Luận án: Đánh giá định lượng kết quả PLTW Gateway ở trường THCS ngoại thành

Nghiên cứu định lượng này phân tích sâu về chương trình Project Lead The Way Gateway. Khám phá tác động và hiệu quả của nó đối với giáo dục STEM cấp trung học

• Tác giả: Patrick Joseph Bellinger
• Người hướng dẫn: TS. Jackie Ramey
• Trường học: Lindenwood University
• Chuyên ngành: Giáo dục
• Đề tài: Nghiên cứu định lượng kiểm tra kết quả chương trình Project Lead the Way Gateway ở một quận ngoại ô
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• Danh mục bảng
• 1. Chương 1: Mở đầu
• 1.1. Lý do nghiên cứu
• 1.2. Mục đích nghiên cứu
• 1.3. Định nghĩa các thuật ngữ
• 2. Chương 2: Tổng quan tài liệu
• 2.1. Cơ sở lý luận cho PBL
• 2.2. Lược sử về học tập dựa trên vấn đề và học tập dựa trên dự án
• 2.3. Giáo dục ở các trường trung học cơ sở
• 2.4. Phát triển kỹ năng thế kỷ 21 thông qua PBL và STEAM
• 2.5. Các phương pháp truyền đạt STEAM/PBL cho học sinh
• 2.6. Thái độ của học sinh liên quan đến các khóa học STEAM và nghề nghiệp STEAM
• 2.7. Project Lead The Way
• 3. Chương 3: Phương pháp và thiết kế nghiên cứu
• 3.1. Mô hình 1: Quy trình thu thập dữ liệu khảo sát
• 3.2. Xây dựng công cụ khảo sát
• 3.3. Căn chỉnh công cụ phục vụ phân tích
• 3.4. Thống kê mô tả câu hỏi khảo sát năm 2018
• 3.5. Mô hình 2: Quy trình thu thập dữ liệu lưu trữ
• 3.6. Thống kê mô tả MAP môn Khoa học năm 2017
• 3.7. Thống kê mô tả MAP môn Toán giai đoạn 2015 - 2017
• 3.8. Thống kê mô tả EOC môn Đại số giai đoạn 2015 - 2017
• 3.9. Mối đe dọa đối với tính hợp lệ
• 4. Chương 4: Kết quả
• 4.1. Kết quả các giả thuyết vô hiệu
• 5. Chương 5: Thảo luận

Tóm tắt

I. Tổng quan về đánh giá định lượng chương trình PLTW Gateway

Project Lead The Way (PLTW) Gateway là chương trình giáo dục STEM dành cho học sinh trung học cơ sở, được thiết kế để phát triển tư duy sáng tạo và kỹ năng giải quyết vấn đề thông qua học tập dựa trên dự án (PBL). Chương trình này cung cấp các mô-đun về kỹ thuật, khoa học máy tính và biomedical, giúp học sinh tiếp cận kiến thức thực tiễn ngay từ bậc THCS. Đánh giá định lượng chương trình PLTW Gateway tập trung vào việc đo lường hiệu quả giáo dục thông qua các chỉ số cụ thể như điểm số, thái độ học tập và sự phát triển kỹ năng của học sinh. Nghiên cứu của Bellinger (2019) tại Lindenwood University đã áp dụng phương pháp định lượng để đánh giá kết quả chương trình tại một khu vực trường học ngoại ô. Phương pháp này cho phép nhà nghiên cứu thu thập dữ liệu có hệ thống, phân tích thống kê và đưa ra kết luận có cơ sở khoa học về hiệu quả thực tế của chương trình PLTW Gateway đối với học sinh THCS.

1.1. Định nghĩa và mục tiêu chương trình PLTW Gateway

PLTW Gateway là chương trình giáo dục tích hợp STEM dành cho học sinh lớp 6 đến lớp 8, thuộc hệ thống Project Lead The Way. Chương trình nhằm mục đích trang bị cho học sinh kiến thức nền tảng về khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học thông qua các hoạt động thực hành. Các mô-đun chính bao gồm Thiết kế và Tự động hóa, Năng lượng và Môi trường, cùng Khoa học Y sinh. Mục tiêu cốt lõi là phát triển tư duy phản biện, kỹ năng hợp tác và khả năng sáng tạo cho học sinh ngay từ giai đoạn giáo dục cơ bản, tạo tiền đề cho việc theo đuổi các ngành STEM trong tương lai.

1.2. Tầm quan trọng của đánh giá định lượng trong giáo dục STEM

Đánh giá định lượng đóng vai trò thiết yếu trong việc đo lường hiệu quả các chương trình giáo dục STEM như PLTW Gateway. Phương pháp định lượng sử dụng dữ liệu số học, phép đo lường và phân tích thống kê để đánh giá khách quan kết quả giáo dục. Điểm mạnh của phương pháp này nằm ở khả năng so sánh giữa các nhóm đối tượng, xác định xu hướng và kiểm chứng giả thuyết một cách khoa học. Trong nghiên cứu của Bellinger (2019), đánh giá định lượng giúp xác định liệu chương trình PLTW Gateway có thực sự cải thiện thành tích học tập và thái độ của học sinh đối với các môn STEM hay không.

II. Phân tích vấn đề trong đánh giá chương trình PLTW Gateway

Đánh giá định lượng chương trình PLTW Gateway đối mặt với nhiều thách thức phức tạp. Thứ nhất, việc đo lường kết quả giáo dục STEM đòi hỏi các chỉ số đa chiều, bao gồm kiến thức nội dung, kỹ năng thực hành và thái độ học tập. Thứ hai, yếu tố bối cảnh trường học, trình độ giáo viên và cơ sở vật chất ảnh hưởng đáng kể đến kết quả đánh giá. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng học tập dựa trên dự án (PBL), phương pháp giảng dạy chính của PLTW, thường bị hiểu sai và áp dụng không đúng cách. Savery (2006) cảnh báo về những hiểu lầm phổ biến khi áp dụng PBL, bao gồm nhầm lẫn giữa chương trình PBL với việc dạy kỹ năng giải quyết vấn đề, thiếu cam kết từ nhân sự và chiến lược đánh giá không phù hợp. Ngoài ra, việc thiếu nghiên cứu chuyên sâu và đầu tư vào chuẩn bị cũng là những rào cản lớn. Các vấn đề về giới tính trong thái độ đối với sự nghiệp STEAM cũng cần được xem xét kỹ lưỡng, đặc biệt là khoảng cách giữa học sinh nam và nữ trong việc quan tâm đến các ngành STEM.

2.1. Thách thức trong đo lường hiệu quả PBL tại trường THCS

Học tập dựa trên dự án (PBL) là phương pháp xây dựng kiến thức, trong đó học sinh tích cực tham gia vào các trải nghiệm thực tế và có ý nghĩa. Tuy nhiên, việc đo lường hiệu quả PBL tại trường THCS gặp nhiều khó khăn. Các bài kiểm tra truyền thống không đủ để đánh giá kỹ năng hợp tác, tư duy sáng tạo và khả năng giải quyết vấn đề phức tạp. Giáo viên cần được đào tạo chuyên sâu để triển khai PBL đúng cách, nhưng nhiều trường thiếu nguồn lực đào tạo. Sự khác biệt giữa các trường về cơ sở vật chất và đội ngũ giảng dạy cũng tạo ra sự không đồng nhất trong kết quả đánh giá, làm giảm độ tin cậy của nghiên cứu định lượng.

2.2. Khoảng cách giới trong thái độ học sinh đối với STEM

Nhiều nghiên cứu chỉ ra sự khác biệt đáng kể về thái độ giữa học sinh nam và nữ đối với các môn học và nghề nghiệp STEAM. Các nghiên cứu của Michael và Alsup (2016), Yoon và cộng sự (2014) đã ghi nhận hiện tượng này. Truyền thống, nghiên cứu tập trung vào thái độ đối với từng môn riêng lẻ như toán và khoa học. Gần đây, phạm vi nghiên cứu mở rộng sang thái độ tổng thể đối với STEAM. Học sinh nữ thường ít quan tâm đến các ngành kỹ thuật và công nghệ hơn so với nam giới. Việc hiểu rõ khoảng cách giới này là yếu tố quan trọng để cải thiện chương trình PLTW Gateway, đảm bảo chương trình thu hút và giữ chân tất cả học sinh, bất kể giới tính.

III. Phương pháp đánh giá định lượng chương trình PLTW Gateway

Phương pháp đánh giá định lượng chương trình PLTW Gateway sử dụng thiết kế nghiên cứu phi thực nghiệm với mẫu đại diện từ khu vực trường học ngoại ô. Bellinger (2019) đã triển khai khảo sát trực tuyến để thu thập dữ liệu từ học sinh tham gia chương trình. Phương pháp này bao gồm việc sử dụng thang đo Likert để đo lường thái độ, cùng với dữ liệu điểm số để đánh giá thành tích học tập. Phân tích thống kê mô tả và suy luận được áp dụng để xử lý dữ liệu, bao gồm kiểm định t-test, phân tích phương sai ANOVA và phân tích hồi quy. Sự hợp tác giữa đại học, doanh nghiệp và giáo viên đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế các mô-đun PBL chất lượng cao. Giáo viên được hưởng lợi từ việc tương tác với các chuyên gia trong ngành, cải thiện khả năng giảng dạy kỹ năng thế kỷ 21. Phương pháp định lượng này cho phép nhà nghiên cứu kiểm chứng giả thuyết một cách khách quan và đưa ra kết luận có ý nghĩa thống kê.

3.1. Thiết kế nghiên cứu và thu thập dữ liệu

Thiết kế nghiên cứu đánh giá chương trình PLTW Gateway sử dụng phương pháp định lượng phi thực nghiệm, tập trung vào việc mô tả và so sánh kết quả giữa các nhóm học sinh. Công cụ thu thập dữ liệu chính bao gồm khảo sát với thang đo Likert năm điểm và dữ liệu điểm số học tập. Mẫu nghiên cứu bao gồm học sinh THCS từ một khu vực trường học ngoại ô, được lựa chọn thông qua phương pháp lấy mẫu thuận tiện. Quy trình thu thập dữ liệu tuân thủ các tiêu chuẩn đạo đức nghiên cứu, đảm bảo tính bảo mật và tự nguyện của người tham gia. Dữ liệu được xử lý bằng phần mềm thống kê chuyên dụng để đảm bảo độ chính xác.

3.2. Kỹ thuật phân tích dữ liệu định lượng

Phân tích dữ liệu định lượng trong nghiên cứu đánh giá PLTW Gateway sử dụng nhiều kỹ thuật thống kê khác nhau. Thống kê mô tả bao gồm tần số, trung bình, độ lệch chuẩn để mô tả đặc điểm mẫu. Thống kê suy luận sử dụng kiểm định t-test để so sánh trung bình giữa hai nhóm, ANOVA để so sánh nhiều nhóm, và phân tích hồi quy để xác định mối quan hệ giữa các biến. Kiểm định ý nghĩa thống kê ở mức p < 0.05 được sử dụng để đánh giá kết quả. Dr. Kevin Winslow đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ phân tích và diễn giải dữ liệu, đảm bảo tính khoa học và khách quan của nghiên cứu.

IV. Kết luận và ứng dụng đánh giá PLTW Gateway tại THCS

Kết quả đánh giá định lượng chương trình PLTW Gateway tại trường THCS cho thấy những ảnh hưởng tích cực đến quá trình học tập và phát triển kỹ năng của học sinh. Chương trình giúp học sinh phát triển tư duy phản biện, kỹ năng hợp tác và khả năng giải quyết vấn đề thông qua phương pháp học tập dựa trên dự án. Tuy nhiên, nghiên cứu cũng chỉ ra những hạn chế cần được cải thiện, bao gồm sự khác biệt về giới trong thái độ đối với STEM và nhu cầu đào tạo giáo viên chuyên sâu hơn.Ứng dụng thực tiễn của kết quả nghiên cứu bao gồm việc cải tiến chương trình giảng dạy, tăng cường hợp tác giữa trường học và doanh nghiệp, và phát triển các chiến lược thu hút học sinh nữ vào lĩnh vực STEM. Các khu vực trường học có thể sử dụng kết quả đánh giá định lượng để ra quyết định dựa trên bằng chứng về việc triển khai và cải thiện chương trình PLTW Gateway. Nghiên cứu mở ra hướng phát triển cho các chương trình giáo dục STEM tại Việt Nam, nơi đang đẩy mạnh cải cách giáo dục theo hướng thực tiễn và sáng tạo.

4.1. Kết quả chính từ nghiên cứu đánh giá

Nghiên cứu đánh giá định lượng chương trình PLTW Gateway của Bellinger (2019) đã thu thập dữ liệu từ học sinh THCS tại một khu vực trường học ngoại ô. Kết quả cho thấy chương trình có tác động tích cực đến sự phát triển kỹ năng thế kỷ 21 của học sinh. Học sinh tham gia PLTW Gateway thể hiện sự cải thiện trong tư duy phản biện và kỹ năng hợp tác nhóm. Tuy nhiên, nghiên cứu cũng ghi nhận sự khác biệt về thái độ giữa học sinh nam và nữ đối với các môn STEAM. Những phát hiện này cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng để nhà trường và nhà hoạch định chính sách cải thiện chương trình giáo dục STEM.

4.2. Ứng dụng thực tiễn và hướng phát triển

Kết quả đánh giá định lượng chương trình PLTW Gateway có nhiều ứng dụng thực tiễn cho các trường THCS. Nhà trường có thể sử dụng dữ liệu để cải tiến nội dung giảng dạy, tăng cường đào tạo giáo viên về phương pháp PBL, và phát triển chiến lược thu hút học sinh. Hợp tác với doanh nghiệp và đại học giúp giáo viên tiếp cận nguồn lực và chuyên gia thực tế. Hướng phát triển bao gồm áp dụng mô hình tương tự tại các trường THCS Việt Nam, điều chỉnh nội dung phù hợp với bối cảnh địa phương, và xây dựng hệ thống đánh giá liên tục để theo dõi hiệu quả chương trình theo thời gian.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Bối cảnh giáo dục thế kỷ 21 chứng kiến sự chuyển dịch mang tính cấu trúc sâu sắc dưới áp lực từ các báo cáo chính sách quốc gia và nhu cầu nguồn nhân lực công nghệ cao. Khởi nguồn từ bản báo cáo mang tính bước ngoặt A Nation at Risk: The Imperative for Educational Reform (1983), tiếp nối bởi Common Core State Standards Initiative (2010) và đặc biệt là khuyến nghị chiến lược từ Hội đồng Cố vấn Khoa học và Công nghệ của Tổng thống Mỹ (PCAST, 2012) trong báo cáo Engage to Excel: Producing One Million Additional College Graduates with Degrees in Science, Technology, Engineering, and Mathematics, giáo dục công lập Hoa Kỳ đối mặt với yêu cầu bức thiết: "To meet this goal, the United States will need to increase the number of students who receive undergraduate STEM degrees by about 34% annually over current rates" (President’s Council of Advisors on Science and Technology, 2012, p. 1). Trước làn sóng cải cách đó, chương trình Project Lead The Way (PLTW) Gateway – một mô hình giáo dục ứng dụng Dạy học theo dự án (Project-Based Learning - PBL) và Dạy học dựa trên vấn đề (Problem-Based Learning - PBL) kết hợp tích hợp STEAM (Science, Technology, Engineering, Art, and Math) bậc trung học cơ sở – đã được triển khai trên diện rộng.

Tuy nhiên, một khoảng trống nghiên cứu thực nghiệm nổi cộm (research gap) tồn tại trong y văn: phần lớn các nghiên cứu về PBL và giáo dục kỹ thuật trước đây tập trung ở bậc đại học trong các ngành y khoa và kỹ thuật chuyên sâu (Chaves et al., 2006; Xian & Madhavan, 2013), hoặc chỉ khảo sát các khung giàn giáo nhận thức (scaffolding) và mô hình bồi dưỡng giáo viên đơn lẻ ở cấp phổ thông (Belland, Glazewski, & Richardson, 2011; English & Kitsantas, 2013; Holm, 2011). Nghiên cứu thực nghiệm định lượng đánh giá tác động kép của PLTW Gateway lên cả hai chiều kích: (1) thành tích học thuật chuẩn hóa cấp bang (Missouri Assessment Program - MAP) và (2) thái độ, nhận thức cũng như định hướng nghề nghiệp STEAM của học sinh trung học cơ sở còn hết sức khan hiếm.

Luận án tiến sĩ giáo dục của Patrick Joseph Bellinger (2019) tại Đại học Lindenwood mang tên "A Quantitative Study Examining Project Lead the Way Gateway Program Outcomes in a Suburban School District" đã giải quyết trực tiếp khoảng trống này thông qua việc kiểm định 7 giả thuyết nghiên cứu cụ thể:

• Giả thuyết 1 (H1): Tồn tại sự khác biệt có ý nghĩa về mức độ hiểu biết đối với các chương trình giáo dục STEAM giữa học sinh tham gia PLTW Gateway và học sinh không tham gia.
• Giả thuyết 2 (H2): Tồn tại sự khác biệt có ý nghĩa về nhận thức đối với các chương trình giáo dục STEAM giữa học sinh tham gia PLTW Gateway và học sinh không tham gia.
• Giả thuyết 3 (H3): Tồn tại sự khác biệt có ý nghĩa về mức độ hứng thú đối với các nghề nghiệp STEAM sau trung học phổ thông giữa học sinh tham gia PLTW Gateway và học sinh không tham gia.
• Giả thuyết 4 (H4): Tồn tại sự khác biệt có ý nghĩa về mức độ hứng thú đối với các nghề nghiệp STEAM sau trung học phổ thông giữa nhóm học sinh nữ tham gia PLTW Gateway và học sinh nữ không tham gia.
• Giả thuyết 5 (H5): Tồn tại sự khác biệt có ý nghĩa về điểm thi chuẩn hóa MAP môn Khoa học (Science) giữa học sinh tham gia PLTW Gateway và học sinh không tham gia.
• Giả thuyết 6 (H6): Tồn tại sự khác biệt có ý nghĩa về điểm thi chuẩn hóa MAP môn Toán (Mathematics) giữa học sinh tham gia PLTW Gateway và học sinh không tham gia.
• Giả thuyết 7 (H7): Tồn tại sự khác biệt có ý nghĩa về điểm thi cuối khóa (End-of-Course - EOC) môn Đại số I (Algebra I) lớp 8 giữa học sinh tham gia PLTW Gateway và học sinh không tham gia.

Khung lý thuyết của công trình được định vị vững chắc trên nền tảng Thuyết Kiến tạo (Constructivism) khởi xướng bởi John Dewey, mở rộng sang lý thuyết Tự điều chỉnh việc học (Self-Regulated Learning) của English & Kitsantas (2013), mô hình Chuẩn bị cho việc học tương lai (Preparation for Future Learning - PFL) của Swan et al. (2013) và Quy trình Thiết kế Kỹ thuật (Engineering Design Process - EDP). Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại một học khu ngoại ô vùng Trung Tây thuộc bang Missouri, tích hợp phân tích dữ liệu lịch sử chuẩn hóa MAP/EOC từ 4 trường trung học cơ sở qua 3 năm liên tiếp (2015, 2016, 2017) kết hợp khảo sát trực tuyến trên học sinh từ lớp 7 đến lớp 12 trong năm học 2018.

Literature Review và Positioning

Y văn về các phương pháp sư phạm tiến bộ ghi nhận một tiến trình phát triển kéo dài hơn nửa thế kỷ, chuyển dịch từ mô hình truyền thụ thụ động sang lấy người học làm trung tâm. Savery (2006, p. 12) định nghĩa Problem-based Learning là "an instructional (and curricular) learner-centered approach that empowers learners to conduct research, integrate theory and practice, and apply knowledge and skills to develop a viable solution to a defined problem". Trong khi đó, Tamin & Grant (2013, p. 73) xác định Project Based Learning là "an instructional model that is based in the constructivist approach to learning, which entails the construction of knowledge with multiple perspectives, within a social activity, and allows for self-awareness of learning and knowing while being context dependent". Lịch sử của phương pháp dự án truy nguyên từ William Heard Kilpatrick (1918) với phương pháp dự án (Project Method) dựa trên tư tưởng của Dewey, sau đó được Barrows phát triển thành hình thức PBL hiện đại tại các trường đào tạo y khoa vào thập niên 1950 (Savery, 2006; Xian & Madhavan, 2013).

Trong dòng chảy học thuật, các cuộc tranh luận và mâu thuẫn lý thuyết sâu sắc đã nảy sinh xoay quanh hiệu quả thực sự của PBL:

1. Quan điểm hoài nghi và phê bình cấu trúc: Maudsley (1999, p. 182) từng mô tả PBL là "a recycled idea with an identity crisis", chỉ ra sự thiếu nhất quán trong việc định nghĩa các hoạt động học tập không đồng nhất. Hung (2016) và Savery (2006) cảnh báo về tình trạng thiếu một khung thiết kế vấn đề có hệ thống, khiến giáo viên dễ nhầm lẫn giữa việc dạy kỹ năng giải quyết vấn đề đơn thuần với việc áp dụng triệt để giáo trình PBL. Ngoài ra, việc thiếu hụt sự chuẩn bị sư phạm và công cụ đánh giá không tương thích dễ dẫn đến sự sụt giảm hiệu quả giảng dạy.
2. Quan điểm ủng hộ và phát triển kỹ năng thế kỷ 21: Ngược lại, Larmer (2016, p. 2) từ Viện Giáo dục Buck (Buck Institute for Education) khẳng định mô hình PBL đào tạo nên chân dung người học lý tưởng: "a responsible, resourceful, persistent critical thinker who knows how to learn, works well with others, is a problem solver, communicates well, and manages time and work effectively". Slavich & Zimbardo (2012) cũng chứng minh rằng việc đối mặt với các vấn đề phức tạp giúp người học tự kiến tạo tri thức khi nhận thức được sự xung đột giữa thông tin mới và hiểu biết hiện hữu.

Tuy nhiên, thách thức đặt ra cho lứa tuổi trung học cơ sở là rất lớn. English & Kitsantas (2013, p. 129) chỉ ra rằng học sinh THCS thường gặp khó khăn với vai trò "constructing knowledge and making meaning [because] this role conflicts with deeply ingrained habits they have developed through more familiar classroom experiences in which they have been passive recipients of knowledge". Hơn nữa, Belland, Glazewski, & Richardson (2011) nhận thấy học sinh lứa tuổi này khó có thể thiết lập các lập luận dựa trên bằng chứng khoa học nếu thiếu các cấu trúc giàn giáo chuyên biệt.

Để làm rõ vị thế học thuật, công trình của Bellinger (2019) được đối chiếu trực tiếp với hai nghiên cứu quốc tế điển hình:

• Nghiên cứu ENT3R tại Na Uy của Jensen & Sjaastad (2013): Khảo sát chương trình ngoại khóa kết nối học sinh phổ thông với cố vấn và sinh viên đại học khối ngành STEM. Nghiên cứu của Jensen & Sjaastad khẳng định sự tương tác với người thực hành chuyên nghiệp giúp cải thiện hơn 50% thái độ tích cực của học sinh đối với môn Toán và định hướng nghề nghiệp STEM. Bellinger (2019) mở rộng phát hiện này bằng cách chứng minh rằng ngay cả trong khung giờ chính khóa của một môn tự chọn (PLTW Gateway) không cần sự hiện diện trực tiếp của cố vấn bên ngoài, trải nghiệm PBL học đường vẫn tạo ra sự chuyển biến vượt bậc về động lực nghề nghiệp.
• Nghiên cứu liên ngành y khoa tại Nhật Bản của Imafuku et al. (2014): Phân tích mô hình hướng dẫn PBL liên ngành (y, nha, điều dưỡng, dược) và chứng minh sự hợp tác giải quyết vấn đề giúp nâng cao cấu trúc tri thức và kỹ năng giao tiếp chuyên nghiệp. Nghiên cứu của Bellinger đặt mô hình hợp tác PBL này vào bối cảnh học sinh phổ thông đại trà cấp THCS, kiểm định xem liệu sự tương tác nhóm trong các mô-đun kỹ thuật 9 tuần có thúc đẩy năng lực nhận thức và thành tích học thuật chuẩn hóa tương đương hay không.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án mở rộng và kiểm chứng giới hạn của Thuyết Kiến tạo (Dewey; Tamin & Grant, 2013) và Lý thuyết Tự điều chỉnh việc học (English & Kitsantas, 2013) trong bối cảnh các chương trình STEM phân mô-đun ở bậc phổ thông. Thay vì chỉ thừa nhận một cách mặc định rằng việc tham gia giải quyết vấn đề phi cấu trúc (ill-structured problems) sẽ tự động nâng cao điểm số chuẩn hóa, nghiên cứu chứng minh một sự phân tách lý thuyết (theoretical dissociation) quan trọng:

1. Mở rộng mô hình Chuẩn bị cho việc học tương lai (PFL - Swan et al., 2013): Trải nghiệm khám phá miền tri thức thông qua các thử thách kỹ thuật mô phỏng thực tế của PLTW Gateway giúp thiết lập nền tảng tâm lý - nhận thức (thái độ tích cực, tự tin năng lực bản thân - academic self-efficacy, và sự sẵn sàng cho các khóa học nâng cao ở bậc THPT) hơn là lập tức tác động làm thay đổi điểm số bài thi chuẩn hóa ghi nhớ kiến thức truyền thống.
2. Kiểm định giả thuyết về khoảng cách chuyển di nhận thức (Cognitive Transfer Gap): Kết quả nghiên cứu đóng góp bằng chứng thực nghiệm cho thấy các kỹ năng bậc cao (tư duy thiết kế, giải quyết vấn đề mở, làm việc nhóm) phát triển qua PBL không chuyển dịch trực tiếp thành điểm số cao hơn trên các bài thi trắc nghiệm chuẩn hóa cấp bang (MAP Science/Math và Algebra I EOC), trừ khi các bài kiểm tra chuẩn hóa được thiết kế tương thích để đo lường năng lực ứng dụng thực hành.

       [ Khung Lý Thuyết Tích Hợp PLTW Gateway ]
  +--------------------------------------------------+
  |  Thuyết Kiến Tạo (Dewey; Tamin & Grant, 2013)    |
  |  - Người học tự kiến tạo ý nghĩa                 |
  |  - Học qua tình huống thực tiễn                  |
  +-------------------------+------------------------+
                            |
                            v
  +--------------------------------------------------+
  |  Quy Trình Thiết Kế Kỹ Thuật (EDP - Abbott, 2016)|
  |  - Vấn đề phi cấu trúc -> Thiết kế mẫu thử       |
  |  - Vòng lặp phản hồi & Tự điều chỉnh (SRL)       |
  +-------------------------+------------------------+
                            |
                            v
        +-------------------+-------------------+
        |                                       |
        v                                       v
[ Chiều Kích Xúc Cảm - Động Lực ]     [ Chiều Kích Thành Tích Chuẩn Hóa ]
- Hứng thú nghề nghiệp STEAM (H3, H4) - Điểm MAP Khoa học (H5)
- Nhận thức & hiểu biết STEAM (H1, H2) - Điểm MAP Toán (H6)
- Sẵn sàng học tiếp PLTW cấp THPT     - Điểm EOC Đại số I (H7)
    (Tác động Tích cực - p < .05)         (Không có khác biệt - p > .05)

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của nghiên cứu là sự hợp nhất ba trụ cột lý thuyết: (1) Sư phạm PBL kiến tạo, (2) Quy trình Thiết kế Kỹ thuật 6 bước tuần hoàn (Engineering Design Process - EDP: Xác định vấn đề, Động não giải pháp, Nghiên cứu và xếp hạng, Phát triển giải pháp/Tạo mẫu thử, Đánh giá/Kiểm thử, và Trình bày kết quả - Abbott, 2016; Billiar et al., 2014), và (3) Lý thuyết Nhận thức Xã hội về Nghề nghiệp (Social Cognitive Career Theory).

Điều kiện biên (Boundary conditions) của khung phân tích được xác định rõ ràng: Nghiên cứu áp dụng đối với học sinh THCS trong một cấu trúc thời khóa biểu bị hạn chế lựa chọn tự chọn (master schedule bottleneck), nơi học sinh chỉ được chọn một môn tự chọn duy nhất giữa PLTW Gateway, ban nhạc, hợp xướng hoặc ngoại ngữ. Khung phân tích này cho phép đo lường chính xác hiệu ứng độc lập của chương trình kỹ thuật đối với nhóm học sinh lựa chọn tham gia so với nhóm học sinh đồng trang lứa.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu vận hành theo hệ hình thực chứng hậu kỳ (post-positivism) với lập trường nhận thức luận khách quan, sử dụng thiết kế định lượng so sánh - nguyên nhân (causal-comparative / quasi-experimental design) kết hợp khảo sát mô tả cắt ngang. Thiết kế phân tầng theo hai mô hình bổ trợ:

• Mô hình 1 (Khảo sát thái độ và nhận thức): Đo lường dữ liệu định lượng thu thập từ bảng hỏi trực tuyến năm 2018 đối với học sinh từ lớp 7 đến lớp 12 đã từng hoặc chưa từng học PLTW Gateway.
• Mô hình 2 (Dữ liệu học thuật lưu trữ - Archived Data): Khai thác dữ liệu thứ cấp quy mô lớn từ hồ sơ học tập chuẩn hóa của Sở Giáo dục Tiểu học và Trung học Missouri (MODESE) từ 4 trường THCS qua 3 năm học (2015, 2016, 2017).

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình thu thập dữ liệu được thiết kế chặt chẽ nhằm đảm bảo tính giá trị và độ tin cậy:

• Tiêu chí lựa chọn mẫu: Nhóm can thiệp (PLTW Gateway group) gồm các học sinh đã hoàn thành ít nhất một mô-đun PLTW Gateway (kéo dài 9 tuần hoặc 1 học kỳ) tại bậc THCS. Nhóm đối chứng (Non-PLTW group) gồm các học sinh cùng trường, cùng khối lớp nhưng chưa từng ghi danh bất kỳ khóa PLTW Gateway nào.
• Công cụ khảo sát ghép cặp (Paired Survey Instrumentation): Bảng hỏi năm 2018 sử dụng thang đo Likert 5 điểm, thiết kế theo các cặp câu hỏi đối sánh logic nhằm kiểm tra tính nhất quán nội tại:
  • H1: Cặp câu hỏi 4 và 11 (Mức độ hiểu biết về các chương trình STEAM).
  • H2: Cặp câu hỏi 5 & 12, 6 & 13, 8 & 15 (Nhận thức về giá trị và sự chuẩn bị của chương trình STEAM).
  • H3 & H4: Cặp câu hỏi 7 & 14, 9 & 16, 10 & 17 (Hứng thú nghề nghiệp STEAM và ý định theo học tiếp ở THPT, phân rã theo tổng thể và phân nhóm giới tính nữ).
• Tam giác hóa dữ liệu chuẩn hóa: Sử dụng kết quả bài thi Grade-Level Assessment môn Toán và Tiếng Anh (bắt buộc từ lớp 3-8) và môn Khoa học (lớp 5 và lớp 8) theo chuẩn Show-Me Standards của bang Missouri, cùng bài thi EOC môn Đại số I dành cho học sinh lớp 8 học nâng cao.

Data và phân tích

Dữ liệu được xử lý bằng các kỹ thuật thống kê suy luận trên phần mềm chuyên dụng. Phép kiểm định $t$-test hai mẫu độc lập giả định phương sai bằng nhau (Two-Sample $t$-Test Assuming Equal Variances) được áp dụng để so sánh giá trị trung bình giữa nhóm PLTW và non-PLTW cho toàn bộ 7 giả thuyết:

• Đối với dữ liệu MAP Khoa học 2017 (H5), MAP Toán giai đoạn 2015-2017 (H6) và EOC Đại số I 2015-2017 (H7), các chỉ số thống kê mô tả bao gồm: Dung lượng mẫu ($N$), Giá trị trung bình ($M$), Phương sai ($s^2$), Độ lệch chuẩn ($SD$), Giá trị kiểm định ($t$-Stat), và Mức ý nghĩa thống kê hai phía ($p$-value với ngưỡng $\alpha = .05$).
• Phân tích tách biệt theo giới tính (Gender Disaggregation) được tiến hành đối với H4 nhằm kiểm tra giả thuyết về việc thu hẹp khoảng cách giới trong khối ngành STEM.

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

Kết quả phân tích thống kê định lượng của luận án mang lại những phát hiện đột phá, làm sáng tỏ mối quan hệ giữa giáo dục PBL kỹ thuật và kết quả đầu ra của người học:

Giả thuyết kiểm định	Biến số đo lường / Nguồn dữ liệu	Kết quả Thống kê ($t$-test)	Kết luận Thực nghiệm
Giả thuyết 1 (H1)	Hiểu biết về chương trình STEAM (Cặp câu hỏi 4 & 11)	$p < .05$, Điểm TB nhóm PLTW cao hơn có ý nghĩa	Bác bỏ giả thuyết không ($H_0$) - Khẳng định tác động tích cực
Giả thuyết 2 (H2)	Nhận thức về sự chuẩn bị STEAM (Cặp 5 & 12, 6 & 13, 8 & 15)	$p < .05$ trên tất cả các cặp chỉ số	Bác bỏ giả thuyết không ($H_0$) - Tăng cường tự tin học thuật
Giả thuyết 3 (H3)	Hứng thú nghề nghiệp STEAM (Cặp 7 & 14, 9 & 16, 10 & 17)	$p < .05$, gia tăng tỷ lệ dự định học tiếp PLTW THPT	Bác bỏ giả thuyết không ($H_0$) - Thúc đẩy định hướng nghề nghiệp
Giả thuyết 4 (H4)	Hứng thú nghề nghiệp ở học sinh Nữ (Phân rã giới tính)	$p < .05$, học sinh nữ học PLTW vượt trội nhóm đối chứng	Bác bỏ giả thuyết không ($H_0$) - Xóa bỏ rào cản tâm lý giới
Giả thuyết 5 (H5)	Điểm thi MAP Khoa học lớp 8 (Dữ liệu chuẩn hóa 2017)	$p > .05$, không có sự khác biệt có ý nghĩa	Chấp nhận giả thuyết không ($H_0$) - Không tác động điểm số
Giả thuyết 6 (H6)	Điểm thi MAP Toán lớp 7-8 (Dữ liệu 2015 - 2017)	$p > .05$, không có sự khác biệt có ý nghĩa	Chấp nhận giả thuyết không ($H_0$) - Không tác động điểm số
Giả thuyết 7 (H7)	Điểm thi EOC Đại số I lớp 8 (Dữ liệu 2015 - 2017)	$p > .05$, không có sự khác biệt có ý nghĩa	Chấp nhận giả thuyết không ($H_0$) - Không tác động điểm số

Các điểm nhấn dữ liệu then chốt bao gồm:

1. Sự bứt phá về thái độ và định hướng nghề nghiệp (H1 - H4): Học sinh hoàn thành chỉ một mô-đun PLTW Gateway thể hiện nhận thức vượt trội về nghề nghiệp STEAM, cảm thấy được chuẩn bị tốt hơn và có xác suất đăng ký tiếp các môn PLTW chuyên sâu ở bậc THPT cao hơn đáng kể so với nhóm không tham gia ($p < .05$).
2. Hiệu ứng thu hẹp khoảng cách giới tính (H4): Học sinh nữ tham gia PLTW Gateway ghi nhận sự gia tăng mạnh mẽ về mức độ hứng thú đối với các ngành nghề kỹ thuật vốn do nam giới chiếm ưu thế, chứng minh tính hiệu quả của môi trường học tập thực hành trong việc phá bỏ định kiến rào cản.
3. Phát hiện phi trực giác về điểm thi chuẩn hóa (H5 - H7): Trái ngược với kỳ vọng ban đầu của các nhà quản lý giáo dục, việc học PLTW Gateway không tạo ra sự vượt trội có ý nghĩa thống kê trên các bài thi chuẩn hóa MAP Khoa học, MAP Toán hay EOC Đại số I ($p > .05$). Giải thích lý thuyết cho thấy các bài kiểm tra chuẩn hóa truyền thống chủ yếu đánh giá khả năng ghi nhớ sự kiện và giải thuật toán học đóng, vốn không phản ánh đầy đủ năng lực tư duy thiết kế, siêu nhận thức (metacognition) và kỹ năng giải quyết vấn đề thực tế phát triển qua PBL (Ertmer et al., 2014; Hung, 2016).

Implications đa chiều

• Về mặt lý thuyết: Cung cấp bằng chứng thực nghiệm phân định rõ ràng giữa "kết quả học tập chuẩn hóa" (standardized achievement) và "kết quả động lực - định hướng" (motivational/career orientation), củng cố lý thuyết phát triển nghề nghiệp xã hội nhận thức trong giáo dục STEM sớm.
• Về phương pháp luận: Thiết lập quy trình mẫu trong việc kết hợp dữ liệu hành chính lưu trữ quy mô lớn (statewide standardized assessments) với công cụ khảo sát ghép cặp để đánh giá toàn diện các chương trình đổi mới giáo dục.
• Về thực tiễn và chính sách giáo dục:
  • Các nhà quản lý học khu không nên kỳ vọng PLTW Gateway như một giải pháp can thiệp ngắn hạn nhằm tăng điểm số thi chuẩn hóa cấp bang.
  • Thay vào đó, PLTW Gateway cần được đầu tư như một đòn bẩy chiến lược để nuôi dưỡng nguồn nhân lực STEM dài hạn, đặc biệt là thu hút học sinh nữ.
  • Cần tái cấu trúc thời khóa biểu trung học cơ sở (master scheduling), gỡ bỏ rào cản "chỉ chọn một môn tự chọn duy nhất" để học sinh yêu thích nghệ thuật, âm nhạc hoặc ngoại ngữ vẫn có thể tiếp cận các khóa học kỹ thuật STEAM.

Limitations và Future Research

Luận án thừa nhận các hạn chế phương pháp luận và điều kiện biên cụ thể:

1. Phạm vi địa lý và mẫu nghiên cứu: Nghiên cứu chỉ tiến hành tại một học khu duy nhất tại vùng ngoại ô Trung Tây, hạn chế khả năng khái quát hóa kết quả sang các học khu đô thị lớn hoặc khu vực nông thôn nghèo.
2. Đặc điểm thời khóa biểu tự chọn: Học sinh tham gia PLTW Gateway trong nghiên cứu này bị ràng buộc bởi thời khóa biểu chỉ cho phép một lựa chọn tự chọn duy nhất. Những học sinh chọn ban nhạc, hợp xướng hoặc ngoại ngữ bị loại trừ khỏi cơ hội tiếp cận PLTW, tạo ra nguy cơ thiên lệch chọn mẫu tự nhiên (self-selection bias).
3. Độ nhạy của công cụ đánh giá: Các bài kiểm tra MAP và EOC của bang Missouri không được thiết kế chuyên biệt để đo lường các kỹ năng thế kỷ 21 như tư duy phản biện, kỹ năng làm việc nhóm, giao tiếp hay quy trình thiết kế kỹ thuật.

Chương trình nghiên cứu tiếp nối (Future Research Agenda) bao gồm:

• Mở rộng nghiên cứu định tính (qualitative study) đào sâu vào trải nghiệm tâm lý học sinh và cơ chế biến đổi thái độ thông qua phỏng vấn sâu và quan sát lớp học.
• Thiết kế nghiên cứu theo dõi dọc (longitudinal tracking) theo dõi học sinh từ THCS lên THPT và đại học để đo lường tỷ lệ hoàn thành bằng cấp cử nhân STEM thực tế.
• Sử dụng phương pháp ghép cặp điểm xu hướng (Propensity Score Matching - PSM) để kiểm soát triệt để các biến đồng hiện (năng lực học tập ban đầu, điều kiện kinh tế - xã hội).

Tác động và ảnh hưởng

Nghiên cứu của Bellinger tạo ra tiếng vang học thuật và giá trị thực tiễn to lớn:

• Tác động học thuật: Định hình lại cách tiếp cận đánh giá các chương trình can thiệp CTE/STEAM tại Hoa Kỳ, cung cấp tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu đo lường hiệu quả chương trình của tổ chức PLTW, Inc. và các đối tác học thuật cấp bang.
• Chuyển đổi chính sách giáo dục địa phương: Thúc đẩy học khu nghiên cứu điều chỉnh lại cơ chế phân bổ môn học tự chọn, gia tăng khả năng tiếp cận công bằng cho mọi đối tượng học sinh.
• Giá trị xã hội và bình đẳng giới: Đưa ra bằng chứng vững chắc khuyến khích các sáng kiến tài trợ giáo dục kỹ thuật cho nữ sinh ngay từ lứa tuổi 11-14, góp phần trực tiếp vào mục tiêu đa dạng hóa lực lượng lao động công nghệ cao trong tương lai.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh và Giới học thuật: Tiếp cận một khung thiết kế nghiên cứu so sánh - nguyên nhân chuẩn mực, tận dụng dữ liệu lưu trữ kết hợp khảo sát đo lường tâm lý học đường.
• Giáo viên và Tổ trưởng chuyên môn STEAM: Hiểu rõ giá trị cốt lõi của PLTW Gateway nằm ở việc truyền cảm hứng và xây dựng tư duy thiết kế, từ đó tối ưu hóa phương pháp đánh giá quá trình (formative assessment) thay vì quá lo lắng về điểm thi trắc nghiệm lý thuyết.
• Lãnh đạo trường và Nhà hoạch định chính sách: Có cơ sở dữ liệu thực nghiệm để phân bổ ngân sách trang thiết bị, phòng lab PLTW và thiết kế thời khóa biểu hợp lý, bảo vệ chương trình trước những áp lực thi cử ngắn hạn.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và lý thuyết nào đã được mở rộng?

Luận án đóng góp việc làm sáng tỏ sự phân tách giữa hiệu ứng động lực nghề nghiệp và kết quả điểm thi chuẩn hóa trong mô hình Dạy học theo dự án (PBL). Nghiên cứu mở rộng Thuyết Kiến tạo của John Dewey và mô hình Chuẩn bị cho việc học tương lai (PFL - Swan et al., 2013) bằng cách chứng minh rằng: Trong môi trường giáo dục kỹ thuật THCS, các trải nghiệm kiến tạo thực hành giúp hình thành cấu trúc niềm tin năng lực (self-efficacy) và định hướng nghề nghiệp sớm, dù chưa thể biểu hiện ngay lập tức thành điểm số vượt trội trên các bài kiểm tra chuẩn hóa truyền thống mang tính ghi nhớ.

2. Điểm đổi mới phương pháp luận khi so sánh với các nghiên cứu trước đây là gì?

So với nghiên cứu của English & Kitsantas (2013) chỉ tập trung vào mô hình tự điều chỉnh lý thuyết hoặc nghiên cứu của Alongi (2015) chỉ đánh giá các sự kiện ngoại khóa ngắn hạn (1 ngày), Bellinger (2019) đã kết hợp thiết kế khảo sát cặp biến đo lường thái độ với việc phân tích dữ liệu dọc lưu trữ đa năm (3 năm liên tiếp: 2015, 2016, 2017) trên toàn bộ 4 trường THCS của học khu, kiểm định chéo trên cả 3 bài thi chuẩn hóa độc lập (MAP Science, MAP Math, và Algebra I EOC).

3. Phát hiện nào mang tính bất ngờ nhất và dữ liệu nào chứng minh cho điều đó?

Phát hiện bất ngờ nhất là việc tham gia PLTW Gateway không tạo ra bất kỳ sự khác biệt có ý nghĩa thống kê nào đối với điểm thi chuẩn hóa MAP môn Toán, MAP môn Khoa học và EOC Đại số I ($p > .05$ trên các phép kiểm định $t$-test độc lập ở H5, H6, H7). Điều này đi ngược lại giả định phổ biến của các nhà quản lý rằng việc học STEM tích hợp sẽ tự động kéo điểm thi các môn khoa học cơ bản tăng theo.

4. Luận án có cung cấp quy trình tái lập (Replication Protocol) rõ ràng không?

Có. Luận án mô tả chi tiết quy trình thu thập dữ liệu lưu trữ từ MODESE, bảng ma trận ghép cặp câu hỏi khảo sát Likert (Bảng 1 trong luận án), các tiêu chí loại trừ/đưa vào của mẫu nghiên cứu, cùng toàn bộ tham số thống kê mô tả ($M$, $s^2$, $t$-stat, $df$, $p$-value) phục vụ cho việc tái lập nghiên cứu tại các bang hoặc học khu khác.

5. Lộ trình nghiên cứu 10 năm (10-Year Research Agenda) được định hình như thế nào?

Lộ trình hướng tới việc thiết lập mô hình đánh giá năng lực tích hợp thế kỷ 21: (1) Nghiên cứu định tính về tương tác sư phạm trong lớp học PLTW; (2) Nghiên cứu theo dõi dọc 10 năm từ lớp 6 đến khi tốt nghiệp đại học để đo lường tỷ lệ sinh viên theo đuổi và hoàn thành văn bằng STEM; (3) Hợp tác với các tổ chức khảo thí phát triển bộ công cụ đánh giá chuẩn hóa dựa trên năng lực giải quyết vấn đề thực tế thay thế cho bài thi trắc nghiệm truyền thống.

Kết luận

Tóm lại, luận án tiến sĩ của Patrick Joseph Bellinger (2019) đã thiết lập những dấu ấn học thuật và thực tiễn vững chắc:

1. Xác nhận vai trò vượt trội của chương trình PLTW Gateway trong việc nâng cao mức độ hiểu biết, nhận thức tích cực và hứng thú theo đuổi nghề nghiệp STEAM ở học sinh THCS ($p < .05$).
2. Cung cấp bằng chứng thực nghiệm quan trọng khẳng định PLTW Gateway là công cụ hiệu quả giúp thu hẹp khoảng cách giới tính, thúc đẩy học sinh nữ tự tin hướng tới các ngành nghề kỹ thuật.
3. Làm sáng tỏ sự độc lập giữa trải nghiệm PBL kỹ thuật và điểm số thi chuẩn hóa cấp bang (MAP Khoa học, MAP Toán, EOC Đại số I), bác bỏ quan niệm giản đơn rằng học STEM thực hành sẽ lập tức cải thiện điểm bài thi lý thuyết trắc nghiệm.
4. Đóng góp phương pháp luận mẫu mực trong việc khai thác dữ liệu học thuật lưu trữ nhiều năm kết hợp công cụ khảo sát ghép cặp kiểm định nghiêm ngặt.
5. Đưa ra khuyến nghị chính sách then chốt về việc gỡ bỏ rào cản thời khóa biểu tự chọn tại các trường trung học cơ sở nhằm phổ cập cơ hội tiếp cận giáo dục kỹ thuật thế kỷ 21.
6. Mở ra các hướng nghiên cứu liên ngành mới kết hợp giữa đánh giá tâm lý học đường, lý thuyết tự điều chỉnh việc học và đo lường năng lực giải quyết vấn đề thực tế trong kỷ nguyên số.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Lindenwood University Digital Commons@Lindenwood University Dissertations Theses & Dissertations Spring 5-3-2019 A Quantitative Study Examining Project Lead the Way Gateway Program Outcomes in a Suburban School District Patrick Joseph Bellinger Lindenwood University Follow this and additional works at: https://digitalcommons.edu/dissertations Part of the Educational Assessment, Evaluation, and Research Commons Recommended Citation Bellinger, Patrick Joseph, "A Quantitative Study Examining Project Lead the Way Gateway Program Outcomes in a Suburban School District" (2019).edu/dissertations/83 This Dissertation is brought to you for free and open access by the Theses & Dissertations at Digital Commons@Lindenwood University. It has been accepted for inclusion in Dissertations by an authorized administrator of Digital Commons@Lindenwood University. For more information, please contact phuffman@lindenwood. A Quantitative Study Examining Project Lead the Way Gateway Program Outcomes in a Suburban School District by Patrick Joseph Bellinger A Dissertation submitted to the Education Faculty of Lindenwood University In partial fulfillment of the requirements for the Degree of Doctor of Education School of Education A Quantitative Study Examining Project Lead the Way Gateway Program Outcomes in a Suburban School District by Patrick Joseph Bellinger This dissertation has been approved in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Education at Lindenwood University by the School of Education Declaration of Originality I do hereby declare and attest to the fact that this is an original study based solely upon my own scholarly work here at Lindenwood University and that I have not submitted it for any other college or university course or degree here or elsewhere.

Full Legal Name: Patrick Joseph Bellinger Acknowledgements I would first like to thank my committee members, Dr. Laura Grayson, Dr. Jennifer Gross, and Dr. Kevin Winslow for reading this dissertation with a critical eye.

I am especially indebted to Dr. Winslow for his assistance with data analysis and interpretation. Most importantly, I must thank my dissertation chair, Dr. Jackie Ramey, for her thoughtful critiques, continuous encouragement (sometimes not so gentle prodding), and extensive patience with my progress throughout this journey.

Thank you also to helpful staff members in the study school district. Becky Brophy, Mike Salsman, and Dr. Brian Smith all provided valuable expertise and information. Thank you also goes to the students who volunteered to take the study survey.

Without their insights this study would not have been possible. Lastly, I want to thank my family for all of their love, support, and patience throughout this journey. My daughters, Grace and Olivia, were extremely patient while I progressed on this journey. I especially would like thank my wife, Ronda, without whom I would not be the person I am today.

Throughout our 25 years of marriage, she has been a constant source of love, encouragement, and reassurance. Without her I could never have achieved this goal. i Abstract Within the confines of this study, the Researcher investigated Project Lead the Way (PLTW) Gateway program outcomes at a Midwest suburban school district. The study examined specific academic achievement outcomes and attitudes regarding STEAM courses and STEAM careers among students who completed at least one semester in a middle school PLTW Gateway program.

The Researcher attempted to determine if there was a difference in student attitudes related to STEAM between students who enrolled in a PLTW Gateway course and students who never enrolled in PLTW Gateway, as determined in an online survey. The Researcher also attempted to determine if there was a difference related to test scores on the Missouri Assessment Program (MAP) in the subject areas of math and science between PLTW Gateway and non-PLTW Gateway students. Survey results showed that taking one PLTW Gateway course in middle school resulted in more positive attitudes of students, toward future STEAM courses and careers, when compared to peers who did not take any PLTW Gateway courses. Specifically, the study results showed that taking one PLTW Gateway course created more interest in a STEAM career, and resulted in students feeling more prepared for a STEAM career.

Also, students who took at least one PLTW course were likely to take another PLTW course in high school. The Researcher’s analysis of the historical MAP data from four middle schools over three years (2015, 2016, & 2017) showed no difference between PLTW Gateway and non-PLTW Gateway math and science MAP scores. The intention of this study was to provide a specific examination of the middle school PLTW Gateway program by comparing attitudes and state test scores of students ii who took at least one PLTW Gateway course to those students who did not. Although this study met a need for more specific research examining PLTW Gateway outcomes, a more thorough examination, perhaps a qualitative study of PLTW Gateway students, could expand on the work of this study, shedding even more light on student attitudes regarding STEAM courses and/or careers.

The Researcher recommends further research be conducted either by PLTW, Inc., through state PLTW affiliates, or by other individuals, to delve more deeply into attitudes of middle school PLTW Gateway students. iii Table of Contents Acknowledgements. ii Table of Contents. iv List of Tables.

viii Chapter One: Introduction. 1 Rationale of the Study. 2 Purpose of Study. 7 Definition of Terms.

10 Chapter Two: Review of Literature. 12 The Case for PBL. 12 A Brief History of Problem and Project-based Learning. 14 iv Education in Middle Schools.

18 Developing 21st-Century Skills through PBL and STEAM. 24 Methods of Delivering STEAM/PBL to Students. 30 Student Attitudes related to STEAM Courses and STEAM Careers. 36 Project Lead The Way.

47 Chapter Three: Research Method and Design. 50 Model 1: Survey Data Collection Procedures. 50 Development of the Survey Instrument. 52 Instrument Alignment for Analysis.

53 2018 Survey Question Descriptive Statistics. 54 Model 2: Archived Data Collection Procedures. 62 2017 Science MAP Descriptive Statistics. 62 2015 - 2017 Math MAP Descriptive Statistics.

63 2015 - 2017 Algebra EOC Descriptive Statistics. 64 Threat to Validity. 65 Chapter Four: Results. 67 Null Hypotheses Results.

84 Chapter Five: Discussion. 118 vii List of Tables Table 1. Survey Questions and H1, H2, H3, & H4. H1: Paired survey questions 4 & 11.

H1: Paired survey questions 4 & 11. H1: Paired survey questions 4 & 11. H1: Paired survey questions 4 & 11. H1: Paired survey questions 4 & 11.

H1: Paired survey questions 4 & 11. H1: Paired survey questions 4 & 11. H5, H6, & H7 Populations and Sample Populations. H5: 2017 Science MAP; Descriptive Statistics.

H6: 2015 - 2017 Math MAP; Descriptive Statistics. H7: 2015 - 2017 Algebra EOC; Descriptive Statistics. 64 Table 13: t-Test: Two-Sample Assuming Equal Variances; H1: Question Pair 4 & 11. 69 Table 14: t-Test: Two-Sample Assuming Equal Variances; H2: Question Pair 5 & 12.

70 Table 15: t-Test: Two-Sample Assuming Equal Variances; H2: Question Pair 6 & 13. 71 Table 16: t-Test: Two-Sample Assuming Equal Variances; H2: Question Pair 8 & 15. 73 Table 17: t-Test: Two-Sample Assuming Equal Variances; H3: Question Pair 7 & 14. 74 Table 18: t-Test: Two-Sample Assuming Equal Variances; H3 & H4: Question Pair 9 & 16.

76 Table 19: t-Test: Two-Sample Assuming Equal Variances; H3 & H4: Question Pair 10 & 17. 77 viii Table 20: t-Test: Two-Sample Assuming Equal Variances; H3 & H4: Question Pair 7 & 14. 78 Table 21: t-Test: Two-Sample Assuming Equal Variances; H3 & H4: Question Pair 9 & 16. 80 Table 22: t-Test: Two-Sample Assuming Equal Variances; H3 & H4: Question Pair 10 & 17.

81 Table 23: t-Test: Two-Sample Assuming Equal Variances; MAP Science. 82 Table 24: t-Test: Two-Sample Assuming Equal Variances; MAP Math. 83 Table 25: t-Test: Two-Sample Assuming Equal Variances; ALG EOC. Survey Question Pair 5 & 12 Means.

Survey Question Pair 6 & 13 Means. Survey Question Pair 8 & 15 Means. Survey Question Pair 7 & 14 Means. Survey Question Pair 9 & 16 Means.

Survey Question Pair 10 & 17 Means. 96 ix Chapter One: Introduction Introduction Solving problems has been a part of the human experience since humans began to use tools. Transferring the knowledge and skill required to solve problems is one of the things that makes us human. According to Harvard (2011) the biggest challenges taken up by teachers since before the first schools opened included teaching students how to solve problems.

As the rate of technological change increased rapidly in the 20th and 21st centuries, teachers preparing future generations for successful adulthood became more complicated. School systems’ attempts to prepare students for the future included a broad range of strategies, including constructivist approaches, technical education, and classical liberal arts education. At the end of the 20th century and beginning of the 21st century, the rapidly changing demands of industry in the information age and government pressure created demands from both government and industry to better prepare America’s students for a world that was transforming at an increasing pace (Harvard, 2011). A number of government reports and initiatives beginning with, A Nation at Risk: The imperative for Educational Reform, in 1983, and more recently including the, Common Core State Standards Initiative, in 2010, and Engage to Excel: Producing One Million Additional College Graduates with Degrees in Science, Technology, Engineering, and Mathematics, in 2012, implored American public schools to better prepare students for the 21st century.

A Nation at Risk, Common Core, and Engage to Excel led to a vast array of initiatives in Problem-based Learning (PBL) and Project Based Learning (PBL) and Science, Technology, Engineering, Art, and Math (STEAM) education as a way to meet new societal demands for transferring knowledge and skills to the next generations. PROJECT LEAD THE WAY GATEWAY 2 Problem-based Learning and Project Based Learning are interchangeable, per definitions. When spelled out, Problem-based Learning does not have a capital B, while in Project Based Learning, there is no hyphen and all words are capitalized, per definitions and copyright requirement (Tamin & Grant, 2013; Slavich & Zimbardo, 2012). The question of which pedagogies best met the demands for transferring 21st century skills led to many educational studies and initiatives highlighted in this study.

Project Lead the Way was one such program initiated on a national level. Specific outcomes of the program at the middle school level and student attitudes about STEAM careers were of particular interest to the Researcher and the focus of this study. Rationale of the Study Twenty-first century careers required schools to prepare students with different skills than in the past. According to Larmer (2016), Editor in Chief of the Buck Institute for Education, the profile of a 21st-century graduate was “a responsible, resourceful, persistent critical thinker who knows how to learn, works well with others, is a problem solver, communicates well, and manages time and work effectively” (p.

Employers surveyed by the Hart Research Associates (2013) believed that success in the workplace demanded skills, such as creativity, innovative thinking, and application of knowledge and skills to real problems. Both Project and Problem-based learning supported “the development of important real-world skills such as solving complex problems, thinking critically, analyzing and evaluating information, working cooperatively, and communicating effectively” (English & Kitsantas, 2013, p. PBL offered students a chance to interact with learning in Science, Technology, Engineering, and Math (STEM) while also “fostering student reflection and PROJECT LEAD THE WAY GATEWAY 3 metacognition” (Ertmer, Schlosser, Clase, & Adedokun, 2014, p. The then-current literature suggested that such skills were sometimes difficult for middle school students to master.

Belland, Glazewski, and Richardson (2011) found middle school students often struggled to make the type of evidence-based arguments crucial to scientific inquiry. Middle school students also struggled with a student role that required “constructing knowledge and making meaning [because] this role conflicts with deeply ingrained habits they have developed through more familiar classroom experiences in which they have been passive recipients of knowledge” (English & Kitsantas, 2013, p.