Augmented Reality in Secondary Education in the fields of STEM: a case study including teachers from schools in Cyprus and Greece

Abstract

This study aims to tackle to some extent the gap between the instruction of STEM-related disciplines in Lower Secondary Education and the 21st century skills required by students, to face real life situations in their future STEM related studies and careers. Following the necessity towards “smart education”, an emerging technology namely Augmented Reality, has been integrated in Lower Secondary Education by teachers of STEM-related courses in the context of a case study with two cases, one public school in Cyprus and one private school in Greece, to explore the impact on the teachers involved as well as their students. The specific research purpose of this study rises through the literature review, focusing on the investigation of “if” (under which circumstances) and “how” (in which ways) the technology of Augmented Reality could be integrated into STEM-related courses in Lower Secondary Education, leading to a positive impact on students’ twenty-first century skills and motivation towards the educational process. The current Ph.D. dissertation provides the context of an empirical investigation through the case study described, yielding a theoretical understanding of the discussed fields that can constitute the basis for future work.The research purpose is investigated in-depth through a case study with multiple units of analysis defined as “The Case Study of Secondary Education Teachers’ Experience from Cyprus and Greece having attended a Teacher Professional Development (TPD) program on Augmented Reality in STEM education”. This case study consists of a systemic approach, including a small number (two) of cases (schools in Cyprus and Greece) set in their real-world contexts, providing understanding to some extent of the impact of applying Augmented Reality in Lower Secondary Education on teachers of STEM-related courses and their students. Both quantitative and qualitative data (with emphasis on qualitative) are collected, analysed and triangulated through questionnaires/ self-reports, interviews, informal and open-ended discussions, observations, video recordings (where/ when possible), and teachers’-students’ additional data (i.e., lesson plans, worksheets, achievements).A detailed description of both phases of the current study is provided, including the EL-STEM TPD program as the intersection point of the two cases, as well as the cases in Cyprus and Greece themselves. Twenty seven (27) teachers have been trained, from whom five (5) have accepted to be observed while implementing AR supported interventions in their classrooms and one hundred and seventy nine (179) students, have attended the AR supported interventions. Through the discussion and interpretation of the cases described, the involved teachers are investigated towards: (i) the level of technology acceptance (AR) and (ii) their instructional approaches adapted to integrate AR in STEM-related courses. Concurrently, the effect of the teachers’ instructional approaches supported by AR in their STEM-related courses is investigated on their students’ 21st century skills and motivation towards the educational process.The conclusions of this dissertation indicate that the implementation of AR applications in STEM fields by both teachers and students seems to be currently feasible under specific conditions, specifically in Lower Secondary Education in Cyprus and Greece. Moreover, there is a need for continuous and structured teacher training on emerging technologies, such as AR, accompanied by innovative instructional approaches. Based on results of existing studies, contributing to the literature review, this research suggests: (a) factors that influence to some extent the level of technology acceptance (AR) by teachers in their instructional approaches within a STEM-related course and (b) ways that AR technology could be integrated by Secondary Education teachers in their STEM-related courses. Referring to students’ 21st century skills, this study indicates effects of AR on foundational knowledge, while effects of metacognitive and humanistic knowledge are described as expected effects, since they still need to be investigated in future studies.The results of the current research could be transferable to some extent and applied by other researchers in educational research (generalized at a level of theory), but they are not intended to be generalized at a population level. Limitations and future extensions in the context of the current research consist of the end point of the Ph.D. dissertation.

Η παρούσα διατριβή στοχεύει να αντιμετωπίσει σε κάποιον βαθμό το χάσμα μεταξύ της διδασκαλίας θεμάτων στο πεδίο του STEM στη Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση (Γυμνάσιο) και των δεξιοτήτων του 21ου αιώνα που απαιτούνται από τους μαθητές, για να αντιμετωπίσουν καταστάσεις της πραγματικής ζωής στις μελλοντικές τους σπουδές ή/και επαγγελματικές επιλογές στο πεδίο του STEM. Ακολουθώντας την αναγκαιότητα για «έξυπνη εκπαίδευση», η Επαυξημένη Πραγματικότητα ως μία αναδυόμενη τεχνολογία, ενσωματώθηκε στη Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση από εκπαιδευτικούς μαθημάτων στο πεδίο του STEM, στο πλαίσιο μιας μελέτης περίπτωσης με δύο υπό-περιπτώσεις, ένα δημόσιο σχολείο στην Κύπρο και ένα ιδιωτικό σχολείο στην Ελλάδα, για να διερευνηθεί ο αντίκτυπος στους εμπλεκόμενους εκπαιδευτικούς, καθώς και στους μαθητές τους. Ο ερευνητικός σκοπός αυτής της μελέτης προέρχεται από τη βιβλιογραφική ανασκόπηση, εστιάζοντας στη διερεύνηση του «εάν» (υπό ποιες συνθήκες) και του «πώς» (με ποιους τρόπους) η τεχνολογία της Επαυξημένης Πραγματικότητας θα μπορούσε να ενσωματωθεί σε μαθήματα στο πεδίο του STEM στη Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση, οδηγώντας σε θετικό αντίκτυπο στις δεξιότητες του 21ου αιώνα και στα κίνητρα συμμετοχής των μαθητών στην εκπαιδευτική διαδικασία. Η διατριβή παρουσιάζει το πλαίσιο μιας εμπειρικής έρευνας μέσω της περιγραφόμενης μελέτης περίπτωσης, δίνοντας μια θεωρητική κατανόηση των υπό μελέτη πεδίων που μπορεί να αποτελέσει τη βάση για μελλοντική έρευνα. Τόσο τα ποσοτικά όσο και τα ποιοτικά δεδομένα (με έμφαση στα ποιοτικά) συλλέγονται, αναλύονται και τριγωνοποιούνται μέσω ερωτηματολογίων, συνεντεύξεων, ανοικτών συζητήσεων, παρατήρησης, βιντεοσκοπήσεων (όπου/όποτε είναι δυνατόν) και πρόσθετων τεκμηρίων των εκπαιδευτικών και των μαθητών τους (π.χ. σχέδια μαθήματος, φύλλα εργασίας, επιτεύγματα). Παρουσιάζεται λεπτομερής περιγραφή και των δύο φάσεων της παρούσας μελέτης, συμπεριλαμβανομένου του προγράμματος EL-STEM TPD ως σημείο τομής, καθώς και των δύο περιπτώσεων στην Κύπρο και την Ελλάδα. Συνολικά, επιμορφώθηκαν είκοσι επτά (27) εκπαιδευτικοί, από τους οποίους πέντε (5) δέχτηκαν να παρατηρηθούν από την ερευνήτρια κατά την υλοποίηση παρεμβάσεων με την υποστήριξη Επαυξημένης Πραγματικότητας στις τάξεις τους, ενώ εκατόν εβδομήντα εννέα (179) μαθητές, παρακολούθησαν τις εν λόγω εκπαιδευτικές παρεμβάσεις. Μέσα από την ανάλυση και την ερμηνεία των περιπτώσεων που περιγράφονται, οι εμπλεκόμενοι εκπαιδευτικοί διερευνώνται ως προς: (i) το επίπεδο αποδοχής της τεχνολογίας της Επαυξημένης Πραγματικότητας και (ii) τις εκπαιδευτικές προσεγγίσεις τους, όπως αυτές προσαρμόστηκαν για την αξιοποίηση της Επαυξημένης Πραγματικότητας σε μαθήματα στο πεδίο του STEM. Ταυτόχρονα, διερευνάται η επίδραση των εν λόγω εκπαιδευτικών παρεμβάσεων στις δεξιότητες 21ου αιώνα και τα κίνητρα συμμετοχής των μαθητών στην εκπαιδευτική διαδικασία.Σύμφωνα με τα συμπεράσματα της παρούσας διατριβής, η αξιοποίηση εφαρμογών Επαυξημένης Πραγματικότητας σε πεδία STEM τόσο από εκπαιδευτικούς όσο και από μαθητές φαίνεται να είναι επί του παρόντος εφικτή υπό συγκεκριμένες συνθήκες, ειδικά σε ότι αφορά στη Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση στην Κύπρο και την Ελλάδα. Επιπλέον, υπάρχει ανάγκη για συνεχή και δομημένη επιμόρφωση των εκπαιδευτικών σε αναδυόμενες τεχνολογίες, όπως η Επαυξημένη Πραγματικότητα, συνοδευόμενη από καινοτόμες εκπαιδευτικές προσεγγίσεις. Συμβάλλοντας στην υφιστάμενη βιβλιογραφία, η παρούσα έρευνα προτείνει: (α) παράγοντες που επηρεάζουν σε κάποιο βαθμό το επίπεδο αποδοχής της τεχνολογίας Επαυξημένης Πραγματικότητας από τους εκπαιδευτικούς στις διδακτικές τους προσεγγίσεις σε μαθήματα στο πεδίου του STEM και (β) τρόπους με τους οποίους η τεχνολογία της Επαυξημένης Πραγματικότητας θα μπορούσε να ενσωματωθεί από εκπαιδευτικούς Δευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης στα μαθήματά τους στο πεδίο του STEM. Σε ότι αφορά στις δεξιότητες 21ου αιώνα των μαθητών, αυτή η μελέτη αναδεικνύει επιπτώσεις της Επαυξημένης Πραγματικότητας στο πλαίσιο των θεμελιωδών γνώσεων (foundational knowledge), ενώ περαιτέρω επιδράσεις σε μεταγνωστικές και ανθρωπιστικές γνώσεις, περιγράφονται ως αναμενόμενες επιδράσεις, καθώς προτείνεται να διερευνηθούν εις βάθος σε μελλοντικές μελέτες. Τα αποτελέσματα της τρέχουσας έρευνας θα μπορούσαν να μεταφερθούν σε κάποιο βαθμό και να εφαρμοστούν από άλλους ερευνητές στην εκπαιδευτική έρευνα (γενικευμένα σε επίπεδο θεωρίας), αλλά δεν προορίζονται να γενικευθούν σε επίπεδο πληθυσμού. Οι περιορισμοί και οι μελλοντικές επεκτάσεις της τρέχουσας έρευνας θα μπορούσαν να αποτελέσουν τις βάσεις για μελλοντικές μελέτες.