Πλαίσιο ανάπτυξης εκπαιδευτικού λογισμικού και δραστηριοτήτων με αναλογίες και αξιοποίησή του στη διδακτική της πληροφορικής

Abstract

Η Πληροφορική είναι ένα νέο σχετικά νέο επιστηµονικό πεδίο που σχετίζεται µε πληθώρα νέων και διαφορετικών γνώσεων και δεξιοτήτων. Οι γνώσεις αυτές και οι δεξιότητες καθίστανται αναγκαίες στο σύγχρονο κόσµο όπου ο τεχνολογικός εγγραµµατισµός είναι απαραίτητο εφόδιο σε κάθε άνθρωπο από τα πρώτα χρόνια της ζωής του (Γρηγοριάδου, Γόγουλου & Γουλή, 2009). Η Πληροφορική και οι Τεχνολογίες της Πληροφορίας και των Επικοινωνιών είναι πλέον παρούσες σε όλες τις πτυχές (οικονοµικές , επιστηµονικές, βιοµηχανικές , πολιτιστικές, κοινωνικές) της ανθρώπινης ζωής (Κόµης, 2005˙ Γρηγοριάδου, Γουλή & Γόγουλου, 2009) Η ∆ιδακτική της Πληροφορικής έχει καθιερωθεί τα τελευταία χρόνια ως αυτόνοµο γνωστικό πεδίο που ασχολείται µε τη µελέτη του εκπαιδευτικού περιβάλλοντος µέσα στο οποίο οικοδοµούν οι µαθητές γνώσεις και δεξιότητες του επιστηµονικού χώρου της Πληροφορικής (Κόµης, 2005) . Οι γνώσεις αυτές αφορούν βασικές και διαχρονικές έννοιες της Πληροφορικής όπως το υλικό και το λογισµικό του υπολογιστή, την επεξεργασία της πληροφορίας και τις προγραµµατιστικές δοµές και οι δεξιότητες αφορούν τη χρήση εφαρµογών γενικού σκοπού και εφαρµογών προγραµµατισµού (Γρηγοριάδου κ.α., 2009˙ CSTA 2005). Έρευνες που έχουν γίνει τα τελευταία χρόνια στο χώρο της ∆ιδακτικής της Πληροφορικής έχουν ανιχνεύσει δυσκολίες και παρανοήσεις µαθητών και φοιτητών που διδάσκονται έννοιες της Πληροφορικής. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται σε 3 έννοιες – δοµές του προγραµµατισµού υπολογιστών η κατανόηση των οποίων δυσκολεύει τους µαθητές – φοιτητές και δηµιουργούνται πολλές παρανοήσεις: - Στην έννοια της µεταβλητής σε προστακτικές γλώσσες προγραµµατισµού µε στατικούς τύπους δεδοµένων και στη σχετική εντολή απόδοσης τιµής σε µεταβλητή - Στις δοµές επιλογής - Στις δοµές επανάληψης Στα πλαίσια της διδακτικής της Πληροφορικής και ειδικά στον προγραµµατισµό υπολογιστών έχουν προταθεί πολλές διδακτικές προσεγγίσεις για την αποτελεσµατικότερη διδασκαλία τέτοιων εννοιών δύσκολων στην κατανόηση όπως οι παραπάνω. Παραδείγµατα τέτοιων προσεγγίσεων είναι η γνωστική µαθητεία (Reigeluth, 1999), η χρήση logo like περιβαλλόντων (Γλέζου & Γρηγοριάδου 2009) , η αξιοποίηση περιπτώσεων (cases) στο σχεδιασµό δραστηριοτήτων (Μπούµπουκα & Γρηγοριάδου, 2009), η εκπαιδευτική ροµποτική (Φράγκου, 2009), η µάθηση βασισµένη σε προβλήµατα (Ellis et al.,1998), η οπτικοποίηση λογισµικού (Stasko & Patterson, 1991), µαθησιακά περιβάλλοντα πολλαπλών αναπαραστάσεων (Τσώνης, Κατής, Παλιανόπουλος & Κορδάκη, 2002) κα. Μια εναλλακτική διδακτική προσέγγιση που έχει δοκιµαστεί στη διδασκαλία άλλων γνωστικών αντικειµένων όπως στις φυσικές επιστήµες είναι η διδακτική αξιοποίηση αναλογιών. Οι αναλογίες είναι ισχυρά εργαλεία µάθησης γιατί δίνουν τη δυνατότητα για σύνδεση της προϋπάρχουσας γνώσης µε την νέα, οδηγώντας έτσι σε µάθηση µε νόηµα (Βοσνιάδου, 2002) .Ταυτόχρονα οι αναλογίες έχουν δεχθεί και ισχυρή κριτική ως διδακτικά εργαλεία γιατί σε αρκετές περιπτώσεις οδηγούν στη δηµιουργία παρανοήσεων. Έχουν όµως προταθεί διδακτικές προσεγγίσεις µε αναλογίες (πολλαπλές αναλογίες) και µοντέλα διδασκαλίας µε αναλογίες που στοχεύουν στην εξάλειψη αυτού του µειονεκτήµατος της χρήσης αναλογιών (Glynn, 1994). Άλλο πρόβληµα στη διδασκαλία µε αναλογίες είναι να αναγνωρίσει ο µαθητής την ύπαρξη της αναλογίας-αντιστοιχίας µεταξύ αυτών των δύο ανόµοιων κατά τα άλλα εννοιών. (Clement, 1993). Ένας από τους στόχους της διατριβής είναι η µελέτη της χρήσης αναλογιών από καθηγητές δευτεροβάθµιας στη διδασκαλία εννοιών Πληροφορικής. Όπως προέκυψε και από τα αποτελέσµατα αυτής της έρευνας που παρουσιάζεται στην παρούσα διατριβή οι αναλογίες χρησιµοποιούνται συχνά και στη διδασκαλία εννοιών Πληροφορικής ιδιαίτερα για την έννοια της µεταβλητής. Η χρήση τους όµως δεν γίνεται στα πλαίσια κάποιου συγκεκριµένου µοντέλου διδασκαλίας και η παρουσίασή τους γίνεται στην πλειοψηφία των περιπτώσεων προφορικά ή µε γραπτό κείµενο ή µε εικόνες ή κάποιο συνδυασµό των προηγούµενων. Ο βασικός στόχος της παρούσας διατριβής είναι η πρόταση και η πειραµατική αξιολόγηση ενός νέου πλαισίου ανάπτυξης εκπαιδευτικού λογισµικού και δραστηριοτήτων µε αναλογίες (ΠΑΕΛ∆Α). Στο πλαίσιο αυτό αξιοποιούνται αναλογίες µεταξύ των εννοιών που διδάσκονται και κατάλληλα κατασκευασµένων αναλογικών µοντέλων. Το πλαίσιο που προτείνεται περιέχει τα παρακάτω : 1. Ένα κατάλληλο αναλογικό µοντέλο που έχει δηµιουργηθεί ακολουθώντας µε ένα σύνολο κριτηρίων όπως : - να είναι γνωστό στους µαθητές - να κινεί το ενδιαφέρον των µαθητών - να έχει πολλά κοινά χαρακτηριστικά µε την έννοια-στόχο - να αναδεικνύει χαρακτηριστικά στα οποία οι µαθητές παρουσιάζουν δυσκολίες και εµφανίζουν παρανοήσεις - να µην προωθεί εσφαλµένες αντιλήψεις για την έννοια-στόχο 2. Το αναλογικό µοντέλο προσοµοιώνεται µε την χρήση εκπαιδευτικού λογισµικού και παρουσιάζεται δραµατοποιηµένο µε την βοήθεια συνθετικής κίνησης (animation). Παράλληλα µε το αναλογικό µοντέλο παρουσιάζεται και το µοντέλο της έννοιας-στόχου π.χ. µια δοµή επιλογής στον προγραµµατισµό. Η παράλληλη παρουσίαση–εκτέλεση στοχεύει στο να υποστηρίξει το µαθητή να συνδέσει τα δύο µοντέλα µε τη σχέση την αναλογίας ώστε να µεταφέρει χαρακτηριστικά του αναλογικού µοντέλου στην έννοια-στόχο. 3. Το µοντέλο της έννοιας-στόχου έχει δυνατότητες αλληλεπίδρασης µε το µαθητή. Ο µαθητής έχει τη δυνατότητα να εξερευνήσει τη συµπεριφορά του µοντέλου της έννοιας-στόχου µεταβάλλοντας τα δεδοµένα εισόδου και παρατηρώντας τα αποτελέσµατα. Ταυτόχρονα µπορεί να παρατηρήσει και τις αντίστοιχες µεταβολές στο αναλογικό µοντέλο. 4. Εµπλοκή των µαθητών σε δραστηριότητες διερευνητικού τύπου. Η δυνατότητες αλληλεπίδρασης που παρέχει το αναλογικό µοντέλο αξιοποιούνται στη δηµιουργία δραστηριοτήτων διερευνητικού τύπου. Σε αυτές τις δραστηριότητες ζητείται από τους µαθητές να προβλέψουν τη συµπεριφορά του αναλογικού µοντέλου σε συγκεκριµένες καταστάσεις και στην συνέχεια να εισάγουν στο µοντέλο τα δεδοµένα που προτείνονται ώστε να παρατηρήσουν τα αποτελέσµατα και να τα συγκρίνουν µε τις προβλέψεις τους. Για την αξιολόγηση του ΠΑΕΛ∆Α σχεδιάστηκαν και αναπτύχθηκαν 3 εκπαιδευτικά λογισµικά σύµφωνα µε τις αρχές σχεδίασης που προτείνονται. Τα εκπαιδευτικά λογισµικά αφορούν στις τρείς έννοιες – δοµές που αναφέρθηκαν σε προηγούµενη παράγραφο και ονοµάζονται : «Η µεταβλητή και η εντολή απόδοσης τιµής στην Pascal» «Οι δοµές επιλογής στην Pascal» «Οι δοµές επανάληψης στην Pascal» Το εκπαιδευτικό λογισµικό «Η µεταβλητή και η εντολή απόδοσης τιµής στην Pascal» επιλέχθηκε για να χρησιµοποιηθεί σε µια πειραµατική διαδικασία αξιολόγησης του ΠΑΕΛ∆Α. Στο πείραµα αυτό συµµετείχαν µαθητές δευτεροβάθµιας εκπαίδευσης (ΤΕΕ) και είχε ως στόχο τη διερεύνηση πιθανών µεταβολών στην επίδοση των µαθητών οι οποίοι εκπόνησαν δραστηριότητες που σχεδιάστηκαν σύµφωνα µε το ΠΑΕΛ∆Α σε σχέση µε µια οµάδα ελέγχου. Επίσης είχε ως στόχο τη διερεύνηση των αιτίων που επηρεάζουν την επίδοση των µαθητών. Αν δηλαδή οι πιθανές αλλαγές της επίδοσης ήταν αποτέλεσµα των διερευνητικών δραστηριοτήτων, της χρήσης της αναλογίας, του τρόπου παρουσίασης της µε συνθετική κίνηση ή κάποιου συνδυασµού αυτών των παραγόντων. Η επίδοση των µαθητών αξιολογήθηκε από τις απαντήσεις τους σε µε µια σειρά ερωτήσεων που ανιχνεύουν την κατανόηση των µαθητών στα χαρακτηριστικά της έννοιας της µεταβλητής και στη λειτουργία της εντολής απόδοσης τιµής καθώς και ενδεχόµενες παρανοήσεις σε αυτά. Τα αποτελέσµατα του πειράµατος έδειξαν ότι οι µαθητές γνώριζαν το αναλογικό µοντέλο και θεώρησαν αρκετά ενδιαφέρουσα την ενασχόληση µε αυτό. Ο παράγοντας των διερευνητικών δραστηριοτήτων έδειξε να επιδρά στην κατανόηση κάποιων χαρακτηριστικών της µεταβλητής και της λειτουργίας της εντολής απόδοσης τιµής. Σε άλλα χαρακτηριστικά βοήθησε ο συνδυασµός των διερευνητικών δραστηριοτήτων µαζί µε στατικές εικόνες του αναλογικού µοντέλου ενώ σε άλλα χαρακτηριστικά βοήθησε ο συνδυασµός και των τριών παραγόντων. Τα αποτελέσµατα µπορούν να ερµηνευτούν από : - Την αυξηµένη ενεργοποίηση των µαθητών από τη δραµατοποιηµένη αναλογία - Την αποδοτικότητα των διερευνητικών δραστηριοτήτων - Την επιτυχηµένη µεταφορά χαρακτηριστικών – ιδιοτήτων από το αναλογικό µοντέλο στην έννοια-στόχο - Την ανάδειξη χαρακτηριστικών της έννοιας της µεταβλητής και της λειτουργίας της εντολής απόδοσης τιµής τα οποία δεν είναι εµφανή, µε την οπτικοποίηση µε την βοήθεια της αναλογίας. Επίσης στο πείραµα ανιχνεύθηκαν και παρανοήσεις προερχόµενες από την χρήση της αναλογίας που έδειξαν την ανάγκη για προσθήκη πολλαπλών αναλογικών µοντέλων στο εκπαιδευτικό λογισµικό και εκπόνηση δραστηριοτήτων µε περισσότερα διαφορετικά αναλογικά µοντέλα. Ένα µελλοντικό ερευνητικό στόχο αποτελεί η πειραµατική αξιολόγηση του ΠΑΕΛ∆Α σε δοµές του προγραµµατισµού και άλλες έννοιες της Πληροφορικής µε τη χρήση των άλλων εκπαιδευτικών λογισµικών που σχεδιάστηκαν και υλοποιήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Επίσης άλλο µελλοντικό στόχο αποτελεί η δηµιουργία συγγραφικού εργαλείου µέσω του οποίου ο εκπαιδευτικός θα µπορεί να εισάγει στο εκπαιδευτικό λογισµικό νέα αναλογικά µοντέλα και να δηµιουργεί φύλλα δραστηριοτήτων ανάλογα µε τις ανάγκες των µαθητών του. Συµβολή διατριβής στην βιβλιογραφία Αν και υπάρχουν στην βιβλιογραφία αρκετές περιπτώσεις στις οποίες γίνεται αξιοποίηση αναλογιών σε µαθησιακά περιβάλλοντα (βλέπε κεφ. 3) αυτή δεν γίνεται ακολουθώντας κάποια συγκεκριµένη τεχνική ή µέθοδο για την αξιοποίησή τους. Σε κάποιες περιπτώσεις δεν αναγνωρίζονται ως αναλογίες αλλά ως διαφορετικές αναπαραστάσεις ή παραδείγµατα από την καθηµερινή ζωή. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα να µην ενσωµατώνονται σε αυτές τις προσεγγίσεις τα συµπεράσµατα ερευνών από τον ερευνητικό χώρο της διδακτικής αξιοποίησης αναλογιών ή από το χώρο της µελέτης του αναλογικού συλλογισµού. Αυτό οδηγεί σε µειωµένη αποτελεσµατικότητα στη διδακτική αξιοποίηση των αναλογιών και αυξηµένο κίνδυνο εµφάνισης παρανοήσεων. Η βασική συµβολή της παρούσας διατριβής στη σχετική βιβλιογραφία είναι η ανάπτυξη ενός πλαισίου για την αποτελεσµατικότερη αξιοποίηση αναλογιών στη διδασκαλία δύσκολων ή πολύπλοκων εννοιών που αφορούν σε κάποιας µορφής λειτουργία. Το πλαίσιο αυτό στηρίζεται και αξιοποιεί τα αποτελέσµατα ερευνών από το χώρο της διδακτικής αξιοποίησης αναλογιών ενώ ταυτόχρονα ενσωµατώνει και νέους τρόπους για παρουσίαση των αναλογιών και αποτελεσµατικότερη σύνδεση των αναλογικών µοντέλων µε τις έννοιες που διδάσκονται. Το προτεινόµενο πλαίσιο εφαρµόσθηκε και αξιολογήθηκε θετικά µε βάση τα πειραµατικά δεδοµένα που προέκυψαν. Άλλη σηµαντική συµβολή της διατριβής αποτελεί ο σχεδιασµός και η δηµιουργία τριών εκπαιδευτικών λογισµικών µε αναλογίες που προτείνονται για την εκπόνηση διερευνητικών δραστηριοτήτων σύµφωνα µε το ΠΑΕΛ∆Α.