STEM και ρομποτική στην εκπαίδευση: διερεύνηση της ετοιμότητας των εκπαιδευτικών και συγκριτική μελέτη ψυχομετρικών μοντέλων μέτρησης

Abstract

The present doctoral dissertation, entitled “STEM and Robotics in Education: Investigating Teachers’ Readiness and a Comparative Study of Psychometric Measurement Models”, examines the readiness and attitudes of Greek educators toward STEM Education and Educational Robotics (ER). Its primary aim is the development, psychometric validation, and comparative evaluation of new measurement instruments designed to assess these latent constructs. A multimethod methodological framework was adopted, combining traditional linear techniques (EFA, CFA), contemporary Network Analysis methods (EGA, bootEGA), Structural Equation Modeling (SEM), and the nonlinear Cusp modeling derived from catastrophe theory. Exploratory Factor Analysis (EFA) and Confirmatory Factor Analysis (CFA)—were employed to investigate the dimensionality of the scales, while Exploratory Graph Analysis (EGA) and bootEGA were applied, offering a modern, network-based perspective on psychometric measurement. Moreover, Structural Equation Modeling was used to analyze correlations and direct/indirect effects among readiness-related variables. Finally, catastrophe theory was utilized via nonlinear Cusp model to detect potential nonlinear phenomena, particularly associated with emotional readiness. The study resulted in the development and validation of three robust measurement instruments. The TRi-STEM scale was established as a four-factor model (Cognitive Readiness, Emotional Readiness, Self-Efficacy, and Engagement). The TASET scale emerged as a two-factor model, distinguishing Attitudes toward STEM Education from Attitudes toward Teaching. The TRi-Robotics scale was confirmed as a three-factor model assessing Self-Efficacy, Emotional Readiness, and Engagement in the context of Educational Robotics. The structure of all three tools was supported by both CFA and EGA. The convergence of these approaches enhances confidence in the findings and indicates that teachers’ readiness for implementing STEM and ER programs, as measured by TRi-STEM, TASET, and TRi-Robotics, can be validly measured and support educational research on this matter. SEM demonstrated that teachers’ engagement exerts a significant positive influence on both Self-Efficacy and Emotional Readiness, thereby reinforcing positive attitudes and willingness to foster STEM Education in school. Additionally, the application of the Cusp model revealed that Emotional Readiness can produce nonlinear effects and abrupt shifts in teacher attitudes, underscoring the necessity of incorporating nonlinear approaches when examining complex psychological phenomena. Overall, this dissertation provides the educational community with valid, reliable, and innovative assessment tools, thereby supporting the effective preparation of educators for the integration of STEM and Educational Robotics into contemporary school practice. Discussion is also provided regarding the limitations, the implications of findings for theory and practice, and some methodological issues emerged from the comparative study of the psychometric measurement models.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή, με τίτλο «STEM και Ρομποτική στην Εκπαίδευση: Διερεύνηση της Ετοιμότητας των Εκπαιδευτικών και Συγκριτική Μελέτη Ψυχομετρικών Μοντέλων Μέτρησης», εξετάζει την ετοιμότητα και τις στάσεις των Ελλήνων εκπαιδευτικών απέναντι στην Εκπαίδευση STEM και την Εκπαιδευτική Ρομποτική (ΕΡ), με πρωταρχική επιδίωξη την ανάπτυξη και τη στάθμιση νέων εργαλείων, καθώς και τη συγκριτική αξιολόγηση ψυχομετρικών μοντέλων μέτρησης. Υιοθετήθηκε μια πολύ-μεθοδολογική προσέγγιση που συνδύασε παραδοσιακές γραμμικές τεχνικές (EFA, CFA), σύγχρονες μεθόδους Ανάλυσης Δικτύων (EGA, bootEGA), Μοντέλα Δομικών Εξισώσεων (SEM) και το μη γραμμικό Μοντέλο Cusp της θεωρίας καταστροφών. Αρχικά αξιοποιήθηκαν οι κλασικές γραμμικές μέθοδοι, δηλαδή η Διερευνητική (EFA) και Επιβεβαιωτική Παραγοντική Ανάλυση (CFA), προκειμένου να διερευνηθούν οι διαστάσεις των κλιμάκων. Παράλληλα, εφαρμόστηκε η Διερευνητική Ανάλυση Γραφημάτων (EGA) και ο αλγόριθμος bootEGA, που βασίζονται σε διαφορετική οντολογική αναπαράσταση, σε επίπεδο θεωρίας και προσφέρουν μια δικτυακή οπτική στην ψυχομετρική διερεύνηση. Επιπλέον, το Μοντέλο Δομικών Εξισώσεων (SEM) χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση των συσχετίσεων και των άμεσων/έμμεσων επιδράσεων μεταξύ των διαστάσεων της ετοιμότητας. Τέλος, η θεωρία καταστροφών αξιοποιήθηκε μέσω του μη γραμμικού μοντέλου Cusp, με στόχο την διερεύνηση πιθανών μη γραμμικών σχέσεων, με επίκεντρο τον ρόλο Συναισθημάτων. Η παρούσα μελέτη οδήγησε στην ανάπτυξη και στάθμιση ή προσαρμογή τριών κλιμάκων μέτρησης, οι οποίες είναι: Η κλίμακα TRi-STEM που αναπτύχθηκε και σταθμίστηκε για την ετοιμότητα στην εκπαίδευση STEM, με τέσσερες διαστάσεις (Γνωστική ετοιμότητα, Συναισθηματική ετοιμότητα, Αυτοαποτελεσματικότητα, Δέσμευση). Η κλίμακα TASET ένα μοντέλο δύο διαστάσεων, που προσαρμόστηκε στον ελληνικό πληθυσμό, περιλαμβάνοντας την Στάση απέναντι στη STEM Εκπαίδευση και τη Στάση απέναντι στη Διδασκαλία. Η κλίμακα TRi-Robotics που αναπτύχθηκε και σταθμίστηκε για την ετοιμότητα στην εκπαιδευτική ρομποτική, με τρεις διαστάσεις περιλαμβάνοντας την Αυτοαποτελεσματικότητα, τη Συναισθηματική ετοιμότητα και τη Δέσμευση. Η δομή και των τριών εργαλείων επιβεβαιώθηκε τόσο με την EFA-CFA όσο και με την EGA, η σύγκληση των οποίων ενισχύει την αξιοπιστία των ευρημάτων. Η παρούσα μελέτη παραδίδει στην επιστημονική κοινότητα έγκυρα εργαλεία μέτρησης για την αξιοποίηση τους στην εκπαιδευτική έρευνα και την περαιτέρω διερεύνηση και έλεγχο υποθέσεων σχετικών με την ενσωμάτωση των νέων τεχνολογικών στο σχολείο. Η διερεύνηση των σχέσεων μέσω του γραμμικού μοντέλου SEM ανέδειξε ότι η δέσμευση των εκπαιδευτικών επηρεάζει θετικά την αυτοαποτελεσματικότητα και τη Συναισθηματική ετοιμότητα, ενισχύοντας τις θετικές στάσεις προς τη εκπαίδευση STEM. Επιπροσθέτως, η εφαρμογή του μοντέλου Cusp αποκάλυψε ότι η Συναισθηματική ετοιμότητα διαμορφώνει το παράγοντα διακλάδωσης που σχετίζεται με μη γραμμικές και ασυνεχείς μεταβολές στις στάσεις των εκπαιδευτικών και την επιλογή τους για STEM και Ρομποτική στο σχολείο. Η ερμηνεία των ευρημάτων εντάσσεται στο επιστημολογικό πλαίσιο των πολύπλοκων δυναμικών συστημάτων το οποίο συζητείται στο αντίστοιχο κεφάλαιο. Εν κατακλείδι, στο τελευταίο κεφάλαιο γίνεται συζήτηση για τους περιορισμούς της έρευνας, τις συνέπειες των ευρημάτων για την θεωρία και εκπαιδευτική πράξη, καθώς και για μεθοδολογικά ζητήματα που προέκυψαν από την συγκριτική μελέτη των ψυχομετρικών μοντέλων μέτρησης.