Piaget’ye (1964) göre bilişsel gelişim dönemleri dörde ayrılır. Bunlar:
Duyusal motor dönem (0-2 yaş); bebeğin, dış dünyayı ve kendini keşfetmek için duyularını ve motor becerilerini kullanması nedeniyle bu evreye duyusal motor adı verilmiştir. Evre başlangıcında tüm edimler, refleks düzeyindedir. Çocuk bu dönemde nesnelerin ne olduğunu anlamak için nesneleri ağzına götürür. Ayrıca tutma, emme, yakalama gibi basit edinimlerle kendi vücudunu ve çevresini tanımaya çalışır. Böylece dış dünya hakkında basit kategorik çerçeveler olarak tanımlanabilecek şemalar oluşturur. İkinci yaşın sonuna doğru, nesnelerin duyusal olarak algılanmadığı zamanlarda da var olduğunu kavrar. Yani nesnenin kalıcılığını kavrar. Dönemin sonunda zaman ve mekan boyutlarına ilişkin geçici neden sonuç ilişkilerini kurmaya başlar. Bu dönemde kendilik bilincini geliştirir (Aydın, 1999; Wood, 1974).
İşlem Öncesi Dönem (2-7 yaş); Çocuk dilini kullanmaya başlar. Böylece sembolik biçimde düşünme becerilerini geliştirir. Nesneleri simgeler ve sözcüklerle temsil etmeyi öğrenir. Diğer çocuklarla oynarken, bir nesneye başka bir nesneymiş gibi davranır. Ancak düşünce hala görüntünün kontrolü altındadır. Ayrıca hala ben merkezci olduğu için, sorunları bakış açılarından anlatmakta güçlük çeker (Aydın, 1999; Wood, 1974).
Somut İşlemsel Dönem (7-12 yaş); Bu dönemde çocuklar “korunumla” ilgili düşünceleri kazanarak diğer mantıksal hareketleri de plânlı ve düzenli yapmaya başlarlar. Boyut üzerinde nesneleri düzenleyebilirler. Somut nesneler ve olaylar arasındaki mantıksal ilişkileri anlarlar. Soyut kavramlar hakkında mantık yürütemezler ve varsayımlar geliştirerek sistematik olarak test edemezler. Düşünce artık ben merkezci değildir. Olay ve sorunlara diğer insanların görüş açılarını dikkate alan bir
anlayışla yaklaşırlar (Aydın, 1999; Arı, Genç, Sarı, Başaran, Yılmaz ve Şeker, 2002; Wood, 1974).
Soyut İşlemler Dönemi (12 yaş ve sonrası); bu evredeki bireyler, soyut önermeler arasında mantıksal ilişkiler kurar ve bu ilişkileri sistematik olarak test ederler. İnsanlığın mevcut ortak sorunlarıyla ve varsayımsal olarak dünyanın gelecekte karşılaşabileceği sorunlarla ilgilenirler. Her konuda çok yönlü analitik ve eleştirel düşünme, ayrıca düşüncelerini etkin bir iletişim örtüsü içinde aktarma yeteneği gösterirler (Aydın, 1999; Wood, 1974).
Senemoğlu (1997); Piaget’e göre çocuk bir dönemde kazanması gereken tüm şema ailesine sahip olup, gerekli biliş yapılarını oluşturduğunda o dönemdeki gelişimini tamamlamaktadır. Çalışmaya katılan bireylerin gelişimsel özellikleri dikkate alındığından soyut işlemler dönemine odaklanılmıştır. Buna göre soyut işlemler döneminde yukarıda da belirtildiği gibi bu dönem bireyin yetişkinliğinde kulandığı zihinsel becerileri içermektedir. Formal operasyon dönemindeki yani soyut işlemler dönemindeki bireyler; sadece nesneler üzerinde değil hipotezler üzerinde akıl yürütür, sınıflama, ilşkilendirme ve sayılar üzerinde değil yeni mantıksal önermeler ortaya koyabilir, kombinezonlu düşünebilir, olasılıkları fark edebilir, verilen değişkenler arasında ilişki oluşturabilir (Piaget, 1964). Lawson ve diğerleri ise bu dönemi beş madde altında incelemişlerdir. Bunlar; a) Kombinezonlarla düşünme (Combinatorial Thinking), b) Değişkenlerin teşhisi ve kontrolü (Identification and the Control of Variables), c) Oranlı düşünme (Proportional Thinking), d) Olasılıklarla düşünme (Probabilistic Thinking) ve e) Korelasyonel düşünme (Correlational Thinking) yeteneklere sahip olduğunu belirtmiştir. Ayrıca formal operasyon döneminde birey ‘Eğer…ve…ise...bundan dolayı’ şeklindeki mantıksal düşünme zincirini görülmeyen doğa olaylarını açıklamak için de kullanabilir. Görülmeyen olayları açıklamak için hipotezler kurar hatta kurduğu hipotezler soyut modellere dayanabilir. Ayrıca bu kişiler varsayımlarla ve tümdengelim (Deductive Thinking) yöntemiyle muhakemeler yapabilir (Akt.: Ateş, 2002). Ayrıca Lawson mantıksal düşünme becerilerinin ortaya çıkarılmasına yönelik çok koşullu hipotez teorisini ortaya atmıştır. Bu teoriye göre, mantıksal düşünmede bir önermenin birden çok cevabı arasından en uygun olanı seçmek gerekmektedir. Bir önermeye yönelik üç seçenek arasından doğru olanı seçen öğrencinin mantıksal düşünme becerisinin geliştiğini varsaymaktadır (Akt.: Yaman,
2003). Shayer (1998) bu dönemde bulunan öğrencilerin beklenen yeteneklerinin gelişmesinde öğretmenlerin kullandığı öğretim yöntemlerinin etkili olduğunu ve bunun sonucunda öğrencilerin başarılarının artığını belirtmiştir (Akt.:Ateş, 2002).
Bilimsel süreç becerileri her hangi bir bilişsel süreç içerisindeki problem çözme mekanizmaları ile mümkündür (Padilla & Padilla, 1986). Bozdoğan (2007)’a göre; öğrencilerin mantıksal düşünme becerilerinin (soyut işlem döenemindeki bireylerde olması gereken beceriler) gelişmesi için problem çözme becerilerinin geliştirilmesi gerektiğini söylemiştir. Problem çözme becerilerinin geliştirilmesi için de öğrencinin kendisine sorması gereken sorular ve yapıması gereken işlem basamaklarının varlığından bahsetmiştir. Aslında problem çözme becerileri için bilimsel süreç becerilerinin gerekliliğine vurgu yapılmaktadır. Baird ve Borich’in (1987) belirtiği gibi, mantıksal düşünme becerileri ile üst düzey süreç becerileri ile aynı özelliği taşımaktadır. Fen bilgisi öğretiminde, bazı kavramların, olayların ve durumların öğrenilmesinde bilimsel süreç becerilerinin kullanılması (verileri toplaması, sınıflandırılması, ölçümler yapılması, tahminde, çıkarımda bulunulması deneylerin yapılması) ve bu sürecin başarıya ulaşması için, mantıksal düşünme becerilerine sahip olunması gerekmektedir. Yeany, Yap ve Padilla (1986) yaptıkları çalışmada bilimsel süreç becerileri (TIPS II) ile mantıksal düşünme becerisi (GALT) testinin alt boyutları arasındaki ilişkiyi incelemişlerdir ve aslında bu iki testin alt boyutlarının birbirini kapsadığını tespit etmişlerdir. Bu nedenle karar verirken, mevcut durumlar problem haline getirilerek çözümün nasıl olması gerektiğine karar verilir ve bu karar uygulanarak çözüme ulaşılır (Bozdoğan, 2007). Buda bilimsel süreç becerileri ile bilişsel gelişimin yani mantıksal düşünme becerisinin ilişkili olduğunu gösterir. Literatür incelendiğinde bilişsel gelişim ile bilimsel süreç becerileri arasında ilişki olduğunu gösteren çalışmaların bazıları aşağıda belirtilmiştir.
Brotherton, Peter ve Preece (1995) yaptıkları çalışmada ORES (Objective Referenced Evaluation in Science: bu ölçek Shaw (1983) tarafından 11 yaş öğrencileri için geliştirilmiş 60 sorudan oluşan çoktan seçmeli bir testir. Temel ve bütünleştirilmiş süreç becerilerini ölçer) puanı ile PRT Rasch (Mantıksal düşünme ölçeği) puanları arasında 7. sınıf düzeyinde (r = .50), 8. sınıf düzeyinde (r = .58) ve 9. sınıf düzeyinde (r = .71) pozitif yönde bir kolerasyon tespit edilmiştir. TIPS (Test of Integrated Science Processes: bu ölçek Tobin ve Capie (1982a) tarafından 11- 13 yaş arası öğrencilere
yönelik geliştirilen, bütünleştirilmiş süreç becerilerini ölçen, 24 sorudan oluşan çoktan seçmeli bir testir.) ve PRT Rasch (Piagetian Reasoning Tasks: bu ölçek 8 yaş üzeri öğrencilere yönelik olarak geliştirilen, Piagetian gelişimsel özellikleri dikkate alınarak mantıksal düşünme becerilerini ölçen bir ölçektir) arasında 7., 8., ve 9. sınıf düzeylerinde sırası ile (r = .62), (r = .53), (r = .59) pozitif yönde bir kolerasyon tespit edilmiştir. Ayrıca TIPS ve TOLT (Test of Logical Thinking: Mantıksal düşünme becerisi ölçeği; Tobin ve Capie (1981) tarafından geliştirilen 11-18 yaş arası öğrencilere yönelik 10 maddeden oluşan, kağıt kalem tetsidir) arasında 7., 8., ve 9. sınıf düzeylerinde sırası ile (r = .59), (r = .58), (r = .48) pozitif yönde bir kolerasyon tespit edilmiştir. Bu da bize Piaget tarafından önerilen gelişim düzeyleri ile yani bilişsel gelişim ile bilimsel süreç becerileri arasında pozitif bir ilişkinin varlığından söz edebiliriz.
Bitner (1991), ilköğretim öğretmen adayları ile yaptığı çalışmada bilişsel gelişim, akademik başarı, bilimsel süreç becerileri ve fizik kavramlarındaki yanılgıları karşılaştırmalı olarak incelemiştir. GALT (Mantıksal düşünme testi) ile TIPS II (Bilimsel süreç testi) arasında (r = .40) pozitif orta düzeyde bir kolerasyon tespit etmiştir.
Tobin, Capie ve Bradley (1980), 150 üniversite öğrencisi ile gerçekleştirdikleri çalışmada, öğrencilerin formal düşünme becerileri başarıları ile bütünleştirilmiş süreç becerileri arasında .0001 anlamlılık düzeyinde (r = .49) kolaresyon aynı zamanda lise öğrencileri ile yaptıkları çalışmada ise .0001 anlamlılık düzeyinde (r = .49) kolerasyon bulmuşlardır (Akt.: Tobin & Capie, 1981).
Sittirug (1997) yaptığı çalışmada bilişsel gelişim ile bilimsel süreç becerileri arasında yüksek düzeyde pozitif (r = .69) bir ilişki bulunmuştur.
Padilla ve diğerleri (1983) mantıksal düşünme (TOLT ile ölçüm yapmışlar) ile bilimsel süreç becerileri (TIPS ile ölçüm yapmışlar) arasında yüksek kolerasyon (r = .73) tespit etmişlerdir.
Walkosz ve Yeany (1984) bilişsel gelişim ile bilimsel süreç becerileri arasında orta düzeyde (r = .44) pozitif kolerasyon tespit etmişler.
Jones ve Norman (1989); 80 öğretmen adayı ile gerçekleştirdikleri çalışmada mantıksal düşünme yetenekleri ile bilimsel süreç becerileri arasında (r = .78) düzeyinde pozitif bir ilişki tespit etmişlerdir.
Marshall (1990) yaptığı çalışmada; RODS test (bending rods piagetian manipulative task- mantıksal düşünme kağıt kalem testi) ile BAPS (çoktan seçmeli temel bilimsel süreç becerileri testi) test arasında (r = .31), BAPSST (temel bilimsel süreç becerileri kağıt kalem testi) testi ile TOLT (çoktan seçmeli mantıksal düşünme testi) arasında (r = .36) kolerasyon, BAPS ile TOLT arasında (r = .28), BAPSST ile RODS arasında (r = .38) kolerasyon tespit etmiştir.
Norman (1989), ortaokul öğretmenleri ile yaptığı çalışmada bilimsel süreç becerileri ile yapılan hizmet içi eğitimin öğretmenlerin bütünleştirilmiş süreç becerileri ile mantıksal düşünme becerilerini geliştirdiğini tespit etmişlerdir. Bu çalışmaya göre; öğretmenlerin mantıksal düşünme becerileri bilimsel süreç becerilerinin varlığından etkilenmektedir. Burada araştırmaya başlamadan önce uygulanan ön test sonuçlarına göre mantıksal düşünme testi (GALT) ile bütünleştirilmiş süreç becerileri testi arasında (r = .75) pozitif bir kolerasyon, son testler arasında da (r = .59) pozitif bir kolerasyon olduğunu tespit edilmiştir.
Baird ve Borich (1985) yaptıkları çalışmada bütünleştirilmiş süreç becerileri (TIPS II ölçeği kullanılmış) ile mantıksal düşünme becerileri (GALT ölçeği kullanılmş) arasında pozitif yüksek düzeyde (r = .62) bir ilişki tespit edilmiştir.
Tobin ve Capie (1982b), öğrencilerin mantıksal düşünme yetenekleri ile bilimsel süreç başarıları arasında (r = .70 ) pozitif bir kolerasyon bulmuşlardır.
Wood (1974) mantıksal düşünme ve bütünleştirilmiş süreç becerileri (özellikle değişkenleri tanımlama ve kontrol etme, hipotezi oluşturma) arasında doğrudan bir ilişki olduğuna vurgu yaparken; Spears ve Zollman (1977), Lawson, Nordland ve Devito
(1975) yaptıkları çalışmalarda öğrencilerin mantıksal düşünme şekilleri ile bilimsel süreçleri kullanımının ilişkili olduğunu belirtmişlerdir.
De Vore (1984) yaptığı çalışmada 45 ilköğretim öğretmen adayının bilimsel süreç becerileri ile alan bağımlılığı-bağımsızlığı, dogmatizim, bilişsel gelişim, yaş ve fen alt yapısı değişkenleri arasındaki ilişkiyi incelemiş ve bu değişkenlerin hepsinin bilimsel süreç becerileri ile ilişkili olduğunu bulmuştur.
Yukarıdaki çalışmalar ışığında bilimsel süreç becerileri ile bilişsel gelişim arasında pozitif bir ilişki olduğu söylenebilir. Bu nedenle yapılacak olan modelleme çalışmasına bilişsel gelişim bağımsız değişken olarak alınacaktır.