Ortaöğretim matematik öğretmen eğitimi programına STEM entegrasyonu: Bir ders örneği

Abstract

STEM (Fen, Teknoloji, Mühendislik ve Matematik) eğitimi son yıllarda gerek dünyada gerekse ülkemizde üzerine yoğun çalışmaların yapıldığı bir eğitim yaklaşımıdır. Henüz tam olarak kavramsallaştırılamamış bu eğitim yaklaşımının ülkemiz eğitim sitemine nasıl entegre edilebileceği ile ilgili çalışmalar, hem ülkenin önde gelen sanayi kuruluşlarının hem de Milli Eğitim Bakanlığı'nın çağrıları ile devam etmektedir. Bu çalışmada, STEM eğitimi yaklaşımının en önemli paydaşlarından, bu eğitimi uygulayacak ve öğrencilere bu yaklaşımla eğitim verecek olan öğretmenlerin nasıl yetiştirilebileceklerine dair bir ders örneği tasarlanmaya çalışılmıştır. Bunun için öğretim programımızda kendisine yer edinmiş ve daha iyi kavramsallaştırılmış bir teorik model olan matematiksel modelleme teorik çerçeve olarak kullanılmıştır. Çalışmada hem nitel hem de nicel verilere ihtiyaç hissedildiği için karma yöntem kullanılmıştır. STEM eğitimi yaklaşımının öğretmen eğitimine entegre edilebilmesi için matematiksel modellemeden yararlanılarak en verimli olabilecek bir ders tasarlanması amaçlanmıştır. Bu amaca ulaşabilmek için karma yöntem tasarım tabanlı araştırma deseni ile kullanılmıştır.Araştırmada, farklı tasarımlarla uygulamalar yapılarak en verimli olan tasarım elde edilmeye çalışıldığı için üç ayrı çalışma grubu ile çalışılmıştır. Birinci çalışma grubu fen edebiyat fakültesi mezunu 22 öğrenciden oluşmaktadır. İkinci çalışma grubu yine fen edebiyat fakültesi mezunu 24 öğrenciden oluşmaktadır. Üçüncü çalışma grubu ise eğitim fakültesi 2. ve 3. sınıflarında okuyan 40 öğrenciden oluşmaktadır.Araştırma, her üç çalışma grubunda da benzer süreçler takip edilerek gerçekleştirilmiştir. İlk önce öğrencilerin problem çözme ve matematiksel modelleme yeterliklerini belirleyebilmek için ön test olarak matematiksel modelleme testi uygulanmıştır. Ardından STEM eğitimi bağlamında tasarlanan matematiksel modelleme etkinlikleri uygulanmıştır. Daha sonra öğrencilerin problem çözme ve matematiksel modelleme becerilerindeki gelişimini gözlemleyebilmek için son test olarak birinci teste paralel ikinci matematiksel modelleme testi uygulanmıştır. Son olarak katılımcıların tüm bu süreçlerle ilgili görüşlerini almak için yarı yapılandırılmış mülakatlar gerçekleştirilmiştir. STEM eğitimi bağlamında matematiksel modelleme etkenlikleri uygulanırken birinci tasarımda ilk önce öğrenciler gruplara ayrılmış ve matematiksel modelleme problemi dağıtılarak öğrencilerden problemi teorik olarak çözmeleri istenmiştir. Ardından problemin çözümü için gerekli ve uygun materyaller gruplara dağıtılarak problemi bu materyalleri kullanarak uygulamalı olarak çözerek teorik çözümlerini kontrol etmeleri ve eğer teorik çözümlerinde hataları varsa düzeltme yapıp raporlamaları istenmiştir. Uygulamalı çözümlerin ardından ikinci modelleme testi ve mülakatlar gerçekleştirilmiştir. İkinci tasarımda birinci tasarımdaki benzer süreçler takip edilmiştir. Ancak bu tasarımda birinci tasarımdaki uygulamanın tersi yapılmış, yani ilk önce aynı problemin materyallerle uygulamalı çözümü yapılmış ardından teorik çözüm istenmiştir. Birinci ve ikinci tasarımdan elde edilen veriler ayrı ayrı analiz edildikten sonra bu veriler birleştirilerek tekrar analiz edilmiştir. Bu analizlerin ardından üçüncü çalışma grubuna uygulanacak çalışmanın tasarımına karar verilmiştir. Toplanan verilerin ve araştırmacının gözlemleri doğrultusunda üçüncü çalışma grubuna ilk tasarımın uygulanmasına karar verilmiş ve birinci tasarım zenginleştirilerek (etkinlik sayısı artırılarak) üçüncü tasarım aynı süreçler takip edilerek uygulanmış ve tasarımın verimliliği teyit edilmiştir.Araştırmalardan elde edilen bulgulara göre öğretmen adaylarının matematiksel modelleme ve problem çözme yeterliklerinde ilerleme kaydedildiği Wilcoxon T testi sonuçları ile ortaya konmuştur. Matematiksel modelleme ile problem çözmede eğitim fakültesi öğrencilerinin fen edebiyat fakültesi öğrencilerinden daha başarılı olduğu görülmüştür. Yapılan çalışmalarda öğretmen adaylarının bazı matematiksel modelleme basamaklarını sergilemede yetersiz oldukları gözlemlenmiştir. STEM bağlamında yapılan uygulamalı çözümlerin matematiksel modellemenin zayıf kaldığı bazı basamaklara önemli ölçüde katkı sağladığı ve matematiksel modellemenin de STEM eğitiminin sınıflarda uygulanabilmesi için önemli bir basamak olduğu sonucuna varılmıştır. Yapılan çalışmalar sonucunda öğretmen adaylarının problem çözümlerinde gerekli ve uygun materyaller sağlandığında bunları kullanabilme becerilerinin yeterli olduğu gözlemlenmiştir. Yapılan görüşmelerde öğretmen adayları STEM bağlamında materyallerle desteklenerek somutlaştırılan günlük hayat problemlerinin öğrenemeye ve öğrencilerin matematiği günlük hayatla ilişkilendirmelerine önemli ölçüde katkı sunacağını belirtmişlerdir.Araştırmanın sonuçlarına göre STEM bağlamında yapılan bu tarzdaki matematiksel modelleme etkinliklerinin zaman alıcı olduğu ve mevcut müfredata uygunluğunun tartışılır olduğu sonucuna varılmıştır. Ayrıca öğretmen adaylarının öğretmen olduklarında öğrencilerine grup çalışması yaptırabilme yeterliklerinin eksik olduğu tespit edilmiştir. Araştırmada STEM eğitiminin eğitim sistemimize uyarlanabilmesi için matematiksel modellemenin bir araç olarak kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. Ancak bunun için daha çok akademik çalışmaya ihtiyaç vardır. Üniversitelerde öğretmen eğitimi programlarında STEM uygulamalarını içeren ders içerikleri hazırlanmalı ve öğretmen eğitimlerinde etkin bir şekilde kullanılmalıdır. Bu uygulamaların okullarda zaman kaygısı taşınmadan rahat uygulanabilmesi için uygulamalara özgü ek bir ders konulabilir. Ayrıca öğretmen adaylarının grup kontrolü için gerekli olan yeterlikleri üniversite hayatlarında kazanabilmeleri için ek çalışmalar yapılmalıdır. Son olarak STEM eğitimi ve matematiksel modellemenin birlikte kullanımına yönelik daha çok çalışmalara ihtiyaç vardır.

STEM (Science, Technology, Engineering, and Maths) Education is an educational approach that is widely researched in our country and all over the world. Researches are still being done on how to integrate this yet-to-be conceptualized approach into our educational system, with the call and support of the ministry of national education and of the primary industrial companies.This study aims to design a class demonstration regarding how to train teachers being one of the primary shareholders of the global STEM idea who are expected to use this approach in their teaching. For this, mathematical modeling, a better conceptualized theoretical model, and taken its place in our high school mathematics curriculum, has been used as a theoretical framework. This study needs to have both the qualitative and the quantitative data, so the mixed method approach has been used. The mixed method was used with the design based research approach because, the aim is to develop an efficient lesson design by using mathematical modelling in order to integrate STEM educational approach to teacher training.As the study aims to have the most effective design by doing applications with different designs, three separate study groups have been studied. The first study group includes 22 students from the college of arts and sciences. The second group consists of 24 students from the same college. As for the third group, it includes 40 sophomore and junior year faculty of education students. This research was carried out through similar processes in all three study groups. Firstly, mathematical modelling test was done in order to find out problem solving and mathematical modelling abilities of the students. Then mathematical modelling activities, designed as a part of STEM education, were also conducted. After that, a second mathematical modelling test corresponding with the first one was given in order to observe problem-solving and mathematical modelling abilities of the students. Finally, semi-structured interviews were carried out to have thoughts of the participants regarding all of these processes.When conducting mathematical modelling activities in the context of STEM, in the first design, students have been separated into different groups and were handed out mathematical modelling problems and asked for solving them theoretically. After that, appropriate materials to solve the problem had been handed out and the students were asked to solve the problem by using these materials and verify their theoretical solutions with them, correct and report the errors if there were any. After the practical solutions, second modelling test and interviews were done. In the second design, similar processes with the first one were conducted. However, this design was the reverse of to the first design, first asking students solve the problems practically and theoretical solutions came after that.After analyzing the data from the first and second designs separately, the data from the two designs were analyzed collectively this time. After these analyses, using the data gathered from the first two phases of the study and from the observation of the researcher, it has been decided to apply the first design to the third group. Enriching the first design (by increasing the number of events), third design was carried out by the same processes, and its effectiveness was confirmed.According to the data collected from the research, improvement in mathematical modelling and problem-solving sufficiency of teacher candidates were shown with the results of Wilcoxon T test. It was also observed that students of the faculty of education were more successful at mathematical modelling and problem solving, compared to the students of faculty of arts and sciences. it has been observed that teacher candidates, in general, were not sufficiently competent enough to exhibit some of the steps in the mathematical modelling process. It was observed that applied solutions made in the context of STEM caused huge improvements in the areas where mathematical modelling, used alone, was not sufficient enough to produce the expected results, and mathematical modelling was emerged as an important tool that helps the use of STEM education practices in the classroom. As a result of the studies done, it has been observed that teacher candidates' ability to use the appropriate materials is sufficient. In the interviews, the teacher candidates stated that daily life problems concretized with materials in accordance with STEM education helps learning and makes a significant contribution to have the students link mathematics with the daily life.According to the research results, it is concluded that type of mathematical modelling used in this study, made as a part of the STEM may take too much time, and its appropriateness regarding the curriculum is debatable. Also, it has been noticed that there are deficiencies in teacher candidates' ability to use classroom grouping approaches.In this research, it has been concluded that mathematical modelling can be used as a means of adapting STEM education to our education system. However, more research is needed to develop the idea. It is necessary to prepare course content having STEM applications in teachers' training programs at universities, and this content should be used efficiently in teachers' training programs. In order to apply these applications easily without the time pressure, having a special course regarding this application can be considered. Also, there is a need for further studies in order to develop the teacher candidates' skills to manage groupwork in their university life. Finally, more studies are needed for the collaborative use of STEM education and mathematical modelling.