Διερεύνηση με χρήση τεχνικών οφθαλμικών καταγραφών της ευχέρειας χειρισμού και κατανόησης πολλαπλών μοριακών αναπαραστάσεων από φοιτητές χημείας: ανάπτυξη και αξιολόγηση εκπαιδευτικού λογισμικού δυναμικά διασυνδεόμενων αναπαραστάσεων

Abstract

The structure of the current thesis is segmented in three parts. In each one of the three parts, different methods and research tools were used in order to achieve the research goals. In the first part of this thesis, we investigated the students’ ability to transform and translate between two dimensional diagrammatic representations such as Newman Projections (NP), Fischer Projections (FP) and Dash-Wedge diagrams (DW). Another research goal was to investigate how individual differences in spatial ability and prior chemistry knowledge could affect students’ performance in matching tasks questionnaires. In order to address this goals, three digital computer based questionnaires were designed and developed. Students’ visuospatial skills were assessed with the use of digital-computerized versions of Purdue Spatial Visualization Test:Rotation and Greek Spatial Ability Test, while the prior chemistry knowledge was examined with the use of European Chemistry Test. To evaluate the cognitive strategies that students used when answering three lite versions of the digital questionnaires, eye-tracking methodology and semi-structured interviews were employed. We concluded that students had specific difficulties in understanding and manipulating the molecular representations depending the types of the representations and the types of the generative processes. The results indicate that students’ spatial abilities were not correlated with their performance on diagram matching tasks but prior chemistry knowledge seems to play a substantial role. Specific cognitive strategies could lead to better performances in some tasks and were used by a bigger percentage of students per questionnaire. In the second part of this thesis the educational software was designed and developed, based on literature and on the conclusions derived from the previous part. A research method was used to evaluate the usage of the developed tool and its ability to improve students’ understanding and their ability to manipulate Fischer and Newman Projections. Pre and post tests were implemented for two groups of chemistry students, one that has gone through the process of training and one control group. The analysis of the data confirmed the results of the previous research procedure and led to new results about the educational ability of the developed software. The general conclusion is that the software’s applications seem to be positive indicated by the improvement of the trained students’ performance for both of the questionnaires. In the third part of the thesis a more detailed evaluation of the way that the software affects students’ abilities was conducted, alongside with the investigation of the way that people use the software’s representations depending on their expertise. For this part of the research two group of chemists and chemistry students, with different levels of expertise, interacted with all parts of the software in front of an eye-tracking monitor. The research procedure included both eye-tracking methodology and semi-structured interviews. Both qualitative and quantitative analysis was conducted in order to conclude about the way that people use the software and its molecular representations. The results indicate that different users have different behavior depending their expertise but some features were common for both of the groups.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή τμηματοποιείται σε τρία μέρη στα οποία χρησιμοποιούνται διαφορετικά μεθοδολογικά εργαλεία και ερευνητικές μεθοδολογίες για να εξυπηρετηθούν διαφορετικοί ερευνητικοί σκοποί. Στο πρώτο μέρος, γίνεται ανίχνευση των δυσκολιών που παρουσιάζουν οι φοιτητές Χημείας στην κατανόηση και τον χειρισμό δισδιάστατων διαγραμματικών αναπαραστάσεων όπως είναι οι Προβολές Fischer (FP), οι Προβολές Newman (NP) και τα διαγράμματα στικτών και έντονων γραμμών (DW). Γίνεται συσχετισμός των επιδόσεων των φοιτητών σε ανάλογου τύπου ερωτήματα με άλλους γνωστικούς παράγοντες όπως οι οπτικοχωρικές αντιλήψεις και η πρότερη γνώση Χημείας. Για τους σκοπούς αυτούς αναπτύχθηκαν τρία τεστ, ένα για κάθε είδος διαγραμματικής αναπαράστασης, ψηφιοποιήθηκαν δύο τεστ (Purdue Spatial Visualization Test: Rotation και Greek Spatial Ability Test) για τον έλεγχο των οπτικοχωρικών αντιλήψεων και χορηγήθηκε το EChemTest (European Chemistry Test) για τις πρότερες γνώσεις Χημείας. Για την ανίχνευση των χρησιμοποιούμενων στρατηγικών κατά τη μελέτη των αναπαραστάσεων, χρησιμοποιήθηκαν τρεις συνοπτικότερες εκδόσεις των τεστ, οι οποίες απαντήθηκαν σε οφθαλμικό καταγραφέα με χρήση ανάλογης μεθοδολογίας, ενώ ακολούθησαν και ημιδομημένες συνεντεύξεις για την ικανοποίηση του ίδιου στόχου. Εμφανίστηκαν συγκεκριμένες δυσκολίες που συνδέονται με το είδος της αναπαράστασης και με το είδος της διεργασίας που καλείται ο φοιτητής να εκτελέσει. Δε βρέθηκαν ιδιαίτερες συσχετίσεις με την οπτικοχωρική αντίληψη, ενώ παρατηρήθηκε συσχέτιση με την πρότερη γνώση του αντικειμένου. Τέλος, διαφάνηκε ότι συγκεκριμένες στρατηγικές χρησιμοποιήθηκαν από μεγαλύτερο ποσοστό φοιτητών ανά ερωτηματολόγιο. Στο δεύτερο ερευνητικό μέρος, σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε εκπαιδευτικό λογισμικό με βάση τη διεθνή βιβλιογραφία και τις παρατηρήσεις του προηγούμενου μέρους, με στόχο την αντιμετώπιση των προβλημάτων και την αναδόμηση των λανθασμένων απόψεων. Ακολούθησε η χρήση του λογισμικού για τη βελτίωση της κατανόησης και του χειρισμού των FP και NP από ένα δείγμα φοιτητών Χημείας, ως μέρος μιας γενικότερης ερευνητικής διαδικασίας αξιολόγησής του. Η μεθοδολογική εργασία έγινε με εφαρμογή ερωτηματολογίων σε ένα δείγμα φοιτητών που χωριζόταν σε δύο ομάδες, με μελέτη των αρχικών και τελικών επιδόσεων μιας ομάδας που δεν πέρασε από τη διαδικασία της εξάσκησης μέσω του εκπαιδευτικού λογισμικού και μιας δεύτερης που εξασκήθηκε. Από την ανάλυση, αρχικά επιβεβαιώθηκαν οι παρατηρήσεις της προηγούμενης ερευνητικής φάσης και σε ένα άλλο επίπεδο έγινε αποτίμηση της χρήσης του λογισμικού. Βασικές παρατηρήσεις που προέκυψαν αφορούσαν το γεγονός ότι οι φοιτητές παρουσίασαν βελτίωση σε συγκεκριμένες κατηγορίες ερωτήσεων των ερευνητικών ερωτηματολογίων, ενώ η χρήση του λογισμικού που αναπτύχθηκε αποτιμάται ως θετική, λόγω της συνολικής βελτίωσης επιδόσεων του εξασκημένου δείγματος και για τα δύο ερωτηματολόγια. Στο τρίτο μέρος της παρούσας διατριβής, γίνεται αναλυτικότερη αποτίμηση του τρόπου χρήσης του λογισμικού και παράλληλα ανιχνεύεται ο τρόπος με τον οποίο οι χρήστες χρησιμοποιούν τις διάφορες αναπαραστάσεις μέσα στο υλικό. Για τις ανάγκες αυτού του τμήματος της έρευνας, δύο ομάδες δείγματος με διαφορετικό επίπεδο εμπειρίας χρησιμοποίησαν το εκπαιδευτικό υλικό μπροστά σε οθόνη οφθαλμικού καταγραφέα, ενώ οι ημιδομημένες συνεντεύξεις που ακολούθησαν απέδωσαν αρκετά ποιοτικά δεδομένα που αναλύθηκαν διεξοδικά και οδήγησαν σε συμπεράσματα σχετικά με τον τρόπο χρήσης του υλικού και των αναπαραστάσεων από τις δύο ομάδες. Φάνηκε ότι οι συμμετέχοντες παρουσίασαν διαφορετική συμπεριφορά χειρισμού της πληροφορίας και των αναπαραστάσεων ανάλογα με την εμπειρία τους, αν και κάποια χαρακτηριστικά των δύο ομάδων ήταν κοινά.