Εισαγωγή... Προσδοκώμενα αποτελέσματα...

Transcript

1 Μάθημα Παιδαγωγικές Εφαρμογές ΗΥ-Θεωρία Καθηγητής: Σαράντος Ψυχάρης Βασικό Εγχειρίδιο Ψυχάρης, Σ.(2010):Εισαγωγή των Τεχνολογιών Πληροφορίας και Επικοινωνίας(ΤΠΕ) στην Εκπαίδευση-Παιδαγωγικές Εφαρμογές των ΤΠΕ. Εκδοτικός Οίκος Παπαζήση. ΤΟΜΟΣ ΔΕΥΤΕΡΟΣ. ISBN: Σημειώσεις Θεωρίας παράλληλα με το Βιβλίο Ακαδημαϊκό Έτος Πίνακας περιεχομένων Εισαγωγή... Προσδοκώμενα αποτελέσματα... ΜΕΡΟΣ Α: Θεωρητικό Μέρος Κεφάλαιο 1... Η Μοντελοποίηση στην Εκπαίδευση των Επιστημών-Το μοντέλο προσομοίωσης Εισαγωγή Η Μοντελοποίηση και η Εκπαίδευση στις Επιστήμες Ο Νοητικός κόσμος-ο Εννοιολογικός κόσμος και η Μοντελοποίηση Η Διδακτική χρήση του Μοντέλου στην Εκπαίδευση των Επιστημών Οι μεταγνωστικές εμπειρίες 1.6 Το πλαίσιο στηρίγματος-η γνωστική σκαλοπατιά 1.7 Μεταγνωστισμός και Πλαίσιο Στηρίγματος 1.8 Πλαίσιο στηρίγματος και Υπολογιστικά Περιβάλλοντα 1.9 Μεταγνωστισμός και Υπολογιστικά Περιβάλλοντα 1.10 Πλαίσιο Στηρίγματος- Μεταγνωστισμός και Υπολογιστικά Περιβάλλοντα. Μια κριτική θεώρηση Δραστηριότητες... 1

2 Κεφάλαιο Από την Επιστήμη των Υπολογιστών στην Υπολογιστική Επιστήμη-το Υπολογιστικό Πείραμα-Η Υπολογιστική Σκέψη(Computational Thinking) Η γνωστική περιοχή της Υπολογιστικής Επιστήμης Το παράδειγμα επίλυσης προβλήματος με χρήση της Υπολογιστικής Επιστήμης και των ΤΠΕ στην Εκπαίδευση- Το μοντέλο προσομοίωσης (simulation model) Η Υπολογιστική Σκέψη... Δραστηριότητες... Κεφάλαιο 3... Η Ανακαλυπτική-Διερευνητική Μάθηση και τα Υπολογιστικά Μοντέλα Προσομοίωσης 3.1 Η Ανακαλυπτική-Διερευνητική Inquiry Based Μάθηση Τα Επτά Στάδια της Ανακαλυπτικής-Διερευνητικής-Inquiry Μάθησης... Δραστηριότητες... Κεφάλαιο 4... Η δόμηση σεναρίου με την ολοκλήρωση της Ανακαλυπτικής-Διερευνητικής Μάθησης, την Υπολογιστική Επιστήμη και τις ΤΠΕ Μια πρόταση για την εισαγωγή του Υπολογιστικού Πειράματος και των ΤΠΕ στην Εκπαίδευση Το TPACK Το STEM στην Εκπαίδευση 4.4.Το Διδακτικό σενάριο. Δραστηριότητες... Κεφάλαιο 5... Παραδείγματα κατά τη διάρκεια των διαλέξεων-παρουσιάσεις-δραστηριότητες Παράδειγμα 1 Κατασκευή πύργου από spaghetti STEM εφαρμογή Οι φοιτητές στα πλαίσια της εκπαίδευσής τους ως μελλοντικοί εκπαιδευτικοί μπορούν να κατασκευάσουν αυτήν τη δομή. Στην κατασκευή θα πρέπει να αναφερθούν στην έννοια του μοντέλου και την αιτιολόγηση με βάση το μοντέλο Παράδειγμα 2 Παιχνίδια και apps από το μουσείο επιστημών UK 2

3 Παράδειγμα 3. Η πρωτοβουλία onehour code Παράδειγμα 4. Εφαρμογές από το αποθετήριο και εξέταση των μοντέλων ως προς τα χαρακτηριστικά που αναφέρονται στην θεωρία Παράδειγμα 5. Εφαρμογές του Easy Java Simulations που έχει δημιουργήσει ο Καθηγητής Σαράντος Ψυχάρης Βιβλιογραφία... Εισαγωγή Η αξιοποίηση των Τεχνολογιών Πληροφορίας και Επικοινωνίας προϋποθέτει την αξιοποίηση γνωστικών περιοχών όπως οι Φυσικές Επιστήμες, η επιστήμη των Μηχανικών, τα Μαθηματικά, η Ψυχολογία, τα Οικονομικά,η Παιδαγωγική, η Επιστήμη των Υπολογιστών κλπ. Παράλληλα η νέα τάση διεθνώς είναι η ολοκλήρωση της γνωστικής περιοχής «Υπολογιστική Επιστήμη» με τις παραπάνω επιστήμες και αναφέρεται στην χρήση του υπολογιστικού πειράματος ως μια τρίτη συνιστώσα της επιστήμης, μαζί με την θεωρία και το φυσικό πείραμα. Επιπλέον η τάση για την ολοκλήρωση του STEM (Science, Technology, Engineering and Mathematics) με την διδακτική, προτρέπει να αναπτυχθεί ο λεγόμενος «υπολογιστικός» τρόπος σκέψης (computational thinking). Έτσι σήμερα υπάρχει η τάση αντικατάστασης» των ΤΠΕ στην Εκπαίδευση με τη χρήση της Υπολογιστικής Επιστήμης στη Διδακτική. Στις ενότητες που ακολουθούν επιχειρείται η ολοκλήρωση της Υπολογιστικής Επιστήμης με τα μοντέλα προσομοίωσης για την εκπαίδευση/διδακτική και την ανάπτυξη σεναρίων που βασίζονται στην ανακαλυπτική-διερευνητική μάθηση. Ο σκοπός του περιεχομένου των σημειώσεων(παράλληλα με τη χρήση του προτεινόμενου συγγράμματος) είναι να αναδειχθούν τα στάδια δημιουργίας διδακτικών σεναρίων με την χρήση του μοντέλου ως θεμελιώδους διδακτικής μονάδας., ενταγμένων στην διδακτική αξιοποίηση της Υπολογιστικής Επιστήμης. Ένας επιπλέον στόχος των σημειώσεων αυτών και του συγγράμματος είναι να αντιληφθούν οι φοιτητές ότι η χρήση των ΗΥ στην εκπαίδευση δεν ταυτίζεται με την αξιοποίησή τους. Οι φοιτητές θα πρέπει κατά τη διάρκεια των εργαστηριακών ασκήσεων να εμπλακούν στην διαδικασία της αναγνώρισης των μοντέλων που χρησιμοποιούν ή θα κατασκευάσουν και πως αυτά τα μοντέλα θα δημιουργήσουν την δομή ενός διδακτικού σεναρίου. Το περιεχόμενο είναι κατάλληλο για πολλά γνωστικά πεδία, όπως οι Φυσικές Επιστήμες, τα Μαθηματικά, η Επιστήμη των Μηχανικών (προφανώς αναφερόμαστε στην εκπαίδευσηδιδακτική) στην Εκπαίδευση αλλά μπορεί να επεκταθεί- στην τέχνη, την ιστορία, τα οικονομικά κλπ Προσδοκώμενα αποτελέσματα 3

4 Οι ενότητες καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα γνωστικών αντικειμένων δεδομένου ότι περιλαμβάνονται σύγχρονες απόψεις για την ολοκλήρωση της Υπολογιστικής Επιστήμης και των Τεχνολογιών Πληροφορίας και Επικοινωνίας με σύγχρονες θεωρίες μάθησης, ώστε να οδηγηθούμε στην Παιδαγωγική χρήση των ΗΥ σε ένα νέο σύγχρονο πλάισιο.. Πιο συγκεκριμένα οι στόχοι είναι οι εκπαιδευόμενοι να: χρησιμοποιούν το μοντέλο ως βασική διδακτική μονάδα και να αναγνωρίζουν την λειτουργικότητά του και τα χαρακτηριστικά του σε εκπαιδευτικά σενάρια να εμπλακούν στην διαδικασία αυτού που διεθνώς καλείται υπολογιστική επιστήμη στην εκπαίδευση, «υπολογιστική σκέψη» και έχει εφαρμογές στο STEM αλλά και σε άλλες επιστήμες (κοινωνιολογία, ψυχολογία κλπ) να γνωρίσουν τα βασικά στοιχεία των ψηφιακών τεχνολογιών προκειμένου να εντοπίζουν και να διαμοιράζονται ψηφιακούς εκπαιδευτικούς πόρους και ψηφιακές μαθησιακές δραστηριότητες στο Διαδίκτυο να δομούν σενάρια με βάση τα χαρακτηριστικά της ανακαλυπτικής-διερευνητικής μάθησης και να χρησιμοποιούν περιβάλλοντα συγγραφής ή ανάπτυξης εκπαιδευτικών εφαρμογών προκειμένου να αναπτύσσουν ψηφιακά μαθησιακά αντικείμενα Απαιτήσεις του μαθήματος Οι φοιτητές πρέπει να παρακολουθούν τις διαλέξεις γιατί πέραν των σημειώσεων και του συγγράμματος θα γίνεται αναφορά σε άρθρα και παραδείγματα Η ενασχόληση με τις δραστηριότητες μπορεί να βοηθήσει τους φοιτητές στην πληρέστερη κατανόηση Τρόπος εξέτασης Οι φοιτητές θα εξετασθούν γραπτώς Ενδιάμεσα θα υπάρξουν προαιρετικές εργασίες που θα δοθούν και θα βαθμολογηθούν Θα υπάρξει διδακτικό συμβόλαιο στην έναρξη του μαθήματος Στόχος του μαθήματος Οι σημειώσεις αυτές αντιστοιχούν στην θεωρία του μαθήματος. Στο εργαστήριο οι φοιτητές θα εμπλακούν με μοντέλα προσομοίωσης. Στο θεωρητικό μέρος ο σκοπός είναι η ανάδειξη του μοντέλου ως βασικής μονάδας ανάπτυξης προσομοιώσεων, η επιστημολογία του μοντέλου, η αιτιολόγηση με βάση το μοντέλο για να καταλήξουμε σε αυτό που είναι το ζητούμενο: η «κατασκευή» ενός μοντέλου διδασκαλίας που θα στηρίζεται στην ανακαλυπτική-διερευνητική μάθηση-inquiry based teaching and learning approach.επίσης θα αναπτυχθούν παραδείγματα υλοποίησης του λεγόμενου υπολογιστικού τρόπου σκέψης(computational thinking) 4

5 Σημείωση: Οι διαλέξεις δεν θέλουν να αναπαραγάγουν μόνο πράγματα λίγο-πολύ γνωστά, αλλά και να θέσουν σύγχρονους προβληματισμούς σχετικά με το STEM, την δια-επιστημονικότητα, την διαφοροποιημένη μάθηση, την ανάδειξη της επιστημολογίας του μοντέλου κλπ. Κεφάλαιο 1 Η Μοντελοποίηση στην Εκπαίδευση των Επιστημών Leonardo Da Vinci ( ) was perhaps the most impressive figure among those who started the campaign against the Baconian inductive approach. Da Vinci argued that this approach does not allow us to disclose primary details and relationships in the real world. Instead, he argued, and showed through practice, that to this end, we need to begin exploratory research not with data collection but with the construction of idealized models, including mathematical models, and then follow with mapping those models onto physical realities. Galileo ( ) picked up later on Da Vinci s approach and developed it in a way that laid the early foundations of a modelling theory of science. (Halloun, Modeling Theory In Science Education, 2006, Kluwer Academic Publishers) 1.1. Εισαγωγή Σύμφωνα με απόψεις ερευνητών, η νοηματοδοτούμενη μάθηση (meaningful learning)συμβαίνει όταν οι εκπαιδευόμενοι εμπλέκονται σε σύνθετες καταστάσεις, ειδάλλως αναπτύσσουν απλουστευτικές απόψεις για τα αντικείμενα του κόσμου και τα φαινόμενα. Οι σύνθετες καταστάσεις που εμπλέκονται οι εκπαιδευόμενοι θα πρέπει να αντιστοιχούν σε πραγματικές καταστάσεις, οι οποίες μπορούν να προέρχονται από πραγματικά πειράματα ή από μοντέλα προσομοιώσεων((jonassen, 1997; Jonassen, 2003; Jonassen et. al., 2003). Τα μοντέλα μπορούν να βοηθήσουν ουσιαστικά προς την εμπλοκή σε σύνθετεςπραγματικές-αυθεντικές καταστάσεις καθώς ασχολούνται με τα αντικείμενα και τα φαινόμενα του πραγματικού κόσμου και σε αυτά θα πρέπει να βασίζεται οποιαδήποτε προσομοίωση, ενώ θα πρέπει να οριοθετηθεί η χρήση τους σε νέα πλαίσια που θα αναδεικνύουν μια νέα ολοκλήρωση των ΤΠΕ με την εκπαίδευση που θα προάγει αυτό που καλείται υπολογιστικός τρόπος σκέψης (computational thinking). 1.2 Η Μοντελοποίηση και η Εκπαίδευση στις Επιστήμες 5

6 Η θεωρία της μοντελοποίησης είναι πρωταρχικά μια θεωρία της επιστήμης αλλά και μια θεωρία «περί» της επιστημονικής θεωρίας και συνδέεται και με την φιλοσοφία της επιστήμης. Ένα επιστημονικό μοντέλο είναι ένα εννοιολογικό σύστημα το οποίο απεικονίζεται (προβάλλεται)-στο πλαίσιο μιας θεωρίας-σε ένα ειδικό μοτίβο (pattern)-πρότυπο του πραγματικού κόσμου με σκοπό να αναπαραστήσει αυτό το μοτίβο αξιόπιστα και ως προς το περιεχόμενο και ως προς τις λειτουργίες του. Σύμφωνα με τους (Tseitlin & Gallili, 2005) το μοντέλο είναι ο ενδιάμεσος «πράκτορας» ανάμεσα στα αντικείμενα του πραγματικού κόσμου και ενός συστήματος από βασικές αρχές(θεωρία). Σύμφωνα με τους (Tseitlin & Gallili, 2005), αυτή η λειτουργία του μοντέλου προέρχεται από την δυσκολία οποιασδήποτε θεωρίας να περιγράψει τα πραγματικά αντικείμενα του κόσμου, ενώ θεωρούν ότι η σχέση μεταξύ των αντικειμένων του κόσμου, της θεωρίας και του μοντέλου δεν είναι γραμμική αλλά αναπαρίσταται από το παρακάτω σημασιολογικό τρίγωνο σε μια ανατροφοδοτούμενη σχέση. Μοντέλο Αντικείμενο Θεωρία Εικόνα : Το μοντέλο είναι ο ενδιάμεσος «πράκτορας» ανάμεσα στα αντικείμενα του πραγματικού κόσμου και ενός συστήματος από βασικές αρχές (θεωρία) Το παραπάνω σημασιολογικό τρίγωνο μας οδηγεί σε μια ακόμη λειτουργία του μοντέλου, αυτήν της δημιουργίας νέας θεωρίας. Στη περίπτωση αυτή το μοντέλο λειτουργεί «ευρετικά» και περιέχει υβριδικά στοιχεία από την παλαιά και τη νέα θεωρία. Σύμφωνα με τον (Hestenes, 1999), η κατανόηση αυτών των δυο λειτουργιών του μοντέλου έχει σοβαρές συνέπειες για την διδασκαλία των επιστημών και διευρύνει τις «συνήθεις» αντιλήψεις περί της χρήσης των μοντέλων στην εκπαίδευση. 6

7 Δυο βασικές λειτουργίες του μοντέλου Ενδιάμεσος παράγοντας μεταξύ της θεωρίας και του πραγματικού κόσμου Ευρετικό μοντέλο-χρήση για δημιουργία θεωρίας Το μοντέλο ως ενδιάμεσος παράγοντας ανάμεσα στη παλιά και στη νέα θεωρία Εικόνα: Δυο από τις βασικές λειτουργίες του μοντέλου Το μοντέλο μπορεί να έχει διερευνητικές λειτουργίες (περιγραφή μοτίβων/προτύπων, εξηγήσεις, προβλέψεις) και «ευρετικές» λειτουργίες όπως έλεγχο ή αλλαγή των υπαρχόντων συστημάτων του κόσμου-τα οποία μελετάμε-ώστε να παραγάγουν μοτίβα patterns που να αντιστοιχούν στο μοντέλο ή ακόμα και παραγωγή δεδομένων από ένα μοτίβο ώστε να αντιστοιχούν σε ένα φυσικό σύστημα. Επιπλέον λειτουργίες του μοντέλου Διερευνητικές λειτουργίες (περιγραφή μοτίβων, εξηγήσεις, προβλέψεις) «Επινοητικές» λειτουργίες όπως έλεγχο ή αλλαγή των υπαρχόντων συστημάτων ώστε να παραγάγουν μοτίβα patterns που να αντιστοιχούν σε ένα μοντέλο ή ακόμα και παραγωγή δεδομένων από ένα μοτίβο ώστε να αντιστοιχούν σε ένα φυσικό σύστημα. Εικόνα : Πρόσθετες βασικές λειτουργίες του μοντέλου 7

8 Η θεωρία της μοντελοποίησης στην επιστήμη και την εκπαίδευση των επιστημών στηρίζεται σε έναν αριθμό αξιωμάτων τα οποία πρέπει να λαμβάνουν υπόψη τους οι ερευνητές της επιστήμης και της εκπαίδευσης αλλά και οι εκπαιδευόμενοι ώστε οι μεν επιστήμονες αν αναπτύξουν ένα σωστό πλαίσιο για την έρευνα και την εκπαίδευση, οι δε εκπαιδευόμενοι να Επομένως τα μοντέλα μπορούν να βοηθήσουν ουσιαστικά προς την εμπλοκή σε σύνθετεςπραγματικές-αυθεντικές καταστάσεις καθώς ασχολούνται με τα αντικείμενα και τα φαινόμενα του πραγματικού κόσμου και σε αυτά θα βασισθεί η οποιαδήποτε προσομοίωση, όταν αυτή πραγματοποιείται με όρους του υπολογιστικού πειράματος (Ψυχάρης, 2009). Η θεωρία των μοντέλων ως παιδαγωγική θεωρία για την εκπαίδευση στις επιστήμες σχετίζεται με γνωστικές διαδικασίες που αναπτύσσονται με τη χρήση των μοντέλων και το αναλυτικό πρόγραμμα σε όλα τα επίπεδα της εκπαίδευσης- ώστε να δημιουργηθεί ειδικό «σώμα γνώσης» αλλά και δεξιότητες που συνδέονται με την επιστημονική θεωρία και πρακτική. Μια ολοκληρωμένη θεωρία της μοντελοποίησης στην εκπαίδευση θα μπορούσε να βοηθήσει στην ανάπτυξη τρόπων γνώσης και μάθησης που θα είναι κοντά με την επιστημονική αιτιολόγηση και έρευνα αν επίσης βοηθούν τους εκπαιδευόμενους να αναπτύξουν αιτιολογήσεις με βάσει το μοντέλο (model-based reasoning) (Nersessian & Patton, 2009; Nersessian, 2002) Ολοκληρωμένη θεωρία της μοντελοποίησης στην Εκπαίδευση θα βοηθούν τους εκπαιδευόμενους να αναπτύξουν αιτιολογήσεις με βάσει το μοντέλο( modelbased reasoning) Εικόνα: Ολοκληρωμένη θεωρία της μοντελοποίησης στην Εκπαίδευση Σύμφωνα με τον (Hartmann, 2001), υπάρχουν ερευνητικά μοντέλα;, φαινομενολογικά μοντέλα, μοντέλα ελέγχου, θεωρητικά μοντέλα, μοντέλα κλίμακας, ευρετικά μοντέλα, διδακτικά μοντέλα, μοντέλα παιχνιδιών, μαθηματικά μοντέλα, αναλογικά μοντέλα κλπ. 8

9 Το κλειδί σε όλα αυτά είναι να αντιληφθούμε ότι η διακριτικοποίηση αυτή δεν είναι πάντα εμφανής αφού όλα αυτά εμπλέκονται (και θα πρέπει να συμβαίνει έτσι), αλλά σε όλες τις περιπτώσεις θα πρέπει να εγείρονται ερωτήματα όπως: αν τα μοντέλα ερμηνεύουν, αποδεικνύουν, αν στηρίζονται σε νόμους ή όχι, αν περιέχουν τις αρχές της επιστήμης κλπ., που με τη σειρά τους συνδέονται με τα παρακάτω τέσσερα ερωτήματα: Α. Ποιά η σημασιολογία του μοντέλου, δηλαδή ποιές αναπαραστατικές λειτουργίες πραγματοποιούνται με τα μοντέλα (Semantics what is the representational function that models perform); Πιο συγκεκριμένα τα μοντέλα μπορούν να αναπαριστούν μοντέλα φαινομένων, δεδομένων, θεωριών. Αναπαραστικές Λειτουργίες του Μοντέλου Μοντέλα φαινομένων Φαινόμενο=μια ομπρέλα που περιλαμβάνει σταθερά και γενικά χαρακτηριστικά του κόσμου και τα οποία έιναι ενδιαφέροντα από επιστημονικής πλευράς π.χ. το μοντέλο της έλικας του DNA, το μοντέλο της γέφυρας, to Lorenz για την ατμόσφαιρα, το μοντέλο των Mundell- Fleming για την ανοικτή οικονομία Μοντέλα δεδομένων Ένα μοντέλο δεδομένων είναι μια εκδοχή των δεδομένων που λαμβάνουμε μετά από την άμεση παρατήρηση. Έτσι πρώτα «απομακρύνουμε» τα σημεία που οφείλονται σε λάθος παρατήρηση, και στη συνέχεια παρουσιάζουμε τα δεδομένα με ένα εύχρηστο τρόπο, για παράδειγμα σχεδιάζοντας μια καμπύλη που περνά από τα σημεία. Μοντέλα Θεωρίας Στην μοντέρνα λογική, ένα μοντέλο έιναι μια δομή που καθιστά όλες τις προτάσεις της θεωρίας σωστές, όπου με τον όρο θεωρία εννοούμε ένα σύνολο προτάσεων σε επίσημη γλώσσα. Η δομή στη περίπτωση αυτή είναι το μοντέλο καθώς είναι αυτό που αναπαριστά τη θεωρία. Ένα απλό παράδειγμα είναι η Ευκλείδεια Γεωμετρία η οποία συνίσταται από αξιώματα και τα θεωρήματα που προκύπτουν από αυτήν. Κάθε δομή που περιέχει αυτά είναι ένα μοντέλο της Ευκλείδειας Γεωμετρίας. 9

10 Β. Ποια η οντολογία των μοντέλων, δηλαδή τι είδους αντικείμενα είναι τα μοντέλα(ontology what kind of things are models); Υπάρχει μια ποικιλία πραγμάτων που αναφέρονται ως μοντέλα. Αυτά μπορεί να είναι φυσικά αντικείμενα, «φανταστικά αντικείμενα», συνολο-θεωρητικές κατασκευές, περιγραφές, εξισώσεις ή συνδυασμός των παραπάνω. Τα φυσικά αντικείμενα συχνά αναφέρονται και ως «μοντέλα ύλης». Αυτή η κλάση των μοντέλων περιλαμβάνει οτιδήποτε που έιναι φυσική οντότητα και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως επιστημονική αναπαρ σταση κάποιου άλλης οντότητας. Τέτοια περίπτωση συναντάμε για παράδειγμα στο μοντέλο μιας γέφυρας ή στο μοντέλο για το DNA των Watson και Crick's metal model of DNA ( Πολλά μοντέλα δεν είναι μοντέλα ύλης(φανταστικά μοντέλα).για παράδειγμα το μοντέλο του ατόμου του Bohr για το άτομο, ένα εκκρεμές που κινείται χωρίς τριβές, οι απομονωμένοι πληθυσμοί κλπ είναι στο μυαλό» των επιστημόνων παρά στο εργαστήριο. Γ. Ποια η επιστημολογία των μοντέλων, δηλαδή με ποιο τρόπο μαθαίνουμε από τα μοντέλα (Epistemology how do we learn with models); Σύμφωνα με τους Hofer and Pintrich (1997):Η επιστημολογία είναι ένας κλάδος της Φιλοσοφίας που ασχολείται με τη φύση και την αιτιολόγηση της γνώσης. Δ. Με ποιο τρόπο σχετίζονται τα μοντέλα με τη θεωρία και με ποιο τρόπο η προσέγγιση των μοντέλων επηρεάζει τις συζητήσεις για τον επιστημονικό ρεαλισμό, την εξήγηση για τα φυσικά φαινόμενα, αλλά και την εκπαίδευση στις επιστήμες (Models and theory how do models relate to theory). 10

11 Τέλος οι μεταρρυθμίσεις στην εκπαίδευση των επιστημών και των μαθηματικών έχουν τονίσει την σημασία των μοντέλων για να πραγματωθεί η ην οργάνωση της γνώσης με συνεκτικό τρόπο καθώς και της μοντελοποίησης ως επιστημονικής μεθοδολογίας (AAAS, 1990, 1993) Τα μοντέλα θεωρούνται επίσης ως θεμελιώδεις ενοποιητικές δομές που τέμνουν διαθεματικά σύνορα και αποδεικνύονται χρήσιμα σε όλες τις επιστημονικές και τεχνολογικές έρευνες και διδακτικές προσεγγίσεις (AAAS, 1990) Τα μοντέλα έχει αποδειχθεί επίσης ότι διευκολύνουν την αποτελεσματική είσοδο στο χώρο της επιστήμης και των μαθηματικών και επομένως και την μάθηση σε αυτές τις γνωστικές περιοχές, και επομένως μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως παιδαγωγικά εργαλεία που θα παρέχουν κατάλληλα πλαίσια για έκφραση, διερεύνηση και αναδόμηση της γνώσης (Passmore and Stewart, 2002; Halloun & Hestenes 1998, 2001; Hestenes, 1992; Redish, 1994) ειδικά στην εισαγωγή του STEM στην Εκπαίδευση. Τέλος, η μοντελοποίηση συνεισφέρει στην επίλυση προβλήματος και σε άλλες εκπαιδευτικές-διδακτικές στρατηγικές, π.χ. την μέθοδο project, ενώ μπορεί να προκαλέσει εξέλιξη αυτού που καλούμε παράδειγμα- paradigmatic profile evolution (Clement, 1989; Halloun, 1996; Halloun & Hestenes, 1987; Hestenes, 1992; Nersessian, 1995). 1.3 Ο Νοητικός κόσμος-ο Εννοιολογικός κόσμος και η Μοντελοποίηση Ο νοητικός κόσμος των εκπαιδευόμενων αλλά και των ερευνητών περιλαμβάνει δομές και διαδικασίες σε δυο γνωστικά επίπεδα. Στο πρώτο επίπεδο περιλαμβάνονται οι έμμεσες-κρυφές- δομές και διαδικασίες οι οποίες δημιουργούνται «αυθόρμητα» στο μυαλό των ατόμων και οι οποίες δεν μπορούν να ελεγχθούν με λογικούς συσχετισμούς από το ίδιο το άτομο ή από άλλα άτομα. Στο δεύτερο επίπεδο περιλαμβάνονται οι δομές και διαδικασίες που δημιουργούνται με λογικούς συσχετισμούς, επαγωγική ή παραγωγική λογική και μπορούν να κοινοποιηθούν σε άλλα άτομα. Αυτές καλούνται εννοιολογικές δομές και διαδικασίες. Επίπεδα του Νοητικού Κόσμου Δομές και Διαδικασίες ΕΝΝΟΙΟΛΟΓΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ= ΟΙ ΆΜΕΣΕΣ ΔΟΜΕΣ ΚΑΙ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΠΕΡΙΛΑΜΒΑΝΕΙ ΕΝΝΟΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΔΟΜΕΣ ΚΑΙ ΕΝΝΟΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ Έμμεσες-κρυφές-implicit που δεν μπορούν να ελεγχθούν με λογικούς συσχετισμούς από το ίδιο το άτομο ή από άλλα άτομα Άμεσες που δημιουργούνται με λογικούς συσχετισμούς, επαγωγική ή παραγωγική λογική και μπορούν να κοινοποιηθούν σε άλλα άτομα. Αυτές είναι οι εννοιολογικές δομές και διαδικασίες 11

12 Εικόνα : ο ορισμός του εννοιολογικού μοντέλου Οι εννοιολογικές δομές περιλαμβάνουν έννοιες, θεωρητικές δηλώσεις, αξιώματα, νόμους, θεωρήματα, ορισμούς καθώς και εννοιολογικά εργαλεία για την ανάπτυξη και χρήση των εννοιών, π.χ. τη γλώσσα, τα μαθηματικά, τη σημασιολογία κλπ. Εννοιολογική γνώση είναι το είδος της γνώσης που αναπτύσσουμε καθώς δημιουργούμε νέες έννοιες με τις οποίες μπορούμε να συνδέσουμε άλλες έννοιες ώστε να οδηγηθούμε σε περιγραφές φαινομένων και διαδικασιών. Οι εννοιολογικές διαδικασίες περιλαμβάνουν επίσης όλες τις νοητικές διαδικασίες και τις συσχετιζόμενες νόρμες και κανόνες που ακολουθούνται για την κατασκευή και ανάπτυξη των εννοιολογικών δομών. Ο σκοπός της μοντελοποίησης είναι να ευνοήσει τη δημιουργία όχι έμμεσων αλλά άμεσων εννοιολογικών δομών και διαδικασιών ξεκινώντας από το νοητικό κόσμο, περιλαμβάνοντας στο μοντέλο τα χαρακτηριστικά της επιστημονικής μεθόδου. ΕΝΝΟΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΔΟΜΕΣ Έννοιες, θεωρητικές δηλώσεις, αξιώματα, νόμους, θεωρήματα, ορισμούς καθώς και εννοιολογικά εργαλεία για την ανάπτυξη και χρήση των εννοιών, π.χ. τη γλώσσα, τα μαθηματικά, τη σημασιολογία κ.λ.π ΕΝΝΟΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ Οι εννοιολογικές διαδικασίες περιλαμβάνουν όλες τις νοητικές διαδικασίες και τις συσχετιζόμενες νόρμες και κανόνες που ακολουθούνται για την κατασκευή και ανάπτυξη των εννοιολογικών δομών Το μοντέλο είναι η μετατροπή σε δεδομένα ενός αφηρημένου μοντέλου και το εννοιολογικό μοντέλο προηγείται του Οι επιστήμονες στηρίζονται στα φυσικά και εννοιολογικά μοντέλα Οι παιδαγωγοί στηρίζονται στα εννοιολογικά μοντέλα των εκπαιδευόμενων Ο σκοπός είναι να εστιάσουμε στα αποτελέσματα της μοντελοποίησης στη δημιουργία όχι έμμεσων αλλά άμεσων εννοιολογικών δομών και διαδικασιών 12

13 Εικόνα: οι εννοιολογικές δομές και διαδικασίες Ο σκοπός είναι να εστιάσουμε στη χρήση της μοντελοποίησης για τη δημιουργία όχι έμμεσων αλλά άμεσων εννοιολογικών δομών και διαδικασιών, δηλαδή εννοιολογικών δομών και διαδικασιών. Η χρήση των μοντέλων θα πρέπει να περιλαμβάνει τα εξής: α) τη σύγχρονη εποικοδομητική θεώρηση ότι οι εκπαιδευόμενοι έρχονται στη τάξη με τα δικά τους νοητικά μοντέλα και ορισμένες φορές τις δικές τους θεωρήσεις για τη μοντελοποίηση. Τα νοητικά μοντέλα των μαθητών θα πρέπει μέσω της μοντελοποίησης να μετασχηματισθούν σε εννοιολογικά και οι διαδικασίες σκέψης τους σε εννοιολογικές διαδικασίες. β) την ενσωμάτωση της φύσης της επιστημονικής γνώσης και της επιστημονικής μεθόδου στη δημιουργία των μοντέλων. γ) την αξιοποίηση των Η/Υ για την ανάπτυξη αριθμητικών μοντέλων με χρήση εφαρμοσμένων μαθηματικών και στην επιστήμη αλλά και στην εκπαίδευση στις επιστήμες. Ο σκοπός είναι να ενσωματώσουμε στις εφαρμογές της μοντελοποίησης τους παραπάνω τρεις λόγους αλλά και να δημιουργήσουμε με τη μοντελοποίηση όχι έμμεσες αλλά άμεσες εννοιολογικές δομές και διαδικασίες. Αρκετοί ερευνητές έχουν μελετήσει τη σχέση ανάμεσα στη μοντελοποίηση και τα νοητικά και εννοιολογικά μοντέλα (Frederiksen & White, 1998; Mellar et al., 1994). Ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για τη δημιουργία εννοιολογικών μοντέλων είναι να εμπλέξουμε τους εκπαιδευόμενους σε μια ποικιλία εργαλείων για να κατασκευάσουν φυσικά, οπτικά, λογικά και υπολογιστικά μοντέλα των φαινομένων. Σύμφωνα με τον (Jonassen 2000;2006), η κατασκευή μοντέλων είναι ένας πολύ αποτελεσματικός τρόπος χρήσης των ΤΠΕ όταν μάλιστα εστιάζεται στην κριτική σκέψη. Ένα μοντέλο σε αναπαραστατικό επίπεδο θα πρέπει να ευνοεί αρχικά την ανάπτυξη των νοητικών παραστάσεων οι οποίες στη συνέχεια μέσω των λειτουργιών των μοντέλων θα πρέπει να μετασχηματιστούν σε εννοιολογικές δομές και διαδικασίες. Για να συμβεί αυτό θα πρέπει στο μοντέλο να περιλαμβάνονται: α) η δομημένη γνώση, δηλαδή η σημασιολογική δομή των νοητικών μοντέλων που θα περιέχει τη γνώση για τις έννοιες ενός γνωστικού αντικειμένου. Η χρήση δομημένης γνώσης για τα μοντέλα προϋποθέτει ότι αυτά μπορούν να αναπαρασταθούν ως δίκτυο κόμβων και συνδέσεων β) η διαδικαστική γνώση, η οποία θα χρησιμοποιηθεί από τον εκπαιδευόμενο ή τον ερευνητή για να «δράσει» στο τμήμα του περιβάλλοντος που μοντελοποιείται. 13

14 Στη διαδικασία αυτή ο εκπαιδευόμενος αλλά και ο ερευνητής χρησιμοποιεί το δικό του εννοιολογικό μοντέλο για να προβλέψει αλλά και να εξηγήσει το φαινόμενο ενώ ξεκινά και η διάρθρωση του σχεδίου για την επίλυση του προβλήματος, η οποία συνδέεται με την κατασκευή των εννοιολογικών δομών αλλά και τις μεταγνωστικές ικανότητες. Μια μέθοδος για την φάση αυτή, η οποία χρησιμοποιείται από αρκετούς ερευνητές στην εκπαίδευση των επιστημών, είναι να ζητείται από τους εκπαιδευόμενους να διδάσκουν άλλους εκπαιδευόμενους με ποιο τρόπο θα χρησιμοποιήσουν συγκεκριμένες ενέργειες μιας εφαρμογής μοντέλων. Στην διαδικασία αυτή οι εκπαιδευόμενοι παράγουν μια σειρά αναπαραστάσεων, λίστες από εντολές, λεκτικές περιγραφές, σημασιολογικές συνιστώσες κλπ (Van der Veer, 1989). Στη περίπτωση αυτή το μοντέλο θα πρέπει να έχει κάποια διασύνδεση με το στόχο και η σχέση αυτή να μπορεί να τροποποιείται πάντα μέσα στο πλαίσιο της θεωρίας. γ) οι εικόνες του συστήματος. Ο Wittgenstein (1922), περιέγραψε τις δηλώσεις ως εικονικά μοντέλα της πραγματικότητας. Η θεώρηση αυτή στηρίζεται στην άποψη ότι οι περισσότεροι άνθρωποι δημιουργούν εικονικές εικόνες των λεκτικών αναπαραστάσεων. Το μοντέλο επομένως θα πρέπει να διευκολύνει -μέσω των λειτουργιών του-την ανάπτυξη νοητικών εικόνων μέσω της χρήσης λεκτικών αναπαραστάσεων. δ) οι μεταφορές. Οι μεταφορές χρησιμοποιούνται από τους εκπαιδευόμενους και τους επιστήμονες για να συσχετίσουν τη μελέτη νέων φαινομένων με την υπάρχουσα γνώση τους μέσω της σύνδεσης -συνήθως-των νέων φαινομένων με φυσικά αντικείεμενα. Οι μεταφορές περιλαμβάνουν εικονικές, δομικές και αναλογικές πληροφορίες σχετικά με τη γνώση και τη μάθηση (Jonassen & Henning, 1999). ε) οι απόψεις. Οι απόψεις θεωρούνται ως οι αναστοχαστικές και μη αναστοχαστικές υποθέσεις που υπάρχουν σε ένα τμήμα του μοντέλου και συνδέουν τον χώρο των υποθέσεων του μοντέλου με τις νοητικές αναπαραστάσεις των εκπαιδευόμενων. ΤΙ ΠΡΕΠΕΙ ΝΑ ΠΕΡΙΕΧΕΤΑΙ ΣΤΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΔΟΜΗΜΕΝΗ ΓΝΩΣΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΤΙΚΗ ΓΝΩΣΗ ΠΕΠΟΙΘΗΣΕΙΣ 14

15 Εικόνα: τι θα πρέπει να περιέχεται στην μοντελοποίηση Η μοντελοποίηση είναι γνωστική διαδικασία που μπορεί να εφαρμόζεται στο πεδίο περιεχομένου, την επίλυση προβλήματος, την μοντελοποίηση συστημάτων, την μοντελοποίηση σημασιολογικών δομών,, διαδικασιών σκέψης κλπ. Από την ανάλυσή μας έως τώρα έχει διαφανεί η σχέση μοντελοποίησης και δημιουργίας εννοιολογικών μοντέλων, η οποία ενώ είναι σχετικά εύκολο να αναλυθεί, η επιχειρησιακή της υλοποίηση είναι μάλλον δύσκολη. Για το λόγο αυτό επιχειρούμε να φέρουμε τη σχέση μοντελοποίησης και εννοιολογικών μοντέλων στο επίπεδο του ερωτήματος «τι μπορεί» να μοντελοποιηθεί και αυτό να συνδεθεί με τα εννοιολογικά μοντέλα. Τι μπορεί να μοντελοποιηθεί Η μοντελοποίηση είναι γνωστική διαδικασία Η γνώση του περιεχομένου Η μοντελοποίηση προβλημάτων και η δημιουργία χώρων του προβλήματος Η μοντελοποίηση συστημάτων Η μοντελοποίηση σημασιολογικών δομών Η μοντελοποίηση διαδικασιών σκέψης. Οι γνωστικές προσομοιώσεις Εικόνα : Τι μπορεί να μοντελοποιηθεί 1.4. Η Διδακτική χρήση του Μοντέλου στην Εκπαίδευση των Επιστημών 15

16 Η θεωρία της μοντελοποίησης στην εκπαίδευση των επιστημών έχει ως σκοπό να βοηθήσει τους εκπαιδευόμενους να αναπτύξουν παραδείγματα-μοτίβο τα οποία θα συμφωνούν με επιστημονικά παραδείγματα. Αυτός ο σκοπός μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω της διερευνητικής και της δημιουργικής/κατασκευαστικής έρευνας. Η διερευνητική έρευνα συνδέεται με την περιγραφή, την εξήγηση και την πρόβλεψη των προτύπων (μοτίβο). Η δημιουργική/κατασκευαστική έρευνα σχετίζεται με τη χρήση παραδεκτών θεωριών για τη δημιουργία νέων δεδομένων (τουλάχιστον στο επίπεδο της πρωτοβάθμιας-δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης). Αυτό επιτυγχάνεται είτε με τον έλεγχο ή την τροποποίηση υπαρχόντων φυσικών οντοτήτων ώστε να παραχθεί ένα γνωστό μοτίβο, είτε με την επινόηση νέων φυσικών καταστάσεων ώστε να παραχθούν γνωστά μοτίβο-πρότυπα (patterns). Η διδασκαλία με μοντέλα επομένως μπορεί να θεωρηθεί ως μια διδακτική στρατηγική ενταγμένη στο πλαίσιο μιας διδακτικής μεθοδολογίας που θα είναι προσανατολισμένη ερευνητικά. Η μοντελοποίηση ως παιδαγωγικό εργαλείο, περιλαμβάνει την κατασκευή του μοντέλου, την διερεύνηση των χαρακτηριστικών του μοντέλου, την εφαρμογή του μοντέλου σε ειδικά προβλήματα, την αξιολόγηση-επαλήθευση-αποτίμηση του μοντέλου ώστε όλα αυτά να είναι συναφή με τις διαδικασίες που ακολουθούν οι επιστήμονες (Herbert, 2003). Η μοντελοποίηση δίνει έμφαση στις αναπαραστάσεις της γνώσης, στις δομές των δεδομένων, στις μετρήσεις και την αβεβαιότητα των μετρήσεων. Η αιτιολόγηση με βάση το μοντέλο που έχουμε αναφέρει σε προηγούμενη ενότητα συνεισφέρει σε τρείς παράγοντες στην εκπαίδευση των επιστημών (Gilbert et al., 2000). 1. Η δημιουργία και η αξιολόγηση των νοητικών μοντέλων είναι βασική στην κατανόηση των επιστημονικών αντικειμένων, ειδικότερα όταν τα νοητικά μοντέλα μετασχηματισθούν σε εννοιολογικά 2. Η ανάπτυξη και η πειραματική έρευνα έλεγχος των μοντέλων υποστηρίζει την αυθεντική μάθηση μέσω της έρευνας. Η αιτιολόγηση με βάση το μοντέλο μπορεί να προκαλέσει αναθεώρηση του μοντέλου. 3.Τα επιστημονικά μοντέλα είναι αποτελέσματα της επιστημονικής έρευνας και η κατανόηση των φυσικών διαδικασιών απαιτεί την κατανόηση αυτών των μοντέλων από φιλοσοφική, επιστημονική και ιστορική άποψη. Πολλοί ερευνητές στην εκπαίδευση των επιστημών και των μαθηματικών (π.χ. Lehrer & Schauble, 2000), τονίζουν ότι η μοντελοποίηση βοηθά στην κατανόηση των εννοιών των Επιστημών και των Μαθηματικών. Οι Jonassen και Strobel (2006), τονίζουν ότι πέρα από τη μοντελοποίηση της γνώσης περιεχομένου, οι εκπαιδευόμενοι μπορούν να εφαρμόσουν επίσης τις δεξιότητες-αρχές της μοντελοποίησης σε πολλές διαφορετικές καταστάσεις: τη μοντελοποίηση προβλήματος κατασκευάζοντας τους χώρους του προβλήματος (βλέπε Ψυχάρης,2009), τη μοντελοποίηση σημασιολογικών δομών κλπ. Μάλιστα τονίζουν ότι ένας από τους πιο αποτελεσματικούς τρόπους για την υποστήριξη κατασκευής νοητικών και εννοιολογικών μοντέλων είναι τα υπολογιστικά μοντέλα. Η χρήση των (μοντέλων-patterns-παραδείγματος) στην διδακτική και εκπαίδευση των επιστημών 16

17 πρέπει να έχει ως σκοπό την εξέλιξη των εννοιολογικών σχημάτων των εκπαιδευόμενων από τον απλοϊκό ρεαλισμό στον επιστημονικό ρεαλισμό. Ένα εκπαιδευτικό-μαθησιακό πρόγραμμα μοντελοποίησης θα πρέπει να στηρίζεται στην ένταξη των μοντέλων σε κατάλληλα δομημένα μαθησιακά-εκπαιδευτικά περιβάλλοντα στα οποία: 1) η θεωρία θα έχει «ανακατασκευασθεί» με επίκεντρο τα μοντέλα 2) θα υπάρχουν οι κατάλληλες δραστηριότητες που θα βοηθούν τους εκπαιδευόμενους να αναπτύξουν την αντίστοιχη θεωρία και 3) θα περιέχουν δραστηριότητες με κατάλληλες δεξιότητες (προγραμματιστικές, αλγοριθμικές κλπ) σε σχέση με αυθεντικά προβλήματα. Σχήμα Μοντέλου 1. Ανακατασκευή κάθε θεωρίας «γύρω» από μοντέλα ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΤΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ 2. Σχεδιασμός κατάλληλων δραστηριοτήτων που θα βοηθήσουν τους εκπαιδευόμενους να αναπτύξουν την θεωρία 3. Απαιτούμενες δεξιότητες (προγραμματιστικές, αλγοριθμικές κλπ) σε σχέση με αυθεντικά προβλήματα Εικόνα : η διδακτική χρήση των μοντέλων και οι συνιστώσες της Πριν κλείσουμε την ενότητα θεωρούμε ότι είναι αναγκαίο να δώσουμε συνοπτικά έναν πρακτικό οδηγό που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στη δημιουργία των μοντέλων. Πρακτικός οδηγός χρήσης μοντέλων στην Εκπαίδευση των Επιστημών Σύμφωνα με τον Hestenes (1997), στο μοντέλο περιέχονται οι παρακάτω συνιστώσες: (α) Η συστημική δομή που προσδιορίζει 1. τη σύνθεση (εσωτερικά και εξωτερικά συστατικά του μοντέλου) 2. το περιβάλλον του συστήματος (εξωτερικοί παράγοντες που συνδέονται με το σύστημα) 3. συνδέσεις (εξωτερικές και εσωτερικές αιτιότητες) 17

18 (β) Η γεωμετρική δομή που προσδιορίζει 1. τη θέση σε σχέση με ένα σύστημα αναφοράς (η εξωτερική γεωμετρία) 2.το σχηματισμό (γεωμετρικές σχέσεις ανάμεσα στα συστατικά του συστήματος) (γ) Η χρονική δομή που προσδιορίζει την αλλαγή στις καταστατικές μεταβλητές του συστήματος (ιδιότητες του συστήματος) 1. με περιγραφικά μοντέλα που αντιπροσωπεύουν αλλαγή μέσω εκπεφρασμένων συναρτήσεων του χρόνου 2. με αιτιατά μοντέλα που περιγράφονται με διαφορικές εξισώσεις 3. με νόμους αλληλεπίδρασης (δ) Η δομή αλληλεπίδρασης που προσδιορίζει τους νόμους αλληλεπίδρασης 1. με αλληλεπιδράσεις ανάμεσα σε διασυνδέσεις και οι οποίες εκφράζονται ως συναρτήσεις των καταστατικών μεταβλητών Η συστημική δομή 1.Σύνθεση 2.Περιβάλλον Η χρονική δομή που προσδιορίζει την αλλαγή στις καταστατικές μεταβλητές 1. περιγραφικά μοντέλασυναρτήσεις Η γεωμετρική δομή 1.Θέση σε σχέση με ένα 2.Σύστημα αναφοράς 3.Το σχηματισμό-γεωμετρικές σχέσεις Η δομή αλληλεπίδρασης που προσδιορίζει τους νόμους αλληλεπίδρασης 2.αιτιατά μοντέλα Εικόνα : Πρακτικός οδηγός χρήσης Μοντέλων στην Εκπαίδευση των Επιστημών 18

19 1.5 Οι μεταγνωστικές εμπειρίες Ο μεταγνωστισμός είναι μια υψηλής τάξης νοητική διαδικασία που περιλαμβάνει ενέργειες που εκτελούνται πάνω στις γνωστικές διαδικασίες. Σύμφωνα με τον (Wellman, 1985;1992) μπορεί να αποδοθεί ένας απλός ορισμός στον μεταγνωστισμό ως «τη σκέψη που πραγματοποιείται για τις σκέψεις» ή «ενός ατόμου τις γνωστικές διεργασίες για τις γνωστικές διεργασίες που πραγματοποιεί το ίδιο το άτομο». Ο (Flavell, 1979) περιέγραψε το μεταγνωστισμό ως «τη γνώση του ατόμου σχετικά με τις γνωστικές διεργασίες που πραγματοποιεί το άτομο» και επίσης «τον ενεργό έλεγχο και τη ρύθμιση των δραστηριοτήτων πληροφόρησης του ατόμου». Σύμφωνα με τον (Flavell, 1979) ο μεταγνωστισμός περιλαμβάνει τέσσερις συνιστώσες: (α) την μεταγνωστική γνώση (β) τις μεταγνωστικές εμπειρίες (γ) στόχους ή καθήκοντα (δ) ενέργειες ή στρατηγικές και την ικανότητα του ατόμου να ελέγχει τις γνωστικές διαδικασίες του με ενέργειες σε όλες τια παραπάνω τέσσερις συνιστώσες. 19

20 Γνωστικές στρατηγικές Μεταγνωστικές εμπειρίες Μεταγνωστική γνώση Γνωστικοί στόχοι Εικόνα: Οι συνιστώσες του μεταγνωστισμού κατά τον Flavell Σύμφωνα με άλλους ερευνητές, ο μεταγνωστισμός συνδέεται με τη «γνώση για τις γνωστικές διαδικασίες» -«knowledge about cognition» -και τη «ρύθμιση των γνωστικών διαδικασιών» - «regulation of cognition» -(Brown,1987; Boekaerts, 1997; Fernandez, Duque, Baird & Posner, 2000). Η γνώση για τις γνωστικές διαδικασίες αναφέρεται στην κατανόηση από τον ίδιο τον εκπαιδευόμενο του γνωστικού του συστήματος και του τρόπου που αυτός αντιλαμβάνεταικατανοεί και μαθαίνει και σχετίζεται με αναστοχαστική δράση στις δικές του δραστηριότητες και ενέργειες. Η ρύθμιση των γνωστικών διαδικασιών αναφέρεται στο πόσο ικανοποιητικά ο εκπαιδευόμενος μπορεί να ρυθμίσει το δικό του γνωστικό σύστημα, δηλαδή να θέσει στόχους, να επιλέξει και να υλοποιήσει στρατηγικές και να διαχειρισθεί τις ενέργειές του. Σύμφωνα με τον (Brown,1987) αυτές οι δυο μορφές μεταγνωστισμού συνδέονται ισχυρά και δρουν αναδρομικά η μία της άλλης( η μια τροφοδοτεί την άλλη) αν και μπορούν να χαρακτηρισθούν ως διακριτές.. 20

21 ΜΕΤΑΓΝΩΣΤΙΣΜΟΣ «Γνώση για τις γνωστικές διαδικασίες» Εξαρτάται από την ηλικία Σχετικά σταθερό χαρακτηριστικό «Ρύθμιση των γνωστικών διαδικασιών» Εξαρτάται από το τύπο καθήκοντος και το περιβάλλον Εικόνα 2. Το μοντέλο του Brown για το μεταγνωστισμό Ένα άλλο μοντέλο για το μεταγνωστισμό είναι η διαχείριση της γνώσης των (Tonbias & Everson,1998;2002) το οποίο βασίζεται στην αιτιολόγηση ότι η διαχείριση είναι σημαντική για τη γνώση. Το μοντέλο αυτό υποθέτει ότι η ικανότητα να διαχωρίσουμε ανάμεσα στο ήδη γνωστό και στο άγνωστο είναι σημαντική για την αυτορρύθμιση της μάθησης. Σχηματικά το μοντέλο των Tonbias & Everson, (ένα ιεραρχικό μοντέλο μεταγνωστισμού) αναπαρίσταται στην παρακάτω εικόνα. σχεδιασμός στρατηγικές αξιολόγηση της μάθησης διαχείριση της γνώσης 21

22 Εικόνα : το μοντέλο των Tonbias & Everson s(tonbias & Everson,1998;2002) Ο μεταγνωστισμός διαφέρει από τη γνωστική διαδικασία(cognitive process) γιατί προφανώς περιέχει και το «μετά»(wellman, 1985) που είναι αναφορικό της διαδικασίας της γνώσης, αλλά συχνά είναι πολύ δύσκολο να διακρίνουμε ανάμεσα στο γνωστικό και στο μεταγνωστικό (Brown, 1987).Για παράδειγμα η ικανότητα που απαιτείται για να διαβασθεί ένα κείμενο διαφέρει από την ικανότητα να διαχειρισθούμε την ικανότητα κάποιου να διαβάζει ένα κείμενο. Η πρώτη είναι γνωστική ικανότητα και η δεύτερη μεταγνωστική. Η γνώση προγραμματισμού στον υπολογιστή είναι γνωστική, ενώ η γνώση κάποιου ότι είναι καλύτερος στην ανάγνωση παρά στην υλοποίηση κώδικα είναι μεταγνωστική ικανότητα. Στο μοντέλο του Flavell (1979), αναφέρεται ότι η μεταγνωστική και η γνωστική διαδικασία διαφέρουν και στο περιεχόμενο και στη λειτουργία(content function) αλλά είναι όμοιες στη μορφή και στη ποιότητα, δηλαδή και οι δυο μπορούν να αποκτηθούν, να διαγραφούν(ξεχασθούν), να είναι σωστές ή λάθος ενώ ο μεταγνωστισμός μπορεί να αποτυπωθεί με εξωτερικούς σχηματισμούς όπως ερωτηματολόγια, συνεντεύξεις, με δομημένες ή όχι συνεντεύξεις κλπ. (Claudia Gama, PhD Thesis, Integrating Metacognition Instruction in Interactive Learning Environments). Συμπερασματικά, μπορούμε να καταλήξουμε ότι η μεταγνωστική και η γνωστική διαδικασία διαφέρουν και στο περιεχόμενο και στη λειτουργία. Το περιεχόμενο του μεταγνωστισμού είναι η γνώση, οι δεξιότητες και η πληροφορία για τη γνωστική διαδικασία και αναφέρεται στον νοητικό κόσμο, ενώ η γνωστική διαδικασία αναφέρεται σε οντότητες του πραγματικού κόσμου αλλά και σε νοητικές εικόνες-αναπαραστάσεις, δηλαδή σε αντικείμενα, γεγονότα, πρόσωπα, φυσικά φαινόμενα κλπ. Ένας άλλος τρόπος διαφοροποίησης ανάμεσα στο μεταγνωστισμό και σε άλλες μορφές σκέψης προέρχεται από τη πηγή της σκέψης(source origin of thought). O (Hacker, 1998 ) αναφέρει ότι οι μεταγνωστικές σκέψεις δεν έχουν ως πηγή-αρχή την εξωτερική πραγματικότητα ενός ατόμου, αλλά είναι περισσότερο συνδεδεμένες με εσωτερικές αναπαραστάσεις, με το τρόπο επιλογής στρατηγικών κλπ. Οι γνωστικές και οι μεταγνωστικές διαδικασίες διαφέρουν επίσης και στο εξής: Η λειτουργία της γνωστικής διαδικασίας είναι να επιλύσουμε προβλήματα και να περατώσουμε καθήκοντα-λύσουμε προβλήματα. Η μεταγνωστική διαδικασία αναφέρεται στη ρύθμιση μιας γνωστικής λειτουργίας κατά της διαδικασία της επίλυσης ενός προβλήματος ή 22

23 της περάτωσης ενός καθήκοντος, π.χ. αντιλαμβανόμενοι κάτι που δεν είχαμε κατανοήσει, χρησιμοποιώντας(vos,2001), Ο Wellman (1985; 1992) εισήγαγε τις μεταβλητές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο μεταγνωστισμό και που προβάλλονται στο ίδιο το άτομο αλλά και στους άλλους. Οι μεταβλητές αυτές διακρίνονται σε: 1. μεταβλητές καθήκοντος και αφορούν το τύπο της νοητικής δραστηριότητας(π.χ. διαφοροποίηση μνήμης για οικείες και μη οικείες έννοιες) 2. μεταβλητές στρατηγικού χαρακτήρα που αναφέρονται στις εναλλακτικές προσεγγίσεις ενός νοητικού καθήκοντος Περιεχόμενο Γνώση, δεξιότητες, πληροφορία για τη γνωστική διαδικασία ΜΕΤΑΓΝΩΣΤΙΣΜΟΣ Μεταβλητές 1.Προσωπικές μεταβλητές 2.Στρατηγικές Λειτουργία ΣΥΝΙΣΤΩΣΕΣ ΤΟΥ ΜΕΤΑΓΝΩΣΤΙΣΜΟΥ Η γνωστική λειτουργία αναφέρεται στη λύση προβλημάτων-περάτωση καθήκοντος Η μεταγνωστική λειτουργία αναφέρεται στη ρύθμιση της γνωστικής λειτουργίας για την Η γνώση για τη γνωστική διαδικασία Η ρύθμιση της γνωστικής διαδικασίας Η διαχείρηση της γνώσης Εικόνα: Συνιστώσες, λειτουργίες και περιεχόμενο του μεταγνωστισμού 1.6 Το πλαίσιο στηρίγματος-η γνωστική σκαλοπατιά Με τον όρο γνωστική σκαλωσιά πλαίσιο στηρίγματος (Scaffolding) εννοούμε την παροχή υποστήριξης στους εκπαιδευόμενους ώστε να γεφυρωθεί το χάσμα ανάμεσα σε αυτό που μπορούν να κάνουν από μόνοι τοις και σε αυτό που μπορούν να κάνουν όταν καθοδηγούνται από άλλους(hartman, 2001). 23

24 Τα κύρια χαρακτηριστικά του Scaffolding είναι : 1.η ρύθμιση του Scaffolding ανάλογα με το ποσό της βοήθειας που χρειάζεται ο εκπαιδευόμενος 2.ο προσδιορισμός των ειδικών δυσκολιών που συναντά ο εκπαιδευόμενος όταν εμπλέκεται σε πρακτικές-στρατηγικές επίλυσης και τέλος 3. η παροχή βοήθειας από έναν καλύτερο πράκτορα(agent). 4. η σταδιακή εξασθένηση-μείωση του scaffolding (Collins, 1989) καθώς στη διάρκεια της μαθησιακής-διδακτικής ακολουθίας αυξάνεται η ικανότητα του εκπαιδευόμενου (Rogoff, 1990). To Scaffolding μπορεί να πάρει τη μορφή ενός μοντέλου, προτροπών στον εκπαιδευόμενο να συνεχίσει μια εργασία, να έχει τη μορφή υποδείξεων κατ απαίτηση ή όχι του εκπαιδευόμενου κλπ. Σύμφωνα με τον Guzdial(1994) ο σκοπός του scaffolding είναι: 1. να καταστήσει τους εκπαιδευόμενους ικανούς να επιτύχουν ένα στόχο ή να τελειώσουν μια στρατηγική την οποία δεν θα μπορούσαν χωρίς βοήθεια, και 2. να διευκολύνουν την μάθηση χωρίς την παροχή βοήθειας. Σύμφωνα με τους ( Rogoff, 1990; Palincsar, 1986 ), υπάρχουν τρείς βασικοί τύποι υποστήριξης (που συνήθως συνδυάζονται μεταξύ τους) όταν χρησιμοποιείται το scaffolding. (1). Η διαδικασία της επικοινωνίας. Στη διαδικασία αυτή ένας ειδικός παρέχει μια διαδικασία(π.χ. ένα πρόβλημα) στον εκπαιδευόμενο προσδίδοντας μαζί με τη διαδικασία και σχόλια για τα κύρια σημεία, ειδικές παρουσιάσεις σχετικές με τη διαδικασία κλπ, ώστε να παρέχεται από αυτόν η αναγκαία γνώση που χρειάζεται ο εκπαιδευόμενος. (2). Η καθοδήγηση. Όταν ο εκπαιδευόμενος επιχειρεί να ασχοληθεί με τη διαδικασία που του ζητήθηκε, ο ειδικός παρακολουθεί και παρέχει σχόλια, υποδείξεις, υπενθυμίζει στον εκπαιδευόμενο βασικά σημεία της διαδικασίας κλπ. (3). Η Διευκόλυνση της έκφρασης. Ο ειδικός ρωτά-σε-διάφορα στάδια της διαδικασίας- τον εκπαιδευόμενο να εκφράσει τις βασικές έννοιες που χρησιμοποιεί με σκοπό την δημιουργία αναστοχασμού από τον εκπαιδευόμενο (Scardamalia, 1984; Collins, 1988). 24

25 Συνιστώσες του scaffolding Η διαδικασία της επικοινωνίας με τον ειδικό. Η καθοδήγηση κατά τη διάρκεια της διαδικασίας Η Διευκόλυνση της έκφρασης Εικόνα: Οι συνιστώσες του scaffolding 1.7 Μεταγνωστισμός και Πλαίσιο Στηρίγματος Οι μεταγνωστικές δεξιότητες μπορούν να ευνοηθούν αν οι εκπαιδευόμενοι βοηθηθούν στην ανάπτυξη της ενημερότητάς τους για τις διαδικασίες επίλυσης προβλημάτων εξαιτίας της παροχής οδηγιών και καθοδήγησης για την ανάπτυξη στρατηγικών καθώς και διδακτικών τεχνικών ώστε να αυτορυθμίσουν τις δικές τους προσεγγίσεις για την επίλυση προβλημάτων. Οι ερευνητές στην εκπαίδευση έχουν διερευνήσει τρόπους για να διδάσκουν τους μαθητές ώστε αυτοί να έχουν αναστοχασμό μέσω του μεταγνωστικού ελέγχου (Palincsar & Brown,1984). Αυτή η μέθοδος είναι η συνεργατική μάθηση κατάλληλα σχεδιασμένη ώστε να αναπτυχθούν τέσσερις μεταγνωστικές δεξιότητες: η ερώτηση, η επεξήγηση, η ανακεφαλαίωση και η πρόβλεψη. 25

26 Ορισμένες διδακτικές τεχνικές για τον μεταγνωστισμό (ερωτήσεις, επεξηγήσεις, ανακεφαλαίωση,, πρόβλεψη κλπ) είναι οι : η μοντελοποίηση και οι εξηγήσεις, η βοήθεια στους εκπαιδευόμενους μέσω της χρήσης scaffolding, οι πρακτικές στρατηγικές επίλυσης με ανατροφοδότηση κλπ Η μεταγνωστική γνωστική σκαλοπατιά μπορεί να βοηθήσει τη διαδικασία που σχετίζεται με τη διαχείρηση της μάθησης παρέχοντας καθοδήγηση για τους τρόπους σκέψης-στρατηγικές κατά διάρκεια της μάθησης Εικόνα: Μεταγνωστισμός και scaffolding. Το scaffolding υποστηρίζει (1) τη μάθηση ενός συγκεκριμένου γνωστικού αντικειμένου (έννοιες, διαδικασίες κλπ) (2) τη μάθηση για τους τρόπους που κάποιος μαθαίνει (μεταγνωστιμός, αυτορύθμιση της μάθησης) (3) τη μάθηση χρησιμοποιώντας υποστηρικτικά περιβάλλοντα που έχουν δημιουργηθεί με νέες τεχνολογίες (ενσωματωμένα εργαλεία, λειτουργικότητα των οντοτήτων του περιβάλλοντος κλπ). (4) τη μάθηση για τον τρόπο προσαρμογής σε ένα ειδικό διδακτικό πλαίσιο (τροποποίηση διδακτικών χαρακτηριστικών για την Η μεταγνωστική σκαλοπατιά ή μεταγνωστικό πλαίσιο στηρίγματος (Metacognitive scaffolds) θα μπορούσε να υποστηρίξει τη διαδικασία που σχετίζεται με τη διαχείρηση της μάθησης παρέχοντας καθοδήγηση για τους τρόπους σκέψης και τις στρατηγικές κατά τη διάρκεια της μάθησης. Επίσης θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να υπενθυμίζει στους εκπαιδευόμενους να αναστοχάζονται στους στόχους τους ή να παρακινεί αυτούς να συσχετίζουν τη χρήση ενός εργαλείου ή ενός μαθησιακού πόρου με την εκπλήρωση ενός καθήκοντος. Στη περίπτωση αυτή μπορούμε να θεωρήσουμε το scaffolding ως έναν εξωτερικό παράγοντα για τη διαχείριση της γνώσης ο οποίος θα πρέπει να τείνει-μετά την εφαρμογή του σε εσωτερικό παράγοντα «αφομοιωμένο» από το χρήστη. Το πλαίσιο στηρίγματος μπορεί να βοηθήσει τους εκπαιδευόμενους να γίνουν ανεξάρτητοι, να αυτορυθμίζουν τις σκέψεις τους και θεωρείται ως μια αποτελεσματική διδακτική προσέγγιση για την ανάπτυξη υψηλού επιπέδου γνωστικών διεργασιών (Hartman, 2001). Όταν γνωρίζουμε το πλαίσιο του προβλήματος, τότε το μεταγνωστικό πλαίσιο στηρίγματος μπορεί να είναι εστιασμένο σε ένα συγκεκριμένο γνωστικό αντικείμενο και να παρέχει τρόπους για να σκεφθούμε σε αυτό το συγκεκριμένο πλαίσιο. Μπορούμε επίσης να θεωρήσουμε μια γενικότερη μεταγνωστική σκαλοπατιά η οποία θα εστιάζει σε διαδικασίες δημιουργίας μοντέλων που θα συνδέονται με προηγούμενη γνώση του εκπαιδευόμενου και θα συνδέει προηγούμενες αναπαραστάσεις με τρέχουσα γνώση με 26

27 σκοπό να μπορούν οι εκπαιδευόμενοι να διαχειρίζονται τις ιδέες τους μέσω εργαλείων μοντελοποίησης. Η σχέση μεταγνωστισμού και scaffolding έχει μελετηθεί χρησιμοποιώντας τον κλασικό ορισμό του scaffolding που αναφέραμε προηγουμένως(wood, Bruner, and Ross,1975) αλλά έχει επίσης μελετηθεί στο πλαίσιο των μοντέλων γνωστικής μαθητείας (Collins, Brown, & Newman, 1989) αλλά και διαφορετικών γνωστικών μοντέλων(π.χ. Anderson, 1983). Η έρευνα έχει δείξει ότι η μεταγνωστική σκαλοπατιά μπορεί να υποστηρίξει ένα μεγάλο φάσμα διδακτικών στόχων που περιλαμβάνουν: 1. τη γνώση ενός συγκεκριμένου γνωστικού αντικειμένου, δηλαδή τις έννοιες και τις διαδικασίες/μεθοδολογία που χρησιμοποιούνται στο γνωστικό αντικείμενο 2.τη μάθηση για τον τρόπο που μαθαίνει κανείς, δηλαδή την αυτορρύθμιση της μάθησης 3.τη μάθηση για τον τρόπο χρησιμοποίησης υπολογιστικών περιβαλλόντων, δηλαδή τις διαδικασίες, τα ενσωματωμένα εργαλεία μεθόδους του περιβάλλοντος, τη λειτουργικότητα των εντολών κλπ, και 4. τη μάθηση για να προσαρμόζονται οι εκπαιδευόμενοι σε ειδικά διδακτικά πλαίσια 1.8 Πλαίσιο στηρίγματος και Υπολογιστικά Περιβάλλοντα Η έννοια του scaffolding μπορεί να επεκταθεί ώστε να συμπεριλάβει και την υποστήριξη εκτός από τον ειδικό-agent (ως φυσικό πρόσωπο) και το λογισμικό. Στη περίπτωση αυτή το λογισμικό( οι κατάλληλες εφαρμογές λογισμικού που περιλαμβάνουν μοντελοποιήσεις και προσομοιώσεις) ενεργεί από μόνο του ως πράκτορας(agent) που υποστηρίζει τον εκπαιδευόμενο(quitnana & Zhang,2004). Ερευνητικά αποτελέσματα από τη χρήση Υπολογιστικών μαθησιακών περιβαλλόντων για την υποστήριξη της διερευνητικής μάθησης, δείχνουν ότι τα υπολογιστικά περιβάλλοντα προσομοίωσης παρέχουν το κατάλληλο περιβάλλον που περιέχει αποτελεσματικές μαθησιακές δραστηριότητες ώστε να αναπτυχθούν οι δεξιότητες επίλυσης προβλημάτων -.. computerized simulations provide the proper environment together with effective learning activities to enhance science problem solving skills (Rivers & Vockell,1987). Ο Guzdial (1994) εισήγαγε την έννοια του scaffolding στο λογισμικό (software-realized scaffolding), δείχνοντας με ποιο τρόπο ορισμένες συνιστώσες του scaffolding μπορούν να υλοποιηθούν στο λογισμικό και εστίασε στο τρόπο που το λογισμικό μπορούσε να 27

28 ενσωματώσει αυτές τις συνιστώσες με σκοπό τη δημιουργία μοντέλων, την παροχή υποστήριξης και την διευκόλυνση της έκφρασης. Επίσης ασχολήθηκε και με τον τρόπο που το λογισμικό θα μπορούσε να υλοποιήσει διαφορετικές προοπτικές μάθησης, π.χ. τους cognitive tutors. Υπολογιστικά περιβάλλοντα με scaffoldingsoftware-realized scaffolding Δημιουργία μοντέλων Παροχή υποστήριξης - διευκόλυνση της έκφρασης Cognitive tutorsγνωστικοί καθοδηγητές Εικόνα: υπολογιστικά περιβάλλοντα με scaffolding Η σχέση υπολογιστικών περιβαλλόντων και scaffolding διερευνήθηκε επίσης από τους (van Joolingen & de Jong, 2003). Οι συγγραφείς αυτοί αναφέρουν ότι οι προσομοιώσεις θα πρέπει να περιέχουν scaffolds ώστε να βοηθήσουν τους εκπαιδευόμενους για να αποκτήσουν αποτελεσματικές μαθησιακές εμπειρίες, ενώ το scaffolding μπορεί να πάρει τη μορφή οδηγιών βήμα προς βήμα, μικρών σχεδίων εργασίας που τμηματοποιούν ένα μεγάλο έργο σε μικρότερα( π.χ. τη διάσπαση της προσομοίωσης σε μικρότερες) κλπ. Αυτή η διαδικασία μπορεί να οδηγήσει σε αποτελεσματική δημιουργία από τον εκπαιδευόμενο του χώρου των υποθέσεων, του υπολογιστικού πειράματος, του χώρου των προβλέψεων κλπ. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η έρευνα για τη σχέση των υπολογιστικών περιβαλλόντων και του scaffolding είναι διεπιστημονική και βρίσκεται στα κοινά σύνορα του γνωστκού αντικειμένου, της παιδαγωγικής, της διδακτικής πρακτικής, της γνωσιακής επιστήμης, της επιστημολογίας και της θεωρίας της πληροφορίας. Ένα βασικό θέμα που θα πρέπει να αντιμετωπισθεί κατά τη διερεύνηση της σχέσης ανάμεσα στο scaffolding και τα υπολογιστικά περιβάλλοντα, είναι αν : 28

29 (1) θα πρέπει να ενσωματώνεται ο προγραμματισμός στα υπολογιστικά περιβάλλοντα, και (2) στην περίπτωση που όντως ενσωματώνεται ο προγραμματισμός αν ενδιαφερόμαστε να μάθει ο εκπαιδευόμενος (στην δευτεροβάθμια ή την τριτοβάθμια εκπαίδευση) προγραμματισμό ή αν ενδιαφερόμαστε να εμπλακεί στη μαθησιακή διαδικασία μέσω του προγραμματισμού- (learn about programming ή learn through programming). (2) Στην εκπαίδευση στις επιστήμες έχουν γίνει πολλές έρευνες για τη χρήση του προγραμματισμού στη μάθηση και ως μέσο για την διερεύνηση γνωστικών αντικειμένων πέρα από αυτή της επιστήμης των υπολογιστών (disessa,1986; 1991; Soloway, 1993;Guzdial,1994 ). Άλλες έρευνες έχουν ασχοληθεί με τη χρήση του scaffolding στον προγραμματισμό (Rogoff, 1990 ; Collins, 1990; Merrill, 1993). Στις έρευνες αυτές το scaffolding για τον προγραμματισμό μπορεί να υλοποιηθεί με τη χρήση ενός περιβάλλοντος που θα περιέχει προγραμματιστικές δραστηριότητες, αλγοριθμικές διαδικασίες και σχεδιαστικές αρχές. Η ουσιαστικότερη όμως χρήση του scaffolding σε χρήση με τον προγραμματισμό θα πρέπει να είναι η μάθηση μέσω του προγραμματισμού. Στη περίπτωση αυτή χρησιμοποιείται ο προγραμματισμός ως εργαλείο κατά τη διάρκεια της διδασκαλίας ενός γνωστικού αντικειμένου και συνδέεται αναστοχαστικά με τις αρχές και τις έννοιες του γνωστικού αντικειμένου, ενώ αυτές οι έννοιες προβάλλονται μέσω του μοντέλου, της προσομοίωσης και του αλγόριθμου στον κώδικα που θα γραφεί. Μάθηση μέσω προγραμματισμού σημαίνει επίσης τη κατασκευή αναπαραστάσεων για τις έννοιες του γνωστικού αντικειμένου κάτι που βοηθά και στην μάθηση των εννοιών και συνήθως προκαλεί κίνητρα για περισσότερο προγραμματισμό (Harel & Papert, 1990 ;Guzdial,1994). Συνοψίζοντας, η έρευνα για τα υπολογιστικά περιβάλλοντα με scaffolding, έχει τους εξής τύπους : 1. επικοινωνία με τον εκπαιδευόμενο για τα διάφορα στάδια και λειτουργίες της διαδικασίας που θα πρέπει να υλοποιήσει μέσω της βοήθειας με χρηστικά menus Guzdial,1994). 2. καθοδήγηση με ευφυείς πράκτορες που παρακολουθούν τη δραστηριότητα του εκπαιδευόμενου και παρέχουν χρήσιμα σχόλια, διαδρομές για τη λύση του προβλήματος κλπ 3. προτροπές για τη χρήση/τροποποίηση ενός τμήματος κώδικα ή ενός αλγόριθμου με χρήση των χώρων της υπόθεσης, της πρόβλεψης, του πειράματος σύμφωνα με τη μεθοδολογία του υπολογιστικού πειράματος 29

30 4. προσαρμογή στις ιδιαιτερότητες του εκπαιδευόμενου και αλλαγή του scaffolding(μείωση) κατά τη διάρκεια της αύξησης των ικανοτήτων του εκπαιδευόμενου με δυναμικό τρόπο (Suikaviriya, 1993;Riel et.al, 1987). Υπολογιστικά περιβάλλοντα και scaffolding-η πλήρης εικόνα επικοινωνία με τον εκπαιδευόμενο για τα διάφορα στάδια και λειτουργίες της καθοδήγηση με ευφυείς πράκτορες που παρακολουθούν τη δραστηριότητα του εκπαιδευόμενου προτροπές για τη χρήση/τροποποίησ η ενός τμήματος κώδικα ή ενός αλγόριθμου προσαρμογή στις ιδιαιτερότητες του εκπαιδευόμενο υ Εικόνα: Υπολογιστικά περιβάλλοντα και scaffolding-η πλήρης εικόνα 1.9 Μεταγνωστισμός και Υπολογιστικά Περιβάλλοντα Υπάρχουν πολλές έρευνες για τη σχέση ανάμεσα στον προγραμματισμό, τα υπολογιστικά περιβάλλοντα και την ανάπτυξη μεταγνωστικών δεξιοτήτων και δεξιοτήτων επίλυσης προβλήματος (Palumbo, 1990). Επίσης υπάρχουν πολλές ερευνητικές εργασίες για τη σχέση ανάμεσα σε μεταγνωστικές δεξιότητες, διδακτικές στρατηγικές και αλληλεπιδραστικά μαθησιακά περιβάλλοντα που ασχολούνται με την επίλυση προβλημάτων και την κατανόηση εννοιών(forrest-pressley, MacKinnon, and Waller,1985 ;Garner,1987 ;Ram & Leake 1995). Τα μαθησιακά περιβάλλοντα που χρησιμοποιούν τις ΤΠΕ θεωρείται ότι υποστηρίζουν την μεταγνωστική ανάπτυξη όταν παρέχουν στους εκπαιδευομένους : (1) γραφικά και αναπαραστατικά εργαλεία για αναστοχαστικές διεργασίες και ερμηνείες (Reusser, 1993; Schauble et al., 1993) (2) διευκολύνσεις που προτρέπουν σε αναστοχαστική συμπεριφορά(aleven and Koedinger, 2000). 30

31 Μαθησιακά περιβάλλοντα που υποστηρίζουν την μεταγνωστική ανάπτυξη με χρήση των ΤΠΕ γραφικά και αναπαραστατικά εργαλεία για αναστοχαστικές διεργασίες και ερμηνείες διευκολύνσεις που προτρέπουν σε αναστοχαστική συμπεριφορά Εικόνα : Η προσφορά των ΤΠΕ στην μεταγνωστική ανάπτυξη Ο σχεδιασμός των μεταγνωστικών ενεργειών σε τέτοια περιβάλλοντα είναι μια πρόκληση τόσο σε θεωρητικό όσο και σε πρακτικό επίπεδο. Τέτοιου είδους μεταγνωστικές ενέργειες-υποδείξεις θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν αναστοχαστικές προτροπές μέσω συγκεκριμένων ενεργειών της εφαρμογής του λογισμικού, καθοδηγούμενες ερωτήσεις που απαιτούν από τον χρήστη να δικαιολογήσει τις ιδέες του και να τις εκφράσει με συμβολικό ή αλγοριθμικό τρόπο, χαρακτηριστικά αυτοαξιολόγησης, δημιουργία μοντέλων, κατασκευή προσομοιώσεων κλπ (Lin and Lehman, 1999; Goodman et al., 1998) παρακινήσεις για αυτοεξήγηση (Schauble et al., 1993; Niemi and Latva-Karjanmaa, 2001) κλπ 31

32 Μεταγνωστικές ενέργειες σε υπολογιστικά περιβάλλοντα προτροπές για αναστοχασμό προτροπές για αυτοεξηγήσεις χαρακτηριστικά που υποστηρίζουν την αυτοαξιολόγηση Ααυτοερωτήσειςαυτοεξηγήσεις ομότιμες συνεργασίες Εικόνα: Μεταγνωστικές ενέργειες σε υπολογιστικά περιβάλλοντα Παραδείγματα τέτοιων περιβαλλόντων είναι π.χ. το MIST το οποίο βοηθά τους εκπαιδευόμενους να διαχειρισθούν ενεργά τη διαδικασία μάθησης όταν μαθαίνουν με χρήση κειμένου(puntambekar, 1995). Το λογισμικό χρησιμοποιεί παρεμβατικές διαδικασίες και επίσης τη συνεργατική μάθηση, την αναστοχαστική δράση και ερωτήσεις ώστε να διευκολύνει το σχεδιασμό και τη διαχείριση των δεξιοτήτων των εκπαιδευόμενων. Ένα άλλο λογισμικό με μεταγνωστικές συνιστώσες είναι το SE-Coach system (Conati and Vanlehn, 2000) το οποίο χρησιμοποιεί το μεταγνωστισμό μέσω παραδειγμάτων στους εκπαιδευόμενους με χρήση αυτό-εξηγήσεων. Στο λογισμικό υπάρχει επίσης το μοντέλο του μαθητή το οποίο περιέχει πληροφορίες για τις ενέργειες του εκπαιδευόμενου συγκρίνοντας αυτές με τις σωστές αυτό-εξηγήσεις και το μοντέλο γνώσης του εκπαιδευόμενου (student Knowledge) που θεωρείται ως υποσύνολο του στην εκπαίδευση καθώς μπορεί να αποδώσει τις διαφοροποιήσεις σχετικά με την αρχική-θεμελιώδη κατάσταση των εκπαιδευόμενων. Το πεδίο έρευνας για την ανάπτυξη μοντέλων που στοχεύουν στην ανάπτυξη του μεταγνωστισμού και της ρύθμισης σε αλληλεπιδραστικά μαθησιακά περιβάλλοντα είναι ανοικτό και η έρευνα για τη δημιουργία υπολογιστικών μοντέλων για τη μεταγνωστική διδασκαλία είναι από τα θέματα που θα έπρεπε να απασχολούν τους ερευνητές των ΤΠΕ στην εκπαίδευση ( thus, the development of models or frameworks that aim to develop metacognition, cognitive monitoring, and regulation in ILEs is a fruitful and open topic of 32

33 investigation and the creation of a computational model of metacognition instruction within ILEs for problem solving is a crucial issue. (Claudia Gama, PhD Thesis)). Τα σύγχρονα μαθησιακά περιβάλλοντα-με χρήση των ΤΠΕ- επιχειρούν να υποστηρίξουν την αλληλεπίδραση του χρήστη με το περιβάλλον και να δώσουν ώθηση στην μεταγνωστική ανάπτυξη. Επιπλέον προσπαθούν να απαντήσουν στο γενικό ερώτημα: πως θα πρέπει να σχεδιάζονται τα μαθησιακά περιβάλλοντα ώστε να υπάρχει ένα κατάλληλο σημείο ισορροπίας ανάμεσα στη βοήθεια που πρέπει να παρέχεται στο χρήστη και στην αυτενέργειά του ώστε να βελτιστοποιείται το μαθησιακό αποτέλεσμα ;(Pavlik, 2007) Πλαίσιο Στηρίγματος- Μεταγνωστισμός και Υπολογιστικά Περιβάλλοντα. Μια κριτική θεώρηση Η μάθηση με αλληλεπιδραστικά περιβάλλοντα που περιέχουν προσομοιώσεις περιέχει προκλήσεις για τους εκπαιδευόμενους κυρίως εξαιτίας της πολυπλοκότητας των γνωστικών και μεταγνωστικών τους εμπειριών. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα έννοιες όπως η καθοδήγηση, η υποστήριξη και η διευκόλυνση να εμπλέκονται σε τέτοια περιβάλλοντα.. Επίσης οι μεταγνωστικές στρατηγικές και οι στρατηγικές σχετικά με την αυτορρύθμιση έχει βρεθεί ότι επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα της μάθησης καθώς και τη χρήση των πόρων του λογισμικού στα υπολογιστικά περιβάλλοντα που περιέχουν πλαίσια στηρίγματος- (Aleven & Koedinger, 2000; Gräsel, et al., 2001; Hill & Hannafin, 2001; Oliver & Hannfin,2000). Παρατηρούμε επομένως ότι τα υπολογιστικά περιβάλλοντα συνδέονται με το μεταγνωστισμό και το πλαίσιο στηρίγματος αλλά αυτή η σύνδεση επιτυγχάνεται μέσω της διασύνδεσης των συνιστωσών και των στρατηγικών του μεταγνωστισμού και του πλαισίου στηρίγματος, ενώ σε όλα αυτά καταλυτικό ρόλο παίζει η επίλυση του προβλήματος. Σύμφωνα με τους (Hollingworth & McLoughlin, 2001), ο μεταγνωστισμός αναπτύσσεται καλύτερα μέσα από προσεγγίσεις που περιλαμβάνουν διαδικασίες κατά τις οποίες υλοποιούνται δομές κοινωνικής αλληλεπίδρασης και η μάθηση πραγματοποιείται σε υπολογιστικά περιβάλλοντα(computerized environments). Οι ίδιοι δημιούργησαν ένα δικτυακό λογισμικό που βοηθούσε τους εκπαιδευόμενους να εφαρμόζουν μεταγνωστικές στρατηγικές όταν είχαν αναλάβει συγκεκριμένα καθήκοντα και από την έρευνά τους προέκυψε ότι αυτό βοήθησε πρωτοετείς φοιτητές των επιστημών να αναπτύξουν μεταγνωστικές δεξιότητες.. Επίσης ένα άλλο εύρημα από τους (White, Shimoda, & Frederiksen, 2000), είναι ότι υπάρχει μια μορφή σύγκλισης ανάμεσα στην ανάπτυξη 33

34 μεταγνωστικών δεξιοτήτων και του πλαισίου στηρίγματος που βασίζεται σε υπολογιστικά περιβάλλοντα. Από την ανάλυση που έχουμε κάνει ως τώρα προκύπτει ότι υπάρχει ισχυρή σχέση ανάμεσα στο μεταγνωστισμό και τα υπολογιστικά περιβάλλοντα που περιέχουν το πλαίσιο στηρίγματος. Σύμφωνα με τους (Quintana& Zhang,2004), τα υπολογιστικά περιβάλλοντα που περιέχουν το πλαίσιο στηρίγματος θα πρέπει να προσαρμόζονται στα επίπεδα των εκπαιδευόμενων, ενώ οι (De Jong & Van Joolingen 1998) αναφέρουν ότι στη διαδικασία της ανακαλυπτικής μάθησης με προσομοιώσεις, οι εκπαιδευόμενοι χρειάζονται καθοδήγηση και στήριξη. Επίσης σύμφωνα με τους (Chang et.al,2008), οι επιδράσεις της υποστήριξης -σε περιβάλλοντα που χρησιμοποιούν προσομοιώσεις στη Φυσική-μπορούν να ταξινομηθούν σε: α) προτροπές για πειράματα, β) προτροπές για δημιουργία υποθέσεων και γ) καθοδήγηση βήμα προς βήμα, ώστε ο εκπαιδευόμενος να δημιουργήσει επαγωγικά τα χαρακτηριστικά του εννοιολογικού μοντέλου που χρησιμοποιεί, προχωρώντας αναπόφευκτα μέσα από τις διαδρομές και τις ιδιότητες της προσομοίωσης. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η διασύνδεση μεταγνωστισμού και πλαισίου στηρίγματος σε υπολογιστικά περιβάλλοντα θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη της και το τι πραγματικά εννοούμε με τον όρο υπολογιστικό περιβάλλον κατάλληλο για το μεταγνωστισμό και την υποστήριξη. Αναπόφευκτα αυτό θέτει στο πυρήνα του θέματος την επίλυση του προβλήματος η οποία με τη σειρά της συνδέεται και με την έννοια του μοντέλου και της προσομοίωσης που θα αναπτυχθούν στα επόμενα κεφάλαια. 34

35 Εικόνα: Υπολογιστικά περιβάλλοντα μεταγνωστικές εμπειρίες -scaffolding-σε σχέση με γεγονότα 35

36 Δραστηριότητες Δραστηριότητα 1. Να βρείτε παραδείγματα μοντέλων και να υποδείξετε με ποιο τρόπο το μοντέλο είναι ο ενδιάμεσος «πράκτορας» ανάμεσα στα αντικείμενα του πραγματικού κόσμου και ενός συστήματος από βασικές αρχές (θεωρία) Δραστηριότητα 2. Να σχολιάσετε την αιτιολόγηση με βάση τα μοντέλα, αναφέροντας παραδείγματα από διάφορα γνωστικά πεδία Δραστηριότητα 3. Να σχολιάσετε την ανάπτυξη εννοιολογικών δομών με τη χρήση μοντέλων Δραστηριότητα 4. Να επισκεφθείτε τα παρακάτω αποθετήρια και να αναφέρετε παραδείγματα χρήσης των μοντέλων. Σε ποιο/ποια από αυτά χρησιμοποιούνται οι δομές κατά Hestenes; Δραστηριότητα 5. Να εξηγήσετε ποιες φάσεις του υπολογιστικού πειράματος συνδέονται με τις μεταγνωστικές εμπειρίες και ποιες με τη γνωστική σκαλοπατιά και να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. Αποθετήρια και ειδικά η κοινότητα Easy Java simulations

37 Κεφάλαιο 2 37

38 Από την Επιστήμη των Υπολογιστών στην Υπολογιστική Επιστήμη-το Υπολογιστικό Πείραμα 2.1. Η γνωστική περιοχή της Υπολογιστικής Επιστήμης Η προσομοίωση αποτελείται από οντότητες που έχουν ιδιότητες και μεθόδους που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους κατά τη διάρκεια των διεργασιών κάτω από ορισμένες συνθήκες για να παραγάγουν γεγονότα τα οποία θα αλλάξουν την κατάσταση του συστήματος (Claude Shannon). Η επιστημονική ανακάλυψη ορίζεται ως η πολλαπλότητα των τρόπων με τους οποίους οι επιστήμονες μελετούν το φυσικό κόσμο και προτείνουν εξηγήσεις που βασίζονται στην έρευνά τους. (National Research Council NRC-, 1996, p. 23). Στην Υπολογιστική Επιστήμη το μοντέλο, η προσομοίωση και το υπολογιστικό πείραμα παίρνουν τη θέση του «κλασικού» πειράματος συνθέτοντας έτσι μια πλήρη και συμπαγή εικόνα της Επιστήμης. Οι προσομοιώσεις χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με δυναμικά μοντέλα, δηλαδή μοντέλα που περιλαμβάνουν τη χρονική εξέλιξη και ουσιαστικά είναι οι μαθηματικές μέθοδοι (συμπεριλαμβανομένων και των αλγορίθμων) ώστε το φυσικό σύστημα να διακριτικοποιηθεί. Η χρήση προσομοιώσεων(computational simulations) ανήκε αρχικά στον κλάδο της Υπολογιστικής Φυσικής (Computational Physics) ο οποίος άρχισε να αναπτύσσεται από τη δεκαετία του 40. Μια από τις βασικές συνιστώσες αυτού του επιστημονικού πεδίου είναι ο μετασχηματισμός ενός φυσικού φαινομένου από το επίπεδο της αφαίρεσης στο επίπεδο του μοντέλου και στη συνέχεια στο μετασχηματισμό σε ένα υπολογιστικό μοντέλο το οποίο θα κριθεί για την επαλήθευση, αποτίμηση και την εγκυρότητά του. Τα παραπάνω οδήγησαν στην έννοια της Υπολογιστικής προσέγγισης και του Υπολογιστικού πειράματος όπου το μοντέλο, η προσομοίωση και το υπολογιστικό πείραμα παίρνουν τη θέση του «κλασικού» πειράματος (Landau κ.α.,2008) συνθέτοντας έτσι την εικόνα της επιστήμης. ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΚΛΑΣΣΙΚΟ ΠΕΙΡΑΜΑ ΘΕΩΡΙΑ Εικόνα : η επιστήμη με την εισαγωγή των προσομοιώσεων 38

39 Τα «υπολογιστικά πειράματα» είναι βασικό συστατικό στις επιστήμες ειδικότερα μετά την αύξηση της υπολογιστικής ισχύος και της δυνατότητας των υπολογιστών να κάνουν πολλές λειτουργίες ανά δευτερόλεπτο. Με τον όρο Υπολογιστική προσέγγιση στις Επιστήμες εννοούμε την προσέγγιση που θεωρεί τα πειράματα με υπολογιστή ως βασικό εργαλείο της Επιστήμης και της διδασκαλίας σε όλα τα επίπεδα της εκπαίδευσης και βέβαια όχι μόνο για διδακτική χρήση (Hjorth-Jensen, 2007). Έτσι ενώ το Υπολογιστικό πείραμα ξεκίνησε από την Υπολογιστική Φυσική έχει αναπτυχθεί αυτόνομα ως μεθοδολογία- σε όλες σχεδόν τις Επιστήμες, όχι μόνο τις θετικές επιστήμες αλλά και στην Ψυχολογία, την Κοινωνιολογία, την Διδακτική κλπ. H Υπολογιστική Επιστήμη (Computational Science) ορίζεται ως η επιστήμη που περιλαμβάνει τρεις περιοχές: τη μαθηματική μοντελοποίηση φαινομένων, τις αριθμητικές μεθόδους για επιστημονικούς υπολογισμούς και την επιστημονική οπτικοποίηση (Yasar κ.α., 2006). Επίσης, σύμφωνα με την επιτροπή «US President s Information Technology Advisory Committee (PITAC)» ( δηλώνεται κατηγορηματικά ότι η Υπολογιστική Επιστήμη Computational Science (όχι η επιστήμη των Υπολογιστών- Computer Science) είναι ένας πυλώνας της επιστημονικής ανακάλυψης ο οποίος συνδυάζει το πείραμα με τη θεωρία και επίσης ότι η Υπολογιστική Επιστήμη είναι αναγκαία για την επίλυση σύνθετων προβλημάτων. Στην ίδια αναφορά δηλώνεται ότι η Υπολογιστική Επιστήμη είναι διεπιστημονικό πεδίο που συνδυάζει τη Φυσική, τα εφαρμοσμένα μαθηματικά και την επιστήμη των Υπολογιστών( CS), με σκοπό την επίλυση ρεαλιστικών επιστημονικών προβλημάτων, ενώ ή υπολογιστική προσέγγιση και οι προσομοιώσεις θεωρούνται ως θεμελιώδη συστατικά της επιστήμης.. 39

40 Εικόνα : η παλαιά και η σύγχρονη άποψη για την Υπολογιστική Επιστήμη ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΕΠΙΣΤΗΜΗ Γενικότερα Όλα τα γνωστικά Πεδία..Ψυχολογία, Διδακτική, Κοινωνιολογία ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ σε γνωστικά πεδία ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ HARDWARE/SOFTWAR E ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΑ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Εικόνα : Το επιστημονικό πεδίο της Υπολογιστικής Επιστήμης 40

41 Πλέον θεωρείται ότι η Υπολογιστική Επιστήμη αποτελεί από μόνη της ένα γνωστικό αντικείμενο ( It is a discipline in its own right (President s Information Technology Advisory Committee, 2005) και θεωρείται ως ένα από τα πέντε πιο αναπτυσσόμενα πεδία/πτυχία (and is considered to be one of the five college majors on the rise (Fischer and Gleen, 5 College Majors on the Rise, The Chronicle of Higher Education, 2009.) 41

42 Εικόνα : Το επιστημονικό πεδίο της Υπολογιστικής Επιστήμης Η χρήση των υπολογιστών στις Επιστήμες και στην Εκπαίδευση των Επιστημών μπορεί να διαιρεθεί στις παρακάτω κατηγορίες: στην αριθμητική ανάλυση, στην οπτικοποίηση, στο συμβολικό χειρισμό, στην προσομοίωση και στην συλλογή δεδομένων. Η αριθμητική ανάλυση αναφέρεται στην εύρεση λύσεων,σαφώς ορισμένων προβλημάτων, οι οποίες εκφράζονται σε αριθμητική μορφή και όχι σε συμβολική μορφή. Ο συμβολικός χειρισμός στηρίζεται στην εγγενή ιδιότητα των Μαθηματικών να διαχειρίζονται σύμβολα. Η χρήση των υπολογιστών στο συμβολικό χειρισμό αναφέρεται στα αφηρημένα σύμβολα των Μαθηματικών με τα οποία παρέχεται η δυνατότητα να λύνουμε παρόμοια προβλήματα χρησιμοποιώντας σύμβολα. Με την οπτικοποίηση δεδομένων μπορούμε να παρατηρήσουμε πρότυπα(patterns) τα οποία δύσκολα θα τα προσδιορίζαμε χωρίς να έχουμε οπτική αναπαράσταση των δεδομένων μέσω αναπαραστάσεων και γραφικών παραστάσεων. Επειδή συνήθως απαιτούνται περισσότερες από τρείς μεταβλητές για την ανάλυση ενός φαινομένου, η γραφικές παραστάσεις είναι ένα ισχυρό εργαλείο για την κατανόηση του φαινομένου. Τέλος οι υπολογιστές εμπλέκονται σε όλες τις φάσεις ενός πειράματος στο εργαστήριο, από το σχεδιασμό των συσκευών μέχρι τη συλλογή και ανάλυση των δεδομένων. Πολλές από τις ενέργειες που πραγματοποιούνται στο φυσικό εργαστήριο είναι αντίστοιχες με αυτές που εμφανίζονται στις προσομοιώσεις (Introduction to Computer Simulation Methods by Harvey Gould, Jan Tobochnik, and Wolfgang Christian, Addison-Wesley (2006). Συχνά οι προσομοιώσεις με Η/Υ αναφέρονται και ως υπολογιστικά πειράματα εξαιτίας και 42

43 των αναλογιών που παρατίθενται στον παρακάτω πίνακα. Φυσικό Εργαστήριο Δείγμα Φυσικές Συσκευές Ρύθμιση των Συσκευών Μετρήσεις Ανάλυση των Δεδομένων Υπολογιστική Προσομοίωση Μοντέλο Πρόγραμμα στον Η/Υ Έλεγχος του Προγράμματος Υπολογισμοί Ανάλυση των Δεδομένων Εικόνα : Συγκριτική Παρουσίαση του φυσικού πειράματος και της υπολογιστικής προσομοίωσης 2.2. Το παράδειγμα επίλυσης προβλήματος με χρήση της Υπολογιστικής Επιστήμης και των ΤΠΕ στην Εκπαίδευση- Το μοντέλο προσομοίωσης (simulation model). Ο σκοπός μας στο μάθημα δεν είναι η ανάλυση της μεθοδολογίας της Υπολογιστικής Επιστήμης, αλλά ο μετασχηματισμός των μεθόδων της στην διδακτική και την εκπαίδευση. Οι προσομοιώσεις με υπολογιστή είναι μέρος της σύγχρονης βασικής και εφαρμοσμένης έρευνας και της διδακτικής ενώ νέα πεδία έχουν δημιουργηθεί στην Υπολογιστική Επιστήμη όπως «Υπολογιστική Φυσική», «Υπολογιστικά Μαθηματικά», «Υπολογιστική Γλωσσολογία», «Υπολογιστική Ψυχολογία», κλπ Στην Υπολογιστική Επιστήμη το μοντέλο, η προσομοίωση και το υπολογιστικό πείραμα παίρνουν τη θέση του «κλασικού» πειράματος συνθέτοντας έτσι την εικόνα της Επιστήμης. Οι προσομοιώσεις χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με δυναμικά μοντέλα, δηλαδή μοντέλα που περιλαμβάνουν τη χρονική εξέλιξη και ουσιαστικά είναι οι μαθηματικές μέθοδοι (συμπεριλαμβανομένων και των αλγορίθμων) ώστε το φυσικό σύστημα να διακριτικοποιηθεί (Sloot, 1994). Ο σκοπός της προσομοίωσης είναι δηλαδή να λύσει τις εξισώσεις κίνησης αυτού του μοντέλου το οποίο αντιστοιχεί σύμφωνα με κάποιο στόχο-φαινόμενο. Συνθέτοντας τη θεωρία της μοντελοποίησης και τις αρχές της προσομοίωσης, προκύπτει ο όρος μοντέλο προσομοίωσης (simulation model). Με αυτό εννοούμε το σύνολο των υποθέσεων για τη λειτουργία του συστήματος, εκφρασμένων υπό μορφή μαθηματικών ή λογικών σχέσεων μεταξύ των αντικειμένων-οντοτήτωνμεταβλητών-παραμέτρων του συστήματος (κωδικοποιημένων σε πρόγραμμα υπολογιστή). Η προσομοίωση πραγματοποιείται πάντα σε μοντέλο και όχι στο πρωτότυπο σύστημα. 43

44 Επιστημονικό Πρόβλημα Μοντέλο Αλγόριθμος Μέθοδος Προσομοίωσης Υλοποίηση με γλώσσα (C++,Fortran, Java κλπ) Αξιολόγηση Οπτικοποίηση- Διερεύνηση Εικόνα : Το παράδειγμα επίλυσης προβλήματος με χρήση της Υπολογιστικής Επιστήμης και των ΤΠΕ στην Εκπαίδευση (Landau et al., 2008) Το μοντέλο της προσομοίωσης που αναφέραμε στην ενότητα που μιλούσαμε για τα μοντέλα, εντάσσεται στην Υπολογιστική Επιστήμη μέσω του Υπολογιστικού πειράματος ώστε να ενταχθούν και οι ΤΠΕ στην Εκπαίδευση σε ένα Επιστημονικό πλαίσιο με τη χρήση των αρχών της Υπολογιστικής Επιστήμης. Η διαδικασία που απαιτείται είναι να ξεκινήσουμε από την άποψη που έχουμε για το μοντέλο μιας διαδικασίας ή ενός φαινομένου, στη συνέχεια να αποφασίσουμε για τη μέθοδο της προσομοίωσης (διακριτού χρόνου, διακριτών συμβάντων, στοχαστική) και τέλος για τον αλγόριθμο που θα μας οδηγήσεις στην κατασκευή του κώδικα και την υλοποίησή του με λογισμικά ή γλώσσα προγραμματισμού. Η διαδικασία αυτή αποτελεί και το παράδειγμα επίλυσης προβλήματος με χρήση των ΤΠΕ στην εκπαίδευση. Πολύ κοντά στις απόψεις του Landau είναι και η πρόταση του Sloot (1994). Σύμφωνα με τον Sloot, προτείνεται η παρακάτω λογική ακολουθία για τον τρόπο εργασίας στην Υπολογιστική Επιστήμη και στο Υπολογιστικό Πείραμα: Πρόβλημα θεωρία μοντέλο μέθοδος-προσομοίωσης υλοποίηση (με γλώσσες προγραμματισμού ή λογισμικά) αξιολόγηση (συγκρίνοντας με πραγματικά δεδομένα). Σε όλες τις προσεγγίσεις του Υπολογιστικού Πειράματος θεμελιώδης συνιστώσα είναι ο αλγόριθμος ενώ από ερευνητικές εργασίες προκύπτει η ενσωμάτωση του υπολογιστικού πειράματος σε συνδυασμό με την επίλυση προβλήματος είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος διδασκαλίας (Yasar et al., 2006). Για τη προσομοίωση ενός συστήματος χρησιμοποιούμε τις οντότητες (entities), τα χαρακτηριστικά (attributes), τα γεγονότα (events), τις δραστηριότητες-ενέργειες (activities) και τις διαδικασίες (processes) του συστήματος, ενώ ως σύστημα εννοούμε μια συλλογή οντοτήτων εννοιών που αλληλεπιδρούν. Οι υπολογιστικές προσομοιώσεις κατηγοριοποιούνται σε προσομοιώσεις διακριτού χρόνου, συνεχούς χρόνου και γεγονότων και στοχαστικές προσομοιώσεις (Ψυχάρης, 2009). 44

45 2.3 Η Υπολογιστική σκέψη Η υπολογιστική σκέψη είναι μια νέα μέθοδος επίλυσης προβλήματος και χρησιμοποιείται ευρέως στην επιστήμη των υπολογιστικών και την υπολογιστική επιστήμη. Η μέθοδος αυτή συνδυάζει την κριτική σκέψη, την υπάρχουσα γνώση του εκπαιδευόμενου και εφαρμόζεται για την επίλυση πολύπλοκων προβλημάτων. Ο όρος πρωτοεμφανίσθηκε στο κλασικό άρθρο της Wing(2006) αλλά η σχέση ανάμεσα στην υπολογιστική σκέψη και την κριτική σκέψη δεν έχει ακόμα διερευνηθεί πλήρως. Η πολυπλοκότητα της κριτικής σκέψης αποδεικνύεται και από το γεγονός ότι δεν υπάρχει καθολικά αποδεκτός ορισμός για την κριτική σκέψη. Ωστόσο ένας μεγάλος αριθμός διαστάσεων της κριτικής σκέψης είναι αποδεκτός από πολλούς συγγραφείς. Μερικές από αυτές τις διαστάσεις είναι: η ανάλυση και σύνθεση, η αιτιολόγηση, η ανάληψη αποφάσεων, ο σχηματισμός συμπερασμάτων και οι γενικεύσεις που συνδυάζονται με την υπολογιστική σκέψη. Ο Υπολογιστικός Τρόπος Σκέψης Computational Thinking και το Εκπαίδευση-Διδακτική» το «STEM στην Στο report (Computer Science as a school subject-seizing the opportunity Computing at School Working Group, March 2012), γίνεται αναφορά στον όρο «computational thinking»- Υπολογιστική σκέψη,όπως και σε πληθώρα άρθρων σχετικών με την εκπαίδευση(διδακτικήπαιδαγωγικά). Η Υπολογιστική σκέψη «ολοκληρώνει» την Επιστήμη των Υπολογιστών- Computer Science- με την Υπολογιστική Επιστήμη(Computational Science) ώστε να αξιοποιηθούν γνωστικές περιοχές όπως, η επιστήμη των Μηχανικών, τα Μαθηματικά, η Ψυχολογία, οι Φυσικές Επιστήμες,τα Οικονομικά, η Παιδαγωγική, η Επιστήμη των Υπολογιστών κλπ με διδακτικό τρόπο σύμφωνα με τις σύγχρονες θεωρίες μάθησης σε ένα παιδαγωγικό πλαίσιο Ο Υπολογιστικός τρόπος σκέψης αναφέρεται στην διαδικασία της αναγνώρισης των ποσοτήτων που μπορούν να υπολογισθούν(φυσικές ποσότητες, κατασκευές κλπ), την εφαρμογή εργαλείων και τεχνικών για να υλοποιηθεί ο υπολογισμός ο οποίος θα καταλήγει όχι μόνο σε αριθμητικές τιμές αλλά και θα βοηθά για την κατανόηση και αιτιολόγηση των τεχνικών ή φυσικών διαδικασιών που εμπλέκονται στον υπολογισμό (Jeanette Wing, Computational thinking, Communications of the ACM, March 2006, Λειτουργικοί ορισμοί του Computational Thinking Ο Διεθνής οργανισμός -The International Society for Technology in Education (ISTE)-και η ένωση - Computer Science Teachers Association (CSTA) - έχουν συνεργαστεί με οργανισμούς που καθορίζουν την εκπαιδευτική πολιτική, την βιομηχανία καθώς και με εκπαιδευτικούς για να αναπτύξουν λειτουργικούς ορισμούς για την υπολογιστική σκέψη-- computational thinking. Σύμφωνα με τον οργανισμό αυτό το Computational thinking (CT) είναι μια διαδικασία επίλυσης προβλήματος που περιλαμβάνει μεταξύ άλλων τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: 45

46 Ο Υπολογιστικός Τρόπος Σκέψης Computational Thinking και το Το «STEM στην Εκπαίδευση-Διδακτική» εμπλέκεται στα: Τη διατύπωση του προβλήματος με τέτοιο τρόπο ώστε να μας επιτρέπει τη χρήση του ΗΥ και άλλων εργαλείων Την λογική οργάνωση και ανάλυση δεδομένων Την αναπαράσταση των δεδομένων μέσω αφαιρετικών δομών όπως τα μοντέλα και οι προσομοιώσεις Την αυτοματοποιημένη λύση των προβλημάτων μέσω τα αλγοριθμικής σκέψης Τον προσδιορισμό, ανάλυση και την υλοποίησης εναλλακτικών λύσεων και την αναζήτηση της βέλτιστης λύσης Την γενίκευση και μεταφορά του προβλήματος προς επίλυση σε άλλες παρόμοιες καταστάσεις Τα παραπάνω βοηθούν τους εκπαιδευόμενους να ασχοληθούν με πολύπλοκα προβλήματα, να επιμένουν στην επίλυση δύσκολων προβλημάτων, να δείχνουν «ανοχή» στην αντιμετώπιση προβλημάτων στα οποία δεν είναι οικείοι, να είναι ικανοί να αντιμετωπίζουν ανοικτά προβλήματα και τέλος να επικοινωνούν τη λύσης τους με άλλα άτομα της κοινότητας. Δραστηριότητες Δραστηριότητα 1. Η χρήση των υπολογιστών στις Επιστήμες και στην Εκπαίδευση των Επιστημών μπορεί να διαιρεθεί στις παρακάνω κατηγορίες που αναφέρθηκαν. Να επισκεφθείτε τα αποθετήρια που αναφέραμε και να εξετάσετε αν τα μοντέλα προσομοίωσης περιέχουν κάποιες από αυτές τις κατηγορίες. Δραστηριότητα 2. Να σχολιάσετε την μεθοδολογία της Υπολογιστικής Επιστήμης και να διερευνήσετε την εφαρμογή της σε διάφορα γνωστικά πεδία και στην ειδικότητά σας, αναφέροντας με λεπτομέρειες τρόπους εφαρμογής της. Δραστηριότητα 3. Να διερευνηθεί η σχέση της υπολογιστικής σκέψης και της κριτικής σκέψης. Η εργασία αυτή μπορεί να οδηγήσει και σε διπλωματική εργασία. 46

47 Κεφάλαιο 3 Η διερευνητική μάθηση και τα Υπολογιστικά Μοντέλα Προσομοίωσης-Το Σενάριο Μαθήματος 3.1. Η Ανακαλυπτική-Διερευνητική-Inquiry Μάθηση Έχοντας μιλήσει για μοντέλα, προσομοιώσεις και την γνωστική περιοχή της Υπολογιστικής Επιστήμης, θα επιχειρήσουμε να συνθέσουμε αυτά για να καταλήξουμε στα βήματα ανάπτυξης σεναρίου. Το σενάριο μαθήματος σχετίζεται με την ένταξη της διαδικασίας της μάθησης σε ένα πολύπλοκο, ρεαλιστικό και πραγματικό περιβάλλον, δηλαδή με την εμπλοκή των εκπαιδευόμενων σε ρεαλιστικά -αυθεντικά καθήκοντα. Μια άλλη συνιστώσα του σεναρίου αφορά την σχέση των διδακτικών στρατηγικών με την έρευνα. Κατά τη διάρκεια της μαθησιακής διδακτικής ακολουθίας θα πρέπει να εγείρονται ερωτήματα όπως (Flick & Lederman, 2006): 1. έχουν εμπλακεί οι εκπαιδευόμενοι στην επιστημονική διαδικασία; 2. είναι οι διδακτικές στρατηγικές ενταγμένες στην επιστημονική διαδικασία; Ένα διδακτικό μοντέλο σενάριο θα πρέπει οπωσδήποτε να περιλαμβάνει τις εξής δομές: εμπλοκή, διερεύνηση, εξήγηση, λεπτομερή ανάπτυξη και αξιολόγηση, ώστε να είναι συμβατό και με τις σύγχρονες θεωρίες μάθησης σύμφωνα με τις οποίες ο εκπαιδευόμενος χτίζει μόνος του τη γνώση όταν του δίνεται η δυνατότητα να αναπτύξει τα νοητικά του μοντέλα. Το Εθνικό Συμβούλιο Εκπαίδευσης των ΗΠΑ συνιστά ότι η διδασκαλία και η διδακτική των Επιστημών θα πρέπει να εστιάσει στις πιο θεμελιώδεις επιστημονικές ιδέες και να παρέχει στους εκπαιδευόμενους τη δυνατότητα να διερευνούν, παράγουν, εξηγούν, αξιολογούν και να τροποιούν την γνώση που τους παρέχεται (National Research Council, 1996, 2000, 2007). Η δημοσίευση του άρθρου "Science Education Now: A renewed Pedagogy for the Future of Europe (Rocard, 2007), επανέφερε το θέμα της διδακτικής των επιστημών με την ανακαλυπτική-διερευνητική μάθηση (Inquiry Based). Στο άρθρο τονίζεται ότι το πεδίο της διδακτικής των επιστημών ασχολείται-μεταξύ άλλων- με την δόμηση εννοιών, την μοντελοποίηση, την επίλυση προβλήματος, τις μεταγνωστικές δεξιότητες και την συμμετοχή στις ερευνητικές διαδικασίες. Η ανακαλυπτική-διερευνητική (Inquiry) μάθηση έχει επίσημα «προαχθεί» ως μια βασική παιδαγωγική για τη βελτίωση της μάθησης σε πολλές χώρες (Bybee et al., 2008). Η μέθοδος Inquiry μπορεί να ορισθεί ως «η εντατική προσπάθεια για την αναγνώριση του προβλήματος, την κριτική αντιμετώπιση πειραμάτων, την εύρεση εναλλακτικών εξηγήσεων, τον σχεδιασμό της έρευνας, την κατασκευή μοντέλων, την δόμηση επιχειρημάτων κλπ) ενώ θεωρείται ως ο πιο ενδεδειγμένος τρόπος για την υλοποίηση της επιστημονικής μεθόδου στα σχολεία (Bell et al., 2004; Bell et al., 2010; Levy et al., 2010; Levy & Petrulis, 2011). Η ανακαλυπτική-διερευνητική (Inquiry) μέθοδος (συχνά για λόγους συντομίας θα την αναφέρουμε ως Inquiry) αναφέρεται στην εκπαίδευση των επιστημών για να δηλώσει τουλάχιστον τρείς διακριτές αλλά αλληλοσυνδεόμενες κατηγορίες δραστηριοτήτων: 47

48 Την δραστηριότητα των επιστημόνων όταν ακολουθούν την επιστημονική μέθοδο, 2. Τον τρόπο με τον οποίο μαθαίνουν οι μαθητές-φοιτητές, και 3. Την παιδαγωγική, δηλαδή τις διδακτικές στρατηγικές που ακολουθούν οι εκπαιδευτικοί όταν σχεδιάζουν διδακτικές ακολουθίες οι οποίες δίνουν την δυνατότητα στους μαθητές-φοιτητές να παρατηρούν, να εκτελούν πειράματα και να αναστοχάζονται στις ενέργειές τους (Minner et al., 2010). Οι (Bell et al., 2010), προσδιόρισαν εννέα (9) βασικές διαδικασίες που εντάσσονται στην μέθοδο inquiry και οι οποίες υποστηρίζονται από υπολογιστικά περιβάλλοντα, και οι οποίες είναι: ο προσανατολισμός και η ανάπτυξη ερωτήσεων, η δημιουργία υποθέσεων, ο σχεδιασμός, η διερεύνηση, η ανάλυση και η ερμηνεία, η αξιολόγηση, η επικοινωνία και η πρόβλεψη. Οι εννέα αυτές διαδικασίες είναι στενά συνδεδεμένες με τα επτά (7) στάδια του Inquiry (Asay & Orgill, 2010; The Pathway to Inquiry Based Project, τελευταία πρόσβαση, 18 Σεπτέμβριος, 2013), τα οποία είναι τα :η ερώτηση, η απόδειξη, η ανάλυση, η εξήγηση, η σύνδεση, η επικοινωνία και ο αναστοχασμός. 3.2 Τα Επτά Στάδια της Ανακαλυπτικής-Διερευνητικής-Inquiry Μάθησης Σύμφωνα με τους (Asay & Orgill, 2010; The Pathway to Inquiry Based Project, τελευταία πρόσβαση, 18 Σεπτέμβριος, 2013, tα επτά στάδια της ανακαλυπτικής-διερευνητικής μάθησης είναι: η ερώτηση, η απόδειξη, η ανάλυση, η εξήγηση, η σύνδεση, η επικοινωνία και ο αναστοχασμός. Παρακάτω αναλύουμε κάθε ένα από αυτά. Ανοικτή Καθοδηγούμενη Δομημένη Ερώτηση Οι μαθητές διερευνούν μια επιστημονικά προσανατολισμένη ερώτηση Ο μαθητής θέτει μόνος του ερωτήσεις Ο μαθητής επιλέγει την ερώτηση από μια συλλογή που θέτει ο εκπαιδευτικός ή από πόρους που θέτει ο εκπαιδευτικός Στον μαθητή δίνεται η ερώτηση από τον εκπαιδευτικό Απόδειξη Οι μαθητές δίνουν προτεραιότητα στην απόδειξη Ο μαθητής προσδιορίζει μόνος του τι σημαίνει απόδειξη και συλλέγει δεδομένα Ο μαθητής επιλέγει την απόδειξη και τα δεδομένα από μια συλλογή που θέτει ο εκπαιδευτικός ή από πόρους που θέτει ο εκπαιδευτικός Στον μαθητή δίνεται η απόδειξη και τα δεδομένα από τον εκπαιδευτικό 48

49 Ανάλυση Οι αναλύουν απόδειξη μαθητές την Ο μαθητής αποφασίζει μόνος του πώς να αναλύσει την απόδειξη Ο μαθητής αναλύει την απόδειξη και τα δεδομένα από μια συλλογή που θέτει ο εκπαιδευτικός ή από πόρους που θέτει ο εκπαιδευτικός Στον μαθητή δίνεται η ανάλυση της απόδειξης ή καθοδηγείται από τον εκαπιδευτικό με ποιο τρόπο να πραγματοποιήσει την ανάλυση Εξήγηση Οι μαθητές παράγουν εξηγήσεις που βασίζονται στην απόδειξη Ο μαθητής αποφασίζει μόνος του πώς να προχωρήσει στην εξήγηση βασιζόμενος στην απόδειξη Ο μαθητής προχωρά στην εξήγηση μέσα από διάφορους τρόπους που παρέχονται απο τον εκπαιδευτικό Στον μαθητή παρέχεται η εξήγηση από τον εκπαιδευτικό Σύνδεση Οι μαθητές συνδέουν τις εξηγήσεις με την επιστημονική γνώση Ο μαθητής προχωρά μόνος του στην σύνδεση της εξήγησης με την επιστημονική γνώση Ο μαθητής παράγει την σύνδεση μέσα από πηγές που παρέχονται από τον εκπαιδευτικό Στον μαθητή παρέχεται η σύνδεση απ ευθείας από τον εκπαιδευτικό ή άλλους πόρους Επικοινωνία Οι μαθητές επικοινωνούν και αιτιολογούν την εξήγηση Ο μαθητής προχωρά μόνος του στην επικοινωνία και την αιτιολόγηση της εξήγησης Ο μαθητής επικοινωνεί και αιτιολογεί την εξήγηση με σχετική βοήθεια από τον εκπαιδευτικό Στον μαθητή παρέχονται υα βήματα για να επικοινωνήσει και να αιτιολογήσει την εξήγηση Αναστοχασμός Οι μαθητές αναστοχάζονται Ο μαθητής αποφασίζει μόνος του πώς να δομήσει την αναστοχαστική του διαδικασία Στον μαθητή παρέχονται οδηγίες για την δόμηση τςη αναστοχαστικής του διαδικασίας Στον μαθητή παρέχονται υα βήματα για να δομήσει την αναστοχαστική του 49

50 στην διερευνητικήανακαλυπτική διαδικασία που ακολούθησαν και στην μάθησή τους διαδικασία Εικόνα: Τα στάδια της ανακαλυπτικής-διερευνητικής Inquiry μάθησης Εικόνα: Τα στάδια της ανακαλυπτικής-διερευνητικής Inquiry μάθησης 50

51 Δραστηριότητες Δραστηριότητα 1. Να σχολιάσετε τα επτά στάδια της ανακαλυπτικής-διερευνητικής μάθησης και να προτείνετε τυχόν τροποποιήσεις. Επίσης να αναφέρετε εφαρμογές αυτών ή άλλων αντίστοιχων σταδίων στο γνωστικό σας αντικείμενο. Δραστηριότητα 2. Να διερευνήσετε και να σχολιάσετε την χρήση των μοντέλων στα επτά στάδια, δηλαδή με ποιο τρόπο η έννοια του μοντέλου «υπάρχει» στα επτά στάδια. 51

52 Κεφάλαιο 4 Η δόμηση σεναρίου με την ολοκλήρωση της ανακαλυπτικής-διερευνητικής μάθησης, την Υπολογιστική Επιστήμη και τις ΤΠΕ 4.1. Μια πρόταση για την εισαγωγή του Υπολογιστικού Πειράματος και των ΤΠΕ στην Εκπαίδευση Παρακάτω παρουσιάζουμε μια πρόταση για την ολοκλήρωση του υπολογιστικού πειράματος, της έννοιας του μοντέλου, των χώρων του μοντέλου, των σταδίων της ανακαλυπτικής-διερευνητικής μάθησης και των εργαλείων του της ανακαλυπτικήςδιερευνητικής μάθησης (Bell et al., 2010). Η πρόταση μπορεί να εφαρμοσθεί πρακτικά αν σκεφθούμε την μεθοδολογία του υπολογιστικού πειράματος και τις φάσεις υλοποίησης του και σε κάθε φάση εντάξουμε τους χώρους του υπολογιστικού πειράματος και τα στάδια της Inquiry μάθησης. Το πλεονέκτημα αυτής της μεθοδολογίας θεωρούμε ότι είναι η δυνατότητα από τον εκπαιδευόμενο όχι μόνο να διερευνά υπάρχοντα-έτοιμα μοντέλα αλλά κυρίως να δημιουργεί ατ δικά του-εκφραστικά μοντέλα, ενώ οι ΤΠΕ δεν θα είναι ένα «μαύρο» κουτί, αλλά αντίθετα ο εκπαιδευόμενος θα μπορεί να συμμετέχει στην παραγωγή του μοντέλου. Οι χώροι του Υπολογιστικού Πειράματος Ο χώρος των Υποθέσεων Τα στάδια χαρακτηριστικά της ανακαλυπτικήςδιερευνητικής Μάθησης (Asay & Orgill, 2010; Pathway Project) Ερώτηση Εργαλεία ανακαλυπτικής διερευνητικής μάθησης (Bell et al., 2010) Προσανατολισμός και Ανάπτυξη ερωτήσεων, Δημιουργία υποθέσεων Ο χώρος του Πειράματος Απόδειξη, Ανάλυση, Εξήγηση Σχεδιασμός, Διερεύνηση, Ανάλυση, Ερμηνεία, Μοντελοποίηση Ο χώρος των Προβλέψεων Σύνδεση, Αναστοχασμός Επικοινωνία, Συμπεράσματα, αξιολόγηση, πρόβλεψη Πίνακας : Η αντιστοίχηση των χώρων του Υπολογιστικού Πειράματος, των χαρακτηριστικών-σταδίων της ανακαλυπτικής μάθησης και των εργαλείων της ανακαλυπτικής μάθησης 4.2 Το TPACK Από το άρθρο «Epistemological and methodological issues for the conceptualization, development, and assessment of ICT TPCK: Advances in technological pedagogical content 52

53 knowledge (TPCK), Charoula Angeli *, Nicos Valanides, Computers & Education 52 (2009) TPCK είναι ένα σώμα γνώσης που κατασκευάζεται από την αλληλεπίδραση των επιμέρους στοιχείων που το συνθέτουν. Η αποτυχία να προετοιμάσουμε εκπαιδευτικούς να διδάξουν με τη χρήση της τεχνολογίας, μπορεί να ερμηνευθεί από πολλούς παράγοντες. Για παράδειγμα, η έμφαση των μαθημάτων εκπαιδευτικής τεχνολογίας στην απόκτηση τεχνικών δεξιοτήτων είναι ένας από τους παράγοντες. Οπως εξηγούν οι Becker και Riel (2001), και ο Selinger (2001), αν και οι τεχνικές δεξιότητες είναι σημαντικές, τα μαθήματα που βασίζονται στις δεξιότητες δεν είναι αρκετά για να προετοιμάσουν τους εκπαιδευτικούς να διδάξουν με τη χρήση της τεχνολογίας, γιατί συνήθως διδάσκονται ανεξάρτητα από το συγκεκριμένο γνωστικό αντικείμενο. Η έννοια του PCK(Pedagogical Content Knowledge) ΠΓΠ-εισήχθη από τον Shulman (1986,1987) ο οποίος επέμενε ότι ή έρευνα στην διδακτική και στην εκπαίδευση των εκπαιδευτικών δεν έδινε πολλή σημασία στο περιεχόμενο των μαθημάτων Το PCK προσδιόρίζε τα διακριτά σώματα γνώσης για την διδασκαλία και αναφέρεται στις ερμηνείες των εκπαιδευτικών και στους μετασχηματισμούς των γνωστικών αντικειμένων τη διευκόλυνση της μάθησης. Ο Shulman (1987) ξεχώρισε τις ακόλουθες εφτά κατηγορίες γνώσης: θεµατολογική γνώση περιεχοµένου (subject matter), γενική παιδαγωγική γνώση (pedagogical knowledge), γνώση του αναλυτικού προγράµµατος (curriculum knowledge), παιδαγωγική γνώση περιεχοµένου, γνώση των µαθητών και των χαρακτηριστικών τους, γνώση του εκπαιδευτικού πλαισίου, γνώση των διδακτικών στόχων, σκοπών, αξιών και των φιλοσοφικών και ιστορικών πηγών.( Καρουλλά & Τσαγγαρίδου,2006). Η έννοια της Τεχνολογικής Παιδαγωγικής Γνώσης Περιεχομένου (ΤΠΓΠ)-TPCKδιατυπώθηκε από τους Mishra και Koehler (2006) με στόχο να περιγράψουν ολοκληρωμένα το πλαίσιο των παραγόντων που καθορίζουν την ένταξη των ΤΠΕ στη σχολική τάξη. Το μοντέλο αυτό δεν αντιμετωπίζει ανεξάρτητα το Περιεχόμενο, την Παιδαγωγική και τα Τεχνολογικά μέσα αλλά μέσα από το σύνθετο σύστημα αλληλοσυσχετίσεων που ορίζουν οι τρεις αυτές παράμετροι. Από την εισαγωγή της ως θεωρητική έννοια, η ΤΠΠΓ έχει μετασχηματιστεί σε ένα χρήσιμο πλαίσιο-εργαλείο για την υποστήριξη της ένταξης των ΤΠΕ στη σχολική πρακτική προσφέροντας πολλές δυνατότητες στην εκπαιδευτική έρευνα, στην εκπαίδευση και επαγγελματική ανάπτυξη των εκπαιδευτικών και στην ενσωμάτωση των ΤΠΕ στην τάξη. 53

54 (Η Τεχνολογική Παιδαγωγική Γνώση Περιεχομένου για τις Φυσικές Επιστήμες: Μια εφαρμογή στην επιμόρφωση επιμορφωτών εκπαιδευτικών Αθανάσιος Τζιμογιάννης, Α. Τζιμογιάννης (επιμ.), Πρακτικά Εργασιών 7ου Πανελλήνιου Συνεδρίου με Διεθνή Συμμετοχή «Οι ΤΠΕ στην Εκπαίδευση», τόμος ΙΙ, σ ) 54

55 Εικόνα : Μια πρόταση για την ολοκλήρωση των μοντέλων προσομοίωσης με την Υπολογιστική, τις ΤΠΕ και την Παιδαγωγική 4.3 Το STEM στην Εκπαίδευση Εισαγωγή στο STEM "We don't want the next Intel or Google to be created in China or India. We want those companies and jobs to take root in America" Barack Obama President of the United States of America, May 2011, και επίσης: One of the things that I ve been focused on as President is how we create an all-hands-on-deck approach to science, technology, engineering, and math. We need to make this a priority to train an army of new teachers in these subject areas, and to make sure that all of us as a country are lifting up these subjects for the respect that they deserve. President Barack Obama 2013 White House Science Fair April 2013, Το STEM πρωτοεμφανίσθηκε το 2001 από την Judith A. Ramaley(Διευθύντρια του τομέα εκπαίδευσης του National Science Foundation's ΗΠΑ), και ουσιαστικά είναι μια προσέγγιση 55

56 στην Εκπαίδευση που σχεδιάζεται ώστε στην διδακτική και μαθησιακή ακολουθία να εισαχθούν ενοποιημένα-οι Θετικές Επιστήμες(π.χ. Φυσική, Βιολογία, Χημεία), οι Τεχνολογίες Πληροφορίας και η Επιστήμη των Υπολογιστών, η Επιστήμη των Μηχανικών και τα Μαθηματικά. Το 2005 δημιουργήθηκε στις ΗΠΑ η επιτροπή The President s Information Technology Advisory Committee (PITAC) για την εισαγωγή του STEM στην Εκπαίδευση. Στη σχετική έκθεση η PITAC διαπιστώνει ότι η Υπολογιστική Επιστήμη (Computational Science) συμβάλλει στους επιστημονικούς, οικονομικούς, κοινωνικούς και εθνικούς στόχους και τη διατήρηση ανταγωνιστικότητας (PITAC, 2005). Το 2012 στο Ηνωμένο Βασίλειο έγιναν έντονες συζητήσεις για την εισαγωγή της Επιστήμης των Υπολογιστών στην εκπαίδευση και, ως συνέπεια αυτού, τα τμήματα εκπαίδευσης που εκπαίδευαν εκπαιδευτικούς για να διδάξουν τις ΤΠΕ στα σχολεία, άλλαξαν τα αναλυτικά τους προγράμματα ώστε να συμπεριλάβουν την Επιστήμη των Υπολογιστών σε αυτά(computer Science as a school subject.seizing the opportunity Computing at School Working Group March 2012). Η σχετική πρωτοβουλία για την εισαγωγή του «STEM in Education» συνεχίσθηκε έπειτα από εισήγηση της επιτροπής PITAC( President s Innovation and Technology Advisory Committee) και του Εθνικού Συμβουλίου έρευνας(stem Education: Recommendations for the President-Elect Obama Administration-January 11, 2009), σχετικά με θέματα που σχετίζονται με την καινοτομία της εκπαιδευτικής πολιτικής, τις επιστήμες και την τεχνολογία. Για το STEM στην εκπαιδευτική-μαθησιακή ακολουθία υπάρχουν πολλοί ορισμοί. Σύμφωνα με το Υπουργείο Παιδείας των ΗΠΑ (2007), «Τα προγράμματα εκπαίδευσης που αφορούν την Επιστήμη, την Τεχνολογία, την Επιστήμη των Μηχανικών και τα Μαθηματικά ορίζονται ως εκείνα που προορίζονται κυρίως για την παροχή στήριξης ή για την ενίσχυση της εκπαιδευτικής διαδικασίας της επιστήμης, της τεχνολογίας, της μηχανικής ή των μαθηματικών (STEM) από την πρωτοβάθμια και δευτεροβάθμια εκπαίδευση μέχρι τα μεταπτυχιακά προγράμματα, συμπεριλαμβανομένης της εκπαίδευσης ενηλίκων». Σε αντίθεση με τους προηγούμενους ορισμούς, ο Merrill (2009) προτείνει ότι η εκπαίδευση STEM είναι βασισμένη σε πρότυπα και είναι μετα-επιστημονική, ενυπάρχει στο σχολείο όπου όλοι οι καθηγητές, ειδικά της επιστήμης, της τεχνολογίας, της Επιστήμης των Μηχανικών και των μαθηματικών, διδάσκουν μια ολοκληρωμένη προσέγγιση στη διδασκαλία και τη μάθηση κατά την οποία ένα συγκεκριμένο περιεχόμενο δε διασπάται, αλλά αντιμετωπίζεται ως μία δυναμική μελέτη. Οι προηγούμενοι ορισμοί περιέχουν μία ομοιότητα τα ειδικά κριτήρια για τη συνεργασία μεταξύ Επιστήμης, Τεχνολογίας, Επιστήμης των Μηχανικών ή και Μαθηματικών. Ο Zollman (2012) προτείνει να προχωρήσουμε πέρα από τον καθορισμό της εκπαίδευσης STEM και να επικεντρωθούμε περισσότερο στον καθορισμό της παιδείας του STEM ως μια δυναμική διαδικασία που αλλάζει με την πάροδο του χρόνου, και όχι να το λαμβάνουμε υπόψη σαν ένα συνολικό και συμπαγές κατασκεύασμα. Ο γενικός στόχος θα πρέπει να είναι να περάσουμε από την μάθηση για την απόκτηση της STEM 56

57 παιδείας, στην ικανότητα να χρησιμοποιείται η STEM παιδεία για τη συνεχή μάθηση (Brown, 2012). Ένα μάθημα ή μια ενότητα σε μια τάξη που εφαρμόζεται το STEM συνήθως βασίζεται στην εξεύρεση μια λύσης σε ένα πραγματικό/αυθεντικό πρόβλημα και εστιάζει στη βιωματική μάθηση. Πολλά μαθήματα STEM περιλαμβάνουν κατασκευές μοντέλων και τις αντίστοιχες προσομοιώσεις τους. Ένα καλό μάθημα STEM διασφαλίζει ότι οι μαθητές κατανοούν τη σύνδεση με τον πραγματικό κόσμο. Ένα παράδειγμα μαθήματος STEM θα ξεκινούσε δείχνοντας φωτογραφίες μεγάλων πλοίων φορτηγών που μεταφέρουν κιβώτια. Στη συνέχεια, οι μαθητές θα πειραματιστούν με διάφορα υλικά και σχέδια με τη βοήθεια του υπολογιστή, σε μια προσπάθεια να οικοδομηθεί το μοντέλο ενός πλοίου το οποίο να μπορεί να χωρέσει μεγάλες ποσότητες πενών. Τα μαθηματικά θα ενσωματώνονταν κάνοντας τις απαραίτητες ειδικές μετρήσεις του σχεδίου και απαιτώντας από τους μαθητές να κρατήσουν μέσα σε ένα συγκεκριμένο προϋπολογισμό τα υλικά τους. Αυτό το πειραματικό μοντέλο δείχνει πώς οι μηχανικοί και οι επιστήμονες στην πραγματικότητα προσπαθούν να βελτιώσουν την αποτελεσματικότητα των υφιστάμενων ναυτιλιακών σχεδίων. Σύμφωνα με τον Sanders (2009), οι δραστηριότητες που λαμβάνουν χώρα στη STEM εκπαίδευση είναι βασισμένες στις αρχές της διερευνητικής μάθησης και στα ευρήματα της γνωστικής επιστήμης, και παρέχουν το πλαίσιο για την οργάνωση αφηρημένων εννοιών της επιστήμης και των μαθηματικών, ενώ ενθαρρύνουν τους μαθητές να κατασκευάσουν ενεργά τη γνώση της επιστήμης και των μαθηματικών, προάγοντας έτσι την ανάκληση και τη μεταφορά της γνώσης.(πανέλλη Μαρία, Διπλωματική Εργασία ΕΠΠΑΙΚ,2016) Το STEM είναι η εκ προθέσεως σύνδεση ανάμεσα σε δύο ή περισσότερες από τις θεματικές περιοχές που ενσωματώνει (επιστήμη, τεχνολογία, επιστήμη των μηχανικών, μαθηματικά) για να οδηγήσει τη διδασκαλία μέσα από την παρατήρηση, την έρευνα και την επίλυση προβλημάτων σύμφωνα και με τον υπολογιστικό τρόπο σκέψης. Η εκπαίδευση με τη βοήθεια του STEM παρέχει το περιβάλλον διδασκαλίας και μάθησης μέσα στο οποίο δε διδάσκονται μόνο οι δεξιότητες στους τομείς της επιστήμης, της τεχνολογίας, της επιστήμης των μηχανικών και των μαθηματικών, αλλά και τα μέσα για τη σύνδεση αυτών των δεξιοτήτων μέσα από τις βασικές διαδικασίες της συλλογής δεδομένων, της επεξεργασίας αυτών, της ερμηνείας, της επικοινωνίας, της ανάλυσης και της σύνθεσης (Riley, 2013). Το STEM συνδέεται με τον υπολογιστικό τρόπο σκέψης και την Υπολογιστική Επιστήμη με σκοπό οι εκπαιδευόμενοι να εμπλέκονται στην επίλυση προβλημάτων στα οποία χρειάζονται γνώσεις από τα γνωστικά πεδία του STEM. Επιστημολογικά το STEM είναι μια δια-επιστημονική προσέγγιση (transdisciplinary) και μπορεί να αποδοθεί ως εγκάρσια διεπιστημονικότητα 57

58 Multi-disciplinarity draws on knowledge from different disciplines but stays within their boundaries. Inter-disciplinarity analyzes, synthesizes and harmonizes links between disciplines into a coordinated and coherent whole (Choi, 2006). Inter-disciplinarity is not just research in two or more different disciplines, nor is it adding methodologies from other disciplines to an already discrete project; rather, it is an integrated approach to answering a question that recognizes the limitations inherent in the compartmentalized system of academic research. Η διε-επιστημονικότητα (Ιnterdisciplinary) δεν είναι απλά μια έρευνα/πρακτική δυο ή περισσοτέρων γνωστικών περιοχών, ούτε η «πρόσθεση» των μεθοδολογιών τους. Η διεεπιστημονικότητα είναι μια ολοκληρωμένη προσέγγιση/πρακτική για να απαντηθεί ένα ερώτημα, η οποία αναγνωρίζει τους εγγενείς περιορισμούς της «τεμαχοποίησης» της ακαδημαϊκής έρευνας Μέσω αυτής της προσέγγισης οι επιμέρους γνωστικές περιοχές προσφέρουν τις εννοιολογικές κατασκευές και ταις μεθοδολογίες για να λυθεί το πρόβλημα χωρίς όμως να χαθεί η αυτονομία των επιμέρους γνωστικών περιοχών. What Is Transdisciplinary Research? Transdisciplinary research is, essentially, team science. In a transdisciplinary research endeavor, scientists contribute their unique expertise but work entirely outside their own discipline. They strive to understand the complexities of the whole project, rather than one part of it. Transdisciplinary research allows investigators to transcend their own disciplines to inform one another s work, capture complexity, and create new intellectual spaces. 58

59 Η έννοια της δια-επιστημονικότητας (transdisciplinary) αφορά την προσέγγιση/πρακτική επίλυσης προβλήματος όπου όλοι οι συμμετέχοντες επιλέγουν έννοιες και μεθόδους από τις γνωστικές περιοχές προσπαθώντας να αντιληφθούν την πολυπλοκότητα του προβλήματος, την αναδύουσα (emerging) συμπεριφορά περνώντας από ένα επίπεδο στο άλλο(complexity theory) και να διασχίσουν όλοι τις γνωστικές περιοχές των άλλων ατόμων που συμμετέχουν. Στην δια-επιστημονική προσέγγιση συχνά οι συμμετέχοντες εμπλέκονται με τις άλλες γνωστικές περιοχές. Η ανάγκη εισαγωγής της Επιστήμης των Μηχανικών σε συνδυασμό με τις Φυσικές Επιστήμες στο επίπεδο του Λυκείου NGSS and the Next Generation of Science Teachers( Next Generation Science Standards identifies the science all K-12 students should know. These new standards are based on the National Research Council's A Framework for K-12 Science Education. The National Research Council, the National Science Teachers Association, the American Association for the Advancement of Science, and Achieve have partnered to create standards through a collaborative state-led process. The standards are rich in content and practice and arranged in a coherent manner across disciplines and grades to provide all students an internationally benchmarked science education. Σύμφωνα με τον Bybee (2014) Rodger W. Bybee-J Sci Teacher Educ (2014) 25: θα πρέπει στην εκπαίδευση των επιστημών να ενσωματώνουν τεχνικές και πρακτικές από την επιστήμη των Μηχανικών καθώς και έννοιες που διασχίζουν αυτές τις επιστήμες. Έτσι επανέρχεται το θέμα της δια-επιστημονικότητας-stem. Η εισήγηση για την σύγχρονη εκπαίδευση (του NGSS) έχει τρείς διαστάσεις για την εκπαίδευση των εκπαιδευτικών στις θετικές επιστήμες: 1)Βασικές έννοιες των επιστημών και διδακτικός μετασχηματισμός, 2) πρακτικές από την επιστήμη των μηχανικών και τις θετικές επιστήμες, και 3) Έννοιες που διασχίζουν εγκάρσια αυτές τις επιστήμες. Η εκπαίδευση STEM παρέχει τα εργαλεία και την ώθηση στα παιδιά να εξερευνήσουν και να ανακαλύψουν τον κόσμο μέσα από μια κουλτούρα η οποία υποστηρίζει τη συνεργατική έρευνα και συνεργασία μεταξύ μαθητών και εκπαιδευτικών. Οι μαθητές συμμετέχουν σε διερευνητικές ανακαλυπτικές και project-based καθηδηγούμενες δραστηριότητες οι οποίες δίνουν έμφαση στην σύνδεση των μαθηματικών και των φυσικών επιστημών μέσα από την ενσωμάτωση της τεχνολογίας και την εισαγωγή των παιδιών στο περιβάλλον της μηχανικής. Η ιδιαιτερότητα του STEM, λόγω της ειδικής σχέσης με την τεχνολογία και την διερευνητική ανακαλυπτική γενικά προσέγγιση της γνώσης, είναι ότι παρέχει τη δυνατότητα να διαφοροποιηθεί η μάθηση δίνοντας την ίδια πληροφορία και γνώση με διαφορετικό τρόπο προσαρμοσμένο στις ανάγκες κάθε παιδιού. Αυτή η ικανότητα επιτρέπει τη διαφοροποίηση να φτάσει και στο επίπεδο του ΑΠΣ ώστε να δίνονται σε όλα τα παιδιά ίσες ευκαιρίες για κατάκτηση της γνώσης Το STEM και η διαφοροποιημένη μάθηση Η ποιοτική αξιολόγηση των απαντήσεων των μαθητών μπορεί να ταξινομηθεί σε επίπεδα, τα οποία να εκφράζουν την εξελικτική πορεία της οικοδόμησης της γνώσης τους. Μια τέτοιου τύπου κατηγοριοποίηση είναι η ταξινομία Solo (από τα αρχικά Structure of Observed Learning Outcomes) και αποτελεί βασικό κριτήριο που αξιολογεί την ποιοτική μάθηση σε 59

60 συνδυασμό με την διδασκαλία του εκπαιδευτικού. Αναπτύχθηκε το 1982 από τους Biggs & Collis αλλά περιγράφηκε επαρκώς το 2007 από τους Biggs & Tang (Biggs & Collis, Biggs & Tang, Hook, 2013, Hook & Mills, Martin, 2012). Αναλύει το επίπεδο της αυξανόμενης πολυπλοκότητας στην κατανόηση ενός διδακτικού αντικειμένου. Μέσα από μια αξιολογική διαδικασία προκύπτει εάν ο μαθητής μπορεί να προχωρήσει στο επόμενο στάδιο ή χρειάζεται επιπλέον βοήθεια και καθοδήγηση χωρίς αυτό να προϋποθέτει δραστηριότητες ανωτέρου επιπέδου απλά ανάλυση και άσκηση σε δραστηριότητες ίδιου επιπέδου δυσκολίας αλλά εναλλακτικές. Η ταξινομία solo έχει αποδειχθεί εύχρηστο εργαλείο στις εκπαιδευτικές κοινότητες καθώς αποτελεί κοινή γλώσσα μάθησης και παρέχει ευκαιρία για γνώση/βοήθεια σε όλα τα «επίπεδα» (scaffolding) από επιφανειακή έως βαθιά αντίληψη. Η ταξινομία solo προσφέρει σαφήνεια και είναι ιδανική για διαφοροποίηση στην εκπαίδευση και είναι «ανοιχτή» προς τους μαθητές και μπορούν να δουν καθαρά τι μαθαίνουν και πως (Διαμαντίδης Χάρης, Τρίγκα Φωτεινή,εργασία ΠΜΣ ΣΤΕΜ ΑΣΠΑΙΤΕ, ). Τα εργαλεία της διαφοροποιημένης μάθησης εφαρμόζονται στη διδασκαλία STEM. Πολλά σχολέια στις Ηνωμένες Πολιτείες, μενσωματώνουν την διαφοροποιημένη μάθηση ως αναπόσπαστο κομμάτι της ολοκληρωμένης διδασκαλίας STEM.(Διαμαντίδης Χάρης, Τρίγκα Φωτεινή,εργασία ΠΜΣ ΣΤΕΜ ΑΣΠΑΙΤΕ, ) Από το STEM στο STEAM Η μετεξέλιξη του STEM είναι το STEAM Science Technology Engineering Art Mathematics (Επιστήμη Τεχνολογία Μηχανική Τέχνη Μαθηματικά). Η ανάγκη για βελτίωση 60

61 της ιδέας του STEM έφερε την ένταξη σε αυτό της Τέχνης (Art). Οι επιστήμονες υποστηρίζουν ότι η επιτυχία μιας κοινωνίας βασίζεται στην δημιουργία ικανών ανθρώπων των οποίων η εκπαίδευση συνδυάζει δύο βασικά στοιχεία: την εκπαίδευση βασισμένη στο STEM και την εκπαίδευση που είναι υποστηρίζει και ενισχύει την ανάπτυξη της δημιουργικότητας και δεξιοτήτων καινοτομίας. Μερικά παραδείγματα επιστημόνων μας δείχνουν ότι υπάρχει σχέση του STEM με την Τέχνη. Για παράδειγμα: Ο Γαλιλαίος ήταν ποιητής και κριτικός λογοτεχνίας, ο Αϊντστάιν έπαιζε βιολί. Ο Πυθαγόρας χαρακτηρίζει τους μαθηματικούς συναδέλφους του ως ποιητές και ο Max Planck, δήλωσε ότι οι πρωτοπόροι επιστήμονες πρέπει να διαθέτουν μια ζωηρή διαισθητική φαντασία, γιατί οι νέες ιδέες δεν παράγονται αφαιρετικά, αλλά από την καλλιτεχνικά δημιουργική φαντασία (Henriksen, 2014).Από τις μαρτυρίες πολλών μεγάλων επιστημόνων και μαθηματικών, είναι σαφές ότι τα όρια ανάμεσα στην τέχνη και την επιστήμη ή τη μουσική και τα μαθηματικά είναι πιο ρευστά από ότι τα συμβατικά μαθησιακά πρότυπα προτείνουν. Το STEAM είναι κάτι περισσότερο από μια ιδέα ή μια μέθοδος και συνδέεται με την μέθοδο επίλυσης προβλήματος που καλείται design thinking, ενώ η ουσία του είναι βιωματική. Το STEAM είναι στην πραγματικότητα πολλά πράγματα μαζί. Ο εκπαιδευτικός πρέπει να είναι ο συντονιστής της μάθησης και να προσφέρει ένα ευρύ φάσμα επιλογών. Πρακτικά, το STEAM σημαίνει διαφορετικά πράγματα σε διαφορετικούς ανθρώπους. Έχοντας τις τέχνες για χάρη της τέχνης είναι εύλογο, αλλά επιπλέον οι τέχνες μπορούν να διδάξουν και να διαφωτίσουν. Η επιρροή τους στη μάθηση μπορεί να είναι ταυτόχρονα λεπτή και διεισδυτική. Το STEAM δεν είναι τέχνες και κατασκευές, παρά το ότι πολλοί πιστεύουν ότι αυτό ακριβώς σημαίνει. Η ουσία του έχει περισσότερο βάθος, καθώς είναι ολοκληρωμένο και διαεπιστημονικό. Μέσα από τις τέχνες, οι μαθητές μαθαίνουν να παρατηρούν, να απεικονίζουν, να χειρίζονται υλικά και να αναπτύσσουν τη δημιουργική αυτοπεποίθηση να φαντάζονται και να οραματίζονται νέες δυνατότητες. Σκεφθείτε για παράδειγμα τη μάθηση μέσω της ανάπτυξης εφαρμογών στον τρισδιάστατο εκτυπωτή. Αυτές οι δεξιότητες και οι ικανότητες είναι επίσης απαραίτητες για την ανάπτυξη της επιστημονικής σκέψης και παρέχουν ένα ισχυρό επιχείρημα για τον μετασχηματισμό της εκπαίδευσης με STEM ενσωματώνοντας σε αυτή τις τέχνες. Η έκθεση στις τέχνες διδάσκει την παρατήρηση ή τη σε βάθος αντίληψη. Όταν οι μαθητές καλούνται να ζωγραφίσουν κάτι, θα πρέπει να κοιτάξουν προσεκτικά ώστε να παρατηρήσουν με ακρίβεια τις γραμμές και τα σχήματα του αντικειμένου που προσπαθούν να απεικονίσουν. Έτσι, οι μαθητές, μαθαίνουν να βλέπουν μικροσκοπικές διαφορές και να τις καταγράφουν. Καλλιτέχνες και επιστήμονες ανά τους αιώνες έχουν κατανοήσει τις συνδέσεις, από τους καλλιτέχνες της Αναγέννησης, αρχιτέκτονες και εφευρέτες Leonardo da Vinci και Filippo Brunelleschi, στους επιστήμονες και καλλιτέχνες που συνεργάζονται για να δημιουργήσουν βελτιωμένα γραφικά στον υπολογιστή ή εργάζονται στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (Yokana, 2014). 61

62 Σε μία έρευνα που διεξήγαγε η Henriksen (2014), έδειξε ότι η διδασκαλία που βασίζεται στις τέχνες οδηγεί σε μάθηση με περισσότερα κίνητρα, κρατά το ενδιαφέρον των μαθητών και κάνει τη μάθηση περισσότερο αποτελεσματική στις γνωστικές περιοχές του STEM. Οι επιδόσεις των σπουδαστών αυξήθηξαν μέσω τέτοιων πρακτικών. Το πιο σημαντικό που έδειξε η έρευνα αυτή είναι ότι όχι μόνο ενδυναμώθηκε ο τρόπος που οι μαθητές μαθαίνουν στα πλαίσια των κλάδων του STEM, αλλά ενισχύθηκε η μάθηση μεταξύ των επιστημονικών κλάδων του κι αυτό έγινε μέσω της ευκαιρίας που τους δόθηκε να εξερευνήσουν και να κάνουν συνδέσεις μεταξύ της τέχνης, της μουσικής, των μαθηματικών, της επιστήμης και άλλων κλάδων. Η Yokana (2014) υποστηρίζει ότι όταν οι μαθητές μαθαίνουν τη χωρική σκέψη, αποκτούν την ικανότητα να βλέπουν τρισδιάστατα στο μυαλό τους κοιτώντας ένα δισδιάστατο σχέδιο. Αυτή είναι μια ικανότητα που οι μηχανικοί, οι αρχιτέκτονες και οι επιστήμονες χρειάζονται, αλλά και που επιτρέπει στους μαθητές να κατανοήσουν δύσκολες ιδέες. Οι μαθητές που κατασκευάζουν πράγματα αισθάνονται ικανοποιημένοι και ενδυναμωμένοι, αναπτύσσοντας αυτοπεποίθηση, κριτική σκέψη, επιμονή και φαντασία. Αποκτούν κίνητρα για μάθηση και τις βάσεις για καινοτόμες ιδέες και πρακτικές. Οι δεξιότητες που αποκτούν μέσω της ενασχόλησης με τις τέχνες είναι μία γέφυρα για να ενώσει την επιστήμη, την τεχνολογία, τη μηχανική και τα μαθηματικά (δηλαδή τα πεδία του STEM). Έτσι, οι τέχνες γίνονται ο συνδετικός κρίκος μεταξύ όλων των πεδίων του STEM και περισσότερων ακόμα, ενώνοντας τα κομμάτια και δημιουργώντας μια ολοκληρωμένη και πολυδιάστατη εκπαίδευση. Οι τέχνες δεν υποστηρίζουν απλά τον επιστημονικό τρόπο σκέψης (Yokana 2014), αλλά επεκτείνουν και μετατρέπουν το παραδοσιακό πρόγραμμα σπουδών STEM να προκαλέσει την παρατήρηση σε βάθος, τη φαντασία και την αναθεώρηση. Τέλος σκεφθείτε τα διάφορα χωρικά ή χρονικά συστήματα του Χάους για να αντιληφθείτε τη σχέση της Τέχνης με το STEM. 62

63 4.4 Το Διδακτικό Σενάριο Μετά από την ανάλυσή μας για την έννοια του μοντέλου, τις μεθόδους προσομοίωσης, την μεθοδολογία του Υπολογιστικού Πειράματος και τα στάδια της ανακαλυπτικής διερευνητικής Inquiry μάθησης, μπορούμε να προχωρήσουμε στα βήματα δόμησης ενός διδακτικού σεναρίου. Τα βήματα αυτά δεν είναι τίποτα άλλο παρά να ακολουθήσουμε τα επτά στάδια που περιγράψαμε προηγουμένως λαμβάνοντας όμως υπόψη μας όλη τη συζήτηση που έχουμε κάνει για την διδακτική με μοντέλα και ειδικότερα: α) την ενότητα «Νοητικός κόσμος-ο Εννοιολογικός κόσμος και η Μοντελοποίηση», β) τον «Πρακτικό οδηγός χρήσης μοντέλων στην Εκπαίδευση των Επιστημών» και τους δείκτες μοντελοποίησης του Hestenes, γ) τις βασικές και τις επιπλέον λειτουργίες του μοντέλου και δ) την μεθοδολογία του Υπολογιστικού Πειράματος. Η προσέγγισή μας ολοκληρώνει με πρακτικό τρόπο την επιστημολογία του μοντέλου και την σύγχρονη τάση για computational thinking. Σε κάθε βήμα από τα επτά στάδια, ανάλογα με το επίπεδο των μαθητών-φοιτητών, μπορεί να έχουμε ανοικτό, καθοδηγούμενο ή δομημένο σενάριο και πολλές φορές τα επτά βήματα ή δεν μπορούμε να τα ακολουθήσουμε όλα ή μερικά επικαλύπτονται. Σε κάθε περίπτωση όμως 63

64 είναι ένας οδηγός χρήσης που φαίνεται χρήσιμος σε διεθνές επίπεδο. Επίσης ο συνδυασμός όλων αυτών μπορεί να βοηθήσει στην κατεύθυνση της ένταξης και ολοκλήρωσης του STEM με την διδακτική. Το διδακτικό σενάριο, που προέρχεται από την διερευνητική-ανακαλυπτική θεωρία μάθησης- είναι η μεθοδολογία που θα πρέπει να ακολουθήσει ο εκπαιδευτικός για να δημιουργήσει τα δικά του υπολογιστικά περιβάλλοντα. Δραστηριότητες Δραστηριότητα 1. Να σχολιάσετε την πρόταση εισαγωγής του Υπολογιστικού πειράματος και των ΤΠΕ για την δόμηση του σεναρίου. Δραστηριότητα 2. Να αναφέρετε παραδείγματα από τους χώρους που προτείνονται παραπάνω, εστιαζόμενοι στο γνωστικό σας αντικείμενο. Δραστηριότητα 3. Να ανατρέξετε στη βιβλιογραφία για να βρείτε με ποιο τρόπο εφαρμόζεται η διαφοροποιημένη μάθηση όταν η σχολική μονάδα υλοποιεί προγράμματα STEM. 64

65 Κεφάλαιο 5... Παραδείγματα κατά τη διάρκεια των διαλέξεων-δραστηριότητες Παράδειγμα 1 Κατασκευή πύργου από spaghetti STEM εφαρμογή 65

66 Marshmallows (ζαχαρωτά) Παράδειγμα 2 Παιχνίδια και apps από το μουσείο επιστημών UK Παράδειγμα 3. Η πρωτοβουλία onehour code code.org 66

67 Παράδειγμα 4. Εφαρμογές από το αποθετήριο και εξέταση των μοντέλων ως προς τα χαρακτηριστικά που αναφέρονται στην θεωρία Δραστηριότητα: να επιλέξετε κάποια εφαρμογή και με βάση αυτή να αναπτύξετε ένα διδακτικό σενάριο Παράδειγμα 5. Εφαρμογές του Easy Java Simulations που έχει δημιουργήσει ο Σαράντος Ψυχάρης Εφαρμογές Σενάριο: Υπολογισμός του π πετώντας ξυλάκια Δημιουργός : Σαράντος Ψυχάρης 67

68 Σενάριο: Δημιουργία προσομοίωσης για τον Διαστημικό περίπατο με τη χρήση του λογισμικού Easy Java Simulations (Ejs) Tool Δημιουργός : Μαλάμου Αννα, Σαρλή Αννα, Ψυχάρης Σαράντος Σενάριο: Πτώση Χιονοστιβάδας Δημιουργός: Αρης Παλιούρας Σενάριο: Μετατροπές ενέργειας Δημιουργός: Αρης Παλιούρας 68

69 Δραστηριότητα: να επιλέξετε κάποιες εφαρμογές από την κοινότητα Easy Java Simulations, να τις τροποποιήσετε και να αναπτύξετε ένα δικό σας διδακτικό σενάριο στην ειδικότητά σας. Βιβλιογραφία Adam, G. & Adam, S. (2003). Reliable Software in Computational Physics. Romanian Reports in Physics, 55 (4), Allesi, S. & Trollip, S. (1985). Computer based instruction: Methods and developments. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall. American Association for the Advencement of Science (1990). Science for All Americans. Project New York: Oxford University Press. American Association for the Advencement of Science. (1993). Benchmarks for Science Literacy. Project New York: Oxford University Press. Asay, L. D., & Orgill, M. K. (2010). Analysis of essential features of inquiry found in articles published in The Science Teacher, Journal of Science Teacher Education, 21,