Προγραμματίζω, κατασκευάζω, δημιουργώ με την βοήθεια του Raspberry Pi την δική μου κατασκευή: ανακαλύπτω και μαθαίνω τον Φυσικό κόσμο

Abstract

People of today need to comprehend science concepts and laws as well as any scientific achievements and the level they can reach. Improving this understanding constitutes a vital investment in the well-being of the society in which we live in.The phenomenon of rotation is observed in all scales of dimensions, from the movement of electrons in atoms to the movement of planets around their suns and galaxies and around a center (reason of their movement). It is therefore particularly interesting to study the rotational motion of a solid body as its understanding leads to the determination of the kinetic behavior of the bodies and systems of the natural world around us.The need to explore students’ alternative perceptions regarding moving bodies and body systems, related to the rotational motion concepts, together with the lack of a sufficient number of Greek and international research papers in science teaching, constituted the motive for the implementation of the present doctoral thesis. However, there seems to be considerable research regarding students' alternative perceptions of rotational movement, which suggests appropriate didactic interventions. Through the use of theoretical and experimental tools and practices and the use of ICT, these interventions aim at improving students’ alternative ideas and their conversion to scientifically acceptable ones.In the present research, an attempt is initially made to identify Upper high school students’ alternative ideas (aged 16-17 years) regarding the concepts and phenomena of rotational motion. Then, a well-designed experimental-type teaching intervention, which utilizes a self-made experimental device and ICT, is used, aiming to explore whether these alternative ideas can be changed to scientifically accepted ones. At the same time, the effectiveness of the specific interdisciplinary/exploratory S.T.E.M type approach is examined, in terms of teaching and learning the concepts of rotation of motion of solid bodies and is compared to a traditional type of teaching intervention, which is implemented following the school curriculum.The research sample consisted of 143 Upper high school students, aged 16-17, deriving from different schools in Central Greece, divided into two groups (experimental and control). Initially, the research participants answered a questionnaire (pre-test) which aimed at identifying their alternative ideas. Then the experimental group participated in the interdisciplinary/exploratory S.T.E.M type approach teaching intervention while the control group participated in a traditional type of teaching intervention. Upon completion of the respective didactic interventions, which lasted five weeks, the participants of both groups completed the same questionnaire (post-test). In addition, the participants in the experimental group participated in focus groups in order to discuss and exchange views on specific topics that had been set, in order to clarify any ambiguous points of their answers. Finally, and upon the completion of the questionnaires, during the initial (pre-check) and final phase (post-check), short interviews were held with the participants in order to clarify their answers.The results of the research revealed that:•The participant students’ alternative ideas are similar to those of their peers, as discussed in the relevant literature and•Both experimental type teaching interventions, applied to the experimental and control group, significantly improved the participants’ rotational movement concepts understanding level with better results being attributed to the interdisciplinary/interdisciplinary STEM type teaching intervention. Concluding, the contribution of this thesis is to propose a coherent, applicable, original and structured teaching proposal that utilizes self-made experimental low-cost devices and ICT in the study and understanding of concepts and phenomena of rotational motion in a STEM type approach. The logic of this approach can be extended to other subjects of high school physics offering additive value to them. It should be noted that the present thesis was fulfilled under difficult circumstances, due the Covid-19 pandemic, which affected this work in a number of ways (from the selection of the sample to the time needed or the ways of the teaching intervention implementation).

Ο σύγχρονος άνθρωπος έχει ανάγκη να κατανοήσει τα μοντέλα (έννοιες, νόμους και θεωρίες ) των Φυσικών Επιστημών όπως επίσης τα επιτεύγματα και τα όρια τους. Η όσο το δυνατόν καλύτερη κατανόηση των φυσικών επιστημών δεν αποτελεί πολυτέλεια αλλά ζωτικής σημασίας επένδυση για την ευημερία της κοινωνίας μας.Το φαινόμενο της περιστροφής παρατηρείται σε όλες τις κλίμακες διαστάσεων, από την κίνηση των ηλεκτρονίων στα άτομα μέχρι και την κίνηση των πλανητών γύρω από τους ήλιους τους αλλά και των γαλαξιών γύρω από αυστηρά καθορισμένους έλκτες της κίνησης. Είναι επομένως ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα η μελέτη της περιστροφικής κίνησης στερεού σώματος καθώς η κατανόηση της οδηγεί στον προσδιορισμό της κινητικής συμπεριφοράς των σωμάτων και συστημάτων του φυσικού κόσμου που μας περιβάλλει. Η ανάγκη διερεύνησης των εναλλακτικών αντιλήψεων των μαθητών και μαθητριών που αφορά τα κινούμενα σώματα και συστήματα σωμάτων και άπτονται εννοιών της περιστροφικής κίνησης, σε συνδυασμό με την έλλειψη ικανού αριθμού ερευνητικών εργασιών στην ελληνική και ξενόγλωσση βιβλιογραφία της Διδακτικής Φυσικών Επιστημών στη συγκεκριμένη γνωστική περιοχή αποτέλεσε το ερέθισμα της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Παρά όμως τον μικρό αριθμό εργασιών διατίθεται στην ξενόγλωσση βιβλιογραφία μία αρκετά πλήρης καταγραφή των εναλλακτικών αντιλήψεων των μαθητών σχετικά με την περιστροφική κίνηση και έχουν προταθεί διδακτικές παρεμβάσεις, οι οποίες μέσα από θεωρητικά και πειραματικά εργαλεία και πρακτικές στοχεύουν με την βοήθεια και των ΤΠΕ στην βελτίωση τους, προς επιστημονικά αποδεκτές ιδέες. Στην παρούσα έρευνα γίνεται αρχικά προσπάθεια να προσδιοριστούν οι εναλλακτικές ιδέες των μαθητών και μαθητριών Λυκείου (ηλικίας 16-17 ετών) ως προς τις έννοιες και φαινόμενα της περιστροφικής κίνησης. Στη συνέχεια μέσω μιας κατάλληλα σχεδιασμένης διδακτικής παρέμβασης πειραματικού τύπου, που αξιοποιεί ιδιοκατασκευασμένη πειραματική διάταξη και τις ΤΠΕ, διερευνάται κατά πόσο οι εναλλακτικές αυτές ιδέες μπορούν να αλλάξουν προς τις επιστημονικά αποδεκτές ως συνέπειά της. Ταυτόχρονα ελέγχεται και η αποτελεσματικότητα της συγκεκριμένης διεπιστημονικής / διερευνητικής τύπου S.T.E.M. προσέγγισης ως προς την διδασκαλία και μάθηση εννοιών της περιστροφής κίνησης των στερεών σωμάτων σε σχέση με μια παραδοσιακού τύπου διδακτική παρέμβαση η οποία υλοποιείται ακολουθώντας τα προβλεπόμενα από το σχολικό αναλυτικό πρόγραμμα.Το δείγμα της έρευνας μας αποτέλεσαν 143 μαθητές και μαθήτριες Λυκείου , ηλικίας 16-17 χρόνων, από διαφορετικά σχολεία της Κεντρικής Ελλάδας χωρισμένοι σε δύο ομάδες πειραματική και ελέγχου. Αρχικά οι συμμετέχοντες στην έρευνα απάντησαν σε ένα ερωτηματολόγιο που σκοπό είχε τον εντοπισμό των εναλλακτικών τους ιδεών (pre-test).Στην συνέχεια η ομάδα πειραματισμού συμμετείχε στην διεπιστημονική/διερευνητική τύπου S.T.E.M. προσέγγιση ενώ η ομάδα ελέγχου συμμετείχε σε μια παραδοσιακού τύπου διδακτική παρέμβαση. Μετά την ολοκλήρωση των αντιστοίχων διδακτικών παρεμβάσεων σε χρονική απόσταση πέντε εβδομάδων οι συμμετέχοντες και των δύο ομάδων συμπλήρωσαν το ίδιο ερωτηματολόγιο (post-test). Επιπρόσθετα οι συμεττέχοντες στην πειραματική ομάδα συμμετείχαν σε ομάδες εστίασης (focus groups) προκειμένου να συζητήσουν και να ανταλλάξουν απόψεις πάνω σε συγκεκριμένους άξονες θεμάτων που είχαν τεθεί προκειμένου να αποσαφηνιστούν διφορούμενα σημεία των απαντήσεων τους. Τέλος οι συμμετέχοντες και στις δύο ομάδες έδωσαν στον ερευνητή, μετά την συμπλήρωση των ερωτηματολογίων τους, κατά την αρχική( προέλεγχος) και τελική φάση (μετέλεγχος) σύντομες συνεντεύξεις διευκρίνησης των απαντήσεών τους. Τα αποτελέσματα της έρευνας έδειξαν ότι : Οι εναλλακτικές ιδέες των μαθητών και μαθητριών του δείγματος που εξετάστηκε είναι παρόμοιες με αυτές των συνομήλικών τους οι οποίες εντοπίζονται στην ξενόγλωσση βιβλιογραφία και Και οι δύο διδακτικές παρεμβάσεις πειραματικού τύπου που εφαρμόστηκαν στη πειραματική και ομάδα ελέγχου βελτίωσαν σημαντικά το επίπεδο κατανόησης εννοιών της περιστροφικής κίνησης των συμμετεχόντων με υψηλότερο βαθμό να αποδίδεται στην διεπιστημονική /διαθεματική τύπου S.T.E.M. διδακτική παρέμβαση. Ολοκληρώνοντας η συνεισφορά της παρούσας διατριβής συνίσταται στο ότι προτείνει μία συνεκτική, εφαρμόσιμη, πρωτότυπη και συγκροτημένη διδακτική πρόταση η οποία αξιοποιεί ιδιοκατασκευασμένες πειραματικού τύπου διατάξεις χαμηλού κόστους και τις ΤΠΕ στην μελέτη και κατανόηση εννοιών και φαινομένων της περιστροφικής κίνησης στο πλαίσιο μιας διεπιστημονικής -διερευνητικού τύπου S.T.E.M. προσέγγισης της οποίας η λογική μπορεί να επεκταθεί και σε άλλα γνωστικά αντικείμενα της φυσικής του Λυκείου δίδοντας στην διδασκαλία τους προστιθέμενη αξία .Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι η διατριβή αυτή ολοκληρώθηκε σε ιδιαίτερα δύσκολες συνθήκες λόγω της πανδημίας από τον Covid 19 συνθήκες που επέβαλαν ρυθμούς, χρόνους, τρόπους και τρόπους δουλειάς(από την επιλογή του δείγματος έως και την διδακτική παρέμβαση).