PENGEMBANGAN PERANGKAT PEMBELAJARAN IPA BERBASIS

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

PENGEMBANGAN PERANGKAT PEMBELAJARAN IPA BERBASIS

STEM (SCIENCE, TECHNOLOGY, ENGINEERING, AND MATHEMATICS)

MATERI PERPINDAHAN KALOR UNTUK MENINGKATKAN

KEMAMPUAN BERPIKIR LOGIS

TESIS

Disusun untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mencapai Derajat Magister

Program Studi Magister Pendidikan Sains

Oleh :

Septian Murnawianto

NIM S831602024

FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2018


ii


iii


iv


v

MOTTO

“Dan sebaik-baiknya manusia adalah yang paling bermanfaat

bagi manusia lainnya”

(HR. Ath Thabarani)

“ Ilmu pengetahuan bukanlah yang dihafal, melainkan yang memberi manfaat”

(Imam Syafi’i)


vi

PERSEMBAHAN

Tesis ini saya persembahkan untuk :

Bangsa dan negara Indonesia, sebagai bentuk partisipasi untuk turut

membangun bangsa melalui dunia pendidikan.

Para praktisi pendidikan, khususnya guru-guru IPA yang secara tidak langsung

ikut berperan dalam kemajuan sains dan teknologi Indonesia.

Almamaterku, Universitas Mulawarman dan Universitas Sebelas Maret.

Para dosen, pembimbing, dan peneliti yang tak henti-hentinya berbagi dan

mengembangkan ilmu pengatahuan.

Rekan-rekan mahasiswa, khususnya prodi pendidikan sains yang senantiasa

memberikan dukungan pada setiap langkah kebaikan.

Guru pertamaku, ayah dan ibu yang telah dengan sabar mendidik dan

memberikan dukungan demi kemajuan anak-anak mereka.


vii

Septian Murnawianto. 2018. Pengembangan Perangkat Pembelajaran IPA Berbasis

STEM (Science, Technology, Engineering, and Mathematics) Materi Perpindahan

Kalor untuk Meningkatkan Kemampuan Berpikir Logis. Tesis. Pembimbing: Dr.

Sarwanto, S.Pd., M.Si., Kopembimbing: Prof. Drs. Sentot Budi Rahardjo, Ph.D.

Program Studi Magister Pendidikan Sains, Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan,

Universitas Sebelas Maret Surakarta.

ABSTRAK

Penelitian ini bertujuan untuk : 1) menemukan karakteristik perangkat

pembelajaran IPA berbasis STEM (Science, Technology, Engineering, and

Mathematics) untuk meningkatkan kemampuan berpikir logis siswa; 2) mengetahui

kelayakan perangkat pembelajaran IPA berbasis STEM pada materi perpindahan kalor

untuk meningkatkan kemampuan berpikir logis siswa; 3) mengetahui efektivitas

perangkat pembelajaran IPA berbasis STEM untuk meningkatkan kemampuan

berpikir logis siswa.

Penelitian dan pengembangan perangkat pembelajaran ini menggunakan

model pengembangan yang diadopsi dari Thiagarajan (1974) dengan 4 tahapan utama

yaitu: 1) pendefinisian (define) yang terdiri dari analisis kebutuhan, analisis

kemampuan berpikir logis awal, dan analisis konsep perpindahan kalor; 2)

perancangan (design) yang terdiri dari penyusunan karakteristik produk, pemilihan

media dan konteks, serta format produk; 3) pengembangan (develop) yang terdiri dari

validasi ahli, uji coba lapangan, dan uji coba operasional; dan 4) penyebaran produk

(disseminate). Data yang dikumpulkan selama pengembangan dianalisis dengan

analisis deskriptif, analisis kelayakan produk berdasarkan persentase skor kriteria,

dan analisis efektivitas produk melalui gain score (N-gain) dan uji-U Mann-Whitney.

Hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa: 1) perangkat pembelajaran IPA

berbasis STEM dikembangkan dengan 6 karakteristik yaitu berbasis pada masalah

kongkret, memuat konten S, T, E dan M secara terpadu, pembelajaran inkuiri,

berbasis engineering design process, berpusat pada siswa, dan menggunakan

penilaian autentik; 2) perangkat pembelajaran IPA berbasis STEM pada materi

perpindahan kalor yang dikembangkan dinilai layak dengan kategori baik sekali

sebagai perangkat pembelajaran IPA yang berbasis pada kriteria STEM untuk

digunakan pada tingkat SMP; 3) perangkat pembelajaran IPA berbasis STEM efektif

dalam meningkatkan kemampuan berpikir logis siswa berdasarkan adanya perbedaan

bermakna antara rerata N-gain skor TOLT kelas kontrol dan eksperimen dengan sig.

0,007 atau < 0,05. Kelas eksperimen yang menggunakan perangkat pembelajaran IPA

berbasis STEM memiliki rerata N-gain yang lebih besar atau lebih baik dalam

meningkatkan kemampuan berpikir logis.

Kata kunci: pembelajaran IPA berbasis STEM, pengembangan perangkat

pembelajaran, kemampuan berpikir logis, perpindahan kalor


viii

Septian Murnawianto. 2018. Development of Science, Technology, Engineering,

and Mathematics (STEM)-Based Science Lesson Plan of Heat Transfer Topic to

Enhance Logical Thinking Ability. Thesis. Advisor: Dr. Sarwanto, S.Pd., M.Si., Co-

Advisor: Prof. Drs. Sentot Budi Rahardjo, Ph.D. Master Program of Science

Education, Faculty of Teacher Training and Education, Sebelas Maret University

Surakarta.

ABSTRACT

This study aims to: 1) find the characteristics of Science, Technology,

Engineering, and Mathematics (STEM)-based science lesson plan to improve

students' logical thinking; 2) to determine the feasibility of STEM-based science-

lesson plan on heat transfer topic to improve students' logical thinking ability; 3) to

know the effectiveness of STEM-based science lesson plan to improve students'

logical thinking ability.

This study using development model adopted from Thiagarajan (1974) with

4 main stages are: 1) define consisting of requirement analysis, initial logical thinking

ability analysis, and heat transfer concept analysis; 2) design, which consists of the

preparation of product characteristics, media selection and context, and product

format; 3) development consisting of expert validation, field trials, and operational

trials; and 4) disseminate. Data collected during the development were analyzed by

descriptive analysis, product feasibility analysis based on criteria score percentage,

and analysis of effectiveness through gain score (N-gain) and Mann-Whitney U-test.

The result of the research can be concluded that: 1) STEM-based science

lesson plan are developed with 6 characteristics that are based on a concrete problem,

containing S, T, E and M contents in an integrated learning, inquiry learning, based

on engineering design process, student-centered, and authentic assessment; 2) STEM-

based science lesson plan apparatus on heat transfer material developed is considered

feasible with excellent category as an science learning tool based on STEM criteria

for use at the junior level; 3) STEM-based science learning tools are effective in

improving students' logical thinking skills based on significant differences between

the mean N-gain score of control class TOLT and experiment with sig. 0.007 or

<0.05. The experimental class using STEM-based science lesson plan has a greater or

better N-gain in improving logical thinking.

Keywords: STEM-based Science learning, lesson plan development, logical thinking

ability, heat transfer


ix

PRAKATA

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena berkat rahmat,

kenikmatan, dan hidayah-Nya penulis dapat menyelesaikan Tesis yang berjudul

“Pengembangan Perngkat Pembelajaran IPA berbasis STEM (Science,

Technology, Engineering, and Mathematics) Materi Perpindahan Kalor untuk

Meningkatkan Kemampuan Berpikir Logis” ini dengan baik.

Selesainya penyusunan Tesis ini juga penulis sadari sebagai buah kontribusi

dari berbagai pihak. Oleh sebab itu, dengan kerendahan hati penulis mengucapkan

terima kasih kepada :

1. Prof. Dr. Joko Nurkamto, M.Pd., selaku Dekan Fakultas Keguruan dan Ilmu

Pendidikan Universitas Sebelas Maret Surakarta.

2. Dr. Mohammad Masykuri, M.Si., selaku Kepala Program Studi Magister

Pendidikan Sains Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Sebelas

Maret Surakarta.

3. Dr. Sarwanto, S.Pd., M.Si., selaku Pembimbing yang telah memberikan waktu,

pengarahan, motivasi, dan perhatiannya di sela-sela kesibukan sehingga Tesis ini

dapat terselesaikan dengan baik.

4. Prof. Drs. Sentot Budi Rahardjo, Ph.D., selaku Kopembimbing yang selalu

memberikan motivasi, perhatian, dan bimbingan dengan penuh kesabaran hingga

terselesaikannya penyusunan Tesis ini.

5. Bapak dan Ibu Dosen, khususnya Program Studi Magister Pendidikan Sains yang

telah memberikan ilmu pengetahuan dan bimbingan kepada penulis baik di

dalam maupun di luar perkuliahan.

6. Semua validator ahli dalam penelitian ini yang telah meluangkan waktunya untuk

memberikan penilaian dan masukannya selama proses pengembangan dan

penelitian.


x

7. Kepala sekolah, guru-guru, siswa-siswi, serta seluruh staf keluarga besar SMP N

1 Masaran, Sragen khususnya ibu Rifat Nuraini, S.Pd., yang telah memberikan

waktu, kesempatan, serta bantuan selama proses pengumpulan data.

8. Bapak dan Ibu penulis yang terus berjuang pagi-petang untuk selalu memberikan

cinta, kasih-sayang, dukungan moril dan materil, serta motivasi untuk tidak

pernah menyerah. Kakak dan adik penulis yang juga selalu memberikan

dukungan dan semangat hingga selesainya penulisan Tesis ini.

9. Rekan-rekan seperjuangan, Mahasiswa Program Studi Pendidikan Sains Minat

Pendidikan IPA angkatan 2016 atas kebersamaan, dukungan, dorongan, dan

segala masukan yang telah diberikan selama ini.

Semoga segala kebaikan amal yang telah diberikan oleh semua pihak

diberikan balasan oleh Allah SWT. Penulis menyadari atas segala kekurangan yang

masih terdapat dalam penyusunan Tesis ini. Penulis membuka segala masukan, kritik,

dan saran yang membangun untuk penyempurnaan karya penulis selanjutnya. Penulis

berharap agar Tesis ini dapat bermanfaat bagi dunia pendidikan khususnya

pendidikan sains tanah air.

Surakarta, Agustus 2018

Penulis


xi

DAFTAR ISI

Halaman

JUDUL .................................................................................................................... i

PERNYATAAN ORISINALITAS DAN PUBLIKASI.......................................... ii

PERSETUJUAN PEMBIMBING ........................................................................... iii

PENGESAHAN PENGUJI ..................................................................................... iv

MOTTO .................................................................................................................. v

PERSEMBAHAN ................................................................................................... vi

ABSTRAK .............................................................................................................. vii

ABSTRACT .............................................................................................................. viii

PRAKATA .............................................................................................................. ix

DAFTAR ISI .......................................................................................................... xi

DAFTAR TABEL .................................................................................................. xiii

DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. xiv

DAFTAR LAMPIRAN .......................................................................................... xv

BAB I PENDAHULUAN ....................................................................................... 1

A. Latar Belakang Masalah ........................................................................... 1

B. Rumusan Masalah ..................................................................................... 8

C. Tujuan Pengembangan .............................................................................. 8

D. Spesifikasi Produk yang Diharapkan ........................................................ 9

E. Pentingnya Pengembangan ....................................................................... 9

F. Asumsi dan Keterbatasan Pengembangan ................................................. 10

G. Definisi Istilah........................................................................................... 11

BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN KERANGKA BERPIKIR .............................. 13

A. Kajian Pustaka ......................................................................................... 13

1. Teori Belajar ......................................................................................... 13

2. Hakikat Pembelajaran IPA .................................................................... 20


xii

3. Kemampuan Berpikir Logis .................................................................. 23

4. Pembelajaran STEM ............................................................................. 25

5. Perangkat Pembelajaran ........................................................................ 33

6. Materi Perpindahan Kalor ..................................................................... 35

B. Kajian Penelitian yang Relevan ................................................................ 40

C. Kerangka Berpikir ..................................................................................... 42

BAB III METODE PENELITIAN.......................................................................... 45

A. Jenis, Waktu, dan Tempat Penelitian ........................................................ 45

B. Prosedur Penelitian ................................................................................... 46

1. Karakteristik ......................................................................................... 46

2. Kelayakan dan Efektivitas ................................................................... 49

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ........................................ 60

A. Hasil Penelitian & Pengembangan ........................................................... 60

1. Karakteristik ......................................................................................... 60

2. Kelayakan dan Efektivitas ................................................................... 71

B. Pembahasan ............................................................................................... 81

1. Karakteristik ......................................................................................... 82

2. Kelayakan ............................................................................................ 85

3. Efektivitas ............................................................................................ 88

BAB V SIMPULAN DAN SARAN ....................................................................... 91

A. Simpulan ................................................................................................... 91

B. Implikasi ................................................................................................... 91

C. Saran.......................................................................................................... 92

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................. 94

LAMPIRAN ............................................................................................................ 104


xiii

DAFTAR TABEL

Tabel Halaman

3.1 Waktu Penelitian ............................................................................................... 45

3.2 Kategori Skor TOLT ......................................................................................... 48

3.3 Kategori Penilaian Validasi............................................................................... 51

3.4 Kategori Koefisien Reliabilitas Tes .................................................................. 54

3.5 Kategori Indeks Kesukaran Item ....................................................................... 54

3.6 Kategori Indeks Daya Pembeda Item ................................................................ 55

4.1 Temuan dari Analisis Kebutuhan ...................................................................... 61

4.2 Persentase Kemampuan Berpikir Logis ............................................................ 62

4.3 Kemampuan Penalaran Siswa ........................................................................... 63

4.4 Kompetensi Dasar dan Indikator dalam Materi Perpindahan Kalor ................. 65

4.5 Kegiatan Pembelajaran IPA berbasis STEM .................................................... 68

4.6 Format dan Bentuk Produk ............................................................................... 70

4.7 Masukan dan Tindak Lanjut (Revisi I) pada Tahap Validasi Ahli ................... 72

4.8 Keterlaksanaan Pembelajaran pada Uji Coba Lapangan .................................. 74

4.9 Respon Guru terhadap Produk Perangkat Pembelajaran .................................. 75

4.10 Hasil Analisis Item Soal Kognitif ................................................................... 76

4.11 Persentase Siswa dalam Lima Jenis Penalaran .............................................. 78

4.12 Rerata Skor TOLT dan N-gain ....................................................................... 78

4.13 Hasil Uji Homogenitas (Levene Test) ............................................................ 79

4.14 Hasil Uji Normalitas ...................................................................................... 79

4.15 Hasil Uji-U Mann-Whitney (Uji Beda) .......................................................... 80


xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar Halaman

2.1 Pendidikan STEM dalam Bentuk Silo ............................................................... 31

2.2 Pendidikan Sains Berbasis STEM (Embedded) ................................................. 31

2.3 Pendidikan STEM Terintegrasi ......................................................................... 32

2.4 Alur Kerangka Berpikir..................................................................................... 44

3.1 Prosedur Pengembangan ................................................................................... 46

3.2 Pretest-Posttest Control Group Design ............................................................ 57

4.1 Skor TOLT Siswa Sekolah Menengah Pertama................................................ 63

4.2 Persentase Kondisi Perkembangan Kognitif Siswa .......................................... 64

4.3 Sajian Masalah (Surat Kabar Online) sebagai Konteks Permasalahan ............. 66

4.4 Pola Integrasi Embedded dalam Pembelajaran IPA berbasis STEM pada

Materi Perpindahan Kalor ................................................................................ 67

4.5 Validitas Perangkat Pembelajaran pada Tiap Aspek Penilaian......................... 71

4.6 Persentase Kemampuan Berpikir Logis Siswa pada Kelas Kontrol ................. 77

4.7 Persentase Kemampuan Berpikir Logis Siswa Kelas Eksperimen ................... 77


xv

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran Halaman

1. Publikasi Tesis ................................................................................................. 105

2. Hasil Rekapitulasi Angket Kebutuhan Guru .................................................... 106

3. Hasil Rekapitulasi Angket Kebutuhan Siswa .................................................. 110

4. Hasil Analisis Perangkat Pembelajaran ........................................................... 116

5. Instrumen Test of Logical Thinking (TOLT) .................................................... 120

6. Peta Konsep Perpindahan Kalor ...................................................................... 127

7. Matriks Pembelajaran IPA berbasis STEM ...................................................... 128

8. Silabus Pembelajaran IPA berbasis STEM (Produk) ....................................... 130

9. RPP IPA berbasis STEM (Produk) ................................................................... 135

10. Instrumen Penilaian Afektif ............................................................................. 154

11. Instrumen Penilaian Kognitif ........................................................................... 162

12. Instrumen Penilaian Psikomotorik ................................................................... 171

13. Hasil Validasi Ahli (Expert Appraisal) ............................................................ 181

14. Revisi I ............................................................................................................. 186

15. Keterlaksanaan Pembelajaran (Uji Coba Lapangan) ....................................... 193

16. Gambar Desain Solar Cooker Siswa ................................................................ 201

17. Poster Laporan Kerja Proyek Solar Cooker ..................................................... 202

18. Rekapitulasi Angket Respon Guru ................................................................... 203

19. Rekapitulasi Angket Respon Siswa ................................................................. 206

20. Analisis Validitas Item Tes Kognitif ............................................................... 209

21. Analisis Daya Pembeda Item Tes Kognitif ...................................................... 210

22. Analisis Derajat Kesukaran Item Tes Kognitif ................................................ 211

23. Analisis Reliabilitas Tes Kognitif .................................................................... 212

24. Hasil Rekapitulasi TOLT Pretest .................................................................... 213

25. Hasil Rekapitulasi TOLT Posttest .................................................................. 215


xvi

26. Perhitungan N-gain Skor TOLT ...................................................................... 217

27. Analisis Homogenitas dan Normalitas ............................................................. 219

28. Analisis Uji-U Mann-Whitney ......................................................................... 221

29. Dokumentasi Penelitian ................................................................................... 222

30. Surat Keterangan Penelitian ............................................................................. 229

Documents

PENGEMBANGAN PERANGKAT PEMBELAJARAN IPA BERBASIS