özet:
Yaşadığımız çağın bizleri karşı karşıya bıraktığı sorunların büyük çoğunluğu tek bir disiplin alanında çözülemeyecek kadar karmaşıktır. Bunun yanı sıra gelişen teknoloji, yaşanan bilimsel gelişmeler ve kapıyı çalan yeni sanayi devrimi (Endüstri 4.0) farklı disiplinlerin bir araya gelerek çalışması gerekliliğini her geçen gün biraz daha hissettirmektedir. Yaşanan bu gelişmeler eğitim ve öğretim sürecini de etkilemekte disiplinler arası yaklaşım, eğitim alanında yapılan araştırmalarda sıkça duyulan bir kavram haline gelmektedir. Disiplinler arası yaklaşımın fen eğitimine yansımış en popüler uygulamalarından biri ise STEM eğitimidir. Bilim, teknoloji, mühendislik ve matematiği birleştiren disiplinler arası STEM uygulamaları, günümüzde fen öğretim tasarımları içerisinde önemli bir yere sahiptir. Bilim öğretiminde öğrencilere kazandırılmaya çalışılan ekolojik hassasiyet, bağlam temelli öğrenme, iletişim ve işbirliği, fen okuryazarlığı, sanatsal bakış açısı, yaratıcılık, eleştirel düşünme, problem çözme ve inovatif tasarımlar hazırlama yeterliği gibi kazandırılmaya çalışılan birçok beceri, bakış açısı, değer ve sorumluluk günümüzün fen eğitiminin temel hedefleri olmasının yanında hızla değişen dünyada genç bireylerin hem bugüne hem de geleceğe hazırlanmaları açısından bir zorunluluk halini almaktadır. Tüm bu ihtiyaçlara cevap verebilecek yeni fen eğitimi yaklaşımları değerlendirildiğinde biyomimikri temelli ve tersine mühendislik temelli STEM eğitimi önemli bir alternatif oluşturabilir. 
Bu çalışmada lise kimya dersi öğretim programı üniteleri içerisindeki enerji üretimi ve tasarrufu, kimyasal tepkimeler konuları kapsamında hazırlanan STEM etkinliklerinde biyomimikri ve tersine mühendislik uygulamalarının tasarım süreçleri üzerindeki etkisinin incelenmesi amaçlanmaktadır. STEM etkinlikleri içerisinde uygulanan mühendislik tasarım döngüsünün araştrıma/analiz basamağında biyomimikri eğitimi kapsamında canlıları inceleme ve tersine mühendislik eğitimi kapsamında materyalleri inceleme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen çalışmaların süreç üzerindeki etkileri çok yönlü ve derinlemesine incelenmiş sonuçta mühendislik tasarım döngüsüne entegreli alternatif bir model önerilmeye çalışılmıştır. Araştırma nitel araştırma yöntemlerinden eylem araştırması desenindedir. Araştırmada öncelikle STEM etkinliklerinin tasarım geliştirme süreçlerinde yaşanan problemler belirlenmiş, ardından biyomimikri ve tersine mühendislik eğitimleri ile birlikte uygulanan canlıları inceleme ve ürün inceleme aşamalarının belirlenen problemlerin çözümü üzerinde ne derece etkili olduğuna bakılmıştır.  Araştırmanın ilk uygulama çalışması 2017-2018 eğitim öğretim yılında özel bir Anadolu lisesinin 10. Sınıfında öğrenim gören 17 öğrenciyle gerçekleştirilmiştir. Araştırmanın çalışma grubunu 2019-2020 eğitim öğretim yılında yine aynı özel Anadolu lisesinin 10. sınıf seviyesinde öğrenim gören 80 öğrenci oluşturmaktadır. Araştırmanın nitel verileri, öğrencilerle yapılan düzenli görüşmeler, video kayıtları, canlıları ve ürünleri inceleme formları, süreç değerlendirme formları, saha notları nicel verileri ise öğrencilerin tasarımlarının değerlendirildiği dereceli puanlama anahtarı, Grasha-Riechmann Öğrenme Stilleri Envanteri ve Çoklu Zekâ Envanteri ile toplanmıştır. Araştırmada nicel veriler çalışma grubundaki öğrencilerin demografik özelliklerini belirlemek amaçlı kullanılmıştır. Nitel veriler içerik analizine tabi tutulurken araştırmanın nicel verileri SPSS 29.0 programıyla analiz edilmiştir. 
Araştırmada, araştırma öncesi tespit edilen problemlere paralel olarak STEM etkinliklerinde tasarım öncesi mevcut modelleri tanıma, analiz etme ve uyarlayarak kullanma ya ilişkin sorunların yaşandığına, tasarım sürecini planlama, malzemeleri tanıma, uygun olanlarını seçerek kullanma ve prototipi hazır hale geitrmekte zorlukların görüldüğüne dair bulgular elde edilmiştir. Araştırmanın bulguları, biyomimikri ve tersine mühendislik temelli STEM etkinliklerinde uygulanan canlıları ve ürünleri inceleme aşamalarının tasarım geliştirme süreçlerinde öğrencilerin derslerde öğrendikleri bilgileri tasarımlarında kullanabilmeleri, tasarım geliştirme sürecini planlayabilmeleri, malzemeleri tanımaları, yeni bakış açıları geliştirmeleri, inovatif ve uygulanabilir tasarımlar yapabilmeleri, uygun malzemeler ve hesaplamalarla tasarımlarını modelleyebilmeleri, prototip oluşturabilmeleri, tasarımlarını sunabilmeleri ve geliştirebilmeleri açılarından olumlu katkılarının olduğunu göstermektedir. Araştırma kapsamında geliştirilen alternatif tasarım süreci modelinin entegre edildiği benzer planların farklı branşlarda ve kademelerde uygulanması ve değerlendirilmesine yönelik araştırmaların yapılması önerilmektedir.

Abstract:
The vast majority of the problems that our age is confronting us are too complex to be solved in a single discipline. In addition, developing technology, scientific developments and the new industrial revolution (Industry 4.0)  adumbrate the necessity of the different disciplines working with together. These developments also affect the education and teaching process, and the interdisciplinary approach has become a frequently heard concept in research in the field of education. One of the most popular applications of the interdisciplinary approach reflected in science education is STEM education. Today, Interdisciplinary STEM applications that combine science, technology, engineering and mathematics have an important place in science teaching designs. In today's science education, ecological sensitivity, context-based learning, communication and cooperation, science literacy, artistic perspective, creativity, critical thinking, problem-solving and the ability to prepare innovative designs that are examples of trying to be gained many skills, perspectives, values and responsibilities. In addition to being a goal, it becomes a necessity in terms of preparing young both for today and for the future in the rapidly changing world. Biomimicry-based and reverse engineering-based STEM education can be an important alternative when we think about new science education approaches that can meet all these needs are evaluated. 
This study, it is aimed to examine the effects of biomimicry and reverse engineering applications on the design processes in STEM activities prepared within the scope of energy production and saving, chemical reactions topics that in high school chemistry curriculum units. In the research/analysis step of the engineering design cycle implemented in STEM activities, studies were carried out to examine living things within the scope of biomimicry education and to examine materials within the scope of reverse engineering education.  The effects of the studies carried out on the process have been examined in depth and multi-dimensionally, and as a result, an alternative model integrated into the engineering design cycle has been tried to be proposed. The research is the action research design. Firstly, the problems experienced in the design development processes of STEM activities were determined, then it was examined how effective the biomimicry and reverse engineering training with the process of analyzing living things and products were in the solution of the identified problems. The first study of the research was carried out with 17 students studying in the 10th grade of a private Anatolian high school in the 2017-2018 academic year. The study group of the research consists of 80 students studying at the 10th grade level of the same private Anatolian high school in the 2019-2020 academic year. Qualitative data were collected through interviews with students, video recordings, forms for analyzing living things and products, process evaluation forms and field notes. Quantitative data were collected by Grasha-Riechmann Learning Styles Inventory, Multiple Intelligence Theory Evaluation Scale and design performance evaluation rubrics.  Quantitative data were collected to support the qualitative data. The qualitative data were subjected to content analysis and the quantitative data of the research were analyzed with the SPSS 29.0 program.
In the research, in parallel with the problems determined before the research, findings were obtained that there were problems in recognizing, analyzing and adapting the existing models before the design in STEM activities, and that there were difficulties in planning the design process, recognizing the materials, choosing the appropriate ones, and making the prototype ready. The findings show that the analyzing process of biomimicry and reverse engineering education has positive contributions to students can show the information they learned in the lessons in their designs, plan the design development process, get to know materials, develop new perspectives, make innovative and applicable designs, make prototype with appropriate materials and calculations. It is recommended the implementation and evaluation of similar plans, in which the alternative design process model developed in this research is integrated, into different branches and levels.