ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΚΑΘ. ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ Ι. ΚΟΜΗΣ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΗΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΑΓΩΓΗΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΗΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΑΓΩΓΗΣ ΣΤΗΝ ΠΡΟΣΧΟΛΙΚΗ ΗΛΙΚΙΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΔΙΔΑΚΤΙΚΗΣ ΤΩΝ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ: ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΑ, ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΤΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΚΑΙ ΤΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΣΤΗΝ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗ ΔΙΟΝΥΣΙΟΣ Β. ΘΩΜΟΠΟΥΛΟΣ Α.Μ.: 346 Η εκπαιδευτική ρομποτική ως μέσο ώθησης για την εμπλοκή του μαθητή με τις Θετικές Επιστήμες. ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΚΑΘ. ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ Ι. ΚΟΜΗΣ ΠΑΤΡΑ 2013

2 Περιεχόμενα ΠΡΟΛΟΓΟΣ... 4 Προβληματική... 6 Ερευνητικά ερωτήματα... 7 ΠΡΩΤΟ ΜΕΡΟΣ-ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΗΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ... 8 Πιθανές αιτίες της αποστροφής των μαθητών προς τις stem Τα εκπαιδευτικά προγράμματα ως επίλυση του προβλήματος Το παράδειγμα των Η.Π.Α Γεωπολιτικές αλλαγές και η ανάγκη για οικονομική ανάπτυξη μέσω της εκπαίδευσης Το πρόγραμμα MESA Το πρόγραμμα egfi To πρόγραμμα InvenTeams Ο αντίλογος Το παράδειγμα της Αυστραλίας Το παράδειγμα της Ευρώπης Stem και εκπαιδευτική ρομποτική στο ελληνικό σχολείο Το πρόγραμμα TERECoP Lego Education WeDo. Ρόλος, χρήση και χρησιμότητα στην εκπαίδευση Θεωρητική θεμελίωση-το έργο του Papert Ιστορία, μορφή και χρήση στην εκπαίδευση Πώς βοηθούν τα Lego; Η FLL ΔΕΥΤΕΡΟ ΜΕΡΟΣ-ΠΡΟΤΑΣΗ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟΥ ΣΕΝΑΡΙΟΥ Εισαγωγή Εκπαιδευτικό σενάριο Το σημερινό εκπαιδευτικό περιβάλλον στη διδασκαλία των stem Μια άλλη πρόταση Συμβατότητα με την εκπαιδευτική καθημερινότητα Δομή του εργαστηρίου Φάσεις ανάπτυξης εκπαιδευτικού σεναρίου Α. Το διδακτικό αντικείμενο του εκπαιδευτικού σεναρίου Β. Οι αναπαραστάσεις των μαθητών σχετικά με το γνωστικό αντικείμενο και πιθανές δυσκολίες της σκέψης τους Γ. Οι στόχοι του εκπαιδευτικού σεναρίου Δ. Το διδακτικό υλικό του εκπαιδευτικού σεναρίου

3 Ε. Οι δραστηριότητες υλοποίησης του εκπαιδευτικού σεναρίου στην τάξη (με χρήση κατάλληλων διδακτικών στρατηγικών) Ζ. Παρατηρήσεις οδηγίες για τους εκπαιδευτικούς ΤΡΙΤΟ ΜΕΡΟΣ-Η ΕΡΕΥΝΑ Συνοπτικά στοιχεία της έρευνας Πρόγραμμα δραστηριοτήτων - Εισαγωγή Οργάνωση και υλοποίηση δραστηριοτήτων Παρατήρηση ανά εργαστήριο Τα τουβλάκια Lego ως υλικό παράδειγμα αποσαφήνισης επιστημονικών εννοιών από το χώρο των stem - Μια αξιοσημείωτη εκπαιδευτική χρήση ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΙΣΤΟΤΟΠΟΙ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ

4 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 1970 η εκπαίδευση στηριζόταν στην εκμάθηση γνώσεων και δεξιοτήτων εν πολλοίς παγιωμένων και ήδη σε χρήση για δεκαετίες. Η έτοιμη γνώση που χρησιμοποιούνταν ως μέσο ανάπτυξης της γνωστικής σφαίρας και εργαλείο ανταποδοτικού οφέλους του μαθητή στην αγορά εργασίας, ήταν στις περισσότερες περιπτώσεις αρκετή για αυτόν, για να ανταπεξέλθει στις επαγγελματικές προκλήσεις ακόμα και δια βίου. Η οικονομική ανάπτυξη των περισσοτέρων χωρών ως τότε στηριζόταν κύρια στην εκμετάλλευση φυσικών πόρων και την οικοδομική δραστηριότητα, τομείς που κατά το μάλλον ή ήττον διέπονταν από παρόμοιους τεχνικούς κανόνες και νόρμες για πολλά χρόνια και που δεν χρειαζόταν, κατά τα τότε φαινόμενα, να υπόκεινται σε αλλαγές. Αλλαγές που, ακόμη και όταν γίνονταν, ήταν περισσότερο δαρβίνειες παρά κοπερνίκειες. Μέσα στα λίγα χρόνια που ακολούθησαν όμως, μια τρομακτικά ταχεία στροφή στην τεχνολογική ανάπτυξη, στηριγμένη κύρια στις απίστευτες δυνατότητες ενός νέου υπέρ-εργαλείου, του ηλεκτρονικού υπολογιστή, έφερε δυνατές ανακατατάξεις στην οικονομία, τις επιστήμες, την μηχανολογία, και, όπως γίνεται με κάθε τέτοια αλλαγή, το ωστικό της κύμα έπληξε και την εκπαίδευση. Η εκπαίδευση συνταράχτηκε, και η ανάγκη για ανακατατάξεις και επαναπροσδιορισμό στόχων και προτεραιοτήτων έγινε αδήριτη. Η πρόσβαση στην πληροφορία, που ως διαδικασία ολοκληρώθηκε στη δεκαετία του 1990, με την εφεύρεση του παγκόσμιου ιστού, έφερε το παραδοσιακό σχήμα «δάσκαλος με γνώσεις και εμπειρίες διδάσκει μαθητές χωρίς γνώσεις και εμπειρίες» σε ρήξη με τον εαυτό του. Ως αποτέλεσμα της από παντού και από όλους πρόσβασης στην πληροφορία, η μάθηση μπορούσε να γίνει - και γινόταν- εξίσου ή και πιο αποτελεσματικά εκτός αιθούσης διδασκαλίας. Ένας δεκαπεντάχρονος με περιέργεια και Internet μαθητής μπορούσε να μάθει πολλά περισσότερα από όσα ήξερε ένας σαραντάχρονος χωρίς περιέργεια και Internet δάσκαλος. Η πρώτη λοιπόν ιδέα για το ρόλο του δασκάλου στην εποχή του Internet έπρεπε να αλλάξει. Η επόμενη απαραίτητη αλλαγή που αυτόματα επέτασσε η πρόσβαση στην πληροφορία ήταν αυτή στο πρόγραμμα σπουδών. Τα παραδοσιακά εργαλεία του δασκάλου (βιβλία, γνώσεις, εποπτικό υλικό) δεν ήταν αρκετά, αλλά και δεν χρειαζόταν να είναι μοναδική πηγή γνώσης. Το γεγονός αυτό είχε δύο επιπτώσεις: Η πρώτη, πως υπήρχε ευθεία σύγκρουση των πεπαλαιωμένων, πολλές φορές λανθασμένων, ασυνεπώς διδακτικά μετασχηματισμένων και μονοσήμαντων πληροφοριών των βιβλίων με τις νέες πηγές που είχε στη διάθεσή του ο μαθητής. Η δεύτερη, πως ο δάσκαλος μπορούσε και έπρεπε πλέον να οδηγήσει τους μαθητές στη γνώση με ένα άλλο τρόπο. (Reitsma κ.ά., 2010). Κάτι τέτοιο όμως δεν γινόταν εύκολα αντιληπτό από τους δασκάλους, οι οποίοι στις περισσότερες περιπτώσεις αντιμετώπισαν κάθε δυσκολία στη μάθηση των παιδιών με τον τρόπο που τους ήταν πιο οικείος και εύληπτος: στήριξη στο εγχειρίδιο, παπαγαλία, κλειστά τεστ επιδόσεων με έτοιμες και μοναδικές δυνατές απαντήσεις, και αμέτοχη θέαση των χαμηλών επιδόσεων των παιδιών στα «δύσκολα» μαθήματα, χωρίς διάθεση και αντοχές για ειλικρινή αυτοαξιολόγηση και ανατροφοδότηση. Τέλος, το θέμα της στήριξης στο εγχειρίδιο που προαναφέρθηκε στερεί από τους μαθητές την πιο σημαντική διάσταση των μαθημάτων: τη σύνδεσή τους με την πραγματικότητα, και με τον απώτερο στόχο τους, που δεν είναι άλλος από τη χρήση των μαθημένων εννοιών για την επίλυση καθημερινών προβλημάτων (English, Lyn D.,2008). 4

5 Η ερευνητική εργασία που ακολουθεί στήριξε την προβληματική της πάνω σε αυτόν ακριβώς τον άξονα: Πώς θα έμοιαζε μια εκπαιδευτική διαδικασία που θα βασιζόταν στην επίλυση προβλημάτων της καθημερινότητας, και στη μάθηση και χρήση της γνώσης ως μέσου για αυτή την επίλυση; Ποια υπάρχοντα εργαλεία και στάσεις εκπαιδευτικές θα ήταν χρήσιμα, και ποια θα μπορούσαν να προκύψουν; Η εστίαση της έρευνας έγινε στις φυσικές επιστήμες και στον προγραμματισμό, που λόγω της κοινωνικά και όχι επιστημονικά προσδιορισμένης δυσκολίας τους, ήταν πιο προκλητικό να αντιμετωπιστούν ως θέμα για συζήτηση και θέση νέων ερωτημάτων για το στόχο και τις πρακτικές εν γένει της εκπαίδευσης. 5

6 Προβληματική Τα περισσότερα παιδιά στο σχολείο αντιμετωπίζουν δυσκολίες στην κατανόηση βασικών εννοιών της Φυσικής, των Μαθηματικών και των ΤΠΕ, όχι τόσο από έλλειψη πρωτογενούς ενδιαφέροντος, αλλά από την πεποίθηση που έχουν ότι το αντικείμενο των Θετικών Επιστημών (πρέπει να) είναι πολύπλοκο και δυσνόητο, πεποίθηση που ενισχύει την αποτροπή τους από την χρήση των εννοιών και του πλαισίου σκέψης των Θ.Ε. στην επίλυση δικών τους πραγματικών προβλημάτων της καθημερινότητας. Τα αποτελέσματα έρευνας της Εθνικής Ακαδημίας Μηχανολογίας (National Academy of Engineering, NAE) δείχνουν πως οι περισσότεροι Αμερικανοί μαθητές πιστεύουν ότι για να γίνει κάποιος μηχανικός, πρέπει να είναι καλός στη Φυσική και τα Μαθηματικά, ενώ υπάρχουν από μέρους τους πολλαπλές και όχι πάντα κοντά στην πραγματικότητα ερμηνείες για το τι είναι και τι κάνει ένας μηχανικός. Και ενώ η δουλειά του μηχανικού στην ουσία της είναι πάντοτε επίλυση προβλημάτων της καθημερινότητας και ενέχει τη δημιουργικότητα, οι έφηβοι - κυρίως τα κορίτσια - συνδέουν τη χρησιμότητα στους άλλους και την προσπάθεια να κάνεις τη διαφορά με επαγγέλματα όπως του γιατρού ή του δασκάλου, αλλά όχι του μηχανικού. Υπάρχει όμως τρόπος να λυθούν αυτά τα προβλήματα, και οι μαθητές να πλησιάσουν χωρίς φόβο, να ενδιαφερθούν και να γίνουν καλοί στις stem; Σειρά ερευνών (Coxon, 2009, Coxon & Chandler, 2009, Mataric, Koenig & Feil- Seifer, 2007, Melchior, Cutter & Cohen, 2004, Oppliger, 2002, Pea & Collins, 2008), έχει δείξει πως η ένταξη της εκπαιδευτικής ρομποτικής συμβάλλει στην αύξηση του ενδιαφέροντος, της ενασχόλησης αλλά και των επιδόσεων των παιδιών στις Θετικές Επιστήμες. Επιπλέον, άλλες έρευνες (Adams et. al., 2011, Bransford, Brown, & Cocking, 1999, Demetriou, 2011, Kuenzi, 2008, Petre & Price, 2004, Petroski, 2003) δείχνουν πως η ενασχόληση με τον προγραμματισμό μπορεί να βοηθήσει τα παιδιά να διαμορφώσουν ένα δομημένο τρόπο σκέψης στηριγμένο στην λογική αλληλουχία, τον κατακερματισμό και την επίλυση προβλημάτων. 6

7 Ερευνητικά ερωτήματα Τα συμπεράσματα των ερευνητικών εργασιών που αναφέρθηκαν οδηγούν στα εξής ερωτήματα: 1. Είναι αναγκαία η ένταξη της εκπαιδευτικής ρομποτικής στο δημοτικό σχολείο, και θα μπορούσε να συνεισφέρει στην αύξηση του ενδιαφέροντος των παιδιών για τις Θετικές Επιστήμες και τις ΤΠΕ, ταυτόχρονα με την αύξηση των επιδόσεών τους; 2. Πώς μπορεί να διδαχθεί πρωτογενώς ο προγραμματισμός σε παιδιά δημοτικού, με τρόπο που να είναι ταυτόχρονα προσιτός στους μαθητές αλλά και συνεπής επιστημονικά; Σχεδιασμός της εργασίας Η πτυχιακή εργασία αποτελείται από τρία μέρη: Στο πρώτο μέρος γίνεται επισκόπηση της βιβλιογραφίας που οδήγησε στο ερευνητικό ερώτημα, ανάδειξη των θεμάτων που προκύπτουν, και παρουσίαση αποτελεσμάτων ερευνητικών εργασιών που επιχειρηματολογούν υπέρ της εισαγωγής της εκπαιδευτικής ρομποτικής στο σχολείο, και προτείνουν μεθοδολογίες εφαρμογής της. Εδώ θα γίνει επίσης αναφορά στο ρόλο και τη χρησιμότητα των Lego σε αυτή την κατεύθυνση. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζεται αναλυτικά το εκπαιδευτικό σενάριο που υλοποιήθηκε κατά τη διάρκεια της έρευνας, ως μια εκπαιδευτική πρόταση για την ενίσχυση της ενεργητικής εμπλοκής και της αύξησης του ενδιαφέροντος και των επιδόσεων των παιδιών στις stem. Στο τρίτο μέρος γίνεται παρουσίαση μικρής έρευνας σε παιδιά δημοτικού, που ακολούθησαν πρόγραμμα δραστηριοτήτων επίλυσης προβλήματος με χρήση ρομποτικού συστήματος και περιβάλλοντος οπτικού προγραμματισμού. 7

8 ΠΡΩΤΟ ΜΕΡΟΣ-ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΗΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ Στο πρώτο μέρος θα γίνει ανάλυση των μελετηθεισών ερευνών που σχετίζονται με τα ερευνητικά ερωτήματα, και θα αναδειχθούν τρόποι προσέγγισής τους και δυνατότητας μιας προσπάθειας για απάντησή τους. Για λόγους ευληψίας του αντικειμένου η επισκόπηση της βιβλιογραφίας διαιρέθηκε σε τέσσερις επιμέρους ενότητες: Πιθανές αιτίες της αποστροφής των μαθητών προς τις stem. Τα εκπαιδευτικά προγράμματα ως επίλυση του προβλήματος. Η εκπαιδευτική ρομποτική στο ελληνικό σχολείο. Lego Education WeDo. Ρόλος, χρήση και χρησιμότητα στην εκπαίδευση. Πιθανές αιτίες της αποστροφής των μαθητών προς τις stem. Σε αυτή την ενότητα θα γίνει παρουσίαση δεδομένων, αποτελεσμάτων και συμπερασμάτων από έρευνες σχετικές με το πρόβλημα της ελλιπούς εμπλοκής των μαθητών με τις stem, που περιγράφουν τις αιτίες και προτείνουν λύσεις με αλλαγές στον τρόπο που αντιμετωπίζουμε την εκπαίδευση. Οι πιθανές αιτίες που οδηγούν τους μαθητές εκτός stem και ανιχνεύθηκαν στις έρευνες που μελετήθηκαν είναι συνοπτικά οι παρακάτω: Η αμφισβητούμενη χρησιμότητα στους μη μηχανικούς Η αποσύνδεση από την πραγματικότητα Η αποδόμηση ως εξειδίκευση Ο ρόλος του εκπαιδευτικού των stem Το οικονομικό-πολιτικό συγκείμενο Το κοινωνικό συγκείμενο Οι αιτίες περιγράφονται αναλυτικά παρακάτω: 8

9 Η αμφισβητούμενη χρησιμότητα στους μη μηχανικούς Η ανάγκη παραγωγής επιστημόνων οδηγεί και την εκπαιδευτική πολιτική. Στο σχολείο είναι πρώτης προτεραιότητας τα ίδια τα διδακτικά αντικείμενα, αλλά και οι επιδόσεις των μαθητών στα μαθήματα των Μαθηματικών, της Φυσικής και των Τεχνολογιών της Πληροφορίας και των Επικοινωνιών. Παρά ταύτα, πολύ έντονα παρατηρείται το φαινόμενο οι μαθητές να αποφεύγουν την εμπλοκή με τις Θετικές Επιστήμες, κάτι που οδηγεί στο να απορρίψουν αργότερα την ενασχόληση, είτε ακαδημαϊκά, είτε επαγγελματικά, με τις stem. Επιπροσθέτως, πολλές φορές οι Θετικές Επιστήμες αντιμετωπίζονται από τα παιδιά ως αυστηρά οριοθετημένο γνωστικό αντικείμενο, αποκομμένο από τις υπόλοιπες επιστήμες, με την έννοια ότι μαθητές που κλίνουν προς τις θεωρητικές επιστήμες αποφεύγουν συνειδητά και σκόπιμα την οποιαδήποτε ενασχόληση με τις stem. Από έρευνες έχει αποδειχθεί πως οι καλύτεροι επαγγελματίες οποιουδήποτε κλάδου είναι «αυτοί που έχουν ικανότητες αποτελεσματικής εργασίας με πολύπλοκα συστήματα, λειτουργούν αποδοτικά και επικοινωνούν δημιουργικά με ειδικούς από διαφορετικούς κλάδους, σχεδιάζουν, παρακολουθούν και αξιολογούν την πρόοδο της δουλειάς τους, και προσαρμόζονται γρήγορα στις νέες τεχνολογίες. Επιπλέον, παρόλο που όντως χρησιμοποιούν τις γνώσεις που απέκτησαν στο σχολείο, το κάνουν με τρόπο ευέλικτο και δημιουργικό, συχνά δημιουργώντας ή επανασχεδιάζοντας τη μαθηματική γνώση ώστε να είναι κατάλληλη για την προβληματική κατάσταση που αντιμετωπίζουν, αντίθετα με τον τρόπο που μάθαιναν τα μαθηματικά όταν πήγαιναν στο σχολείο» (Gainsburg, 2006; Hamilton, 2007; Lesh, υπό δημοσίευση; Zawojewski & McCarthy, 2007). 9

10 Η αποσύνδεση από την πραγματικότητα Στην έρευνα των Adams κ.ά. (2011) τίθενται ερωτήματα που έχουν να κάνουν με τις βαθύτερες αιτίες απομάκρυνσης των μαθητών από την επιλογή αντικειμένου σπουδών ή απασχόλησης σχετικού με τις stem. Η ερευνητική ομάδα ψάχνει απαντήσεις τόσο σχετικά με το μειωμένο ενδιαφέρον των παιδιών για τις stem, όσο και με την ανεπάρκεια ακόμα και απόφοιτων πολυτεχνικών σχολών να κάνουν χρήση των γνώσεών τους λύνοντας πραγματικά μηχανολογικά προβλήματα. Και τα δύο παραπάνω προβλήματα φαίνεται πως έχουν τη ρίζα τους στην ανεπαρκή βασική εκπαίδευση των παιδιών. Η ανεπάρκεια αυτή δεν εστιάζεται τόσο στην -όντως, παρά ταύτα- ελλιπή παροχή πληροφοριών, όσο στην απόλυτη αποσύνδεσή τους από το πραγματικό περιβάλλον μάθησης, τον φυσικό κόσμο. Για τα παραπάνω κακώς κείμενα εν μέρει υπεύθυνος μπορεί να θεωρηθεί ο ανεπαρκής και μερικά ασυνεπής διδακτικός μετασχηματισμός των επιστημονικών εννοιών. Στην παρουσίαση του Ραβάνη (2009) επισημαίνεται ο ρόλος και η σημαντικότητα του σωστού (αλλά και του λανθασμένου) διδακτικού μετασχηματισμού, του τρόπου δηλαδή που η επιστημονική γνώση μετατρέπεται σταδιακά σε αντικείμενο διδασκαλίας. Στο πρώτο στάδιο του διδακτικού μετασχηματισμού, όταν δηλαδή οι συγγραφείς ενός βιβλίου για την εκπαίδευση καλούνται να μετατρέψουν επιστημονικές έννοιες σε αντικείμενο διδασκαλίας, διαλέγουν εκείνες που θεωρούν σημαντικές και τις εξηγούν με χρήση κειμένου, μαθηματικών εξισώσεων, εικόνων, παραδειγμάτων και ασκήσεων, ώστε να τις κατανοήσουν καλύτερα οι μαθητές. Στο δεύτερο στάδιο διδακτικού μετασχηματισμού, που γίνεται μέσα στη σχολική αίθουσα, ο καθηγητής χρησιμοποιεί το εγχειρίδιο, εποπτικό υλικό, το λόγο, τη φαντασία και την αλληλεπίδρασή του με τους μαθητές για τον ίδιο σκοπό. Περνώντας όμως μέσα από αυτά τα δύο φίλτρα, πολύ συχνά οι επιστημονικές έννοιες αποπλαισιώνονται πλήρως, τόσο από το ίδιο το ακαδημαϊκό, όσο και από το πολιτικό, κοινωνικό, οικονομικό και ιστορικό τους συγκείμενο, που πολύ συχνά τους στερεί τη νοηματική τους βάση, τις απομονώνει από το πεδίο όπου καλλιεργήθηκαν και τις ευνοϊκές συνθήκες ανάπτυξής τους, και τις καθιστά ιστορικά άχρονες, αποδομημένες, αποσυνδεδεμένες από την πραγματικότητα που τις γέννησε και απονοηματοδοτημένες έννοιες, κυρίως προς αποστήθιση παρά προς βαθύτερη κατανόηση. Και το χειρότερο είναι πως αυτή τους η αποπλαισίωση και αποσύνδεση από την πραγματικότητα δεν σταματά όταν αποφοιτήσουν τα παιδιά από το σχολείο, αλλά συνεχίζεται και όταν εισαχθούν στις Πολυτεχνικές σχολές. Εκεί η έμφαση φαίνεται πως δίνεται περισσότερο «στην απόκτηση τεχνικών γνώσεων αντί για την προετοιμασία για την επαγγελματική πρακτική, στην επιφανειακή κάλυψη τεχνικών εννοιών αντί για τη βαθύτερη κατανόησή τους, ρηχά και αυστηρά πειθαρχημένα προγράμματα, και τη χρήση των εργαστηρίων για την λύση δομημένων και ήδη λυμένων προβλημάτων. Πολλοί ερευνητές και στελέχη εταιριών έχουν διατυπώσει τις επιφυλάξεις τους σχετικά με το πώς και πόσο οι εκπαιδευτικοί δίνουν επαρκή προσοχή στην ενίσχυση της κατανόησης εννοιών και εν γένει των ικανοτήτων που χρειάζονται οι μαθητές για να είναι επιτυχημένοι μετά το σχολείο. Ακόμη και οι ίδιοι οι φοιτητές όμως πιστεύουν ότι οι εξωπανεπιστημιακές εμπειρίες, όπως ένα internship, είναι πιο αντιπροσωπευτικές του τι σημαίνει να είσαι μηχανικός, από τις εμπειρίες που έχουν στα αμφιθέατρα». (Adams κ.ά., 2011). 10

11 Για μια μορφή αντιμετώπισης της αποσύνδεσης, η Svinicki στο Adams κ.ά. (2011), προτείνει τη λύση της δημιουργίας πέντε συνδέσεων: Σύνδεση μεταξύ παλιού και νέου: Η βασική διαδικασία της μάθησης, τόσο στο συμπεριφορικό όσο και στο νευρολογικό επίπεδο, είναι η οικοδόμηση συνδέσεων μεταξύ παλιών και νέων γνώσεων. Μαθαίνουμε συνδέοντας αυτό που γνωρίζουμε με αυτό που δεν γνωρίζουμε (σ.τ.σ.: κάτι που συναντάμε και στη Ζώνη Επικείμενης Ανάπτυξης του Vygotsky). Μια μορφή σύνδεσης που είναι χρήσιμο να μάθουν οι μαθητές, γιατί μπορούν να χρησιμοποιούν τις παλιές τους γνώσεις ως παραδείγματα κατανόησης των νέων γνώσεων, παρατηρώντας ομοιότητες και διαφορές στον τρόπο λειτουργίας τους. Σύνδεση θεωρίας και πράξης: Στους καθηγητές αρέσει να χρησιμοποιούν απομονωμένη θεωρία και αφηρημένα παραδείγματα για να διδάξουν μια επιστημονική έννοια, αλλά ένας μαθητής κάνει πολύ καλύτερη έναρξη μάθησης με απτά παραδείγματα από την καθημερινότητα, που βασίζονται στην προαναφερθείσα σύνδεση παλιάς και νέας γνώσης. Τα απτά παραδείγματα είναι ευκολότερα να τα φέρεις στο μυαλό, ο μαθητής σχεδόν πάντα τα έχει συναντήσει κάποια στιγμή στη ζωή του, και βοηθούν ως δείκτες εκτίμησης της κατανόησης της νέας έννοιας. Αυτό για την εκπαιδευτική διαδικασία σημαίνει πως οι δάσκαλοι θα πρέπει να χρησιμοποιούν παραδείγματα από την καθημερινή πραγματικότητα των μαθητών, για να παρουσιάσουν επιστημονικές έννοιες. Αν αυτό δεν γίνει, οι μαθητές θα αναγκαστούν να απομνημονεύσουν την έννοια, αδυνατώντας πώς μπορεί αυτή να συνδεθεί με τον παροντικό ή μελλοντικό τους κόσμο. Αυτή η οπτική όχι μόνο υποβαθμίζει τη μάθηση, αλλά μειώνει και το κίνητρο για μάθηση. Σύνδεση κατανόησης και εφαρμογής: Οι μαθητές δεν κατανοούν πραγματικά μια έννοια, μέχρι να μπορούν να την εφαρμόσουν σε μια προσωπική τους εφαρμογή της έννοιας, λύνοντας ένα δικό τους πρόβλημα της καθημερινότητας. Το να λύσεις μόνος σου το δικό σου πρόβλημα, αυτό είναι που κάνει τις συνδέσεις πραγματικές και τη μάθηση αυθεντική. Προσπάθεια για δομικές συνδέσεις και όχι απλά επιφανειακές ομοιότητες: Αυτή η μορφή σκέψης οδηγεί όχι μόνο στην οικοδόμηση νέων εννοιών, αλλά και στην ανάπτυξη της ικανότητας να γνωρίζει ο μαθητής τον εννοιακό χώρο όπου θα ταίριαζαν γνώσεις και ιδέες που δεν έχει ακόμη κατακτήσει. Ο εγκέφαλός μας είναι φτιαγμένος για να αναζητά μοτίβα, ομοιότητες στις εμπειρίες μας. Με παρόμοιο τρόπο μια προς διδασκαλία έννοια πρέπει να αντιμετωπίζεται πρώτα ως αντικείμενο σύνδεσης με τις ήδη μαθημένες έννοιες, πριν εξεταστεί σε βάθος. Να είσαι το πρότυπο του μηχανικού που θέλεις να γίνουν οι μαθητές σου: Μια πολύ ισχυρή μορφή μάθησης σε πολλά είδη ζώων, του ανθρώπου συμπεριλαμβανομένου, είναι η παρατήρηση και η μίμηση των συμπεριφορών των άλλων. Η μεγαλύτερη δύναμη αλλά και η μεγαλύτερη πρόκληση για ένα δάσκαλο είναι ότι διδάσκει είτε έχει την πρόθεση είτε όχι. 11

12 Η αποδόμηση ως εξειδίκευση Για τους μηχανικούς και τους επιστήμονες που ασχολούνται με οποιασδήποτε μορφής engineering είναι κοινή παραδοχή πως τα ζητήματα της μηχανολογίας είναι στη βάση τους ζητήματα καλής κατανόησης και αποτελεσματικής χρήσης εννοιών της Φυσικής και των Μαθηματικών. Η δε αντιμετώπισή τους γίνεται με τη χρήση υπολογιστών, που πολύ συχνά περιλαμβάνει την δημιουργία προγραμμάτων σε κάποια γλώσσα προγραμματισμού και την υλοποίησή τους μέσω ρομποτικών συστημάτων. Για αυτό το λόγο πλέον σε πολλές χώρες η Φυσική, η Τεχνολογία, η Μηχανολογία και τα Μαθηματικά αντιμετωπίζονται ως ένας κλάδος, καλούμενος STEM (Science, Technology, Engineering, Mathematics). Όμως στην καθημερινή εκπαιδευτική πρακτική τα μαθήματα αυτά εξακολουθούν να διδάσκονται χωριστά, και κυρίως, χωρίς την «κόλλα» που κρατά τις stem ενωμένες: το προς επίλυση πρόβλημα. Τα παιδιά διδάσκονται μαθηματικές έννοιες όπως το ολοκλήρωμα, ή φυσικές έννοιες όπως το μαγνητικό πεδίο, αλλά σύντομα ξεχνούν τι σημαίνει κάθε έννοια, ακριβώς γιατί αυτή η διδασκαλία τους στερείται απόδοσης νοήματος, δηλαδή σύνδεση με το πρόβλημα για την επίλυση του οποίου εξ αρχής κατασκευάστηκαν. Τα παιδιά δηλαδή διδάσκονται τις μαθηματικές και φυσικές έννοιες σχεδόν όπως τα δόγματα: βαθιές, αυθύπαρκτες και αλάνθαστες θεωρίες που προέκυψαν από το τίποτα και είναι απαραίτητο να τις γνωρίζουν, αλλά δεν τους εξηγείται γιατί. Αυτή η διδακτική μέθοδος έρχεται σε πλήρη αντίθεση με την επιστημονική πραγματικότητα: ότι, δηλαδή, οι φυσικές και μαθηματικές έννοιες είναι εργαλεία, που κατασκευάστηκαν για να ερμηνεύσουν, να ταξινομήσουν και να προβλέψουν τα παρατηρούμενα φαινόμενα, ή να λύσουν προβληματικές συμπεριφορές υλικών ή καταστάσεων. Για αυτό το λόγο η αποδόμηση του εκπαιδευτικού προγράμματος ευθύνεται για την απόσταση από την πραγματικότητα, των γνωστικών αντικειμένων που κατασκευάστηκαν ακριβώς για να περιγράψουν αυτή την πραγματικότητα. Η εξειδίκευση σε ένα επιστημονικό τομέα είναι χρήσιμη όταν ένα πρόβλημα εξετάζεται σε σχέση με το αντικείμενο της εξειδίκευσης, αλλά τα περισσότερα σύγχρονα επιστημονικά προβλήματα απαιτούν διεπιστημονική προσέγγιση, γεγονός που ακολούθως απαιτεί την διεπιστημονική εκπαίδευση, με πυρήνα την εξέταση του πραγματικού προβλήματος, και ακόλουθα το χτίσιμο των προς διδασκαλία εννοιών να γίνεται γύρω από το πρόβλημα. 12

13 Ο ρόλος του εκπαιδευτικού των stem Ισχυρή επίδραση στην αποφυγή ενασχόλησης με τις stem δείχνει να έχει και ο εκπαιδευτικός που αναλαμβάνει να διδάξει Φυσική, Μαθηματικά ή ΤΠΕ στο σχολείο. Μεγάλος αριθμός καθηγητών της Μέσης Εκπαίδευσης δεν έχει γνώσεις παιδαγωγικών, και αναπόφευκτα διδάσκουν το μάθημά τους με χρήση τακτικών που προκύπτουν εμπειρικά, αντιγράφοντας τους δικούς τους καθηγητές όταν ήταν μαθητές, ή με χρήση συμβατικής γνώσης, που μοιάζει συνεπής αλλά τις περισσότερες φορές είναι αναποτελεσματική. Επιπλέον, η διαδικασία πρόσληψης των εκπαιδευτικών stem στο σχολείο έπεται συνήθως κατά αρκετά χρόνια της απόκτησης του πτυχίου τους, με αποτέλεσμα οι γνώσεις τους σε θέματα της επιστήμης τους να έχουν ξεθωριάσει και η ικανότητα αλλά και η διάθεσή τους να τα διδάξουν να έχει μειωθεί αισθητά. Οι παραπάνω παράγοντες παίζουν μεγάλο ρόλο τόσο στην ικανότητα του εκπαιδευτικού να οδηγήσει τα παιδιά στη μάθηση, όσο και στην έλλειψη αυτοπεποίθησης μέσα στην τάξη, που οδηγεί συχνά στην τακτική της αποφυγής ερωτήσεων από μαθητές, στην αοριστία των όποιων απαντήσεων και σε μια αίσθηση δυσθυμίας που μεταφέρεται και στους μαθητές. Στην ικανότητα του εκπαιδευτικού αναφέρεται και ο Kuenzi (2008), ο οποίος σημειώνει πως «πολλά παιδιά διδάσκονται από καθηγητές με έλλειψη ικανών γνώσεων για να διδάξουν το αντικείμενο». Προς επίρρωση των παραπάνω, σε σχετική του έρευνα ο Järvinen αναφέρει πως «στην κουλτούρα των σχολείων, οι δάσκαλοι συχνά νιώθουν υποχρεωμένοι να διασφαλίσουν πως τα παιδιά θα μάθουν κοινωνικά αποδεκτές γνώσεις και δεξιότητες (που βρίσκονται στο σχολικό εγχειρίδιο και διαπιστώνονται μέσω εξετάσεων) στη μαθησιακή διαδικασία (Edwards & Mercer, 1987, στο Järvinen, 1998). Η επιτομή της διαδικασίας αυτής βρίσκεται στις αυταρχικές διδακτικές μεθόδους (Wertsch, 1991, στο ίδιο), όπου ο δάσκαλος ελέγχει την κοινωνική αλληλεπίδραση και οποιαδήποτε άλλη διαδικασία μέσα στην τάξη. Αυτό αντιτίθεται στην δυνατότητα για συνεργατική μάθηση και οδηγεί τους πιο αδύναμους μαθητές στο περιθώριο. Με παρόμοιο τρόπο, οι προθέσεις και οι ενέργειες των παιδιών (θεωρείται πρέπον να) είναι πάντα σε πλήρη συνάρτηση με τις προσδοκίες του δασκάλου. Σε αυτό το εκπαιδευτικό πλαίσιο τα παιδιά δεν νιώθουν απαραίτητα τη διδασκαλία και το περιεχόμενό της να είναι προσωπικά σημαντικά ή ωφέλιμα.» 13

14 Το οικονομικό-πολιτικό συγκείμενο Η οικονομική ανάπτυξη ενός κράτους που στηρίζεται στην πραγματική οικονομία ενός καπιταλιστικού οικονομικού συστήματος εξαρτάται άμεσα από την παραγωγή προϊόντων και υπηρεσιών που σε μεγάλο βαθμό σχετίζονται με την εφεύρεση, ανακάλυψη, κατασκευή και προώθηση νέων μηχανημάτων και υπηρεσιών που ικανοποιούν ανάγκες των ατόμων και οδηγούν στην κατανάλωση των προϊόντων, την απόλαυση των υπηρεσιών και την κυκλοφορία του χρήματος. Για το λόγο αυτό, για πολλά χρόνια γινόταν προσπάθεια σε όλες τις χώρες που ήθελαν να γίνουν ή να παραμείνουν ανταγωνιστικές, να έχουν στο δυναμικό τους εξειδικευμένους και αποτελεσματικά καταρτισμένους μηχανικούς και επιστήμονες, ικανούς να παράγουν καθαρή και εφαρμοσμένη έρευνα που να οδηγεί σε παραγωγή χρήσιμων και ευπώλητων προϊόντων και υπηρεσιών. Αυτό το ρεύμα παραγωγής επιστημόνων περιορίστηκε αρκετά τα τελευταία 20 χρόνια. Ένας πιθανός λόγος ήταν πως η οικονομική ανάπτυξη, κυρίως στις Η.Π.Α. αλλά όχι μόνον, επαναθεμελιώθηκε στη βάση της χρηματοπιστωτικής οικονομίας, που στηρίζεται κατά κύριο λόγο στην παραγωγή υπηρεσιών και προϊόντων με μικρή ή μηδενική ανταπόκριση στην υλική πραγματικότητα. Με αυτή τη λογική οι κρατικοί πόροι των δυνατών οικονομιών επαναδιανεμήθηκαν, από την επένδυση στις επιστήμες στην επένδυση στην παραγωγή τραπεζικών υπηρεσιών και το χρηματοπιστωτικό τομέα. Αποτέλεσμα αυτής της πολιτικής ήταν η αποστροφή των μαθητών από μαθήματα του σκληρού επιστημονικού κλάδου, σε μαθήματα που σκόπευαν στην επιτυχία κύρια στις επιστήμες των οικονομικών, της διοίκησης επιχειρήσεων και του marketing. Έτσι, και σταδιακά, πολλές χώρες που πρωταγωνιστούσαν στην παραγωγή επιστημόνων παρήκμασαν στον τομέα αυτό, παρασύροντας μαζί τους και γενικότερα το εκπαιδευτικό τους σύστημα. Οι Η.Π.Α., μια χώρα που τις προηγούμενες δεκαετίες ήταν πρωτοπόρος σε επιστημονικούς τομείς όπως η Διαστημική, η Μηχανολογία και η Πληροφορική, παρατηρεί μια κάθετη πτώση στην ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών εκπαίδευσης, που περιγράφεται αναλυτικά σε επόμενη ενότητα. 14

15 Το κοινωνικό συγκείμενο Κατά τους Mataric κ.ά. (2007), υπάρχει μια σειρά ετερογενών αλλά δυναμικά επιδραστικών κοινωνικών παραγόντων που οδηγούν τους μαθητές με ωσμωτικό τρόπο να ενστερνιστούν την άποψη πως τα μαθήματα της Φυσικής και των Μαθηματικών, εν γένει των Θετικών Επιστημών είναι δυσνόητα, απαιτούν μεγάλη διανοητική επάρκεια, πολύπλοκο τρόπο σκέψης και έχουν απόσταση από την πραγματικότητα. Αυτοί οι παράγοντες είναι το πολιτισμικό πλαίσιο της χώρας, η κουλτούρα της οικογένειας, παρανοήσεις από ανθρώπους με επιρροή στο παιδί που δεν ασχολούνται επαγγελματικά με την εκπαίδευση, αλλά και συμμαθητές. Στο βιβλίο του Mindstorms: Children, Computers and Powerful Ideas ο Papert αναφέρει πως η δυσκολία αυτή αντιμετωπίζεται μεγαλώνοντας από την αρχή τα παιδιά στον κόσμο που ανήκει σε εκείνα και όχι στους δασκάλους, στον κόσμο όπου η εξοικείωση με την τεχνολογία είναι διαδικασία καθημερινότητας, όπως είναι η εκμάθηση της μητρικής μας γλώσσας. 15

16 Τα εκπαιδευτικά προγράμματα ως επίλυση του προβλήματος. Η εκπαίδευση ενός μαθητή που οδηγεί στην κατανόηση θεμελιωδών εννοιών Φυσικής και Μαθηματικών, με σκοπό τη χρήση τους για την επίλυση προβλημάτων μηχανολογικής φύσεως είναι ψηλά στην εκπαιδευτική ατζέντα πολλών οικονομικά δυνατών χωρών, που στήνουν υψηλής ποιότητας και κόστους προγράμματα προκειμένου να διαμορφώσουν ευνοϊκές εκπαιδευτικές συνθήκες για να ωθήσουν περισσότερους και καλύτερους μαθητές στο χώρο του engineering. Σε αυτή την ενότητα θα μελετήσουμε μια σειρά εκπαιδευτικών προγραμμάτων που έχουν υλοποιηθεί σε χώρες με υψηλή οικονομική ανάπτυξη, όπως είναι οι Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής και η Αυστραλία. Το παράδειγμα των Η.Π.Α. Σε σχετική τους έρευνα οι Pea & Collins (2008) μελετούν την πορεία χάραξης της εκπαιδευτικής πολιτικής σε σχέση με τις stem στις Η.Π.Α., την οποία χωρίζουν χρονικά σε τέσσερα κύματα: Το πρώτο κύμα ( ) προήλθε ως «ανταπόκριση στη συναίσθηση πως το εκπαιδευτικό σύστημα δεν παρείχε εκπαίδευση στις θετικές επιστήμες κατάλληλη για να διατηρήσει την πρωτοπορία των Η.Π.Α. ως κέντρου της επιστημονικής έρευνας στην πρώτη περίοδο μετά το Β Παγκόσμιο Πόλεμο». Το πρώτο κύμα εκπαιδευτικής μεταρρύθμισης ξεκινά με την ίδρυση του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών και την δραματικά αυξανόμενη χρηματοδότηση που ακολούθησε την εκτόξευση του πρώτου δορυφόρου, Sputnik, από τη Σοβιετική Ένωση το 1957, μέρος της υπερεντατικής προσπάθειας των Η.Π.Α. να επανέλθουν στην κορυφή της επιστημονικής καινοτομίας και να νικήσουν στην επόμενη μάχη του Ψυχρού Πολέμου, που εκείνη την εποχή βρισκόταν σε πλήρη εξέλιξη. Οι καθηγητές των μεγάλων πανεπιστημίων των Η.Π.Α. οδήγησαν αυτή τη μεταρρύθμιση, σκοπεύοντας να εισαγάγουν τους μαθητές στις πρόσφατες επιστημονικές ανακαλύψεις και στη χρήση της επιστημονικής μεθόδου. Η μεταρρύθμιση αυτή όμως δεν έλαβε υπ όψη την ανάγκη των δασκάλων να μάθουν σε βάθος τα επιστημονικά αντικείμενα πριν τα διδάξουν (πρόβλημα στο οποίο θα αναφερθούμε εκτενώς παρακάτω), την παραμέληση σχεδόν του συνόλου των μαθητών και την εστίαση στους ταλαντούχους και άριστους, παράγοντες που συνετέλεσαν στο να φαίνονται τα μαθήματα αυτά πιο απαιτητικά και δύσκολα. Το δεύτερο κύμα ( ) χαρακτηρίστηκε από την εισαγωγή και χρήση της γνωστικής επιστήμης, για να βρεθούν τρόποι διάγνωσης του αναπτυξιακού επιπέδου κάθε παιδιού, να κατασκευαστούν εργαλεία για να διευκολυνθούν οι μαθητές με ιδιαιτερότητες, και να βοηθήσει όλους τους μαθητές να ξεπεράσουν γνωστικά και αναπτυξιακά εμπόδια και να μάθουν όσο καλύτερα γίνεται. Αναπτύχθηκαν νέες τεχνολογίες για να διαδοθεί σε περισσότερα παιδιά η επιστημονική γνώση, μέσω προσομοιώσεων και δυναμικών απεικονίσεων πολύπλοκων επιστημονικών εννοιών. Εδώ δεν δόθηκε τόση σημασία στην μετεκπαίδευση των εκπαιδευτικών, τον σχεδιασμό μηχανισμών αξιολόγησης, και την ηγεσία στην εκπαίδευση, κάτι που συνέβη περισσότερο στο τρίτο κύμα. Το τρίτο κύμα ( ) περιελάμβανε τη δημιουργία εθνικών και πολιτειακών προτύπων, για να ορισθεί το τι πρέπει να ξέρουν και τι να μπορούν να κάνουν οι μαθητές σε κάθε μάθημα. Δημιουργήθηκαν μηχανισμοί αξιολόγησης, και έγινε προσπάθεια να ευθυγραμμιστούν τα πρότυπα, τα προγράμματα και οι αξιολογήσεις. Εδώ δεν έγινε μεγάλη προσπάθεια να προσαρμοστεί το πρόγραμμα 16

17 στη διαφορετική κοινωνική δυναμική που επηρεάζει τους εκπαιδευτικούς στόχους κάθε σχολείου, ανάλογα με την περιοχή που βρίσκεται, και τους εξωγενείς παράγοντες που επηρεάζουν την εκπαιδευτική διαδικασία, όπως το κοινωνικοοικονομικό επίπεδο των μαθητών σε κάθε σχολείο, την τοποθεσία, το πλήθος και την φυλετική κατανομή τους. Επίσης, για ακόμη μία φορά παραμελήθηκε η βασική ανάγκη για κατάλληλη μετεκπαίδευση των δασκάλων, αλλά και η σημασία των σχολικών εργασιών για να βελτιωθεί η μαθησιακή διαδικασία αλλά και τα αποτελέσματα αυτής. Τέλος, το τέταρτο κύμα (2000-σήμερα) περιλαμβάνει την ανάδυση μιας συστημικής προσέγγισης στο σχεδιασμό των μαθησιακών περιβαλλόντων για να βελτιωθεί η κατανόηση των επιστημονικών εννοιών από τους μαθητές. Οι εκπαιδευτικοί και οι ερευνητές αναγνωρίζουν την ανάγκη για αποτελεσματικό συντονισμό των εκπαιδευτικών προγραμμάτων, δραστηριοτήτων και εργαλείων για να υποστηρίξει ποικίλες διδακτικές μεθόδους που θα βοηθήσουν τους μαθητές να αναπτύξουν την ικανότητα να συνδέουν μεταξύ τους ανόμοιες αρχικά ιδέες σχετικές με τις Φυσικές Επιστήμες, αλλά και την ανάγκη για τη δια βίου εκπαίδευση των εκπαιδευτικών σε σχέση με τη βελτίωση της διδακτικής διαδικασίας. 17

18 Γεωπολιτικές αλλαγές και η ανάγκη για οικονομική ανάπτυξη μέσω της εκπαίδευσης Γυρνώντας στο σήμερα, μεγάλες αλλαγές στην παγκόσμια οικονομία, προϊόν αλληλεπίδρασης της τεχνολογικής ανάπτυξης με την κοινωνική και γεωπολιτική αναδιάταξη, επιτάσσουν την αλλαγή τρόπου σκέψης σχετικά με το ρόλο και την επίδραση του engineering στην απάντηση που θέτουν επειγόντως καίρια ζητήματα της εποχής, όπως το δημογραφικό, η ταχεία αύξηση του πληθυσμού και η παγκοσμιοποίηση της οικονομίας. Σε σχετική του έρευνα ο Duderstadt (2011) αναφέρει πως «είναι προφανείς οι επιπτώσεις μιας τεχνολογικά ωθούμενης παγκόσμιας οικονομίας στην μηχανολογική πρακτική. Η παγκοσμιοποίηση της αγοράς απαιτεί μηχανικούς ικανούς να εργάζονται με και ανάμεσα σε άτομα από διαφορετικές κουλτούρες και να γνωρίζουν πώς κινείται η παγκόσμια αγορά. Χρειάζεται μια νέα οπτική για την οικοδόμηση ανταγωνιστικών επιχειρήσεων καθώς τα όρια μεταξύ συνεργασίας και ανταγωνισμού γίνονται ολοένα και πιο δυσδιάκριτα». Οι παραπάνω λόγοι οδήγησαν μεγάλα πανεπιστήμια όπως το MIT και το CSU να επαναπροσδιορίσουν την πολιτική τους και να απευθυνθούν ξανά στο αμερικανικό κοινό για να φτιάξουν νέους μηχανικούς. Με βάση αυτή την πολιτική, εγκρίθηκαν μεγάλα κονδύλια για εκπαιδευτικά προγράμματα που θα ωθούν τους μαθητές προς τις stem και θα ενθαρρύνουν μέσω υποτροφιών τους πιο ικανούς να υλοποιήσουν τις ιδέες τους. Πιο κάτω θα αναφερθούν μερικά τέτοια προγράμματα, με παρουσίαση των βασικών χαρακτηριστικών τους. 18

19 Το πρόγραμμα MESA Το σχολικό πρόγραμμα MESA (Mathematics Engineering Science Achievements) του California State University λειτουργεί από το 1972 στην πολιτεία της Καλιφόρνια και από το 1980 σε οχτώ πολιτείες. Από την ίδρυσή του στο πανεπιστήμιο του Berkeley το 1970, το MESA βοηθά μειονοτικούς μαθητές να μάθουν Μαθηματικά και Φυσική με καινούριους, συναρπαστικούς τρόπους. Επιπρόσθετα, προετοιμάζει μαθητές για την είσοδό τους σε κολέγια και πανεπιστήμια. Πολλοί απόφοιτοί του τελικά παίρνουν πτυχίο φυσικού ή μαθηματικού και ασκούν αυτά τα επαγγέλματα. Σκοπός του είναι να ωθήσει και να προετοιμάσει μη προνομιούχους μαθητές, δίνοντάς τους τις γνώσεις και τις δεξιότητες που θα ενισχύσουν το ενδιαφέρον τους και θα τους προετοιμάσουν για επαγγέλματα όπου απαιτείται η κατοχή πτυχίου μηχανολογίας, φυσικής ή μαθηματικών. Εικόνα 1. Τα στατιστικά στοιχεία του MESA 19

20 Το πρόγραμμα egfi Μια πολύ ενδιαφέρουσα πρόταση είναι αυτή της κοινότητας egfi (engineering- go for it). Σύμφωνα με αυτή, το engineering έχει να κάνει με την εκμετάλλευση των γνώσεων Φυσικής και Μαθηματικών για την επίλυση προβλημάτων της καθημερινότητας, είτε του παρόντος είτε του μέλλοντος. Τι είναι όμως το engineering; Η κοινότητα έχει σκοπό να επαναπροσδιορίσει τη μέχρι τώρα στερεοτυπική σχέση των παιδιών με τη μηχανολογία (μια δύσκολη και απρόσιτη επιστήμη χωρίς εμφανή χρησιμότητα). Για το egfi το engineering έχει να κάνει με το πιο συναρπαστικό μέρος της μελλοντικής κοινωνίας: τις τεχνολογικές καινοτομίες. Το εύρος εφαρμογής του είναι τεράστιο, και εκτείνεται από την αντιμετώπιση της ρύπανσης, την κατασκευή τεχνητών μελών για ανθρώπους που έχουν υποστεί ακρωτηριασμό, την ανέγερση υπερμεγεθών αλλά και οικολογικών κτιρίων, την μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης, την εξερεύνηση των ωκεανών και του διαστήματος ως την δημιουργία νέων gadgets, video games, virtual worlds, νέων υλικών, φαρμάκων, ρούχων, την αύξηση της επεξεργαστικής ισχύος των υπολογιστών, νέων οχημάτων, γρηγορότερων και φτηνότερων Το egfi δίνει και μια εκτενή κατηγοριοποίηση για το engineering, εντάσσοντας σε αυτό την Αεροδιαστημική, την Νανοτεχνολογία, την Επιστήμη των Υλικών, τη Βιοτεχνολογία. To πρόγραμμα InvenTeams Το InvenTeams, μέρος του προγράμματος Lemelson του MIT, προσφέρει υποτροφίες δολαρίων σε κάθε μία από τις ομάδες παιδιών γυμνασίου με τους καθηγητές τους για να επινοήσουν τεχνολογικές λύσεις σε πραγματικά προβλήματα της καθημερινότητας. Τα παιδιά εφαρμόζουν τις γνώσεις τους από τις stem για να αναπτύξουν πρωτότυπες συσκευές, και μέσω αυτής της πορείας να μάθουν μόνα τους και περισσότερα πράγματα για τις stem. Τα παιδιά μαθαίνουν κατασκευάζοντας, και επεκτείνουν τις ιδέες τους ή ασχολούνται με νέες. 20

21 Ο αντίλογος Σε έρευνά τους οι Adams (2011) κ.ά. θέτουν εξ αρχής το πρόβλημα της ελλιπούς και αναποτελεσματικής ενασχόλησης των φοιτητών τους με τo engineering. Παρά τις πολλές, πολυδάπανες και πολύπλοκες επενδύσεις σε εκπαιδευτικά προγράμματα, με τεχνικές όπως η μερική φοίτηση μαθητών σε ανώτατα ιδρύματα πριν ολοκληρώσουν τις σπουδές τους, την ανάπτυξη προγραμμάτων για την προσέλκυση μαθητών στις stem, αλλά και επιμορφώσεις εκπαιδευτικών και workshops, αλλά και αντίστοιχες τροποποιήσεις στα αναλυτικά προγράμματα των πολυτεχνείων, ο αντίκτυπος στην εκπαιδευτική διαδικασία αλλά και τα αποτελέσματα που παρατηρήθηκαν ήταν αξιοσημείωτα κάτω από τα αναμενόμενα. Πιο πιθανή αιτία αυτής της αδυναμίας ανταπόκρισης στους στόχους θεωρήθηκε η αποσύνδεση του αντικειμένου εργασίας στον πραγματικό κόσμο, από την επιστήμη που διδάσκονται οι μελλοντικοί μηχανολόγοι στο πολυτεχνείο. Τεκμήριο που οδηγεί σε αυτό το συμπέρασμα είναι τα αποτελέσματα έρευνας στις Η.Π.Α., σύμφωνα με την οποία μόνο ένας στους τρεις αποφοίτους πολυτεχνείου αναζητεί ενεργά εργασία σχετική με το αντικείμενό του, ενώ πάνω από το 60% δηλώνουν πως δεν περιορίζονται και δεν δεσμεύονται να ακολουθήσουν το επάγγελμα του μηχανολόγου. Παρόμοιες έρευνες δείχνουν ανάλογα αποτελέσματα και σε άλλες χώρες του κόσμου (Baillee & Fitzgerald, 2000; Case, 2007; στο Adams κ.ά., 2011). Επιπρόσθετα, σε έρευνά του ο Kuenzi (2008) αναφέρει πως «μελέτη του 2005 από το Government Accountability Office (Ελεγκτική Επιτροπή Διαμοιρασμού Κονδυλίων του Κονγκρέσου των Η.Π.Α.) βρήκε πως 207 διαφορετικά κυβερνητικά προγράμματα για την εκπαίδευση στις stem χρηματοδοτήθηκαν με 3 δις. δολάρια. Η μελέτη όμως έδειξε πως τα προγράμματα αυτά είναι αποκεντρωμένα και απαιτούν καλύτερο συντονισμό για να αποδώσουν. Με λίγα λόγια, δεν φτάνει να δίνεις πολλά χρήματα για ένα τέτοιο πρόγραμμα. Πρέπει να ξέρεις πού και πώς θα μοιραστούν, και πώς θα συντονιστεί ένα τέτοιου μεγέθους εγχείρημα. Με αυτό το συμπέρασμα φαίνεται πως συμφωνούν σε σχετική τους εργασία και οι Johri και Olds (2011). Για τους ερευνητές είναι σημαντικός παράγοντας η σύνδεση μεταξύ των stem και των επιστημών της μάθησης, καθώς έτσι η έρευνα στα θέματα που αφορούν τη διάδοση των stem μπορεί να γίνει βαθύτερη και αποτελεσματικότερη. 21

22 Το παράδειγμα της Αυστραλίας Σειρά ερευνών στην Αυστραλία (English, 2008) δείχνει πως η διαρκώς αυξανόμενη μείωση αποφοίτων σχολών Θετικών Επιστημών και Μηχανολογίας έχει άμεσο αντίκτυπο στην οικονομική ανάπτυξη και θέση της χώρας στην παγκόσμια οικονομία. Κύρια αιτία για αυτό κρίνεται η απόσταση της διδασκαλίας των εννοιών των STEM από την πραγματικότητα της ανάγκης για επίλυση καθημερινών προβλημάτων. Η πρόταση για ανανέωση της εκπαιδευτικής διαδικασίας περιλαμβάνει κύρια τα παρακάτω θέματα: α. Διαθεματικότητα: Πολύ συχνά η ανάγκη για επιστημονική εξειδίκευση σε πανεπιστημιακό επίπεδο μεταφέρεται με δύσκολο τρόπο στην πρωτοβάθμια εκπαίδευση. Προκρίνεται η ανάλυση κατακερματισμένων εννοιών, χωρίς σαφή συσχέτιση με τα πραγματικά μελετώμενα κάθε επιστήμης, ενώ η χρήση και αξιοποίηση των μαθημένων εννοιών παραπέμπεται για κάποια αόριστη μελλοντική στιγμή, όπου θα ανακύψουν τα προβλήματα. Κάτι τέτοιο δεν συμβαίνει τελικά ποτέ για τους περισσότερους μαθητές, καθώς μετά το τέλος του σχολείου δεν ασχολούνται ξανά με τις γνώσεις που με κόπο προσπάθησαν να αποκτήσουν. Δεν είναι λίγες οι φορές που μαθητές παπαγαλίζουν έννοιες Φυσικής ή Χημείας, που θα ξεχάσουν μία μέρα μετά τις εξετάσεις. Το θέμα της επίλυσης προβλημάτων, που ήταν και είναι μοχλός ικανοποίησης αναγκών και εμπορικής εκμετάλλευσης των λύσεων, δεν λύνεται με μονομερή κλαδική αντιμετώπιση της κάθε επιστήμης, αλλά με προσπάθεια για τεκμηριωμένη και σοβαρή διεπιστημονικότητα, για ανάπτυξη πλαισίου μελέτης με το πρόβλημα στον πυρήνα και τις επιστήμες να περιστρέφονται γύρω του. β. Ενδιαφέρον των μαθητών: Η παραπομπή στο μέλλον που αναφέρθηκε παραπάνω οδηγεί σε ένα ακόμη εκπαιδευτικό πρόβλημα. Το μάθημα, αποσυνδεδεμένο από την καθημερινή πραγματικότητα και τους επιστημονικούς προβληματισμούς του μαθητή, χάνει το ενδιαφέρον του και γίνεται πεζό. Μεγάλη πρόκληση για το εκπαιδευτικό σύστημα της Αυστραλίας είναι να μεταφέρει τα πλαίσια προβληματισμού της καθημερινότητας στη σχολική τάξη. Να οικοδομήσει πάνω στην φυσική περιέργεια των παιδιών για το φυσικό κόσμο και το πώς λειτουργεί, αλλά και την αλληλεπίδρασή τους με το περιβάλλον τους. Να επενδύσει στο ενδιαφέρον των παιδιών να ανακαλύπτουν τις αρχές λειτουργίας των μηχανημάτων, σχεδιάζοντας, κατασκευάζοντας ή και διαλύοντάς τα (Petroski, 2003). Βασικός στόχος της νέας σκέψης για την εκπαίδευση με βάση το πρόβλημα είναι να εμπλέξει τους μαθητές στη διαδικασία επίλυσής του, χρησιμοποιώντας τις επιστήμες και ως εργαλείο, όχι μόνον ως αντικείμενο μάθησης. 22

23 Το παράδειγμα της Ευρώπης Εκπαιδευτικά προγράμματα που ενθαρρύνουν τους μαθητές να ασχοληθούν με τις stem υπάρχουν αρκετά και στην Ευρώπη. Στην Ιταλία υπάρχει το ένα δίκτυο επαγγελματικών σχολείων που χρησιμοποιούν ρομπότ στην εκπαιδευτική διαδικασία. Στην ίδια χώρα υπάρχει επίσης το PIONEER (PledmOnt Net for Educational Robotics), ένα ακόμα δίκτυο σχολείων που χρησιμοποιούν την εκπαιδευτική ρομποτική με στόχο να προωθήσουν τις ιδέες του Papert για τον εποικοδομισμό. Ευρύτερα στην Ευρωπαϊκή Ένωση υπάρχει το The Roberta-Goes-EU project, που χρησιμοποιεί την εκπαιδευτική ρομποτική για να προσελκύσει νέους ανθρώπους (κυρίως κορίτσια) να ασχοληθούν με την Μηχανολογία, είτε στις σπουδές είτε και επαγγελματικά. Στο σχετικό workshop του συνεδρίου του SIMPAR 2O10 βρέθηκαν ερευνητές από 12 Ευρωπαϊκές χώρες, αλλά και από τη Βραζιλία, την Ιαπωνία, τον Παναμά και τις Η.Π.Α., ένα workshop που ανέδειξε τόσο την ποικιλομορφία όσο τις ομοιότητες των ρομποτικών project ευρωπαϊκών και μη χωρών, αλλά και τη χρησιμότητα και ευκολία χρήσης των ρομπότ σε κάθε σχολική βαθμίδα (Detsikas & Alimisis 2011). 23

24 Stem και εκπαιδευτική ρομποτική στο ελληνικό σχολείο Οι τρόποι χρήσης των ρομπότ για την αποτελεσματική διδασκαλία εννοιών από το χώρο των stem στο ελληνικό σχολείο έχουν αποτελέσει αντικείμενο σειράς ερευνών, με ενδιαφέροντα αποτελέσματα. Οι Sartatzemi & Kagani (2005) σημειώνουν πως η εκπαιδευτική ρομποτική μπορεί να διευκολύνει τη μάθηση εννοιών από το χώρο του προγραμματισμού, που σε άλλη περίπτωση είναι αρκετά δύσκολο να γίνουν κατανοητές. Σε άλλη έρευνα οι Moundridou & Kalinoglou (2008) δείχνουν πώς η ρομποτική μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να διδαχθούν έννοιες από το χώρο τόσο της Μηχανολογίας και του Προγραμματισμού όσο και της Τεχνητής Νοημοσύνης και της Ψυχολογίας. Σε αυτό συμφωνούν και οι Frangou κ.ά. (2008), που σημειώνουν πως το γεγονός ότι η εκπαιδευτική ρομποτική περιλαμβάνει τόσο την κατασκευή του ρομπότ όσο και τον προγραμματισμό του, την καθιστά ιδανική για την ταυτόχρονη ενασχόληση των παιδιών με έννοιες από διαφορετικές επιστήμες, από την Επιστήμη των Υπολογιστών και την Μηχανολογία, ως τη Φυσική και τα Μαθηματικά. Κατ αυτούς η εκπαιδευτική ρομποτική μπορεί να δημιουργήσει ένα περιβάλλον αυτενέργειας και συνεργατικής μάθησης που δίνει έμφαση στην προσωπική συμμετοχή του κάθε μαθητή. Στην ίδια έρευνα παραθέτουν δραστηριότητες με χρήση ρομπότ που έχουν γίνει σε ελληνικά σχολεία και τονίζουν πως τέτοιου τύπου δραστηριότητες σχεδιάζονται με βάση εποικοδομιστικά μοντέλα μάθησης, κάτι που τις κάνει ακόμα πιο κατάλληλες για διδασκαλία εννοιών από τις stem. Τέλος, επισημαίνουν πως μια κατάλληλη μέθοδος για την υλοποίηση δραστηριοτήτων εκπαιδευτικής ρομποτικής είναι η μέθοδος project. Τα στάδια που ακολουθούνται σε αυτή τη μέθοδο είναι τα παρακάτω: Στάδιο γνωριμίας-εξοικείωσης: Εδώ οι μαθητές έρχονται σε μια πρώτη επαφή με το υλικό και το λογισμικό. Στάδιο εξερεύνησης: Εδώ μαθαίνουν τις βασικές αρχές λειτουργίας του, λύνοντας μικρά, απλά προβλήματα με τη χρήση του. Στάδιο επίλυσης: Εδώ τα παιδιά χρησιμοποιούν τις γνώσεις τους για να λύσουν ένα δοθέν ή προκύψαν πρόβλημα. Στάδιο αξιολόγησης: Εδώ τα παιδιά ελέγχουν αν η επίδοση του ρομπότ τους μοιάζει με την αρχικά τεθείσα ως στόχο. 24

25 Το πρόγραμμα TERECoP Το τριετές πρόγραμμα TERECoP (Teacher Education on Robotics- Enhanced Constructivist Pedagogical Methods-Εκπαίδευση των εκπαιδευτικών σε Εποικοδομιστικές Παιδαγωγικές Μεθόδους με χρήση Ρομπότ) πραγματοποιήθηκε σε 8 εκπαιδευτικά ιδρύματα από 6 χώρες της Ευρώπης (Ελλάδα, Ισπανία, Τσεχία, Ιταλία, Γαλλία και Ρουμανία), συντονίστηκε από την Α.Σ.ΠΑΙ.Τ.Ε. Πάτρας και ολοκληρώθηκε το 2009 (Detsikas & Alimisis, 2011). Σκοπός του προγράμματος ήταν να εμπλέξει τους εκπαιδευτικούς σε δραστηριότητες με ρομπότ, τις οποίες θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν δημιουργικά με τους μαθητές τους στην τάξη. Μια τέτοια εφαρμογή παρουσιάζεται στην έρευνα των Vounatsos & Mega (2011, στο ίδιο), όπου στόχος ήταν η κατασκευή ενός ηλεκτρονικά ελεγχόμενου καταπέλτη με τη χρήση των Lego Mindstorms. Σε σχετική του έρευνα ο Alimisis (2010), περιγράφει ένα πιλοτικό πρόγραμμα που πραγματοποιήθηκε σε 68 παιδιά 11 ως 14 ετών από 6 σχολεία της Αθήνας (3 Δημοτικά και 3 Γυμνάσια), με στόχο τα παιδιά να κατασκευάσουν ρομπότ που να μπορούν να προγραμματιστούν, και να εξερευνήσουν τις ιδέες που τους οδήγησαν στην κατασκευή. Τα αποτελέσματα της έρευνας δείχνουν πως τα παιδιά όχι μόνο εξοικειώθηκαν γρήγορα με το υλικό και το λογισμικό, αλλά έδειξαν επιθυμία να επεκτείνουν τις δυνατότητες του ρομπότ που τους είχε ζητηθεί να κατασκευάσουν, ενώ εντυπωσιακή ήταν και η επιθυμία τους να κάνουν λάθη ώσπου να πετύχουν αυτό που είχαν στο μυαλό τους να κάνει το ρομπότ, που υποδηλώνει την έντονη εμπλοκή τους με τις δραστηριότητες. Σε ακόμα μία έρευνα, των Alimisis, Karatrantou & Tachos (2005) τονίζεται ότι τα Lego Mindstorms βοήθησαν μαθητές ετών από Επαγγελματικά Σχολεία με κακές επιδόσεις στα Μαθηματικά και τη Φυσική να μάθουν βασικές έννοιες μηχανολογίας. 25

26 Lego Education WeDo. Ρόλος, χρήση και χρησιμότητα στην εκπαίδευση. Θεωρητική θεμελίωση-το έργο του Papert Πρωτοπόρος και δημιουργός ενός ολόκληρου ρεύματος για την τεχνολογική εκπαίδευση είναι ο Νοτιοαφρικανός μαθηματικός Seymour Papert (1929-), καθηγητής στο MIT. Ο Papert εργάστηκε πάνω στις θεωρίες μάθησης, και στο πώς οι νέες τεχνολογίες επηρεάζουν τόσο τη μάθηση εν γένει όσο και, ειδικότερα, τη διδακτική διαδικασία στα σχολεία. Βασισμένος στο έργο του Jean Piaget, και μετά τη συνεργασία τους στο πανεπιστήμιο της Γενεύης από το 1958 ως το 1963, ο Papert επινόησε τη θεωρία του κονστρουκτιβισμού, και τη γλώσσα προγραμματισμού Logo. Στο βιβλίο του Mindstorms: Children, Computers and Powerful Ideas ο Papert δίνει μια σαφή εικόνα για την αντιμετώπιση των νέων τεχνολογιών από την κοινωνία και τα παιδιά, αλλά και το πώς μπορεί και γιατί πρέπει αυτή να αλλάξει. «Μόλις μέχρι πριν από λίγο καιρό οι άνθρωποι πίστευαν ότι οι υπολογιστές ήταν ακριβές και εξωτικές συσκευές. Η εμπορική και βιομηχανική χρήση τους επηρέαζε έμμεσα τους απλούς ανθρώπους, αλλά σχεδόν κανείς δεν περίμενε να γίνουν μέρος της Εικόνα 3. Με τους μαθητές του καθημερινότητάς τους. Αυτή η άποψη άρχισε να αλλάζει δραματικά και ταχύτατα με την έλευση του προσωπικού υπολογιστή, αρκετά φτηνού και μικρού σε μέγεθος ώστε να μπορεί να μπει σε κάθε σπίτι, αλλά ακόμα και σε κάθε τσέπη. Η εμφάνιση των πρώτων προσωπικών υπολογιστών ήταν αρκετή για να εξάψει τη φαντασία των δημοσιογράφων, και να γράψουν μια πλειάδα άρθρων σχετικά με το πώς θα έμοιαζε η καθημερινή ζωή σε ένα περιβάλλον γεμάτο υπολογιστές. Το κύριο θέμα των άρθρων αφορούσε το τι θα μπορούσαν να καταφέρουν οι άνθρωποι με τον υπολογιστή τους. Οι περισσότεροι συντάκτες έδιναν έμφαση στη χρήση του υπολογιστή για παιχνίδια, διασκέδαση, τη φορολογική δήλωση, το ηλεκτρονικό ταχυδρομείο, το ηλεκτρονικό κατάστημα και τις ηλεκτρονικές τραπεζικές συναλλαγές. Πολύ λίγοι αναφέρθηκαν στη χρήση του ως εκπαιδευτικού εργαλείου.» Και ενώ έχουν κατά καιρούς υπάρξει αρκετές διαφορετικές προσεγγίσεις για τον τρόπο χρήσης του υπολογιστή ως εκπαιδευτικού εργαλείου (ο υπολογιστής αντικείμενο μάθησης - μαθαίνω για τον υπολογιστή, ο υπολογιστής σε ρόλο δασκάλου - μαθαίνω από τον υπολογιστή, ο υπολογιστής συνεργάτης του μαθητή - μαθαίνω με τον υπολογιστή, ο υπολογιστής υποκείμενο μάθησης - μαθαίνω τον υπολογιστή να εκτελεί εντολές) (Κόμης, 2005) στο βιβλίο του ο Papert προτείνει τρόπους με τους οποίους η παρουσία του ηλεκτρονικού υπολογιστή θα μπορούσε να συνεισφέρει στην αλλαγή του τρόπου 26 Εικόνα 2. O Papert

27 σκέψης των μαθητών, ακόμα και όταν αυτοί δεν χρησιμοποιούν τον υπολογιστή. O προσωπικός υπολογιστής ήταν και παραμένει για τον Papert ένα εργαλείο ενίσχυσης, διαφοροποίησης, επέκτασης, εκλέπτυνσης της ανθρώπινης σκέψης, της ικανής για δημιουργικότητα, για παραγωγή ιδεών που προκύπτουν από την ικανότητα σύνδεσης γεγονότων, πληροφοριών και γνώσεων, αλλά όχι ο αυτοσκοπός της εκπαίδευσης. Για αυτό το λόγο ο προσωπικός υπολογιστής πρέπει να βοηθά ως εργαλείο την ενδυνάμωση της σκέψης των μαθητών, με στόχο την επίλυση προβλήματος με τη χρήση υπολογιστή, και όχι τη μάθηση μόνον του τρόπου χρήσης του εργαλείου, που αποπροσανατολίζει και τελικά αποδεικνύεται αναποτελεσματική. Ο Papert πιστεύει πως «όταν το παιδί προγραμματίζει έναν υπολογιστή, ταυτόχρονα κατακτά τη δεξιότητα χρήσης του και-κυρίως- έχει μια στενή και νοηματοδοτημένη επαφή με μερικές από τις βαθύτερες έννοιες της Φυσικής, των Μαθηματικών, και της τέχνης της κατασκευής νοητικών μοντέλων.» Σε επίρρωση των παραπάνω, ο Schumacher (2010) μιλά για την ανάγκη της στροφής της εκπαίδευσης στο τι των επιστημών από το μόνιμο πώς, από την εργαλειακή αντιμετώπιση της γνώσης στην νοηματοδοτημένη μάθηση που στοχεύει στο να λύνει προβλήματα. Ο Gagné (1980) αναφέρεται στο ρόλο των γνωστικών στρατηγικών που εστιάζουν στην εστίαση της μάθησης στην επίλυση προβλήματος και στη δημιουργία μαθητών που σκέπτονται, αντί για μαθητές που γνωρίζουν μόνον. Ο Glaser (1984) τονίζει την αξία της καλής χρήσης της θεωρίας του κονεκτιβισμού και των γνωστικών στρατηγικών στην εκπαίδευση των μαθητών. Πιστεύει πως τα μαθήματα εξετάζονται επιφανειακά και αποπλαισιωμένα, ενώ στόχος θα έπρεπε να είναι η νοηματική ενοποίησή τους στη βάση του εκάστοτε προς επίλυση προβλήματος. Οι Brophy κ.ά. (2008) τονίζουν τη σημασία και την επίδραση που θα μπορούσε να έχει η δραστική αλλαγή αντιμετώπισης των stem που προαναφέρθηκε, για να ασχοληθούν περισσότεροι και ικανότεροι μαθητές με αυτές. 27

28 Ιστορία, μορφή και χρήση στην εκπαίδευση. Το όνομα LEGO είναι συντομογραφία των δύο δανικών λέξεων «leg godt» που σημαίνει «να παίζεις καλά». Η εταιρεία Lego Group ιδρύθηκε το 1932 από τον Ole Kirk Kristiansen. Τα τουβλάκια Lego, στη σημερινή τους μορφή, παρουσιάστηκαν το 1958 (εικόνα δεξιά). Το σύστημα Lego Education WeDo δημιουργήθηκε από τον Erik Hansen του Lego Group και τον Mitchel Resnick, επικεφαλής του προγράμματος Lifelong Kindergarten Group του Media Lab του MIT. Σκοπός του συστήματος ήταν να δημιουργηθεί ένα κιτ Εικόνα 4. Τα τουβλάκια Lego ρομποτικής για μικρότερα παιδιά (7 ετών και πάνω) που να δίνει μια βιωματική εμπειρία μάθησης στα παιδιά, για να τα κινητοποιήσει να ενεργοποιήσουν την δημιουργική τους σκέψη, τη συνεργατικότητα, και δεξιότητες επίλυσης προβλήματος. Το σύστημα αυτό βασίστηκε στη λογική του Lego Mindstorms, προϊόντος προηγούμενης συνεργασίας της Lego με το Media Lab, ενώ ήταν πιο φτηνό και ευκολότερο στη χρήση από μικρότερα παιδιά. Ξεκίνησε να σχεδιάζεται το 2006, και παρουσιάστηκε στην αγορά το Εικόνα 5. Τα συστατικά των ρομποτικών συστημάτων Lego. 28

29 Το πακέτο Lego Education WeDo περιέχει 150 κομμάτια, μεταξύ των οποίων ένα κινητήρα, έναν αισθητήρα κλίσης, έναν αισθητήρα κίνησης, τουβλάκια Lego, ιμάντες, γρανάζια, και εύκολο στη χρήση λογισμικό. Εικόνα 6. Τα περιεχόμενα στο πακέτο Lego Education WeDo. 29

30 Το λογισμικό που συνοδεύει το Lego Education WeDo είναι μια γλώσσα οπτικού προγραμματισμού, που χρησιμοποιεί εικονίδια αναπαράστασης εντολών, τα οποία τα παιδιά κουμπώνουν σε σειρές που αναπαριστούν τον κώδικα, και δίνουν εντολές κίνησης στο ρομπότ που είναι συνδεδεμένο στον υπολογιστή. Δείγμα της οθόνης του λογισμικού με την πιθανή χρήση του φαίνεται στην εικόνα κάτω: Εικόνα 7. Επεξήγηση των εργαλείων της γλώσσας οπτικού προγραμματισμού. 30

31 Οι εντολές του λογισμικού περιγράφονται εδώ: Εικόνα 8. Οι εντολές της γλώσσας οπτικού προγραμματισμού των Lego WeDo. 31

32 Επιπρόσθετα, περιέχει μια συλλογή από έτοιμα projects με βήμα προς βήμα οδηγίες για την κατασκευή του ρομπότ από τα παιδιά, όπως φαίνεται εδώ: Εικόνα 9. Οδηγίες για την κατασκευή των ρομπότ 32

33 Πώς βοηθούν τα Lego; Κατά τους Coxon και Chandler (2009) τα ρομπότ είναι μηχανές που δρουν αυτόνομα μέσω προγραμμάτων υπολογιστών και χρησιμοποιούν κινητήρες που ανταποκρίνονται σε είσοδο δεδομένων από αισθητήρες. Σε έρευνά του ο Δημητρίου (2011) αναφέρει τη σημαντικότητα των ρομπότ λόγω της ευρύτατης χρήσης τους, από στρατιωτικές εφαρμογές και ιατρικά μηχανήματα ως την απλή εξυπηρέτηση των αναγκών ενός νοικοκυριού. Επιπλέον αναφέρει τη χρησιμότητά τους ως γνωστικού εργαλείου, για τη διδασκαλία μεγάλου εύρους θεμάτων. «Είναι γνωστό ότι οι περισσότεροι μαθητές, ανεξαρτήτως ηλικίας και εκπαιδευτικού υπόβαθρου, θεωρούν την εργασία με τα ρομπότ διασκεδαστική και ενδιαφέρουσα. Υπάρχουν δύο κύριες προσεγγίσεις στην εκπαιδευτική χρήση των ρομπότ. Η πρώτη προσέγγιση αφορά τη χρήση τους για τη διδασκαλία του αμιγούς αντικειμένου της ρομποτικής. [ ] Η δεύτερη προσέγγιση αφορά στη χρήση των ρομπότ σε άλλα γνωστικά αντικείμενα, όπως οι STEM, κυρίως στις μεγαλύτερες τάξεις του Λυκείου, αλλά και στο πρώτο έτος του πανεπιστημίου, για να διδαχθούν μαθήματα όπως ο προγραμματισμός και ο έλεγχος». Αντίστοιχα, ο Coxon (2009) υποστηρίζει ότι η χρήση των ρομποτικών συστημάτων Lego μπορεί να βοηθήσει στην ανάπτυξη και βελτίωση της ικανότητας αντίληψης του χώρου, που είναι απαραίτητη για πολλά πεδία της STEM όπως η αρχιτεκτονική, η χειρουργική, η οδοντιατρική, η μηχανολογία και οι φυσικές επιστήμες, άποψη που βρίσκουμε και στο Wai, Lubinski και Benbow (2009). Σε παρόμοια εργασία του ο Verner (2004) ανακάλυψε σημαντική βελτίωση στην ικανότητα αντίληψης του χώρου από παιδιά τα οποία παρακολούθησαν ένα πρόγραμμα ρομποτικής, που συμπεριελάμβανε κινηματική, περιστροφή αντικειμένων και συναρμογή παζλ με χρήση ρομπότ. Παρόμοια αποτελέσματα είχαν και οι έρευνες των Oppliger (2002) Petre και Price (2004) και Geeter, Golder, and Nordin (2002). Σε σχετική τους έρευνα οι Whitman και Witherspoon (2003) αναφέρουν πως τα Lego μπορούν να συνεισφέρουν στην καλύτερη κατανόηση εννοιών όπως οι χωρικές σχέσεις, ο έλεγχος ρομποτικών συστημάτων από υπολογιστή και η πρόσληψη δεδομένων. Στην ίδια έρευνα επισημαίνεται η εποικοδομιστική προσέγγιση των Lego στη μάθηση, της οποίας η χρησιμότητα τονίζεται από τον Κόμη (2005). Μία ακόμη πτυχή της χρησιμότητας των Lego στην εκπαίδευση αναδεικνύουν οι Garcia και Patterson-McNeill (2002), που χρησιμοποιούν τα Lego στη διδασκαλία εννοιών που αφορούν τα λογισμικά. Όμως φαίνεται πως υπάρχει η τάση να επεκταθεί η εμπλοκή με τα ρομποτικά συστήματα και σε μικρότερες ηλικίες. Κατά τον Δημητρίου, «εταιρίες όπως η Engino Toy Systems και η Lego έχουν αρχίσει να αναπτύσσουν ρομποτικά πακέτα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να διδάξουν βασικές έννοιες stem σε πιο μικρά παιδιά, ακόμα και από την ηλικία των 6 ετών». 33

34 Η FLL Η FLL (First Lego League) είναι ένας διεθνής διαγωνισμός που διοργανώνεται από την FIRST και τη Lego για παιδιά 9-16 ετών (9-14 σε Η.Π.Α. και Καναδά). Κάθε Σεπτέμβριο ανακοινώνεται μια νέα πρόκληση που εστιάζει σε ένα πραγματικό πρόβλημα σχετιζόμενο με τις stem. Κάθε πρόκληση μέσα στο διαγωνισμό περιστρέφεται γύρω από το πρόβλημα αυτό. Το ρομποτικό κομμάτι του διαγωνισμού έχει να κάνει με το σχεδιασμό και τον προγραμματισμό των ρομπότ Lego για την επίλυση προβλημάτων. Οι μαθητές ψάχνουν για λύσεις στα διάφορα προβλήματα που τους δίνονται, και ύστερα συναντιούνται για να μοιραστούν τις γνώσεις τους, να συγκρίνουν τις ιδέες τους και να επιδείξουν τα ρομπότ τους. Υπάρχει σχετικό πρόγραμμα FLL και για ηλικίες 6-9 ετών, η Junior FIRST Lego League. Σε σχετική τους έρευνα οι Geeter, Golder, and Nordin (2002) παρουσιάζουν τα αποτελέσματα από ελέγχους επιδόσεων σε μαθητές Γυμνασίου που διαγωνίσθηκαν στην FLL. Σύμφωνα με αυτούς, τα περισσότερα παιδιά απέκτησαν καλύτερη κατανόηση των εννοιών της μηχανολογίας, βελτίωσαν τη δημιουργική και κριτική τους σκέψη και τις δεξιότητες επίλυσης προβλήματος, ενώ αύξησαν την αυτοεκτίμησή τους, το ενδιαφέρον και την εμπλοκή τους με τη Φυσική και τα Μαθηματικά. Κατ αυτούς «καθώς οι νέοι μεγαλώνουν σε μια τεχνολογικά ανεπτυγμένη κοινωνία κάτι συμβαίνει στην ανάπτυξή τους που είτε τους ωθεί περαιτέρω, είτε τους απωθεί τελείως από την επιστήμη και την τεχνολογία. Η επαφή τους και η με αυτοπεποίθηση ενεργή εμπλοκή τους με την τεχνολογία είναι αυτό το κάτι που τους οδηγεί να ασχοληθούν επαγγελματικά με αυτήν». Επιπλέον, σχετικά με την FLL και τη συνεισφορά της, σε έρευνά τους οι Melchior, Cutter & Cohen (2004) αναφέρουν πως το 94% των μαθητών που συμμετείχαν στο διαγωνισμό FLL παρουσίασαν αύξηση του ενδιαφέροντός τους για θέματα STEM, βελτίωση στις δεξιότητες του προγραμματισμού, της επίλυσης προβλήματος, της εργασίας σε ομάδες και της ηγεσίας. 34

35 ΔΕΥΤΕΡΟ ΜΕΡΟΣ-ΠΡΟΤΑΣΗ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟΥ ΣΕΝΑΡΙΟΥ Εισαγωγή Η μελέτη της βιβλιογραφίας πρότεινε, εκτός από τα ερωτήματα που τέθηκαν, και ένα τρόπο πιθανής αντιμετώπισής τους σε πραγματικό εκπαιδευτικό περιβάλλον. Για το σκοπό αυτό στήθηκε ένα εργαστήρι Φυσικής, όπου εκπονήθηκε και υλοποιήθηκε το εκπαιδευτικό σενάριο που αναλύεται παρακάτω. Τι είναι όμως εκπαιδευτικό σενάριο και γιατί κρίθηκε απαραίτητη η χρήση του για την απάντηση των ανωτέρω ερωτημάτων; Εκπαιδευτικό σενάριο Κατά τον Κόμη (2004) εκπαιδευτικό σενάριο είναι ένα σύνολο διδακτικών δραστηριοτήτων που αφορά εκπαιδευτικούς και μαθητές, κάνει χρήση κατάλληλων διδακτικών στρατηγικών και αποσκοπεί στην επίτευξη ενός μαθησιακού αποτελέσματος, στη διδασκαλία και τη μάθηση μιας ή περισσοτέρων βασικών εννοιών ενός γνωστικού αντικειμένου. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιεί κατάλληλο υπολογιστικό περιβάλλον (εκπαιδευτικό λογισμικό ή και υλικό). Η χρήση του κρίνεται απαραίτητη σε ένα σύγχρονο εκπαιδευτικό περιβάλλον, όπου οι θεωρίες μάθησης λαμβάνονται υπ όψη και οι δραστηριότητες σχεδιάζονται με βάση αυτές, ώστε να έχουν το μεγαλύτερο δυνατό αποτέλεσμα. Για την ανάπτυξη των δραστηριοτήτων κρίθηκε σκόπιμη η μελέτη του σημερινού εκπαιδευτικού περιβάλλοντος, για να αναδειχθούν οι τομείς που φρενάρουν την εκπαιδευτική διαδικασία τη σχετική με τις stem και να είναι συνεπής η πρόταση ενός εκπαιδευτικού σεναρίου βοηθητικού στη διδασκαλία των stem, προσαρμόζοντας το περιβάλλον στον πραγματικό στόχο: τη μάθηση. 35

36 Το σημερινό εκπαιδευτικό περιβάλλον στη διδασκαλία των stem Για να διδαχθούν οι stem στο σημερινό εκπαιδευτικό περιβάλλον γίνεται κυρίως χρήση του σχολικού εγχειριδίου (βιβλίο και τετράδιο εργασιών), και μερικά χρήση του σχολικού εργαστηρίου και εποπτικών μέσων. Παρόλο που οι στόχοι του προγράμματος σπουδών για τη Φυσική στο Δημοτικό, όπως περιγράφονται στο Δ.Ε.Π.Π.Σ (εδώ και εδώ), έχουν παιδαγωγικές βάσεις και στηρίζονται σε επιστημονικά δεδομένα, καθημερινή εκπαιδευτική πρακτική και κοινός παράγοντας για τη χρήση των παραπάνω διδακτικών εργαλείων είναι η μονόδρομη διδασκαλία. Ο δάσκαλος αναλαμβάνει τη μεταφορά των πληροφοριών στα παιδιά με τη μορφή διάλεξης, τα κινητοποιεί για ερωτήσεις προς το τέλος της παράδοσης, και ελέγχει τι έμαθαν με χρήση τεστ επιδόσεων. Λιγότερο συχνά χρησιμοποιείται το σχολικό εργαστήριο, αλλά και σε αυτή την περίπτωση, παρά την καλή πρόθεση του εκπαιδευτικού, πολλές φορές καταλήγει και πάλι σε καθοδηγούμενη μάθηση. Το υλικό των σχολικών εργαστηρίων παρέχει συνήθως την ευκαιρία στα παιδιά για εκτέλεση πειραμάτων από το χώρο της Φυσικής, της Χημείας και της Βιολογίας, με χαρακτηριστικό τους στοιχείο την αυστηρή δομή τους, που αποτρέπει την εξέλιξη ή προσαρμογή τους, ή τη δυνατότητα για δημιουργία νέων δομών από τα παιδιά, που να ανταποκρίνονται στη διάθεσή τους να μελετήσουν ένα δικό τους πρόβλημα, εκτός του εγχειριδίου ή της προς διδασκαλία ύλης. Όντως, τα έτοιμα εκπαιδευτικά πειράματα που αποτελούν το συνήθη εξοπλισμό των σχολικών εργαστηρίων, λόγω των υλικών και των διαδικασιών τους, μοιάζουν εντυπωσιακά και δίνουν περιθώρια στα παιδιά να κατανοήσουν καλύτερα τις προς μάθηση έννοιες. Όμως και σε αυτή την περίπτωση υπάρχει περιορισμένη πιθανότητα για πραγματική μάθηση, καθώς σε ένα τέτοιο σχολικό εργαστήριο πολύ σπάνια τα παιδιά αφήνονται να εξερευνήσουν το υλικό, να διαμορφώσουν το δικό τους ερευνητικό πλαίσιο, να χρησιμοποιήσουν τις συσκευές του εργαστηρίου για να απαντήσουν στα δικά τους ερωτήματα. Αυτή η εκπαιδευτική προσέγγιση τα αποτρέπει από το να συνεχίσουν να αναστοχάζονται πάνω στον κόσμο και τη φύση, πορεία που θεμελιώνει την επιστημονική αναζήτηση. Οι πρακτικές δυσκολίες που όντως υπάρχουν από τους κινδύνους που ενέχει η χρήση εξεζητημένου υλικού τόσο για τα παιδιά όσο και για το ίδιο το υλικό, δεν αντιμετωπίζονται με προσαρμογή του υλικού ώστε να είναι πιο προσιτό και κατάλληλο για την ηλικία τους, αλλά περισσότερο με προσαρμογή της συμπεριφοράς των παιδιών (ιδιαίτερη προσοχή, πειθαρχία στις οδηγίες του διδάσκοντα, περιορισμένη επαφή με τα υλικά, και τελικά προσκόλληση στη διαδικασία, με τρόπο σειριακό). 36

37 Μια άλλη πρόταση Το εκπαιδευτικό σενάριο που προτείνεται, αντιμετωπίζει την εργαστηριακή εμπειρία με ένα διαφορετικό τρόπο. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται είναι κυρίως τα τουβλάκια Lego, με τη συνδρομή Η/Υ, gamepad και εκπαιδευτικών πειραμάτων με υλικά της καθημερινότητας, που εύκολα μπορούν να βρεθούν σε κάθε σπίτι. Συμβατότητα με την εκπαιδευτική καθημερινότητα Πολλές φορές στην ερευνητική κοινότητα διατυπώνεται το παράπονο από τους εκπαιδευτικούς ότι οι προτάσεις για εκπαιδευτικά σενάρια ή πρακτικές έχουν λίγες πιθανότητες να υλοποιηθούν στην πράξη, καθώς συχνά δεν λαμβάνουν υπ όψη τους την σχολική καθημερινότητα, με τις δυστροπίες του ωριαίου προγράμματος και τις εξωσχολικές παρεμβολές που εμποδίζουν την ιδανική εκπαιδευτική διαδικασία. Για το λόγο αυτό το εργαστήριο διαιρέθηκε χρονικά σε μονόωρα εβδομαδιαία μαθήματα, εντάξιμα στο πρόγραμμα ενός σχολικού εργαστηρίου. Οι διδακτικές ενότητες είναι αυτοτελείς, χαρακτηριστικό που επιτρέπει την προσθήκη ή διαγραφή ενοτήτων από το πρόγραμμα, αλλά και τη δυνητική προσαρμογή τους σε εξωεκπαιδευτικές επιδράσεις στο πρόγραμμα (απεργίες, καταλήψεις, εκλογές, συνελεύσεις). Τα υλικά είναι ευεύρετα, με χαμηλό και εφ άπαξ κόστος, και μεγάλη αντοχή στην καταπόνηση. Δομή του εργαστηρίου Το εργαστήριο διαιρείται σε διδακτικές ενότητες με το κυρίως θέμα κάθε ενότητας ως βασικό άξονα. Χρόνος περίπου πέντε λεπτών αφιερώνεται στην παρουσίαση του θέματος, ενώ την υπόλοιπη ώρα τα παιδιά κατασκευάζουν, πειραματίζονται, δοκιμάζουν ή συζητούν πάνω στο θέμα που μελετάμε. Το τελευταίο πεντάλεπτο του εργαστηρίου γίνεται επέκταση πάνω στις απορίες των παιδιών που προκύπτουν από τη συζήτηση επεκτείνοντας σε γειτονικές ενότητες και προσαρμόζοντας το πρόγραμμα των επόμενων εργαστηρίων. Τα βασικότερα χαρακτηριστικά του εργαστηρίου είναι η ευελιξία και η δυνατότητα για άμεση ανατροφοδότηση. Το πρόγραμμα καθορίζεται στο μεγαλύτερο βαθμό από τις απορίες και τα ενδιαφέροντα των παιδιών. Από τα πρώτα εργαστήρια που έγιναν φάνηκε πως οι απορίες των παιδιών δεν είχαν απλώς συνέπεια και δυνατότητες επέκτασης, αλλά μάθημα το μάθημα εκλεπτύνονταν και αποκτούσαν συστηματικότητα και συνέχεια. 37

38 Φάσεις ανάπτυξης εκπαιδευτικού σεναρίου Α. Το διδακτικό αντικείμενο του εκπαιδευτικού σεναρίου Το διδακτικό αντικείμενο του προτεινόμενου εκπαιδευτικού σεναρίου που εξετάζεται κύρια στην παρούσα πτυχιακή εργασία είναι να μάθουν τα παιδιά να λύνουν απλά καθημερινά προβλήματα με τη χρήση ρομποτικών συστημάτων και γλώσσας οπτικού προγραμματισμού. Πιο συγκεκριμένα, να μελετήσουν το πρόβλημα του πώς μπορούμε να κινήσουμε ένα ρομπότ με τροχούς σε συνεχή περιοδική κίνηση, με την χρήση δομής επανάληψης σε πρόγραμμα που θα χτίσουμε εμείς. Ήταν ένα πρόβλημα που ανταποκρινόταν πλήρως στους στόχους του εκπαιδευτικού σεναρίου, και αναδείχθηκε, καθορίσθηκε και επιλύθηκε εξ ολοκλήρου από τα παιδιά. Τα επί μέρους τμήματα του διδακτικού σεναρίου 1. Ποια είναι τα επί μέρους τμήματα του διδακτικού σεναρίου που κρίνετε κατάλληλο να πραγματοποιηθεί από τους μαθητές, ώστε να εισαχθούν και να οικοδομήσουν την προς μελέτη έννοια ή έννοιες; Καλύπτει διάφορες πλευρές και εστιάζει στα επίμαχα και σημαντικά σημεία του αντικειμένου μάθησης (δηλαδή την έννοια ή τις έννοιες που πρέπει να μάθουν οι μαθητές); Στο πρώτο εργαστήριο εξετάσαμε το ρομπότ, τον κινητήρα και τη σύνδεσή του με τον υπολογιστή. Φτιάξαμε ακολουθώντας τις οδηγίες του κατασκευαστή ένα πρότυπο ρομπότ - λιοντάρι. Μελετήσαμε τη λειτουργία των αισθητήρων κλίσης και κίνησης, που θα χρησίμευαν για να εμπλουτίσουμε τις πιθανές λύσεις. Κατόπιν ανοίξαμε το λογισμικό (γλώσσα οπτικού προγραμματισμού LEGO Education WeDo Software v1.2 and Activity Pack). Για να δούμε τι κάνει κάθε εικονίδιο, φτιάξαμε πολλά προγράμματα με διαφορετικές εντολές, και παρατηρήσαμε τις διαφορετικές κινήσεις του ρομπότ. Έτσι μάθαμε τι επίδραση έχει στον κινητήρα κάθε εντολή του προγράμματος. Με αυτό τον τρόπο θα ήταν πιο εύκολο στα παιδιά να χρησιμοποιήσουν το υλικό σε επόμενα εργαστήρια για να λύσουν καθημερινά προβλήματα. Τέλος, αναρωτηθήκαμε πώς μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τους αισθητήρες κίνησης στο σπίτι. 2. Λαμβάνει υπόψη του το σενάριο τις προαπαιτούμενες γνώσεις που πρέπει να διαθέτουν οι μαθητές; Με ποιους τρόπους αποτιμώνται οι γνώσεις αυτές και πώς το σενάριο τις εντάσσει οργανικά στην οικοδόμηση των προς απόκτηση γνώσεων; Το σενάριο έχει μόνο προαπαιτούμενο τη διάθεση για συμμετοχή, το ενδιαφέρον για τα ρομπότ της Lego και φαντασία αρκετή για να σκεφτούν λύσεις σε προβλήματα που δεν έχουν ξαναλυθεί. 38

39 3. Είναι κατάλληλο το διδακτικό σενάριο για το επίπεδο γνώσεων του μαθητή; (δηλαδή ούτε πολύ απλό, ούτε πολύ σύνθετο, ώστε να μπορεί ο μαθητής να το υλοποιήσει με τη βοήθεια ενδεχομένως του εκπαιδευτικού); Από την υλοποίηση και την αξιολόγησή του, το διδακτικό σενάριο φαίνεται πως ήταν κατάλληλο για το επίπεδο γνώσεων των μαθητών. 4. Πώς γίνεται ο διδακτικός μετασχηματισμός της επιστημονικής γνώσης (όπως αυτή διδάσκεται στο πανεπιστήμιο) σε διδακτέα και διδαχθείσα γνώση στο πλαίσιο του εκπαιδευτικού σεναρίου και πώς χρησιμοποιούνται για αυτό τα προσφερόμενα από το σενάριο εργαλεία και υλικά; Ποιες παιδαγωγικές και διδακτικές ανάγκες ικανοποιούνται; Οι έννοιες του προγραμματισμού και της ρομποτικής στο πανεπιστήμιο διδάσκονται αντίστροφα από την πορεία μάθησης που προτείνει το παρόν εκπαιδευτικό σενάριο. Στο πανεπιστήμιο ο προγραμματισμός και η ρομποτική διδάσκονται ως αυτόνομα διδακτικά αντικείμενα, που κάνουν χρήση των προβλημάτων για να αποδώσουν νόημα στην έννοια προς μάθηση. Ο διδακτικός μετασχηματισμός που προτείνεται αφορά στην αντιστροφή της διαδικασίας, στην έναρξη της μάθησης από το πρόβλημα και στη χρήση του προγραμματισμού και της ρομποτικής για την επίλυσή του, τεχνική που φέρνει ουσιαστική μάθηση των προς διδασκαλία εννοιών αλλά, το σημαντικότερο, ανταποκρίνεται ουσιαστικά στην ανάγκη των μαθητών να συνδέσουν τις προς μάθηση έννοιες με δικά τους, πραγματικά προβλήματα, και να τις χρησιμοποιήσουν στην πράξη για να τα λύσουν. Β. Οι αναπαραστάσεις των μαθητών σχετικά με το γνωστικό αντικείμενο και πιθανές δυσκολίες της σκέψης τους Αναπαραστάσεις των μαθητών: Τα παιδιά γνώριζαν για τα Lego, ότι είναι τουβλάκια τα οποία τα περισσότερα είχαν στο σπίτι, για να κάνουν διάφορες κατασκευές, που συνήθως αφορούσαν στην αυτοκίνηση. Δεν γνώριζαν όμως ότι υπάρχει δυνατότητα σύνδεσης με υπολογιστή και αποστολής εντολών στον κινητήρα, με χρήση προγράμματος τροποποιήσιμου από τα ίδια. Δυσκολίες της σκέψης τους: Στα πρώτα εργαστήρια, κατά την εμπλοκή με τα Lego, τα παιδιά περίμεναν περισσότερες οδηγίες για να υλοποιήσουν τις δραστηριότητες, μια πιο κατευθυνόμενη μάθηση, όπως έχουν συνηθίσει στο σχολείο. Το γεγονός όμως ότι μπορούσαν να κατασκευάσουν με το δικό τους τρόπο συσκευές για να λύσουν τα προβλήματα που ετίθεντο, τα κινητοποίησε περισσότερο, με αποτέλεσμα να σκεφτούν πρωτότυπες λύσεις με κατασκευές που δεν έχουν ξαναγίνει, προσαρμόζοντάς τες στο πρόβλημα, με διαφορετική οπτική το κάθε παιδί. Γ. Οι στόχοι του εκπαιδευτικού σεναρίου Κύριος στόχος του εκπαιδευτικού σεναρίου ήταν να κινητοποιήσει τα παιδιά με τρόπο ώστε να αυξήσουν το ενδιαφέρον, την εμπλοκή και τις επιδόσεις τους στις stem. 39

40 Δ. Το διδακτικό υλικό του εκπαιδευτικού σεναρίου Για την υλοποίηση των δραστηριοτήτων του εκπαιδευτικού σεναρίου χρησιμοποιήθηκαν τα παρακάτω υλικά: 40

41 41

42 Εποπτικό υλικό Για την υλοποίηση των δραστηριοτήτων χρησιμοποιήθηκαν Video που αφορούν το διάστημα, τη μοριακή δομή, τον ηλεκτρομαγνητισμό, το καθιερωμένο μοντέλο στη σωματιδιακή φυσική, καθώς και το ανθρώπινο σώμα. (οι ηλεκτρονικές διευθύνσεις στο παράρτημα). Δανειστική βιβλιοθήκη, με βιβλία και περιοδικά κυρίως από το χώρο των Θετικών Επιστημών. Αναλυτικά το περιεχόμενο της βιβλιοθήκης: Λογισμικό -60 περιοδικά National Geographic -14 περιοδικά Discovery and Science - 6 περιοδικά Γαιόραμα -Τα βιβλία του κ. Σιμόπουλου: o «Η γέννηση των άστρων» o «Ο θάνατος των άστρων» o «Πλανήτες και Δορυφόροι» -Οι τόμοι της εγκυκλοπαίδειας Time Life : o Άνθρωπος και Διάστημα o Ήχος και Ακοή o Φως και Όραση o Μηχανές Για την υλοποίηση των δραστηριοτήτων των σχετικών με το διάστημα χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό προσομοίωσης διαστημικών πτήσεων Orbiter 2010, ενώ για την υλοποίηση των δραστηριοτήτων των σχετικών με τον οπτικό προγραμματισμό το λογισμικό LEGO Education WeDo Software v1.2 and Activity Pack. 42

43 Ε. Οι δραστηριότητες υλοποίησης του εκπαιδευτικού σεναρίου στην τάξη (με χρήση κατάλληλων διδακτικών στρατηγικών). Ο στόχος του σεναρίου ήταν να κινητοποιήσει τα παιδιά με τρόπο ώστε να αυξήσουν το ενδιαφέρον, την εμπλοκή και τις επιδόσεις τους στις stem. Παρά το πιο εξειδικευμένο ενδιαφέρον της πτυχιακής εργασίας για την επίδραση της διδασκαλίας μόνον του οπτικού προγραμματισμού με χρήση ρομπότ στην ενεργότερη και αποδοτικότερη ενασχόληση των παιδιών με το αντικείμενο, κυρίως για λόγους αντίληψης της δυνατής ευρύτητας του ερευνητικού φάσματος στο επίπεδο μιας πτυχιακής μεταπτυχιακού προγράμματος, η συνολική θεώρηση για την στρατηγική που ήταν κατάλληλο να ακολουθηθεί ώστε τα συμπεράσματα από την έρευνα να είναι κατά το δυνατόν ακριβέστερα, απαιτούσε μια ευρύτερη ενασχόληση των παιδιών με σειρά εννοιών από τις stem, πριν ασχοληθούν με την επίλυση προβλημάτων που τα απασχολούσαν, με τη χρήση Lego. Κάτι τέτοιο θα έδινε στα παιδιά τη δυνατότητα να εκμεταλλευτούν τις γνώσεις και τον διαφορετικό τρόπο σκέψης που απέκτησαν μαθαίνοντας έννοιες από τη Φυσική και τη Βιολογία, για να καταστρώσουν πιο πολύπλοκα σχέδια αντιμετώπισης των προβλημάτων, και να δώσουν λύσεις συνεπείς και επαρκείς. Για να δοθεί η δυνατότητα στα παιδιά για μια πιο ολιστική αντιμετώπιση των προβλημάτων που θα είχαν να λύσουν χρησιμοποιώντας τα Lego και το περιβάλλον οπτικού προγραμματισμού, θεωρήθηκε σκόπιμη μια πρώτη εισαγωγή στους τρόπους λειτουργίας των Lego, τόσο του υλικού όσο και του λογισμικού, ακολούθως μια εκτεταμένη αναφορά σε έννοιες από το χώρο της Φυσικής, και έπειτα εισαγωγή στην ενότητα επίλυσης προβλημάτων με χρήση των Lego. 43

44 Τα εργαστήρια Πιο αναλυτικά, ολόκληρο το πρόγραμμα δραστηριοτήτων υλοποίησης του εκπαιδευτικού σεναρίου παρατίθεται παρακάτω: 1o Εργαστήριο Στα πρώτα δύο εργαστήρια οι δραστηριότητες σκόπευαν στην εξοικείωση με το υλικό. Για το πρώτο εργαστήριο χρησιμοποιήσαμε το πακέτο Lego Education WeDo και το πακέτο Physics Pro. Ρομποτική Οδηγίες κατασκευής του ρομπότ που χρησιμοποιήσαμε βρίσκονται στην activity 5 της ενότητας Lego Activities του πακέτου Lego Education WeDo. Παράδειγμα του ρομπότ που προέκυψε φαίνεται στην εικόνα δεξιά. Στο έξυπνο κουτί συνδέσαμε τον κινητήρα και τον αισθητήρα κλίσης. Κατόπιν συνδέσαμε το έξυπνο κουτί μέσω θύρας usb στον Η/Υ. Εξετάσαμε το ρομπότ, τον κινητήρα και τη Εικόνα 10. Το πρώτο ρομπότ σύνδεσή του με τον υπολογιστή. Μάθαμε τι επίδραση έχει στον κινητήρα κάθε εντολή του προγράμματος. Μελετήσαμε τη λειτουργία των αισθητήρων κλίσης και κίνησης. Αναρωτηθήκαμε πώς μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τους αισθητήρες κίνησης στο σπίτι. Δυναμική ρευστών Χρησιμοποιήσαμε ένα λάστιχο σύνδεσης και δύο μικρές αντλίες, όπως στην εικόνα δεξιά. 1. Εξετάσαμε τη συνδεσμολογία των αντλιών νερού. 2. Πειραματιστήκαμε με το αν μπορεί το νερό να συμπιεστεί. 3. Αναλύσαμε το πώς μπορούμε να εκμεταλλευτούμε την ιδιότητα αυτή των υγρών, για να λύσουμε προβλήματα της καθημερινότητάς μας. Εικόνα 11. Αντλίες και υδροδυναμική. 44

45 2 ο Εργαστήριο Ρομποτική 1. Φτιάξαμε ένα πρόγραμμα για να κάνουμε το ρομπότ-λιοντάρι να σηκώνεται στα πόδια του και να ξανακάθεται. Διορθώσαμε τις εντολές που δεν οδηγούσαν στο σκοπό μας. Εικόνα 12. Το πρώτο πρόγραμμα. 45

46 Δυναμική ρευστών 1. Συζητήσαμε με τα παιδιά για τα μηχανήματα όπου θα μπορούσαμε να βρούμε αντλίες σαν αυτές που κατασκευάσαμε στο πρώτο εργαστήριο. Μελετήσαμε τις αντλίες νερού και συνδέσαμε την πίεση που ασκούσε η μία στην άλλη με τα φρένα των αυτοκινήτων και τη ράμπα ανύψωσης στο συνεργείο. 2. Πειραματιστήκαμε με τη δύναμη που έχουν τα υγρά να ανυψώνουν τα έμβολα. Προκαλέσαμε τα παιδιά να πιέσουν και τα δύο έμβολα μαζί και να δουν τι θα γίνει. Με αυτό τον τρόπο πειραματιστήκαμε σχετικά με το αν, πόσο και πώς μπορούν να συμπιεστούν τα υγρά. Υπολογιστές 1. Εξετάσαμε τη μητρική κάρτα του υπολογιστή. Μας ενδιέφερε περισσότερο η διαδρομή του μηνύματος, από το εργαλείο που χρησιμοποιήθηκε για την πραγματοποίησή της. Θέλαμε να κατανοήσουμε πώς φτάνει μια πληροφορία, ακουστική ή οπτική, από ένα μέσο αποθήκευσης σε εμάς. Ακολουθήσαμε τη νοητική πορεία ενός ηχητικού σήματος από το σκληρό δίσκο ως τα ηχεία του υπολογιστή, αλλά και την διαδικασία μεταφοράς δεδομένων από στοιχείο σε στοιχείο του hardware μέχρι την οθόνη του Η/Υ για να δούμε πώς φτάνει μια εικόνα από μια μονάδα μνήμης ως την οθόνη. Εξετάσαμε τι είναι μια εικόνα, και πώς σχηματίζεται από τα επιμέρους εικονοστοιχεία της. 2. Αναρωτώμενοι σε σχέση με τον τρόπο που φαίνεται μια μεγάλη σειρά ακίνητων εικόνων ως μία κινούμενη εικόνα (video) στην οθόνη του υπολογιστή, φτάσαμε να συζητούμε για το πώς βλέπουμε, και το πώς (δεν) αντιλαμβανόμαστε την κίνηση ως ψευδαίσθηση. Συζήτηση που μας οδήγησε να σκεφτούμε καλύτερα την πιθανότητα της πραγματοποίησης ενός εργαστηρίου για το πώς βλέπουμε. 46

47 3 ο Εργαστήριο Μοριακή δομή και καταστάσεις της ύλης- μεταβολή της κατάστασης του νερού από στερεό σε υγρό και από υγρό σε αέριο. Βρασμός-εξάτμιση-υγροποίηση του νερού. Το τρίτο εργαστήριο έγινε εφαλτήριο για την ενασχόληση με πλήθος άλλων θεμάτων που είχαν να κάνουν με την μοριακή δομή και το ρόλο που παίζει στη ζωή μας. Η μοριακή δομή έγινε αφορμή για την πραγματοποίηση εργαστηρίων που ασχολούνταν με βασικά θέματα βιολογίας ανθρώπου. Ως προς τη δομή του, το τρίτο εργαστήριο στήθηκε με βάση την αλληλεμπλοκή πραγματικών και εικονικών δεδομένων, από το πείραμα με νερό στην παρουσίαση animation για το τι συμβαίνει όντως τότε στο επίπεδο των μορίων. 1. Βράσαμε νερό. Παρακολουθήσαμε το βρασμό. Αναρωτηθήκαμε από τι είναι φτιαγμένες οι φυσαλίδες που βλέπουμε να ανεβαίνουν. 2. Πήραμε το καπάκι από το δοχείο όπου έβραζε το νερό και το βάλαμε στην κατάψυξη. Παρατηρήσαμε την αντίστροφη διαδικασία της υγροποίησης. 3. Είδαμε animation με το πώς το νερό αλλάζει φυσική κατάσταση από πάγο σε υγρό, από υγρό σε αέριο, σε σχέση με τη συνοχή της μοριακής του δομής. 4. Είδαμε animation για το πώς το νερό αλλάζει κατάσταση στη φύση. 4 ο Εργαστήριο Διαλύματα-μοριακή δομή Και το τέταρτο εργαστήριο διατήρησε τη δομή του τρίτου, με εναλλαγή περιβαλλόντων από το πείραμα στην προσομοίωση στον υπολογιστή. Η μοριακή δομή είναι μια θεωρία για το πώς διαμορφώνεται η ύλη και γιατί τα υλικά διαφέρουν μεταξύ τους. Με τη χρήση της ερμηνεύονται και προβλέπονται τα περισσότερα φυσικά και χημικά φαινόμενα. Στις δραστηριότητες που ακολουθούν προσπαθήσαμε να γίνει αντιληπτή η σύνδεση μεταξύ των αλλαγών που παρατηρούνται στις ιδιότητες των διαλυμάτων (χρώμα, οσμή, γεύση, υφή) και στη μοριακή δομή του διαλύτη και του διαλυμένου σώματος. 1. Διαλύσαμε ξύδι, λάδι, λεμόνι, απορρυπαντικό πιάτων, καφέ, ζάχαρη, στο νερό, και μελετήσαμε το χρώμα του διαλύματος που προέκυψε. 2. Είδαμε animation για το πώς τα θετικά ιόντα του νερού τραβούν τα αρνητικά του αλατιού, και έτσι το νερό διαλύει το αλάτι. 3. Μιλήσαμε για το πώς συνδέονται τα μόρια μεταξύ τους, και τι τα κάνει να έλκονται ή να απωθούνται. 4. Από τη συζήτηση προέκυψε το ερώτημα σχετικά με το ποιες ουσίες ευνοούν την ύπαρξη ζωής, γιατί υπάρχουν στη Γη, αν υπάρχουν σε άλλους πλανήτες. 5. Συζητήσαμε απορίες για τους πλανήτες, τη ζωή σε άλλα ηλιακά συστήματα, την καύση. 47

48 5 ο Εργαστήριο Σε αυτό το εργαστήριο δόθηκε στα παιδιά φάκελος πληροφοριών (βρίσκεται στο παράρτημα) για τα θεμελιώδη μεγέθη, και τις μονάδες μέτρησής τους. Ακολούθησαν οι παρακάτω δραστηριότητες: 1. Μιλήσαμε για τα θεμελιώδη μεγέθη. Μήκος, μάζα, χρόνο. 2. Εξετάσαμε το τι είναι επιστήμη. Πώς δουλεύει ένας επιστήμονας. 3. Αναλύσαμε τη δομή του επιστημονικού τρόπου σκέψης: Παρατήρηση, υπόθεση, πείραμα, συμπέρασμα. Συζητήσαμε για το πώς μπορεί να μας βοηθήσει αυτός ο τρόπος σκέψης στην καθημερινότητα. 4. Μελετήσαμε τον επιστημονικό τρόπο σκέψης μιλώντας για τον τρόπο λειτουργίας των ελαστικών των αυτοκινήτων, τη σχέση του με τους νόμους της φυσικής, τις παρατηρήσεις και τα πειράματα που οδήγησαν στη χρήση του συγκεκριμένου υλικού, τις τροποποιήσεις στο υλικό και τις αιτίες που οδήγησαν σε αυτές. 6 ο εργαστήριο Στο έκτο εργαστήριο δόθηκε στα παιδιά φάκελος πληροφοριών (βρίσκεται στο παράρτημα) για το καθιερωμένο μοντέλο στη σωματιδιακή Φυσική, με λεπτομέρειες για τα σωματίδια που απαρτίζουν τα υλικά σώματα και τις δυνάμεις που δρουν μεταξύ τους. Ακολούθησαν οι παρακάτω δραστηριότητες: 1. Μιλήσαμε για το καθιερωμένο μοντέλο στη σωματιδιακή φυσική. 2. Φτιάξαμε αντικείμενα με τουβλάκια Lego, χαλάσαμε τα αντικείμενα και τα ξαναφτιάξαμε για να έχουμε την εικόνα του πώς κατασκευάζονται όλα τα σώματα στο σύμπαν από τα ίδια δομικά υλικά. 3. Είδαμε ντοκυμαντέρ του CERN για το καθιερωμένο μοντέλο στη σωματιδιακή Φυσική. 48

49 Στα επόμενα δύο εργαστήρια προσπαθήσαμε για μία ακόμη ενοποίηση στη βάση ενός κοινού εννοιακού προβλήματος. Η σύνδεση του ηλεκτρισμού με το μαγνητισμό, και του ηλεκτρομαγνητισμού με τα φαινόμενα του φωτός και του ήχου, ήταν αυτή που μας απασχόλησε, περισσότερο από τα ίδια τα φαινόμενα. 7 ο εργαστήριο Ηλεκτρομαγνητισμός και φως 1. Συζητήσαμε για την προέλευση του ηλεκτρικού φωτός. Μιλήσαμε για το ρεύμα, τις πηγές του, τον τρόπο χρήσης του και τη χρησιμότητά του στη ζωή μας. 2. Μιλήσαμε για τις συσκευές στο σπίτι μας που λειτουργούν με ηλεκτρικό ρεύμα. Εστιάσαμε στη μετατροπή του ηλεκτρικού ρεύματος σε φως. 3. Συνδέσαμε ένα μετασχηματιστή μέσω καλωδίων με ένα φανάρι αυτοκινήτου. Δοκιμάσαμε το κύκλωμα, σε όλες τις δυνατές θέσεις (μικρή, μεγάλη σκάλα). 4. Πειραματιστήκαμε με το αν μπορεί να λειτουργεί μια ηλεκτρική συσκευή που παράγει φως χωρίς να υπάρχει κύκλωμα που να επιτρέπει την πορεία και επιστροφή των ηλεκτρικών φορτίων ώστε να υπάρξει ρεύμα. 5. Μελετήσαμε το ρόλο των μαγνητών στην έλξη αντικειμένων. Τους δοκιμάσαμε για να σηκώσουμε και να μετακινήσουμε βαρύτερα αντικείμενα. 8 ο εργαστήριο Ηλεκτρομαγνητισμός και ήχος 1. Μελετήσαμε το ρόλο του μετασχηματιστή στο κύκλωμα. 2. Συνδέσαμε το ραδιόφωνο με την παροχή ρεύματος και το ηχείο με το ραδιόφωνο. 3. Ακούσαμε τη μουσική και αγγίξαμε το ηχείο για να διαπιστώσουμε ότι τρέμει, και αυτό το τρέμολο αντιλαμβανόμαστε ως ήχο. 4. Δοκιμάσαμε διαφορετικές συνδεσμολογίες για να δώσουμε ρεύμα στο κύκλωμα. 49

50 9 ο εργαστήριο Ηχητικό κύμα, διάδοση του ήχου, ακουστική 1. Μιλήσαμε και ακούσαμε μουσική μέσα από ηχεία διαφορετικού μεγέθους και υλικού. 2. Είδαμε βίντεο για το ηχητικό κύμα, τη δημιουργία της φωνής, την μετάδοση του ήχου και την ακουστική. 10 ο εργαστήριο Ανασκόπηση-ανακεφαλαίωση των προηγουμένων. 11 ο εργαστήριο Δεύτερη επαφή με τα τουβλάκια Lego και Engino. Συνδεσμολογία μερών, κατασκευή βραχίονα. Σε αυτό το εργαστήριο δόθηκαν στα παιδιά τουβλάκια Lego και Engino. Πρώτος στόχος για τα παιδιά ήταν να συνδέσουν τα τουβλάκια με τρόπο ώστε να κατασκευάσουν βραχίονες σε σχήμα Γ με δυνατότητα περιστροφής γύρω από τον άξονά τους. Ήταν ένα πρόβλημα που λύθηκε σχετικά εύκολα, αλλά τα παιδιά προτίμησαν να το κάνουν πιο πολύπλοκο, χρησιμοποιώντας τους βραχίονες που έφτιαξαν για να κατασκευάσουν οχήματα με έλικες ή σκαπτικά μηχανήματα. Παράδειγμα κατασκευής με δυνατότητα πολυμετακίνησης τεσσάρων αξόνων, με χρήση τροχών ως βάσεων φαίνεται στις εικόνες δεξιά. 12 ο εργαστήριο Εικόνα 13. Κατασκευές των παιδιών Κατασκευές με ρόδες και βραχίονες, περιστροφή. Σε αυτό το εργαστήριο στόχος ήταν να δοθεί δυνατότητα κίνησης με τροχούς, στα μηχανήματα που κατασκευάστηκαν στο προηγούμενο εργαστήριο. Παράδειγμα τέτοιας κατασκευής φαίνεται στην εικόνα δεξιά. 50 Εικόνα 14. Άξονες και τροχοί

51 13 ο εργαστήριο Κατασκευές με βάση τις οδηγίες των φυλλαδίων, σύνδεση ρομπότ Lego με υπολογιστή. 14 ο εργαστήριο Προγραμματισμός κίνησης ρομπότ, διόρθωση αλγορίθμου. Αφού ολοκληρώθηκε η κατασκευή των οχημάτων από τα παιδιά, καταπιάστηκαν με την κατασκευή αλγορίθμων στο Lego WeDo ώστε να δώσουν κίνηση στα ρομπότ τους. Κάποιοι από τους αλγόριθμους που έφτιαξαν παρουσιάζονται στις εικόνες κάτω. 15 ο εργαστήριο Εικόνα 15. Τα προγράμματα των παιδιών. Προσπάθεια για υλοποίηση νέων κατασκευών, εκτός φυλλαδίου, με παράλληλη ανάλυση και επεξεργασία αλγορίθμου για την κίνησή τους. 51

52 16 ο εργαστήριο 1. Συναρμολογήσαμε το ηλιακό όχημα. (Εικόνα δεξιά) 2. Κατασκευάσαμε το υδραυλικό φρένο. 3. Κινήσαμε το όχημα Lego με το πρόγραμμα Education WeDo. Σε αυτό το εργαστήριο τα παιδιά ολοκλήρωσαν το όχημά τους και το πρόγραμμα περιοδικής παλινδρομικής κίνησής του. Το όχημα φαίνεται στις εικόνες κάτω. Ο Εικόνα 16. Το ηλιακό όχημα. αλγόριθμος που φαίνεται στις εικόνες αρκούσε για την πρώτη κίνηση, ενώ η επανάληψη κίνησης προστέθηκε με χρήση της δομής επανάληψης. Ολόκληρος ο κώδικας βρίσκεται στην πιο κάτω εικόνα. Εικόνα 17. Το τελικό ρομποτικό όχημα των παιδιών 52 Εικόνα 18. Το πρόγραμμα κίνησης του ρομποτικού οχήματος

53 17 ο εργαστήριο Ταξίδι στο ανθρώπινο σώμα. Παρουσίαση με 3d animation, απορίες, συζήτηση. Σε αυτό το εργαστήριο καταλήξαμε μετά από συζήτηση με τα παιδιά, για να εξηγήσουμε και να μελετήσουμε ερωτήματα που μας απασχολούσαν σε σχέση με το ανθρώπινο σώμα, και τις λειτουργίες του που άμεσα ή έμμεσα αντιλαμβανόμαστε. 18 ο εργαστήριο Μνήμη, αντίληψη, το νευρικό σύστημα. Το εργαστήριο αυτό είχε να κάνει με την ίδια τη μάθηση. Μας απασχόλησε το πώς μαθαίνουμε, το τι και γιατί (δεν) μαθαίνουμε, και το τι και γιατί ξεχνάμε. Η ενασχόληση με το θέμα και η αναζήτηση των παιδιών σε προσωπικές εμπειρίες, κυρίως από ασθένειες δικών τους προσώπων, μας οδήγησε στο θέμα του 22 ου εργαστηρίου. 19 ο εργαστήριο Το πεπτικό σύστημα. Με αφορμή το πεπτικό σύστημα και τις βασικές του λειτουργίες, μελετήσαμε το ρόλο της δομής-λειτουργίας του κάθε οργάνου, και ανατρέξαμε στο παράδειγμα των Lego για να εξηγήσουμε το φαινόμενο της πέψης. 20 ο εργαστήριο Οι απορίες των παιδιών. Με βάση τις απορίες των παιδιών, όπως και μέχρι τώρα, στήσαμε τις θεματικές ενότητες για τα επόμενα εργαστήρια. 21 ο εργαστήριο Το κυκλοφορικό-αναπνευστικό σύστημα. Σε αυτό το εργαστήριο συζητήσαμε για την αλληλεπίδραση των δύο συστημάτων, που στην ουσία αποτελούν λειτουργική ένωση, και μελετήσαμε τη λειτουργία τους, με βάση τις ασθένειες που προκύπτουν από τη δυσλειτουργία ή τη βλάβη τους (καρδιοπάθειες, έμφραγμα, λοιμώξεις του αναπνευστικού) και τις πιθανές μελλοντικές δυνατότητες για θεραπεία. 53

54 22 ο εργαστήριο Παθήσεις του νευρικού συστήματος και καθημερινή ζωή. Μιλήσαμε για τις αιτίες και τους τρόπους εκδήλωσης της νόσου Alzheimer s, και μελετήσαμε τις επιπτώσεις της στην καθημερινότητα των ανθρώπων, με βάση προσωπικές εμπειρίες των παιδιών. 23 ο εργαστήριο Αστρονομία Σε αυτό το εργαστήριο μελετήσαμε τις παρακάτω υποενότητες: 1. Ουράνια σώματα: Ορισμοί, ονόματα, το Ηλιακό Σύστημα, ο Γαλαξίας. Σύγκριση μεγεθών αστέρων. 2. Ιστορία των διαστημικών πτήσεων. Από τα πυροτεχνήματα στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. 3. Το διαστημικό λεωφορείο. 4. Η Διαστημική στον κινηματογράφο. 54

55 ΣΤ. Η αξιολόγηση (μαθητών και εκπαιδευτικού σεναρίου) Βασικοί στόχοι που έπρεπε να επιτευχθούν μέσω του εκπαιδευτικού σεναρίου ήταν: 1. Η αύξηση του ενδιαφέροντος των παιδιών για τις stem, μέσω της εμπλοκής με τα Lego WeDo, και 2. η αύξηση των επιδόσεών τους σε αυτές, μέσω της επιτυχούς επίλυσης προβλημάτων με τη χρήση των Lego. Για να αξιολογήσουμε το ενδιαφέρον των παιδιών μοιράσαμε σχετικά ερωτηματολόγια. Οι απαντήσεις τους παρουσιάζονται στα παρακάτω διαγράμματα συχνοτήτων. Παρατηρούμε πως για τα περισσότερα παιδιά τα μαθήματα των stem θα ήταν πιο ενδιαφέροντα αν υπήρχαν στο σχολείο Lego WeDo. 10 Πιστεύεις ότι το μάθημα της Φυσικής θα ήταν πιο ενδιαφέρον, αν στο σχολείο είχατε ρομπότ σαν το Lego WeDo? Καθόλου Λίγο Έτσι κι έτσι Πολύ Πάρα πολύ Πιστεύεις ότι το μάθημα της Πληροφορικής θα ήταν πιο ενδιαφέρον, αν στο σχολείο είχατε ρομπότ σαν το Lego WeDo? Καθόλου Λίγο Έτσι κι έτσι Πολύ Πάρα πολύ Βάση για την αξιολόγηση αποτέλεσε τόσο το ενδιαφέρον που παρατηρήθηκε κατά την επίλυση του προβλήματος κίνησης του ρομπότ, όσο και ο βαθμός λειτουργικότητας του ρομποτικού συστήματος, η ανταπόκριση δηλαδή στον στόχο που είχε τεθεί από τα ίδια τα παιδιά. Το ρομπότ έπρεπε να λειτουργεί, να εκτελεί δηλαδή επαναλαμβανόμενη διαδοχικά εμπρός-πίσω κίνηση, με έναρξη προγράμματος με παροχή σήματος από τον αισθητήρα φωτός. Η κίνησή του ήταν τελικά αυτή που είχε τεθεί ως στόχος. 55

56 Ζ. Παρατηρήσεις οδηγίες για τους εκπαιδευτικούς Είναι ωφέλιμο να διατηρηθεί ο ευέλικτος χαρακτήρας του εργαστηρίου. Οι θεματικές ενότητες είναι καλό να βγαίνουν από τα προσωπικά ενδιαφέροντα των παιδιών, να πηγάζουν από τους δικούς τους προβληματισμούς, ενώ είναι απαραίτητη η συνεχής προσπάθεια για ανατροφοδότηση. Σκοπός του εργαστηρίου δεν είναι να δώσει απαντήσεις, είναι να δημιουργήσει ερωτήματα στα παιδιά, για το πώς λειτουργεί ο κόσμος, η φύση και τα ανθρώπινα δημιουργήματα. Ο περισσότερος χώρος πρέπει να δίνεται στο λόγο των παιδιών, παρόλο που στην αρχή μπορεί τα ερωτήματά τους να φαίνονται μη ενήλικα (γιατί όντως δεν είναι, αφού προέρχονται από παιδιά). Με την πάροδο των εργαστηρίων, και με προσήλωση στο λόγο και τη σκέψη των παιδιών, θα υπάρξει εκλέπτυνση και συστηματοποίηση των ερωτημάτων. Το υλικό και τα λογισμικά που αναφέρθηκαν παραπάνω δεν είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν αυτούσια σε κάθε εφαρμογή του σεναρίου. Η οπτική της αλληλεπίδρασης με τα παιδιά είναι στην ουσία αυτή που κατευθύνει και την πορεία εύρεσης υλικού και λογισμικών. Χρειάζεται όμως πάντοτε η ικανότητα να διαπιστώνουμε την μη γνώση μας σε σχέση με οτιδήποτε ρωτούν τα παιδιά. Είναι ωφέλιμο να αποφεύγουμε την ευθεία απάντηση, ακόμα και όταν τη γνωρίζουμε καλά. Προέχει να οδηγήσουμε τις απορίες των παιδιών προς συζήτηση και από τα υπόλοιπα παιδιά, να τους δώσουμε στοιχεία για να φτάσουν μόνα τους στην απάντηση που ψάχνουν. 56

57 ΤΡΙΤΟ ΜΕΡΟΣ-Η ΕΡΕΥΝΑ Συνοπτικά στοιχεία της έρευνας Δείγμα: Δεκαμελής ομάδα μαθητών Δημοτικού, ηλικίας 8-11 ετών, από την περιοχή της Αγυιάς Πατρών. Μέθοδοι: Οργάνωση και υλοποίηση προγράμματος δραστηριοτήτων, συμμετοχική και μη συμμετοχική παρατήρηση. Χώρος και χρόνος υλοποίησης έρευνας: Ιδιωτικό νηπιαγωγείο, στα πλαίσια εργαστηρίου. 8 εβδομαδιαία μονόωρα μαθήματα, από τις 13/10/2012 ως τις 23/2/2013. Πρόγραμμα δραστηριοτήτων - Εισαγωγή Σκοπός της έρευνας ήταν να εξετάσει και να αναδείξει την επίδραση της διδασκαλίας οπτικού προγραμματισμού με χρήση ρομποτικού συστήματος στην αύξηση του ενδιαφέροντος των παιδιών για τις stem. Για την επίτευξη του σκοπού αυτού στήθηκε ένα εργαστήριο Φυσικής, με διευρυμένη θεματολογία, που κάλυπτε θέματα σχετικά με τα ενδιαφέροντα των παιδιών, όπου οι έννοιες των stem δεν ήταν το κυρίως αντικείμενο διδασκαλίας, αλλά χρησίμευαν για την υπέρβαση των γνωστικών εμποδίων, που αναπόφευκτα προέκυπταν από την ενασχόληση με την επίλυση νοητικών ή κατασκευαστικών προβλημάτων, που δημιουργούνταν στο εργαστήριο. Το εργαστήριο ξεκίνησε τη λειτουργία του τον Οκτώβριο του Για λόγους τακτικής της έρευνας, οι διδασκόμενες ενότητες που αφορούσαν τον οπτικό προγραμματισμό με Lego διαιρέθηκαν χρονικά σε δύο μέρη, απέχοντα μεταξύ τους κατά ένα τρίμηνο. Η πρώτη ενότητα διδάχθηκε σε δύο διδακτικές ώρες, τον Οκτώβριο, ενώ η δεύτερη ενότητα σε έξι διδακτικές ώρες, το διάστημα Ιανουαρίου- Φεβρουαρίου. Ο λόγος που θεωρήθηκε χρήσιμη η χρονική απόσταση ήταν η ανάγκη να έρθουν στο ενδιάμεσο τα παιδιά σε επαφή με ποικιλία εννοιών από το χώρο των stem, σε μια προσπάθεια να έχουν σταθερά και διευρυμένα γνωστικά θεμέλια, για να μπορούν στην επόμενη διδακτική ενότητα να αντιμετωπίσουν ολιστικά τα προβλήματα που θα καλούνταν να επιλύσουν με τη χρήση των Lego Education WeDo. 57

58 Οργάνωση και υλοποίηση δραστηριοτήτων Οι δραστηριότητες που έγιναν όλη τη χρονιά στο εργαστήρι, αλλά και πιθανώς χρήσιμες επεκτάσεις τους, παρατίθενται αναλυτικά στην ενότητα που αφορά στο προτεινόμενο σενάριο. Συνοπτικά να αναφέρουμε τις θεματικές ενότητες που διδάχθηκαν στο εργαστήριο: Ρομποτική Δυναμική ρευστών Υπολογιστές Μοριακή δομή και καταστάσεις της ύλης- μεταβολή της κατάστασης του νερού από στερεό σε υγρό και από υγρό σε αέριο. Βρασμός-εξάτμισηυγροποίηση του νερού. Διαλύματα-μοριακή δομή Βασικές έννοιες της Φυσικής Το καθιερωμένο μοντέλο στη σωματιδιακή Φυσική Ηλεκτρομαγνητισμός και φως Ηλεκτρομαγνητισμός και ήχος Ηχητικό κύμα, διάδοση του ήχου, ακουστική Δεύτερη επαφή με τα τουβλάκια Lego και Engino. Συνδεσμολογία μερών, κατασκευή βραχίονα. Κατασκευές με ρόδες και βραχίονες, περιστροφή. Κατασκευές με βάση τις οδηγίες των φυλλαδίων, σύνδεση ρομπότ Lego με υπολογιστή. Προγραμματισμός κίνησης ρομπότ, διόρθωση αλγορίθμου. Προσπάθεια για υλοποίηση νέων κατασκευών, εκτός φυλλαδίου, με παράλληλη ανάλυση και επεξεργασία αλγορίθμου για την κίνησή τους. Ταξίδι στο ανθρώπινο σώμα. Παρουσίαση με 3d animation, απορίες, συζήτηση. Μνήμη, αντίληψη, το νευρικό σύστημα. Το πεπτικό σύστημα. Οι απορίες των παιδιών. Το κυκλοφορικό-αναπνευστικό σύστημα. Παθήσεις του νευρικού συστήματος και καθημερινή ζωή. Ουράνια σώματα: Ορισμοί, ονόματα, το Ηλιακό Σύστημα, ο Γαλαξίας. Σύγκριση μεγεθών αστέρων. Ιστορία των διαστημικών πτήσεων. Από τα πυροτεχνήματα στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Το διαστημικό λεωφορείο. 58

59 Παρατήρηση ανά εργαστήριο Κατά την υλοποίηση των δραστηριοτήτων γίνονται συζητήσεις με τα παιδιά σχετικά με τα Lego, αλλά και με τα υπόλοιπα αντικείμενα των δραστηριοτήτων. Με τη συμμετοχική παρατήρηση, συνελέχθησαν τα παρακάτω δεδομένα, ανά εργαστήριο: 1o Εργαστήριο Τα παιδιά είχαν ξανασυναντήσει τουβλάκια Lego. Κάποια είχαν στο σπίτι από μικρότερη ηλικία, κάποια άλλα είχαν δει σε σπίτια φίλων τους. Τα παιδιά που είχαν Lego στο σπίτι είχαν μεγαλύτερη εξοικείωση με τον τρόπο συναρμολόγησης αλλά και μεγαλύτερη ευελιξία στην ανάπτυξη των κατασκευών. Όμως κανένα από τα παιδιά δεν γνώριζε ότι υπάρχει η δυνατότητα η κατασκευή να κινείται με τη χρήση κινητήρα, αλλά και η κίνηση αυτή να μπορεί να ελεγχθεί από τα ίδια, και μάλιστα προγραμματίζοντας σε ένα υπολογιστή. Στα παιδιά ήταν πολύ πιο εύκολη η εμπλοκή με αυτό το υλικό, καθώς είναι παιχνίδια, και η χρήση τους για εκπαιδευτικό σκοπό δεν είναι άμεσα αντιληπτή, κάτι που κάνει την επαφή των παιδιών πιο διασκεδαστική και μακριά από ό, τι έχουν συνηθίσει από τη σχολική τους καθημερινότητα. Εδώ αξίζει να σημειωθεί πως σε πολλές ερωτήσεις προς τα παιδιά σχετικά με το σχολείο και το πώς βιώνουν την εμπειρία της σχολικής τάξης, η εικόνα που έδωσαν είναι αυτή μιας θεσμοθετημένης και επιβεβλημένα σεβαστής, αλλά κατά βάση βαρετής και αδιάφορης διαδικασίας, ενός σχολειού όπου πρέπει να πηγαίνουν, αλλά ίσως δεν είναι ακριβώς αυτό που θα ήθελαν για να μορφωθούν. Σε ό, τι αφορά την κατασκευή του ρομπότ, τα παιδιά δεν είχαν πρόβλημα να ακολουθήσουν τις οδηγίες για να το ολοκληρώσουν. Παρά το γεγονός αυτό όμως ήταν έντονη η επιθυμία τους να κατασκευάσουν δικά τους ρομπότ, κάτι που αποτέλεσε τελικά το θέμα του προβλήματος που τέθηκε προς επίλυση. 59

60 2 ο Εργαστήριο Στο δεύτερο εργαστήριο ασχοληθήκαμε περισσότερο με το λογισμικό Lego Education WeDo Software. Τα παιδιά προτίμησαν τη μέθοδο μάθησης trial and error, αλλάζοντας διαδοχικά τις εντολές και τις επιλογές κάθε εντολής στο πρόγραμμα, τρέχοντάς το για να διαπιστώσουν αν η υλοποίηση είναι αυτή που είχαν στο μυαλό τους. Το ρομπότ που χρησιμοποιήθηκε για τη δοκιμή του λογισμικού ήταν το λιοντάρι που βρίσκεται στην activity 5 του Lego Education Activities. Ο στόχος ήταν το καθιστό λιοντάρι-ρομπότ να σηκωθεί και να βρυχηθεί (Εικόνα 19). Το τελικό πρόγραμμα που απέδωσε την επιθυμητή κίνηση βρίσκεται στην εικόνα 20. Το πρώτο πρόβλημα που διαπιστώθηκε ήταν ότι η Εικόνα 19. Το ρομπότ εντολή για να σηκωθεί το ρομπότ δινόταν με την αντίστροφη της σωστής κίνηση του κινητήρα, με αποτέλεσμα το ρομπότ να κινεί τα μπροστινά πόδια αντίθετα της επιθυμητής φοράς. Τα παιδιά παρατήρησαν το γρανάζι που συνέδεε τον κινητήρα με τα πόδια του λιονταριού και διαπίστωσαν ότι χρειάζεται να κινηθεί αντίστροφα. Έτσι, ανέστρεψαν τη φορά του κινητήρα, κάνοντας κλικ πάνω στην αντίστοιχη εντολή για κίνηση. Εκκινώντας το πρόγραμμα διαπίστωσαν πως ο κινητήρας περιστρέφεται περισσότερο από το κανονικό, με αποτέλεσμα το ρομπότ να σηκώνεται περισσότερο από όσο έπρεπε και το γρανάζι να κολλάει. Διόρθωσαν το πρόβλημα μειώνοντας τις στροφές του κινητήρα, από την αντίστοιχη εντολή στο πρόγραμμα. Έπειτα έπρεπε να βρουν την ακολουθία εντολών ώστε το ρομπότ να ξανακαθίσει. Από την ενασχόλησή τους με το μηχανολογικό μέρος του ρομπότ γνώριζαν ότι τα πόδια κινούνται με κατεύθυνση ανάλογη της φοράς περιστροφής του γραναζιού που συνδέεται με τα πόδια του ρομπότ (Εικόνα 21). Με αυτή τη λογική χρησιμοποίησαν την ακολουθία ανύψωσης του ρομπότ για να φτιάξουν την ακολουθία επαναφοράς στην αρχική θέση, αντιστρέφοντας τη φορά κίνησης του κινητήρα στη σχετική εντολή του προγράμματος. Διαπίστωσαν όμως ότι με τον επιλεγμένο αριθμό στροφών του κινητήρα στην αντίστοιχη εντολή το ρομπότ συνέχιζε την κίνηση και αφού είχε καθίσει. Με τη μείωση των στροφών του κινητήρα λύθηκε και αυτό το πρόβλημα. Εικόνα 20. Το πρόγραμμα κίνησης του ρομπότ Εικόνα 21. Σύνδεση γραναζιού και κινητήρα. 60

61 3 ο και 4 ο Εργαστήριο Στο τρίτο και στο τέταρτο εργαστήριο ασχοληθήκαμε με τα φαινόμενα που αφορούν τις φυσικές καταστάσεις του νερού, και τα διαλύματα. Η παρατήρηση έδειξε πως τα περισσότερα παιδιά δείχνουν αμηχανία σε σχέση με τις διαδικασίες του πειράματος, ως προς τη δυνατότητα κίνησής τους στο χώρο. Τα παιδιά έχουν μάθει από το σχολείο πως κάθε εκπαιδευτική διαδικασία πρέπει να γίνεται με τα ίδια καθισμένα και εν πολλοίς ακίνητα. Για αυτό το λόγο στα πρώτα πειράματα δυσκολεύονται να μετακινηθούν για την εκτέλεσή του, και πολύ συχνά ζητούν οδηγίες. Η κατάσταση αυτή αλλάζει σταδιακά, και για μερικά παιδιά προς το αντίθετο άκρο. Η αδυναμία διαχείρισης της δυνατότητας κίνησης μπορεί επίσης να εξηγηθεί από την ελλιπή εξοικείωση με αυτήν. Ως προς το γνωστικό, παρατηρήθηκε σε αυτά, αλλά και σε επόμενα εργαστήρια, η τάση μερίδας των παιδιών να παραθέτουν γνώσεις που έμαθαν στο σχολείο, συνήθως αποσυνδεδεμένες από το εξεταζόμενο πρόβλημα, αλλά και με τάση επίδειξης, και σύγκρισης με τους υπόλοιπους. Αυτό επεκτείνεται στην τάση των παιδιών να αποφεύγουν τις απορίες, και να προτιμούν τις ερωτήσεις από το διδάσκοντα, κάτι που στην πορεία των εργαστηρίων αντιστρέφεται. Σε θέματα πρακτικής, είναι αναπόφευκτο, επόμενο και επιθυμητό τα παιδιά να προκαλούν μικροβλάβες στα υλικά. Κρίνεται επιθυμητό γιατί προτιμάται η ενεργή ενασχόληση των παιδιών με τα πειράματα, έστω και με το ρίσκο να χαλάσουν κάτι, από το να εστιαστεί η προσοχή μας στο να μην γίνουν ζημιές, και αυτό να τα οδηγήσει να προσέχουν τις κινήσεις σε βαθμό αποτρεπτικό για την ουσία του πειράματος: τη μάθηση. 61

62 5 ο και 6 ο εργαστήριο Σε αυτά τα εργαστήρια ασχοληθήκαμε με θεωρητικές έννοιες της Φυσικής, όπως τα θεμελιώδη μεγέθη, η μέτρηση, το καθιερωμένο μοντέλο στη σωματιδιακή Φυσική, και ο επιστημονικός τρόπος σκέψης. Η παρατήρηση έδειξε πως τα παιδιά ενδιαφέρονταν λιγότερο για καθαρά θεωρητικά θέματα. Ίσως θα ήταν πιο εύληπτες οι έννοιες αν τις είχαμε εξετάσει στο πλαίσιο ενός πειράματος, μιας δοκιμής ή ενός video. Για αυτό το λόγο επιλέχθηκε το παράδειγμα της κατασκευής, διάλυσης και με τα ίδια τουβλάκια Lego επανακατασκευής ενός άλλου δομικού συστήματος, με διαφορετική εμφάνιση και ιδιότητες. Από την ενασχόληση με αυτού του τύπου το παράδειγμα προέκυψαν οι παρατηρήσεις και η πρόταση που περιγράφεται πιο αναλυτικά σε επόμενη παράγραφο. Σε ό, τι αφορά το καθιερωμένο μοντέλο για τη σωματιδιακή φυσική, η απεικόνιση των βασικών δομών και αλληλεπιδράσεων που συνιστούν το σύμπαν, μέσα από τις σχετικές ανακαλύψεις των φυσικών, είναι ένα θέμα εξαιρετικά επίκαιρο και ενδιαφέρον. Αυτό φάνηκε και από τη διδασκαλία των εννοιών στα παιδιά, αφού από την παρατήρηση έγινε αντιληπτό πως τέτοιες προσεγγίσεις που έχουν απλότητα ενώ παραμένουν σημαντικές και συνεπείς επιστημονικά μπορούν να γίνουν αντιληπτές σε ικανοποιητικό βαθμό. Παρόλα αυτά, φαίνεται πως τα παιδιά έδειχναν περισσότερο ενδιαφέρον όταν οι έννοιες συνοδεύονταν από τα υλικά τους παραδείγματα, παρά όταν διδάσκονταν μέσω αφηρημένης εννοιολόγησης, ενώ το εποπτικό υλικό ήταν ιδιαίτερα χρήσιμο στην αποσαφήνισή τους. Σχετικά με τον επιστημονικό τρόπο σκέψης, στα παιδιά φαινόταν παράξενη η άποψη πως δεν υπάρχει στατικότητα στις επιστημονικές έννοιες, ότι είναι πιο σημαντικά τα ερωτήματα από τις απαντήσεις, ότι οι δάσκαλοι και οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν όλες τις λεπτομέρειες των πραγμάτων και ότι τα λάθη είναι απαραίτητα σε μια ορθή επιστημονική διαδικασία, ως μέσο προώθησης της διαφορικής διαδικασίας που οδηγεί σε στερεότερες ερμηνείες, υποθέσεις, θεωρίες και τελικά νόμους που διέπουν τη φύση. 7 ο, 8 ο και 9 ο εργαστήριο Σε αυτά τα εργαστήρια υπήρξε μεγάλος ενθουσιασμός κατά την εκτέλεση των πειραμάτων, αφού το αποτέλεσμα κάθε πειράματος συμπεριελάμβανε την εκπομπή πυκνών δεσμών φωτός, ή δυνατής έντασης ήχου από το ραδιόφωνο. Ήταν τα πρώτα εργαστήρια όπου τα παιδιά πήραν πρωτοβουλίες για τη λήψη αποφάσεων σε σχέση με τα πειράματα, χρησιμοποίησαν τα υλικά για να πετύχουν να κλείσουν το κύκλωμα, ενώ ήταν ικανοποιημένα με το αποτέλεσμα. Αξίζει να σημειωθεί ότι για πρώτη φορά δούλεψαν μόνα τους σχεδόν σε όλη τη διάρκεια του εργαστηρίου, προσηλωμένα και συγκεντρωμένα στο στόχο τους. Ήταν μια κομβική σειρά εργαστηρίων, που έδειξε πως τα παιδιά έχουν σχηματίσει τον απαραίτητο για την επίλυση προβλημάτων τρόπο σκέψης που θα τα οδηγήσει να σκεφτούν ανάλογες επιλύσεις για τα εργαστήρια με τα ρομπότ που θα ακολουθούσαν. 62

63 11 ο, 12 ο και 13 ο εργαστήριο Σε αυτά τα εργαστήρια παρατηρήθηκε πως τα παιδιά προτιμούν να κάνουν κατασκευές με βάση οδηγίες μέχρι την πρώτη ή τη δεύτερη ολοκληρωμένη κατασκευή τους. Οι επόμενες κατασκευές τους θέλουν να είναι με βάση το τι τα ίδια θέλουν να κατασκευάσουν, και κάποιες από αυτές είναι πιο πολύπλοκες και από αυτές των φυλλαδίων, όπως ήταν το όχημα-στόχος του τελευταίου εργαστηρίου. 14 ο, 15 και 16 ο εργαστήριο Εδώ παρατηρήθηκε η έντονη επιθυμία των παιδιών για περισσότερο διαισθητικές και εκτός αυστηρού πλαισίου απόπειρες για λύση του προβλήματος. Τα παιδιά πειραματίστηκαν με τον κινητήρα και τα γρανάζια από τα WeDo. Γρήγορα διαπίστωσαν πως για να κατασκευάσουν το όχημα που είχαν φανταστεί έπρεπε να χρησιμοποιήσουν εξαρτήματα και από τα υπόλοιπα πακέτα Lego που ήταν διαθέσιμα. Ένα πρόβλημα που διαπιστώθηκε επίσης νωρίς στο όχημα είναι πως ο κινητήρας, λόγω μεγέθους, ήταν αρκετά δύσκολο να χωρέσει σε αυτό. Για αυτό το λόγο, αλλά και ταυτόχρονα για να αποφύγουν να αυξήσουν τον όγκο και το βάρος του οχήματος, τα παιδιά Εικόνα 22. Το όχημα-ρομπότ χρησιμοποίησαν ανισομεγέθεις τροχούς για το όχημά τους, όπως φαίνεται στην εικόνα 22. Είναι σημαντικό να σημειωθεί πως οι πρώτες κατασκευές των παιδιών ήταν πολύ μακριά από το επιθυμητό για αυτά αποτέλεσμα, αφού τόσο το μηχανολογικό όσο και το προγραμματιστικό κομμάτι της κατασκευής αδυνατούσαν να συνεργαστούν και να δώσουν την επιθυμητή κίνηση. Κάποιες φορές το ρομπότ είχε ελλιπώς συνδεδεμένα μηχανικά μέρη (συνήθως αυτή η έλλειψη εντοπιζόταν στη σύνδεση γραναζιού με τους άξονες κίνησης), ενώ άλλες φορές οι τροχοί αρνούνταν πεισματικά να εκτελέσουν την κίνηση που είχε προγραμματιστεί από τα παιδιά στον υπολογιστή. Δεν ήταν λίγες οι φορές που το ρομπότ εκτελούσε κινήσεις αντίθετες ή άσχετες με το επιθυμητό. Παρά τις δυσκολίες αυτές όμως, τα παιδιά επέμεναν να κάνουν διορθώσεις, να αλλάζουν μηχανικά μέρη, να ξαναπρογραμματίζουν, να δοκιμάζουν και να αξιολογούν την κίνηση του οχήματος. Μετά από 5 ώρες (μία ανά εβδομάδα) ενασχόλησης με τα Lego WeDo, Creation και Technic, τα παιδιά της ομάδας κατασκεύασαν ένα πλήρως λειτουργικό τροχοφόρο όχημα (Εικόνα 22), με πρωτότυπο σχεδιασμό και κυρίως, αποτελεσματικό κώδικα στο Lego Education WeDo, που επέτρεπε την κίνηση εμπρός και πίσω σε ένα αλγόριθμο, με δομή επανάληψης. 63

64 17 ο 22 ο εργαστήριο Η τελευταία σειρά εργαστηρίων βασίστηκε στις πρώτες παραδειγματικές ιδέες που παρατηρήσαμε με τα παιδιά, με κύρια την αντιστοιχία κυτταρικής δομής και τρόπου κατασκευής των Lego. Στα εργαστήρια αυτά, που αφορούσαν το ανθρώπινο σώμα, παρατηρήθηκε πως τα παιδιά γνωρίζουν ονομαστικά πολλά μέρη του σώματός τους, αλλά δυσκολεύονται αρκετά να κατανοήσουν τη χρησιμότητα τους, το ρόλο τους, και κυρίως τη λειτουργική σύνδεση των οργάνων σε συστήματα και τον οργανισμό. Επίσης φαινόταν η επιθυμία τους να ρωτήσουν για θέματα υγείας που τα απασχολούσαν, για τα ίδια ή για τους συγγενείς τους, με κυριότερες απορίες τις σχετικές με: Το κάπνισμα των γονιών τους και τις πιθανές επιπτώσεις στα ίδια. Τα καρδιακά νοσήματα, κυρίως των παππούδων τους. Τη χοληστερίνη. Τη μνήμη, τη νόσο Alzheimer s, τις αιτίες και πιθανές θεραπείες της. Κοινές παθήσεις όπως η γρίπη και οι αλλεργίες. Τα αίτια των στομαχικών διαταραχών. 23 ο εργαστήριο Το τελευταίο εργαστήριο της χρονιάς, με θέματα από το χώρο της Αστρονομίας, ήταν και το καλύτερο από πλευράς ενδιαφέροντος των παιδιών. Αρχικά εστιάσαμε στις εννοιακές ονοματικές συσχετίσεις των ουρανίων σωμάτων, αλλά και σε μια ούτως ή άλλως εντυπωσιακή (όπως φάνηκε από τις επιφωνηματικές εκδηλώσεις ενθουσιασμού των παιδιών κατά τη διάρκειά της) παρουσίαση των ουρανίων σωμάτων συγκριτικά με το μέγεθός τους από το μικρότερο στο μεγαλύτερο γνωστό ουράνιο σώμα. Μια παράμετρος που δεν είχε αρχικά ερευνηθεί και προέκυψε από την συζήτηση με τα παιδιά ήταν η επέκταση της μελέτης του διαστήματος από μια εντελώς διαφορετική, κι όμως εξίσου (αν όχι περισσότερο) ενδιαφέρουσα και συναρπαστική σκοπιά. Οι επεκτάσεις του θέματος από την ταξινόμηση ουράνιων σωμάτων και τη διαστημική, που είχαν αρχικά τεθεί, στην επιστημονική φαντασία και την αστρονομία στον κινηματογράφο, έδωσαν νέες ιδέες σχετικά με τη μελέτη του θέματος. Ιδέες που δίνουν μια άλλη προοπτική στον τρόπο μελέτης της επιστημονικότητας, μέσα από τις εικόνες του κινηματογράφου και το ρεαλισμό που μπορούν να φτάσουν. 64

65 Τα τουβλάκια Lego ως υλικό παράδειγμα αποσαφήνισης επιστημονικών εννοιών από το χώρο των stem - Μια αξιοσημείωτη εκπαιδευτική χρήση. Από τις παρατηρήσεις διαπιστώθηκε πως τα τουβλάκια Lego και ο τρόπος σκέψης που τα ακολουθεί μπορούν να γίνουν υλικό παράδειγμα για πολλές φυσικές διαδικασίες που συμβαίνουν στον κόσμο. Σε αυτό το εργαστήριο φτιάξαμε ένα αεροπλανάκι με τουβλάκια Lego, ύστερα το χαλάσαμε, χωρίσαμε τα κομμάτια του σε κατηγορίες και τα περιγράψαμε. Παρατηρήσαμε πως υπήρχαν το πολύ 10 διαφορετικών τύπων και το πολύ 6 διαφορετικών χρωμάτων τουβλάκια. Όμως, με αυτά και μόνο τα τουβλάκια μπορούμε να κατασκευάσουμε εκατοντάδες διαφορετικές δομές, με διαφορετικά χαρακτηριστικά και λειτουργίες η μία από την άλλη. Μπορούμε με τα ίδια κομμάτια να φτιάξουμε ένα γερανό, που να χρησιμοποιεί γρανάζια και μοχλούς για να ανυψώνει αντικείμενα, αλλά και ένα αεροπλανάκι, με έλικα που γυρίζει και φτερά που κινούνται πάνω-κάτω, απλώς χαλώντας το ένα για να χρησιμοποιήσουμε τα υλικά του και να φτιάξουμε το άλλο. Με τον ίδιο τρόπο λειτουργεί και η φύση, αφού όταν ένας οργανισμός πεθαίνει, αποσυντίθεται στα στοιχεία που τον αποτελούσαν, και αυτά καταλήγουν στο έδαφος ή στον αέρα, από όπου προσλαμβάνονται και επαναχρησιμοποιούνται παίρνοντας άλλη δομή, άλλο τρόπο κατασκευής, από τους επόμενους οργανισμούς. Παρόμοια και με την πέψη, όπου το φαγητό που τρώμε διαλύεται στα συστατικά του και αυτά χρησιμοποιούνται ως δομικά υλικά για το σώμα μας, ή πηγές ενέργειας για να ζούμε και να κινούμαστε. Η διαπίστωση αυτή μπορεί να βοηθήσει εκπαιδευτικούς να μεταφέρουν με σαφή και εύληπτο τρόπο θεμελιώδεις έννοιες από το χώρο της Βιολογίας και της Φυσικής στα παιδιά, αλλά και να λειτουργήσει ως παραδειγματικό θεμέλιο για κάθε είδους δυνατή σύγκριση εκείνα επιθυμούν να κάνουν για να κατανοήσουν καλύτερα μια έννοια, από τις δικές τους παρατηρήσεις και υποθέσεις σχετικά με τον κόσμο και το πώς αυτός λειτουργεί. 65

66 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η μελέτη της βιβλιογραφίας, αλλά και η υλοποίηση του προγράμματος δραστηριοτήτων και η ανάλυση και ερμηνεία των δεδομένων της έρευνας που έγινε κατά τη διάρκειά του έδειξαν ότι: 1. Τα παιδιά ασχολούνται περισσότερο, πιο ενεργά και πιο αποτελεσματικά με τις stem, όταν αυτές διδάσκονται με βάση την επίλυση ενός προβλήματος που τα ενδιαφέρει, τα απασχολεί, τους είναι οικείο και προέρχεται από την καθημερινότητά τους, πραγματική ή δυνητική. 2. Κάθε εκπαιδευτικό πρόγραμμα ή σενάριο που στήνεται για τη διδασκαλία των stem είναι ωφέλιμο να έχει στον πυρήνα του την κατά το δυνατόν μεγαλύτερη γνωστική εκμετάλλευση των εμπειριών των παιδιών. Κέντρο της μάθησης είναι ο μαθητής και το πρόβλημα, όχι ο δάσκαλος και η επιστήμη. 3. Η εκπαιδευτική ρομποτική μπορεί να συνεισφέρει στην αύξηση του ενδιαφέροντος, της εμπλοκής και των επιδόσεων των παιδιών, όταν υπάρχει σε ένα ευρύτερο πλαίσιο μάθησης φυσικών εννοιών, η κατανόηση των οποίων βοηθά το μαθητή να είναι πιο αποτελεσματικός και στην επίλυση προβλημάτων που αφορούν τα ρομπότ. Κανένα εκπαιδευτικό εργαλείο δεν μπορεί και δεν πρέπει να εξετάζεται αποπλαισιωμένο από τα προβλήματα που καλείται να λύσει. Η εκπαιδευτική ρομποτική δεν μπορεί να συνεισφέρει ως εργαλείο απάντησης ερωτημάτων ή επίλυσης προβλημάτων αν δεν υπάρχουν ερωτήματα προς απάντηση ή προβλήματα προς επίλυση. Για αυτό το λόγο στήθηκε ένα εργαστήριο που πραγματεύθηκε θέματα έξω από την ίδια τη ρομποτική, θέματα από τη Φυσική, τη Βιολογία, την Αστρονομία, που σκοπό είχαν να εμπλέξουν τα παιδιά σε μια διαδικασία αναζήτησης, να τους δημιουργήσουν ερωτήματα και να τα κινητοποιήσουν αρκετά ώστε να ψάξουν τρόπους να τα απαντήσουν. Το ίδιο το εργαλείο χρησιμοποιήθηκε μετά τα μέσα του εργαστηρίου, ώστε τα παιδιά να έχουν σχηματίσει το επιστημονικό πλαίσιο για να το χρησιμοποιήσουν νοηματοδοτημένα και αποτελεσματικά. 4. Ο άνθρωπος χρησιμοποιεί εργαλεία για να ικανοποιεί ανάγκες και να απαντά σε ερωτήματα που θέτει η λογική, η φαντασία, η παρατηρητικότητα και η φυσική του περιέργεια για το πώς λειτουργεί ο κόσμος και πώς μπορεί να τον εκμεταλλευτεί αποτελεσματικότερα. Όμοια και στην εκπαίδευση, το εργαλείο που χρησιμοποιούμε είναι ενισχυτής στην προσπάθεια των παιδιών για διαφορετικό τρόπο σκέψης, για απάντηση ερωτημάτων, για επίλυση προβλημάτων. Δεν είναι αυτοσκοπός της διδασκαλίας. Σκοπός μας δεν είναι να μάθουμε το εργαλείο για να λύσουμε το πρόβλημα. Σκοπός μας είναι να λύσουμε το πρόβλημα, και μέσα από την προσπάθεια για επίλυση χρησιμοποιούμε αυτό, αλλά και άλλα εργαλεία. Πολύ συχνά η εκπαιδευτική διαδικασία εστιάζει και εξαντλείται στην μελέτη των εργαλείων, εξαντλώντας παράλληλα και συνήθως ανεπιστρεπτί τη δημιουργική φαντασία των παιδιών, το καλύτερο εφόδιο για την ενασχόληση με την επιστήμη και τον κόσμο. 66

67 5. Τα παιδιά χρησιμοποιούν πλειάδα τεχνικών αντιμετώπισης προβλημάτων που δεν έχουν απαραίτητα διδαχθεί. Η διδασκαλία πρέπει και μπορεί ταυτόχρονα να δίνει προϋπάρχουσες τεχνικές, όσο και τα εργαλεία που βοηθούν τα παιδιά να έχουν και την ελευθερία και τη δυνατότητα να αναπτύξουν δικές τους, προσαρμοσμένες στο πρόβλημα που εξετάζουν, αλλά και επιστημονικά συνεπείς. 6. Ο στόχος κάθε σεναρίου, ωφελεί περισσότερο να είναι η δημιουργία ερωτημάτων, παρά η παροχή απαντήσεων. 7. Συνοψίζοντας, η έρευνα σε σχέση με την εκπαιδευτική ρομποτική στην Ελλάδα φαίνεται πως θα μπορούσε να είναι εκτενέστερη, σε μεγαλύτερη κλίμακα, με μεγαλύτερη συμμετοχή ερευνητών, σχολείων, εκπαιδευτικών και παιδιών. Οι περισσότερες έρευνες που μελετήθηκαν εδώ σε σχέση με το ελληνικό σχολείο ήταν μελέτες περίπτωσης, με μικρό δείγμα και ως επί το πλείστον καθοδηγούμενες σειρές προβλήματος-επίλυσης, σε αντίθεση με το εξωτερικό, όπου η σημαντικότητα του ερευνώμενου προβλήματος σχετικά με τη δυνητική συνεισφορά της εκπαιδευτικής ρομποτικής στην μάθηση των stem φαίνεται τόσο από την οικονομική υποστήριξη αλλά και από την σχολική και πανεπιστημιακή αποδοχή που αυτή λαμβάνει, παρά τις δυσκολίες στον καταμερισμό κονδυλίων που αναπόφευκτα δημιουργούνται. Μια τέτοια οπτική θα ήταν πολύ χρήσιμη για την ανάπτυξη της εκπαιδευτικής ρομποτικής και στην Ελλάδα, με τα προσδοκώμενα αποτελέσματα για την αναβάθμιση της εκπαίδευσης των Θετικών Επιστημών και τελικά την παροχή επιστημονικού και τεχνολογικού προσωπικού που να κατέχει σε βάθος την επιστήμη του και να μπορεί να τη χρησιμοποιήσει για το κοινό καλό. 67

68 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Adams, R., Evangelou, D., English, L., Figueiredo, A.D., Mousoulides, N., Pawley, A., Schifellite, C., Stevens, R., Svinicki, M., Trenor, J.M., Wilson, D. M. (2011). Multiple Perspectives on Engaging Future Engineers. Journal of Engineering Education, 100(1), p Alimisis, D., Karatrantou, A., & Tachos, N. (2005). Technical school students design and develop robotic gear-based constructions for the transmission of motion. In Eurologo (pp ). Alimisis, D., Introducing robotics in schools: post-terecop experiences from a pilot educational program. In Proceedings of Intl. Conf. on Simulation, Modeling and Programming for Autonomous Robots (SIMPAR 2010) Workshops (pp ). Bransford, J. D., Brown, A. L., & Cocking, R. R. (Eds.). (1999). How people learn: Brain, mind, experience, and school. Washington, D.C.: National Academies Press. Brophy, S., Klein, S., Portsmore, M., & Rogers, C. (2008). Advancing engineering education in P 12 classrooms. Journal of Engineering Education,97(3), Coxon, S. V. (2009). Challenging neglected spatially gifted students with First Lego League. Addendum to Leading Change in Gifted Education. Williamsburg, VA: Center for Gifted Education. Coxon, S. & Chandler, K. (2009). LEGO WeDo. Γεωργίου, Β., Τζιμογιάννης, Α. Η διδασκαλία του προγραμματισμού Η/Υ στη Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση ως διαδικασία ανάπτυξης πνευματικών δεξιοτήτων. Μία πρόταση βασισμένη στη δημιουργία βάσης ασκήσεων γνωστής δυσκολίας. Demetriou, G.A. (2011). Mobile Robotics in Education and Research, Mobile Robots - Current Trends, Dr. Zoran Gacovski (Ed.), ISBN: , InTech. Detsikas, N., & Alimisis, D. (2011). Status and trends in educational robotics worldwide with special consideration of educational experiences from Greek schools. In Proceedings of the International Conference on Informatics in Schools: Situation, Evolution and Perspectives (pp. 1-12) Duderstadt, James J. (2011). Engineering for a Changing World. A Roadmap to the Future of American Engineering Practice, Research, and Education. Deep Blue Archive. English, Lyn D. (2008). Interdisciplinary problem solving : a focus on engineering experiences. In Goos, Merrilyn, Brown, Ray,& Makar, Katie (Eds.) Mathematics Education Research Group of Australia Conference, 28 June - 1 July 2008, Brisbane, Qld, Australia. 68

69 Esa-Matti Järvinen (1998). The Lego/Logo Learning Environment in Technology Education: An Experiment in a Finnish Context. Journal of Technology Education, 9(2). Frangou, S., Papanikolaou, K., Aravecchia, L., Montel, L., Ionita, S., Arlegui, J. & Pagello, I. (2008, November). Representative examples of implementing educational robotics in school based on the constructivist approach. In SIMPAR Workshop on Teaching with robotics: didactic approaches and experiences, Venice, Italy. Gagné, R. M. (1980). Learnable aspects of problem solving. Educational Psychologist, 15(2), Garcia, M. A., & Patterson-McNeill, H. (2002, November). Learn how to develop software using the toy Lego Mindstorms. In Frontiers in Education, FIE nd Annual (Vol. 3, pp. S4D-7). IEEE. Geeter, D. D., Golder, J. E., & Nordin, T. A. (2002). Creating engineers for the future. Proceedings of the 2002 American Society for Engineering Education Annual Conference & Exposition. Glaser, R. (1984). Education and thinking: The role of knowledge. American psychologist, 39(2), 93. Johri, A. & Olds, B. (2011). Bridging Engineering Education Research and the Learning Sciences. Journal of Engineering Education. 100 (1), p Κόμης, Β. (2004). Εισαγωγή στις Εκπαιδευτικές Εφαρμογές των ΤΠΕ, Εκδόσεις Νέων Τεχνολογιών, Αθήνα. Κόμης, Β. (2005) Εισαγωγή στη Διδακτική της Πληροφορικής, Εκδόσεις Κλειδάριθμος, Αθήνα. Kuenzi, J.J., (2008)."Science, Technology, Engineering, and Mathematics (STEM) Education: Background, Federal Policy, and Legislative Action". Congressional Research Service Reports, 35. Litzinger, Τ.Α., Lattuca, L.R., Hadgraft, R.G., Newstetter, W. C. (2011). Engineering Education and the Development of Expertise. Journal of Engineering Education 100(1), p Mataric, M. J., Koenig, N., & Feil-Seifer, D. (2007, March). Materials for enabling hands-on robotics and STEM education. In AAAI spring symposium on robots and robot venues: resources for AI education. Melchior, A., Cutter, T., & Cohen, F. (2004). Evaluation of First Lego League. Waltham, MA: Center for Youth and Communities, Brandeis University. 69

70 Moundridou, M., & Kalinoglou, A. (2008). Using LEGO Mindstorms as an instructional aid in technical and vocational secondary education: Experiences from an empirical case study. In Times of Convergence. Technologies Across Learning Contexts (pp ). Springer Berlin Heidelberg. Oppliger, D. (2002). Using FIRST LEGO League to enhance engineering education and to increase the pool of future engineering students (work in progress). Boston: 32nd ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference. Pea, R. D., & Collins, A. (2008). Learning how to do science education: Four waves of reform. Designing coherent science education, 3(12). Petre, M., & Price, B. (2004). Using robotics to motivate back door learning. Education and Information Technologies, 9(2), Petroski, H. (2003). Engineering: Early Education. American Scientist, 91(3), Ραβάνης, Κ., Ο διδακτικός μετασχηματισμός: Από τα επιστημονικά αντικείμενα στις σχολικές πρακτικές. Διεθνές συνέδριο «Η ελληνική γλώσσα στη Λατινική Αμερική». Μοντεβιδέο, Ουρουγουάη, Οκτωβρίου Reitsma, R., Marshall, B., & Zarske, M. (2010). Aspects of relevance in the alignment of curriculum with educational standards. Information processing & management, 46(3), Robinson, M. (2003). Student Enrollment in High School AP Sciences and Calculus: How does it Correlate with STEM Careers? Bulletin of Science, Technology & Society, 23(4), Sartatzemi, M., & Kagani, K. (2005, July). Teaching (with) Robots in Secondary Schools: Some New and Not-So-New Pedagogical Problems. InProceedings of the Fifth IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies (pp ). IEEE Computer Society. Schumacher, E. F. (2010). Small is beautiful: Economics as if people mattered. HarperCollins. Verner, I. M. (2004). Robot manipulations: A synergy of visualization, computation and action for spatial instruction. International Journal of Computers for Mathematical Learning, 9, Wai, J., Lubinski, D., & Benbow, C. P. (2009). Spatial ability for STEM Domains: Aligning over 50 years of cumulative psychological knowledge solidifies its importance. Journal of Educational Psychology, 101(4), Whitman, L. E., & Witherspoon, T. L. (2003). Using LEGOs to interest high school students and improve K12 stem education. Change, 87,

71 ΙΣΤΟΤΟΠΟΙ =zone+of+proximal+development+vygotsky&ots=ufuvkdkxrb&sig=uuiu90fqcdi6 ObSwTRYzKaTu7M&redir_esc=y#v=onepage&q=zone%20of%20proximal%20deve lopment%20vygotsky&f=false 71

72 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Video Για την υλοποίηση των δραστηριοτήτων χρησιμοποιήθηκαν τα video των οποίων οι υπερσύνδεσμοι παρατίθενται παρακάτω: Για το διάστημα: How Space Shuttle Works Blast into Space, Spectacular Fall to Earth Final Space Shuttle Launch from an Airplane- Awesome HD Space shuttle Atlantis final launch: NASA video of last take-off [NASA 7/2011] Space Shuttle Cockpit video STS-135 Launch..onboard... final HD A Brief History of Rocket Flight Landing of a Space Shuttle Full HD! Meniscus (Earth - Time Lapse View from Space, Fly Over - NASA, ISS) High Definition Day and Night on Earth Year On Earth NASA Fiery Looping Rain on the Sun NASA Magnificent Eruption in Full HD Planets, Sun and star sizes compared Star Size Comparison HD How stars are formed and born The Known Universe by AMNH Για τη μοριακή δομή, τον ηλεκτρομαγνητισμό και το καθιερωμένο μοντέλο στη σωματιδιακή Φυσική. How Water Dissolves Salt Water Molecules - part 1 Water Molecules - part 2 Water Cycle CERN: The Standard Model Of Particle Physics Precomputed Wave Simulation for Real-time Sound Propagation of Dynamic Sources in Complex Scenes Interactive sound propagation using compact acoustic transfer operators Precomputed Wave Simulation for Real-time Sound Propagation of Dynamic Sources in Complex Scenes Sound waves and their sources (1933) Woofer Animation 72

73 Για το σώμα: Cell Structure and Function TEA Biotechnology Podcast 1.2 Alexander Tsiaras: Conception to birth -- visualized Human Digestive System Human Hearing Journey through the human body in 3D Flight & Motion simulation MagicBox Animation Studio Alcohol and your Brain Inside the Brain: Unraveling the Mystery of Alzheimer's Disease [HQ] Nervous System (Jr. Animated Atlas of Human Anatomy & Physiology) Oxygen Transport from Lungs to Cells Respiratory System Introduction - Part 2 (Bronchial Tree and Lungs) - 3D Anatomy Tutorial 73

74 ΦΑΚΕΛΟΙ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΩΝ ΓΙΑ ΤΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑ ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ Παντού γύρω μας τα πράγματα μεταβάλλονται (αλλάζουν). Μεταβολές (αλλαγές) όπως το λιώσιμο των πάγων ή η κίνηση (αλλαγή θέσης) ενός αυτοκινήτου ονομάζονται φαινόμενα. Μέγεθος είναι κάθε ποσότητα που μπορεί να μετρηθεί. Μέτρηση είναι η σύγκριση ομοειδών μεγεθών. Συγκρίνουμε δύο σώματα για να δούμε ποιο είναι το μεγαλύτερο, ή το βαρύτερο, ή το πυκνότερο, και πόσο μεγαλύτερο, βαρύτερο, ή πυκνότερο είναι. Για να μετρήσουμε ένα μέγεθος το συγκρίνουμε με ένα άλλο, ομοειδές, που λέγεται μονάδα μέτρησης. Όταν λέμε ότι ένα αυτοκίνητο έχει μήκος 4 μέτρα, σημαίνει ότι αν το συγκρίνουμε με τη μονάδα μέτρησης (ένα ραβδί με μήκος 1 μέτρο) τότε το μήκος του αυτοκινήτου είναι 4 φορές μεγαλύτερο από το ραβδί με μήκος 1 μέτρο. Με τον ίδιο τρόπο, όταν λέμε ότι ένας άνθρωπος έχει βάρος 35 κιλά, αυτό σημαίνει ότι αν συγκρίνουμε το βάρος του ανθρώπου με τη μονάδα μέτρησης (έναν κύλινδρο σαν κονσέρβα με βάρος 1 κιλό) τότε το βάρος του ανθρώπου θα είναι 35 φορές μεγαλύτερο από τη μονάδα μέτρησης. Με άλλα λόγια, αν βάλουμε στη μια άκρη της τραμπάλας ένα παιδί που ζυγίζει 35 κιλά, και στην άλλη άκρη 35 κυλίνδρους του ενός κιλού, τότε η τραμπάλα δεν θα γέρνει ούτε προς τη μια πλευρά ούτε προς την άλλη (θα ισορροπεί). Για να περιγράψουμε ένα φαινόμενο χρησιμοποιούμε τα φυσικά μεγέθη και τις μετρήσεις. Για παράδειγμα, για να περιγράψουμε την κίνηση ενός αυτοκινήτου χρησιμοποιούμε το φυσικό μέγεθος της ταχύτητας (που μας δείχνει πόσο γρήγορα κινείται το αυτοκίνητο), που έχει μονάδα μέτρησης τα m/sec. Θεμελιώδη μεγέθη Μήκος, με μονάδα μέτρησης το μέτρο (m). Μάζα, με μονάδα μέτρησης το κιλό (kg). Χρόνος, με μονάδα μέτρησης το δευτερόλεπτο (sec). 74

75 Μονάδες μέτρησης Μήκος: Το ένα χιλιόμετρο έχει χίλια μέτρα. (1 km = m) Το ένα μέτρο έχει εκατό εκατοστά. (1 m = 100 cm) Το ένα εκατοστό έχει δέκα χιλιοστά. (1 cm = 10 mm) Μάζα: Ο ένας τόνος έχει χίλια κιλά. Το ένα κιλό έχει χίλια γραμμάρια. (1t = kg) (1kg =1.000 gr) Χρόνος: Ο ένας χρόνος έχει 365 μέρες. (1 y = 365 d) Η μία μέρα έχει 24 ώρες. (1 d = 24 h) Η μία ώρα έχει 60 λεπτά. (1 h = 60 min) Το ένα λεπτό έχει 60 δευτερόλεπτα. (1 min = 60 sec) Παράγωγα μεγέθη Εμβαδόν: Η επιφάνεια που καλύπτει ένα σώμα (στα μαθηματικά: μήκος επί πλάτος), με μονάδα μέτρησης το τετραγωνικό μέτρο (m 2 ). Το τετραγωνικό μέτρο είναι ένα τετράγωνο με μήκος 1m και πλάτος 1m. Παράδειγμα: Το ταβάνι του δωματίου μου έχει μήκος 3 m και πλάτος 5 m. Το εμβαδό της επιφάνειάς του θα είναι Ε = 3 m x 5 m = 15 m 2. Όγκος: Ο χώρος που πιάνει ένα σώμα (στα μαθηματικά: μήκος επί πλάτος επί ύψος), με μονάδα μέτρησης το κυβικό μέτρο (m 3 ). Το κυβικό μέτρο είναι ένας κύβος με μήκος 1 m, πλάτος 1 m και ύψος 1 m. Παράδειγμα: Το δωμάτιό μου έχει μήκος 3 m, πλάτος 5 m και ύψος 4 m. Ο όγκος του θα είναι V = 3 m x 5 m x 4 m = 60 m 3. 75

76 ΤΟ ΚΑΘΙΕΡΩΜΕΝΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΣΤΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑΚΗ ΦΥΣΙΚΗ Οι φυσικοί μελετούν τη φύση, το πώς δουλεύει, με ποιους κανόνες. Υπάρχουν πολλοί τρόποι για να μελετήσουν τη φύση. Άλλοτε με πειράματα, άλλοτε με παρατηρήσεις, με τηλεσκόπια, με μικροσκόπια. Υπάρχουν όμως και πράγματα που δεν μπορούν να δουν. Με βάση τα πειράματα που έχουν κάνει και τα αποτελέσματα από αυτά, προσπαθούν να φανταστούν πώς άραγε μοιάζει ο κόσμος που δεν μπορούν με τίποτα να δουν με τα μάτια ή τα επιστημονικά τους όργανα. Με βάση τα πειράματα, τη φαντασία, και τη διαίσθησή τους, οι φυσικοί φτιάχνουν εικόνες για το πώς μοιάζουν οι πιο μικρές μονάδες που φτιάχνουν κάθε σώμα, τα άτομα. Οι εικόνες αυτές πρέπει να είναι όμορφες, να είναι κατανοητές, και να μας βοηθούν να καταλάβουμε τα φυσικά φαινόμενα, αλλά και να μπορούμε να τα προβλέψουμε. Αυτές οι εικόνες λέγονται μοντέλα. Το μοντέλο που χρησιμοποιούν σήμερα οι φυσικοί για να περιγράψουν τον κόσμο και τους κανόνες του, λέγεται καθιερωμένο μοντέλο. Όλοι μας είμαστε φτιαγμένοι από άτομα. Εμείς, τα ζώα, τα φυτά, τα βουνά, οι πλανήτες, τα αστέρια. Τα πάντα. Αλλά πώς μοιάζουν τα άτομα? Και από τι αποτελούνται? Αυτά θα δούμε στις παρακάτω εικόνες. Το άτομο αποτελείται από τον πυρήνα, που είναι στο κέντρο του, και από τα ηλεκτρόνια, που γυρίζουν γύρω του. Ηλεκτρόνια Πρωτόνια Νετρόνια Ο πυρήνας αποτελείται από τα πρωτόνια (p) και τα νετρόνια (n). 76

77 Τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνται από κουάρκς. Υπάρχουν έξι είδη κουάρκς: Το πάνω (up), το κάτω (down), το κορυφή (top), το βυθός (bottom), το γοητευτικό (charm) και το παράξενο (strange). Το πρωτόνιο (p) και το νετρόνιο (n) φτιάχνονται από διαφορετικούς συνδυασμούς κουάρκς. Τέλος, υπάρχουν ακόμη τα λεπτόνια και τα μποζόνια. Κουαρκς πάνω (up) κορυφή (top) γοητευτικό (charm) κάτω (down) βυθός (bottom) παράξενο (strange) Λεπτόνια Ηλεκτρόνιο Μυόνιο Ταυ Νετρίνο ηλεκτρονίου Νετρίνο μυονίου Ταυ νετρίνο Μποζόνια Γκλουόνιο Φωτόνιο Χιγκς (Higgs) Ζ W 77

78 Στο καθιερωμένο μοντέλο για τη σωματιδιακή φυσική υπάρχουν τρία είδη σωματιδίων και τέσσερα είδη δυνάμεων. Είδαμε τα τρία είδη σωματιδίων (τα κουαρκς, τα λεπτόνια και τα μποζόνια). Σωματίδια Δυνάμεις Ας δούμε τώρα και τα τέσσερα είδη δυνάμεων: Ασθενής δύναμη Τα σωματίδια που τη μεταφέρουν είναι το μποζόνιο Ζ και το μποζόνιο W. Εξηγεί την παραγωγή ενέργειας στον ήλιο, και είναι υπεύθυνη για τη ραδιενεργή ακτινοβολία βήτα. 78

79 Ηλεκτρομαγνητική δύναμη Το σωματίδιο που τη μεταφέρει είναι το φωτόνιο. Είναι υπεύθυνη για τη διάδοση του φωτός και τις μαγνητικές δυνάμεις. Ισχυρή δύναμη Τη μεταφέρει το γκλουόνιο. Το γκλουόνιο (από την αγγλική λέξη glue-κόλλα) κολλάει τα κουάρκς το ένα με το άλλο. 79

80 Μηχανισμός Higgs Τον μεταφέρει το σωματίδιο Higgs, που δίνει μάζα στα υπόλοιπα σωματίδια. Το σωματίδιο ανακαλύφθηκε το 2012, μετά από προσπάθειες χιλιάδων ανθρώπων για πάνω από 40 χρόνια, σε μια από τις σημαντικότερες επιστημονικές ανακαλύψεις όλων των εποχών στο χώρο της Φυσικής. 80