Marija T. Bošnjak Stepanović, University of Novi Sad, Faculty of Education, Sombor, Serbia, e-mail: sanjabalac@gmail.com
Sanja Ž. Balać, University of Novi Sad, Faculty of Education, Sombor, Serbia
Danijela R. Petrović, University of Novi Sad, Faculty of Education, Sombor, Serbia
Иновације у настави, XXXVIII, 2025/4, стр. 18–37

| PDF | | Extended summary PDF |
DOI: 10.5937/inovacije2504018B

Summary: Selected physics contents (heat and sound) were taught through two pilot projects employing Inquiry-Based Science Education (IBSE) within a STEAM+X educational framework. This research investigated whether, and to what extent, primary school students can effectively interpret natural phenomena through the particulate nature of matter using Inquiry-Based Teaching Models (IBTMs). This quasi-experimental study with parallel groups involved 62 3rd and 4th grade students from two primary schools in Serbia. Students of both groups, experimental (E) and control (C), showed better results on the post-test compared to the pre-test, with the difference in achievement being more pronounced in the E group. The analysis of post-test achievement disparities between students from both groups revealed a statistically significant difference favouring the E group, thereby validating the efficacy of the implemented innovative teaching models on the content related to thermal and sound phenomena.

Keywords: initial science education, inquiry, STEAM+X approach, heat, sound.

Марија Т. Бошњак Степановић
Сања Ж. Балаћ
Данијела Р. Петровић
Универзитет у Новом Саду, Педагошки факултет, Сомбор, Србија

МОГУЋНОСТИ И ИЗАЗОВИ У РАНОМ ПРИРОДНО-НАУЧНОМ ОБРАЗОВАЊУ:
ИСТРАЖИВАЊЕ ТОПЛОТЕ И ЗВУКА

Одабрани садржаји физике (топлота и звук) обрађени су кроз два пилот-пројекта који су реализовани путем истраживачке наставе (енг. Inquiry-Based Science Education –
IBSE) у оквиру STEAM+X образовног приступа. Истраживањем се проверавало да ли и у којој мери ученици разредне наставе могу ефикасно да тумаче природне феномене путем честичне структуре супстанце применом истраживачки обликованих наставних модела (ИОНМ). Ови иновативни модели наставе воде ученике кроз истраживачке активности, дијалог, критичко размишљање и искуствено учење, доприносећи тако развоју њихове упорности у решавању проблема, сарадничких вештина и јединствених креативних способности. Квазиексперимент са паралелним групама (експериментална – ИОНМ и контролна – ТНМ (традиционални наставни модел)) обухватао је 62 ученика трећег и четвртог разреда из две основне школе у Сомбору (Србија). Претест је креиран за проверу претходног знања ученика о топлоти и звуку, а утицај ИОНМ И ТНМ на квалитет знања и дубље концептуално разумевање је проверен помоћу посттеста. Тестови су садржали по 12 питања на 6 нивоа постигнућа у складу са ревидираном Блумовом таксономијом.
ИОНМ о топлотним појавама се састојао од следећих 5 секвенци: Агрегатна стања супстанце, Честична структура супстанце, Температура, Топлота и Провођење топлоте. ИОНМ о звуку и својствима звука реализован је кроз следеће четири секвенце: Основни принципи истраживачког учења, Извори и особине звука, Простирање звука и ехо и Израда постера – мапе појмова о звуку. У оквиру свих секвенци оба модела ученици су, примењујући научни метод, дефинисали своја истраживачка питања, постављали хипотезе, експериментисали, записивали запажања и закључке. Током реализације иновативних наставних модела примењен је групни облик рада, при чему су наставници кроз све етапе оснаживаи развој и унапређење ученичких језичких компетенција, попут разумевања прочитаног текста, извештавања група о резултатима истраживања, као и кроз дискусије на нивоу одељења. Ученици контролних група усвајали су исте наставне садржаје путем ТНМ, који је још увек најзаступљенији у нашој наставној пракси.
Након примене ИОНМ о топлотним појавама и даље је присутно погрешно поистовећивање појмова топлоте и температуре, што говори о дубокој укорењености уочене мисконцепције, а разумевање фазних прелаза је задовољавајуће само када је реч о води. Примењеним моделом побољшано је феноменолошко разумевање топлотне  роводљивости и процеса мешања супстанци различитих температура, али не и разумевање са аспекта њихове честичне структуре или на основу тумачења нумеричких података. Иновативни наставни модел је побољшао ученичко разумевање термоизолационих својстава материјала и унапредио способност за креативно решавање проблема (израда термошоље и предлагање мера уштеде топлотне енергије у домаћинству).
Примењени ИОНМ о звучним појавама потврдио је претходна знања о неким кон цептима (извор звука, гласно/тихо, опадање интензитета са удаљавањем од извора) и истовремено допринео бољем разумевању других, као што је смањење интензитета звука при преласку кроз препреке и одсуство звука у безваздушном простору. Такође, ИОНМ је омогућио дубље разумевање етапа преношења звука од извора до пријемника, повезаност висине стуба ваздуха или воде са висином звука који настаје у њима, и допринео развоју креативности при предлагању активности којима се смањује штетни утицај буке на људе.
У спроведеном педагошком експерименту ученици обе групе (Е и К) показали су боље резултате на посттесту у поређењу са претестом, с тим да је разлика у постигнућима код ученика Е групе израженија. Тестирањем разлика постигнућа ученика обе групе на посттесту о топлотним и звучним појавама утврђено је постојање статистички значајне разлике у корист Е групе. Величина утицаја експерименталног фактора је у оба случаја велика, што потврђује ефикасност примењених иновативних модела наставе на садржајима о топлотним, као и о звучним феноменима. Сходно томе, ово истраживање пружа смернице за будућу примену истих или сличних модела у већем обиму, у смислу величине узорка и дужине трајања пројекта, с обзиром на то да су добијени резултати обећавајући.

Кључне речи: почетно природно-научно образовање, истраживачки обликована настава, STEAM+X приступ, топлота, звук

References

• Allen, M. (2010). Misconceptions in primary science. Open University Press.
• Anderson, L. W., Krathwohl, D. R., & Bloom, B. S. (2001). A taxonomy for learning teaching and assessing: a revision of Bloom’s taxonomy of educational objectives. Longman Publishing.
• Baji, F., & Haeusler, C. (2022). Introducing Iranian Primary Children to Atoms and Molecules. Research in Science Education, 52(4), 1387–1418. https://doi.org/10.1007/s11165-021-10008-8
• Balać, S., Bošnjak Stepanović, M., i Bogdanović, I. (2022). Dečje razumevanje toplotnih fenomena u početnoj nastavi prirodnih nauka. Inovacije u nastavi, 35(3), 75–90. https://doi.org/10.5937/inovacije2203075B
• Bedewy, S. E. & Lavicza, Z. (2023). STEAM + X – Extending the transdisciplinary of STEAM-based educational approaches: A theoretical contribution. Thinking Skills and Creativity, 48, 1–23. https://doi.org/10.1016/j.tsc.2023.101299
• Brook, A., Briggs, H., Bell, B., & Driver, R. (1984). Aspects of secondary students’ understanding of heat: Full report, children’s learning in science project. University of Leeds, Centre for Studies in Science and Mathematics Education.
• Cañada, F. C., González-Gómez, D., Airado-Rodríguez, D., Niño, L. V. M., & Acedo, M. A. D. (2017). Change in Elementary School Students’ Misconceptions on Material Systems after a Theoretical-Practical Instruction. International Electronic Journal of Elementary Education, 9(3), 499–510.
• Dewey, J. (1938). The school and society. In M. Dworkin (Ed.), Dewey on education (pp. 19–46). Teachers College Press.
• Donovan, J., & Venville, G. (2012). Exploring the influence of the mass media on primary students’ conceptual understanding of genetics. Education, 40(1), 75–95. https://doi.org/10.1080/03004279.2012.635058.
• Duke, N., & Block, M. (2012). Improving Reading in the Primary Grades. The Future of Children, 22(2), 55–72. https://doi.org/10.1353/foc.2012.0017
• Durmus, J., & Bayraktar, S. (2010). Effects of conceptual change texts and laboratory experiments on fourth grade students’ understanding of matter and change concepts. Journal of Science Education & Technology, 19(5), 498–504. https://doi.org/10.1007/s10956-010-9216-9
• Erickson, G. L. (1979). Children’s conceptions of heat and temperature. Science Education, 63(2), 221–230.
• Eshach, H., Lin, T.-C., & Tsai, C.-C. (2017). Misconception of sound and conceptual change: A cross-sectional study on students’ materialistic thinking of sound. Journal of Research in Science Teaching, 55(5), 664–684. https://doi.org/10.1002/tea.21435
•  Eshach, H., & Schwartz, J. L. (2006). Sound Stuff? Naïve materialism in middle-school students’ conceptions of sound. International Journal of Science Education, 28(7), 733–764. https://doi.org/10.1080/09500690500277938
• Fitzallen, N., Wright, S., Watson, J., & Duncan, B. (2016). Year 3 students’ conceptions of heat transfer [Conference session]. Annual Meeting of the Australian Association for Research in Education. https://eric.ed.gov/?id=ED591867
• Haeusler, C., & Donovan, J. (2020). Challenging the science curriculum paradigm: Teaching primary children atomic-molecular theory. Research Science Education, 50, 23–52. https://doi.org/10.1007/s11165-017- 9679-2
• Harlen, W. (2015). Working with Big Ideas of Science Education. Science Education Programme.
• Hattie, J. C. (2009). Visible Learning: A Synthesis of over 800 Meta-Analyses Relating to Achievement. Routledge – Taylor & Francis Group.
• Hatzinikita, V., Koulaidis, V., & Hatzinikitas, A. (2005). Modeling pupils’ understanding and explanations concerning changes in matter. Research in Science Education, 35, 471–495. https://doi.org/10.1007/s11165-004-8321-2
• Kim, Y., & Park, N. (2012). The effect of STEAM education on elementary school student’s creativity improvement. In Computer Applications for Security, Control and System Engineering: Proceedings (pp.115–121). International Conferences, SecTech, CA, CES 3 2012, Held in Conjunction with GST 2012, Jeju Island, Korea, November 28 – December 2, 2012. Springer.
• Lee, C. K (2014). A conceptual change model for teaching heat energy, heat transfer and insulation. Science Education International, 25(4), 417–437. https://eric.ed.gov/?id=EJ1052916
• Li, Y., Wang, K., Xiao, Y., & Froyd, J. E. (2020). Research and trends in STEM education: Asystematic review of journal publications. International Journal of STEM Education, 7(1), 1–16.
• Löfgren, L., & Hellden, G. (2008). Following young students understanding of three phenomena in which transformations of matter occur. International Journal of Science and Mathematics Education, 6, 481–504. https://doi.org/10.1007/s10763-006-9064-5
• Mazens, K., & Lautrey, J., (2003). Conceptual Change in Physics: Children’s Naive Representations of Sound. Cognitive Development, 18, 159–176. https://doi.org/10.1016/S0885-2014(03)00018-2
• Milanović-Nahod, S., Šaranović-Božanović, N., i Šišović, D. (2003). Uloga pojmova u nastavi prirodnih nauka. Zbornik Instituta za pedagoška istraživanja, 35, 111–130.
• Miralimovna, Y. M. (2022). Integrating Steam in English Language Classrooms (K1-K2). International Journal on Integrated Education, 5(2), 140–144.
• National Research Council (1996). National science education standards. National Academies Press.
• Nurjani, D. M., Alpusari, M., Mahartika, I., Diniya, D., Ilhami, A., Permana, P. N. D., Alim, J. A., Sari, I. K., Mulyani, E. A., Putra, R. A., & Hermita, N. (2020). Identifying the Misconception of Sound Concepts among Grade V Students at SDN 192 Pekanbaru. Journal of Physics: Conference Series, 1655, 012074. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1655/1/012074
• Oyehaug, A., & Holt, A. (2013). Students’ understanding of the nature of matter and chemical reactions – a longitudinal study of conceptual restructuring. Chemistry Education Research and Practice, 14, 450–467. https://doi.org/10.1039/c3rp00027c
• Ozmen, H. (2011). Turkish primary students’ conceptions about the particulate nature of matter. International Journal of Environmental & Science Education, 6(1), 99–121. https://eric.ed.gov/?id=EJ930287
• Petrović, V. (2006). Razvoj naučnih pojmova u nastavi poznavanja prirode. Učiteljski fakultet u Jagodini.
• Rodić. D., Segedinac, M., i Rončević, T. (2020). Metodika nastave hemije I [Methods of teaching chemistry I]. Prirodno-matematički fakultet, Univerzitet u Novom Sadu.
• Schönborn, K., Haglund, J., & Xie, C. (2014). Pupils’ early explorations of thermoimaging to interpret heat and temperature. Journal of Baltic Science Education, 13(1), 118–132.
• Shymansky, J. A., Hedges, L. V., & Woodworth, G. (1990). A reassessment of the effects of inquiry-based science curricula of the 60’s on student performance. Journal of Research in Science Teaching, 27(2), 127–144.
• Singh, M. (2021). Acquisition of 21st Century Skills Through STEAM Education, Academia Letters, 712. https://doi.org/10.20935/AL712
• Sözbilir, M. (2003). A Review of Selected Literature on Students’ Misconceptions of Heat and Temperature. Boğaziçi University Journal of Education, 20(1), 25–40.
• Sozen, M., & Bolat, M. (2011). Determining the misconceptions of primary school students related to sound transmission through drawing. Procedia Social and Behavioral Sciences, 15, 1060–1066. https://doi.org/10.1016/j.sbspro.2011.03.239
• Strat, T. T. S., Henriksen, E. K., & Jegstad, K. M. (2023). Inquiry-based science education in science teacher education: a systematic review. Studies in Science Education, 60(2), 191–249. https://doi.org/10.1080/03057267.2023.2207148
• Tan, A. L., Ong, Y. S., Ng, Y. S., & Tan., J. H. J. (2023). STEM Problem Solving: Inquiry, Concepts, and Reasoning. Sci & Educ, 32, 381–397. https://doi.org/10.1007/s11191-021-00310-2
•  Tiberghien, A. (1994). Modeling as a basis for analysing teaching-learning situations, Learning and instruction, 4(1), 71–87. https://doi.org/10.1016/0959-4752(94)90019-1
• Veith, S. (2023). What’s the Matter with Sound? – How Primary School Students Perceive the Nature of Sound. Research in Science Education, 53(5), 1–16. https://doi.org/10.1007/s11165-023-10108-7
• Vygotsky, L. S. (1986). Thought and language (Rev. ed.). MIT Press.

Copyright © 2025 by the publisher Faculty of Education, University of Belgrade, SERBIA. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY 4.0) (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original paper is accurately cited.