Spatial thinking in STEM

Spa$al  thinking  in  STEM  educa$on:  Evidence  and  issues  

microbiology

meteorology

engineering

geology physics

astronomy

anatomy

neuroscience

Cheryl  A.  Cohen,  PhD  

Goals  of  presenta$on  

•  General  introduc$on  to  spa$al  thinking  •  Examples  of  spa$al  thinking  in  science  educa$on  •  Spa$al  thinking  from  a  cogni$ve  perspec$ve  •  Empirical  evidence  that  spa$al  thinking  contributes  to  science  learning  

•  Exper$se  effect  •  Evidence  for  malleability  of  spa$al  thinking  •  Open  ques$ons  

What  is  spa$al  thinking?    

Everyday  spa$al  thinking  

•  Packing  the  trunk  of  your  car    •  Assembling  the  cabinet  you  bought  at  IKEA  

•  Using  a  map  to  find  your  way  in  a  new  town  

Cogni$ve  processes  

From  the  perspec$ve  of  cogni$ve  psychology,  spa$al  thinking  refers  to  the  mental  processes  of:  – encoding  – storing  – manipula$ng  – drawing  inferences  from  percep$ons  and  images  depic$ng  spa$al  rela$onships  in  2,  3,  and  more  dimensions.  

Individuals  vary  in    their  capacity    

for  these  processes.    

Spa$al  thinking  and  working  memory  

– encoding  – storing  – manipula$ng  

 There  is  evidence  that  individual  differences  in  these  working  memory  resources  contribute  to  individual  differences  in  spa$al  thinking  ability.  

Working  memory  processes  

Some  qualita$ve  differences  in  spa$al  ability  

Individuals  who  underperform  on  spa$al  tasks:    –  tend  to  lose  informa$on  when  they  aRempt  to  

mentally  transform  images  (Just  &  Carpenter,  1985)    

–  have  difficulty  changing  their  view  perspec$ve  (Kozhevnikov  &  Hegarty,  2001)    

–  have  difficulty  mapping  2D  informa$on  onto  3D  structures  (Cohen  &  Hegarty,  2007)  

Meta-­‐analysis  of  sex  differences  in  spa$al  skills    

Voyer,  Voyer  &  Bryden  (1995)    Analyzed  286  studies  showing  significant  differences  in  spa$al  performance  by  sex.    Found  significant  effect  size  differences  favoring  males  on  a  number  of  spa$al  tests.    Most  robust  difference  was  on  mental  rota$on  tests  d  =  .65  

Examples  of  spa$al  thinking  in  science  

Spa$al  thinking  in  STEM  

 •  We  live  in  three  dimensional  space.  

•  As  scien$sts  we  try  to  understand  the  physical  forces  that  act  within  it.  

Applica$ons  of  spa$al  thinking  in  science  learning  

•  Represent  and  solve  problems  related  to  physical  forces  

•  Create  and  understand  the  spa$al  rela$onships  within  and  between  physical  en$$es  (biology,  geology)  

•  Understand  models  explaining  complex  (or  invisible)  processes  

•  Comprehend  graphics,  diagrams  and  3D  visualiza$ons  

Spa$al  thinking  in  organic  chemistry  

From  S;eff,  2007  

Understanding  rela$onships  between  2D-­‐3D  views  of  an  object  

Spa$al  representa$on  of  complex  data  

From  Kell,  Lubinski,  Benbow  &  Stanley,  2013)  

Classifica$on  of  spa$al  thinking  skills  

Factor  analy$c  approach    

History  of  research  in  cog  psych  on  the  components  and  processes  involved  in  spa$al  thinking.    Thurstone  (1938):  Primary  Mental  Abili0es.    –  Intelligence  is  not  a  single  en$ty,  but  is  composed  of  separable  factors  

–  Iden$fied  seven  primary  factors,  including  spa$al  visualiza$on    

Factor  analy$c  approach  

•  Factor  analy$c  studies  have  classified  different  types  of  spa$al  skills  

•  A  widely  used  classifica$on  is  by  Carroll  (1995)  

•  Reanalyzed  more  than  90  factor  analy$c  studies  

•  Spa0al  visualiza0on  was  the  most  commonly  measured  spa$al  factor.    

Spa$al  visualiza$on  

•  Spa0al  visualiza0on:  the  processes  of  apprehending,  encoding,  and  mentally  manipula$ng  three-­‐dimensional  spa$al  forms  (Carroll,  1993).    

•  “power  in  solving  increasingly  difficult  problems  involving  spa$al  forms”  (p.  315)  

Mental  Rota$on  

Standard  

   A                                                          B                                                          C                                                D  

Instruc;ons:  Circle  the  figure  that  is  a  rotated  version  of  the  standard.  

Mental  rota$on  skill  is  classified  as  a  form  of  spa$al  visualiza$on  in  some  factor  analyses  

Spa$al  visualiza$on  task  

Spa$al  visualiza$on  task  

How  did  you  solve  this  problem?  

•  Did  you  mentally  slice  the  figure  and  imagine  what  you  would  see?  

•  Did  you  use  an  analy$c  strategy,  such  as  matching  the  features  of  the  answer  choices  to  the  spa$al  proper$es  of  the  test  figure?  

Strategies  

•  Imagis;c  strategies:    using  internal  visual  spa$al  images  to  reason  about    scien$fic  phenomena  

 •  Analy;c  strategies:  using  algorithms  and  heuris$cs  to  reason  about  external  representa$ons  

Evidence  for  contribu$on  of  spa$al  thinking  to  performance  in  science  

Empirical  evidence  

•  Longitudinal  studies  

•  Correla$onal  studies  of  science  students  

Longitudinal  studies  

Longitudinal  studies  of  intellectually  talented  youth    are  the  strongest  source  of  evidence  that  spa$al  thinking  skills  contribute  to  success  and  par$cipa$on  in  science  

Spa$al  ability  accounts  for  a  sta$s$cally  significant  propor$on  of  the  variance  in  par$cipa$on  in  science,  over  and  above  SAT  Mathema$cal  and  SAT  Verbal  scales  (Shea,  Lubinski  &  Benbow,  2001;  Webb,  Lubinski  &  Benbow,  2007).    

Project  Talent  Study    (Wai,  Lubinski  &  Benbow,  2009)  

•  n  =  400,000    •  stra$fied  random  sample  •  measured  spa$al  ability  at  age  13  •  followed  students  for  11+  years  •  people  who  received  degrees  in  mathema$cs,  engineering  and  physical  sciences  and  those  who  went  on  to  pursue  scien$fic  occupa$ons  had  significantly  higher  spa$al  abili$es  at  age  13  than  those  who  received  degrees  in  other  fields  or  prac$ced  other  professions    

Spa$al  ability  predicts  higher  level  achievements  

•  Spa$al  ability  predicts  receiving  a  Ph.D.  in  science  as  opposed  to  receiving  a  bachelors’  degree  in  science)  and  crea$ve  accomplishments  (such  as  patents)  

Kell,  Lubinski,  Benbow  &  Stanley,  2013  

Correla$onal  studies  of  STEM  students  Correla$onal  studies  measure  the  spa$al  abili$es  of  students  in  science  classes,  or  in  a  laboratory  and  examine  the  correla$ons  of  these  ability  measures  with  various  aspects  of  science  achievement.    

•  Biology/medicine  

•  Chemistry  

•  Physics/engineering  

Correla$onal  studies:  Anatomy  

Rochford  (1985):    Spa$al  ability  predicted  performance  among  second  year    medical  students  on  test  items  that  had  spa$al  content.      Students  had  difficul$es  in  processes  of  sec$oning,  transla$ng,  rota$ng  and  visualizing  shapes.        

Correla$onal  studies:  Anatomy  

The  ability  to  draw  the  cross-­‐sec$on  of  a  novel  three-­‐dimensional  object  was  correlated  with  tests  of  mental  rota$on  (r  =  .39,  p  <  .05)  and  perspec$ve  taking  ability  (  r  =  .59,  p  <  .01).  

 (see  next  slide  for  task)  

Instruc;ons  Imagine  you  are  looking  at  the  figure  on  the  right  from  the  perspec$ve  of  the  arrow.    Draw  the  cross  sec$on  of  the  figure  where  it  is    intersected    by  the  line.  

Correct  answer  

Selected  par;cipant  drawings  Cohen  &  Hegarty  (2007)  

Correla$onal  studies:  Chemistry  •  Bodner  and  McMillan  (1986)  found  significant  correla$ons  

(ranging  from  .29–.35)  between  measures  of  spa$al  visualiza$on  and  measures  of  performance  in  an  introductory  organic  chemistry  course.    

•  Other  studies  indicated  small  but  significant  correla$ons  (in  the  .2–.3  range)  between  measures  of  spa$al  ability  and  performance  in  college  courses  in  both  general  chemistry  (Carter,  LaRussa,  &  Bodner,  1987)  and  organic  chemistry  (Pribyl  &  Bodner,  1987).    

•  Spa$al  ability  was  not  significantly  correlated  with  items  that  measured  rote  knowledge  or  the  applica$on  of  simple  algorithms.    

Correla$onal  studies:  Chemistry  

Significant  effects  of  spa$al  ability  (range    of  .32  -­‐  .38  in  different  studies)  on  ability  to  translate  between  different  diagramma$c  representa$ons  in  organic  chemistry  (Stull,  Hegarty,  Dixon,  &  S$eff,  2012).    

Correla$onal  studies:  Physics  

Kozhevnikov  and  Thornton  (2006)  found  correla$ons  of  .28-­‐.32  between  a  measure  of  spa$al  visualiza$on  ability  and  mechanics  problem  solving  that  force  and  mo$on  events.    

(see  next  slide  for  sample  problem)  

A  sled  on  ice  moves  in  the  ways  described  in  ques$ons  1–7  below.  Fric$on  is  so  small  that  it  can  be  ignored.  A  person  wearing  spiked  shoes  standing  on  the  ice  can  apply  a  force  to  the  sled  and  push  it  along  the  ice.  Choose  the  one  force    (A  through  G),  which  would  keep  the  sled  moving  as  described  in  each  statement  below.  

Correla$onal  studies:  Physics  

•  Hegarty  and  Sims  (1994)  found  correla$ons  between  spa$al  ability  and  ability  to  infer  the  mo$on  of  different  machine  components  when  the  machine  was  working  (mental  anima$on).  

(see  next  slide  for  sample  problem)  

Instruc;ons:  Given  the  pulley  system  above,  verify  if  the  statements  below  are  true  or  false:  

Hegarty  &  Sims,    

Issues  in  interpreta$on  of  correla$onal  studies  

•  Correla$onal  studies  are  oqen  based  on  small  sample  sizes  

•  Researchers  focus  on  par$cularly  demanding  tasks  

•  Most  observed  correla$ons  of  spa$al  ability  with  science  achievement,  while  sta$s$cally  significant,  are  small  

Exper$se  effect  

•  Correla$ons  between  spa$al  ability  and  performance  in  science  are  more  evident  for  beginning  science  students  than  for  advanced  students  or  prac$$oners  (Hambrick  et  al.,  2012)  

•  Spa$al  abili$es  may  be  more  important  at  the  early  stages  of  science  learning,  with  domain-­‐specific  strategies  and  conceptual  knowledge  playing  a  greater  role  at  later  stages  (URal  &  Cohen,  2012).  

Spa$al  thinking  skills  are  malleable  

Can  spa$al  thinking  skill  be  improved?  

 •  URal  et  al.,  (2013):  Meta-­‐analysis  of  217  research  studies  

•  Examined  three  types  of  studies:  – Training  that  used  video  games  – Semester-­‐long  course    – Prac$ce  and  strategic  instruc$on  

Training  meta-­‐analysis  

Criteria  for  inclusion  in  meta-­‐analysis:    –   spa$al  training  was  educa$onally  relevant  –   durability:  training  effects  lasted  longer  than  a  few  days  – there  was  some  transfer  to  non-­‐trained  problems  and  tasks.    

Training  meta-­‐analysis  

•  Considered  the  effects  of  several  moderators,  including  the  presence  and  type  of  control  groups,  sex,  age,  and  type  of  training.    

•  Aqer  elimina$ng  outliers,  the  average  effect  size  (Hedges’s  g)  for  training  rela$ve  to  control  was  0.47  (SE  =  0.04).    

Issues  in  science  educa$on  

The  Na$onal  Research  Council  (NRC;  2006)  surveyed  educa$on  at  all  levels  (K-­‐undergrad)  and  found  that    spa$al  thinking  was…  

…“not  just  undersupported  but  underappreciated,  undervalued,  and  therefore  underinstructed”    (p.  5)  .    •  The  NRC  called  for  a  na$onal  commitment  to  develop  spa$al  thinking  across  all  areas  of  the  school  curriculum.  

Spa$al  skills  are  not  explicitly  trained  

PaRerns  of  persistence  in  STEM  

•  Price  (2010):    –  Followed  more  than  140,000  science  majors  at  Ohio  State  University  

– More  than  40%  did  not  complete  STEM  major    

•  Min  et  al.,  (2011):  – Analyzed  paRerns  of  dropout  and  persistence  in  engineering  

– Dropout  from  program  is  most  likely  to  occur  around  the  third  semester.  

Open  research  ques$ons  

•  Given  evidence  for  the  malleability  of  spa$al  thinking  skill,  would  iden$fica$on  of  spa$al  ability  and  subsequent  scaffolding  improve  reten$on  in  STEM?  

Open  research  ques$ons  

•  How  do  other  affec$ve/cogni$ve  variables  contribute  to  persistence  in  STEM?,  e.g,  – mo$va$on    

–  self-­‐efficacy    

–  stereotype  effect  (females  and  underrepresented  minori$es)      

–  incremental  vs.  en$ty  theories  of  intelligence  (is  it  possible  to  improve  spa$al  thinking?)  

References  

•  A  bibliography  of  studies  cited  in  this  talk  is  available  upon  request.  

Acknowledgements  

Hegarty  (2014).  Spa$al  thinking  in  undergraduate  science  educa$on.  Spa0al  Cogni0on  and  Computa0on:  14:  142-­‐167.  

End