Mekanik öğretiminde Arduino tabanlı STEM ve Algodoo tabanlı simülasyon'un etkilerinin araştırılması
Investigation of the effects of Arduino-based STEM and Algodoo-based simulation on mechanics teaching
Yazar: ATAKAN ÇOBAN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA EROL
Dokuz Eylül Üniversitesi / Eğitim Bilimleri Enstitüsü / Matematik ve Fen Bilimleri Eğitimi Ana Bilim Dalı / Fizik Öğretmenliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Eğitim ve Öğretim = Education and Training

Özet:
Bu araştırmanın temel amacı fizik dersi mekanik konularının öğretiminde Arduino tabanlı STEM Eğitimi ile Algodoo tabanlı Simülasyon Destekli Eğitim (SDE) uygulamalarının lisans öğrencilerinin bilişsel alan düzeylerine ve bilimsel yaratıcılıklarına etkilerinin araştırılmasıdır. Bu amaca uygun olarak vektörler, kinematik, dinamik ve iş-enerji ünitelerinin öğretimi üzerine Arduino mikrokontrolcü kullanılan STEM ve Algodoo simülasyon programı kullanılan SDE öğretim materyalleri geliştirilmiştir.
STEM uygulamaları Arduino tabanlı üç boyutlu öğretim materyallerinin geliştirilmesi, materyallerin deneysel süreçte kullanımı ve elde edilen verilerin matematiksel denklemler kullanılarak analiz edilmesi süreçlerini içermektedir. STEM materyal geliştirme sürecinde üç boyutlu materyal tasarım, Arduino için robotik kodlama ve elektronik bağlantılar yer almaktadır. Materyal tasarımından veri analizine kadar tüm uygulamalar sınıfta öğrenciler ile yapılmış ve dolayısıyla üniversite seviyesinde STEM alanlarının tamamına yönelik kazanımların yer aldığı yenilikçi bir öğretim süreci tasarlanmıştır. SDE uygulamalarında ise interaktif simülasyon programı olan Algodoo, üç farklı şekilde öğretim sürecinde kullanılmıştır. Bu süreçlerin birinde önce anlatım yapılıp ardından günlük hayat karşılığını göstermek adına simülasyon tasarlanmıştır. Bir diğerinde kaynak kitapta yer alan problem çözüldükten sonra pekiştirmek adına simülasyon tasarlanarak sonuçlar analiz edilmiştir. Bir başka kullanım türünde ise tüm anlatım sürecinde doğrudan Algodoo kullanılarak önce durum gösterilip sonra durumu açıklayan yasalar anlatılmıştır.
Araştırmanın modeli iki deney gruplu ön test-son test yarı deneysel modeldir. Araştırmanın çalışma grubunu Türkiye'de bir devlet üniversitesinin Fen Bilimleri Eğitimi lisans programında iki farklı şubede öğrenim gören toplam 61 öğrenci oluşturmaktadır. Şubelerden biri STEM grubu (n=28) diğeri ise SDE grubu (n=33) olarak belirlenmiştir ve 4 haftalık deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Çalışmalar kapsamında fen bilimleri öğretmen adaylarının bilimsel yaratıcılık düzeyleri daha önceden hazırlanan Bilimsel Yaratıcılık Ölçeği (BYÖ) ile ölçülmüştür. Bilişsel alan düzeylerini ölçmek için kullanılan Mekanik Konusu Zenginleştirilmiş Bilişsel Alan Ölçeği (MKZBAÖ) ise tez çalışmaları kapsamında geliştirilmiştir. BYÖ ve MKZBAÖ uygulama öncesinde ve uygulama sonrasında gruplara uygulanmış ve elde edilen veriler SPSS 23.0 istatistik programı kullanılarak analiz edilmiştir.
Elde edilen bulgular ışığında hem STEM grubu hem de SDE grubunda grup içi değerlendirmede BYÖ ön test ve son test puan ortalamaları arasında anlamlı fark tespit edilememiştir. Benzer şekilde gruplar arası değerlendirmede BYÖ puanlarının hem ön test hem de son test ortalamaları arasında anlamlı bir fark olmadığı tespit edilmiştir. Bilişsel alan ile ilgili yapılan analiz sonuçları ise, STEM grubu ve SDE grubu öğrencilerinin MKZBAÖ uygulama sonrası puan ortalamalarının uygulama öncesine göre istatistiksel olarak anlamlı derecede daha yüksek olduğunu göstermektedir. Hem STEM hem de SDE gruplarının bilişsel alan alt bölümleri olan vektörler, kinematik, dinamik ve iş-enerji üniteleri için grup içi son test puanlarının ön test puanlarına kıyasla anlamlı derecede daha yüksek olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Ayrıca STEM ve SDE gruplarının MKZBAÖ toplam puanları ve alt puanları ile ilgili gruplar arası değerlendirmede anlamlı herhangi bir fark bulunamamıştır. Öğretmen adaylarının bilişsel alan düzeylerinin daha yüksek olduğu alt bölümler ise vektörler ve kinematik üniteleridir. Son olarak, uygulama öncesinde ve uygulama sonrasında bilişsel alan ile bilimsel yaratıcılık arasındaki korelasyonun SDE grubunda nötr ve anlamsız, STEM grubunda ise zayıf ve anlamsız olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
The main purpose of this study is to investigate the effects of Arduino-based STEM Education and Algodoo-based Simulation Supported Education (SSE) applications on the cognitive domain levels and scientific creativity of undergraduate students in teaching mechanics topics in physics course. In accordance with the determined purpose, STEM teaching materials using Arduino microcontroller and SSE teaching materials using Algodoo simulation program were developed for teaching vectors, kinematics, dynamics and work-energy units.
STEM applications involve the development of three-dimensional teaching materials based on Arduino, the use of these materials in the experimental process and the analysis of the obtained data using mathematical equations. The STEM material development process includes three-dimensional material design, robotic coding for Arduino and electronic connections. All applications, from material design to data analysis, were conducted with students in the classroom, thereby creating an inovative teaching process encompassing all areas of STEM at the university level. In SSE applications, Algodoo, an interactive simulation program, was employed in three different means in the teaching process. Firstly, a simulation was designed to show the daily correspondence after the lecture. Secondly, a simulation was designed to reinforce the results after solving the problems and the results were analysed. Thirdly, the laws explaining the situation were explained directly using Algodoo throughout the lecture process.
The research model is a pretest-posttest quasi-experimental model with two experimental groups. The study group of the research consisted of a total of 61 students studying in two different branches of the Science Education undergraduate program of a state university in Turkey. One of the branches was determined as the STEM group (n=28) and the other as the SDE group (n=33) and 4-week experimental studies were carried out. Within the scope of the studies, pre-service science teachers' scientific creativity levels were measured with the Scientific Creativity Scale (SCS) prepared previously. The Mechanics Subject Enriched Cognitive Domain Scale (MSECDS) used to measure cognitive domain levels was developed within the scope of the thesis studies. SCS and MSECDS were administered to the groups before and after the application and the data obtained were analyzed using SPSS 23.0 statistical program.
In the light of the findings obtained, no significant difference was found between the SCS pre-test and post-test mean scores in both the STEM group and the SSE group. Similarly, it was determined that there was no significant difference between the pre-test and post-test averages of SCS scores in the comparison of the groups. The results of the analysis related to the cognitive domain show that the mean scores of the STEM group and the SSE group students after the MSECDS application were statistically significantly higher than before the application. It was concluded that the in-group post-test scores of both STEM and SSE groups for the cognitive domain sub-sections of vectors, kinematics, dynamics and work-energy units were significantly higher than the pre-test scores. In addition, no significant difference was found in the evaluation in which the STEM and SSE groups were compared in terms of MSECDS total scores and sub-scores. The sub-sections where pre-service teachers' cognitive domain levels were higher were vectors and kinematics units. Finally, it was determined that the correlation between cognitive domain and scientific creativity before and after the intervention was neutral and insignificant in the SDE group and weak and insignificant in the STEM group.