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编译：庄纯珍 东南大学脑与学习科学系 研究生导师：柏毅 作者：Gulbin Ozkan & Unsal Umdu Topsakal   【摘要】：背景：STEAM教育是“科学、技术、工程、艺术和数学”的首字母缩写词，目前只有少数实验研究调查了STEAM教育对概念学习的影响。因此，本文探讨了STEAM教育培养的学生对科学内容的概念理解的有效性。目的：本研究目的是调查 STEAM 教育在培养 7 年级（13-14岁）学生对力和能量主题的概念理解方面的有效性。样本：研究样本包括来自土耳其中学7年级两个不同班级（实验组和对照组）的 74 名学生。设计和方法：使用了实验性嵌入式混合方法设计，主要基于定量数据、定性数据集来分析得出结果。实验组采用 STEAM 方法进行教学，而对照组采用常规科学课程进行教学。研究数据是通过力和能量概念测试以及对十名实验组学生的半结构化访谈收集的。结果: STEAM 教育对学生的概念理解产生积极影响，并减少学生的概念误解的数量。此外，实验组在后测中概念理解的分数显著高于对照组。学生表示，STEAM 教育构建以学习者为中心的学习环境，促进了学生的概念理解。结论：STEAM 教育有助于学生理解概念。本研究通过调查 STEAM 教育方法对学生概念理解的影响，为文献做出贡献。 【关键词】：概念学习,中学生,科学教育,steam,stem 1. 引言 科技的快速发展导致对教育的需求日益增加，以帮助社会适应这些变化。这导致了新的教育方法的发展，其中之一是 STEM（科学、技术、工程、数学）。这种方法围绕一个共同的主题，学科之间通过主题联系，学生在不同的学科中学习。2011年，韩国教育、科学和技术部提出了STEAM（科学、技术、工程、艺术和数学）模式，将第五个学科艺术添加到STEM中。在韩国，STEM与艺术的结合可以提高学生成绩，培养学生创造力。因此，STEAM教育将艺术和设计作为教育过程的一个重要组成部分，让学生更好的面对21世纪。 1.1 研究的理论框架 在世界范围内STEAM教育的研究在不断增加。但在目前研究中，缺乏STEAM 教育对概念学习影响的实验研究。本研究通过实施 STEAM 教育活动对学生对主题（力量和能量）概念理解的影响，为文献做出贡献。 在这项研究中，我们使用基于学生学习背景进行主题整合——力和能量，从其他学科（技术、工程、艺术和数学）中获取有关背景知识使学习内容更合适。虽然科学内容是重点，但其他学习背景有助于教师放置学习内容。因此，本研究采用了以科学和艺术为基础的方法来教授主题——力和能量。 1.2 研究目的 本研究旨在调查使用 STEAM 方法向学生教力量和能量主题的课程，研究教学方法对他们对这些主题的概念理解的影响。我们选择了力和能量单元的原因是它们对学生来说是抽象的，大多学生容易误解。该单元包括质量和重量之间的区别、固-液-气压力、功-力关系、能量-功关系、能量转换、能量守恒和摩擦力主题。 研究问题如下： 1. 学生在教学前后各自的概念理解水平如何？ 2. 学生们对STEAM教育对他们概念理解的影响有何看法？ 2. 方法 2.1 研究设计 本研究采用实验性嵌入式混合方法设计（图1）。使用嵌入式混合方法，首先分析定量数据得出结果，然后用定性研究结果支持研究结果。实验后收集定性数据。在研究的数据收集、数据分析和数据解释阶段，同时使用定量和定性数据。  图1 嵌入式混合方法设计 该研究由一个实验组和一个对照组组成。两组都遵循相同的课程学习要求，但使用了不同的学习方法。实验组通过STEAM 活动学习力和能量单元。对照组通过土耳其国民教育部建议的方法学习相同的主题，学习课本中提供的活动和例子，教师使用基于2013年科学课程的教学方法（通俗易懂、问答和科学课本活动）进行教学。 2.2 样本 这项研究是在土耳其伊斯坦布尔中学7年级的两个班级进行的。参与者的年龄从 13 岁到 14 岁。这所学校是从公立学校名单中随机抽选的，选择两个有相同老师的班。在本研究中，实验组有37名学生（16名女生，21名男生），对照组有37名学生（9名女生，28名男生）。从实验组中选出10名学生参加实验后访谈：科学成绩最高的4名学生，科学成绩最低的4名学生，以及对老师的活动非常感兴趣的2名学生。 2.3 流程 该研究在 2016-2017 学年秋季学期实施，包括7年级科学课程的力与能量单元。该研究持续了11周（每周4小时）：9周用于实施，2周用于测试。在实验前后对每组进行了两类力和能量概念测试前测和后测。研究人员开发了力和能量概念测试来定义学生的概念理解。后测以后，对十名学生进行了半结构化面试。 研究人员根据土耳其教育部（2013年）制定的学习目标，开发了九项动手 STEAM 活动，每一个活动都与课程中的每个学习目标对应。 表1 根据学习目标分布的STEAM 活动  在这项研究中，研究人员使用了一种基于韩国科学与创意发展基金会提出的创意设计步骤（目标设定、规划和设计、设计分析、制作、测试和评估）的方法。这些步骤是 STEAM 教育的特征。如下所示表 2. 表2 STEAM教与学的步骤  第一步，给学生一个场景，构建问题情境。 第二步，学生们产生想法解决问题。教师解答学生的疑问和提出指导性问题来帮助学生产生各种想法。 第三步，学生们设计他们的解决方案，并画出他们的方案。 第四步，鼓励他们像科学家、工程师、艺术家、数学家或技术专家一样工作，并实施自己的方案，创造产品。教师为学生提供了尽可能丰富多彩的各种材料，帮助他们发挥创造力并激活STEAM的艺术维度。 第五步，对学生设计进行分组测试，修改不合适的设计。 第六步，学生评估其他组的产品。 在这个过程中，为了产生一个创造性的设计，学生们必须找到新的方法来解释科学现象，做出预测和表达。在完成活动的同时进行课堂讨论，以增加学生的参与，老师只是引导学生，让学生自由设计。  图2 (a) 学生正在完成他们设计的产品。(b) 学生正在测试他们设计的产品。(c) 学生正在评估他们的设计的产品 在准备好活动和教案之后，由四位专家进行了审查：两位在该领域具有10年以上经验的教师和两位专门从事科学教育的院士。他们确定课程计划适合学生的知识水平。 然后在 2015-2016 学年的秋季学期进行了预实验。另外随机选取两组初中七年级学生。一位研究人员对这些课程进行了实施，试运行后重新安排了一些学生理解困难的领域，改变了一些活动的持续时间。 2.4 数据采集 2.4.1 力和能量概念测试 开发了两类力和能量概念测试来衡量学生对该主题的概念理解。第一类由选择题组成，第二类由开放式问题组成。开放式问题可以深入检查学生的概念。 在开发力量和能量概念测试时，为了实现内容有效性，项目与土耳其教育部（2013年）制定的中学 7 年级教学计划学习目标相匹配。测试的初始版本包括30个问题，每个测试项目有四个选项（一个正确答案和三个干扰项）和一个解释部分。为确保内容有效性，三位具有10年以上经验的科学教师和三位科学教育专家对力与能量概念测试进行了检查。 开展测试试点研究，测试的初始版本有30个项目。在2015-2016学年的秋季学期，对三个中学 7 年级班级的 205 名学生进行了测试。为测试的内部一致性计算了 Cronbach 的 alpha 系数，0.793 表明测试具有令人满意的可靠性（0.70 通常被认为是可靠性所必需的）。在效度和信度过程结束时，测试包含 19 个项目，总分在0到57之间。 2.4.2 一对一访谈 在 STEAM 教学之后，实验组中的10名学生接受了一对一的半结构化访谈，时长从20 到30分钟不等。通过访谈，更详细地揭示学生对概念的理解。所有的采访都是由同一位研究人员进行的。 半结构化面试问题如下：你认为STEAM教育在学习力量和能量单元的概念方面是否有效，为什么？你认为这种影响来自哪里？你认为跨学科方法如何影响力与能量单元的概念学习？你认为这种从力量和能量单元学习概念的方法是否会导致你的兴趣发生变化？为什么？关于这种学习方法如何提高你的概念理解，你有什么想补充的吗？ 2.5 数据分析 Coştu 和 Ayas 建议的答案标准，用于分析从力和能量概念测试中收集的数据（参见表3）。 表3 分析第二类测试项目的标准  根据前测和后测，分析学生的答案以确定他们的概念。一名研究人员分析了包括前测和后测在内的第二类测试。再由另一位研究人员分析第二类测试。两位评分者的评分者间信度系数为0.94。研究人员还在 6 个月后重新评估了这些测试，测得的得分内信度系数为 0.92。得到的结果达到了评估者内和评估者间的可靠性。ANCOVA 可以用于测试因素的主要和交互作用，同时控制协同变量的影响。在协方差单因素分析 (ANCOVA) 中，在确定实验方法的有效性时，如果两组（实验组和对照组）的前测分数不相等，则将前测分数作为协同变量进行控制。 3. 结果 下面提供了从研究数据中获得的结果。图 3显示两组概念测试的前测和后测描述性结果的总数。  图3 前测和后测的两类概念测试分数 授课前，不同组别的学生对概念的理解程度分布不同。小组对力和能量概念有重要误解。两组学生中的一些学生都缺乏理解或根本没有回应。教学结束后，实验组在整个测试中的正确理解率均高于对照组。在两组中，学生不理解和没有反应的百分比都有所下降。比较前测和后测的分数，两组的第一和第二类后测的总分都有所提高。表4说明学生在学习前后的误解。实验组的具体误解减少较多。 表4 学生在前测和后测中的误解   对照组和实验组在前测中的平均得分不同。使用独立的 T 检验来确定学生的前测平均分之间的差异是否显着，并且组间存在显着差异 (t(72) = 2.042, p <.05)。 在进行的协方差分析中，力和能量概念测试的后测分数是因变量，前测分数是控制变量，不同的教学方法用作自变量。实验组的后测平均分显着高于对照组。根据 ANCOVA 结果，在根据前测分数调整的后测概念理解分数之间发现了有意义的差异 [F(1,71) = 137.924, p < .05]，表明学生的概念理解与所应用的教学方法有关。从一对一访谈中获得的三个主题下数据在表5所示。 表5 学生对 STEAM 教育理解的访谈类别  STEAM 教育在力量和能量概念学习过程中的有效性被分类为不喜欢、喜欢或中立。大多数学生喜欢 STEAM 方法。所有学生都认为跨学科学习很重要，只有一名学生认为这些课程没有用处。通过STEAM 教育大多数学生增加了对科学的兴趣，并且在教学结束时学生也对 STEAM 的其他领域感兴趣。总而言之，学生更喜欢 STEAM 教育，因为他们可以产生新事物，有趣且有启发性，他们可以像科学家、工程师或艺术家一样思考。因此，访谈表明学生发现 STEAM 教育有助于他们的概念学习。 4. 讨论和结论 第一个研究问题是研究学生各自的概念理解水平，结果表明STEAM教育对他们的概念理解产生了积极影响。教学结束后，实验组在整个测试中的正确理解率均高于对照组。两组学生的概念理解分数从前测到后测都有显着提高。 第二个研究问题涉及学生对 STEAM 教育对其概念理解的影响的看法。访谈结果表明，学生发现 STEAM 教育有助于他们的学习和有效学习、产生新事物、获得乐趣、提高自我效能，该方法在学生的学习过程中发挥了关键作用。 作为混合方法研究的结果，得出的结论是，STEAM 教育对于教授所选的力和能量概念很有用。由于 STEAM 教育是以学习者为中心的环境，学生积极地参与跨学科知识互动，它促进了学生的概念理解。STEAM 教育为学生提供探索抽象物理概念的实践经验。 本研究的结果为整合 STEAM 提供了一些视角，可以提出以下建议。 科学教育者可以在 STEAM 教育中提供一个增加创造力可能性的环境。应激发学生的积极性，他们的意愿对于设计过程的成功至关重要。此外要开发可能有多种解决方案的问题。要更多地关注 STEAM 领域的课程实践，并通过密切关注科学和技术的新发展来改进 STEAM 活动。 本研究的局限性是样本量相对较小。在未来的研究中，可以通过应用不同的年龄组来评估 STEAM 教育对概念理解的影响。还应该在其他科学科目中进行类似的研究，进一步考虑艺术对 STEM 学习的影响。 原文：DOI：10.1080/02635143.2020.1769586 |
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