Αναλογικός αναστοχασμός και ανάπτυξη μεταγνωστικών δεξιοτήτων μέσα από συνεργατικές δραστηριότητες μοντελοποίησης στη φυσική

Abstract

Modelling in Didactics of Science is considered as a very important learning process,while in parallel it is a subject of study in educational research. Due to the wide variety of systems of the natural world, the models in the literature are innumerable. Based on this finding, in the analysis of the current situation, we tried to classify the models and introduce the conceptof "Modelling Layer" (primary, secondary, tertiary), depending on the available data at the beginning of the creation of the model. Furthermore, in the analysis of the current situation, the collaboration between students participating in exploratory activities through existing collaborative learning systems and various research approaches is analysed. Given that reflection acts as a booster for metacognition, the analysis of the current situation is revie wingvarious studies on reflection in technological environments. Through the review and inconjunction with the advantages of analogical reasoning, we propose an alternative kind of reflection, the "analogical reflection."The thesis is framed by theoretical approaches to the three main axes of research (Modelling, Collaboration, Metacognition) and also to the design of educational software for Science. Initially, several definitions of the term "model" that appear in the literature listed, therole of models in Science is described and the mental models are distinguished from the conceptual models. Subsequently, theoretical models and modelling are approached and adescription of a methodology for integration of modelling in Physics teaching is quoted. As for collaborative learning technology environment (CSCL), the fundamentals of modern communication systems and their benefits to users, such as the exchange and sharing of data are mentioned. Also, the requirements that must be met by synchronous collaborative learning systems are listed and the activities’ analysis tools which guide the student to metacognitionare described. The approach of metacognition in the theoretical framework is focusing on the knowledge of knowledge, the awareness of consciousness or ignorance concerning the monitoring and control of knowledge. The main metacognitive skills that are discussed in detailare (a) awareness, (b) reflection and (c) self-regulation. Also, the transition from the cognitiveto the metacognitive level is described. Finally, in the theoretical framework the basic concepts of educational software for Science and the purposes for which the educational software are subsumed in Science educational practice, that are epistemological and learning, are described. The research part of the thesis is divided into three axes: (A) Modelling, (B) Co and (C) Metacognition, where the modelling is the central one. However, the most weight is given to the axis of metacognition, as it is the ultimate goal of the exploratory activities. The technological learning environment, in which students worked during the main research activities, is consisted of four separate software, Modellus (for modelling), TeamViewer (for collaboration), Camtasia (for self-reflection) and ART (for analogical reflection). The ART (Analogical Reflection Tool) is a software that guides and supports students at the analogical reflection, which is designed based on the findings of the second pilot study.The purpose of the main research was to study the effect of analogical reflection on the development of metacognitive skills. Among the objectives of the research was to highlight the assets and identify the weaknesses of both the software ART, and the analogical reflection ingeneral. The central research question was: "How does the analogical reflection affect thedevelopment of metacognitive skills in the context of collaborative modelling activities?", while the individual research questions were allocated to three axes: (A) Modelling, (B) Collaboration and (C) Metacognition. As for modelling, it is showed that the lack of familiarity with the software and the difficulty of the subject lead to corresponded difficulties in modelling. The collaboration of students is effective for better understanding of the problem. Instead, the collaboration seems to be working positively to the choice and control values of variables and constants. Moreover, the collaboration with the physical presence of students seems more meaningful and effective than collaboration through the technological environment with TeamViewer. From the comparison of analogical reflection with self-reflection revealed the following basic conclusions. Analogical reflection is effective upon completion of the activities (reflection on action), particularly for difficult and unfamiliar concepts, while it is not very different from the self-reflection during the activity (reflection in action). Analogical reflection enhances students' metacognition, especially when it is performed upon completion of the activities. The appropriate guidance for the transition from analogical reasoning to the analogical reflection, with tools like ART, is necessary. Especially for lesson units that exhibit difficulties in understanding concepts or units are unfamiliar, the contribution of the analogical reflection upon completion of the activities is particularly important.

Η μοντελοποίηση στη Διδακτική των Θετικών Επιστημών θεωρείται ως μία ιδιαίτερα σημαντική διαδικασία μάθησης, ενώ παράλληλα αποτελεί αντικείμενο μελέτης στην εκπαιδευτική έρευνα. Λόγω της μεγάλης ποικιλίας των συστημάτων του φυσικού κόσμου, τα αντίστοιχα μοντέλα στη βιβλιογραφία είναι αναρίθμητα. Με βάση αυτή τη διαπίστωση, στην ανάλυση της υπάρχουσας κατάστασης, επιχειρήσαμε να ταξινομήσουμε τα μοντέλα και εισάγαμε την έννοια του "Επίπεδου Μοντελοποίησης" (πρωτογενές, δευτερογενές, τριτογενές) ανάλογα με τα δεδομένα που είναι διαθέσιμα κατά την έναρξη της δημιουργίας του μοντέλου. Επιπλέον, στην ανάλυση της υπάρχουσας κατάστασης, αναλύεται η συνεργασία των μαθητών που συμμετέχουν σε διερευνητικές δραστηριότητες, μέσα από τα υπάρχοντα συστήματα συνεργατικής μάθησης και διάφορες ερευνητικές προσεγγίσεις. Με δεδομένο ότι ο αναστοχασμός λειτουργεί ως προωθητικός παράγοντας για τη μεταγνώση, στην ανάλυση της υπάρχουσας κατάστασης γίνεται ανασκόπηση διαφόρων ερευνών σχετικά με τον αναστοχασμό σε τεχνολογικά περιβάλλοντα. Μέσα από την ανασκόπηση και σε συνδυασμό με τα πλεονεκτήματα του αναλογικού συλλογισμού, προτείνουμε ένα εναλλακτικό είδος αναστοχασμού, τον "αναλογικό αναστοχασμό".Η διατριβή πλαισιώνεται με θεωρητικές προσεγγίσεις ως προς τους τρεις άξονες της κύριας έρευνας (Μοντελοποίηση, Συνεργασία, Μεταγνώση) και, επιπλέον, ως προς το σχεδιασμό εκπαιδευτικού λογισμικού για τις Φυσικές Επιστήμες. Αρχικά, παρατίθενται διάφοροι ορισμοί για την έννοια "μοντέλο" που εμφανίζονται στη σχετική βιβλιογραφία,περιγράφεται ο ρόλος των μοντέλων στην Επιστήμη και γίνεται διάκριση ανάμεσα στα νοητικά και τα εννοιολογικά μοντέλα. Ακολούθως, προσεγγίζονται θεωρητικά τα μοντέλα και η μοντελοποίηση και περιγράφεται μία μεθοδολογία για την ένταξη της μοντελοποίησης στη διδασκαλία της Φυσικής. Ως προς τη συνεργατική μάθηση σε τεχνολογικό περιβάλλον (CSCL),αναφέρονται οι βασικές αρχές των συστημάτων σύγχρονης επικοινωνίας και οι παροχές τους προς τους χρήστες, όπως η ανταλλαγή και ο διαμοιρασμός δεδομένων. Επίσης, παρατίθενται οι προδιαγραφές που πρέπει να πληρούν τα συνεργατικά συστήματα σύγχρονης συνεργατικής μάθησης και περιγράφονται τα εργαλεία ανάλυσης των δραστηριοτήτων, τα οποία καθοδηγούν τον μαθητή προς τη μεταγνώση. Η προσέγγιση της μεταγνώσης στο θεωρητικό πλαίσιο,επικεντρώνεται στη γνώση της γνώσης, δηλαδή στην ενημερότητα επίγνωσης ή άγνοιας που αφορά στην παρακολούθηση και τον έλεγχο της γνώσης. Οι κυριότερες μεταγνωστικές δεξιότητες που αναλύονται διεξοδικά είναι (α) η ενημερότητα (awareness), (β) ο αναστοχασμός (reflection) και (γ) η αυτο-ρύθμιση (self-regulation). Επίσης, περιγράφεται η μετάβαση από το γνωστικό στο μεταγνωστικό επίπεδο. Τέλος, στο θεωρητικό πλαίσιο περιγράφονται οι βασικές αρχές σχεδιασμού εκπαιδευτικού λογισμικού Φυσικών Επιστημών και οι σκοποί για τους οποίους εντάσσονται τα εκπαιδευτικά λογισμικά στην εκπαιδευτική πρακτική των Φυσικών Επιστημών, οι οποίοι είναι επιστημολογικοί και μαθησιακοί.Το ερευνητικό μέρος της διατριβής διαρθρώνεται σε τρεις άξονες: (Α) Μοντελοποίηση,(Β) Συνεργασία και (Γ) Μεταγνώση, με κεντρικό άξονα τη μοντελοποίηση. Ωστόσο, το μεγαλύτερο βάρος δίνεται στον άξονα της μεταγνώσης, καθώς αποτελεί τον τελικό στόχο των διερευνητικών δραστηριοτήτων. Το τεχνολογικό περιβάλλον μάθησης, στο οποίο εργάστηκαν οι μαθητές κατά τη διάρκεια των δραστηριοτήτων της κύριας έρευνας, απαρτίζεται από τέσσερα επιμέρους λογισμικά, το Modellus (για τη μοντελοποίηση), το TeamViewer (για τη συνεργασία), το Camtasia (για τον ιδιο-αναστοχασμό) και το ART (για τον αναλογικό αναστοχασμό). Το ART (Analogical Reflection Tool) είναι ένα λογισμικό καθοδήγησης και υποστήριξης των μαθητών κατά τον αναλογικό αναστοχασμό, το οποίο σχεδιάσαμε με βάση τα συμπεράσματα της δεύτερης πιλοτικής έρευνας. Σκοπός της κύριας έρευνας ήταν να μελετηθεί η επίδραση του αναλογικού αναστοχασμού στην ανάπτυξη μεταγνωστικών δεξιοτήτων. Ανάμεσα στους στόχους της έρευνας ήταν η ανάδειξη των πλεονεκτημάτων και ο εντοπισμός των μειονεκτημάτων, τόσο του λογισμικού ART, όσο και του αναλογικού αναστοχασμού γενικότερα. Το κεντρικό ερώτημα της έρευνας ήταν το εξής: "Πώς επιδρά ο αναλογικός αναστοχασμός στην ανάπτυξη μεταγνωστικών δεξιοτήτων στο πλαίσιο συνεργατικών δραστηριοτήτων μοντελοποίησης;",ενώ τα επιμέρους ερευνητικά ερωτήματα κατανεμήθηκαν στους τρεις άξονες: (Α)Μοντελοποίηση, (Β) Συνεργασία και (Γ) Μεταγνώση. Ως προς τη μοντελοποίηση, φαίνεται ότι η έλλειψη εξοικείωσης με το λογισμικό και η δυσκολία του γνωστικού αντικειμένου επιφέρει ανάλογες δυσκολίες στη μοντελοποίηση. Η συνεργασία των μαθητών είναι αποδοτική για την καλύτερη κατανόηση του προβλήματος.Αντίθετα, η συνεργασία δε φαίνεται να αποδίδει θετικά στην επιλογή και τον έλεγχο των τιμώντων μεταβλητών και των σταθερών. Επιπλέον, η συνεργασία με τη φυσική παρουσία των μαθητών εμφανίζεται πιο ουσιαστική και αποδοτική σε σχέση με τη συνεργασία μέσα από το τεχνολογικό περιβάλλον με το TeamViewer.Από τη σύγκριση του αναλογικού αναστοχασμού με τον ιδιο-αναστοχασμό προέκυψαν τα εξής βασικά συμπεράσματα. Ο αναλογικός αναστοχασμός είναι αποτελεσματικότερος μετά το πέρας των δραστηριοτήτων (αναστοχασμός μετά τη δράση), ιδιαίτερα για τις δύσκολες και πρωτόγνωρες έννοιες, ενώ δεν έχει ιδιαίτερη διαφορά από τον ιδιο-αναστοχασμό κατά τη διάρκεια των δραστηριοτήτων (αναστοχασμός εν δράσει). Ο αναλογικός αναστοχασμός ενισχύει τη μεταγνώση των μαθητών, κυρίως όταν πραγματοποιείται μετά το πέρας των δραστηριοτήτων. Απαραίτητη είναι η κατάλληλη καθοδήγηση για τη μετάβαση από τον αναλογικό συλλογισμό προς τον αναλογικό αναστοχασμό, με εργαλεία όπως το ART. Ειδικά για διδακτικές ενότητες που εμφανίζουν δυσκολίες στην κατανόηση εννοιών ή που είναι πρωτόγνωρες, η συνεισφορά του αναλογικού αναστοχασμού μετά το πέρας των δραστηριοτήτων είναι ιδιαίτερα σημαντική.