Διδάσκοντας φυσικές επιστήμες με την χρήση προηγμένων τεχνολογικών εφαρμογών

Abstract

Οι Τεχνολογίες Πληροφόρησης και Επικοινωνίας αλλάζουν τη διαδικασία της μάθησης με τρόπους που προηγουμένως δεν μπορούσαμε να φανταστούμε. Οι ραγδαίες εξελίξεις στον τομέα της εκπαιδευτικής τεχνολογίας οδηγούν στη δημιουργία νέων περιβαλλόντων μάθησης με τη χρήση εξομοιώσεων, οπτικοποιήσεων, μοντέλων, εκπαιδευτικών παιχνιδιών, επαναχρησιμοποιήσιμων εκπαιδευτικών εφαρμογών και περιεχομένου. Υπάρχουν πολλές προκλήσεις στη διαδικασία της εκπαιδευτικής καινοτομίας, οι οποίες πρέπει να μελετηθούν διεξοδικά, για να εκμεταλλευτούμε τις τεχνολογίες αυτές με στόχο τη βελτίωση της μαθησιακής διαδικασίας. Οι προηγμένες τεχνολογίες που αναπτύχθηκαν για άλλους λόγους και εξυπηρετούν διαφορετικές ανάγκες πρέπει να μετατραπούν σε εργαλεία προσβάσιμα και φιλικά για τους μαθητές και τους εκπαιδευτικούς. Τα τεχνικά κριτήρια θα πρέπει να αναπτυχθούν και να προσαρμοστούν, για να βοηθήσουν στη καθοδήγηση της ανάπτυξης του εκπαιδευτικού περιεχομένου, το οποίο θα προέρχεται από πολυάριθμες πηγές από όλο τον κόσμο και θα είναι διαθέσιμο κάθε στιγμή. Η τεχνολογική κοινότητα πρέπει να ισχυροποιήσει τις συνεργασίες της με την εκπαιδευτική κοινότητα. Τα εκπαιδευτικά ιδρύματα πρέπει να προετοιμαστούν για ραγδαία τεχνολογική αλλαγή.

Η προστιθέμενη αξία της εισαγωγής των νέων εκπαιδευτικών εργαλείων έγκειται στην αναβάθμιση της υπάρχουσας εκπαιδευτικής πραγματικότητας και ειδικότερα σε περιοχές που όπου οι παρούσες εκπαιδευτικές προσεγγίσεις φαίνεται να αποτυγχάνουν. Μία χαρακτηριστική περίπτωση είναι η διδασκαλία των φυσικών επιστημών ειδικότερα στις τάξεις του Λυκείου. Οι διδασκόμενες έννοιες (π.χ. ταχύτητα, επιτάχυνση, ορμή, στροφορμή, δύναμη, ώθηση, τριβή, ηλεκτρομαγνητικά κύματα, πεδία) παρουσιάζονται στους μαθητές με θεωρητικό τρόπο, ασύνδετες με τις καθημερινές εμπειρίες των μαθητών. Το αποτέλεσμα είναι η διδασκαλία να μην κεντρίζει το ενδιαφέρον των μαθητών και αυτοί με τη σειρά τους να χάνουν το ενδιαφέρον τους για τις φυσικές επιστήμες αλλά και γενικότερα για τις διαδικασίες της επιστημονικής μεθοδολογίας. Στο πλαίσιο αυτό η παρούσα ερευνητική εργασία φιλοδοξεί να παρουσιάσει εκπαιδευτικές εφαρμογές προηγμένων τεχνολογικών εργαλείων στη δευτεροβάθμια εκπαίδευση. Διαφορετικές θεματικές περιοχές έχουν επιλεγεί για την πραγματοποίηση στοχευμένων διδακτικών παρεμβάσεων που αναδεικνύουν την προστιθέμενη αξία της τεχνολογίας στη διδασκαλία αλλά και κύρια στην κατανόηση πολύπλοκων φυσικών φαινομένων και εννοιών. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον στο σχεδιασμό των δραστηριοτήτων αυτών δόθηκε στο να βοηθήσουν να διατηρήσουν το ενδιαφέρον τους όλοι οι μαθητές των τάξεων που συμμετείχαν. Συστηματικά και μεθοδικά παρουσιάζουμε παρεμβάσεις που μπορούν να οδηγήσουν τους μαθητές από την έμπρακτη κατανόηση των νόμων της μηχανικής και την εφαρμογή τους στην καθημερινή ζωή, στην αντίληψη των «αόρατων» ηλεκτρομαγνητικών και ηχητικών κυμάτων αλλά και του συναρπαστικού κόσμου της κβαντικής συμπεριφοράς, που είναι εντελώς διαφορετική από αυτή της καθημερινής μας εμπειρίας και είναι εξαιρετικά δύσκολο να εξοικειωθεί κανείς μαζί της. Η προτεινόμενη διαδακτική παρέμβαση αναπτύσσεται σε αυτά τα τρία θεματικά πεδία μέσω τριών εκπαιδευτικών σεναρίων και της συστηματικής αξιολόγησης τους.

1. Στο πρώτο σενάριο παρουσιάζεται η εφαρμογή της χρήσης φορετών υπολογιστών και αισθητήρων στη θεματική περιοχή της Νευτώνειας Μηχανικής με στόχο τη σύνδεση των νόμων της Φυσικής με τις καθημερινές δραστηριότητες των μαθητών. Στόχος της διδακτικής παρέμβασης, υποστηριζόμενης από την τεχνολογία είναι να δείξουμε τρόπους με τους οποίους οι μαθητές θα μπορούν να αντιμετωπίζουν τα όσα συμβαίνουν γύρω τους με συστηματικό και διερευνητικό τρόπο, όπως και όταν βρίσκονται μέσα στο σχολικό εργαστήριο. Σχεδιάστηκαν εκπαιδευτικά σενάρια που βασίζονται στη χρήση φορετών συστημάτων αισθητήρων που συλλέγουν π.χ. δεδομένα επιτάχυνσης, θέσης, τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιούνται για την ανάλυση των φυσικών νόμων που διέπουν την κίνηση των σωμάτων. Το φορετό σύστημα αισθητήρων και η προτεινόμενη προσέγγιση δοκιμάστηκαν σε 18 σχολεία στην Ελλάδα, την Γερμανία, την Αυστρία και την Ιταλία. Στην διαδικασία αξιολόγησης συμμετείχαν περίπου 400 μαθητές ηλικίας 15 με 16 χρονών.

Οι μαθητές συμμετείχαν στη εκπαιδευτική προσέγγιση για ολόκληρη τη σχολική χρονιά (σχολικό έτος 2008-2009) ώστε να είναι δυνατή η εξαγωγή ασφαλών συμπερασμάτων. Συγκεντρώθηκαν ποσοτικά δεδομένα χρησιμοποιώντας τη μέθοδο αξιολόγησης TIMSS που αποτελεί σημείο αναφοράς σε διεθνές επίπεδο για την καταγραφή των επιδόσεων των μαθητών στις Φυσικές Επιστήμες και τα Μαθηματικά. Επιπρόσθετα βιντεοσκοπήθηκαν 500 ώρες μαθημάτων με στόχο να μελετηθεί σε βάθος η ένταξη της εκπαιδευτικής προσέγγισης στην εκπαιδευτική διαδικασία και να διαπιστωθεί εάν η καταγραφόμενη βελτίωση στις επιδόσεις των μαθητών συνδυάζεται πραγματικά με την τροποποίηση της εκπαιδευτικής προσέγγισης. Για το λόγο αυτό τα βιντεοσκοπημένα μαθήματα μελετήθηκαν από δύο διαφορετικές οπτικές γωνίες. Στην πρώτη περίπτωση μελετήθηκε το προφίλ του κάθε μαθήματος με βάση τις εκπαιδευτικές προσεγγίσεις των εκπαιδευτικών και με αναφορά τις παραμέτρους που προκύπτουν από τις βασικές εκπαιδευτικές δραστηριότητες που αυτές περιλαμβάνουν (διάλεξη, εξέταση, διάλογο, πειραματισμό, κλπ.). Στη δεύτερη περίπτωση τα ίδια μαθήματα μελετήθηκαν με σημείο αναφοράς τις δραστηριότητες των μαθητών και τα βασικά χαρακτηριστικά που θα πρέπει να διέπουν την ανακαλυπτική διδασκαλία.. 2. Στο δεύτερο σενάριο η μελέτη μας στρέφεται στα άτυπα περιβάλλοντα μάθησης (μουσεία και κέντρα επιστημών). Στους χώρους αυτούς ο στόχος των δημιουργών τους είναι να παρουσιάσουν μια εντελώς ελεύθερη ανακαλυπτική προσέγγιση χωρίς δομή και ακολουθία που δεν μπορεί να ενταχθεί εύκολα στην παραδοσιακή προσέγγιση της τυπικής μάθησης που λαμβάνει χώρα στο σχολείο. Έτσι οι εκπαιδευτικές επισκέψεις στους χώρους αυτούς μετατρέπονται σε σχολικές εκδρομές αφήνοντας ανεκμετάλλευτο ένα τεράστιο εκπαιδευτικό δυναμικό που είναι αποθηκευμένο στους χώρους αυτούς. Και εδώ η τεχνολογία μπορεί να έχει καταλυτικό ρόλο. Επιτρέποντας τόσο στους εκπαιδευτικούς να σχεδιάζουν με τον δικό τους τρόπο τις εκπαιδευτικές διαδρομές στα μουσεία και τους μουσειοπαιδαγωγούς να παρουσιάζουν τη δική τους προσέγγιση, οι τεχνολογίες της εικονικής και επαυξημένης πραγματικότητας φέρουν στο επίκεντρο της διαδικασίας τον ίδιο τον μαθητή που μπορεί να ακολουθεί διαφορετικά εκπαιδευτικά μονοπάτια, να έχει πρόσβαση στο δομημένο υλικό του αναλυτικού προγράμματος αλλά και να αντλεί διαρκώς ερεθίσματα από τις ανακαλυπτικές προσεγγίσεις του μουσείου. Τις «γέφυρες» που στήνει η τεχνολογία ανάμεσα στην τυπική και άτυπη μάθηση μελετούμε στο κεφάλαιο αυτό επικεντρώνοντας το ενδιαφέρον μας σε θέματα Ηλεκτρομαγνητισμού και Κυματικής. Εκπαιδευτικά σενάρια που συνδέουν το αναλυτικό πρόγραμμα του σχολείου με τις πλούσιες διαδραστικές εκθέσεις Κέντρων Επιστημών και Μουσείων που βοηθούν τους μαθητές να κατανοήσουν καλύτερα τα φυσικά φαινόμενα υπό μελέτη, σχεδιάστηκαν αρχικά, επεκτάθηκαν, τροποποιήθηκαν και βελτιώθηκαν στη συνέχεια από τους εν ενεργεία εκπαιδευτικούς με τους οποίους συνεργαστήκαμε. Η τεχνολογία που χρησιμοποιείται για την προτεινόμενη διασύνδεση είναι η τεχνολογία της επαυξημένης πραγματικότητας, χάρη στην οποία ψηφιακό περιεχόμενο (εικόνες, κείμενα, βίντεο, προσομοιώσεις, 3-διάστατες απεικονίσεις κ.α.) μπορεί να παρουσιάζεται στο οπτικό πεδίο των μαθητών, όταν αυτοί βρίσκονται μπροστά σε ένα έκθεμα που παρουσιάζει ένα συγκεκριμένο φυσικό φαινόμενο και να εμπλουτίζει ποικιλότροπα την εκπαιδευτική προσέγγιση, ενισχύοντας ταυτόχρονα τη μαθησιακή διαδικασία. Στόχος της αξιολόγησης ήταν η διερεύνηση της αποτελεσματικότητας της προτεινόμενης προσέγγισης σε σύγκριση με μία συνηθισμένη εκπαιδευτική επίσκεψη στη διαδραστική έκθεση του Ιδρύματος Ευγενίδου.

Η διαδικασία αξιολόγησης στηρίχθηκε σε ερωτηματολόγια που σχεδιάστηκαν για τους μαθητές και τους εκπαιδευτικούς, συνεντεύξεις, συζητήσεις σε ομάδες και παράλληλη βιντεοσκόπηση των δραστηριοτήτων. Η διαδικασία της βιντεοσκόπησης είναι πολύ σημαντική για την ποιοτική ανάλυση των δεδομένων. Οι δραστηριότητες πραγματοποιήθηκαν τις περιόδους Ιανουαρίου – Φεβρουαρίου 2009 και Ιανουαρίου – Φεβρουαρίου 2010. Συμμετείχαν συνολικά 220 μαθητές και μαθήτριες από το Λύκειο των Εκπαιδευτηρίων «Ελληνογερμανική Αγωγή» και από το 2ο Λύκειο Αργυρούπολης. 120 από αυτούς επισκέφτηκαν τα εκθέματα και αλληλεπίδρασαν μαζί τους μέσω του συστήματος επαυξημένης πραγματικότητας (ομάδα εφαρμογής Α) ενώ οι υπόλοιποι 100 επισκέφτηκαν τα ίδια εκθέματα και αλληλεπίδρασαν μαζί τους χωρίς όμως να κάνουν χρήσης του συστήματος επαυξημένης πραγματικότητας (ομάδα ελέγχου). Τον Ιανουάριο του 2011 η διαδικασία επαναλαμβάνεται με τη συμμετοχή 47 μαθητών από το Λύκειο Γλαύκης, που βρίσκεται στο ομώνυμο χωριό στην οροσειρά της Ροδόπης, περίπου 60χμ Βόρεια της Ξάνθης. Οι μαθητές αυτοί επισκέφτηκαν το Ίδρυμα Ευγενίδου «εικονικά» μέσω της ευρυζωνικής δορυφορικής σύνδεσης που διαθέτει το σχολείο τους και αποτέλεσαν την ομάδα εφαρμογής Β. Και οι τρεις ομάδες μαθητών ακολούθησαν την προτεινόμενη εκπαιδευτική διαδρομή. Οι εκπαιδευτικοί προσάρμοσαν το προτεινόμενο εκπαιδευτικό σενάριο ανάλογα με τις ιδιαιτερότητες των τμημάτων τους και με βάση την εκπαιδευτική προσέγγιση που ακολουθούν στο μάθημα τους.

3. Στο τρίτο σενάριο κρίναμε σκόπιμο, στην προσπάθεια μας να αναδείξουμε το δυναμικό τόσο της ανακαλυπτικής προσέγγισης αλλά και των σύγχρονων τεχνολογικών εργαλείων να καταπιαστούμε με την «μυστηριώδη» συμπεριφορά των ατομικών σωματιδίων. Επιλέξαμε να παρουσιάσουμε στους μαθητές της Γ’ Λυκείου (17-18 ετών) ένα φαινόμενο το οποίο είναι αδύνατον να έχει κάποια κλασική εξήγηση, και στο οποίο εμπεριέχεται η βαθύτερη ουσία της κβαντομηχανικής. Δεν θα μπορέσουμε να «εξηγήσουμε» στους μαθητές το πως ακριβώς «λειτουργεί». Θα τους παρουσιάσουμε πώς «λειτουργεί» και με αυτόν τον τρόπο θα τους έχουμε μιλήσει για τις βασικές ιδιορρυθμίες που εμφανίζονται στην κβαντική μηχανική. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι όλο το «μυστήριο» της κβαντικής μηχανικής περικλείεται στο πείραμα των δύο σχισμών και γι' αυτόν ακριβώς το λόγο τοποθετείται στην αφετηρία οποιασδήποτε συζήτησης σχετικά με τη φύση της κβαντικής θεωρίας. Το πείραμα πραγματοποιείται για ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια περνώντας από τις δυο σχισμές σχηματίζουν στον ανιχνευτή (πέτασμα) που βρίσκεται πίσω τους εναλλασσόμενες λωρίδες της συμβολής σαν να ήταν δηλαδή κύματα και όχι σωματίδια που περνούν από τις σχισμές. Το εν λόγω πείραμα ψηφίστηκε από τους αναγνώστες του περιοδικού Physics World το 2002 ως το ομορφότερο πείραμα στην ιστορία ενώ η απόδειξη της δισυπόστατης φύσης του κβαντικού κόσμου παραμένει ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια του φυσικού κόσμου που όμως έχουμε αποδεχτεί και εφαρμόσει στις επιστήμες. Ακολουθώντας την ανακαλυπτική μέθοδο σχεδιάσαμε μία διδακτική παρέμβαση και πραγματοποιήσαμε μία σειρά μαθημάτων με μαθητές της Γ’ Λυκείου της «Ελληνογερμανικής Αγωγής». Στα μαθήματα συμμετείχαν συνολικά 54 μαθητές ηλικίας 17 με 18 ετών. 24 από αυτούς συμμετείχαν σε ημι-δομημένες συνεντεύξεις ώστε να πραγματοποιηθεί μία εις βάθος ανάλυση των αποτελεσμάτων και να επιβεβαιωθεί η επίδραση της διδακτικής παρέμβασης στην κατανόηση των φαινομένων που είχαν παρουσιαστεί. Επίσης ακολουθώντας την προτεινόμενη διδακτική παρέμβαση τον Μάιο του 2011 πραγματοποιήθηκε μία διάλεξη με ταυτόχρονη επίδειξη του συστήματος με φοιτητές του ΕΜΠ. Συμμετείχαν συνολικά 18 φοιτητές ηλικίας 20 με 21 ετών. Και οι 18 φοιτητές έλαβαν μέρος στις ημι- δομημένες συνεντεύξεις ώστε να πραγματοποιηθεί μία εις βάθος ανάλυση των αποτελεσμάτων και να επιβεβαιωθεί η επίδραση της διδακτικής παρέμβασης στην κατανόηση των φαινομένων που είχαν παρουσιαστεί.

Powerful new technologies promise to transform education and training in ways previously unimaginable. Rapid advancements in educational technologies in the years ahead could enable new learning environments using simulations, visualizations, immersive environments, game playing, intelligent tutors and avatars, reusable building blocks of digital content, address distributed communities of learners, and many more. There are many challenges in the process of educational innovation that must be addressed in order to take advantage of these technologies to improve learning. Advanced technologies developed to meet other purposes must be translated into affordable tools for learners to use. Technical standards must be deployed to help guide the development of educational content that will be drawn from countless sources throughout the world. The technology community has to form stronger partnerships with the educational community. The educational institutions need to prepare for rapid technological change.

A great deal of high-quality research, focused on technology utilization and effects in both school and non-school settings, is required through. Only by collecting and analyzing data on student learning can we hope to short out the many variables that determine effectiveness. The same type of research is also needed to explore analyze, and improve each of the many other components of educational systems.

In this framework our work aims to bring together research outcomes from a wide range of technology and education fields to look into the future and to share visions as to what the learning experiences and educational technologies could be like. Three cases of futuristic scenarios and visions are presented, analyzed, assessed and discussed in detail. These offer a glimpse of a future in which learners could explore worlds and cultures beyond their own, both in distance and time, as if they were there. And they will serve to remind us that we must strive to apply the power of technology in ways that empower people, enlighten the mind and enrich our lives. Taking advantage from the current political move in science and mathematics education and the implementation of some major re-schooling initiatives in Greece, our aim focuses on an innovative science and mathematics learning environment, which integrates modern technologies with the aim to create an open technology-enhanced classroom that builds on the strengths of formal and informal teaching and learning strategies in ways that can support learning of all individual students. This environment is embedded into interactive learning settings as well as assessment tools. If we want a powerful innovative culture in schools which is self-sustaining we have to empower system-aware practitioners, working ever more closely with the service users in order to create it. And to avoid simply creating interesting but isolated experiments, we have to design in collaborative ways of learning and enquiry between professionals – a “pull” rather than “push” approach.

This work combines a selection of studies which may key contribute to the evolution of schools innovation and improvement: a new approach to stimulating, incubating, and accelerating of innovation, which is strongly driven by users’ needs. The work is described in the framework of three innovative scenarios, focusing on the areas of mechanics, E/M and Sound Waves and Quantum Mechanics.

The first scenario “Teaching Real-Life Science in the Lab of Tomorrow”, presents an innovative way to introduce inquiry-based methods in the science classrooms is using advanced technological applications. It presents an advanced wearable system that consists of a series of tiny, programmable devices that are embedded in clothing, footballs and other items. The system monitors the wearer’s running pace, body temperature, heart beat rate or the acceleration of a ball. This practical information can be translated into examples of science theory, raising interest and motivation among students, and improving the learning process. In this way, everyday activities are becoming subject of science experimentation. Students personally may better experience the procedures involved in an authentic research project and thereby may gain a far better understanding of science. 400 students from 18 schools from Greece, Germany, Austria and Italy were involved in the study for a period of 8 months (one school year) during their science lessons. Quantitative and qualitative data were analyzed in detail, pointing to a significant improvement of learning outcomes in both subjects, Physics and Mathematics as well.

Additionally, a video capturing study demonstrates a great opportunity to the teachers to adopt inquiry-based methods in their lessons and to implement teaching strategies that can facilitate learning about scientific inquiry, by developing the abilities of inquiry and understanding scientific concepts and principles.

The second scenario titled “Assessing the impact of technology-enhanced field trips in science centers and museums” presents an innovative approach that crosscuts the boundaries between schools, museums and science centers and involves the participating students in extended episodes of playful learning. Advanced learning schemes that have been developed to facilitate in-situ learning are implemented in an always available educational environment that has been developed with the support of emerging technologies. This was practically achieved by a) the use of Augmented Reality tools which enhance the learning experience of a physical visit by providing contextualized and personalized information and b) by setting up a real-time communication channel through broadband satellite connection between the science center and remote classrooms, offering unique learning experiences to students that are not able to perform physical visits. Our study compares the findings from physical and virtual visits of 12th grade students to a interactive exhibition which was technology supported with augmented reality tools: Technology supported physical visits provide significantly improved learning outcomes by increasing curiosity scores as well as the willingness to communicate and to share enlightening experiences with other students. Additionally, the eagerness to using new technologies is increased as well as the endowment with acquiring knowledge through having fun and experiencing. Furthermore, the application of the specifically applied emerging technologies could facilitate the development of advanced learning experiences in the framework of virtual visits, by significantly increase the learning outcomes and the motivation scores.

The third scenario is focusing on an even more complex subject: The discussion of the particlewave duality of electrons. Our aim with this scenario is to set a framework for assessing the impact of the Science Center to Go augmented reality system on students understanding of the double nature of electrons. Our methodology includes the implementation of the six complex questions which are classified as interpretive and interviews with students focusing on the comparison of the behaviour of the atomic electrons and the electrons at the Double Slit Experiment. The double-slit experiment is a natural sub-topic in the discussion of photons, since it requires both a wave and a particle description of quanta in order to completely account for experimental observations. In this experiment, a mono chromatic beam impinges on two closely spaced slits and diffracts; wavelets spread out behind the slits and interfere in the regions where they overlap, with bright fringes appearing on the detection screen where the antinodal lines intersect. Our study indicates that the Science Center to Go system could help students to understand quite complex phenomena taking into account that the teachers should be aware of the potential impact they may have on student thinking as a consequence of their instructional choices regarding interpretation.