Статията представя резултатите от педагогически експеримент за проверка на ефективността на STEM технологията в обучението по Човекът и природата в 6.клас. Формулирана е изследователска хипотеза с независима факторна променлива (STEM технология) и зависима резултативна променлива (равнище на природонаучна подготовка и нагласи на учениците). Описани са организацията и провеждането на тристепенния педагогически експеримент, представени са резултатите от диагностичните изследвания, извършена е математико-статистическа обработка, описани са и продуктите от проектната дейност на учениците във формиращия етап.
Иновативните образователни технологии се утвърждават като ключов фактор за повишаване на качеството на обучението по природни науки. STEM образованието, с неговия интердисциплинарен и изследователски характер, предлага значителен потенциал за обогатяване на учебния процес (Honey et al., 2014). Въпреки теоретичната обоснованост на STEM подхода, в българската образователна практика са необходими емпирични изследвания, потвърждаващи неговата ефективност в конкретен учебен контекст. Именно тази празнина мотивира проведеното изследване.
Изследователски проблем: Съществува ли статистически значима разлика в равнището на усвояване на знания и умения по Човекът и природата в 6.клас между ученици, обучавани чрез STEM технологията, и ученици, обучавани по традиционен начин?
Изследователска хипотеза: Ако обучението по Човекът и природата в 6.клас се провежда с прилагане на STEM технология (независима – факторна променлива), то ще се постигне статистически значимо по-високо равнище на природонаучна подготовка и по-положителни нагласи на учениците (зависима – резултативна променлива) в сравнение с традиционното обучение.
ОРГАНИЗАЦИЯ И ПРОВЕЖДАНЕ НА ПЕДАГОГИЧЕСКИЯ ЕКСПЕРИМЕНТ
Педагогическият експеримент е организиран по схемата на сравнителния дидактически експеримент с експериментална и контролна група и с измерване преди и след въздействието. В изследването участват ученици от два паралелни 6.класа на едно училище – общо 50 ученици, разпределени в експериментална група (26 ученици) и контролна група (24 ученици). Двата класа са съпоставими по успех, брой и условия на обучение, а заниманията се водят от един и същ учител, което свежда до минимум влиянието на различия в преподавателя. Изборът на паралелките е извършен по метода на целенасочената извадка, при спазено условие за тяхната еквивалентност.
Независимата факторна променлива в изследването е STEM технологията – системно приложение на дидактическия модел, изграден върху учебния цикъл 5E (Engage – Explore – Explain – Elaborate – Evaluate), с интегриране на проектно-базирано обучение, инженерни задачи и цифрови инструменти в часовете по Човекът и природата.
Зависимата резултативна променлива е операционализирана чрез два показателя. Първият – равнището на природонаучна подготовка – се измерва с дидактически тест, който включва задачи за възпроизвеждане на знания, за приложение в позната ситуация и за разсъждение в непозната ситуация; максималният брой точки на теста е 20.
Вторият показател – нагласите и мотивацията на учениците – се измерва с анкета по петстепенна скала на Ликерт, допълнена със систематично наблюдение.
Таблица 1. Характеристика на експерименталната и контролната група
| Признак | ЕГ | КГ | Общо |
| Брой ученици | 26 | 24 | 50 |
| Клас | 6. | 6. | — |
| Организация на обучението | STEM (иновация) | традиционна | — |
| Преподавател | един и същ | един и същ | — |
Констатиращ етап
Целта на констатиращия етап е двояка – да се установи изходното равнище на природонаучната подготовка на учениците и да се докаже изходната равностойност на двете групи. Без доказана изходна равностойност всяко по-късно различие между групите би могло да се отдаде на предварителни различия, а не на въздействието, поради което тази проверка е условие за валидността на целия експеримент. Резултатите от входния тест са обобщени в Таблица 2.
Таблица 2. Описателни статистики на резултатите от входния тест (макс. 20 т.)
| Група | Брой | Средно | Ст. откл. | Медиана |
| Експериментална (ЕГ) | 26 | 11,85 | 2,41 | 12,0 |
| Контролна (КГ) | 24 | 11,46 | 3,46 | 11,5 |
За проверка дали наблюдаваната разлика между средните стойности е статистически значима, е приложен t-критерий на Стюдънт за независими извадки. Получената стойност е t = 0,46 при 48 степени на свобода и равнище на значимост p = 0,646. Тъй като p е значително по-голямо от приетото гранично равнище 0,05, нулевата хипотеза за равенство на средните не се отхвърля. Това означава, че между двете групи няма статистически значима разлика по изходно равнище на природонаучна подготовка – двете извадки са еквивалентни.
Формиращ етап
Формиращият етап е същинската част на експеримента, в която се въвежда независимата променлива. През този етап експерименталната група се обучаваше по разработената STEM технология, а контролната група изучаваше същите теми традиционно – с обяснение на учителя, упражнения и илюстративни опити. Двете групи преминаха през едно и също учебно съдържание и за еднакъв брой часове; различаваше се единствено организацията на учебния процес.
В експерименталната група по-големите теми бяха организирани като изследователско-проектни цикли по схемата 5E: учениците първо се срещаха с явлението и работеха в екипи, събираха и обработваха данни и едва след това, въз основа на собствените си наблюдения, формулираха понятията. Подходящите теми завършваха с инженерен мини-проект, в който наученото се прилагаше за изработване на работещо изделие или модел, а където реалният опит беше затруднен, се използваха дигитални симулации и обработка на данни в таблици. Учителят изпълняваше ролята на организатор и консултант, а не на основен източник на готово знание.
По темата за плаването на телата учениците първо изследваха поведението на различни тела във вода, събраха данни и едва след това формулираха зависимостта; темата завърши с инженерна задача за конструиране на плавателен съд, който да издържи определен товар.
По темата за разтворите учениците изследваха разтварянето при различни условия, обработиха количествени данни за концентрацията и приложиха наученото в задача за пречистване на размътена вода.
По темата за жизнените процеси учениците измериха показатели на собствения си организъм (пулс и дихателна честота) преди и след физическо натоварване, обработиха резултатите и ги представиха в таблици и графики.
По темата за устройството на клетката екипите изработиха от подръчни материали обемен модел на клетка, в който всяка част е обозначена и обяснена.
Продукти от проектната дейност на учениците
Във формиращия етап всяка проектна задача завършваше с осезаем ученически продукт, който беше предмет на представяне пред класа и на формиращо оценяване по предварително изготвена рубрика. Типичните продукти могат да се обобщят, без да се посочват имена на ученици, по следния начин:
– Плавателен съд с товар. По проекта за плаването повечето екипи достигнаха до решение с разгъната, плоска форма, която разпределя товара върху по-голяма площ; по-напредналите екипи стигнаха и до идеята за повдигнати бордове, които предпазват от заливане.
– Филтър за пречистване на вода. По проекта за разтворите и пречистването екипите подредиха материалите (пясък, чакъл, памук) на слоеве във фуния и установиха опитно, че редът на слоевете влияе върху бистротата на получената вода.
– Карти и графики на физиологични показатели. По темата за жизнените процеси екипите изготвиха таблици и графики на пулса и дишането в покой и след натоварване и формулираха връзката между натоварването, дишането и осигуряването на енергия.
– Обемен модел на клетка. По темата за устройството на клетката екипите изработиха модели с обозначени части и кратко описание на функцията на всяка от тях.
Тези продукти показват, че учениците не просто изпълняват инструкции, а вземат обосновани решения и се учат от изпитването – същината на инженерното проектиране. По време на формиращия етап се реализира и процесуална диагностика чрез наблюдение, анализ на ученическите продукти и кратки проверки след всеки завършен проект. Резултатите от нея свидетелстват за устойчиво нарастване на изследователската активност и на мотивацията за учене в експерименталната паралелка.
Контролен етап
На контролния етап с изходен тест, еквивалентен по структура и трудност на входния, е измерено постигнатото равнище на двете групи. Резултатите са обобщени в Таблица 3. Експерименталната група постига среден резултат 16,35 точки при стандартно отклонение 2,21, докато контролната група остава на 12,42 точки при стандартно отклонение 3,08. Разликата между двете средни е 3,93 точки в полза на експерименталната група – близо една пета от максималния брой точки на теста.
Таблица 3. Описателни статистики на резултатите от изходния тест (макс. 20 т.)
| Група | Брой | Средно | Ст. откл. | Медиана |
| Експериментална (ЕГ) | 26 | 16,35 | 2,21 | 17,0 |
| Контролна (КГ) | 24 | 12,42 | 3,08 | 13,5 |
АНАЛИЗ И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ НА РЕЗУЛТАТИТЕ
Анализ на прираста. За да се оцени ефектът на въздействието по-точно, е съпоставен прирастът в постиженията на всяка група между входното и изходното измерване. Експерименталната група отбелязва среден прираст от 4,50 точки, докато прирастът на контролната група е едва 0,96 точки. Проверката с t-критерий за зависими извадки показва, че прирастът на експерименталната група е силно значим (t = 6,71 при 25 степени на свобода, p < 0,001), докато при контролната група прирастът не е статистически значим (t = 1,01 при 23 степени на свобода, p = 0,323). С други думи, контролната група практически не променя равнището си в рамките на изследвания период, докато експерименталната група напредва осезаемо.
Разпределение по равнища на постижения. За да се проследи как се преразпределят учениците по равнище на постижение, точките са разделени на четири равнища – ниско (0–8 т.), задоволително (9–12 т.), добро (13–16 т.) и високо (17–20 т.). Разпределението на изходния тест е представено в Таблица 4.
Таблица 4. Разпределение на учениците по равнища на постижения (изходен тест)
| Равнище (точки) | ЕГ – брой (%) | КГ – брой (%) | Общо |
| Ниско (0–8) | 0 (0,0%) | 4 (16,7%) | 4 |
| Задоволително (9–12) | 1 (3,8%) | 7 (29,2%) | 8 |
| Добро (13–16) | 11 (42,3%) | 13 (54,2%) | 24 |
| Високо (17–20) | 14 (53,8%) | 0 (0,0%) | 14 |
| Общо | 26 (100%) | 24 (100%) | 50 |
В експерименталната група повече от половината ученици (53,8%) достигат високо равнище и нито един не остава на ниско, докато в контролната група нито един ученик не достига високо равнище. Концентрацията на учениците от експерименталната група в горните две равнища и пълното отсъствие на ниско равнище показват, че въздействието е повлияло не само на средната стойност, а на цялата група. За статистическа проверка на разликата в разпределенията е приложен χ²-критерий, който дава стойност χ² = 22,62 при 3 степени на свобода и p < 0,001 – разпределенията се различават значимо.
Големина на ефекта. За оценка на практическата значимост е изчислен коефициентът d на Коен. За разликата между двете групи на изходно равнище d = 1,48, а за прираста на експерименталната група d = 1,95. И двете стойности са значително над приетата граница за голям ефект (0,8), което означава, че въздействието на STEM технологията не е само статистически доловимо, а голямо по своя практически мащаб.
СТАТИСТИЧЕСКА ПРОВЕРКА НА ИЗСЛЕДОВАТЕЛСКАТА ХИПОТЕЗА
Формулиране на статистическите хипотези:
H₀: Не съществува статистически значима разлика в равнището на природонаучна подготовка по Човекът и природата в 6.клас между учениците от експерименталната и контролната група след края на формиращия етап.
Hₐ: Между учениците от двете групи се наблюдава статистически значима разлика в равнището на природонаучна подготовка и тя се дължи на прилагания иновационен фактор – STEM технологията.
Обобщените резултати от приложените статистически методи са представени в Таблица 5.
Таблица 5. Обобщени резултати от статистическата проверка
| Сравнение | Критерий | Стойност | p |
| Входен тест: ЕГ срещу КГ | t (48) | 0,46 | 0,646 |
| Изходен тест: ЕГ срещу КГ | t (48) | 5,22 | < 0,001 |
| Прираст на ЕГ (зависим) | t (25) | 6,71 | < 0,001 |
| Прираст на КГ (зависим) | t (23) | 1,01 | 0,323 |
| Разпределение по равнища | χ² (3) | 22,62 | < 0,001 |
| Ефект (изходен): d на Коен | d | 1,48 | — |
| Ефект (прираст ЕГ): d на Коен | d | 1,95 | — |
Тъй като на констатиращия етап групите бяха изходно равностойни (t = 0,46; p = 0,646), а на контролния етап разликата между тях е силно статистически значима (t = 5,22; p < 0,001), нулевата хипотеза H₀ се отхвърля и се приема алтернативната хипотеза Hₐ. Резултатите от приложените статистически методи потвърждават изследователската хипотеза: прилагането на STEM технологията в обучението по Човекът и природата в 6. клас води до статистически значимо по-високо равнище на природонаучна подготовка в сравнение с традиционното обучение (t = 5,22; p < 0,001; d = 1,48).
ОБОБЩЕНИЯ И ИЗВОДИ
Резултатите от проведения педагогически експеримент позволяват формулирането на следните изводи:
– На констатиращия етап беше доказана изходната равностойност на експерименталната и контролната група (t = 0,46; p = 0,646);
– STEM технологията, реализирана чрез петстепенния дидактически модел 5E, доведе до статистически значимо по-високи постижения на учениците от експерименталната група в сравнение с контролната (16,35 срещу 12,42 точки; t = 5,22; p < 0,001);
– Прирастът в постиженията на експерименталната група (4,50 точки) значимо превишава този на контролната (0,96 точки), което потвърждава по-високата ефективност на STEM технологията;
– Големината на ефекта (d = 1,48 за разликата между групите и d = 1,95 за прираста) сочи не просто статистически доловима, а практически голяма промяна;
– Процесуалната диагностика и продуктите от проектната дейност установяват устойчив ръст на мотивацията, изследователската активност и сътрудничеството между учениците в експерименталната група;
– Изследователската хипотеза е статистически потвърдена.
Получените резултати дават основание да се препоръча системното прилагане на STEM технологията в обучението по Човекът и природата в 6.клас като ефективна иновация, повишаваща равнището на природонаучна подготовка и мотивацията за учене.