ΧΡΗΣΗ ΕΙΚΟΝΙΚΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΓΙΑ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗ ΤΗΣ Ι ΑΣΚΑΛΙΑΣ ΧΗΜΕΙΑΣ

Transcript

1 ΧΡΗΣΗ ΕΙΚΟΝΙΚΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΓΙΑ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗ ΤΗΣ Ι ΑΣΚΑΛΙΑΣ ΧΗΜΕΙΑΣ Πατσαλού Θεοδώρα 1, Χαρίτος ηµήτριος 2, Μαρτάκος ρακούλης 3 Τµήµα Πληροφορικής - Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήµιο Αθηνών Ερευνητική Οµάδα Πολυµέσου και Ψηφιακών Βιβλιοθηκών (HYpermedia and DIgital LIBraries Research Group - HyDiLib) Περίληψη: Στο κείµενο αυτό, στο οποίο καταγράφεται τµήµα πτυχιακής εργασίας, παρουσιάζεται τόσο θεωρητικά όσο και πειραµατικά η δυνατότητα αξιοποίησης της τεχνολογίας ΕΠ για ενίσχυση εκπαιδευτικών διαδικασιών. Αρχικά εντοπίζονται χαρακτηριστικά των σύγχρονων θεωριών µάθησης τα οποία βρίσκονται σε συµφωνία µε τις αρχές και τις δυνατότητες του µέσου των εικονικών περιβαλλόντων και αναζητούνται τρόποι χρησιµοποίησης εκπαιδευτικών εικονικών περιβαλλόντων για ενίσχυση της εκπαιδευτικής διαδικασίας και µάθησης. Τέλος, περιγράφεται η διαδικασία ενός πειράµατος το οποίο περιλαµβάνει τον σχεδιασµό και την υλοποίηση εφαρµογής ΕΠ για εκµάθηση ενός µαθήµατος Χηµείας Β' Γυµνασίου. Στόχος αυτού του πειράµατος είναι η εξέταση της χρησιµότητας της τεχνολογίας ΕΠ στην υποστήριξη της διδασκαλίας και εκµάθησης βασικών εννοιών του µαθήµατος της Χηµείας, σε σύγκριση µε παραδοσιακές µεθόδους. Λέξεις κλειδιά: εικονική πραγµατικότητα και εκπαίδευση Abstract This paper documents a project, which aims at investigating the potential of virtual reality (VR) technology for aiding the teaching and learning process. It comprises 3 phases: In the beginning, an attempt is made to locate the key-points at which modern learning theories are in compliance with the principles and potentialities of virtual environments, used for enhancing the educational and learning process. At a later stage, the most important reasons supporting the use of virtual environments in the educational sector are investigated. Finally, an educational virtual environment is proposed. This application supports the teaching of chemistry at the second grade of Secondary School (on the basis of the analytical program of the Ministry of Education) and will be used as a tool for assessing the usefulness of VR technology in the educational process through the active participation of students. This exercise was selected in order to afford the best possible visual approach of the microcosm of atoms and molecules, using three-dimensional objects in a virtual environment, and to examine to what extent the use of such an environment can enhance the teaching and learning process of this subject. To achieve this, students must interact with the three-dimensional objects, which represent the atoms and molecules and live this experience within the virtual environment in order to learn. The comprehension of abstract notions, such as the atomic and molecular structures (microcosm), is a prerequisite for further understanding related notions and transmitting the information correctly. The representation of objects in an abstract form is situated in a three-dimensional space and the availability of multiple viewpoints of the same representation of the information, combined with free navigation within this environment, is expected to enhance the learning process. In this case, the interaction of the student with the three-dimensional model (atoms-molecules) may constitute 1 patdora@ath.forthnet.gr 2 virtual@di.uoa.gr 3 martakos@di.uoa.gr

2 a better motive than the one offered by his/her relation with the cognitive object through the book or the blackboard. In this way the educational process follows the learning-by-doing model, which is in accordance with many widely accepted learning theories. The experiment to be carried out involves the following: In the first stage, the chemistry teacher will teach the cognitive object to twenty students. In the second stage the students will be separated into two groups of ten: control group 4 and application group. The former group will use the proposed visual material with the help of the teacher and the chemistry book; the second group will make use of the proposed virtual environment. In the third and final stage the two groups will be merged into a single group and there will be a final assessment of the educational outcome by an assessor who will not know to which group each student belonged. During this application the students will have the opportunity to fly through the virtual environment and to observe the structure of various atoms and molecules. There will be no gravity in order to ensure that the navigator has absolute freedom of movement around the objects of interest, whereas collision detection will not allow to run through the objects of the threedimensional space. However, movement through the objects of atoms and molecules will be allowed, so that they are better examined (as will be the interactive handling of the structure of the atom-molecule objects in this environment). The students will also be able to experiment with these objects and then answer certain questions concerning their experience. This application allows only the synthesis of existent molecules and of their correct molecular structure, whereas the creation of non-existent molecules and molecular structures is prevented. In addition, there are guidelines in the form of messages indicating correct or wrong moves, as well as tips pointing at the solution of the problem. 1. Εισαγωγή Στόχος του άρθρου αυτού είναι να εξετάσει θεωρητικά και πειραµατικά κατά πόσο η τεχνολογία Εικονικής Πραγµατικότητας (ΕΠ) µπορεί να υποστηρίξει τη διαδικασία εκπαίδευσης και µάθησης. Η προσέγγιση του παραπάνω στόχου γίνεται ακολουθώντας τα παρακάτω στάδια: 1. Επιχειρείται εντοπισµός των σηµείων στα οποία οι σύγχρονες θεωρίες µάθησης βρίσκονται σε συµφωνία µε τις αρχές και τις δυνατότητες των εικονικών περιβαλλόντων, που χρησιµοποιούνται για ενίσχυση της εκπαιδευτικής διαδικασίας και µάθησης. 2. Στη συνέχεια αναζητούνται οι σηµαντικότεροι λόγοι που υποστηρίζουν τη χρήση εικονικών περιβαλλόντων στην Εκπαίδευση. 3. Τέλος, προτείνεται εκπαιδευτικό εικονικό περιβάλλον που υποστηρίζει τη διδασκαλία του µαθήµατος Χηµείας Β' Γυµνασίου βάσει του αναλυτικού προγράµµατος του ΥΠΕΠΘ. Το λογισµικό αυτό θα χρησιµοποιηθεί σαν εργαλείο αξιολόγησης της χρησιµότητας της τεχνολογίας ΕΠ στην εκπαιδευτική διαδικασία µέσω της ενεργούς συµµετοχής των µαθητών. 2. Εικονική Πραγµατικότητα και Εκπαίδευση Τα τελευταία χρόνια τόσο στην Αµερική όσο και στην Ευρώπη παρατηρήθηκε µια κίνηση αναθεώρησης των παραδοσιακών 5 εκπαιδευτικών συστηµάτων µάθησης και στροφή προς τις νέες θεωρίες µάθησης, που προσφέρουν νέες δυνατότητες προσέγγισης της εκπαιδευτικής διαδικασίας. Η Εποικοδοµητική θεωρία καθώς και άλλες θεωρίες µάθησης που απορρέουν από τις Γνωστικές επιστήµες έρχονται να τροποποιήσουν το κλασικό εκπαιδευτικό µοντέλο. 4 The sample of students will be weighted. 5 Συµπεριφοριστές (Behaviorism - Behaviorists)

3 Βασικές αρχές των σύγχρονων θεωριών µάθησης όπως η αλληλεπίδραση σε πρώτο πρόσωπο µε το γνωστικό αντικείµενο, η µάθηση µέσα από την πράξη, η εµπειρική µάθηση, η ουσιαστικότερη προσέγγιση αφηρηµένων εννοιών µε τρόπο πολυαισθητηριακό, η δηµιουργία κινήτρων, αποτελούν και ενισχύουν το µοντέλο της εκπαιδευτικής διαδικασίας. Η ΕΠ είναι ένα σύστηµα διεπαφής στο οποίο ο χρήστης βιώνει περισσότερο εµπειρικά παρά νοητικά την αλληλεπίδρασή του µε το περιβάλλον. Πολλοί µελετητές (Winn W., '93) (Pantelidis V. '93), (Bricken M. & Byrne C., '92), (Bricken & Byrne 1993, Loftin, Engelberg & Benedetti 1993, Regian& Shebilske 1992, Moshell & Hughes 1994\ cited in Howard Rose, '95) (Μικρόπουλος Α., ήµου Γ., Γκουζίνης Χ., '97), (Durlach & Mavor (1995)\ Bowman D. Κ.ά., '99) κ.ά. τονίζουν ότι η χρήση τέτοιων εικονικών περιβαλλόντων παρέχει τη δυνατότητα εµπειρικής µάθησης και για αυτό µπορεί να χρησιµοποιηθεί επιτυχώς στην εκπαίδευση. Το τρισδιάστατο, πολυαισθητηριακό περιβάλλον και η αντιστοιχία ενεργειών και συµπεριφοράς του χρήστη µε το απεικονιζόµενο αποτέλεσµα δηµιουργούν την αίσθηση παρουσίας µέσα στο περιβάλλον αυτό ("sense of presence") (Zeltzer '92). Η αίσθηση της παρουσίας θεωρείται ότι υποβοηθά την επικοινωνία της µαθησιακής εµπειρίας. Τα µαθησιακά εικονικά περιβάλλοντα υποστηρίζουν την αισθητηριακά πλούσια αλληλεπίδραση µαθητή-υπολογιστή, επιτρέποντας τον χειρισµό και την εξέταση των συνθετικών αντικειµένων, σαν να ήταν αντικείµενα του πραγµατικού κόσµου. (Bricken M., '90) Η ΕΠ παρέχει επίσης τη δυνατότητα στους χρήστες να δηµιουργούν, να χειρίζονται και να επεξεργάζονται τρισδιάστατα εικονικά αντικείµενα. Τα παιδιά µπορούν κατ' αυτόν τον τρόπο να δοµούν ενεργά τις δικές τους σκέψεις για τον κόσµο, όπως υποστήριζε και ο Piaget, και ενθαρρύνονται ώστε να δοµούν την δική τους γνώση, γεγονός το οποίο είναι αποδεδειγµένα αποτελεσµατικό για την µάθηση (Κολιάδης '97). Εφόσον η αλληλεπίδραση µε ένα µοντέλο αποτελεί καλύτερο κίνητρο από εκείνο που προκαλεί η αλληλεπίδραση µε το αληθινό αντικείµενο τα εικονικά περιβάλλοντα ενισχύουν την δηµιουργία κινήτρων (π.χ. µε τη χρήση φόρµας παιχνιδιού) (Pantelidis V., '96). Συνοψίζοντας, µπορούµε να υποστηρίξουµε ότι η εποικοδοµητική θεωρία µάθησης όπως και οι θεωρίες που απορρέουν από τις Γνωστικές επιστήµες για την εκπαιδευτική διαδικασία και τη µάθηση µπορούν να συσχετισθούν µε κάποια από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των εικονικών περιβαλλόντων. Ουσιαστικά η εποικοδοµητική θεωρία παρέχει την καλύτερη προσέγγιση σύµφωνα µε την οποία µπορούν να αναπτυχθούν εκπαιδευτικές εφαρµογές µε ΕΠ (Winn '93). Η πλειοψηφία των εκπαιδευτικών εφαρµογών αυτής της τεχνολογίας έχει συµπεριλάβει απόψεις της εποικοδοµητικής θεωρίας και είναι δύσκολο να προσδιοριστεί κατά πόσο τα θετικά αποτελέσµαταά τους σχετίζονται µε τη χρήση της παραπάνω θεωρίας ή τη χρήση του εικονικού κόσµου ή το συνδυασµό και των δύο (Youngblut '98). 3. Πότε προτείνεται η χρήση της ΕΠ στην Εκπαίδευση Η Pantelidis (1996) χαρακτηριστικά αναφέρει ότι ενδείκνυται η χρήση της ΕΠ στην Εκπαίδευση, ιδιαίτερα στην περίπτωση προσοµοίωσης κατά την οποία η εµπειρία της δηµιουργίας ενός προσοµοιωµένου περιβάλλοντος ή µοντέλου είναι πολύ σηµαντική για την γνώση του αντικειµένου. Ο µαθητής ενθαρρύνεται στη διαδικασία µάθησης µέσα από την ενεργή και όχι την παθητική συµµετοχή του. Επιπλέον µέσα από την αλληλεπίδραση µε το εικονικό περιβάλλον παρέχεται καλύτερη δυνατότητα εξέτασης ενός αντικειµένου ή µιας διαδικασίας κατά τρόπο πολυαισθητηριακό ο οποίος συµπεριλαµβάνει δεξιότητες χειρισµού και φυσικής κίνησης. Κατ' αυτό τον τρόπο δίνεται η δυνατότητα στο µαθητή για µια διαδικασία µάθησης πιο ενδιαφέρουσα και διασκεδαστική, όπου µπορούν να παρουσιαστούν κάποια χαρακτηριστικά και διαδικασίες µε πολύ καλύτερο τρόπο σε σχέση µε άλλα µέσα και όπου επιτρέπεται στον µαθητευόµενο να προχωρά διαµέσου ενός πειράµατος µε το δικό του ρυθµό, µε ανοιχτά χρονικά περιθώρια και όχι µέσα σε έναν προκαθορισµένο χρόνο.

4 Ιδιαίτερη έµφαση πρέπει να δοθεί στoν τρισδιάστατο χαρακτήρα του εικονικού περιβάλλοντος ως σύστηµα διεπαφής ανθρώπου - υπολογιστή. Η ΕΠ θεωρείται ιδιαίτερα χρήσιµη στο να υποβοηθά τη µαθησιακή διαδικασία ως προς γνωστικά αντικείµενα τα οποία εµπλουτίζονται από την τοποθέτησή τους σε τρισδιάστατο χώρο µέσα από ένα νέο τύπο διεπαφής. (Bricken M.,'90), (Bricken W., 90). Η αίσθηση της παρουσίας και οι δραστηριότητες σε εικονικά περιβάλλοντα ενδυναµώνουν ιδιαίτερα το ενδιαφέρον του µαθητή και κάτω από ρεαλιστικές συνθήκες πραγµατοποιείται η εκπαιδευτική διαδικασία για κόσµους (µικρόκοσµος - µακρόκοσµος) που δεν είναι ορατοί από τον άνθρωπο χωρίς τη βοήθεια ειδικών οργάνων. Σηµαντικές είναι οι εφαρµογές Ε.Π. που έχουν υλοποιηθεί για εκπαιδευτικούς σκοπούς τόσο στο εξωτερικό (Youngblut '98), όσο και στον ελλαδικό χώρο (Mikropoulos A., Katsikis A., Chalkidis A. '94),), (Πιντέλας Π. κ.ά. '98), (Νικολού Ε., Μικρόπουλος Τ., Κατσίκης Α. '98) Η χρήση της ΕΠ ενδείκνυται ακόµα περισσότερο όταν το γνωστικό αντικείµενο περιλαµβάνει διαδικασίες επικίνδυνες, αδύνατες, ακατάλληλες ή και άβολες καθώς µέσα από τα εκπαιδευτικά εικονικά περιβάλλοντα δεν προκαλείται καταστροφή ή ανεπανόρθωτη ζηµιά του αντικειµένου ή βλάβη και ρύπανση του περιβάλλοντος (Pantelidis '96). Επιπλέον, ιδιαίτερα σηµαντική είναι η δυνατότητα που δίνεται σε ανθρώπους µε ειδικές ανάγκες για ενίσχυση εκµάθησης διαδικασιών µέσω εικονικών περιβαλλόντων (Charitos D., Karadanos G., Sereti E., Triantafillou S., Koukouvinou S., Martakos D., 2000) Τέλος, τα µαθησιακά εικονικά περιβάλλοντα θα πρέπει να είναι ενηµερωµένα από την σύγχρονη έρευνα των µαθησιακών επιστηµών, τις σύγχρονες πρακτικές για την εκπαίδευση καθώς και από την υπαρκτή πραγµατικότητα της σχολικής οργάνωσης (Roussos '99). 4. Πείραµα και εφαρµογή εικονικής πραγµατικότητας για την υποστήριξη της διδασκαλίας µαθήµατος Χηµείας Β' Γυµνασίου Στην παρούσα ενότητα περιγράφεται ο σχεδιασµός ενός εκπαιδευτικού εικονικού περιβάλλοντος για τη διδασκαλία του µαθήµατος Χηµείας Β' Γυµνασίου του ΥΠΕΠΘ. Το περιβάλλον αυτό έχει σαν θέµα την ατοµική και την µοριακή δοµή των στοιχείων. Συγκεκριµένα στο κεφάλαιο "ΤΑ ΜΟΡΙΑ" και στην παράγραφο "Προσοµοιώµατα Ατόµων και Μορίων" 6 αναφέρονται τα εξής: "Τα άτοµα και τα µόρια είναι τόσο µικρά που δεν είναι δυνατόν να τα δούµε ούτε µε γυµνό µάτι αλλά ούτε και µε τα συνηθισµένα µικροσκόπια. Μόλις στις αρχές της δεκαετίας του '70 µπορέσαµε µε τη βοήθεια της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης να φωτογραφήσουµε τα πρώτα άτοµα. Σήµερα µε µια νέα σειρά µικροσκοπίων τύπου SMT (Scanning Tunneling Microscope), µπορούµε να έχουµε κάποιες εικόνες ατόµων και µορίων. Παρ' όλα αυτά, όταν αναφερόµαστε στα άτοµα και στα µόρια, δεν είναι δυνατόν να έχουµε άµεση αντίληψη του µεγέθους τους, διότι πράγµατι είναι πάρα πολύ µικρά. Μια πολύ καλή µέθοδος για να προσεγγίσουµε εποπτικά το µικρόκοσµο των ατόµων και των µορίων είναι η χρήση των προσοµοιωµάτων 7. Κάθε άτοµο παριστάνεται µε ένα σφαιρίδιο. Για να διακρίνουµε τα επιµέρους άτοµα µεταξύ τους, χρησιµοποιούµε σφαιρίδια µε διαφορετικούς χρωµατισµούς. Συνδέοντας κατάλληλα τα προσοµοιώµατα των ατόµων, µπορούµε να αναπαραστήσουµε τα µόρια και τα πλέγµατα των χηµικών ενώσεων και των χηµικών στοιχείων". Η επιλογή του µαθήµατος αυτού έγινε για να προσεγγιστεί εποπτικά ο µικρόκοσµος των ατόµων και των µορίων µε τη χρήση τρισδιάστατων προσοµοιωµάτων, µε καλύτερο τρόπο µέσα από ένα εικονικό περιβάλλον και στη συνέχεια να εξεταστεί κατά πόσο η χρήση ενός τέτοιου περιβάλλοντος µπορεί να υποστηρίξει την διαδικασία διδασκαλίας και µάθησης. 6 Η συγκεκριµένη ενότητα βρίσκεται στη σελίδα 57 του σχολικού βιβλίου Χηµείας Β' Γυµνασίου. 7 Όρος που χρησιµοποιείται στο σχολ. βιβλίο Χηµείας Β' Γυµνασίου και δηλώνει την διδιάστατη εικονική αναπαράσταση ατόµων και µορίων καθώς και των επιµέρους στοιχείων από τα οποία δοµούνται (p,n,e) µε διαφορετικούς χρωµατισµούς.

5 4.1 Εκπαιδευτική προσέγγιση Βασικός στόχος της ερευνητικής εργασίας που παρουσιάζεται στο κείµενο αυτό είναι η καλύτερη δυνατή προσέγγιση των σύγχρονων θεωριών µάθησης µέσα από τη χρήση της τεχνολογίας της ΕΠ. Πιο συγκεκριµένα, το εκπαιδευτικό περιβάλλον που σχεδιάστηκε 8 σκοπεύει να εξετάσει κατά πόσο η χρήση της τεχνολογίας ΕΠ αποτελεί εκπαιδευτικό εργαλείο και αν µπορεί να υποστηρίξει την εκπαιδευτική διαδικασία.. Σε συνεργασία µε τον εκπαιδευτικό της Χηµείας 9 καταγράφονται οι παρακάτω παρατηρήσεις: "Οι µαθητές πολλές φορές στέκουν αδύναµοι στην κατανόηση εννοιών της Χηµείας. Παρατηρείται αρκετές φορές κατά τη διάρκεια της εκπαιδευτικής διαδικασίας αδιαφορία ή και άρνηση στην µάθηση κάποιων βασικών εννοιών του µικρόκοσµου. Σκύβοντας στο βιβλίο τους για την µελέτη κάποιου µαθήµατος εγκλωβίζονται πολλές φορές σ'ένα κόσµο αυστηρό και ξένο προς αυτούς. Θεωρώ ότι η Χηµεία έχει το πλεονέκτηµα από τη φύση της σε σχέση µε άλλα µαθήµατα να ξεφεύγει από το βιβλίο, τον πίνακα και την κιµωλία και µε λίγα βοηθητικά µέσα να αποκτά µοναδική ελκυστικότητα και αναπάντεχη γοητεία.". Για να επιτευχθεί ο παραπάνω στόχος, οι µαθητές πρέπει να αλληλεπιδράσουν µε τα τρισδιάστατα προσοµοιώµατα των ατόµων και των µορίων και να βιώσουν µια εµπειρία µέσα στο εικονικό περιβάλλον µε σκοπό να µάθουν. Η κατανόηση αφηρηµένων εννοιών όπως της ατοµικής και µοριακής δοµής (µικρόκοσµος) είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την περαιτέρω κατανόηση ανάλογων εννοιών όπως και για τη σωστή µετάδοση της πληροφορίας. Η αφηρηµένη συµβολική αναπαράσταση (χρωµατιστές σφαίρες µέσα σε δοχεία) του σχεδιασµού των προσοµοιωµάτων έγινε µε στόχο που όπως προαναφέρθηκε να δίνεται η δυνατότητα στο µαθητή για µια διαδικασία µάθησης πιο ενδιαφέρουσα και διασκεδαστική. Εντάσσεται επίσης σε ένα τρισδιάστατο χώρο στον οποίο ο µαθητής µπορεί να πλοηγηθεί µε πλήρη ελευθερία µέσα σε αυτό και κατά συνέπεια οι πολλαπλές όψεις (viewpoints) της ίδιας απεικόνισης της πληροφορίας που παρέχονται από αυτό το περιβάλλον µπορούν να ενισχύσουν τη µαθησιακή διαδικασία. Ακόµη η αλληλεπίδραση του µαθητή µε το τρισδιάστατο µοντέλο (άτοµα - µόρια) µπορεί να αποτελέσει ένα καλύτερο κίνητρο από εκείνο που προσφέρει η επαφή του µε το γνωστικό αντικείµενο µέσα από το βιβλίο ή τον πίνακα. Κατ αυτό το τρόπο η εκπαιδευτική διαδικασία ακολουθεί το µοντέλο "µάθηση µέσα από πράξη" (learning-by-doing) που είναι αποδεκτό βάσει σύγχρονων θεωριών µάθησης. 5. Σχεδιασµός πειράµατος και εφαρµογής Το πείραµα που πρόκειται να πραγµατοποιηθεί εξελίσσεται σε τρία στάδια (Σχήµα 1): Στο πρώτο στάδιο ο εκπαιδευτικός της Χηµείας θα διδάξει το γνωστικό αντικείµενο σε είκοσι µαθητές. Στο δεύτερο στάδιο θα γίνει διαχωρισµός των µαθητών σε δύο οµάδες των δέκα ατόµων, όπου η µία θα αποτελέσει την οµάδα ελέγχου (control group) 10 και η άλλη την οµάδα χρήσης της εφαρµογής. Η πρώτη οµάδα θα κάνει χρήση του προτεινόµενου οπτικού υλικού µέσω του εκπαιδευτή της Χηµείας και του βιβλίου και η δεύτερη οµάδα αντίστοιχα θα κάνει χρήση του προτεινόµενου εικονικού περιβάλλοντος. Στο τρίτο και τελευταίο στάδιο οι οµάδες θα ενωθούν ξανά σε µια οµάδα και θα γίνει η τελική αξιολόγηση του εκπαιδευτικού αποτελέσµατος (από αξιολογητή ο οποίος δεν γνωρίζει σε ποια οµάδα ανήκε ο κάθε µαθητής). 8 Για τη σχεδίαση χρησιµοποιήθηκε το εργαλείο συγγραφής Ε.Π. World Up της Sense8 9 Ο καθηγητής κ.σκαλτσάς, του 4 ου Γυµν. Αγ. Αναργύρων, που έχει αναλάβει το ρόλο του εκπαιδευτή στο συγκεκριµένο πείραµα κατέγραψε από την πολυετή διδακτική εµπειρία του στο µάθηµα Χηµείας Β' Γυµανσίου παρατηρήσεις πολύ αξιόλογες που έχουν ληφθεί υπόψη στη προκειµένη εργασία. 10 Το δείγµα των µαθητών θα είναι σταθµισµένο.

6 ΣΤΑ ΙΟ 1 ΣΤΑ ΙΟ 2 ΣΤΑ ΙΟ 3 Θεωρητική διδασκαλία του γνωστικού αντικειµένου από τον εκπαιδευτικό 20 µαθητές Εφαρµογή και εξάσκηση µέσω εκπαιδευτή Χηµείας και οπτικού υλικού βιβλίου (10 µαθητές) Εφαρµογή προτεινόµενου τρισδιάστατου εικονικού περιβάλλοντος(10 µαθητές) Σχήµα 1. Στάδια πειράµατος Τελική αξιολόγηση εκπαιδευτικού αποτελέσµατος 20 µαθητές Στην εφαρµογή του τρισδιάστατου εικονικού περιβάλλοντος χηµείας οι µαθητές θα πλοηγούνται (flythrough) µέσα σε αυτό και θα παρατηρούν τη δοµή των διαφόρων ατόµων και µορίων. Για τον πλοηγούµενο χρήστη δεν θα υπάρχει βαρύτητα ώστε να υπάρχει η πλήρης ελευθερία κίνησης γύρω από τα αντικείµενα του ενδιαφέροντος, ενώ αντίθετα δεν θα επιτρέπεται να διαπερνά µέσα από τα αντικείµενα του τρισδιάστατου χώρου (collision detection). Επιτρέπεται βέβαια η κίνηση διαµέσου των προσοµοιωµάτων των ατόµων και των µορίων για την καλύτερη εξέτασή τους. Οι µαθητές θα µπορούν να χειρίζονται κατά τρόπο αλληλεπιδραστικό τη δοµή των προσoµοιωµάτων (ατόµων - µορίων) µέσα σε αυτό το περιβάλλον. Θα µπορούν επίσης να πειραµατιστούν µε αυτά (κατά το στάδιο 2) και κατόπιν να απαντήσουν σε συγκεκριµένες ερωτήσεις σχετικά µε την εµπειρία τους αυτή (κατά το στάδιο 3). Μέσα στο εικονικό περιβάλλον επιτρέπεται η σύνθεση µόνο των υπαρκτών µορίων και της σωστής τους µοριακής δοµής (βάσει του πίνακα 2) ενώ εµποδίζεται η δηµιουργία µη υπαρκτών µορίων και µοριακών δοµών. Υπάρχουν καθοδηγητικά µηνύµατα για σωστό ή λάθος καθώς και συµβουλές που προτρέπουν προς την επίλυση του προβλήµατος. Τα συστατικά του εικονικού περιβάλλοντος είναι τα εξής: Περιβάλλον χώρος Άτοµα στοιχείων Μόρια στοιχείων Όσον αφορά τον περιβάλλοντα χώρο, αυτός οργανώθηκε έτσι ώστε να αποτελεί ένα σχετικά ουδέτερο υπόβαθρο για την διεξαγωγή τής άσκησης, ενώ συγχρόνως περιέχει µερικά οπτικά στοιχεία τα οποία ανάγουν σε χώρο χηµικού εργαστηρίου. (Εικόνα 1 και Εικόνα 2) 6. Άτοµα Στοιχείων Σε ένα τρισδιάστατο εικονικό περιβάλλον εργαστηρίου Χηµείας υπάρχουν τοποθετηµένοι πάνω σε ένα τραπέζι κυλινδρικοί διάφανοι σωλήνες (Εικόνα 1). Μέσα στον κάθε σωλήνα υπάρχουν σφαίρες του ίδιου χρώµατος που αναπαριστούν τα άτοµα. Σε κάθε σωλήνα αναγράφεται εξωτερικά το όνοµα των ατόµων που περιέχει. Οι µαθητές θα µπορούν να επιλέγουν µε την βοήθεια του ποντικιού µία από τίς σφαίρες που όπως προαναφέρθηκε αντιπροσωπεύει κατά αφηρηµένο τρόπο µια αναπαράσταση του ατόµου. Συγκεκριµένα, θα µπορούν να επιλέγουν και να τοποθετούν µία από τις χρωµατιστές σφαίρες (που αντιπροσωπεύει κάποιο άτοµο) πάνω στο ορθογώνιο παραλληλεπίπεδο που βρίσκεται επάνω στο τραπέζι του εργαστηρίου χηµείας και κατόποιν θα επεξεργάζονται µε πλήρη ελευθερία κινήσεων την δοµή του συγκεκριµένου ατόµου. Θα µπορούν να παρατηρούν τα πρωτόνια, τα νετρόνια καθώς και τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στοιβάδας. Κατ' αυτό το τρόπο οι µαθητές, µέσω της ελεύθερης πλοήγησής τους στο εικονικό

7 περιβάλλον, θα διδάσκονται τις έννοιες του ατοµικού και µαζικού αριθµού του ατόµου και του αριθµού οξείδωσης. Εικόνα 1. Εικονικό περιβάλλον Άτοµα στοιχείων και η δοµή τους O (Οξυγόνο) N (Άζωτο) H (Υδρογόνο) Na (Νάτριο) Cl (Χλώριο) S (Θείο) Πίνακας 1. Τα στοιχεία που θα παρέχονται από το πρόγραµµα 7. Μόρια Στοιχείων Οι µαθητές θα µπορούν κάθε φορά να δηµιουργούν κάποιο µόριο του στοιχείου που θα τους ζητείται. Βλέποντας και αλληλεπιδρώντας µε τα διάφορα στοιχεία της βιβλιοθήκης θα επιλέγουν κάποιο άτοµο, κάνοντας κλικ πάνω σε αυτό και θα µπορούν να το µεταφέρουν σε ένα βοηθητικό χώρο (το ορθογώνιο παραλληλεπίπεδο) που θα βρίσκεται πάνω στο τραπέζι, πρώτα το ένα άτοµο (βήµα 1), και έπειτα το άλλο αν πρόκειται για διατοµικό (βήµα 2) και κατ' αυτό το τρόπο θα δηµιουργούν τη δοµή του µορίου του αντίστοιχου στοιχείου (Εικόνα 2). Παράλληλα θα παρουσιάζονται στην οθόνη βοηθητικά µηνύµατα. Τέλος, θα µπορούν να πλοηγηθούν γύρω και ανάµεσα από το µόριο και να ελέγξουν τη δοµή του καθώς και τα συστατικά (p, n, e ) από τα οποία τελικά αποτελείται. Ουσιαστικά, µέσω της αλληλεπίδρασής του µε τα αντικείµενα του προτεινόµενου εικονικού περιβάλλοντος, θα παρέχεται στους µαθητές η γνώση για την σύνθεση των στοιχείων σε µόρια και θα µπορούν να µαθαίνουν ποια µόρια είναι µονοατοµικά και ποια διατοµικά.

8 βήµα 1 βήµα 2 Εικόνα 2. Εικονικό περιβάλλον Μόρια στοιχείων και η δοµή τους O 2 (Οξυγόνο) N 2 (Άζωτο) H 2 (Υδρογόνο) (Α) 11 (Α) (Α) Na (Νάτριο) Cl 2 (Χλώριο) S (Θείο) (Μ) (Α) (Α) Πίνακας 2.Τα µόρια που θα µπορούν να δηµιουργηθούν από το πρόγραµµα 8. Συµπεράσµατα πειράµατος Το κείµενο αυτό κατέγραψε ένα µέρος της µέχρι τώρα πορείας ερευνητικής εργασίας η οποία εξετάζει τόσο θεωρητικά όσο και πειραµατικά την δυνατότητα αξιοποίησης της τεχνολογίας ΕΠ για ενίσχυση εκπαιδευτικών διαδικασιών. Αρχικά εξετάσθηκαν βασικές έννοιες και χαρακτηριστικά της τεχνολογίας ΕΠ καθώς και σύγχρονες θεωρίες µάθησης. Σαν αποτέλεσµα εντοπίσθηκαν τα χαρακτηριστικά των σύγχρονων αυτών θεωριών µάθησης τα οποία βρίσκονται σε συµφωνία µε τις αρχές και τις δυνατότητες του µέσου των εικονικών περιβαλλόντων. Κατά συνέπεια δικαιολογείται η ανάγκη αναζήτησης τρόπων µε τους οποίους η ΕΠ µπορεί να χρησιµοποιηθεί για ενίσχυση της εκπαιδευτικής διαδικασίας και µάθησης. Τέλος, περιγράφηκε η διαδικασία ενός πειράµατος το οποίο περιλαµβάνει τον σχεδιασµό και την υλοποίηση εφαρµογής ΕΠ για εκµάθηση ενός µαθήµατος Χηµείας Β' Γυµνασίου βάσει του αναλυτικού προγράµµατος του ΥΠΕΠΘ. Το προτεινόµενο πείραµα στοχεύει στην εξέταση της χρησιµότητας της τεχνολογίας ΕΠ σαν υποστηρικτικής τεχνολογίας για εκµάθηση του µαθήµατος της Χηµείας, σε σύγκριση µε παραδοσιακές µεθόδους. Οι µετρήσεις και τα αποτελέσµατα του πειράµατος θα παρουσιαστούν σε επόµενο συνέδριο, εφόσον συλλεχθούν και αξιολογηθούν τα συµπεράσµατα και οι παρατηρήσεις. 11 Όπου (Α): Αµέταλλο και (Μ): Μέταλλο (τα µέταλλα είναι µονοατοµικά)

9 Αναφορές Bricken W., 1990, Learning in Virtual Reality Bricken & Byrne 1993, Loftin, Engelberg & Benedetti 1993, Regian& Shebilske 1992, Moshell & Hughes 1994\ cited in Howard Rose, 1995, "Assessing Learning in VR: Towards Developing a Paradigm VRRV Project", p.3 Bricken M., 1990, Virtual Reality Learning Environments: Potentials and Challenges Bricken M., Virtual Worlds: No interface to design, 1990 Bricken M. & Byrne C., 1992, Summer Students in Virtual Reality, A Pilot Study on Educational Applications of Virtual Reality Charitos D., Karadanos G., Sereti E., Triantafillou S., Koukouvinou S., Martakos D., University of Athens, 2000, Employing virtual reality for aiding the rganization of autistic children behaviour in everyday tasks Durlach & Mavor (1995)\cited in Bowman D.et al, Presence Vol. 8 No , "The Educational Value of an Information-Rich VE" Mikropoulos A., Katsikis A., Chalkidis A., 1994, Virtual Environments for Environmental Education Pantelidis V., 1993, Virtual Reality in the Classroom. Educational Technology vol. 33 no. 4 p Pantelidis V., 1996, Suggestions on When to Use and When Not to Use Virtual Reality in Education, Vol.2) Roussos M., 1999, Learning and Building together in an Immersive Virtual World. Presence Vol.8 No. 3 Winn W., 1993 A Conceptual Basis for Educational Applications of Virtual Reality Youngblut C., 1998, Educational Uses of Virtual Reality Technology, IDA Zeltzer D., 1992, Autonomy, interaction and presence. Presence 1, Κολιάδης Ε., 1997, Θεωρίες Μάθησης και Εκπαιδευτική Πράξη Μικρόπουλος Α., ήµου Γ., Γκουζίνης Χ., 1997, Ενίσχυση Εµπειριών µέσω Εικονικής Πραγµατικότητας. Ένα παράδειγµα από το χώρο των επιστηµών Νικολού Ε., Μικρόπουλος Τ., Κατσίκης Α., Η Εικονική Πραγµατικότητα στην υποστήριξη της διδασκαλίας της Βιoλογίας. Πιντέλας Π., Μικρόπουλος Α. κ.ά. 1998, ΕΙΚΩΝ: Εικονική πραγµατικότητα στη διαθεµετική προσέγγιση µαθηµάτων ευτεροβάθµιας εκπαίδευσης