Διερεύνηση εφαρμογών προσομοιωμένων εικονικών εργαστηρίων στη διδασκαλία της φυσικής στην υποχρεωτική εκπαίδευση

Abstract

The incorporation of Information and Communication Technologies (I.C.T.) in Science Education seems to be able to facilitate the shift of new knowledge acquisition from a process of knowledge possession through transmission to a process of knowledge conquest through construction, since I.C.T. are effective tools for involving students in investigative activities scaffolding the construction of new knowledge. In the field of electric circuits in particular, researchers claim that technologically enriched virtual laboratory environments can reduce the students’ cognitive load providing students with suitable support for successfully performing investigative activities and substantially improving their field knowledge. These studies however, focus on the conceptual evolution of students ignoring other aspects of teaching.The present thesis aims at exploring the effects that virtual laboratory environments can have when they are utilized in a teaching-by-inquiry intervention in the field of electric circuits by examining multiple aspects of teaching efficiency when virtual laboratory environments of various kinds are used: real laboratories, 3-D virtual laboratory environments with affordances like the modelspace which bridges virtual circuits with the corresponding circuit schematics, 3-D virtual laboratory environments without the modelspace and virtual laboratories in the form of functional schematic applets. Three teaching sequences are developed and applied to High School student classes in the same way (same instructional method and material) differing only in the electric circuit laboratories used. Teaching effectiveness is assessed by comparing the students’ scores before and after the teaching interventions and through students’ responses in personal interviews. Among classes are compared the students’ conceptual evolution, the students’ ability to construct real circuits, the students’ ability to transform circuits from one representation to another (real, virtual, schematic) and the students’ ability to design and perform experiments with electric circuits.Within the context of a teaching-by-inquiry approach, in most cases all classes achieve similar scores, indicating that all laboratory environments can be effectively utilized in teaching in a similar way. Differences in the students’ scores are recorded in two cases. It seems that teaching with the use of real equipment is advantageous when special handling abilities are required in setting up a real circuit, while teaching with the use of virtual laboratory environments with affordances which support creating connections between the 3-D virtual representation and the schematic representation (modelspace) provides students with an advantage when faced with problems of increased difficulty and transforming an electric circuit from one form to another.Through the comparisons reported, the current study contributes to the assessment of various characteristics of laboratory environments, the improvement of their design and their effective utilization in teaching-by-inquiry activities. The Greek curriculum of physical sciences in compulsory education aims among others in the incorporation of I.C.T. in education and therefore the results of the present study present educational as well as research interest.

Η αξιοποίηση των Τεχνολογιών της Πληροφορίας και Επικοινωνίας (Τ.Π.Ε.) στη διδασκαλία των Φυσικών Επιστημών φαίνεται ικανή να βοηθήσει σημαντικά στη μετατόπιση της διαδικασία πρόσκτησης νέων γνώσεων από τη γνώση ως κατοχή μέσω μετάδοσης, στη γνώση ως οικοδόμηση καθώς οι Τ.Π.Ε. αποτελούν αποτελεσματικά εργαλεία για την εμπλοκή των μαθητών σε διδασκαλίες με διερεύνηση και υποβοηθούν τη διαδικασία οικοδόμησης γνώσεων και την εννοιολογική κατανόηση διαφόρων φαινομένων. Ειδικότερα στο χώρο των ηλεκτρικών κυκλωμάτων, ερευνητές υποστηρίζουν ότι τεχνολογικά εμπλουτισμένα εικονικά περιβάλλοντα μπορούν να μειώσουν το γνωστικό φόρτο των μαθητών, προσφέροντας τους την κατάλληλη υποστήριξη για την επιτυχή εκτέλεση διερευνητικών δραστηριοτήτων και την εννοιολογική τους εξέλιξη. Οι μελέτες όμως αυτές επικεντρώνονται στην εννοιολογική εξέλιξη των μαθητών και παραβλέπουν άλλες όψεις της διδασκαλίας.Η παρούσα εργασία στοχεύει να διερευνήσει το ρόλο που μπορούν να διαδραματίσουν τα εικονικά εργαστηριακά περιβάλλοντα όταν ενταχθούν σε διδασκαλία με διερευνητική προσέγγιση στο γνωστικό αντικείμενο των ηλεκτρικών κυκλωμάτων, συγκρίνοντας πολύπλευρα την αποτελεσματικότητα της διδασκαλίας, όταν αυτή χρησιμοποιεί εργαστηριακά περιβάλλοντα διαφόρων χαρακτηριστικών: πραγματικά εργαστήρια, τρισδιάστατα εικονικά εργαστήρια με παροχές όπως ο μοντελοχώρος που συνδέουν τα τρισδιάστατα κυκλώματα με τα αντίστοιχά τους διαγραμματικά, τρισδιάστατα εικονικά περιβάλλοντα χωρίς μοντελοχώρο και εικονικά εργαστήρια με τη μορφή applet. Αναπτύσσονται τρεις διδακτικές σειρές οι οποίες εφαρμόζονται σε μαθητές Γυμνασίου με τον ίδιο τρόπο (ίδια μέθοδος και υλικό διδασκαλίας) σε διαφορετικά τμήματα με χρήση διαφόρων εργαστηριακών περιβαλλόντων ηλεκτρικών κυκλωμάτων. Μέσω συγκρίσεων των επιδόσεων των μαθητών πριν και μετά τις διδασκαλίες αλλά και προσωπικών συνεντεύξεων γίνεται αποτίμηση της εξέλιξης των μαθητών των διαφόρων τμημάτων και εξετάζεται αν οι διδασκαλίες με τα περιβάλλοντα που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτές επιφέρουν παρόμοιες βελτιώσεις. Πιο συγκεκριμένα, συγκρίνονται η εννοιολογική εξέλιξη των μαθητών των διαφόρων τμημάτων και οι δεξιότητες κατασκευής πραγματικών ηλεκτρικών κυκλωμάτων, μετασχηματισμού ενός ηλεκτρικού κυκλώματος από μία αναπαράσταση σε άλλη (πραγματική, εικονική, διαγραμματική) και σχεδίασης και εκτέλεσης πειραμάτων με απλά ηλεκτρικά κυκλώματα.Τα αποτελέσματα φανερώνουν ότι στα πλαίσια διδασκαλιών διερευνητικής προσέγγισης στις περισσότερες περιπτώσεις δεν εμφανίζονται διαφοροποιήσεις στις επιδόσεις των διαφορετικών τμημάτων και επομένως τα εργαστήρια μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά στη διδασκαλία με παρόμοιο τρόπο. Διαφορές στις επιδόσεις των μαθητών εμφανίζονται σε δύο περιπτώσεις. Φαίνεται ότι η διδασκαλία με πραγματικά εργαστήρια παρέχει ένα πλεονέκτημα στην κατασκευή πραγματικών κυκλωμάτων όταν απαιτούνται ιδιαίτερες δεξιότητες κατά την κατασκευή, ενώ η διδασκαλία με εικονικά εργαστήρια που συνδυάζουν πολλαπλούς τρόπους αναπαράστασης και συνδέουν την τρισδιάστατη εικονική αναπαράσταση με τη διαγραμματική μέσω κατάλληλων παροχών (μοντελοχώρος) παρέχει ένα πλεονέκτημα στην επίλυση δύσκολων προβλημάτων και το μετασχηματισμό της γνώσης από μία αναπαράσταση σε άλλη.Η παρούσα έρευνα, μέσα από τις συγκρίσεις που παρουσιάζονται, συμβάλλει στην εκτίμηση της χρησιμότητας επί μέρους χαρακτηριστικών των εικονικών περιβαλλόντων, στον ορθότερο σχεδιασμό των εικονικών εργαστηρίων και κατ’ επέκταση στην αποτελεσματικότερη ένταξη και αξιοποίησή τους στην εκπαιδευτική διαδικασία στα πλαίσια διδασκαλιών διερευνητικής προσέγγισης. Το Αναλυτικό Πρόγραμμα Σπουδών για τη διδασκαλία των Φυσικών Επιστημών στην Υποχρεωτική Εκπαίδευση αποσκοπεί μεταξύ άλλων και στην εγκόλπωση των Τ.Π.Ε. στη διδασκαλία και επομένως, τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας εκτός από ερευνητικό, παρουσιάζουν και έντονο εκπαιδευτικό ενδιαφέρον.