太阳能背景下基于5E的STEM教育对女初中生创造力和学业成绩的影响探究

作者：方莹 东南大学脑与学习科学系，儿童发展教育研究所

研究生导师：柏 毅、夏小俊

【摘要】：通过向学生提供必要的知识、态度和技能，有效的科学教学可以为他们在社区中生活和面对挑战做好准备。能源教育是科学教育中最重要的课题之一，而STEM是一种可以用于能源教育的新方法。本研究以太阳能为背景，探讨其对女生学习能力和创造力的影响。研究人群为2020-2021学年Qarchak市初中九年级女生，样本共143人，采用随机抽样的方法分为对照组和实验组两组。实验组的学生接受了基于5e的关于能量和能量转换概念的STEM教育，为期7节(每节35分钟)作为远程学习。ANCOVA分析表明，采用基于5E的STEM方法进行科学教学可以显著提高女学生的创造力以及科学和数学学习成绩。对创造力分量表的影响并不相同，对原创性和精细化的影响更大。此外，在实验组中，科学和数学方面的顶尖人物(5%)与整体创造力方面的顶尖人物(5%)之间有50%的重叠。这种重叠在灵活性子尺度中达到最大值(75%)

【关键词】：学术成就.创造力.能源教育.探究.STEM教育

一、介绍

人们需要适应创新，以应对信息技术时代的快速变化。为了让人们适应创新，拥有创造力、批判性思维、研究、质疑、解决问题和协作的技能是21世纪非常重要的技能(Ugras, 2018)。基于情境的问题解决可以被认为是STEM教育的一个特点。STEM可以被定义为通过让学生参与工程设计过程来帮助他们获得解决现实问题的技能，在这个过程中，学生被迫通过他们的工程设计过程应用和获取相关科学和数学知识(Ting, 2016)

在我们的日常生活中发挥重要作用的重要思维技能之一是创造力(Kylonen, 2012)。多年来，各个领域的创造力受到欢迎，教师在课堂上使用的方法表明，它可以提高学生的创造力，例如鼓励独特的想法、冒险、从错误中学习和探索新主题(Perignat & katz - buonincontrol, 2019)。支持个人获得这些技能并适应当今条件的创新方法之一是STEM教育，它通过跨学科关系提供了一个全面的学习和教学环境。它涉及一个以设计为导向的学习过程，具有创新的视角(Baran等人，2015;托马斯,2014)。

STEM教育最有效的模式之一是基于STEM教育中科学概念有意义学习的5E探究式教学模式。这种基于探究的教学模式中的5E循环是由Bybee (Bybee, 1997)首先提出的。这种方法包括5个阶段:参与(将学习者的注意力吸引到主题上)、探索(进行动手调查，学习者可以在其中探索概念或技能)、解释(从经验和观察中汲取知识，发展概念和理解)、阐述(将学习者所学到的知识应用到新的情境中，并发展更深层次的理解)和评价(对学生和学习的评价——回顾和反思学生的学习，以及他们新的理解和技能)。

过去二十年的研究表明，在发达国家和发展中国家，能源教育作为新知识的存在是必不可少的(Acikgoz, 2011)。在可再生能源的类型中，考虑到伊朗的地理位置和气候条件，太阳能的使用似乎非常合适。学生可以通过设计、建造和测试不同的产品来理解现有的技术过程，这些产品使用能源来满足人类的需求(Grubbs & Deck, 2015)。了解太阳能使用和清洁环境之间的直接关系，对K-12学生来说非常重要，因为他们最终决定了影响太阳能使用的政策。因此，有必要对学生进行教育，并在这方面编写适当的教育材料(Goswami, 2001)。通过STEM教育在日常生活中关注这一概念，可以在相关技术的生产中产生意义。此外，在这个学习过程中，培养创造力作为思维技能的关键因素进行了研究。基于以上讨论，研究问题如下:

(1)基于5E的STEM教育干预在多大程度上影响女生初九年级理科课程的学习成绩和创造力?

(2)基于5E的STEM教育干预对女生初中9年级学生创造力量表的影响程度有多大?

二、方法

本研究设计为准实验前-后测试，参与者被分为对照组和实验组(Cohen et al, 2018)。本研究的统计人群包括2020-2021学年在德黑兰省Qarchak市学习的所有女中学生。在伊朗九年级的国家课程中有关于太阳能中的能量和能量转换的概念，因此本研究的研究是在九年级进行的。研究样本以学校为样本，包括四间九年级(14.83±0.53岁)的科学教室。在随机抽样的基础上，将女学生分为对照组(71名)和实验组(72名)。每个小组被安排在两个教室里，该地区在太阳能方面具有良好的条件，可以将STEM教育获得的技术用于日常生活。

本研究使用的工具包括1974年出版的Torrance创造力测试，视觉形式B，以及为教育过程设计的教育内容。学生在自然科学和数学课程的成绩，是用来评估他们的学习表现。期中和期末考试分别在实验教学前后进行。首先，在实验教学项目实施前，教师根据课程内容编制试题，安排期中考试，评估学生对理科和数学课程的学习情况。

对照组女生按照网络讲座(传统方法)的方式进行培训，实验组根据基于5E的 STEM方法设计的内容，在电子平台上进行远程培训，在家中进行活动。实验组和对照组的教师相同，对照组和实验组的学生采用Torrance创造力测验作为前测和后测。

为了检验设计内容的效度，我们采用专家调查法来确保内容的效度，为此，我们采访了从事科学教育的教师和几位科学教师。采用Cronbach’s alpha法确定Torrance创造力测验的信度。托兰斯创造力测验的信度系数为0.898。

托伦斯创造力评估测试在教育研究中被广泛和持续地使用，是最受欢迎的发散性思维测试之一。测试根据《托伦斯手册》进行，测试内容如下:学生被告知有三个有趣的活动。在每个活动中，学生被要求提出有趣和不寻常的想法。因此，在本研究中，创造力分量表及其总分均被评价为整体创造力。每项活动及其评价程序说明如下:

活动1:制作一个图像

学生们被要求使用铅笔、蜡笔或钢笔在他们想到的任何形状上添加线条或其他组件，然后为他们的形状选择一个标题。

活动2:完成

学生在10分钟内将未完成的

变成自己喜欢的

，并为自己选择一个有趣的标题，写在自己想要的形状下。本次活动的独创性和阐述方面的得分方式与前一次活动相同。这个活动还测量流利度和灵活性.

活动3:圆圈

在这个活动中，给学生一组30个圆。目标是使用给定的圆绘制形状。圆可以单独完成，也可以相互连接形成一个统一的形状。活动时间为10分钟，创意和阐述评分与以往活动相同。但对于流畅性，重复的形状不包括在分数中。

2.1. 设计太阳能背景下能量转换和传递概念的教育内容

内容设计在初中九年级进行，以太阳能背景下基于5基STEM教育的能量转换和转移概念为背景。5E探究周期有五个阶段:参与、探索、解释、评估和细化。分能源、能源转换与转移、能源形式、影响更多太阳能吸收的因素、节能定律、合理能源消耗、能源介绍与环境保护七个环节进行内容设计。在学习了概念之后，学生们在STEM教育的5步工程设计过程中，包括提问、想象、设计、创造和改进，借助数学构建和改进日常生活中使用太阳能的理想技术。为实现太阳能城市，考虑了太阳能热水器、太阳能海水淡化器、太阳能炉具、太阳能充电器等技术。

课程计划是根据5E探究周期和工程设计过程中提到的项目来设计课程内容的。在教案中，规定教师在一定时间内结合教育目标所能进行的教育活动，然后对学习过程进行持续的评价。

表1.基于5E的STEM教育课程中如何编写和呈现内容给学生

2.2  . 教育内容的实施

结合设计内容的实施，在具有WhatsApp、Telegram等功能的虚拟学生教育网平台Shad上对两组(实验组和对照组)进行了教育。对照组在3次训练中(每次35分钟)教授概念。对照组的传统教学方法是，在每一节课中，在播放教学视频(其中期望的概念以讲座的形式表达)之后，将科学教科书问题的答案(包括自测和研究)作为家庭作业发给学生。然后，把作业交给老师，给学生必要的反馈。

实验组实施完成后，两组同时进行后测。设计内容的实施每周分两次进行，共七次，每次时间为35分钟。每次结束后，给学生一天的时间提交他们的报告。在采用5E探究法的六个环节中，学生们通过5E探究周期实现了期望的概念，而在第七环节中，学生们按照STEM的方法进入工程设计过程，通过5E探究法应用前几个环节学到的概念，利用数学知识，进行工程设计过程。在太阳能背景下构建技术来解决问题(表2)。学生将包括实验和技术在内的作业以视频文件的形式发送给老师，并解释了构建过程和结论。在审查了每节课的作业后，在培训期间向学生提供必要的反馈，以便完成教育过程以实现设定的教育目标。最后，学生们将在校园里举办的展览中制作的技术进行了展示，并对参观者进行了必要的解释(图1)。

图1.学校的科技展

三、结果

以测试后分数为因变量，测试前分数为协变量，通过ANCOVA分析确定了学习模式(传统、基于STEM的教育)对学生创造力的影响。满足ANCOVA分析的假设。研究变量(科学和数学的学术成就测试和创造力)之间的相互作用子量表和分组并不重要。这意味着协变量的回归斜率在处理之间没有差异:回归斜率的同质性假设似乎几乎完全成立。在95%置信水平下，结果见表2。结果表明，实验条件的主要影响很简单，因此基于5E的STEM教育设计与传统设计在培养创造力和提高科学和数学学习成绩方面的评价存在显著差异。协方差分析结果显示，基于5E的STEM方法的科学教育在组内引起了显著性水平0.05的变化。从两组的平均值来看，很明显，实验组的整体创造力及其子量表的测试后得分比对照组的测试后得分有所提高。此外，实验组与对照组的科学学业成绩在95%的置信水平上存在显著差异，这表明基于5E的STEM教育在科学课程教学中的显著有效性。本研究的有趣之处在于科学教育中的STEM方法对数学学习成绩的影响，使得实验组的学生在相同的数学教学方法下，年终学业成绩测试的成绩显著提高。

表2.学习表现、创造力及相关子量表的ANCOVA分析

与对照组相比，这种效果可以归因于学生创造力的提高和思维能力的上升趋势。这意味着“通过5E基础STEM教育教授能源概念对恰恰克市九年级女高中生的创造力和学生、科学和数学学习成绩有积极影响”。因此，可以说，在科学教学中实施基于5E的STEM教育，有效地提高了学生在各个子量表上的创造力以及在科学和数学方面的学习成绩。基于部分η2来自ANCOVA分析，51.2%，13.5%和38%的科学和数学的整体创造力和学习表现的所有方差分别归因于STEM教育。在精化、原创性、灵活性和流畅性方面，这一数值分别达到51.5%、46.2%、13.4%和6%。因此，可以说，太阳能背景下基于5E的STEM能源教育对学生的科学学习产生了影响，影响了学生的创造力，其中独创性和精细化两个子量表的创造力显著增加，达到了最高的效果，尽管其对流畅性和灵活性的影响是显著的。

此外，实验组在数学课程上的分数比对照组的分数增加更多，两门课程之间存在显著的关系，另一方面，Pearson相关检验的结果显示，研究群体中数学和科学两门课程的分数之间的Pearson相关系数为0.748，在99%的置信水平上显著。对实验组和对照组的数据进行检验，相关系数分别为0.799和0.646，在99%的置信水平下显著，表明实验组学生的相关系数与基于5E的STEM教育的相关系数值高于对照组学生。此外，在对照组和实验组中，创造力总分与科学和数学学业成就测试之间没有显著的相关性。表3对实验组整体创造力及其子量表在前测和后测两种模式下的Pearson相关系数检验显示，在前测和后测模式下，精化子量表与整体创造力的相关系数最高。

表3.实验组创造力相关矩阵

表4.对照组创造力相关矩阵

尽管这种相关性在测试后模式中略有下降。因此，与测试前相比，测试后模式下独创性与流畅性和精化之间的相关性急剧下降。在对照组中检查这些结果(表4)可以看出，与实验组一样，精细化与整体创造力的相关系数最高，而在对照组中，创造力的某些子量表的相关系数急剧下降，可以观察到，灵活性与独创性之间的相关性下降幅度最大。

四、结论

在通信和信息技术时代，采用STEM教育方法可以有效地解决现代世界在能源、卫生、环境和自然资源方面的全球性挑战。本研究旨在探讨太阳能背景下基于5E的STEM教育对九年级女高中生在能源教育中的创造力和学习绩效的影响。基于5E的STEM教育中的太阳能背景可以创造一个支持性的环境，以培养创造力，鼓励学生独立思考、探索和玩耍，观察和反思，并提出不同寻常的问题。在能量教育过程中，我们发现基于5E的STEM教育实验组学生的创造力及其分量表后测平均分和期末科学与数学考试学业成绩显著高于对照组。值得注意的是，女生在数学课程学习成绩上的提升幅度大于理科课程的提升幅度。在基于5E的STEM教育中，一个想法是否是创造性思维的产物，可以通过评估创造力的子量表来理解，包括流利性、灵活性、精细化和原创性(Dogan & Kahraman, 2021;Torrance & Goff, 1989)。其中，STEM教育中的5E探究周期和5个阶段的工程设计过程对创造力的细化和独创性具有双重作用，这可以归因于工程设计过程中不同寻常的想法的呈现和探索阶段5E探究周期中对细节的关注，影响了创造力中更多的种类和大量的想法。

查阅原文：

Fatemeh Shahbazloo , Rasol Abdullah Mirzaie 2023 ELSEVIER，Thinking Skills and Creativity

DOI：10.1016/j.tsc.2023.101336

转自：“百研工坊”微信公众号

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