Διερευνητική μάθηση στη φυσική με τη χρήση ψηφιακών φορητών συσκευών

Abstract

Inquiry-Based Learning (IBL) has evolved into a leading pedagogical method in the education of Natural Sciences, attracting extensive global attention over recent decades. This approach is now integrated into the educational frameworks of numerous countries. The utilization of portable digital devices facilitates learning without the restrictions of time and space, a concept widely recognized as mobile learning (m-Learning). This modality presents numerous benefits that significantly enrich the IBL experience. Moreover, the integration of these techniques with laboratory experiments—which have been acknowledged for their educational value for decades—proves exceedingly advantageous. The laboratory setups used in these experiments provide a unique opportunity for students to engage with the Engineering Design Process, a fundamental component of STEM education. Additionally, the flipped classroom model is implemented to maximize the efficiency of hybrid learning by leveraging the capabilities of mobile devices to support remote education. Our research introduced a Teaching-Learning Sequence (TLS) for junior high students, blending various innovative teaching methods and tools (STEM IB-mLabs). The primary aims were to explore the enhancement of students' 21st-century skills—critical for today's learners and tomorrow's global citizens—with a focus on critical thinking, and to evaluate their advancement in science process skills. The study also delved into aspects associated with the development of critical thinking and inquiry skills within physics classrooms, examining students' motivation, verbal communication, and attitudes toward science. Furthermore, our research assessed educators' perceptions of inquiry-based and mobile learning, recognizing that these views significantly influence the practical application of these pedagogical strategies in classrooms. Our research consisted of a sequence of interconnected sub-studies designed to deepen our comprehension and cultivation of vital skills necessary for Natural Science education in the 21st century. Initially, we analyzed students' motivation and their verbal communication concerning physics, allowing us to identify core factors that influence their engagement with the sciences and set the stage for further skill development. In the subsequent phase, we conducted a pilot program focused on the enhancement of students' inquiry skills and the cultivation of their dispositions towards the 4Cs skills (creativity, critical thinking & problem solving, communication, collaboration). These skills are crucial for strengthening learning processes in scientific contexts and are recognized in international literature as essential indicators of skill development. The final phase of our study was dedicated to a thorough investigation of the development of inquiry and critical thinking skills, culminating in an in-depth analysis of how these skills interact with applied scientific methods. This process was meticulously orchestrated through the careful design and phased implementation of the TLS, adjusted appropriately across the study's three phases. In conjunction with our focus on students, we evaluated educators' perceptions concerning the core learning methodologies employed (mobile learning and Inquiry-based learning). The successful integration of these methodologies into educational settings is paramount for the sustainability and efficacy of our instructional approach. Through this comprehensive framework, our research vividly illustrates how diverse educational practices can be synergistically employed to cultivate substantial skills in students, underscoring the value of a methodical approach to educational practice.

Η Μάθηση με βάση τη διερεύνηση (Inquiry-based Learning – IBL) αποτελεί μια διδακτική/μαθησιακή μέθοδο που τις τελευταίες δεκαετίες βρίσκεται στο επίκεντρο των ερευνών διεθνώς, όσον αφορά τη διδασκαλία των Φυσικών Επιστημών, ενώ εντάσσεται στα Αναλυτικά Προγράμματα Σπουδών πολλών χωρών. Η χρήση φορητών ψηφιακών συσκευών βοηθά τη μάθηση χωρίς χρονικούς και χωρικούς περιορισμούς (m-Learning), ενώ μπορεί να υποστηρίξει με τα πλεονεκτήματά της τη μάθηση με βάση τη διερεύνηση. Αυτές οι μέθοδοι μπορούν να συνδυαστούν με το εργαστηριακό πείραμα (Lab), τα πλεονεκτήματα του οποίου είναι γνωστά εδώ και δεκαετίες. Μάλιστα, η εργαστηριακή διάταξη που αξιοποιείται για το πείραμα, προσφέρει τη δυνατότητα ενασχόλησης των μαθητών με τη σχεδίαση με βάση τη Μηχανική (Engineering Design Process), που αποτελεί στοιχείο της εκπαίδευσης STEM. Με δεδομένο ότι οι φορητές ψηφιακές συσκευές παρέχουν τη δυνατότητα για εξ αποστάσεως εκπαίδευση, η μέθοδος της ανεστραμμένης τάξης (flipped classroom) αξιοποιείται, ώστε η υβριδική μάθηση να είναι πιο αποδοτική. Στην έρευνά μας, συνδυάστηκαν όλες αυτές οι διδακτικές πρακτικές (STEM IB-mLabs) σε μία Διδακτική – μαθησιακή Ακολουθία (ΔΜΑ) σε μαθητές Γυμνασίου, ώστε να μελετηθεί η ανάπτυξη αφενός των δεξιοτήτων 21ου αιώνα, που θεωρούνται πια απαραίτητες για τους σημερινούς μαθητές και αυριανούς σύγχρονους πολίτες, με επικέντρωση στις δεξιότητες κριτικής σκέψης και αφετέρου των δεξιοτήτων διερεύνησης που είναι άρρηκτα συνδεδεμένες με τη μέθοδο της μάθησης με βάση τη διερεύνηση. Σε αυτό το πλαίσιο, μελετήθηκαν επίσης χαρακτηριστικά που συνδέονται με τις ανάπτυξη της κριτικής σκέψης και των δεξιοτήτων διερεύνησης, όπως τα κίνητρα των μαθητών, η λεκτική επικοινωνίας τους σε θέματα Φυσικής και οι στάσεις τους έναντι της επιστήμης. Επίσης, μελετήθηκαν και οι αντιλήψεις των εκπαιδευτικών, τόσο απέναντι στο IBL, όσο και στο m-Learning, καθώς αυτές επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό την εφαρμογή αυτών των μεθόδων στην τάξη. Η έρευνά μας αποτελείται από μια σειρά επιμέρους μελετών, οι οποίες έχουν σχεδιαστεί με στόχο την εμβάθυνση στην κατανόηση και ανάπτυξη δεξιοτήτων των μαθητών που είναι απαραίτητες όσον αφορά στην εκπαίδευση των Φυσικών Επιστημών στον 21ο αιώνα,. Κατά την πρώτη φάση της έρευνας, εστιάσαμε στην ανάλυση των κινήτρων και της λεκτικής επικοινωνίας των μαθητών σε θέματα Φυσικής, κάτι που μας επέτρεψε να κατανοήσουμε τα βασικά στοιχεία που επηρεάζουν την εμπλοκή τους με τις Φυσικές Επιστήμες και να θέσουμε τις βάσεις για την περαιτέρω ανάπτυξη των δεξιοτήτων τους. Στη δεύτερη φάση, υλοποιήσαμε πιλοτικό πρόγραμμα με έμφαση στην εξέλιξη των δεξιοτήτων διερεύνησης των μαθητών, ενώ διερευνήσαμε την καλλιέργεια των διαθέσεών τους ως προς τις δεξιότητες 4Cs (δημιουργικότητα, κριτική σκέψη & επίλυση προβλήματος, επικοινωνία, συνεργασία), οι οποίες αποτελούν κρίσιμες παραμέτρους για την ενδυνάμωση των μαθησιακών διαδικασιών σε ένα επιστημονικό περιβάλλον και σύμφωνα με τη διεθνή βιβλιογραφία αποτελούν προϋπόθεση ή ένδειξη για την ανάπτυξη των δεξιοτήτων. Η τρίτη και τελική φάση της έρευνας αφιερώθηκε στη συστηματική εξέταση της ανάπτυξης δεξιοτήτων διερεύνησης και κριτικής σκέψης, ολοκληρώνοντας τον κύκλο μελέτης με μια βαθύτερη ανάλυση της αλληλεπίδρασης αυτών των δεξιοτήτων με τις επιστημονικές μεθόδους που εφαρμόζονται. Όλη αυτή διαδικασία εξελίχθηκε μέσα από τον προσεκτικό σχεδιασμό και υλοποίηση της Διδακτικής Μαθησιακής Ακολουθίας, που στην πρώτη φάση εφαρμόσθηκε πιλοτικά και με τις κατάλληλες προσαρμογές υλοποιήθηκε στη δεύτερη και τρίτη φάση της έρευνάς μας. Παράλληλα με την έρευνα που απευθυνόταν στους μαθητές, έγινε μελέτη των αντιλήψεων των εκπαιδευτικών όσον αφορά τις βασικές μεθόδους μάθησης που αξιοποιήσαμε (mobile learning και Inquiry-based learning), καθώς η επιτυχία της εφαρμογής αυτών των μεθόδων στο σχολικό περιβάλλον είναι καθοριστική για τη βιωσιμότητα και την αποδοτικότητα της διδακτικής μας προσέγγισης. Με αυτόν τον τρόπο, η έρευνά μας παρέχει μια ολοκληρωμένη και δυναμική εικόνα του πώς οι διάφορες διδακτικές και μαθησιακές πρακτικές συνδυάζονται για την ανάπτυξη ουσιαστικών δεξιοτήτων στους μαθητές, καταδεικνύοντας την αξία της μεθοδικής προσέγγισης στην εκπαιδευτική πράξη.