ההשפעה של ביקורים במעבדות מחקר אוניברסיטאיות על עמדות של התלמידים כלפי מדע ועל הבנתם את היבטים שונים של מהות המדע – עבודת דוקטורט

ציבולסקי, ד' (2012). ההשפעה של ביקורים במעבדות מחקר אוניברסיטאיות על עמדות של התלמידים כלפי מדע ועל הבנתם את היבטים שונים של מהות המדע. חיבור לשם קבלת תואר "דוקטור לפילוסופיה", האוניברסיטה העברית, ירושלים.

מבט-על

בעולם המודרני המבוסס על מדע מכירים בצורך לשפר הוראת מדעים בכל רמות הלימוד במערכת החינוך. בארבעים השנים האחרונות התגבשה ההבנה שאמצעי יעיל להעלאת רמת ההבנה במקצועות המדעיים הוא פיתוח של חומרי למידה ואסטרטגיות הוראה מבוססות חקר שמטרתן להקנות לתלמידים מיומנויות ודרכי חשיבה המאפיינות את החקר המדעי. כיום ידוע שהפעלות מאין אלה מגבירות מוטיבציה ומשפרות הבנה לטווח הקצר והארוך כאחד. האגודה האמריקאית לקידום מדע (AAAS - American Association for the Advancement of Science, 1993) והמועצה הלאומית למחקר (National Research Council, 1996; 2000) פיתחו חומרי למידה אפקטיביים מבוססי חקר כחלק מרכזי של הרפורמות בתחום החינוך בארצות הברית. גם בישראל ברפורמות של תכניות הלימודים קיים דגש על למידת חקר (Israeli Ministry of Education, 2006; Tamir, Stavy and Ratner, 1998).

מבחינה היסטורית קיימות שתי גישות ללמידת חקר – "למידה בדרך החקר" (learning science by inquiry) ו"למידה כחקר" (learning science as inquiry). ב"למידה בדרך החקר" תלמידים מבצעים בעצמם מטלות חקר במעבדה או בשדה. בישראל תלמידי ביולוגיה מקבלים הזדמנות לעסוק במדע בדרך החקר באמצעות מטלות מחקריות מצומצמות בהיקפן במסגרת הלימוד בכיתה (ניסויים במעבדה, עבודת ביוחקר) או במקרים נדירים באמצעות פרויקטים רחבי היקף בהנחיית חוקרים מאוניברסיטאות שונות. במקרה זה תלמידים עושים עבודת גמר הפוטרת מבחינת בגרות. לעומת זאת, ב"למידה כחקר" תלמידים נחשפים למרכיבים שונים של תהליך החקר באמצעות הצגת תהליך החקר דרך קריאה וניתוח מאמרי מחקר, למידת היסטוריה של המדע וחומרים רלוונטיים אחרים. בישראל תלמידים מתמחים בביולוגיה (5 יחידות לימוד) נחשפים ללמידה כחקר באמצעות קריאת מאמרי מחקר בנושאים שונים כחלק מלימודיהם.

למרות מגוון סביבות הלמידה בתחומי המדע העומד לרשות תלמידי תיכון בישראל (כיתת לימוד, מעבדות המיועדות לתלמידים הממוקמות בבית הספר ובאתרים נוספים, מוזיאוני מדע) רובם אינם נחשפים כלל למעבדות מחקר שבהן חוקרים עורכים מחקרים בציוד מתוחכם ובנושאים שהם בחזית המדע. עובדה זו מפתיעה ומאכזבת לאור העובדה שתלמידים רבים גרים בסמוך למוסדות מחקר בהם נערך מחקר מדעי.

המחקר הנוכחי מציע מודל חדש של הוראת המדעים כחקר שחושף תלמידים לחקר אותנטי כפי שהוא נעשה במעבדות מחקר אוניברסיטאיות. לצורך המחקר פותחה יחידת הלימוד "תלמידים פוגשים מדע אותנטי", כאשר הוראתה נמשכת כחודש ובמסגרתה תלמידי תיכון המתמחים בביולוגיה מבקרים במעבדות מחקר באוניברסיטה העברית בירושלים. ממצאי המחקר מראים כיצד יחידת הלימוד המוצעת משפיעה על הבנתם של התלמידים את נושאים שונים של מהות המדע ועל עמדותיהם כלפי מדע.

שאלות המחקר

1. באיזו מידה יחידת לימוד "תלמידים פוגשים מדע אותנטי" משפיעה על הבנתם של התלמידים את היבטים שונים של מהות המדע? (מרכיבים עיקריים של הבנה זו כוללים: הטבע הטנטטיבי של הידע המדעי, המדע כמפעל חברתי, הבדלים מתודולוגיים בין תחומי המדע שונים, השפעות סוציו-תרבותיות על המדע ומטרות של המחקר המדעי).
2. באיזו מידה יחידת לימוד "תלמידים פוגשים מדע אותנטי" משפיעה על עמדותיהם של התלמידים כלפי מדע בכלל וכלפי ביולוגיה בפרט? (מרכיבים עיקריים של העמדות כוללים: התעניינות במדע/ביולוגיה, עיסוק בנושאים מדעיים בשעות הפנאי, מוטיבציה ללימודי המשך ועיסוק עתידי הקשור למדע).
3. מהן העמדות של התלמידים כלפי היחידה (מרכיבים עיקריים של העמדות כוללים: חוויות שתלמידים חוו במהלך השתתפותם בפרויקט? [חוויות חברתיות, קוגניטיביות, אינטרוספקטיביות וקשורות לחפצים], עמדות כלפי חלקים שונים של יחידת הלימוד).
4. האם קיים אפקט של השפעה לטווח ארוך של היחידה המוצעת?
5. האם גורמי רקע שונים כגון מגדר, העדפת מקצועות, מגמה ועוד משפיעים בצורה משמעותית על ההבנה ועל העמדות של התלמידים?

שיטות

עיצוב של היחידה
היחידה בנויה לפי מודל להוראה ותכנון סיורים לימודיים של 1989a; 1989b; 1993) Orion) ו-Orion and Hofstein (1994 ;1991) וכוללת שלושה מרכיבים עיקריים - הכנה בכיתה, ביקור במעבדות מחקר וסיכום בכיתה.

א. הכנה בכיתה מאורגנת לפי רצף הפעלות: (1). הצגת המצגת לתלמידים; (2). ביצוע משימות חקר שונות; (3). כתיבת השאלות לחוקרים על ידי תלמידים. מטרתה של ההכנה היא להקטין את "מרחב הזרות" ולהכין את התלמידים לסיור הן מבחינה קוגניטיבית על ידי הצגת העקרונות המדעיים הבסיסיים שעליהם יתבסס הסיור; מבחינה רגשית על ידי הכרות מוקדמת עם מהלך הסיור ומבחינה גיאוגרפית על ידי צפייה בתמונת של המכון למדעי החיים באוניברסיטה העברית ומעבדות המחקר בהן יבקרו התלמידים.

ב. ביקורים במעבדות מחקר נעשו במעבדות ביולוגיות של מכון למדעי חיים של האוניברסיטה העברית. כל כיתה בקרה בשתי מעבדות: אחת בתחום של ביולוגיה תאית ושנייה בתחום של אקולוגיה. שני הנושאים האלה קשורים לתכנית הלימודים בביולוגיה ומייצגים מתודולוגיות שונות בביולוגיה. במהלך הביקור, שהוא נמשך כשעה וחצי בכל מעבדה, תלמידי מחקר שעובדים באותן המעבדות הדריכו את התלמידים. הסיורים כללו הצגה של המחקר הנעשה במעבדה ומתן פרספקטיבה רחבה יותר על מחקר מדעי בכלל וביולוגי בפרט. התלמידים התבקשו לשאול את השאלות שהכינו מראש ושאלות שעלו במהלך הסיור. הביקורים כללו גם פעילויות שונות, כמו ביצוע ניסויים קטנים, אבל הדגש נעשה על דו-שיח בין תלמידים לבין מדריכים בקשר לנושאים שונים של מהות המדע.

ג. סיכום בכיתה כולל: (1). כתיבה רפלקטיבית, דהיינו תלמידים התבקשו לכתוב את הרשמים שלהם וחוויות שהם עברו במהלך הביקור; (2). ביצוע משימות בחוברת עבודה - תלמידים מילאו את הטבלת השוואה בין מעבדות ועבדו על משימה מסכמת שכוללת פרקים מהיסטוריה של חקר DNA ושאלות סביב חקר הזה בקשר להיבטים שונים של מהות המדע. מטרתו לסייע לתלמידים בהטמעת תכני הסיור הן מבחינה קוגניטיבית והן מבחינה רגשית ולאפשר חשיבה רפלקטיבית של התלמידים על התהליך שעברו.

מדגם

המחקר מתמקד בתלמידי כיתה י''א המתמחים בביולוגיה ברמה של 5 יחידות לימוד, כאשר האינפורמנטים העיקריים במחקר הם גם תלמידים (מקור מידע ראשוני) וגם מורים (מקור מידע משני). המערך הניסוי שבו נעשה שימוש במחקר הנוכחי הוא "לפני – אחרי עם שתי קבוצות הביקורת":

1. קבוצת הניסוי - קבוצת התלמידים שלמדו את יחידת לימוד "תלמידים פוגשים מדע אותנטי" ונבדקו שלושה פעמים: לפני, מיד אחרי, וכעבור חצי שנה מתום לימודם של היחידה.
2. קבוצת הביקורת 1# – קבוצת התלמידים שלא למדו את היחידה, אלא נחשפו לתהליך רגיל של הוראת הביולוגיה בתיכון. קבוצה זו נבדקה פעמיים בהפרש של כחודש (פרק זמן דומה לקבוצת הניסוי להשלים את לימוד של היחידה).
3. קבוצת הביקורת 2# – קבוצת התלמידים שלמדו ווריאציה אחרת של יחידת הלימוד שכללה מרכיבים של הכנה וסיכום בכיתה אבל במקום ביקורים במעבדות תלמידים התנסו בקריאת מאמרים מחקריים מעובדים.

במחקר הנוכחי נעשה שימוש בשיטת דגימה לא הסתברותית: מדגם מתנדבים, שבו המורים המלמדים בירושלים וסביבה התנדבו ללמד את היחידה ולהשתתף במחקר. במחקר סכ''ה השתתפו 14 כיתות ניסוי מ-8 בתי ספר (n=223); 15 קבוצות ביקורת 1# מ-10 בתי ספר (n=264) ו-3 קבוצות ביקורת 2# מ-3 בתי ספר (n=68). גודל מדגם זה (n=565) מספיק בשביל להסיק מסקנות תקפות ומהמנות ברמת המובהקות p<.05 לפי מבחן עוצמה (power analysis).

כלי המחקר

איסוף הנתונים התבצע 4 שנים (2008-2012) והתבסס על גישה מתודולוגית מעורבת המסתמכת על שיטות מחקר כמותיות ואיכותניות המאפשרות עיבוד ופירוש יעיל של התוצאות. כלי המחקר אלה כללו שאלונים, תצפיות, ראיונות וניתוח טקסטים, המאפשרים להעריך את התקדמות התלמידים במהלך השתתפותם בפרויקט. ניתוח הממצאים כלל הן שיטות סטטיסטיות (פרמטריות ולא פרמטריות) והן שיטות איכותניות המבוססות על התיאוריה המעוגנת בשדה.

סיכום ממצאים עיקריים

השפעת יחידת לימוד על הבנה של תלמידים את היבטים שונים של מהות המדע (שאילת מחקר 1#)
במטרה לבדוק את ההשפעה של יחידת הלימוד על הבנתם של התלמידים את נושאים שונים של מהות המדע נעשתה השוואת הנתונים שהתקבלו משאלונים מקדימים ומסכמים בתוך קבוצות הניסוי והביקורת וביניהן. השוואת הנתונים בין שאלונים מקדימים לבין שאלונים מסכמים בקבוצת הניסוי מראה, כי חל שינוי מובהק בכל הנושאים של מהות המדע שנבדקו, וזאת לעומת קבוצת הביקורת 1# שבה לא נמצאו הבדלים מובהקים. בנוסף, השוואת הנתונים בין קבוצת הניסוי לבין קבוצת הביקורת 1# מראה, כי קיים הבדל מובהק בין הקבוצות המושוות בכל הקטגוריות הנבדקות. התוצאות הנ''ל מצביעות על שינוי חיובי שחל בהבנתם של תלמידים שלמדו את היחידה אודות נושאים שונים של מהות המדע. זאת אומרת, שלימוד של היחידה גרם להרחבת האופקים והבנה עמוקה של נושאים אפיסטמולוגיים מורכבים. הנתונים שהתקבלו מהשוואת השאלונים מקדימים ומסכמים בקבוצת התלמידים שלמדו את הווריאציה האחרת של היחידה (קבוצת ביקורת 2#) מראים, כי חלו שינויים מובהקים ב-2 הקטגוריות הנבדקות: הטבע הטנטטיבי של הידע המדעי והבדלים מתודולוגיים בין תחומי המדע השונים. בכל שאר הקטגוריות לא חלו שינויים מובהקים. הממצא זה תומך בגישה של למידה כחקר באמצעות קריאת המאמרים מדעיים מעובדים ומסכים עם המחקרים האחרים בתחום הוראת המדעים (ראה לדוגמא: & Brill, Falk Yarden, 2004; Brill & Yarden, 2003). עם זאת, נמצא, כי קיים הבדל מובהק בכל הקטגוריות הנבדקות בין קבוצת הניסוי לבין קבוצת הביקורת 2#. הממצא זה מצביע, כי למידה כחקר בהקשר אותנטי באמצעות ביקורים של תלמידים במעבדות מחקר יותר יעילה ומשפיעה בעוצמה רבה יותר על ההבנה של התלמידים אודות נושאים שונים של מהות המדע.

השפעת יחידת לימוד על עמדות של תלמידים כלפי מדע (שאילת מחקר 2#)
השוואת הנתונים בין שאלונים מקדימים לבין שאלונים מסכמים בקבוצת הניסוי מראה, כי חל שינוי מובהק ברוב הקטגוריות הנבדקות (14 מתוך 21 לפי מבחן t), וזאת לעומת קבוצת הביקורת 1# שבה לא חלו שינויים מובהקים, מלבד הקטגוריה של הכרות עם מקצועות מדעיים שונים. הממצא זה ניתן להסביר על ידי התבגרות התלמידים. בהשוואת הנתונים בין שאלונים מקדימים לבין שאלונים מסכמים בקבוצת הביקורת 2# נמצאו הבדלים מובהקים בקטגוריות ב-6 קטגוריות מתוך 20 (מבחן t): התעניינות בביולוגיה באופן כללי, במחקר ביולוגי, בביולוגיה של התא ובאקולוגיה; מוטיבציה להשתתף במחקר ביולוגי אמתי ולבקר במעבדות מחקר, לגלוש באתרי אינטרנט הכוללים תכנים הקשורים במדע ולהכיר מקצועות שונים קשורים במדע. השוואת השינויים של ממוצעים בין קבוצת הניסוי לבין קבוצת הביקורת 1# הראתה, כי קיים הבדל מובהק בין הקבוצות ברוב הקטגוריות הנבדקות (14 מתוך 20 לפי מבחן t). במיוחד ניכרים את ההבדלים המשמעותיים בקטגוריות הבאות: התעניינות במחקר ביולוגי ובמדעים מבוססים שדה (אקולוגיה ואבולוציה); מוטיבציה ללמוד לימודי המשך ועיסוק עתידי הקשור למדע; מוטיבציה לגלוש באתרי אינטרנט ולצפות בסרטים הקשורים למדע/ביולוגיה. כמו כן, השוואת השינויים של ממוצעים בין קבוצת הניסוי לבין קבוצת הביקורת 2# הראתה, כי קיים הבדל מובהק בין הקבוצות ברוב הקטגוריות הנבדקות (12 מתוך 20 לפי מבחן t). במיוחד ניכר את ההבדל המשמעותי בקטגוריות של עיסוק בנושאים מדעיים בשעות הפנאי ומוטיבציה ללימודי המשך ועיסוק עתידי הקשור למדע. הממצאים האלה מצביעים על היתרון של הביקור במעבדות מחקר לעומת קריאת מאמרים מדעיים בכיתה. למרות שנמצא, כי קריאת מאמרים מדעיים גם כן משפיעה חיובית על העמדות של התלמידים עדיין ההשפעה של הביקורים היא גדולה ורחבה יותר. ניתן להסיק, כי לימוד של היחידה גורם לשינוי חיובי בעמדות של תלמידים כלפי מדע, דהיינו מעלה את רמת ההתעניינות ורמת המוטיבציה של התלמידים לעסוק במדע בעתיד הקרוב (עיסוק בשעות הפנאי) ובעתיד הרחוק (לימודי המשך ועיסוק עתידי). השינוי שחל במוטיבציה של התלמידים בקשר לבחירת הקריירה המדעית הקשורה למדע ניתן להסביר על ידי המודל לבחירת הקריירה של Dick ו-Rallis (1991). לפי המודל "המתווכים החברתיים" הם הגורמים המרכזיים שמשפיעים על תלמידי תיכון בבחירת הקריירה. הסגל האקדמי שתלמידים פגשו במהלך הביקור שידר לתלמידים את ההתלהבות בעריכת המחקר המדעי, שימש עבורם "מודל לחיקוי" מוצלח. בנוסף, לפי המודל, הגורם של "חוויות" ופירושן הוא הגורם השני שמשפיע על התלמידים בבחירת הקריירה. היחידה חשפה את התלמידים לחוויות ייחודיות ואותנטיות של אינטראקציה עם המעבדות המחקר וציוד מתוחכם.

עמדות של התלמידים כלפי יחידת לימוד (שאילת מחקר 3#)
ניתוח נתונים שהתקבלו משאלונים הראה, כי תלמידים פיתחו עמדות חיוביות כלפי יחידת הלימוד ומרכיביה השונים. מורים ותלמידים ציינו במיוחד את החשיבות של מפגש ושיח בין תלמידים לבין חוקרים, והתרשמותם מקמפוס וממעבדות כגון ציוד, חומרים ועוד. הנתונים הנ''ל עזרו להעריך את יחידת הלימוד, לאפיין נקודות חוזק ונקודות חולשה של היחידה ולשפר את עיצובה.

אפקט של יחידת לימוד המוצעת לטווח ארוך (שאילת מחקר 4#)
במטרה לבדוק האם קיים אפקט של היחידה לטווח ארוך, התלמידים של קבוצת הניסוי התבקשו למלא את השאלונים המסכמים בפעם השנייה, לאחר חצי שנה מתום הלימוד של היחידה (באמצע כיתה י''ב שלהם). בהשוואת השאלונים האלה עם השאלונים המקדימים נמצא, כי עדיין קיים הבדל מובהק ברוב הקטגוריות הנבדקות (p<.05) הן בתחום של הבנה והן בתחום של עמדות. תלמידים זכרו את התנסותם בפרויקט והביאו דוגמאות מהביקור. אומנם p-value ברוב הקטגוריות היה יותר גבוה בהשוואה לשאלונים מסכמים ראשוניים, אבל ממצא זה היה צפוי – אפקט לטווח קצר הוא תמיד משמעותי יותר מאשר אפקט לטווח ארוך.

השפעה של גורמי רקע על הבנה ועל עמדות של תלמידים (שאילת מחקר 5#)
במטרה לבדוק האם קיימים גורמים אחרים שעלולים להשפיע על שינוי בהבנה ובעמדות של התלמידים נעשתה השוואת הנתונים בתוך קבוצת הניסוי לפי חתכים הבאים: מגדר, העדפה של מקצועות לימוד, לימוד במגמות שונות בנוסף לביולוגיה, פעילות בשעות הפנאי, סוג בית הספר, כיתה/מורה, מדריך. בנוסף נבנו מודלים של רגרסיה לוגיסטית לבדיקת השפעת הגורמים הנ"ל על התלמידים. בכל הקטגוריות הנבדקות הערכים של p-value יצאו גדולים מ-05. הן לפי מבחן Wilcoxon והן לפי מודלים של רגרסיה לוגיסטית. הממצא זה מסכים עם הניתוח ההשוואתי לפי מבחן t, כי משתני רקע לא מהווים גורם דומיננטי המשפיע על שינוי בהבנתם ובעמדותיהם של התלמידים, ולכן ניתן להסיק, כי השינוי שחל נובע מהתערבות עצמה – לימוד של היחידה.

מסקנות והשלכות

המחקר הראה, כי יחידת לימוד מבוססת למידה כחקר בהקשר אותנטי באמצעות ביקורים של התלמידים במעבדות מחקר משפרת את הבנתם של התלמידים את היבטים שונים של מהות המדע ומשפיעה חיובית על עמדותיהם כלפי מדע. בפרט, היחידה גורמת להבנה עמוקה ומדעית של היבטים שונים של מהות המדע, מעלה מוטיבציה של התלמידים ללימודי המשך ולקריירה עתידית הקשורה למדע, גורמת לתלמידים לעסוק בשעות הפנאי בנושאים שקשורים למדע. תלמידים פתחו עמדות חיוביות כלפי היחידה המוצעת ומורים הצביעו על יעילותה. קיים אפקט לטווח ארוך של היחידה וגורמי רקע שונים לא משפיעים באופן מובהק על הבנה ועמדות של התלמידים. לאור ההצלחה בהפעלה של יחידת לימוד "תלמידים פוגשים מדע אותנטי" אני מאמינה, כי ניתן לאמצה באוניברסיטאות נוספות בארץ ובעולם ובתחומי מדע אחרים (כימיה, פיזיקה). כפי שצוין, חוויה ייחודית זו מזמנת הזדמנות חד פעמית לתלמידים לחוות חקר אותנטי וניתן לאמצו כמודל אוניברסאלי עם אפליקציות רבות.

ביבליוגרפיה

American Association for the Advancement of Science (1993). Benchmarks for science literacy. New York: Oxford University Press.

Brill, G., Falk, H. & Yarden, A. (2004). The learning processes of two high-school biology students when reading primary literature. International Journal of Science Education, 26 (4), 497–512.

Brill, G. & Yarden, A. (2003). Learning biology through research papers: a stimulus for question-asking by high-school students. Cell Biology Education, 2, 266-274.

Dick, T.P. & Rallins, S.F. (1991). Factors and influences on high school students' career choices. Journal for Research in Mathematics Education, 22 (4), 281-292.

Israeli Ministry of Education. (2006). Syllabus of biological studies for high schools from all sectors of society. Tel Aviv: The Ministry of Education, Culture and Sport.

National Research Council. (1996). National Science Education Standards. Washington, DC: National Academy Press.

National Research Council. (2000). Inquiry and the national science education standards. Washington, DC: National Academy Press.

Orion, N. (1989a). Development of a High-School geology course based on field trips. Journal of Geological Education, 37, 13-17.

Orion, N. (1989b). Field trips in the Israeli High-School geology curriculum. Journal of the Earth Science Teacher Association, 14 (1), 25-28.

Orion, N. (1993). A model for the development and implementation of field trips as an integral part of the science curriculum. School Science and Mathematics, 93 (6), 325- 331.

Orion, N. & Hofstein, A. (1994). Factors that influence learning during a scientific field trip in a natural environment. Journal of Research in Science Teaching, 31(10), 1097- 1119.

Orion, N. & Hofstein, A. (1991). The measurement of students’ attitudes towards scientific field trips. Science Education, 75 (5), 513-523.

Tamir, P., Stavy, R. & Ratner, N. (1998). Teaching science by inquiry: Assessment and learning. Journal of Biological Education, 33 (1), 27-33.

לעבודת הדוקטורט באתר מרכז המידע הבין-מכללתי