Ολυμπίου Γιώργος Πανεπιστήμιο Κύπρου. Ζαχαρία Ζαχαρίας Χ. Παπαευριπίδου Μάριος. Κωνσταντίνου Κωνσταντίνος Χ. Πανεπιστήμιο Κύπρου

Transcript

1 Διερεύνηση της βελτίωσης της εννοιολογικής κατανόησης προϋπηρεσιακών εκπαιδευτικών για τη θερμότητα και τη θερμοκρασία μέσα από εικονικά και πραγματικά περιβάλλοντα πειραματισμού Ολυμπίου Γιώργος Πανεπιστήμιο Κύπρου Παπαευριπίδου Μάριος Πανεπιστήμιο Κύπρου Ζαχαρία Ζαχαρίας Χ. Πανεπιστήμιο Κύπρου Κωνσταντίνου Κωνσταντίνος Χ. Πανεπιστήμιο Κύπρου Περίληψη Σκοπός της παρούσας έρευνας ήταν η σύγκριση της επίδρασης του Πειραματισμού σε Πραγματικό Εργαστήριο (ΠΠΕ), του Πειραματισμού σε Εικονικό Εργαστήριο (ΠΕΕ) και δύο συνδυασμών τους (ΠΠΕ+ΠΕΕ και ΠΕΕ+ΠΠΕ) στην εννοιολογική κατανόηση προπτυχιακών φοιτητών στο συγκείμενο Θερμότητα-Θερμοκρασία. Οι συμμετέχοντες στην έρευνα ήταν 182 προπτυχιακοί φοιτητές παιδαγωγικού τμήματος, οι οποίοι χωρίστηκαν σε τέσσερις ομάδες, την ομάδα ελέγχου (56 φοιτητές), την πειραματική ομάδα 1 (59 φοιτητές), την πειραματική ομάδα 2 (33 φοιτητές) και την πειραματική ομάδα 3 (34 φοιτητές). Οι τέσσερις ομάδες χρησιμοποίησαν το ίδιο διδακτικό υλικό, αλλά διαφορετική μέθοδο πειραματισμού. Η ομάδα ελέγχου συναντιόταν στο εργαστήριο και χρησιμοποιούσε πραγματικά υλικά για την εκτέλεση των πειραμάτων. Αντίστοιχα, η πειραματική ομάδα 1 εργάστηκε σε εικονικό εργαστήριο με εικονικά υλικά για την εκτέλεση των ίδιων πειραμάτων. Οι πειραματικές ομάδες 2 και 3 χρησιμοποίησαν τόσο πραγματικά όσο και εικονικά υλικά σε πραγματικό και εικονικό εργαστήριο αντίστοιχα. Η συλλογή δεδομένων έγινε μέσα από πειραματικά δοκίμια τα οποία χορηγήθηκαν στους συμμετέχοντες πριν και μετά τη διδακτική παρέμβαση. Η ανάλυση των δεδομένων έδειξε πως τόσο ο ΠΠΕ όσο και ο ΠΕΕ, καθώς και οι δύο συνδυασμοί τους (ΠΠΕ+ΠΕΕ, ΠΕΕ+ΠΠΕ) επίδρασαν στη βελτίωση της εννοιολογικής κατανόησης των φοιτητών στο συγκείμενο Θερμότητα- Θερμοκρασία με τον ίδιο τρόπο, αφού δεν παρουσιάστηκαν διαφορές ανάμεσα στη βελτίωση της εννοιολογικής κατανόησης που επιτεύχθηκε ανάμεσα στις ομάδες. Εισαγωγή Έρευνες καταδεικνύουν πως η χρήση των εικονικών υλικών στο εργαστήριο (Πειραματισμός σε Εικονικό Εργαστήριο - ΠΕΕ) και, συγκεκριμένα, η χρήση αλληλεπιδραστικών προσομοιώσεων στον ηλεκτρονικό υπολογιστή έχουν θετική επίδραση τόσο στο γνωσιολογικό όσο και στο συναισθηματικό τομέα (de Jong & Njoo 1992, Doerr 1997, Finkelstein et al. 2005, Goldberg & Bendall 1995, Goodyear 1992, Gorsky & Finegold 1992, Grayson 1996, Hewson 1985, Hsu & Thomas 2002, Huppert & Lazarowitz 2002, Kaput 1995, Lea et al. 1996, Mandinach & Cline 1994, Ravenscroft 2000, Shin et al. 2003, Tao & Gunstone 1999, Vreman-de Olde & de Jong 2004, Zacharia 2003, 2005, Zacharia & Anderson 2003). Μέσα από αυτά τα αποτελέσματα αμφισβητείται συνεπώς η θέση πως η μάθηση στις Φυσικές Επιστήμες μπορεί να επιτευχθεί μόνο μέσω των πραγματικών υλικών σε πραγματικό εργαστήριο (Πειραματισμός σε Πραγματικό Εργαστήριο - ΠΠΕ). Τα αποτελέσματα αυτά καταδεικνύουν την ανάγκη για αναθεώρηση και αναδιοργάνωση του υπάρχοντος πλαισίου στη διδακτική των Φυσικών Επιστημών, με τρόπο που να περιλαμβάνει τη χρήση των εικονικών υλικών σε εικονικό εργαστήριο (Πειραματισμός σε Εικονικό 10 o Συνέδριο Παιδαγωγικής Εταιρείας Κύπρου 330

2 Εργαστήριο - ΠΕΕ). Μέχρι τώρα δεν έχει εισηγηθεί ένα συγκεκριμένο πλαίσιο που να υποστηρίζει την τροποποίηση των υφιστάμενων αναλυτικών προγραμμάτων των Φυσικών Επιστημών, με τρόπο που να καθορίζεται επακριβώς η διδακτική προσέγγιση και το περιεχόμενο στο οποίο θα μπορούσε να εφαρμοστεί ένα τέτοιο εγχείρημα (π.χ. χρήση ΠΠΕ ή ΠΕΕ, χρήση συνδυασμού του ΠΠΕ και του ΠΕΕ, σε ποιο περιεχόμενο και σε ποιο συγκείμενο;). Θεωρητικό Υπόβαθρο Η σύγχρονη έρευνα στη μάθηση των Φυσικών Επιστημών έχει προχωρήσει πέρα από την διερεύνηση και επεξεργασία των ιδεών των μανθανόντων για τα διάφορα συγκείμενα των Φυσικών Επιστημών, στην εύρεση μηχανισμών τροποποίησης των γνωστικών δομών των μανθανόντων που περικλείουν εναλλακτικές ιδέες (Novak & Gowin 1984, Novak 1990). Η διαδικασία επίτευξης εννοιολογικής αλλαγής φαίνεται να είναι μια βαθμιαία και πολύπλοκη υπόθεση κατά την οποία, οι πληροφορίες που δέχονται τα άτομα, μέσα από την παρατήρηση και τη διδασκαλία, ενσωματώνονται στην ήδη υπάρχουσα γνώση και μπορούν να παράγουν διαφορετικά αποτελέσματα (Vosniadou et al. 2001). Μέσα από τη διαδικασία της εννοιολογικής αλλαγής είναι δυνατό να προστεθούν καινούριες πληροφορίες, να δημιουργηθούν νέες επεξηγήσεις, να δημιουργηθούν συνθετικά μοντέλα, αλλά κυρίως να αναδομηθούν οι γνωστικές δομές του κάθε ατόμου (Vosniadou et al. 2001). Έρευνες έχουν δείξει πως οι εναλλακτικές ιδέες των ατόμων στις Φυσικές Επιστήμες είναι πολύ ισχυρές και η συμβατική - παραδοσιακή διδασκαλία αποδεικνύεται αναποτελεσματική στην προώθηση εννοιολογικής κατανόησης (Driver, Guesne & Tiberghien 1985, Osborne & Freyberg 1985, Wandersee et al. 1994). Τα περισσότερα μοντέλα που προτάθηκαν κατά καιρούς (Posner et al. 1982, Thagard 1992, Chan et al. 1997) για να ερμηνεύσουν την εννοιολογική αλλαγή έδωσαν έμφαση στο ρόλο της γνωστικής σύγκρουσης ως ενός κύριου παράγοντα για επίτευξη της εννοιολογικής αλλαγής. Η παρουσίαση αντικρουόμενων δεδομένων φαίνεται να βοηθά τους εμπλεκόμενους να αναστοχάζονται περισσότερο τις ιδέες τους και να δίνουν εξηγήσεις για τα φαινόμενα που μελετούν. Αυτός ο αναστοχασμός είναι πιθανό να ενεργοποιεί το ενδιαφέρον και την περιέργεια τους για φαινόμενα που εξετάζουν (Dreyfus et al. 1990, Limon 1995, Limon & Carretero 1997, Pearsall et al. 1997, Posner et al. 1982, Jensen & Finley 1995). Ακόμα και όταν δεν παρουσιάζεται ριζική αλλαγή στις ιδέες των ατόμων, η παρουσίαση αντικρουόμενων δεδομένων μέσω της στρατηγικής της γνωστικής σύγκρουσης, μπορεί να οδηγήσει στα πρώτα βήματα της διαδικασίας της εννοιολογικής αλλαγής (Limon 2001). Οι εκπαιδευτικοί και οι μανθάνοντες χρειάζεται να αμφισβητήσουν το «απόλυτο» του επιστημονικού περιεχομένου στο οποίο εμπλέκονται. Πρέπει να τους δοθεί η ευκαιρία εξέτασης της φύσης του υπό μελέτη συγκειμένου και της κατανόησης όχι μόνο του ήδη γνωστού από τον εκπαιδευτικό τους, αλλά και του τρόπου εργασίας καθώς και του επιστημονικού συλλογισμού μέσα από τον οποίο καταλήγουν στη συγκεκριμένη γνώση. Η καλλιέργεια δεξιοτήτων επιστημονικού συλλογισμού μπορεί να συνοδεύεται από μια θεμελιώδη μεθοδολογία για αποτελεσματική διδασκαλία και μάθηση σε αντίθεση με οποιαδήποτε μαθησιακή επιδίωξη που μπορεί να συνδέεται με την κατανόηση ή απομνημόνευση πιο εξειδικευμένων εννοιών στο πλαίσιο ενός εκτεταμένου διδακτικού υλικού (McDermott, Shaffer & Constantinou 2000). Στην περίπτωση του συγκείμενου της θερμότητας και θερμοκρασίας, τα άτομα όχι μόνο δεν διαφοροποιούν την έννοια της θερμότητας από τη θερμοκρασία (Wiser & Carey 1983) αλλά επειδή θεωρούν τη θερμότητα και τη θερμοκρασία ως ιδιότητες 10 o Συνέδριο Παιδαγωγικής Εταιρείας Κύπρου 331

3 των φυσικών αντικειμένων, συχνά χρησιμοποιούν τις δύο έννοιες αδιαφοροποίητα για να ερμηνεύσουν φαινόμενα της καθημερινότητας. Διαφορετικά νοητικά μοντέλα της θερμότητας μπορούν να εξηγηθούν ως προσπάθειες από μέρους των ατόμων να εναρμονίσουν μέρη του επιστημονικού μοντέλου που έχουν διδαχθεί, με το αρχικό μοντέλο που είχαν οικοδομήσει πριν από τη διδασκαλία (Vosniadou 1994). Αν και ο επιστημονικά αποδεκτός ορισμός που αφορά στην έννοια της θερμότητας αναπτύχθηκε πριν από 200 χρόνια, το πρόβλημα στην κατανόηση της έννοιας παραμένει έντονο σε όλες τις βαθμίδες της εκπαίδευσης (Engel, Clough & Driver 1985). Οι ιδέες που εκφράζονται από μανθάνοντες διαφόρων ηλικιών, οι οποίες διαφέρουν από τις επιστημονικά αποδεκτές, εξακολουθούν να υφίστανται ακόμα και μετά από ειδικά σχεδιασμένες διδακτικές παρεμβάσεις (Rosenquist & McDermott 1987). Η έννοια θερμότητα προοδευτικά διαφοροποιήθηκε από την έννοια θερμοκρασία, ως μια μορφή ενέργειας που διαδίδεται, σε αντίθεση με τη θερμοκρασία που αποτελεί το φυσικό μέγεθος που καταδεικνύει πόσο ζεστό ή πόσο κρύο είναι ένα σώμα. Η απόλυτη θερμοκρασία αποτελεί την ένδειξη για τη μέση κινητική κατάσταση των μορίων ενός σώματος. Ειδικά σχεδιασμένες διδακτικές παρεμβάσεις είναι σημαντικό να στοχεύουν στην προοδευτική διαφοροποίηση ανάμεσα στις αντιλήψεις των ατόμων για τις έννοιες θερμότητα, θερμοκρασία και του ρυθμού διάδοσης της θερμότητας (Harisson, Grayson & Treagust 1999). Απαιτείται να αφιερωθεί περισσότερος χρόνος στη διδασκαλία θεμελιωδών εννοιών στο πλαίσιο κατάλληλων μαθησιακών περιβαλλόντων, ώστε να παρέχονται στους εμπλεκόμενους οι ευκαιρίες για να οικοδομούν τις ιδέες τους σε ένα μη επικριτικό αλλά σε ένα υποστηρικτικό περιβάλλον μάθησης (Dykstra et al. 1992). Ένα παράδειγμα διδακτικής προσέγγισης στο πλαίσιο της οποίας μπορούν να δημιουργηθούν οι συνθήκες για την πιο πάνω διαφοροποίηση είναι ο πειραματισμός μέσω διερώτησης (Inquiry-based experimentation), ο οποίος μπορεί να εφαρμοστεί τόσο μέσω ΠΠΕ όσο και μέσω ΠΕΕ (Finkelstein et al. 2005, Zacharia 2007). Στο πλαίσιο του εργαστηριακού πειραματισμού συχνά χρησιμοποιούνται ακολουθίες δραστηριοτήτων, οι οποίες περιλαμβάνουν πειράματα, ανάλυση δεδομένων και επεξεργασία ιδεών, με στόχο να καθοδηγηθούν οι μανθάνοντες ώστε να αναπτύξουν εννοιολογική κατανόηση. Στο πιο πάνω πλαίσιο ο ΠΠΕ 1 αποτελεί μια μαθησιακή εμπειρία, η οποία επιτρέπει στα άτομα να αλληλεπιδρούν με πραγματικά υλικά και φυσικά μοντέλα στο εργαστήριο, με σκοπό την παρατήρηση και κατανόηση φαινομένων. Αντίστοιχα, ο ΠΕΕ αποτελεί μια μαθησιακή εμπειρία, η οποία επιτρέπει στα άτομα να αλληλεπιδρούν με εικονικά υλικά και μοντέλα στον υπολογιστή, με σκοπό τη (γρήγορη) συλλογή στοιχείων και την κατανόηση φαινομένων. Πολλές έρευνες στο χώρο της διδακτικής των Φυσικών Επιστημών έχουν εντοπίσει ως βασικό πλεονέκτημα, τόσο του ΠΠΕ όσο και του ΠΕΕ, το γεγονός ότι επιτρέπουν στα πρόσωπα να αλληλεπιδρούν με υλικά και μοντέλα και να κάνουν δοκιμές (Pearsall et al. 1997, Zacharia et al. in press). Τα δύο αυτά περιβάλλοντα παρέχουν τη δυνατότητα στα πρόσωπα α) να διερευνήσουν το φαινομένο που τους παρουσιάζεται μεταβάλλοντας πραγματικά ή εικονικά τις τιμές των παραμέτρων, β) να ενεργοποιήσουν και να εφαρμόσουν διαδικασίες, γ) να παρατηρήσουν τα αποτελέσματα των δράσεων αυτών (Hofstein & Lunetta 2004, Tao & Gunstone 1 Υπάρχουν περιορισμοί στον ΠΠΕ (π.χ. δεν μπορεί να περιλάβει συμβολικές αναπαραστάσεις) και άλλοι περιορισμοί στο ΠΕΕ (π.χ. δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για επαλήθευση ή διάψευση). 10 o Συνέδριο Παιδαγωγικής Εταιρείας Κύπρου 332

4 1999). Σύμφωνα με τους Triona & Klahr (2003), έχουν διαπιστωθεί συγκεκριμένα πλεονεκτήματα που προσδίδει η εφαρμογή του ΠΕΕ στη μαθησιακή διαδικασία: α) εύκολη μεταφορά οποιουδήποτε φαινομένου στο εργαστήριο (portability) β) ασφάλεια (safety), γ) μείωση κόστους των πειραμάτων (cost-efficiency) δ) ελαχιστοποίηση σφαλμάτων (minimization of error) ε) απουσία χρονικών περιορισμών, στ) αύξηση ή ελαχιστοποίηση των χωρικών διαστάσεων του εργαστηρίου και ζ) ευέλικτη, γρήγορη και δυναμική χρήση των δεδομένων που παρουσιάζονται. Σε αντίθεση με τα πιο πάνω στοιχεία, κάποιοι ερευνητές αμφισβητούν την αναθεώρηση και αναδιοργάνωση του υπάρχοντος πλαισίου μάθησης στις Φυσικές Επιστήμες με τρόπο που να περιλαμβάνει τον ΠΕΕ (Finkelstein et al. 2005). Οι λόγοι αυτής της διαφοροποίησης ανάμεσα στα αποτελέσματα των ερευνών είναι πρώτα η στέρηση χειροπιαστών εμπειριών που να περιλαμβάνουν άμεσες εμπειρίες με φυσικά και πραγματικά υλικά και φαινόμενα, οι οποίες θεωρούνται ουσιαστικές για τη μάθηση, και έπειτα η διαδεδομένη θεώρηση πως η χρήση του ΠΕΕ θεωρείται ως μια τελείως διαφορετική μέθοδος πειραματισμού από τον τρόπο που εργάστηκαν αρχικά οι επιστήμονες στα αντίστοιχα φαινόμενα (Steinberg 2000). Τυπικά, η χρήση του ΠΕΕ εισάγεται από την πλειονότητα των εκπαιδευτικών μόνο όταν α) το αντίστοιχο πραγματικό εργαστήριο δεν είναι διαθέσιμο, συνοδεύεται από μεγάλο κόστος ή θεωρείται πολύπλοκη η χρήση του, β) το πείραμα που θα διεξαχθεί είναι επικίνδυνο, γ) οι τεχνικές που πρέπει να εφαρμοστούν είναι πολύπλοκες για τους μανθάνοντες και δ) όταν υπάρχουν σοβαροί χρονικοί περιορισμοί. Με άλλα λόγια, ο ΠΕΕ και κατ επέκταση τα εικονικά εργαστήρια θεωρούνται ως υποκατάστατο των πραγματικών εργαστηρίων, ειδικά στις περιπτώσεις όπου η χρήση πραγματικών υλικών σε πραγματικό εργαστήριο θεωρείται δύσκολη ή επικίνδυνη, αν όχι αδύνατη. Κανείς δεν θεωρεί τον ΠΕΕ ως μια εφαρμόσιμη πειραματική μέθοδο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί αυτόνομα για την επίτευξη των εκάστοτε μαθησιακών επιδιώξεων (Kirschner & Huisman 1998, p. 671). Από την άλλη, άλλοι ερευνητές ισχυρίζονται πως δεν είναι η διαφοροποίηση ανάμεσα στον ΠΠΕ και τον ΠΕΕ που καθορίζει την επίτευξη της μάθησης, αλλά είναι η επαφή και ή χρήση των αντίστοιχων υλικών στο πλαίσιο του πειραματισμού στο κατάλληλο διδακτικό πρότυπο, που αποτελούν το ουσιώδες χαρακτηριστικό μιας επιτυχημένης διδακτικής παρέμβασης (Clements 1999, Zacharia & Constantinou 2008, Zacharia et al. in press). O Clements (1999) επιχειρηματολογεί πως ο ΠΕΕ μπορεί να παρέχει αναπαραστάσεις οι οποίες είναι εξίσου ουσιώδεις με τα πραγματικά υλικά για τους μανθάνοντες και ακόμη μπορεί να είναι ευκολότερες στη χρήση τους, πιο «καθαρές» και επεκτάσιμες από τα πραγματικά αντικείμενα που αντικαθιστούν (σελ. 49). Επιπρόσθετα, ο Clements (1999) εξέφρασε την ανάγκη αναθεώρησης του υπάρχοντος πλαισίου των πραγματικών εργαστηρίων με τρόπο που να περιλαμβάνουν τις εικονικές/ψηφιακές αναπαραστάσεις που διατηρούν σχεδόν όλα τα χαρακτηριστικά των πραγματικών υλικών και φαινομένων. Μέσα από το υπάρχον θεωρητικό πλαίσιο διαπιστώνεται πως δεν υπάρχουν έρευνες που να διερευνούν το συνδυασμό των δύο πειραματικών μεθόδων ως προς την επίτευξη εννοιολογικής κατανόησης στις Φυσικές Επιστήμες. Οι πλείστες συγκρίσεις που έγιναν ανάμεσα στα εικονικά και τα πραγματικά εργαστήρια δεν διατηρούσαν σταθερή τη διδακτική προσέγγιση και τη μέθοδο διδασκαλίας που χρησιμοποιήθηκε. Παρά τις πολλές έρευνες στη Διδακτική των Φυσικών Επιστημών για αξιολόγηση της 10 o Συνέδριο Παιδαγωγικής Εταιρείας Κύπρου 333

5 αποτελεσματικότητας και του τρόπου αξιοποίησης του ΠΠΕ και του ΠΕΕ (στο πλαίσιο διδακτικών ακολουθιών) διαπιστώνεται ότι υπάρχει σημαντική ανάγκη για σύγκριση της επίδρασης του ΠΠΕ και του ΠΕΕ (Triona & Klahr 2003), αλλά και του ΠΠΕ ή του ΠΕΕ με συνδυασμούς του ΠΠΕ και του ΠΕΕ στη διδακτική των Φυσικών Επιστημών (Zacharia 2007). Στόχος της παρούσας έρευνας ήταν η σύγκριση της επίδρασης του ΠΠΕ, του ΠΕΕ και δύο συνδυασμών του ΠΠΕ και του ΠΕΕ (ΠΠΕ+ΠΕΕ, ΠΕΕ+ΠΠΕ) στην εννοιολογική κατανόηση προϋπηρεσιακών εκπαιδευτικών στο συγκείμενο Θερμότητα-Θερμοκρασία. Το ερευνητικό ερώτημα αυτής της ερευνητικής προσπάθειας ήταν το εξής: Πώς συγκρίνεται η εννοιολογική κατανόηση προϋπηρεσιακών εκπαιδευτικών στο συγκείμενο θερμότητα-θερμοκρασία που πειραματίζονται με πραγματικά υλικά, εικονικά υλικά ή συνδυασμό εικονικών και πραγματικών υλικών; Μεθοδολογία Το δείγμα αποτέλεσαν 182 προπτυχιακοί φοιτητές από το τμήμα Επιστημών της Αγωγής του Πανεπιστημίου Κύπρου. Οι φοιτητές κατανεμήθηκαν σε 4 ομάδες εκ των οποίων η πρώτη ομάδα αποτέλεσε την ομάδα ελέγχου (χρήση ΠΠΕ), η δεύτερη ομάδα αποτέλεσε την πειραματική ομάδα 1 (χρήση ΠΕΕ), η τρίτη ομάδα αποτέλεσε την πειραματική ομάδα 2 (χρήση ΠΠΕ+ΠΕΕ) και η τέταρτη ομάδα αποτέλεσε την πειραματική ομάδα 3 (χρήση ΠΕΕ+ΠΠΕ). Η ομάδα ελέγχου συναντιόταν στο εργαστήριο και χρησιμοποιούσε πραγματικά υλικά για την εκτέλεση των πειραμάτων. Αντίστοιχα, η πειραματική ομάδα 1 εργάστηκε σε εικονικό εργαστήριο με εικονικά υλικά για την εκτέλεση των ίδιων πειραμάτων. Οι πειραματικές ομάδες 2 και 3 χρησιμοποίησαν τόσο πραγματικά όσο και εικονικά υλικά σε πραγματικό και εικονικό εργαστήριο αντίστοιχα. Συγκεκριμένα, η πειραματική ομάδα 2 χρησιμοποίησε αρχικά ΠΠΕ και στη συνέχεια ΠΕΕ, ενώ η πειραματική ομάδα 3 χρησιμοποίησε αρχικά ΠΕΕ και μετέπειτα ΠΠΕ (βλ. διάγραμμα 1). Διάγραμμα 1. Ερευνητικός σχεδιασμός και χορήγηση πειραματικών δοκιμίων 10 o Συνέδριο Παιδαγωγικής Εταιρείας Κύπρου 334

6 Ως εικονικό εργαστήριο χρησιμοποιήθηκε το εργαστήριο του λογισμικού Thermolab (Psilos et al. 2000, Hatzikraniotis et al. 2001). Για σκοπούς επιτυχούς υλοποίησης της έρευνας, δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση πριν από τη διεξαγωγή της έρευνας στην εξοικείωση των φοιτητών όλων των ομάδων τόσο με το λογισμικό Thermolab (βλ. εικόνα 1) όσο και με το εξοπλισμό και τα υλικά του πραγματικού εργαστηρίου (π.χ. μέτρηση θερμοκρασίας υλικού με θερμόμετρο). Η εκμάθηση του λογισμικού Τhermolab επιτεύχθηκε μέσα από διδακτικό υλικό, το οποίο αναπτύχθηκε και εφαρμόστηκε στους φοιτητές των ομάδων που χρησιμοποίησαν εικονικά υλικά. (π.χ. μέτρηση θερμοκρασίας υλικού με θερμόμετρο). Εικόνα 1. Το περιβάλλον του λογισμικού ΣΕΠ- ΝΑΥΣΙΚΑ. Η διδακτική προσέγγιση που χρησιμοποιήθηκε σε όλες τις ομάδες βασιζόταν στις αρχές και τη φιλοσοφία της προσέγγισης Φυσική με Διερώτηση (McDermott et al. 1996). Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν τα Κεφάλαια 1, 2, 3 και 4 από τη Θερμότητα και Θερμοκρασία του εγχειριδίου «Φυσική με Διερώτηση» (McDermott et al. 1996). Η ομάδα ελέγχου εκτέλεσε τα πειράματα στο πραγματικό εργαστήριο, ενώ η πειραματική ομάδα 1 εκτέλεσε τα πειράματα στο εικονικό εργαστήριο Thermolab. Η πειραματική ομάδα 2 εκτέλεσε τα πειράματα των κεφαλαίων 1 και 2 στο πραγματικό εργαστήριο, και τα πειράματα των κεφαλαίων 3 και 4 στο εικονικό εργαστήριο. Η πειραματική ομάδα 3 εκτέλεσε τα πειράματα των κεφαλαίων 1 και 2 σε εικονικό εργαστήριο και τα πειράματα των κεφαλαίων 3 και 4 σε πραγματικό εργαστήριο. Για τη συλλογή των δεδομένων, χορηγήθηκαν στους συμμετέχοντες πειραματικά δοκίμια πριν από κάθε κεφάλαιο και μετά από κάθε κεφάλαιο δόθηκαν τα ισόμορφα έργα των προπειραματικών δοκιμίων (βλ Πίνακα 1). Πίνακας 1: Θεματικοί άξονες των έργων των πειραματικών δοκιμίων Πειραματικά δοκίμια 1 Πειραματικά δοκίμια 2 Θερμοκρασία διαφορετικών υλικών που βρίσκονται στο ίδιο περιβάλλον Η θερμοκρασία ως εντατικό μέγεθος Θερμικές αλληλεπιδράσεις δειγμάτων νερού (διαφορετικές και ίσες μάζες, διαφορετικές και ίσες θερμοκρασίες) Θερμική αλληλεπίδραση νερού και πάγου Παράγοντες που επηρεάζουν τις μεταβολές στη θερμοκρασία 10 o Συνέδριο Παιδαγωγικής Εταιρείας Κύπρου 335

7 Πειραματικά δοκίμια 3 Πειραματικά δοκίμια 4 Αναλογικός συλλογισμός στο συγκείμενο της θερμότητας και της θερμοκρασίας Αναλογικός συλλογισμός σε μαθηματικά προβλήματα. Παράγοντες που επηρεάζουν τη διάδοση της θερμοτητας. Ο ρόλος της ειδικής θερμοχωρητικότητας στις θερμικές αλληλεπιδράσεις Υπολογισμοί της θερμοχωρητικότητας, της ειδικής θερμοχωρητικότητας, της διάδοσης της θερμότητας και των μεταβολών στη θερμοκρασία καθώς και σύνδεση όλων των εννοιών. Τα δεδομένα που προέκυψαν από τη συμπλήρωση των πειραματικών δοκιμίων αναλύθηκαν τόσο ποσοτικά όσο και ποιοτικά. Συγκεκριμένα, για την ποσοτική ανάλυση χρησιμοποιήθηκαν οι στατιστικοί ελέγχοι one-way ANCOVA και Paired Samples t-test. Η ποιοτική ανάλυση αφορούσε στις απαντήσεις των φοιτητών σε κάθε ερώτημα των πειραματικών δοκιμίων, οι οποίες κωδικοποιήθηκαν και κατηγοριοποιήθηκαν με βάση τις ιδέες των φοιτητών με τη μέθοδο της ανοικτής κωδικοποίησης (open coding). Μετά από την ποιοτική ανάλυση υπολογίστηκε το ποσοστό των φοιτητών της κάθε ομάδας που παρουσίαζε τις αντίστοιχες ιδέες, πριν και μετά τη διδακτική παρέμβαση για σκοπούς σύγκρισης. Αποτελέσματα Η εφαρμογή του στατιστικού κριτηρίου Paired Samples t-test, η οποία έγινε με στόχο να διαφανεί κατά πόσο επήλθε βελτίωση της εννοιολογικής κατανόησης των φοιτητών μετά από τη διδακτική παρέμβαση, έδειξε ότι υπάρχει στατιστικά σημαντική διαφορά στην επίδοση των φοιτητών της ομάδας ελέγχου πριν και μετά τη διδακτική παρέμβαση σε όλες τις ομάδες όπως φαίνεται στον Πίνακα 1. Αντίστοιχα, ο στατιστικός έλεγχος one way ANCOVA έδειξε πως η βελτίωση της επίδοσης των φοιτητών στα πειραματικά δοκίμια (η οποία μετριέται ως η διαφορά ανάμεσα στην αρχική και την τελική επίδοση τους στα πειραματικά δοκίμια) δεν επηρεάζεται από τη μέθοδο που χρησιμοποιήθηκε στη διδακτική παρέμβαση, δηλαδή από τη χρήση του ΠΠΕ, του ΠΕΕ, και των συνδυασμών τους, ΠΠΕ+ΠΕΕ και ΠΕΕ+ΠΠΕ αντίστοιχα, όταν ελέγχεται η επίδραση των προηγούμενων τους γνώσεων. Σε κανένα από τα τέσσερα κεφάλαια δεν φάνηκε να υπάρχουν διαφορές στη βελτίωση της επίδοσης των φοιτητών σε σχέση με την πειραματική μέθοδο που εφαρμόστηκε (βλ. Πίνακα 2). 10 o Συνέδριο Παιδαγωγικής Εταιρείας Κύπρου 336

8 Πίνακας 2: Σύγκριση της βελτίωσης της επίδοσης των πειραματικών ομάδων σε κάθε κεφάλαιο με το στατιστικό κριτήριο one - way ANCOVA. Συγκρίσεις df1 df2 F Sig Σύγκριση της βελτίωσης της επίδοσης στο κεφάλαιο 1 ανάμεσα στις τέσσερις πειραματικές ομάδες Σύγκριση της βελτίωσης της επίδοσης στο κεφάλαιο 2 ανάμεσα στις τέσσερις πειραματικές ομάδες Σύγκριση της βελτίωσης της επίδοσης στο κεφάλαιο 3 ανάμεσα στις τέσσερις πειραματικές ομάδες Σύγκριση της βελτίωσης της επίδοσης στο κεφάλαιο 4 ανάμεσα στις τέσσερις πειραματικές ομάδες Τον εντοπισμό των ιδεών που παρουσιάστηκαν στα πειραματικά δοκίμια ακολούθησε η ομαδοποίηση τους μέσα από την οποία αναγνωρίστηκαν οι ιδέες των φοιτητών για έννοιες που αφορούσαν στο περιεχόμενο της θερμότητας και της θερμοκρασίας. Αρχικά, δημιουργήθηκαν οι γενικές θεματικές ενότητες των ιδεών στο πλαίσιο του κάθε κεφαλαίου, στις οποίες κατηγοριοποιήθηκαν οι ιδέες των φοιτητών από όλες τις πειραματικές ομάδες. Οι εναλλακτικές ιδέες των φοιτητών κατηγοριοποιήθηκαν στις ακόλουθες θεματικές ενότητες: Θερμοκρασία υλικών που βρίσκονται στο ίδιο περιβάλλον για αρκετό χρονικό διάστημα Η θερμοκρασία ως εντατικό μέγεθος Μεταβολές στη θερμοκρασία δειγμάτων νερού μετά από θερμική αλληλεπίδραση Θερμική αλληλεπίδραση νερού και πάγου Αναλογικός συλλογισμός σε περιπτώσεις που αφορούν στη διάδοση της θερμότητας Μεταβολές στη θερμοκρασία μετά από διάδοση θερμότητας 10 o Συνέδριο Παιδαγωγικής Εταιρείας Κύπρου 337

9 Ο ρόλος της θερμοχωρητικότητας και της ειδικής θερμοχωρητικότητας στις μεταβολές στη θερμοκρασία Παράγοντες που επηρεάζουν το ποσό της θερμότητας που διαδίδεται Ο ρόλος της ειδικής θερμοχωρητικότητας στις θερμικές αλληλεπιδράσεις Θερμικές αλληλεπιδράσεις ανάμεσα σε διαφορετικά υλικά και υπολογισμός της διάδοσης της θερμότητας και των μεταβολών στη θερμοκρασία Η ομαδοποίηση των ιδεών και ακολούθως η κατηγοριοποίηση τους στις αναφερόμενες θεματικές ενότητες βοήθησε στη σύγκριση που έγινε ανάμεσα στις 4 πειραματικές ομάδες πριν και μετά τη διδακτική παρέμβαση. Οι κατηγορίες ιδεών που δημιουργήθηκαν σε κάθε κεφάλαιο προέκυψαν από τα δεδομένα και αφορούσαν συγκεκριμένες μαθησιακές επιδιώξεις των 4 κεφαλαίων του διδακτικού υλικού που συμπεριλήφθηκαν στην παρέμβαση. Οι ιδέες που εντάχθηκαν σε κάθε κατηγορία καθόρισαν τις ιδιότητες και το εύρος κάθε κατηγορίας. Στον Πίνακα 3, παρουσιάζονται οι κατηγορίες ιδεών (θεματικές ενότητες) που προέκυψαν μέσω της τεχνικής της ανοικτής κωδικοποίησης σε κάθε ομάδα, μαζί με τις πιο αντιπροσωπευτικές ιδέες που παρουσιάστηκαν από τους φοιτητές που έλαβαν μέρος στην έρευνα (παρουσιάζονται οι ιδέες με τα ψηλότερα ποσοστά σε κάθε κατηγορία). Οι ιδέες που παρουσιάστηκαν εκφράζονται σε ποσοστά πριν και μετά τη διδακτική παρέμβαση. Το κάθε ποσοστό εκφράζει τη συχνότητα εμφάνισης της κάθε ιδέας πριν και μετά την παρέμβαση, ενώ η μείωση ή η αύξηση του ποσοστού ανάμεσα στα προπειραματικά και μεταπειραματικά δοκίμια υποδηλώνει τις αλλαγές που οφείλονται στην επίδραση των διδακτικών παρεμβάσεων. Αρχικά, η ιδέα που παρουσιάζεται στην κατηγορία 1, η οποία αφορά στις διαφορετικές θερμοκρασίες που θα έχουν τα υλικά όταν αφεθούν για αρκετό χρονικό διάστημα στο ίδιο περιβάλλον, φαίνεται να παρουσιάζεται περίπου στο ίδιο ποσοστό στα προπειραματικά δοκίμια όλων των ομάδων. Αυτή η ιδέα παρουσιάζει την ίδια σημαντική μείωση στα ποσοστά εμφάνισης της μετά την παρέμβαση σε όλες τις ομάδες. Το ίδιο συμβαίνει και με την ιδέα που παρουσιάζεται στην κατηγορία 2, η οποία αναφέρεται λανθασμένα στις εκτατικές ιδιότητες της θερμοκρασίας. Στην κατηγορία 3 παρουσιάζεται η επιστημονικά ορθή ιδέα που αφορά στον υπολογισμό των μεταβολών στη θερμοκρασία, όταν αναμειγνύονται δείγματα νερού ίσων ή διαφορετικών μαζών και ίσων ή διαφορετικών θερμοκρασιών. Όλες οι ομάδες παρουσίασαν περίπου την ίδια αύξηση στα ποσοστά της συγκεκριμένης ιδέας μετά την παρέμβαση. Η ιδέα που παρουσιάζεται στην κατηγορία 4 αφορά στη θερμική αλληλεπίδραση του νερού και του πάγου. Τα μεγαλύτερα ποσοστά εμφάνισης της ιδέας που αναφέρεται στη διαφορά της θερμοκρασίας των δύο υλικών, όταν συνυπάρχουν, εμφανίζονται στα προπειραματικά δοκίμια των ομάδων ΟΕ και ΠΟ1. Παρόλα αυτά, παρουσιάζεται σημαντική μείωση των ποσοστών αυτής της ιδέας σε όλες τις ομάδες. Η 5 η κατηγορία αναφέρεται στον ορθό αναλογικό συλλογισμό σε μαθηματικά προβλήματα που αφορούσαν στη διάδοση της θερμότητας και τις μεταβολές της θερμοκρασίας, ο οποίος φαίνεται να βελτιώνεται σε όλες τις ομάδες μετά την παρέμβαση. Στην κατηγορία 6 παρουσιάζεται η ιδέα που αναφέρεται στη μεγαλύτερη αύξηση της θερμοκρασίας του νερού με τη μεγαλύτερη μάζα, συγκρίνοντας το με ένα δείγμα νερού μικρότερης μάζας, όταν αυτά λαμβάνουν το ίδιο ποσό θερμότητας. 10 o Συνέδριο Παιδαγωγικής Εταιρείας Κύπρου 338

10 Πίνακας 3: Οι κατηγορίες ιδεών που προέκυψαν μέσα από τη συλλογή των δεδομένων Οι πιο αντιπροσωπευτικές ιδέες που εντάσσονται σε κάθε κατηγορία Κατηγορία 1 Θερμοκρασία υλικών που βρίσκονται στο ίδιο περιβάλλον για αρκετό χρονικό διάστημα (Κεφάλαιο 1) ΟΜΑΔΑ ΕΛΕΓΧΟΥ Πριν την παρέμβαση % (n) Μετά την παρέμβαση % (n) ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ 1 Πριν την παρέμβαση % (n) Μετά την παρέμβαση % (n) ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ 2 Πριν την παρέμβαση % (n) Μετά την παρέμβαση % (n) ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ 3 Πριν την παρέμβαση % (n) Μετά την παρέμβαση % (n) Διαφορετικά υλικά που βρίσκονται στο ίδιο περιβάλλον για αρκετή ώρα δεν έχουν την ίδια θερμοκρασία και για να βρούμε τη θερμοκρασία τους θα πρέπει να παίρνουμε διαφορετικές μετρήσεις. 71% (40) 5% (3) 7 (41) 7% (4) 73% (24) 15% (5) 71% (24) 12% (4) Κατηγορία 2 Η θερμοκρασία ως εντατικό μέγεθος (Κεφάλαιο 1) Η θερμοκρασία εξαρτάται από τη μάζα του δείγματος (θερμοκρασία ανάλογη της μάζας). 23% (13) 39% (23) 12% (7) 21% (7) 3% (1) 15% (5) Κατηγορία 3. Μεταβολές στη θερμοκρασία δειγμάτων νερού μετά από θερμική αλληλεπίδραση (Κεφάλαιο 2) Κατάλληλος υπολογισμός των μεταβολών στη θερμοκρασία, δειγμάτων νερού που αλληλεπιδρούν θερμικά (ίσες και διαφορετικές μάζες, ίσες και διαφορετικές αρχικές θερμοκρασίες). 7% (4) 3 (17) 12% (7) 41% (24) 12% (4) 39% (13) 6% (2) 41% (14) 10 o Συνέδριο Παιδαγωγικής Εταιρείας Κύπρου 339

11 Κατηγορία 4. Θερμική αλληλεπίδραση νερού και πάγου (Κεφάλαιο 2) Το νερό και ο πάγος δεν μπορούν να συνυπάρχουν στην ίδια θερμοκρασία. 7 (39) 16% (9) 76% (45) 24% (14) 15% (5) 6% (2) 32% (11) 12% (4) Κατηγορία 5. Αναλογικός συλλογισμός στο περιεχόμενο της διάδοσης της θερμότητας (Κεφάλαιο 3) Ορθός αναλογικός συλλογισμός με πλήρη εξήγηση (μαθηματικό πρόβλημα). 14% (8) 39% (22) 9% (5) 34% (20) 21% (7) 39% (13) 21% (7) 35% (12) Κατηγορία 6. Μεταβολές στη θερμοκρασία μετά από διάδοση θερμότητας (Κεφάλαιο 3) Μια μικρή ποσότητα νερού αυξάνει λιγότερο τη θερμοκρασία της σχέση με μια μεγαλύτερη ποσότητα νερού, όταν οι δύο ποσότητες βρίσκονται πάνω από την ίδια φλόγα για το ίδιο χρονικό διάστημα. 71% (40) 2 (11) 8 (47) 17% (10) 55% (18) 12% (4) 56% (19) 6% (2) Κατηγορία 7. Ο ρόλος της θερμοχωρητικότητας και της ειδικής θερμοχωρητικότητας στις μεταβολές στη θερμοκρασία (Κεφάλαιο 4) Η τελική θερμοκρασία του σιδήρου θα είναι η μεγαλύτερη σε σχέση με ίσες μάζες αλουμινίου και νερού, όταν αυτά λαμβάνουν το ίδιο ποσό θερμότητας, γιατί ο σίδηρος χρειάζεται τη λιγότερη θερμότητα για να μεταβάλει τη θερμοκρασία του κατά 1 ο C. 32% (18) 66% (37) 24% (14) 64% (38) 18% (6) 73% (24) 6% (2) 44% (15) Κατηγορία 8. Παράγοντες που επηρεάζουν το ποσό της θερμότητας που διαδίδεται (Κεφάλαιο 4) Η θερμότητα που παίρνει ένα υλικό που θερμαίνεται πάνω από ένα λύχνο εξαρτάται από το είδος του υλικού. 45% (25) 23% (13) 41% (24) 22% (13) 33% (11) 12% (4) 5 (17) 12% (4) 10 o Συνέδριο Παιδαγωγικής Εταιρείας Κύπρου 340

12 Κατηγορία 9. Ο ρόλος της ειδικής θερμοχωρητικότητας στις θερμικές αλληλεπιδράσεις (Κεφάλαιο 4) Όταν αλληλεπιδρούν θερμικά ίσες μάζες σιδήρου και νερού, τότε ο σίδηρος θα μεταβάλει τη θερμοκρασία του κατά 10 φορές περισσότερο από τη θερμοκρασία του νερού, γιατί η ειδική θερμοχωρητικότητα του σιδήρου είναι κατά 10 φορές μικρότερη από αυτή του νερού. 2 (11) 5 (28) 31% (18) 49% (29) 18% (6) 52% (17) 9% (3) 53% (18) Κατηγορία 10. Θερμικές αλληλεπιδράσεις ανάμεσα σε διαφορετικά υλικά και υπολογισμός της διάδοσης της θερμότητας και των μεταβολών στη θερμοκρασία (Κεφάλαιο 4) Ορθοί υπολογισμοί της διάδοσης της θερμότητας και των μεταβολών στη θερμοκρασία μετά από τη θερμική αλληλεπίδραση διαφορετικών υλικών. 10 o Συνέδριο Παιδαγωγικής Εταιρείας Κύπρου 341

13 Στην κατηγορία 7 αναφέρεται ορθά ο ρόλος της θερμοχωρητικότητας και της ειδικής θερμοχωρητικότητας στις μεταβολές στη θερμοκρασία. Η επιστημονικά ορθή ιδέα που παρουσιάζεται σε αυτή την κατηγορία φανερώνει αύξηση των ποσοστών της μετά τη διδακτική παρέμβαση, γεγονός που καταδεικνύει τις μετατοπίσεις των φοιτητών από τις εναλλακτικές ιδέες στην επιστημονικά αποδεκτή ιδέα. Αυτές οι μετατοπίσεις φαίνεται να μην διαφοροποιούνται ιδιαίτερα ανάμεσα στις ομάδες. Στην 8 η κατηγορία γίνεται αναφορά στους παράγοντες που επηρεάζουν το ποσό της θερμότητας που διαδίδεται σε κάποιο υλικό. Η ιδέα που αφορά στην εξάρτηση της θερμότητας που διαδίδεται από το είδος του υλικού παρουσιάζει ομοιόμορφη μείωση στα ποσοστά όλων των ομάδων μετά τη διδακτική παρέμβαση. Παράλληλα, η επιστημονικά αποδεκτή ιδέα που παρουσιάζεται στην κατηγορία 9 εμφανίζει ομοιόμορφη αύξηση στα ποσοστά όλων των ομάδων μετά τη διδακτική παρέμβαση. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στους ορθούς υπολογισμούς της διάδοσης της θερμότητας και των μεταβολών στη θερμοκρασία των υλικών στην κατηγορία 10 (κατάλληλη σύνδεση και διαφοροποίηση των εννοιών της θερμότητας, της θερμοκρασίας, της ειδικής θερμοχωρητικότητας και της θερμοχωρητικότητας) ενισχύουν όλα τα πιο πάνω αποτελέσματα αφού εμφανίζεται περίπου η ίδια αξιόλογη μετατόπιση των φοιτητών προς τον επιστημονικά ορθό συλλογισμό σε όλες τις ομάδες. Παρατηρώντας τα αποτελέσματα των ιδεών των φοιτητών, όπως προέκυψαν μέσα από την ποιοτική ανάλυση, διαφαίνεται πως η συντριπτική πλειοψηφία των φοιτητών σε όλες τις ομάδες φάνηκε να μοιράζεται τις ίδιες εναλλακτικές ιδέες μετά την παρέμβαση. Παράλληλα, οι μεταβολές των ποσοστών των ιδεών των φοιτητών (αυξήσεις ή μειώσεις) φαίνεται να ήταν ομοιόμορφες ανάμεσα στις πειραματικές ομάδες. Σε όλα τα κεφάλαια παρατηρήθηκε μετατόπιση των ιδεών των φοιτητών από τις εναλλακτικές και ελλιπείς ιδέες προς τις επιστημονικά αποδεκτές ιδέες. Στις μετατοπίσεις που έγιναν δεν παρουσιάστηκαν μεγάλες διαφοροποιήσεις ανάμεσα στη βελτίωση που επέδειξαν οι ομάδες. Η ανάλυση που έγινε για τις ιδέες των φοιτητών ενισχύει τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την ποσοτική ανάλυση, ενώ παράλληλα κατέδειξε ορισμένα στοιχεία του διδακτικού υλικού που σε συνδυασμό με τις πειραματικές μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν, χρήζουν περαιτέρω έρευνας (π.χ. αναλογικός συλλογισμός στο συγκείμενο της θερμότητας και της θερμοκρασίας). Συμπεράσματα Τα αποτελέσματα που προκύπτουν τόσο από την ποσοτική ανάλυση όσο και από την ποιοτική, ενισχύουν το επιχείρημα που θέτει ως ισοδύναμες τις 4 πειραματικές μεθόδους που εφαρμόστηκαν (ΠΠΕ, ΠΕΕ, ΠΠΕ+ΠΕΕ, ΠΕΕ+ΠΠΕ). Αυτά τα αποτελέσματα ενισχύονται από τη βιβλιογραφία, η οποία αναφέρεται στη σημαντική συνεισφορά των προσομοιώσεων και κατ επέκταση των εικονικών εργαστηρίων (Beichner et al., 1999, Eylon et al. 1996, Goldberg 1997, Grayson & McDermott 1996, Van Heuvelen 1997, Zacharia & Constantinou 2008, Zacharia 2005, 2007) καθώς και στη συνεισφορά των πραγματικών εργαστηρίων στην κατανόηση συγκεκριμένων εννοιών στις Φυσικές Επιστήμες (Alhalabi et al. 1998, Bybee 2000, Hofstein & Lunetta 2004). Η επίτευξη εννοιολογικής κατανόησης επέρχεται κυρίως μέσα από διαδικασίες εννοιολογικής αλλαγής. Τέτοιες διαδικασίες απαιτούν τον κατάλληλο συνδυασμό διδακτικού προτύπου και πειραματικής μεθόδου που να συνοδεύεται από το 342

14 αντίστοιχο διδακτικό υλικό, προκειμένου να επιτευχθούν οι μαθησιακές επιδιώξεις που τίθενται σε κάθε περίπτωση. Φάνηκε πως ο εργαστηριακός πειραματισμός παρέχει το κατάλληλο μαθησιακό περιβάλλον στο οποίο τα άτομα μπορούν να αναπτύξουν εννοιολογική κατανόηση και στρατηγικές μάθησης. Η εφαρμογή του εργαστηριακού πειραματισμού με τη χρήση είτε πραγματικών είτε εικονικών υλικών στο πλαίσιο της διερώτησης έδωσε την ευκαιρία στους εμπλεκόμενους να αλληλεπιδράσουν με πραγματικά και εικονικά υλικά και μοντέλα, να βιώσουν γνωστικές συγκρούσεις και να περάσουν μέσα από διαδικασίες εννοιολογικής αλλαγής όπως αυτές ορίστηκαν από τη βιβλιογραφία. Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας σχετικά με την εννοιολογική κατανόηση των ατόμων είναι σημαντικά, γιατί μπορούν να αξιοποιηθούν στο σχεδιασμό και εφαρμογή ενός αναλυτικού προγράμματος στις Φυσικές Επιστήμες που να ενσωματώνει νέες πειραματικές μεθόδους, όπως είναι η χρήση των εικονικών εργαστηρίων και ο συνδυασμός τους με τα πραγματικά εργαστήρια. Χρειάζεται όμως πρώτα να εντοπιστεί το γνωσιολογικό υπόβαθρο και οι ιδέες που το χαρακτηρίζουν, του συνόλου στο οποίο απευθύνεται η συγκεκριμένη προσπάθεια. Αυτή η έρευνα συνεισφέρει προς αυτή την κατεύθυνση. Παράλληλα, επιβεβαιώθηκε ακόμη μια φορά ότι η χρήση ενός μαθησιακού εργαστηριακού περιβάλλοντος που να βασίζεται στο διδακτικό πρότυπο της διερώτησης μπορεί να υποστηρίξει αποτελεσματικά τη μάθηση στις Φυσικές Επιστήμες (McDermott, Shaffer & Constantinou 2000) και να επιφέρει εννοιολογική κατανόηση στο συγκείμενο που διδάσκεται. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται σε αυτή την έρευνα στηρίζουν το επιχείρημα για την μαθησιακή αξία και συνεισφορά των προσομοιώσεων στη διδασκαλία και μάθηση των Φυσικών Επιστημών. Οι Bell & Trundle (2008) διαπίστωσαν μέσα από έρευνα ότι ο υποστηρικτικός ρόλος των προσομοιώσεων σε συνδυασμό με το διδακτικό πρότυπο της διερώτησης μπορεί να επιφέρει θετικά αποτελέσματα στην εννοιολογική κατανόηση των φαινομένων και στην καλλιέργεια δεξιοτήτων στις Φυσικές Επιστήμες. Η θετική επίδραση των προσομοιώσεων στη διδασκαλία και μάθηση στις Φυσικές Επιστήμες, όπως φάνηκε μέσα από την παρούσα έρευνα, μπορεί να αποδοθεί στην ενσωμάτωση του συνδυασμού τους με το διδακτικό πρότυπο της διερώτησης. Η κατάλληλα συνδυασμένη χρήση των προσομοιώσεων με τα πραγματικά υλικά, με την αξιοποίηση της προστιθέμενης αξίας τους (μελλοντική έρευνα), μπορεί να επιφέρει τα επιδιωκόμενα μαθησιακά αποτελέσματα. Η παρούσα έρευνα έδειξε πως τόσο ο εργαστηριακός πειραματισμός όσο και ο πειραματισμός μέσω των αλληλεπιδραστικών προσομοιώσεων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να οδηγήσουν τα άτομα σε επεξεργασία τεκμηρίων, μεθοδική οικοδόμηση μοντέλων, γνωστική σύγκρουση και εννοιολογική αλλαγή, στο πλαίσιο κατάλληλων διδακτικών προσεγγίσεων, όπως είναι η διερώτηση. Ταυτόχρονα, η δυνατότητα ενσωμάτωσης πληροφορικής τεχνολογίας στο μαθησιακό περιβάλλον των Φυσικών Επιστημών δεν αποτελεί επαρκή συνθήκη για την αναβάθμιση της ποιότητας της διδασκαλίας και δεν οδηγεί αυτόματα, ή κατ ανάγκη, στη βελτίωση των μαθησιακών αποτελεσμάτων (με αυτό τον τρόπο εξηγούνται σε κάποιο βαθμό τα αντιφατικά δεδομένα που δημοσιεύονται στην ερευνητική βιβλιογραφία για τη δυνατότητα των εργαλείων πληροφορικής τεχνολογίας να ενισχύουν το μαθησιακό όφελος). Τα λογισμικά προσομοίωσης (αλλά και τα υπόλοιπα εργαλεία πληροφορικής τεχνολογίας) χαρακτηρίζονται από δυνητική συνεισφορά. Η πραγματική συνεισφορά 343

15 τους προκύπτει από την αποτελεσματική ενσωμάτωσή τους στο διδακτικό υλικό, ώστε να αξιοποιούνται λειτουργικά οι δυνατότητες που παρέχουν. Τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας υποδεικνύουν πως οι προσομοιώσεις, και κατ επέκταση ο πειραματισμός σε εικονικό εργαστήριο (ΠΕΕ), δεν πρέπει να θεωρείται ως ένα ιδανικό υποκατάστατο του πειραματισμού σε πραγματικό εργαστήριο (ΠΠΕ), αλλά ως μια μέθοδος πειραματισμού με μεγάλες προοπτικές, η οποία θα μπορούσε να εφαρμοστεί στο πλαίσιο ενός μελετημένου συνδυασμού με το πραγματικό εργαστήριο, ή ακόμα και από μόνη της, στο κατάλληλο μαθησιακό περιβάλλον των Φυσικών Επιστημών. Το αναφερόμενο επιχείρημα δεν υποβαθμίζει τις χειροπιαστές εμπειρίες διερεύνησης των φυσικών φαινομένων σε πραγματικά εργαστήρια και σε καμία περίπτωση δεν υπονοεί την αντικατάσταση των πραγματικών εργαστηρίων από τα εικονικά. Παρόλα αυτά, παρέχονται σαφείς ενδείξεις πως αξίζει να δοθεί μια ευκαιρία στα εικονικά εργαστήρια να αποδείξουν τη χρησιμότητα τους σε πειράματα που μπορεί να είναι πολύ ακριβά (από οικονομικής πλευράς), πολύ χρονοβόρα και πολύ επικίνδυνα να διεξαχθούν σε πραγματικές συνθήκες. Σε αυτό το πλαίσιο προτείνεται ο συνδυασμός των εικονικών με τα πραγματικά υλικά (Zacharia & Constantinou 2008, Zacharia et al. in press). Προκύπτει από την παρούσα έρευνα, δεδομένου ότι αποδείχθηκε η θετική επίδραση όλων των πειραματικών μεθόδων που χρησιμοποιήθηκαν, η ανάγκη για επιπρόσθετη έρευνα για τον εντοπισμό εκείνων των παραγόντων που να καθορίζουν τη χρήση είτε της μιας μεθόδου είτε της άλλης, προκειμένου να επιτυγχάνονται οι μαθησιακές επιδιώξεις στο καλύτερο δυνατό βαθμό. Η πιθανότητα εφαρμογής και επίτευξης οποιουδήποτε συνδυασμού εικονικών με πραγματικά εργαστήρια έγκειται στον επιτυχή εντοπισμό των στοιχείων σε κάθε περιεχόμενο, όπου αξιοποιούνται στο μέγιστο τα πλεονεκτήματα της εκάστοτε μεθόδου πειραματισμού. Ο αναφερόμενος συνδυασμός συνηγορεί υπέρ της αναθεώρησης και αναδόμησης του υπάρχοντος πλαισίου πειραματισμού που ισχύει στα περισσότερα εκπαιδευτικά ιδρύματα και στους περισσότερους κλάδους των Φυσικών Επιστημών. Αυτή η ανάγκη που προκύπτει για αναδιοργάνωση και αναδιαμόρφωση του υπάρχοντος πλαισίου δημιουργεί την ανάγκη για κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα εικονικά υλικά θα συνδυαστούν με τα πραγματικά υλικά στη διδασκαλία και μάθηση των Φυσικών Επιστημών (Zacharia & Constantinou 2008). Για αυτό το λόγο θεωρείται σημαντική η επέκταση της εμπειρικής βάσης των πραγματικών εργαστηρίων μέσα από μελλοντική έρευνα, ώστε να τεθούν οι προοπτικές στις οποίες μπορούν να συνεισφέρουν τα εικονικά εργαστήρια. Απαιτείται ταυτόχρονα η θεμελίωση της θεωρητικής προοπτικής στο πλαίσιο ενός διδακτικού προτύπου, στο οποίο θα ορίζεται ο συνδυασμός του ΠΠΕ με τον ΠΕΕ στο μαθησιακό περιβάλλον των Φυσικών Επιστημών. Βιβλιογραφία Αγγλική Alhalabi, B. A. Hamza, M. K. Hsu, S. & Romance, N. (1998). Virtual Labs VS Remote Labs: Between Myth and Reality. Proceedings of Florida Higher Education Consortium 7th Statewide Conference, Deerfield Beach, Florida. Bell, L. R. & Trundle, C. K. (2008). The Use of a Computer Simulation to Promote Scientific Conceptions of Moon Phases. Journal of Research in Science Teaching, 45, (3),

16 Beichner, R., Bernold, L., Burniston, E., Dail, P., Felder, R., Gastineau, J., Gjersten, M. & Risley, J. (1999). Case study of the physics component of an integrated curriculum. Physics Education Research, American Journal of Physics Supplement, 67, Bybee, R. (2000). Teaching science as inquiry. In Inquiring into inquiry learning and teaching in science (eds. J. Minstrel & E. H. Van Zee), pp American Association for the Advancement of Science (AAAS), Wasington DC. Chan, C., Burtis, J. & Bereiter, C. (1997). Knowledge building as a mediator of conflict in conceptual change. Cognition and Instruction, 15, Clements, D. H. (1999). The future of educational computing research: The case of computer programming. Information Technology in Childhood Education Annual. Norfolk, VA: Association for the Advancement of Computing in Education, de Jong, T. & Njoo, M. (1992). Learning and Instruction with Computer Simulations: Learning Processes Involved. In E. de Corte, M. Linn, H. Mandl & L. Verschaffel (Eds.), Computer- based learning environments and problem solving (pp ). Berlin: Springer- Verlag. Doerr, H. M. (1997). Experiment, simulation and analysis: Studies in Science Education integrated instructional approach to the concept of force. International Journal of Science Education, 19, Dreyfus, A., Jungwirth, E. & Eliovitch, R. (1990). Applying the cognitive conflict strategy for conceptual change some implications, difficulties and problems. Science Education, 74, Driver, R., Guesne, E. & Tiberghien, A. (1985). Children's ideas in science. Milton Keynes: Open University Press. Engel, Ε., Clough, E. & Driver, R. (1985). Secondary student s conceptions of the conduction of heat: bringing together scientific and personal views. Physics Education, 20, Eylon, B. S., Ronen, M. & Ganiel, U. (1996). Computer simulations as tools for teaching and learning: Using a simulation environment in optics. Journal of Science Education and Technology, 5, Finkelstein, N. D., Adams, W. K., Keller, C. J., Kohl, P. B., Perkins, K. K., Podolefsky, N. S., Reid, S. & LeMaster, R. (2005). When learning about the real world is better done virtually: A study of substituting computer simulations for laboratory equipment. Physical Review Special Topics - Physics Education Research, 1, 1-8. Goldberg, F. & Bendall, S. (1995). Making the invisible visible: A teaching/learning environment that builds on a new view of the physics learner. American Journal of Physics, 63, Goodyear, P. (1992). The provision of tutorial support for learning with computerbased simulation. In E. de Corte, M. C. Linn, H. Mandl & L. Verschaffel (Eds.), Computer-Based Learning Environments and Problem Solving (pp ). Berlin: Springer-Verlag. Dykstra, D. I., Boyle, C.F. & Monarch, I. A. (1992). Studying conceptual change in learning physics. Science Education, 76, Finkelstein, N. D., Adams, W. K., Keller, C. J., Kohl, P. B., Perkins, K. K., Podolefsky, N. S., Reid, S. & LeMaster, R. (2005). When learning about the real world is better done virtually: A study of substituting computer simulations for laboratory equipment. Physical Review Special Topics - Physics Education Research, 1,

17 Goldberg, F. (1997). Constructing physics understanding in a computer - supported learning environment. AIP Conference Proceedings, 399, Gorsky, P. & Finegold, M. (1992). Using computer simulations to restructure students conception of force. Journal of Computers in Mathematics and Science Teaching, 11, Grayson, D. J. (1996). Using education research to develop waves courseware. Comput. Phys., 10 (1), Grayson, D. & McDermott, L. (1996). Use of the computer for research on student thinking in physics. American Journal of Physics, 64, Harisson, A., Grayson, D. & Treagust, D. (1999). Investigating a grade 11 students` evolving conceptions of heat and temperature. Journal of Research in Science Teaching, 36, (1), Hatzikraniotis, E., Lefkos, I., Bisdikian, G., Psillos, D., Refanidis, I. & Vlahanas, J. (2001). An open learning environment for thermal phenomena, Proceedings of the 5 th International Conference on Computer Based Learning in Science (CBLIS), Brno, Chech Republic. Hewson, P. W. (1985). Diagnosis and remediation of an alternate conception of velocity using a microcomputer program. American Journal of Physics, 53, Hofstein, A. & Lunetta, V. N. (2004). The laboratory in science education: Foundations for the Twenty-First Century, Science Education, 88 (1), Hsu, Y. S. & Thomas, R. A. (2002). The impacts of web- aided instructional simulation on science learning. International Journal of Science Education, 24, Huppert, J. & Lazarowitz, R. (2002). Computer simulations in the high school: students cognitive stages, science process skills and academic achievement in microbiology. International Journal of Science Education, 24, Jensen, M. S. & Finley, F. N. (1995). Teaching evolution using historical arguments in a conceptual change strategy. Science Education, 79, 2, Kaput, J. J. (1995). Creating Cyberetic and psychological ramps from the concrete to the abstract: examples from multiplicate structure. In D. N. Perkins, J. L. Schwartz, M. M. West & M. S. Wiske (Eds.), Software Goes to Schools: Teaching for Understanding with New Technologies (pp ). New York, NY: Oxford University Press. Kirschner, P. & Huisman, W. (1998). Dry laboratories in science education, computer based practical work. International Journal of Science Education 20, Lea, M., Thacker, B. A., Kim, E. & Miller, K. M. (1996). Computer assisted assessment of student understanding in physics. Comput. Phys. 10 (1), Limon, M. (1995). Reasoning and problem solving in history. Unpublished doctoral dissertation. Madrid: UAM. Limon, M. (2001). On the cognitive conflict as an instructional strategy for conceptual change. Learning and Instruction, 11, Limon, M. & Carretero, M. (1997). Conceptual change and anomalous data: A case study in the domain of natural sciences. European Journal of Psychology of Education, 12 (2), Mandinach, E. & Cline, H. (1994). Classroom Dynamics: Implementing a Technology-Based Learning Environment. Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associates. McDermott and the Physics Education Group at the University of Washington, (1996). Physics by Inquiry, Volume II. Wiley: New York. 346

18 McDermott L. C., Shaffer P. S. & Constantinou, P. C. (2000). Preparing teachers to teach physics and physical science by inquiry. Physics Education, 35, Novak, J. D. (1990). Concept mapping: A useful tool for science education. Journal of Research in Science Teaching, 27(10), Novak, J. D. & Gowin, D.B. (1984). Learning how to learn. New York: Cambridge University Press. Osborne, R. & Freyberg, P. (1985). Learning in science: the implications of children's science. Auckland: Heinemann. Pearsall, N. R., Skipper, J. E. & Mintzes, J. J. (1997). Knowledge restructuring in the life sciences: a longitudinal study of conceptual change in biology. Science Education, 81, Posner, G. J., Strike, K. A., Hewson, P. W. & Gertzog, W. A. (1982). Accommodation of scientific conception: Toward a theory of conceptual change. Science Education, 66, Ravenscroft, A. (2000). Designing argumentation for conceptual development. Computers & Education, 34, Rosenquist, M., Popp, B. & McDermott, L. (1982). Helping students overcome conceptual difficulties with heat and temperature. Paper presented at the meeting of the American Association of Physics Teachers, Ashland. Shin, N., Jonassen, D. H. & McGee, S. (2003). Predictors of well-structured and illstructured problem solving in an astronomy simulation. Journal of Research in Science Teaching, 40, Steinberg, R. N. (2000). Computers in teaching science: To simulate or not to simulate; Physics Education Research, American Journal of Physics Supplement, 68, Tao, P. & Gunstone, R. (1999). The process of conceptual change in force and motion during computer- supported physics instruction. Journal of Research in Science Teaching, 36, Thagard, P. (1992). The structure of conceptual revolutions. Cambridge, MA: MIT Press. Vosniadou S. (1994). Capturing and modeling the process of conceptual change. Learning and Instruction, 4, Triona, L. M. & Klahr, D. (2003). Point and Click or Grab and Heft: Comparing the Influence of Physical and Virtual Instructional Materials on Elementary School Students Ability to Design Experiments. Cognition and Instruction, 21 (2), Van Heuvelen, A. (1997). Using interactive simulations to enhance conceptual development and problem solving skills. AIP Conference Proceedings, 399, Vosniadou, S. (1994). Capturing and modeling the process of conceptual change Learning and Instruction, 4, Vosniadou, S., Ioannides, C., Dimitrakopoulou, A. & Papademetriou, E. (2001). Designing learning environments to promote conceptual change in science. Learning and Instruction, 11, Vreman-de Olde, C. & de Jong, T. (2004). Student-generated assignments about electrical circuits in a computer simulation. International Journal of Science Education, 26, Wandersee, J. H., Mintzes, J. J. & Novak, J.D. (1994). Research on alternative conceptions in science. In D.L. Gabel (ed.) Handbook of research on science teaching and learning (pp ). New York: Macmillan. 347

19 Zacharia, Z. & Anderson, O. R. (2003). The effects of an interactive computer-based simulation prior to performing a laboratory inquiry-based experiment on students conceptual understanding of physics. American Journal of Physics, 71 (6), Zacharia, Z. (2003). Beliefs, Attitudes, and Intentions of Science Teachers Regarding the Educational Use of Computer Simulations and Inquiry-Based Experiments in Physics. Journal of Research in Science Teaching, 40(8), Zacharia, Z. (2005). The Impact of Interactive Computer Simulations on the Nature and Quality of Postgraduate Science Teachers Explanations in Physics. International Journal of Science Education, 27, Zacharia, Ζ. C. (2007). Comparing and Combining Real and Virtual Experimentation: An Effort to Enhance Students Conceptual Understanding of Electric Circuits. Journal of Computer Assisted Learning, 23 (2), Zacharia, C. Z. & Constantinou, P. C. (2008). Comparing the influence of physical and virtual manipulatives in the context of the Physics by Inquiry curriculum: The case of undergraduate students' conceptual understanding of heat and temperature. American Journal of Physics, 76, Zacharia, C. Z., Olympiou, G. & Papaevripidou, M. (in press). Effects of Experimenting with Physical and Virtual Manipulatives on Students` Conceptual Understanding in Heat and Temperature. Journal of Research in Science Teaching. Ελληνική Psilos, D., Argirakis, P., Vlahavas, I., Hatzikraniotis, E., Bisdikian, G., Refanidis, I., Lefkos, I., Korobilis, K., Vrakas, D., Galos, L., Petridou, E. & Nicolaides, I. (2000). Complex Simulated Environment for Teaching Heat-Thermodynamics. Proceedings of the 2 nd National Conference with International Participation, The Technology of Information and Communication in Education, Patra, University of Patra (in Greek). 348