The Impact of Visual and Physical Programming-Based Science Activities on Middle School Students' 21st Century and Computational Thinking Skills

Abstract

In the age of artificial intelligence, one of the main goals of education today is to produce innovative and productive individuals with 21st century skills, who can think creatively, solve problems, think critically, and have strong collaboration and communication skills. This study examines the impact of STEM-based lesson plans that incorporate knowledge-based life problems (APoKS) and visual-physical programming activities on middle school students' 21st century and computational thinking (CT) skills. The study involved 15 middle school students enrolled in a summer course and three science teachers. A 30-hour intervention was delivered over two weeks, covering topics such as the solar system, force and motion, renewable energy, electrical circuits and sound. Data were collected using the Computational Thinking Skills Self-Efficacy Perception Scale and the 21st Century Skills Scale. After implementation, educators provided insight through semi-structured interviews and reflective diaries. Quantitative data were analyzed using the Wilcoxon Signed Rank Test, while qualitative data were examined using content analysis. Results indicate that the activities significantly improved students' 21st century thinking and CT self-efficacy. High impact improvements were observed in algorithm design, problem solving, data processing, programming and confidence. Educators confirmed these findings, noting the development of students' 21st-century and CT skills. Recommendations for future implementation and research are provided based on the findings.

Alternate abstract:

Yapay zekâ çaǧında günümüz eǧitiminin temel hedeflerinden biri 21. yy becerilerine sahip yaratıcı düşünebilen, problem çözebilen, eleştirel düşünebilen, işbirliǧi ve iletişim becerileri kuvvetli, yenilikçi ve üretken bireyler yetiştirmektir. Bu çalışmada fen bilgisi eǧiticilerinin hazırladıkları Bilgi Temelli Hayat Problemleri içeren FeTeMM·e dayalı ders planları ile görsel ve fiziksel programlama etkinliklerinin ortaokul öǧrencilerinin 21.yy ve bilgi işlemsel düşünme (BİD) becerilerine etkisinin incelenmesi amaçlanmaktadır. Çalışma grubunu yaz kursuna katılan 15 ortaokul öǧrencisi ve 3 fen bilgisi eǧiticisi oluşturmaktadır. Uygulama iki haftada 30 saatlik müdahaleyle gerçekleştirilmiştir. Uygulamada ortaokul fen bilgisi dersi konularından güneş sistemi ve ötesi, kuvvet ve hareket, kuvvet ve enerji, yenilenebilir enerji, elektrik devreleri ile ses ve özellikleri konularında etkinlikler gerçekleştirilmiştir. Veri toplama aracı olarak Bilgi İşlemsel Düşünme Becerisi Özyeterlik Algısı ölçeǧi ile Ortaokul Öǧrencilerine Yönelik 21. Yüzyıl Becerileri Ölçeǧi kullanılmıştır. Uygulama sonrasında eǧiticilerden yarı yapılandırılmış görüşme ve yansıtıcı günlükler yoluyla ortaokul öǧrencilerinin 21. yy ve BİD becerilerine ilişkin görüşleri alınmıştır. Nicel veriler Wilcoxon İşaretli Sıralar testiyle analiz edilmiş, nitel veriler ise içerik analizi yöntemiyle incelenmiştir. Bulgulara göre etkinliklerin ortaokul öǧrencilerinin 21.yy düşünme becerileri ve bilgi işlemsel düşünme (BİD) öz yeterlik algısı üzerinde anlamlı bir fark oluşturduǧu görülmüştür. Öǧrencilerin 21. yy becerilerinde yüksek etki düzeyinde bir deǧişim olduǧu, BİD öz yeterlik algılarında ise algoritma tasarlama, problem çözme, veri işleme, temel programlama ve özgüven boyutlarının hepsinde yüksek etki düzeyinde gelişme olduǧu göze çarpmaktadır. Eǧiticiler de nicel bulguları destekleyen şekilde öǧrencilerinin 21. yy becerileri ve BİD becerilerinin uygulama sonrası geliştirdiǧini düşünmektedirler. Araştırmadan elde edilen bulgular doǧrultusunda uygulama sürecine ve gelecek araştırmalara yönelik öneriler sunulmuştur.