Νέες τεχνολογίες στην εκπαίδευση των φυσικών επιστημών: διδασκαλία της πολυπλοκότητας στα οικοσυστήματα

Abstract

At a first stage, this research work is forming a complete teaching proposal for the instruction of basic characteristics of Complex Systems (CS) to undergraduate students. It addresses, specifically, students with two characteristics: (i) their little background knowledge of Science, and (ii) the Department in which they study, is not a Department of Physics or Mathematics, where Complex Systems would be a mandatory, autonomous, part of the Syllabus. By now, plenty of educational literature exists for the teaching of Complex Systems and their properties, but it only concerns learners of Science Departments or Secondary Education students, in classes of Science and Mathematics. Furthermore, the current research investigates the application of the aforementioned teaching proposal, in a case study – empirical research – involving a sample of students of the Department of Primary Education of the University of Athens, Greece (prospective teachers). The set out and proposed teaching sequence was applied to this “Experimental Group”. Through this application of the teaching proposal, the learning benefits and the possible shortcomings of the process were found, always with the validity restrictions and the limitations of case studies. Within this second section of the research – the case study – interviews were conducted. The interviewees were a part of the Experimental Group and, consequently, an “Interview Group” was created, having as its objectives: (i ) to reveal their methods of analysis and thinking when answering the questions of the worksheet, (ii) to investigate the perceptions of the principles governing the taught models, (iii) to "triangulate" the case study’s findings and (iv) to learn some extensions of the NetLogo models, which represent complex Systems with a more sophisticatend and realistic manner, in order to deepen their knowledge of the properties of CS. As regards the content, there was a selection of properties and phenomena relating to Complex Systems that this didactic proposal would include, conforming to the following criteria: (i) the importance of these properties, (ii) their relevance to the needs and knowledge of the Greek student and teacher, in particular that of Primary Education, (iii) which properties and effects of the CS are easier to understand and more feasible to familiarize with, within the weeks of an academic semester’s course and (iv) which - finally - properties of these systems are easier to integrate into an instruction using Information and Communication Technologies (ICT’s) on the one hand, and being associated with natural Environment (this was the topic of the course), on the other. Consequently, the students were taught four certain basic properties of CS, namely: A. The "critical state" (or the transition through the critical phase) B. the "self-organization" and "emergence” (of forms, patterns and behaviors) C. The existence of negative or positive "feedback loops" and D. (linked to the previous) the subsequent stability or instability of the system. Understanding the above properties, on behalf of the learning subjects, has been shown to be connected to a deeper perception of Complexity in Nature, leading to what the knowledge theories call: “adequate supervision of Complex Systems” ("Complex Systems’ expertise"). The models of CS were built in ICT environments, which are the proper learning tool for Complexity, and, following that choice, a Multi-Agent-Based environment was selected, the one of NetLogo, which has been demonstrated as having a variety of advantages in the teaching and learning of Complex Systems. The learning theory/ framework of the teaching intervention was Constructionism, most appropriate for all Logo-like learning environments. The teaching methodology which is integrated in this context (Constructionism) and was used in the intervention was “Inquiry-Based-Learning”, as it is the preferable method of teaching Science in ICT environments. The conclusions of the research are finally presented in this work, giving encouraging and measurable outcomes, as regards the ability of the learners involved, to understand and handle core properties of CS. Side-effects on learning were also observed and recorded and extensions of the NetLogo models – or new ones – are proposed – aiming at educating learners in Complex Systems.

Η ερευνητική αυτή εργασία, σε πρώτο στάδιο, διαμορφώνει μία ολοκληρωμένη διδακτική πρόταση για τη διδασκαλία βασικών χαρακτηριστικών των Πολύπλοκων Συστημάτων (ΠΣ, στη συνέχεια) σε προπτυχιακούς φοιτητές / υποψήφιους εκπαιδευτικούς Πρωτοβάθμιας Εκπαίδευσης. Αναφέρεται σε φοιτητές με δύο χαρακτηριστικά: (i) οι προϋπάρχουσες γνώσεις αυτών σε θέματα Θετικών Επιστημών (Science) να είναι μικρές, και (ii) το Τμήμα στο οποίο φοιτούν να μην είναι Τμήμα Φυσικής ή Μαθηματικών, δηλαδή να μην είναι τμήμα στο οποίο τα Πολύπλοκα Συστήματα αποτελούν υποχρεωτικό, αυτόνομο, μέρος της διδακτέας ύλης. Τα δύο αυτά χαρακτηριστικά είναι από αυτά που καθιστούν, πιστεύουμε, την έρευνα αυτή πρωτοποριακή, καθότι υπάρχει αρκετή βιβλιογραφία για τη διδασκαλία Πολύπλοκων Συστημάτων και ιδιοτήτων τους, αλλά αφορά μόνο φοιτητές Τμημάτων Θετικών Επιστημών ή μαθητές Δευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης σε αντικείμενα Φυσικών Επιστημών και Μαθηματικών. Στο δεύτερο στάδιό της, η έρευνα αυτή διερευνά την εφαρμογή της διδακτικής πρότασης που προαναφέρθηκε, σε μία μελέτη περίπτωσης με φοιτητές και φοιτήτριες του Παιδαγωγικού Τμήματος Δημοτικής Εκπαίδευσης του Πανεπιστημίου Αθήνας, δηλαδή υποψήφιους εκπαιδευτικούς Πρωτοβάθμιας. Οι φοιτητές αυτοί αποτελούσαν την «Πειραματική Ομάδα» και εκεί εφαρμόστηκε στην πράξη η διδακτική ακολουθία που παρατίθεται και προτείνεται. Μέσω αυτής της εφαρμογής διαπιστώθηκαν τα μαθησιακά οφέλη αλλά και πιθανές ατέλειες της μεθόδου, με όση βέβαια εγκυρότητα μπορούν να έχουν οι μελέτες περίπτωσης και με τους περιορισμούς τους. Στο πλαίσιο αυτού του δεύτερου σκέλους, της μελέτης περίπτωσης, διεξήχθησαν ημι-δομημένες συνεντεύξεις, σε μέρος φοιτητών της Πειραματικής Ομάδας – κατά συνέπεια δημιουργήθηκε και «Ομάδα Συνεντεύξεων – με τους εξής διδακτικούς στόχους: (i) να αναδειχτούν οι τρόποι ανάλυσης και σκέψης τους όταν απαντούν στις ερωτήσεις των Φύλλων Εργασίας, (ii) να διερευνηθεί το πώς αντιλαμβάνονται τις αρχές που διέπουν τα διδασκόμενα μοντέλα, (iii) να γίνει «τριγωνοποίηση» των ευρημάτων της μελέτης περίπτωσης και (iv) να διδαχτούν και κάποιες προεκτάσεις των μοντέλων της NetLogo, οι οποίες αναπαριστούν Πολύπλοκα Συστήματα με πιο σύνθετο και ρεαλιστικό τρόπο, ώστε να εμβαθύνουν στις ιδιότητες των ΠΣ. Θεωρήθηκε αναγκαίο να υπάρξει μία επιλογή των ιδιοτήτων και των φαινομένων των σχετικών με τα Πολύπλοκα Συστήματα που θα περιελάμβανε η παρούσα διδακτική πρόταση, με κριτήρια: Α. Το ποιες ιδιότητες / χαρακτηριστικά και φαινόμενα σχετικά με τα ΠΣ, διεθνώς, θεωρούνται τα σημαντικότερα. Β. Το ποιες ιδιότητες των συστημάτων αυτών είναι πιο συναφείς με τις ανάγκες και το γνωστικό υπόβαθρο του έλληνα μαθητή και εκπαιδευτικού και ειδικότερα αυτού της Πρωτοβάθμιας Εκπαίδευσης, οι οποίοι δεν χαρακτηρίζονται – κατά κανόνα – από ευρείες γνώσεις στις Θετικές Επιστήμες , τα Μαθηματικά, καθώς και τις Γεωεπιστήμες - και τις Βιοεπιστήμες. Γ. Το ποιες ιδιότητες και φαινόμενα των συστημάτων αυτών είναι πιο εύκολο να κατανοηθούν και πιο εφικτό να ενταχθούν χρονικά σε μια σειρά μαθημάτων μέσα στις εβδομάδες ενός ακαδημαϊκού εξαμήνου σπουδών. Δ. Το ποιες – τέλος – ιδιότητες των συστημάτων αυτών είναι πιο εύκολο να ενταχθούν σε ένα μάθημα με χρήση Τεχνολογιών Πληροφορίας και Επικοινωνίας (ΤΠΕ) (κυρίως Υπολογιστών) και συναφές με το Φυσικό Περιβάλλον, πράγμα που καθόρισαν οι συνθήκες διεξαγωγής της έρευνας, αλλά και η βιβλιογραφία. Η τελευταία προκρίνει τον υπολογιστή, εν σχέσει με την παραδοσιακή διδασκαλία, ως μέσο εκπαίδευσης πάνω στα Πολύπλοκα Συστήματα. Στο πλαίσιο αυτό, συνεπώς, διδάχθηκαν συγκεκριμένες, θεωρούμενες διεθνώς ως, βασικές ιδιότητες των Πολύπλοκων Συστημάτων, δηλαδή: Α. Η «κρίσιμη συμπεριφορά» (ή η διέλευση από την κρίσιμη κατάσταση και φάση) Β. Η «αυτό-οργάνωση» και η «ανάδυση» (emergence) (μορφών και συμπεριφορών). Γ. Η ύπαρξη «βρόχων ανάδρασης» (γραμμικών και μη) και Δ. Η, σχετιζόμενη με την προηγούμενη, αστάθεια ή ευστάθεια του συστήματος. Η κατανόηση των παραπάνω ιδιοτήτων, από πλευράς των υποκειμένων της μάθησης, έχει αποδειχτεί ότι οδηγεί σε βαθύτερη κατανόηση της Πολυπλοκότητας και των Πολύπλοκων Συστημάτων στη Φύση, οδηγώντας σε αυτό που γνωσιο-θεωρητικά ονομάζεται «εποπτεία των Πολύπλοκων Συστημάτων» (“Complex Systems’ expertise”).Για να διδαχθούν οι ιδιότητες των Πολύπλοκων Συστημάτων και να υπάρξουν σαφή μαθησιακά αποτελέσματα, είναι τεκμηριωμένο ότι είναι προτιμητέα η χρήση Τεχνολογιών Πληροφορίας και Επικοινωνίας, ΤΠΕ (κυρίως υπολογιστών), έναντι παραδοσιακών μορφών διδασκαλίας.Με δεδομένη την επιλογή των μοντέλων σε περιβάλλοντα ΤΠΕ ως εργαλείο μάθησης για την Πολυπλοκότητα, επελέγη ένα πολυ-πρακτορικό Περιβάλλον Προσομοίωσης και Μοντελοποίησης (Multi-Agent-Based Modeling System), η γλώσσα/περιβάλλον NetLogo. Έχει αποδειχτεί και τεκμηριωθεί βιβλιογραφικά ότι το υπολογιστικό περιβάλλον αυτό έχει τα περισσότερα πλεονεκτήματα σε ό,τι αφορά τη διδασκαλία και τη μάθηση πάνω σε Πολύπλοκα Συστήματα και τις ιδιότητες που αυτά εμφανίζουν.Από τη στιγμή που στην παρούσα εργασία επελέγη το περιβάλλον της διδασκαλίας και τεκμηριώθηκε: (i) γιατί πρέπει να στηρίζεται στις Τεχνολογίες Πληροφορίας και Επικοινωνίας και (ii) γιατί επελέγη η NetLogo, η διδακτική παρέμβαση όφειλε: 1. να υπάγεται μέσα σε ένα μαθησιο-θεωρητικό πλαίσιο ή μοντέλο αλλά και 2. να ακολουθήσει και μία διδακτική μεθοδολογία, ενταγμένη στο προηγούμενο πλαίσιο.Ως θεωρία μάθησης που θα αποτελούσε το πλαίσιο της διδακτικής παρέμβασης επελέγη ο Κατασκευαστικός Εποικοδομητισμός (Constructionism), καθόσον, όπως τεκμηριώνεται και από τη βιβλιογραφία, σε όλα τα περιβάλλοντα μάθησης τα συγγενή με τη γλώσσα Logo (StarLogo, StarLogoTNG και NetLogo) το θεωρητικό πλαίσιο της διδασκαλίας είναι ο Κατασκευαστικός Εποικοδομητισμός . Η ίδια η – αρχική – γλώσσα Logo, όπως τη δημιούργησαν ο Seymour Papert και οι συνεργάτες του, είναι δομημένη πάνω στις βασικές αρχές του κατασκευαστικού εποικοδομητισμού. Ενταγμένη ακριβώς μέσα σε αυτό το πλαίσιο της θεωρίας μάθησης είναι η διδακτική μεθοδολογία που ακολουθήθηκε στην παρέμβαση και που είναι η Μάθηση-μέσω-Διερεύνησης (Inquiry-based-Learning), γιατί αυτή είναι, όπως καταδεικνύεται βιβλιογραφικά, μία προτιμητέα μέθοδος διδασκαλίας σε περιβάλλοντα ΤΠΕ, για τις Θετικές Επιστήμες. Ένα λοιπόν από τα καινοτόμα στοιχεία της εργασίας αυτής, είναι ότι: διαμορφώνει μία ολοκληρωμένη διδακτική παρέμβαση που να εντάσσει τη Μάθηση-μέσω-Διερεύνησης μέσα στο ευρύτερο πλαίσιο του Κατασκευαστικού Εποικοδομητισμού με συγκεκριμένο τρόπο – που αναλύεται πλήρως – και πάντα με τη χρήση Νέων Τεχνολογιών. Αφού διαμορφώνεται και παρουσιάζεται η διδακτική αυτή ακολουθία που αφορά τη διδασκαλία βασικών ιδιοτήτων των Πολύπλοκων Συστημάτων σε προπτυχιακούς φοιτητές, κατόπιν εφαρμόζεται στην πράξη, ως μία μελέτη περίπτωσης (case study), σε φοιτητές του Παιδαγωγικού Τμήματος Δημοτικής Εκπαίδευσης του Πανεπιστημίου Αθήνας. Οι φοιτητές αυτοί αποτελούν τη λεγόμενη Πειραματική Ομάδα, που διδάχτηκε με χρήση υπολογιστών. Είχε προηγηθεί Pre-test προϋπαρχουσών γνώσεων πάνω σε Φυσικές Επιστήμες, Μαθηματικά και Υπολογιστές, αλλά και πάνω στα Πολύπλοκα Συστήματα, ενώ μετά και τις ημι-δομημένες συνεντεύξεις επακολούθησε και Post-test για να διαπιστωθούν τα μαθησιακά οφέλη από τη διδακτική παρέμβαση και οι αλλαγές απόψεών τους.Τέλος παρατίθενται τα μετρήσιμα ευρήματα από την έρευνα που παρουσιάζεται στην εργασία αυτή. Τα συμπεράσματα από τα ευρήματα αυτά είναι ενθαρρυντικά, σε ό,τι αφορά την ικανότητα των διδασκομένων να κατανοούν και να χειρίζονται κεντρικές ιδιότητες των ΠΣ. Επίσης παρατηρούνται και συζητούνται παράπλευρα μαθησιακά οφέλη, ενώ προτείνονται και τροποποιήσεις μοντέλων της NetLogo ή και καινούργια μοντέλα, που έχουν σαν στόχο την περαιτέρω εκπαίδευση μαθητών, φοιτητών και δασκάλων πάνω στα Πολύπλοκα Συστήματα στη Φύση.