DOI: https://doi.org/10.3389/fcomp.2024.1480404
تاريخ النشر: 2025-01-08
المؤلف: Rasikh Tariq وآخرون
الموضوع الرئيسي: تعليم وتعلم البرمجة
نظرة عامة
تتناول ورقة البحث دور الأساليب التربوية، وخاصة التعلم القائم على المشاريع، في تعزيز التفكير الحسابي بين طلاب STEM في التعليم العالي. من خلال مراجعة منهجية للأدبيات (SLR) مستندة إلى PRISMA 2020، تحدد الدراسة النتائج الرئيسية: التفكير الحسابي ضروري للتنمية المستدامة وحل المشكلات في سياق التقدم التكنولوجي؛ تطويره أولوية عالمية؛ والتقديم المبكر يمكن أن يفيد الفئات الضعيفة. تكشف التحليلات أنه على الرغم من التقدم في دمج التفكير الحسابي في المناهج الدراسية، إلا أن اعتماد هذه الاستراتيجيات التربوية يختلف عبر السياقات التعليمية.
تؤكد الدراسة على فعالية التعلم القائم على المشاريع وغيرها من الأساليب التعاونية القائمة على الاستفسار في تعزيز قدرات الطلاب على حل المشكلات الحسابية. لا تزرع هذه الأساليب التفكير النقدي والمهارات التحليلية فحسب، بل تربط أيضًا القضايا الواقعية بالمناهج الدراسية، مما يزيد من تفاعل الطلاب. تستخدم الأبحاث مجموعة متنوعة من المنهجيات – الكمية والنوعية والمختلطة – لتقييم استراتيجيات التدريس، مما يبرز تعقيد التفكير الحسابي. تشمل القيود بحث قاعدة بيانات مقيد وتركيز يتماشى مع اهتمامات المؤلفين، مما يقترح مجالات للبحث المستقبلي، لا سيما في دمج التقنيات الناشئة والممارسات التربوية المبتكرة في تعليم التفكير الحسابي.
مقدمة
تؤكد مقدمة ورقة البحث على ضرورة تطور الأنظمة التعليمية لتزويد الطلاب بالمهارات الأساسية للتنقل في تعقيدات المجتمع المدفوع بالتكنولوجيا. تسلط الضوء على أهمية تطوير كفاءات التفكير المعقد والحسابي، والتي تعتبر حاسمة لمعالجة المشكلات الواقعية من خلال أساليب منهجية ومبتكرة. يجادل المؤلفون بأن التفكير الحسابي، الذي يُعرف بأنه القدرة على حل المشكلات، وتصميم الأنظمة، وفهم سلوك الإنسان، هو أساسي عبر مختلف التخصصات، وخاصة في تعليم STEM (العلوم، التكنولوجيا، الهندسة، والرياضيات). لا تعزز مجموعة المهارات هذه التفكير المنهجي فحسب، بل تتماشى أيضًا مع متطلبات المهنة المعاصرة في التعليم العلمي والرياضي.
تناقش الورقة أيضًا الفجوة بين الجنسين في مجالات STEM، مشيرة إلى أنه على الرغم من أن التفكير الحسابي ضروري للنجاح في هذه المجالات، إلا أن هناك تفاوتات في الاهتمام والمشاركة بين الذكور والإناث. يدعو المؤلفون إلى استراتيجيات شاملة لتعزيز مشاركة الإناث في التفكير الحسابي ومهن STEM. علاوة على ذلك، يناقشون مجموعة متنوعة من الأساليب التربوية، مثل التعلم القائم على المشاريع، التي يمكن أن تعزز بفعالية مهارات التفكير الحسابي. تختتم المقدمة بتحديد أهداف البحث، والتي تشمل تحليل استراتيجيات التدريس الحالية، وتحديد الاتجاهات والفجوات في الأدبيات، واقتراح اتجاهات البحث المستقبلية لتعزيز دمج التفكير الحسابي في تعليم STEM على مستوى التعليم العالي.
الطرق
تحدد قسم المنهجية نهجًا منهجيًا لإجراء مراجعة منهجية للأدبيات (SLR) تركز على التفكير الحسابي وتعليم STEM داخل مؤسسات التعليم العالي. باستخدام إطار عمل PRISMA-P 2020، يتم هيكلة المراجعة في مرحلتين رئيسيتين: التخطيط والعمل. تتضمن المرحلة الأولية، المسماة “رسم خرائط الأدبيات المنهجية”، جمعًا شاملاً وتحليلًا للأدبيات الموجودة لتحديد الفجوات والمجالات التي تحتاج إلى مزيد من الاستكشاف. تعتبر هذه الخريطة أساسًا للأنشطة البحثية اللاحقة، والتي قد تشمل تصاميم تجريبية، أو استطلاعات، أو دراسات حالة تهدف إلى تقييم استراتيجيات التدريس التي تعزز التفكير الحسابي.
بعد رسم خرائط الأدبيات، يتم إجراء “مراجعة منهجية للأدبيات” بشكل مفصل لتلخيص وتقييم النتائج من الدراسات المحددة. تؤكد هذه المراجعة على قياس وتقييم المخرجات العلمية، مما يؤدي إلى قسم “النتائج” حيث يتم تحليل كل من نتائج مراجعة الأدبيات ونتائج البحث التجريبي. يتم تقديم النتائج مع بيانات داعمة وتحليل إحصائي، مما يتوج في قسم “الاستنتاجات” الذي يناقش آثار النتائج على تطوير التفكير الحسابي لدى طلاب STEM. يضمن هذا النهج المنظم أن تكون الاستنتاجات المستخلصة قوية، قائمة على الأدلة، وتساهم في تعزيز المعرفة في هذا المجال، بينما تطرح أيضًا أسئلة جديدة للبحث المستقبلي.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج من مراجعة منهجية للأدبيات حول التفكير الحسابي في تعليم STEM التي أجريت بين عامي 2021 و2024. تؤكد المراجعة على استراتيجيات تربوية، وخاصة التعلم القائم على المشاريع، تهدف إلى تعزيز مهارات التفكير الحسابي في سياقات التعليم العالي. يتم توضيح التحليلات الرئيسية من خلال الأشكال 5 و6 و7، التي تتناول ثلاثة أسئلة بحثية رئيسية: (1) اتجاهات النشر السنوية من 2021 إلى 2024، (2) توزيع هذه المنشورات عبر المجلات الأكاديمية الرائدة، و(3) المجلات ذات أعلى عدد من المنشورات في هذا المجال.
تكشف التحليلات عن زيادة كبيرة في المنشورات المتعلقة بالتفكير الحسابي في تعليم STEM، مما يشير إلى اهتمام متزايد ونشر نشط للبحث في هذا المجال. ظهرت مساهمات ملحوظة من ناشرين مثل MDPI وSpringer وJohn Wiley and Sons Inc.، الذين زادوا باستمرار من إنتاجهم، مما يبرز أدوارهم الأساسية في تعزيز البحث حول التفكير الحسابي في تعليم STEM.
المناقشة
في هذا القسم، تناقش الأبحاث المنهجية والإطار النظري المستخدم في مراجعة منهجية للأدبيات حول التفكير الحسابي (CT) في تعليم STEM. استخدمت الدراسة قاعدتين بيانات بارزتين، Scopus وWeb of Science، لتحديد المقالات ذات الصلة المنشورة بين عامي 2021 و2024، مع تطبيق معايير صارمة للإدراج والاستبعاد لضمان جودة وملاءمة الدراسات المختارة. في البداية، تم تحديد 12,146 مقالة، ولكن بعد تصفية دقيقة، اعتُبرت 23 دراسة فقط مناسبة للتحليل. سهلت طريقة PRISMA هذه العملية، مما يبرز أهمية البحث التجريبي الذي يربط CT مباشرة بتعليم STEM.
يؤكد الإطار النظري على أهمية CT كمهارة حاسمة لحل المشكلات في التكنولوجيا ودمجها في مناهج STEM. يستند إلى نظرية البناء المعرفي، ونظرية الحمل المعرفي، والتعلم القائم على المشاريع (PBL) لاقتراح استراتيجيات فعالة لتعزيز مهارات CT بين الطلاب. يتم تسليط الضوء على PBL كنهج تربوي فعال بشكل خاص، يعزز المشاركة النشطة والتعاون من خلال أنشطة حل المشكلات الواقعية. تكشف التحليلات عن اهتمام أكاديمي متزايد بـ CT في تعليم STEM، كما يتضح من اتجاهات النشر ومقاييس الاقتباس، مما يشير إلى تطور ديناميكي في أولويات البحث التي تتماشى مع الأهداف التعليمية العالمية. تشير النتائج إلى أن دمج CT في تعليم STEM لا يعزز فقط المهارات التقنية للطلاب، بل يعدهم أيضًا للتحديات المستقبلية في عالم مدفوع بالتكنولوجيا.
DOI: https://doi.org/10.3389/fcomp.2024.1480404
Publication Date: 2025-01-08
Author(s): Rasikh Tariq et al.
Primary Topic: Teaching and Learning Programming
Overview
The research paper examines the role of pedagogical approaches, particularly project-based learning, in fostering computational thinking among STEM students within higher education. Through a Systematic Literature Review (SLR) guided by PRISMA 2020, the study identifies key findings: computational thinking is essential for sustainable development and problem-solving in the context of technological advancement; its development is a global priority; and early introduction can benefit vulnerable groups. The analysis reveals that while there has been progress in integrating computational thinking into curricula, the adoption of these pedagogical strategies varies across educational contexts.
The study emphasizes the effectiveness of project-based learning and other collaborative, inquiry-based methods in enhancing students’ computational problem-solving abilities. These approaches not only cultivate critical thinking and analytical skills but also connect real-world issues to the curriculum, thereby increasing student engagement. The research employs a diverse range of methodologies—quantitative, qualitative, and mixed methods—to evaluate teaching strategies, highlighting the complexity of computational thinking. Limitations include a restricted database search and a focus aligned with the authors’ interests, suggesting areas for future research, particularly in integrating emerging technologies and innovative pedagogical practices in computational thinking education.
Introduction
The introduction of the research paper emphasizes the necessity of evolving educational systems to equip students with essential skills for navigating the complexities of a technology-driven society. It highlights the importance of developing complex and computational thinking competencies, which are critical for addressing real-world problems through systematic and innovative approaches. The authors argue that computational thinking, defined as the ability to solve problems, design systems, and understand human behavior, is fundamental across various disciplines, particularly in STEM (science, technology, engineering, and mathematics) education. This skill set not only enhances systematic thinking but also aligns scientific and mathematical instruction with contemporary professional demands.
The paper also addresses the gender gap in STEM fields, noting that while computational thinking is vital for success in these areas, disparities exist in interest and participation between males and females. The authors call for inclusive strategies to promote female engagement in computational thinking and STEM careers. Furthermore, they discuss various pedagogical approaches, such as project-based learning, that can effectively cultivate computational thinking skills. The introduction concludes by outlining the research’s objectives, which include analyzing current pedagogical strategies, identifying trends and gaps in the literature, and proposing future research directions to enhance the integration of computational thinking in STEM education at the higher education level.
Methods
The methodology section outlines a systematic approach to conducting a Systematic Literature Review (SLR) focused on computational thinking and STEM education within higher education institutions. Utilizing the PRISMA-P 2020 framework, the review is structured into two main stages: planning and action. The initial phase, termed “Systematic Literature Mapping,” involves a comprehensive gathering and analysis of existing literature to identify gaps and areas for further exploration. This mapping serves as a foundation for subsequent research activities, which may include experimental designs, surveys, or case studies aimed at evaluating pedagogical strategies that enhance computational thinking.
Following the literature mapping, a detailed “Systematic Review of the Literature” is conducted to synthesize and critically assess the findings from the identified studies. This review emphasizes the measurement and evaluation of scientific output, leading to the “Results” section where both literature review outcomes and empirical research findings are analyzed. The results are presented with supporting data and statistical analysis, culminating in a “Conclusions” segment that discusses the implications of the findings for the development of computational thinking in STEM students. This structured approach ensures that the conclusions drawn are robust, evidence-based, and contribute to advancing knowledge in the field, while also posing new questions for future research.
Results
The results section presents findings from a systematic literature review on computational thinking in STEM education conducted between 2021 and 2024. The review emphasizes pedagogical strategies, particularly project-based learning, aimed at enhancing computational thinking skills in higher education contexts. Key analyses are illustrated through Figures 5, 6, and 7, which address three primary research questions: (1) the annual publication trends from 2021 to 2024, (2) the distribution of these publications across leading academic journals, and (3) the journals with the highest publication counts in this area.
The analysis reveals a significant increase in publications related to computational thinking in STEM education, indicating a growing interest and active research dissemination in this field. Noteworthy contributions have emerged from publishers such as MDPI, Springer, and John Wiley and Sons Inc., which have consistently increased their output, highlighting their essential roles in promoting research on computational thinking within STEM education.
Discussion
In this section, the research discusses the methodology and theoretical framework employed in a systematic review of literature on computational thinking (CT) in STEM education. The study utilized two prominent databases, Scopus and Web of Science, to identify relevant articles published between 2021 and 2024, applying strict inclusion and exclusion criteria to ensure the quality and relevance of the selected studies. Initially, 12,146 articles were identified, but after rigorous filtering, only 23 studies were deemed suitable for analysis. The PRISMA method facilitated this selection process, emphasizing the importance of empirical research that directly connects CT with STEM education.
The theoretical framework underscores the significance of CT as a critical skill for problem-solving in technology and its integration into STEM curricula. It draws from constructivist theory, cognitive load theory, and project-based learning (PBL) to propose effective strategies for enhancing CT skills among students. PBL is highlighted as a particularly effective pedagogical approach, fostering active engagement and collaboration through real-world problem-solving activities. The analysis reveals a growing academic interest in CT within STEM education, as evidenced by publication trends and citation metrics, indicating a dynamic evolution in research priorities that align with global educational goals. The findings suggest that integrating CT into STEM education not only enhances students’ technical skills but also prepares them for future challenges in a technology-driven world.