argumentation skills

Despite scientific argumentation being a fundamental competency of the PISA assessment framework, prospective biology teachers often demonstrate insufficient development in evidence-based reasoning and rebuttal construction skills. Considering the limitations of large-scale implementation of individualized approaches in higher education, this study evaluates the effectiveness of Generative Artificial Intelligence (ChatGPT-4) configured as a “Socratic tutor” in developing argumentation skills among future educators. An 8-week quasi-experimental study involving 124 students from a pedagogical university employed traditional peer discussion methods in the control group ( n = 62), while the experimental group ( n = 62) utilized an AI agent that induced cognitive dissonance regarding socio-scientific issues. Analysis of Covariance (ANCOVA) of data obtained through Toulmin's Argument Pattern (TAP) and PISA rubrics confirmed that the experimental group achieved statistically significantly higher overall argumentation quality compared to the control group (F (1,121) = 14.23, p < .001, η 2 = .105). Particularly, participants who received AI-assisted instruction showed marked improvement in forming rebuttals and evaluating counterevidence, which are considered among the most cognitively demanding components within the PISA scientific literacy framework (OECD). These findings suggest that a Generative AI-mediated Socratic instructional package can be an effective and scalable approach for developing epistemic cognition, and they propose a pedagogical model for integrating structured AI-based tutoring into teacher preparation systems aligned with international assessment standards. These findings should be interpreted as evidence for the effectiveness of the structured, AI-mediated Socratic instructional package as a whole, rather than as evidence of AI's inherent superiority over other methods; the relative contribution of the AI medium versus the structured pedagogical protocol it delivers was not directly tested in this design.

با وجود اینکه استدلال علمی یکی از شایستگی‌های اساسی چارچوب ارزیابی PISA است، معلمان آینده زیست‌شناسی اغلب در توسعه مهارت‌های استدلال مبتنی بر شواهد و ساختاردهی ابطال‌ها، پیشرفت کافی نشان نمی‌دهند. با توجه به محدودیت‌های اجرای گسترده رویکردهای فردمحور در آموزش عالی، این مطالعه اثربخشی هوش مصنوعی مولد (ChatGPT-4) را که به عنوان «مربی سقراطی» پیکربندی شده است، در توسعه مهارت‌های استدلال در میان معلمان آینده مورد ارزیابی قرار می‌دهد. یک مطالعه شبه‌آزمایشی هشت‌هفته‌ای با مشارکت ۱۲۴ دانشجو از یک دانشگاه تربیت معلم انجام شد؛ در گروه کنترل (n = 62) از روش‌های سنتی بحث همتایان استفاده شد و گروه آزمایش (n = 62) از یک عامل هوش مصنوعی بهره برد که ناهماهنگی شناختی را در خصوص مسائل اجتماعی-علمی ایجاد می‌کرد. تحلیل کوواریانس (ANCOVA) داده‌های به‌دست‌آمده از طریق الگوی استدلال تولمین (TAP) و روبریک‌های PISA تأیید کرد که گروه آزمایش به طور معناداری از نظر کیفیت کلی استدلال نسبت به گروه کنترل عملکرد بهتری داشت (F (1,121) = 14.23, p < .001, η 2 = .105). به ویژه، شرکت‌کنندگانی که آموزش مبتنی بر هوش مصنوعی دریافت کردند، در شکل‌دهی ابطال‌ها و ارزیابی شواهد مخالف که از دشوارترین مؤلفه‌های شناختی در چارچوب سواد علمی PISA (OECD) محسوب می‌شوند، بهبود چشمگیری نشان دادند. این یافته‌ها نشان می‌دهد که بسته آموزشی سقراطی مبتنی بر هوش مصنوعی مولد می‌تواند رویکردی مؤثر و مقیاس‌پذیر برای توسعه شناخت معرفتی باشد و مدل آموزشی برای ادغام آموزش ساختاریافته مبتنی بر هوش مصنوعی در نظام‌های تربیت معلم همسو با استانداردهای ارزیابی بین‌المللی ارائه می‌کند. این یافته‌ها باید به عنوان شواهدی برای اثربخشی بسته آموزشی ساختاریافته و میانجی‌گری‌شده توسط هوش مصنوعی سقراطی به طور کلی تفسیر شود، نه به عنوان شواهدی از برتری ذاتی هوش مصنوعی نسبت به سایر روش‌ها؛ سهم نسبی رسانه هوش مصنوعی در مقابل پروتکل آموزشی ساختاریافته ارائه‌شده توسط آن، مستقیماً در این طرح مورد آزمون قرار نگرفته است.

Critical thinking skills are among the essential competencies that must be developed in elementary school students to face the increasingly complex challenges of 21st-century life. The Science, Technology, Engineering, and Mathematics (STEM) approach emerges as an educational innovation that integrates four disciplines in an integrated, contextual, and problem-solving-oriented manner. This article aims to examine in depth the contribution of STEM-based learning to the critical thinking skills of elementary school students through a library research method. The study reviewed various scientific literature including national and international journal articles, educational textbooks, research reports, and relevant curriculum documents published between 2010 and 2024. The results indicate that STEM-based learning significantly contributes to the enhancement of students' critical thinking skills through several mechanisms: (1) encouraging students to identify and formulate problems systematically; (2) training analytical, evaluative, and synthetic skills through engineering design; (3) building scientific thinking habits through authentic projects; (4) developing evidence-based inference and argumentation skills; and (5) habituating self-reflection and self-regulation. All six aspects of critical thinking according to Facione are organically facilitated in STEM learning activities. This article concludes that STEM integration in elementary science learning is an effective and empirically proven strategy for building critical thinking foundations from an early age.

مهارت‌های تفکر انتقادی از جمله شایستگی‌های اساسی هستند که باید در دانش‌آموزان دبستانی برای مواجهه با چالش‌های فزاینده و پیچیده زندگی قرن بیست‌ویکم توسعه یابند. رویکرد علوم، فناوری، مهندسی و ریاضیات (STEM) به عنوان یک نوآوری آموزشی مطرح می‌شود که چهار حوزه مذکور را به صورت یکپارچه، زمینه‌مند و مسئله‌محور ادغام می‌کند. هدف این مقاله بررسی عمیق سهم یادگیری مبتنی بر STEM بر مهارت‌های تفکر انتقادی دانش‌آموزان دبستانی از طریق روش پژوهش کتابخانه‌ای است. در این مطالعه، متون علمی مختلف شامل مقالات مجلات ملی و بین‌المللی، کتاب‌های درسی آموزشی، گزارش‌های پژوهشی و اسناد برنامه‌درسی مرتبط که بین سال‌های ۲۰۱۰ تا ۲۰۲۴ منتشر شده‌اند، مرور شده است. نتایج نشان می‌دهد که یادگیری مبتنی بر STEM به طور معناداری به ارتقای مهارت‌های تفکر انتقادی دانش‌آموزان از طریق چندین سازوکار کمک می‌کند: (۱) تشویق دانش‌آموزان به شناسایی و صورت‌بندی نظام‌مند مسائل؛ (۲) تمرین مهارت‌های تحلیلی، ارزیابانه و ترکیبی از طریق طراحی مهندسی؛ (۳) ایجاد عادات تفکر علمی از طریق پروژه‌های اصیل؛ (۴) توسعه مهارت‌های استنتاج و استدلال مبتنی بر شواهد؛ و (۵) عادت‌دهی به خودبازتابی و خودتنظیمی. هر شش جنبه تفکر انتقادی بر اساس مدل Facione به طور ارگانیک در فعالیت‌های یادگیری STEM تسهیل می‌شود. این مقاله نتیجه می‌گیرد که ادغام STEM در آموزش علوم دبستانی، راهبردی مؤثر و اثبات‌شده تجربی برای بنیان‌گذاری تفکر انتقادی از سنین پایین است.

ABSTRACT Scientific literacy relates to how an individual uses their scientific knowledge and skills to participate as an active citizen in society. It is widely regarded and accepted as one of the most important goals of science education. Yet, in enacted curricula, this goal of science education has languished in the shadows, with many citing difficulties with its actualization. Teaching science through Socioscientific Issues (SSIs) is a promising approach, but research on its implementation and potential impact on elementary students' scientific literacy is limited. This study provides an overview and evaluation of a SSI programme for Irish elementary students aged 8–12 years. Six teachers delivered the programme to 152 students in six schools over 6 months. Findings show that teaching science through SSIs improved students' science content knowledge and enhanced their experience with Inquiry‐Based Science Education (IBSE). Many students demonstrated socioscientific argumentation skills and applied science knowledge to SSI reasoning, leading to more informed decisions about real‐life issues. The findings suggest that teaching elementary science through SSIs prepared many students to participate actively and responsibly in a complex, democratic society. The study recommends making SSI‐based education explicit in elementary science curricula and that teachers must be supported in its implementation.

چکیده: سواد علمی به نحوه‌ای اشاره دارد که فرد از دانش و مهارت‌های علمی خود برای مشارکت به عنوان یک شهروند فعال در جامعه استفاده می‌کند. این مفهوم به طور گسترده‌ای به عنوان یکی از مهم‌ترین اهداف آموزش علوم شناخته و پذیرفته شده‌است. با این حال، در برنامه‌های درسی اجراشده، این هدف آموزش علوم در حاشیه قرار گرفته و بسیاری از افراد به دشواری‌های تحقق آن اشاره می‌کنند. آموزش علوم از طریق مسائل اجتماعی-علمی (SSIs) رویکردی امیدبخش است، اما پژوهش‌ها دربارهٔ اجرای آن و تأثیر بالقوه‌اش بر سواد علمی دانش‌آموزان دبستانی محدود است. این مطالعه مروری و ارزیابی از یک برنامهٔ SSI برای دانش‌آموزان دبستانی ایرلندی در بازهٔ سنی ۸ تا ۱۲ سال ارائه می‌دهد. شش معلم این برنامه را طی شش ماه به ۱۵۲ دانش‌آموز در شش مدرسه ارائه کردند. یافته‌ها نشان می‌دهد که آموزش علوم از طریق SSIs دانش محتوایی علوم دانش‌آموزان را بهبود بخشیده و تجربهٔ آن‌ها از آموزش علوم مبتنی بر پژوهش (IBSE) را ارتقاء داده‌است. بسیاری از دانش‌آموزان مهارت‌های استدلال اجتماعی-علمی را نشان دادند و دانش علمی را در استدلال SSI به کار بردند که منجر به تصمیم‌گیری آگاهانه‌تر دربارهٔ مسائل واقعی زندگی شد. یافته‌ها حاکی از آن است که آموزش علوم دبستانی از طریق SSIs بسیاری از دانش‌آموزان را برای مشارکت فعال و مسئولانه در یک جامعهٔ پیچیده و دموکراتیک آماده کرده‌است. مطالعه توصیه می‌کند که آموزش مبتنی بر SSI به طور صریح در برنامهٔ درسی علوم دبستانی گنجانده شود و معلمان در اجرای آن حمایت شوند.

Background-This research assesses the effectiveness of implementing the ISOCC with ISOCC microlearning-assisted learning models in enhancing students’ information literacy and scientific argumentation skills. Objectives-The study aims to describe the impact of ISOCC learning models, aided by microlearning, on skills development and to assess students' abilities before and after the intervention. Method-A quasi-experimental design was employed with a non-equivalent control group, utilizing an information literacy test and a scientific argumentation ability test as instruments. Results-Based on an unpaired t-test, resulted in a post-test score of t (50) = −2.05, p = .045, d = −0.57, indicating a significant difference with a moderate effect. Although the MANOVA test showed no significant multivariate differences in either skill, Pillai's Trace (V = 0.094, p = 0.088) approached significance, indicating a moderate treatment effect on one or both skills. Univariate ANOVA test results showed that no significant differences were found in information literacy and argumentation skills among groups. Nevertheless, microlearning in ISOCC showed a potential positive effect on scientific argumentation skills, nearing significance (F (1, 50) = 3.209, p = 0.079, partial η² = 0.06). Conclusions-The study concludes that integrating microlearning in the ISOCC model is it has the potential to improve scientific argumentation skills.

زمینه: این پژوهش اثربخشی اجرای مدل‌های یادگیری ISOCC با کمک ریزیادگیری را در ارتقای سواد اطلاعاتی و مهارت‌های استدلال علمی دانشجویان ارزیابی می‌کند. اهداف: هدف مطالعه توصیف تأثیر مدل‌های یادگیری ISOCC با کمک ریزیادگیری بر توسعه مهارت‌ها و ارزیابی توانایی‌های دانشجویان پیش و پس از مداخله است. روش: این پژوهش با طرح نیمه‌آزمایشی و گروه کنترل غیرمعادل انجام شد و از آزمون سواد اطلاعاتی و آزمون توانایی استدلال علمی به عنوان ابزار استفاده گردید. نتایج: بر اساس آزمون t مستقل، نمره پس‌آزمون t (50) = −2.05، p = 0.045، d = −0.57 به دست آمد که نشان‌دهنده تفاوت معنادار با اندازه اثر متوسط است. اگرچه آزمون MANOVA تفاوت چندمتغیره معناداری در هیچ‌یک از مهارت‌ها نشان نداد، اما مقدار Pillai's Trace (V = 0.094، p = 0.088) نزدیک به معناداری بود که بیانگر اثر متوسط مداخله بر یکی یا هر دو مهارت است. نتایج آزمون ANOVA یک‌متغیره نشان داد که تفاوت معناداری در سواد اطلاعاتی و مهارت‌های استدلال میان گروه‌ها وجود ندارد. با این حال، ریزیادگیری در مدل ISOCC اثر مثبت بالقوه‌ای بر مهارت‌های استدلال علمی داشت که نزدیک به معناداری بود (F (1, 50) = 3.209، p = 0.079، partial η² = 0.06). نتیجه‌گیری: مطالعه حاضر نتیجه می‌گیرد که ادغام ریزیادگیری در مدل ISOCC پتانسیل بهبود مهارت‌های استدلال علمی را دارد.