Μελέτη της κατανόησης των επιστημονικών μοντέλων και των διαδικασιών μοντελοποίησης από μαθητές της υποχρεωτικής εκπαίδευσης

Abstract

Scientific Models are a key aspect of Science Education and are often used as means of achieving learning goals. Nevertheless, a literature review reveals that students and teachers, both future and active ones, maintain alternative ideas or misconceptions regarding the notion of Scientific Models including some of their main characteristics and aspects. In Greece most researches focus on developing future teachers’ epistemological awareness rather that students’ epistemological ideas. By acknowledging this “gap” in Science literature review, we try to highlight secondary students’ ideas about Scientific Models and then we attempt to develop students’ epistemological awareness regarding four certain aspects of Scientific Models. Furthermore, we theorize that students’ conceptual understanding regarding light phenomena and propagation can be developed. Finally, we investigate the possibility of existing correlation between students’ epistemological beliefs about Scientific Models and their conceptual understanding of light phenomena. In the context of the present study, two different Teaching Learning Sequences (T.L.S.) are developed and applied to different samples of compulsory educations’ students, in two different schools, in two consecutive school years. Both T.L.S.s consist of a significant number of modeling activities of exploratory, experimental and expressive type performed with real and virtual experiments. Modeling activities include light phenomena such as reflection, refraction and human vision. The Scientific Model of geometrical optical ray is explicitly introduced and used for the description, interpretation and prediction of the phenomena reported. In this study, the T.L.S.s developed incorporate a number of metacognitive activities, mainly of reflective type which consist of questions prompting students to recall their way of thinking and working during real and virtual experiments. The assessment of students' epistemological awareness regarding four aspects of Scientific Models (nature, role, change and multiple representation) is implemented using an open-ended questionnaire consisting of seven relevant questions (Test 2). The evaluation of the students' answers is completed using a three-level rubric. Further investigation of students’ epistemological perceptions regarding aspects of Scientific Models includes an innovative, closed-ended questionnaire comprising of seventeen different images some of which depict static representations of Scientific Models while others do not (Test 3). Participating students are asked to identify and select the images that depict Scientific Models. In addition, a significant number of randomly selected students participated in semi-structured interviews. The results indicate that after the completion of TLS 1 & 2 students’ conceptual understanding of human vision mechanism and the optical phenomena under consideration improve in both cases. Furthermore, students’ epistemological perceptions regarding the four aspects of the Scientific Models under consideration are also developed after the completion of the teaching interventions and improvement of epistemological awareness is recorded in both samples’ cases. Regarding the correlation between conceptual and epistemological perceptions, the analysis of students’ answers produces a variety of results which differ from T.L.S.1 to T.L.S.2. This indicates that the aforementioned correlation remains open for further investigation. Analysis of the transcribed interviews highlights students’ reasoning and reveals certain criteria (axes) according to which they accept certain images as Static Visual Representations of Scientific Models or not.

Τα Επιστημονικά Μοντέλα (Ε.Μ.) αποτελούν βασικό στοιχείο της Διδακτικής των Φυσικών Επιστημών και χρησιμοποιούνται κατά κόρον για την επίτευξη των μαθησιακών στόχων. Ωστόσο, από την επισκόπηση της βιβλιογραφίας διαπιστώνεται πλήθος εναλλακτικών ιδεών σχετικά με τις όψεις των Επιστημονικών Μοντέλων σε μαθητές/τριες αλλά και εν δυνάμει ή εν ενεργεία εκπαιδευτικούς. Στη χώρα μας οι έρευνες που έχουν διενεργηθεί στον τομέα αυτό επικεντρώνονται στην καλλιέργεια των επιστημολογικών αντιλήψεων φοιτητών/τριων παιδαγωγικών τμημάτων ενώ περιορισμένος αριθμός ερευνών εστιάζονται σε μαθητές/τριες της υποχρεωτικής εκπαίδευσης. Αναγνωρίζοντας το «κενό» στην ελληνική βιβλιογραφία, στην παρούσα έρευνα επιχειρείται η ανάδειξη και η επαύξηση της επιστημολογικής ενημερότητας των μαθητών/τριων της δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης σχετικά με τέσσερεις, αναγνωρισμένες όψεις των Επιστημονικών Μοντέλων. Επιπλέον επιχειρείται η ενίσχυση των εννοιολογικών αντιλήψεων των μαθητών/τριων σχετικά με φαινόμενα της Οπτικής και διερευνάται η πιθανή συσχέτιση μεταξύ εννοιολογικών και επιστημολογικών αντιλήψεων. Στα πλαίσια της παρούσας μελέτης αναπτύσσονται δύο διαφορετικές Διδακτικές Μαθησιακές Ακολουθίες οι οποίες εφαρμόστηκαν σε διαφορετικά δείγματα μαθητικού πληθυσμού της υποχρεωτικής εκπαίδευσης, σε δύο διαφορετικά σχολεία και σχολικά έτη. Και οι δύο Δ.Μ.Α. απαρτίζονται από σημαντικό αριθμό δραστηριοτήτων μοντελοποίησης, εξερευνητικού (exploratory), πειραματικού (experimental) και εκφραστικού (expressive) τύπου. Οι προαναφερθείσες διαδικασίες μοντελοποίησης συνίστανται από πραγματικά και εικονικά πειράματα. Οι δραστηριότητες μοντελοποίησης αφορούν φαινόμενα της γεωμετρικής Οπτικής όπως είναι η ανάκλαση, η διάθλαση και ο μηχανισμός της ανθρώπινης όρασης. Σε όλες τις εν λόγω δραστηριότητες αξιοποιείται το Επιστημονικό Μοντέλο της οπτικής ακτίνας, το οποίο εισάγεται με ρητό τρόπο. Στις Δ.Μ.Α. ενσωματώνονται δραστηριότητες μεταγνώσης, αναστοχαστικού κυρίως τύπου, οι οποίες αποτελούνται από ερωτήσεις προτροπής και ανάκλησης του τρόπου σκέψης και εργασίας των μαθητών/τριων κατά τη διάρκεια των πραγματικών και εικονικών πειραμάτων. Η εκτίμηση του επιπέδου της επιστημολογικής ενημερότητας των μαθητών/τριων ως προς τις τέσσερεις υπό εξέταση όψεις των Επιστημονικών Μοντέλων (φύση, λειτουργία, αλλαγή και πολλαπλή αναπαράσταση) υλοποιείται με τη χρήση ενός ανοικτού ερωτηματολογίου αποτελούμενου από επτά σχετικά ερωτήματα (Δοκιμασία 2). Η αξιολόγηση των απαντήσεων των μαθητών/τριων γίνεται με τη χρήση κατάλληλα διαμορφωμένης κλίμακας τριών βαθμίδων (rubrics). Για την περαιτέρω διερεύνηση των επιστημολογικών αντιλήψεων των μαθητών/τριων αναπτύχθηκε ένα καινοτόμο, κλειστού τύπου ερωτηματολόγιο αποτελούμενο από δεκαεπτά εικόνες. Οι συμμετέχοντες/ουσες καλούνται να αναγνωρίσουν και να επιλέξουν όσες -κατά τη γνώμη τους- συνιστούν Επιστημονικά Μοντέλα (Δοκιμασία 3). Εκτός από τις γραπτού τύπου δοκιμασίες, ένας σημαντικός αριθμός μαθητών/τριων τυχαία επιλεγμένος συμμετείχε σε ημιδομημένου τύπου συνεντεύξεις. Από τα αποτελέσματα υποδεικνύεται πως μετά την ολοκλήρωση των Εφαρμογών 1 & 2 οι εννοιολογικές αντιλήψεις των μαθητών/τριων για το μηχανισμό όρασης και τα υπό εξέταση φαινόμενα της Οπτικής βελτιώνονται. Ενθαρρυντικά είναι επίσης και τα αποτελέσματα σχετικά με το επίπεδο των επιστημολογικών αντιλήψεων για τις τέσσερεις υπό εξέταση όψεις των Επιστημονικών Μοντέλων, καθώς μετά την ολοκλήρωση των διδακτικών παρεμβάσεων καταγράφεται βελτίωση της επιστημολογικής ενημερότητας και στα δύο δείγματα των Εφαρμογών 1 & 2. Στο υπό εξέταση ζήτημα της συσχέτισης μεταξύ εννοιολογικών και επιστημολογικών αντιλήψεων προκύπτουν διαφορετικά αποτελέσματα τα οποία συνηγορούν πως το συγκεκριμένο ερώτημα παραμένει ανοικτό προς διερεύνηση. Η ανάλυση των απομαγνητοφωνημένων συνεντεύξεων αναδεικνύει τη συλλογιστική των μαθητών/τριων και τα κριτήρια (άξονες) σύμφωνα με τα οποία οι τελευταίοι αποδέχονται ορισμένες εικόνες ως Στατικές Οπτικές Αναπαραστάσεις Επιστημονικών Μοντέλων ενώ κάποιες όχι.