Ανάπτυξη και αξιολόγηση διδακτικών μαθησιακών σειρών για την εκπαίδευση εκπαιδευτικών στη νανοτεχνολογία

Abstract

Nanoscience-Nanotechnology (NST) is considered an emerging field of research in the development of new materials with the ultimate goal of creating modern applications that will improve human quality of life. These applications have already invaded into the market and many of them are already being used by the public. Consequently, there is a need for nano-literate citizens who are called to develop an informed view towards the modern advancements. Accordingly, the introduction of NST into educational contexts is considered as a necessity. Teachers play a vital role for the success of this endeavor. However, the majority of in-service primary teachers did not have the opportunity to learn about the new field during their academic studies. This fact makes it difficult for them to teach NST for which they own little to no knowledge. In addition, they argue that the current curriculum consists of a large amount of cognitive load and they seem reluctant to introduce the new content to thei students. Specifically, primary teachers are responsible for educating their students in multiple subject areas (literature, history, maths, etc) and they have not specialized in a single disciple of Science.This study has emerged as a response to the modern challenges of the Science Education research community, concerning the introduction of the emerging field of Nanoscience-Nanotechnology (NST) to education. Given the critical role that teachers play for the success of this endeavor, the current research focuses on studying issues related to primary teachers’ (PTs) education in NST concepts and phenomena. Specifically, the focus was placed to three directions: (a) the determination of the content and its didactical transformation, (b) to highlight PTs’ pre-existing knowledge-ideas about this content (c) to study PTs’ learning, after their training in the content of NST; (b) The research was structured in three phases. During the first phase, the first pilot Teaching Learning Sequence (TLS1-pilot implementation) was implemented to four in-service primary teachers. The aim was to record learning problems and general issues (e.g. the applicability of the educational material) regarding teachers’ learning of the NST content. The aim of the second phase was to collect and analyze data about the pre-existing knowledge-ideas of a large number of pre- and in- service PTs about the content of NST. In the third phase thirteen primary teachers took part with the aim to study participants’ learning about the contemporary content. The two training programs (first and third phase) were perceived by a common structure. That is, the participating PTs were first trained in the content of NST and subsequently were assigned to teach by themselves the NST content to their students.In the context of PTs training during the first and the third phase, two NST Teaching Learning Sequences (TLS) were designed. The design of the two TLSs, was relied upon literature suggestions concerning the NST content in the three grades of education and recommendations regarding teaching and learning of the contemporary content. Following a didactic transformation process, the core content of the teachers' training was structured by five concepts or Big Ideas of NST: "size and scale", "size-dependent properties", "tools and instrumentation", "models and simulations" and "Science-Technology-Society".A written questionnaire and researcher's written notes were used as data collection tools for all three phases. The written questionnaire implemented in the first phase was modified and applied to the second and third phases of the study. The researcher's written notes were exploited in order to highlight any difficulties that participants met in completing the questionnaire, the difficulties in studying the educational material, the needs of the teachers regarding their education in the content, etc. The method of data analysis was the content analysis.The results of the first phase are considered to be encouraging concerning PTs’ the understanding about the aspects of the transformed content. Indications that the participating teachers gained an understanding of the nature of the N-ET field, its size and scale, the applications of the modern field in daily life, etc were traced. However, ambiguities were noted regarding other concepts such as the concept of nanoscale. In addition, participants expressed their difficulty in studying parts of the educational material, and their need the content of the TLS to enrich with new examples as well.The results of the second phase have shown that (pre- and in- service) PTs own alternative ideas about the NST concepts and phenomena. Specifically and regarding how participants interpret NST, it appeared that the majority focused on size and scale and the modern applications to describe the new field. However, these references were characterized by misunderstandings or ambiguities. Concerning phenomena of nature related to the special topography at the micro- and nano-scale, the results showed that the interpretations are based on sensory perception and / or everyday experience and are far from the scientific point of view.The results of the third phase of the research were positive regarding PTs’ learning of the NST content. For example, encouraging results have been achieved in understanding the nature of NST and the size and scale concept. On the other hand PTs met difficulties to interrelate scientific concepts in order to explain interpret nano-phenomena of the natural world.In the relevant literature of NST education issues regarding the determination of the content, its didactic transformation, the highlight of teachers' pre-existing ideas and knowledge and the investigation of learning difficulties are discussed. We believe that this thesis contributes to these discussions.

Η Νανοεπιστήμη-Νανοτεχνολογία (Ν-ΕΤ) θεωρείται ένα αναδυόμενο πεδίο έρευνας στην κατεύθυνση της ανάπτυξης νέων υλικών με απώτερο στόχο τη δημιουργία σύγχρονων εφαρμογών που θα βελτιώσουν την ποιότητα ζωής του ανθρώπου. Αυτές οι εφαρμογές έχουν ήδη εισβάλλει στην αγορά και πολλά από τα προϊόντα χρησιμοποιούνται από τους πολίτες. Συνεπακόλουθα, δημιουργείται η ανάγκη για νανο-εγγράμματους πολίτες οι οποίοι καλούνται να αναπτύξουν μία ενημερωμένη στάση απέναντι στις νέες εξελίξεις. Για το λόγο αυτό η εισαγωγή της Ν-ΕΤ στην εκπαίδευση προβάλλεται ως αναγκαιότητα. Σημαντικό ρόλο στο εγχείρημα αυτό διαδραματίζουν οι εκπαιδευτικοί. Ωστόσο, η πλειοψηφία των εν ενεργεία εκπαιδευτικών υποχρεωτικής εκπαίδευσης δεν είχαν την ευκαιρία να μάθουν για το νέο αυτό πεδίο έρευνας όταν φοιτούσαν στο σχολείο ή κατά τη διάρκεια των ακαδημαϊκών σπουδών τους. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να είναι δύσκολο για αυτούς να διδάξουν ένα νέο πεδίο για το οποίο κατέχουν ελάχιστη έως μηδαμινή γνώση. Επιπλέον, οι ίδιοι υποστηρίζουν ότι το ισχύον αναλυτικό πρόγραμμα περιλαμβάνει από μία μεγάλη ποσότητα γνωστικού φορτίου και φαίνονται απρόθυμοι να εισάγουν ένα νέο περιεχόμενο στους μαθητές τους. Ειδικότερα, οι εκπαιδευτικοί της α/θμιας εκπαίδευσης είναι υπεύθυνοι για την εκπαίδευση των μαθητών τους σε πολλαπλά θεματικά πεδία (γλώσσα, ιστορία, μαθηματικά), που σημαίνει ότι οι ίδιοι δεν έχουν εξειδικευτεί σε συγκεκριμένο πεδίο των Φ.Ε. Η παρούσα διατριβή προέκυψε ως απόκριση στις σύγχρονες προκλήσεις της Διδακτικής των Φυσικών Επιστημών (ΦΕ), περί της εισαγωγής του αναδυόμενου πεδίου της Νανοεπιστήμης-Νανοτεχνολογίας (Ν-ΕΤ) στην εκπαίδευση. Λαμβάνοντας υπόψη τον κρίσιμο ρόλο των εκπαιδευτικών για την επιτυχία του εγχειρήματος αυτού, η διατριβή επικεντρώνεται στο να μελετήσει ζητήματα που αφορούν την εκπαίδευση εκπαιδευτικών α/θμιας εκπαίδευσης σε έννοιες και φαινόμενα της Ν-ΕΤ. Συγκεκριμένα, το επίκεντρο στράφηκε σε τρεις κατευθύνσεις: (α) στον καθορισμό του περιεχομένου και τον διδακτικό μετασχηματισμό του, (β) στην ανάδειξη των αρχικών απόψεων των εκπαιδευτικών για το εν λόγω περιεχόμενο, (γ) στη μελέτη της κατανόησης των εκπαιδευτικών, κατόπιν επιμόρφωσής τους, στο περιεχόμενο της Ν-ΕΤ. Η έρευνα δομήθηκε σε τρεις φάσεις. Κατά την πρώτη φάση, εφαρμόστηκε η πρώτη Διδακτική Μαθησιακή Σειρά (ΔΜΣ1-πιλοτική εφαρμογή) Ν-ΕΤ σε τέσσερις εν ενεργεία εκπαιδευτικούς α/θμιας εκπαίδευσης. Στόχος ήταν να καταγραφούν προβλήματα κατανόησης και γενικότερα ζητήματα (π.χ. την εφαρμοσιμότητα του εκπαιδευτικού υλικού) της εκπαίδευσης των συμμετεχόντων στη Ν-ΕΤ. Η δεύτερη φάση είχε ως στόχο να συλλεχθούν και να αναλυθούν οι αρχικές απόψεις ενός μεγάλου αριθμού μελλοντικών και εν ενεργεία εκπαιδευτικών α/θμιας εκπαίδευσης για το περιεχόμενο της Ν-ΕΤ. Στην τρίτη φάση έλαβαν μέρος δεκατρείς εκπαιδευτικοί με στόχο να μελετηθεί η κατανόηση των συμμετεχόντων στο σύγχρονο περιεχόμενο. Τα δύο προγράμματα εκπαίδευσης (πρώτη και τρίτη φάση) διακρίνονταν από κοινή δομή. Δηλαδή οι συμμετέχοντες εκπαιδευτικοί πρώτα επιμορφώθηκαν στο περιεχόμενο της Ν-ΕΤ και στη συνέχεια κλήθηκαν οι ίδιοι να διδάξουν το περιεχόμενο της Ν-ΕΤ στους μαθητές τους. Στα πλαίσια της επιμόρφωσης των εκπαιδευτικών της πρώτης και τρίτης φάσης σχεδιάστηκαν δύο Διδακτικές Μαθησιακές Σειρές (ΔΜΣ) με περιεχόμενο Ν-ΕΤ. Προκειμένου να σχεδιαστούν οι δύο ΔΜΣ ελήφθησαν υπόψη προτάσεις σχετικές με τον καθορισμό του περιεχομένου της Ν-ΕΤ στις τρεις βαθμίδες εκπαίδευσης και επισημάνσεις της βιβλιογραφίας αναφορικά με τη διδασκαλία και τη μάθηση του σύγχρονου περιεχομένου. Κατόπιν διδακτικού μετασχηματισμού, ο πυρήνας του περιεχομένου στο οποίο επιμορφώθηκαν οι εκπαιδευτικοί δομήθηκε από πέντε έννοιες ή Μεγάλες Ιδέες της Ν-ΕΤ: «το μέγεθος και την κλίμακα», «τις ιδιότητες που εξαρτώνται από το μέγεθος», «τα όργανα και την οργανολογία», «τα μοντέλα και τις προσομοιώσεις» και την «Επιστήμη-Τεχνολογία-Κοινωνία». Ως μέσα συλλογής δεδομένων και για τις τρεις φάσεις χρησιμοποιήθηκε ένα γραπτό ερωτηματολόγιο και οι σημειώσεις του ερευνητή. Το γραπτό ερωτηματολόγιο που χρησιμοποιήθηκε στην πρώτη φάση τροποποιήθηκε και εφαρμόστηκε στη δεύτερη και τρίτη φάση της έρευνας. Οι γραπτές σημειώσεις του ερευνητή χρησίμευσαν ώστε να αναδειχτούν τα προβλήματα συμπλήρωσης του ερωτηματολογίου, οι δυσκολίες χειρισμού του εκπαιδευτικού υλικού, οι ανάγκες των εκπαιδευτικών αναφορικά με την εκπαίδευσή τους στο περιεχόμενο κτλ. Η μέθοδος ανάλυσης των δεδομένων ήταν η ανάλυση του περιεχομένου.Τα αποτελέσματα της πρώτης φάσης της έρευνας θεωρούνται ενθαρρυντικά ως προς την κατανόηση των όψεων του διδακτικά μετασχηματισμένου περιεχομένου από τους εκπαιδευτικούς. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι συμμετέχοντες εκπαιδευτικοί απέκτησαν κατανόηση για τη φύση του πεδίου της Ν-ΕΤ, το μέγεθος και την κλίμακα, τις εφαρμογές του σύγχρονου πεδίου στην καθημερινή ζωή κτλ. Παρόλα αυτά, παρατηρήθηκαν ασάφειες όσον αφορά άλλες έννοιες όπως τη νανοκλίμακα. Επιπλέον, σημειώθηκαν οι δυσκολίες των συμμετεχόντων να χειριστούν τμήματα του εκπαιδευτικού υλικού και επισημάνσεις τους το περιεχόμενο της ΔΜΣ να εμπλουτιστεί με νέα παραδείγματα. Τα αποτελέσματα της δεύτερης φάσης ανέδειξαν ότι οι (μελλοντικοί και εν ενεργεία) εκπαιδευτικοί α/θμιας εκπαίδευσης κατέχουν εναλλακτικές ιδέες για τις έννοιες και τα φαινόμενα της Ν-ΕΤ. Ειδικότερα και αναφορικά με το πώς οι συμμετέχοντες νοηματοδοτούν τη Ν-ΕΤ, φάνηκε ότι η πλειοψηφία των συμμετεχόντων επικεντρώνεται στο μέγεθος και στη κλίμακα και στις σύγχρονες εφαρμογές προκειμένου να περιγράψει το νέο πεδίο. Ωστόσο, οι αναφορές αυτές χαρακτηρίστηκαν από παρανοήσεις ή ασάφεια. Αναφορικά με τα φαινόμενα της φύσης, που σχετίζονται με τη τοπογραφία στη μίκρο- και νάνο- κλίμακα, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι ερμηνείες βασίζονται στην αισθητηριακή αντίληψη ή/και στην καθημερινή εμπειρία και βρίσκονται μακριά από την επιστημονική άποψη. Τα αποτελέσματα της τρίτης φάσης της έρευνας ήταν θετικά αναφορικά με τη μάθηση του περιεχομένου της Ν-ΕΤ από τους συμμετέχοντες εκπαιδευτικούς. Για παράδειγμα, ιδιαίτερα ενθαρρυντικά αποτελέσματα σημειώθηκαν στην κατανόηση της φύσης της Ν-ΕΤ και στο μέγεθος και την κλίμακα. Προβλήματα σημειώθηκαν στο να εμπλέκουν οι εκπαιδευτικοί έννοιες του επιστημονικού περιεχομένου ώστε να ερμηνεύσουν νάνο-φαινόμενα του φυσικού κόσμου.Στη σχετική βιβλιογραφία εκπαίδευσης της Ν-ΕΤ έχουν αναδειχτεί ζητήματα όπως ο καθορισμός του περιεχομένου, ο διδακτικός μετασχηματισμός του, η ανάδειξη αρχικών απόψεων των εκπαιδευτικών για αυτό το σύγχρονο περιεχόμενο και η μελέτη των προβλημάτων κατανόησης. Θεωρούμε ότι η παρούσα διατριβή συνεισφέρει στους προβληματισμούς αυτούς.