ΛΕΜΟΝΙΑ. ΑΝΤΩΝΟΓΛΟΥ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ, ΑΝΑΠΤΥΞΗ, ΕΦΑΡΜΟΓΗ & ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥ ΥΒΡΙ ΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ Ι ΑΣΚΑΛΙΑΣ ΤΗΣ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΣΥΜΜΕΤΡΙΑΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΛΕΜΟΝΙΑ. ΑΝΤΩΝΟΓΛΟΥ MSc, ΧΗΜΙΚΟΣ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ, ΑΝΑΠΤΥΞΗ, ΕΦΑΡΜΟΓΗ & ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥ ΥΒΡΙ ΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ Ι ΑΣΚΑΛΙΑΣ ΤΗΣ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΣΥΜΜΕΤΡΙΑΣ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2011

2 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΛΕΜΟΝΙΑ. ΑΝΤΩΝΟΓΛΟΥ MSc, ΧΗΜΙΚΟΣ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ, ΑΝΑΠΤΥΞΗ, ΕΦΑΡΜΟΓΗ & ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥ ΥΒΡΙ ΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ Ι ΑΣΚΑΛΙΑΣ ΤΗΣ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΣΥΜΜΕΤΡΙΑΣ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ που εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Κβαντικής Χημείας του Τομέα Γενικής και Ανόργανης Χημείας του Τμήματος Χημείας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης Ημερομηνία προφορικής εξέτασης: 5 εκεμβρίου 2011 Επταμελής Εξεταστική Επιτροπή Καθηγητής ΜΙΧΑΛΗΣ ΣΙΓΑΛΑΣ Επιβλέπων Καθηγητής Επίκουρη Καθηγήτρια ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΑ ΧΑΤΖΗΑΝΤΩΝΙΟΥ- ΜΑΡΟΥΛΗ Μέλος Συμβουλευτικής Επιτροπής Αναπληρωτής Καθηγητής ΑΝ ΡΕΑΣ ΓΙΑΝΝΑΚΟΥ ΑΚΗΣ Μέλος Συμβουλευτικής Επιτροπής Καθηγητής ΗΜΗΤΡΙΟΣ ΨΥΛΛΟΣ Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Αναπληρωτής Καθηγητής ΠΕΡΙΚΛΗΣ ΑΚΡΙΒΟΣ Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Επίκουρος Καθηγητής ΣΤΑΥΡΟΣ ΗΜΗΤΡΙΑ ΗΣ Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Επίκουρος Καθηγητής ΕΥΡΙΠΙ ΗΣ ΧΑΤΖΗΚΡΑΝΙΩΤΗΣ Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

3 Η επταμελής εξεταστική επιτροπή που ορίστηκε για την κρίση της ιδακτορικής ιατριβής της Λεμονιάς. Αντώνογλου, Msc Χημικού, συνήλθε σε συνεδρίαση στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης την 5 η εκεμβρίου 2011, όπου παρακολούθησε την υποστήριξη της διατριβής με τίτλο Σχεδιασμός, Ανάπτυξη, Εφαρμογή & Αξιολόγηση του Υβριδικού Μοντέλου ιδασκαλίας της Μοριακής Συμμετρίας. Η επιτροπή έκρινε ομόφωνα ότι η διατριβή είναι πρωτότυπη και αποτελεί ουσιαστική συμβολή στην πρόοδο της Επιστήμης. ΤΑ ΜΕΛΗ ΤΗΣ ΕΠΤΑΜΕΛΟΥΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗΣ Καθηγητής ΜΙΧΑΛΗΣ ΣΙΓΑΛΑΣ Αναπληρωτής Καθηγητής ΑΝ ΡΕΑΣ ΓΙΑΝΝΑΚΟΥ ΑΚΗΣ Επίκουρη Καθηγήτρια ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΑ ΧΑΤΖΗΑΝΤΩΝΙΟΥ- ΜΑΡΟΥΛΗ Καθηγητής ΗΜΗΤΡΙΟΣ ΨΥΛΛΟΣ Αναπληρωτής Καθηγητής ΠΕΡΙΚΛΗΣ ΑΚΡΙΒΟΣ Επίκουρος Καθηγητής ΣΤΑΥΡΟΣ ΗΜΗΤΡΙΑ ΗΣ Επίκουρος Καθηγητής ΕΥΡΙΠΙ ΗΣ ΧΑΤΖΗΚΡΑΝΙΩΤΗΣ

4 Λεμονιά. Αντώνογλου Α.Π.Θ. Σχεδιασμός, Ανάπτυξη, Εφαρμογή & Αξιολόγηση του Υβριδικού Μοντέλου Διδασκαλίας της Μοριακής Συμμετρίας. ΙSBN «Η έγκριση της παρούσης Διδακτορικής Διατριβής από το Τμήμα Χημείας, της Σχολής Θετικών Επιστημών, του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωμών του συγγραφέως» (Ν. 5343/ 1932, άρθρο 202, παρ. 2)

5

6 Στην οικογένεια μου, στην Κωνσταντίνα, στο Μιχάλη & στο Νικόλα.

7

8 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή εντάσσεται στο γνωστικό πεδίο της Χημικής Εκπαίδευσης και των Νέων Εκπαιδευτικών Τεχνολογιών και έχει ως αντικείμενο το σχεδιασμό, την ανάπτυξη, την εφαρμογή και την αξιολόγηση ενός προπτυχιακού υβριδικού μαθήματος, που ενσωματώνει κατάλληλα σχεδιασμένες εκπαιδευτικές εφαρμογές τρισδιάστατης μοριακής οπτικοποίησης στη διδασκαλία και στη μάθηση της Μοριακής Συμμετρίας και της Θεωρίας Ομάδων. Εκπονήθηκε στο Τμήμα Χημείας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, κατά τα ακαδημαϊκά έτη , υπό την επίβλεψη του Καθηγητή κ Μιχάλη Σιγάλα. Μέρος των αποτελεσμάτων της διατριβής έχουν δημοσιευτεί ως άρθρο σε διεθνές περιοδικό: o L. D. Antonoglou, N. D. Charistos & M. P. Sigalas, (2011), Design, development and implementation of a technology enhanced hybrid course on molecular symmetry: Students outcomes and attitudes, Chemistry Education Research and Practice. 12, και ως κεφάλαια διεθνών επιστημονικών εκδόσεων: o L.D. Antonoglou, N.D. Charistos & M.P. Sigalas, Design (2010), Development, Implementation and Assessment of a Hybrid Course on Molecular Symmetry A pilot project in M. Nodzynska and J. R. Pasko (Eds). Research in Didactics of the Sciences, 3-7 Publisher: Pedagogical University of Kraków, Poland o L. D. Antonoglou, N. D. Charistos & M. P. Sigalas (2008), Design of Molecular Visualization Educational Software for Chemistry Learning, in T. B. Scott and J. I. Livingston (Eds), Leading Edge Educational Technology, Nova Publishers, New York Επιπλέον παρουσιάστηκαν ως προφορικές εργασίες σε συνέδρια: o 21 ο Πανελλήνιο Συνέδριο Χημείας, Θεματική Ενότητα: Χημεία και Εκπαίδευση, Θεσσαλονίκη (2011) o 17 ο Επιμορφωτικό Σεμινάριο της Διδακτικής της Χημείας, Θεσσαλονίκη (2011) o 7ο Πανελλήνιο Συνέδριο Διδακτικής των Φυσικών Επιστημών και Νέων Τεχνολογιών στην Εκπαίδευση (ΚΟΔΙΦΕΕΤ), Αλεξανδρούπολη (2011) o 4th International Conference Research in Didactics of the Sciences (DidSci), Krakow, Poland (2010) o 10th European Conference on Research in Chemistry Education (ECRICE), Krakow, Poland (2010) o 7ο Πανελλήνιο Συνέδριο με Διεθνή Συμμετοχή, Οι ΤΠΕ στην Εκπαίδευση - Ελληνική Επιστημονική Ένωση Τεχνολογιών Πληροφορίας & Επικοινωνιών στην Εκπαίδευση (ΕΤΠΕ), Κόρινθος (2010) o Gordon Research Conference on Visualization in Science & Education, Magdalen College, Oxford, United Kingdom (2009)

9 o 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Διδακτικής των Φυσικών Επιστημών και Νέων Τεχνολογιών στην Εκπαίδευση, (ΚΟΔΙΦΕΕΤ) Φλώρινα (2009) o Διημερίδα Συλλόγου Μεταπτυχιακών Φοιτητών Τμήματος Χημείας, Αθήνα (2009) Από τη θέση αυτή θα ήθελα να ευχαριστήσω τα μέλη της τριμελούς επιτροπής Καθηγητή κ. Μιχάλη Σιγάλα, Επίκουρη Καθηγήτρια κα. Κωνσταντίνα Χατζηαντωνίου - Μαρούλη και Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Ανδρέα Γιαννακουδάκη για τη βοήθεια και τη συμπαράσταση που μου παρείχαν κατά την εκπόνηση της διδακτορικής διατριβής. Θέλω εκ βαθέων να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Μ. Σιγάλα για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε και τη συνεχή ενθάρρυνση που μου προσέφερε. Οι συζητήσεις και η συνεργασία μαζί του αποτελούσαν την κινητήρια δύναμη για την επίπονη αλλά και ενδιαφέρουσα έρευνα σε ένα σχετικά νέο ερευνητικό πεδίο για το Τμήμα Χημείας. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω θερμά τον διδάκτορα Χημείας κ. Νικόλα Χαριστό για τη συνεχή και ενεργή παρουσία του καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης της Διδακτορικής Διατριβής. Ο κ. Σιγάλας και ο κ. Χαριστός ήταν οι μέντορες και οι συνεργάτες μου καθ' όλη τη διάρκεια της εργασίας μου. Μοιραστήκαμε το όραμα και την προσπάθεια να αναπτύξουμε στο Τμήμα Χημείας ένα ερευνητικό πεδίο που στοχεύει στην ανάπτυξη, εφαρμογή και αξιολόγηση επιστημονικά έγκυρων και διδακτικά άρτιων καινοτόμων εκπαιδευτικών λογισμικών και διδακτικών μεθόδων για την υποστήριξη της μάθησης της Χημείας. Καθοριστική ήταν η παρουσία της επίκουρης καθηγήτριας κ. Κωνσταντίνας Χατζηαντωνίου Μαρούλη, η οποία με στήριξε, με συμβούλεψε, με καθοδήγησε ώστε να βγω δυνατή και σίγουρη από όλη αυτή τη δοκιμασία. Την ευχαριστώ πολύ για όλα. Η συνεργασία και η ζύμωση μου, με αυτούς τους τρεις εμπνευσμένους ανθρώπους, επιστήμονες και ερευνητές αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα οφέλη που αποκόμισα από την εκπόνηση της διδακτορικής διατριβής. Φυσικά πίσω από όλη αυτή την πορεία είναι οι γονείς μου, Κυριακή και Δημήτρης, οι οποίοι με στηρίζουν με αυταπάρνηση και στερήσεις, ο αδερφός μου Γιώργος, παρότι είναι ο μικρότερος με συμβουλεύει και μου τραβάει το αυτί όταν χρειάζεται, η αδερφή μου Ελένη, ο Νίκος και τα δύο πανέμορφα ανίψια μου, ο Ιωάννης και ο Δημήτρης, που γεμίζουν με γλυκές στιγμές τη ζωή μου. Όλοι τους μου προσέφεραν απλόχερα την οικογενειακή θαλπωρή και τη συμπαράστασή τους σε όλες τις καλές και κακές επιλογές μου. Τέλος θα ήθελα να εκφράσω την ευγνωμοσύνη μου στους φίλους μου Παναγιώτη Π., Φανή Α., Έλενα Κ., Ιωάννα Ζ., Βικτωρία Σ., Ευτυχία Κ. και Σίσσυ Κ., για τη συνεχή συμπαράσταση τους και να ευχηθώ στους συνεργάτες μου στην ομάδα έρευνας και ανάπτυξης MolWave και ιδιαίτερα στα νεότερα μέλη, Βασίλη Κ., και Θανάση Π., να έχουμε μια καλή και δημιουργική συνεργασία που θα μας φέρει πιο κοντά στους στόχους μας. Δεκέμβριος, 2011 Λεμονιά Δ. Αντώνογλου

10 Πίνακας Περιεχομένων Εισαγωγή Οπτικοποιήσεις στη Μάθηση της Χημείας Η φύση της Χημείας και η διαφοροποίηση της από τις άλλες θετικές επιστήμες Ο ρόλος της συμβολικής χημικής γλώσσας Μοντέλα και αναπαραστάσεις στη Χημεία Πολλαπλές οπτικές αναπαραστάσεις στη μάθηση της Χημείας Δυναμικές και στατικές αναπαραστάσεις Μοριακές αναπαραστάσεις στη Χημεία Δισδιάστατες (2D) μοριακές αναπαραστάσεις Τρισδιάστατες (3D) μοριακές αναπαραστάσεις Μάθηση και κατανόηση της Χημείας Προηγούμενη γνώση (Prior knowledge) Οπτικοχωρική σκέψη Αναπαραστασιακή επιδεξιότητα Εναλλακτικές στρατηγικές επίλυσης χωρικών προβλημάτων Χημείας Ουσιαστική μάθηση (Meaningful learning) στη Χημεία Αλλαγή των νοητικών μοντέλων των μαθητευομένων στη μάθηση της Χημείας Δυσκολίες στην κατανόηση και στη μάθηση της Χημείας Δυσκολίες στη μάθηση μέσα από τα μοντέλα και τις οπτικοποιήσεις Δυσκολίες κατά τη μάθηση των μοντέλων και των χημικών αναπαραστάσεων Δυσκολίες μεταφοράς ανάμεσα σε δισδιάστατες (2D) και τρισδιάστατες (3D) μοριακές οπτικοποιήσεις Πολυμεσικά και πολύ-αναπαραστασιακά περιβάλλοντα μάθησης της Χημείας Βιβλιογραφικές Αναφορές Τεχνολογίες Πληροφορίας & Επικοινωνίας (ΤΠΕ) στην Εκπαίδευση Εφαρμογές των ΤΠΕ στην εκπαίδευση Λόγοι ενσωμάτωσης των ΤΠΕ στην τριτοβάθμια εκπαίδευση Θεωρίες μάθησης & περιβάλλοντα μάθησης που ενσωματώνουν ΤΠΕ Συμπεριφοριστικές θεωρίες... 46

11 Εποικοδομητικές και γνωστικές θεωρίες Koινωνικοπολιτισμικές θεωρίες Τεχνολογίες Πληροφορίας και Επικοινωνίας για τη μάθηση της Χημείας Το προφίλ των φοιτητών του σήμερα Προτιμήσεις μάθησης των φοιτητών Ο ρόλος του διδάσκοντα στα σύγχρονα περιβάλλοντα εκπαίδευσης Εκπαιδευτικός σχεδιασμός σύγχρονων προγραμμάτων εκπαίδευσης Βιβλιογραφικές Αναφορές Μοριακή Συμμετρία και Θεωρία Ομάδων. Σύνοψη, Όψεις Διδασκαλίας της και Εκπαιδευτικές Εφαρμογές Βασικές έννοιες της Μοριακής Συμμετρίας Στοιχεία και Διεργασίες Συμμετρίας Περιγραφή της Συμμετρίας μιας Μοριακής Δομής Ομάδες Σημείου Συστηματοποιημένοι μέθοδοι εύρεσης των Ομάδων Σημείου Εφαρμογή της Θεωρίας Ομάδων στη Μοριακή Συμμετρία Εκπροσωπήσεις Ομάδων Σημείου Αναγώγιμες και μη αναγώγιμες εκπροσωπήσεις Πίνακες χαρακτήρων Εφαρμογές της Μοριακής Συμμετρίας και Θεωρίας Ομάδων Οπτικοχωρική σκέψη για την Μοριακή Συμμετρία Συμβατική διδασκαλία της Μοριακής Συμμετρίας και Θεωρίας Ομάδων Εκπαιδευτικό λογισμικό για τη μοριακή συμμετρία Self-Paced Computer Tutorial on the Concepts of Symmetry Symmetry Elements and Operations - Lee, Leung, Kwong, & Chan Point Group Theory University of Exester, U.K Εκπαιδευτικό πακέτο Point Group I, II & III - Bucknell University, USA Point Group Tutorial - University of North Carolina, U.S.A Molecular Symmetry tutorial - Queen's University, Canada Virtual Text of Organic Chemistry, University of Michigan, U.S.A Symmetry and Point Groups D Molecular Symmetry (3DMolSym) MolWAVE Online Tutorial for Learning Symmetry & Point Groups-Indiana University, USA Διαδραστικό tutorial για τη Συμμετρία Ottebrain University, Ohio, USA Molecular Symmetry Online University of Israel Animated Interactive Overview of Molecular Symmetry Symmetry App - East Carolina University, USA Symmetry Resources at Otterbein College Wiki για τη Μοριακή Συμμετρία και τη Θεωρία Ομάδων Μειονεκτήματα και τα πλεονεκτήματα των διαδικτυακών εφαρμογών για τη Μοριακή Συμμετρία Βιβλιογραφικές Αναφορές Βιβλιογραφία για τη Μοριακή Συμμετρία και τη Θεωρία Ομάδων Υβριδική εκπαίδευση Ορισμός του υβριδικού μοντέλου εκπαίδευσης... 99

12 Μορφές υβριδικών μαθημάτων Βασικά χαρακτηριστικά των υβριδικών περιβαλλόντων εκπαίδευσης Αρχές σχεδιασμού υβριδικών εκπαιδευτικών περιβαλλόντων μάθησης Οφέλη της υβριδικής εκπαίδευσης στην τριτοβάθμια εκπαίδευση Η χρήση Συστημάτων Διαχείρισης Μάθησης στην Υβριδική Εκπαίδευση Τα βασικά χαρακτηριστικά των συστημάτων διαχείρισης μάθησης Blackboard Moodle Κριτήρια επιλογής του Moodle έναντι του Blackboard για την παρούσα εφαρμογή Βιβλιογραφία Αξιολόγηση στην εκπαίδευση Μοντέλα και μέθοδοι αξιολόγησης εκπαιδευτικών προγραμμάτων Εξέλιξη της αξιολόγησης εκπαιδευτικών προγραμμάτων Προσεγγίσεις αξιολόγησης τεχνολογικά υποστηριζόμενων περιβαλλόντων μάθησης Σχεδιασμός αξιολόγησης ενός εκπαιδευτικού προγράμματος Σκοπός και ειδικοί στόχοι αξιολόγησης Αντικείμενο αξιολόγησης Μορφές αξιολόγησης Μέθοδοι και τεχνικές αξιολόγησης Αξιολόγηση των μαθητευομένων Ποιότητα κατασκευής ενός ερωτηματολογίου αξιολόγησης των μαθητευομένων Βιβλιογραφικές αναφορές Διερεύνηση της Ικανότητας Φοιτητών Χημείας στο Νοητικό Χειρισμό και τη Μετάφραση 2D και 3D Μοριακών Οπτικοποιήσεων Σκοπός και στόχοι της έρευνας Μέθοδος και εργαλεία της έρευνας Εξεταζόμενα οπτικά ερεθίσματα (stimuli) στην εφαρμογή Εξεταζόμενοι προσανατολισμοί Περιγραφή της εφαρμογής «Αντιστοίχιση δισδιάστατων και τρισδιάστατων μοριακών συμβολισμών» Εφαρμογή σε φοιτητές Συμμετέχοντες στην έρευνα Αποτελέσματα Ανάλυση μέσων χρόνων απόκρισης και διερεύνηση των λανθασμένων αντιστοιχίσεων Ανάλυση απαντήσεων των συμμετεχόντων φοιτητών στην τελική έρευνα για την εφαρμογή αντιστοίχισης 2D & 3D αναπαραστάσεων Συμπεράσματα Βιβλιογραφικές αναφορές Υβριδικό μάθημα της Μοριακής Συμμετρίας και Θεωρίας Ομάδων Συμβατική διδασκαλία της Μοριακής Συμμετρίας & Θεωρίας Ομάδων σε προπτυχιακό επίπεδο στο ΑΠΘ Στόχοι του υβριδικού μαθήματος της Μοριακής Συμμετρίας & της Θεωρίας Ομάδων Βασικά χαρακτηριστικά του υβριδικού μαθήματος της Μοριακής Συμμετρίας

13 & της Θεωρίας Ομάδων Οργάνωση του υβριδικού μαθήματος Τεχνολογίες που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη του υβριδικού μαθήματος Διαδραστικό εκπαιδευτικό υλικό του υβριδικού μαθήματος Σημειώσεις του μαθήματος σε εκτυπώσιμη (pdf) μορφή Πολυμεσικές παρουσιάσεις στις διαλέξεις του υβριδικού μαθήματος Ερωτηματολόγια γνώσεων και δεξιοτήτων για το υβριδικό μάθημα Το περιβάλλον του υβριδικού μαθήματος μέσα στο ΣΔΜ Περιγραφή του υβριδικού μαθήματος ενός ακαδημαϊκού εξαμήνου Περιγραφή του περιεχομένου των μαθησιακών πακέτων Περιγραφή των προσφερόμενων στους φοιτητές υπηρεσιών & εργαλείων στο Moodle Εφαρμογή και αξιολόγηση του υβριδικού μαθήματος για τη Μοριακή Συμμετρία & Θεωρία Ομάδων Εφαρμογή του υβριδικού μαθήματος σε προπτυχιακούς φοιτητές Χημείας Δείγμα φοιτητών Αξιολόγηση του υβριδικού μαθήματος Μοριακή Συμμετρία & Θεωρία Ομάδων Στατιστική ανάλυση Στοιχεία που εξάχθηκαν από το Moodle Στάσεις και απόψεις των φοιτητών Βιβλιογραφικές αναφορές Αποτελέσματα και Συζήτηση Στάσεις και απόψεις των φοιτητών Ενασχόληση με τις ΤΠΕ και αυτοπεποίθηση με στις ικανότητες χρήσης των νέων τεχνολογιών Οι απόψεις των φοιτητών σχετικά με την ευχρηστία του διαδικτυακού μέρους του υβριδικού μαθήματος Απόψεις των φοιτητών για την ποιότητα του περιεχομένου του εκπαιδευτικού υλικού και των δραστηριοτήτων Στάσεις και απόψεις των φοιτητών για το υβριδικό μοντέλο και την εμπειρία τους στο υβριδικό περιβάλλον εκπαίδευσης Ποσοτικά δεδομένα για τη συχνότητα πρόσβασης των φοιτητών στο διαδικτυακό μέρος του υβριδικού μαθήματος Παρατήρηση πεδίου Επιδόσεις των φοιτητών στο υβριδικό μάθημα Επιδόσεις των φοιτητών στα ερωτηματολόγια αξιολόγησης γνώσεων και δεξιοτήτων τους (κουίζ) Τελική αξιολόγηση γνώσεων και δεξιοτήτων των φοιτητών Ποσοστό επιτυχίας των φοιτητών στο μάθημα Τελικός βαθμός στο μάθημα Συμπεράσματα Summary

14 Εισαγωγή Αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής αποτελεί ο σχεδιασμός, η ανάπτυξη, η εφαρμογή και η αξιολόγηση του υβριδικού μαθήματος της Μοριακής Συμμετρίας και της Θεωρίας Ομάδων. Ο βασικός σκοπός της υιοθέτησης του υβριδικού μοντέλου εκπαίδευσης σε αυτό το απαιτητικό προπτυχιακό μάθημα Χημείας ήταν η ανάπτυξη ενός φοιτητοκεντρικού περιβάλλοντος εκπαίδευσης, το οποίο i) ενθαρρύνει τους φοιτητές να συμμετέχουν ενεργά στη μαθησιακή διαδικασία, ii) προωθεί την αλληλεπίδραση ανάμεσα στους φοιτητές, το περιεχόμενο του μαθήματος και τον διδάσκοντα, iii) υποστηρίζει την κατανόηση και τη μάθηση του γνωστικού αντικείμενου και iv) προσφέρει μία ικανοποιητική εμπειρία στους συμμετέχοντες στο υβριδικό περιβάλλον εκπαίδευσης. Κατά το σχεδιασμό του προπτυχιακού μαθήματος τέθηκαν ως στόχοι: o o o o Η αύξηση της ενασχόλησης και αλληλεπίδρασης των φοιτητών με το εκπαιδευτικό υλικό του μαθήματος Η ενθάρρυνση των φοιτητών να αναλάβουν πρωτοβουλίες και την ευθύνη για τη μάθηση τους με τους δικούς τους μαθησιακούς ρυθμούς Η ανταπόκριση και κάλυψη περισσοτέρων μαθησιακών τύπων Η δημιουργία κινήτρων για ουσιαστική και ενεργή συμμετοχή στις πρόσωπο με πρόσωπο συναντήσεις του μαθήματος o Η ενθάρρυνση της αίσθησης συμμετοχής σε μία μαθησιακή κοινότητα ανάμεσα στους συμμετέχοντες Η ερευνητική υπόθεση της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής θα μπορούσε να διατυπωθεί ως εξής: «Η υβριδική εκπαίδευση σε προπτυχιακό επίπεδο της Χημείας έχει θετικές επιπτώσεις στις επιδόσεις, στην ποιότητα και ποσότητα αλληλεπίδρασης των φοιτητών με το περιεχόμενο ενός απαιτητικού αντικειμένου της Χημείας, όπως είναι η Μοριακή Συμμετρία και η Θεωρία Ομάδων, που είναι στενά συνδεδεμένο με την τρισδιάστατη μοριακή δομή». Τα βασικά χαρακτηριστικά του υβριδικού μαθήματος που σχεδιάσαμε, αναπτύξαμε και εφαρμόσαμε στο Τμήμα Χημείας με αντικείμενο τη Μοριακή Συμμετρία και τη Θεωρία Ομάδων είναι: i) η ενσωμάτωση με πολλαπλούς τρόπους στο εκπαιδευτικό υλικό, στις διδακτικές και μαθησιακές δραστηριότητες του μαθήματος 80 πρωτότυπων, διαδραστικών, εκπαιδευτικών λογισμικών,

15 Εισαγωγή τρισδιάστατης, μοριακής οπτικοποίησης, κατάλληλα σχεδιασμένων για την υποστήριξη της αντίληψης, της διερευνητικής μάθησης και της εξάσκησης των φοιτητών σε έννοιες της μοριακής συμμετρίας, ii) η διάθεση εκπαιδευτικού υλικού σε μαθησιακά πακέτα (study blocks) στο διαδίκτυο μέσα σε ένα Σύστημα Διαχείρισης Μαθήματος (ΣΔΜ), το Moodle, iii) η εφαρμογή μαθησιακών δραστηριοτήτων και διαμορφωτικής αξιολόγησης (κουίζ) μέσω διαδικτύου, iv) η υλοποίηση διαλέξεων, υποστηριζόμενων από πολυμεσικές παρουσιάσεις στις προγραμματισμένες πρόσωπο με πρόσωπο συναντήσεις μέσα στην αίθουσα υπολογιστών του Τμήματος, v) η παροχή ανατροφοδότησης και οδηγιών στις πρόσωπο με πρόσωπο συναντήσεις, αλλά και εξ αποστάσεως για τα προηγούμενα καθώς και τα επόμενα μαθησιακά πακέτα και στ) η εξασφάλιση μέσων για σύγχρονη και ασύγχρονη επικοινωνία από απόσταση σε συνδυασμό με τις ευκαιρίες για ζωντανούς και άμεσους πρόσωπο με πρόσωπο διαλόγους μεταξύ των συμμετεχόντων, προκειμένου να επιτευχθούν κοινοί μαθησιακοί στόχοι στα πλαίσια μιας κοινότητας μάθησης. Στοιχεία για την αποτελεσματικότητα του υβριδικού μαθήματος της Μοριακής Συμμετρίας και Θεωρίας Ομάδων προκύπτουν μέσα από την ανάλυση ποιοτικών και ποσοτικών δεδομένων, που συλλέγονται κατά τη διάρκεια εφαρμογής του υβριδικού μαθήματος καθώς και μέσα από έρευνα που διεξάγεται μεταξύ των προπτυχιακών φοιτητών Χημείας που παρακολουθούν και ολοκληρώνουν το υβριδικό μάθημα. Οι βασικές πηγές πληροφοριών που χρησιμοποιούνται είναι: i) τα αρχεία καταγραφής των ενεργειών των χρηστών μέσα στο ηλεκτρονικό σύστημα διαχείρισης του μαθήματος, ii) οι επιδόσεις των μαθητευομένων και η ανάλυση των απαντήσεων τους στη διαδικτυακή διαμορφωτική και στη συνολική αξιολόγηση γνώσεων και δεξιοτήτων των φοιτητών, και iii) οι απαντήσεις των φοιτητών στο ερωτηματολόγιο αξιολόγησης τύπου Likert της τελικής έρευνας που διερευνά τις στάσεις και τις απόψεις των φοιτητών αναφορικά με το υβριδικό μάθημα και την εμπειρία τους στο υβριδικό περιβάλλον εκπαίδευσης. Επιπλέον πληροφορίες συλλέχθηκαν από τα απεσταλμένα ηλεκτρονικά μηνύματα και τα σχόλια των φοιτητών στην ομάδα συζήτησης μέσα στο σύστημα διαχείρισης μάθησης, από τη διακριτική παρατήρηση των συμμετεχόντων μέσα στις προγραμματισμένες συναντήσεις, αλλά και σε ώρες εκτός αυτών, στην αίθουσα υπολογιστών του Τμήματος. Τέλος, παράλληλα με την ανάπτυξη και την αξιολόγηση του προπτυχιακού υβριδικού μαθήματος, που είναι άμεσα συνυφασμένο με την τρισδιάστατη οπτικοποίηση της μοριακής δομής, στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκε διερεύνηση κριτηρίων επιλογής κατάλληλων προσανατολισμών των μοριακών αναπαραστάσεων για την ενσωμάτωση τους σε εκπαιδευτικό υλικό, σε διδακτικές και μαθησιακές διαδικασίες στη Χημική Εκπαίδευση. Η διερεύνηση αυτή πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια ενός πρωτότυπου διαγνωστικού λογισμικού, «Αντιστοιχίσεις μεταξύ 2D και 3D μοριακών συμβολισμών», το οποίο σχεδιάστηκε, αναπτύχθηκε και εφαρμόστηκε στους τεταρτοετείς φοιτητές πριν από την έναρξη του υβριδικού μαθήματος της Μοριακής Συμμετρίας και Θεωρίας Ομάδων, καθώς και σε πρωτοετείς προπτυχιακούς και μεταπτυχιακούς φοιτητές Χημείας. Βασικά ζητούμενα της έρευνας αυτής ήταν η εκτίμηση των δυνατοτήτων των φοιτητών για νοητικές μεταφράσεις μεταξύ δισδιάστατων (2D) συμβολικών αναπαραστάσεων και τρισδιάστατων μοριακών μοντέλων (3D) και της επίδρασης στην δεξιότητα αυτή, του προσανατολισμού και της ποσότητας των οπτικών πληροφοριών, που εμπεριέχονται στις εξεταζόμενες μοριακές αναπαραστάσεις καθώς και της εμπειρίας των συμμετεχόντων, όπως προκύπτει από τα έτη σπουδών τους στο Τμήμα Χημείας. Ως εξεταζόμενα μοντέλα 2

16 Λ. Δ. Αντώνογλου. Διδακτορική Διατριβή χρησιμοποιήθηκαν η τετραεδρική δομή του μεθανίου, CH 4, και η παραμορφωμένη τετραεδρική δομή του βρώμο-χλώρο-φθόρο-μεθανίου, CHBrClF. Συμπεράσματα για την εξεταζόμενη δεξιότητα των φοιτητών προέκυψαν i) από τους μετρούμενους χρόνους απόκρισης (response times), ii) από τις επιλογές των συμμετεχόντων σε κάθε αντιστοίχιση, iii) από τη διερεύνηση των λανθασμένων αντιστοιχίσεων και iv) από τις απαντήσεις των φοιτητών σε έρευνα αμέσως μετά την ολοκλήρωση όλων των αντιστοιχίσεων της εφαρμογής. Το ερωτηματολόγιο της πεντάβαθμης κλίμακας τύπου Likert που χρησιμοποιήθηκε στην τελική έρευνα, διερευνά τις απόψεις των συμμετεχόντων σχετικά με το βαθμό δυσκολίας αλλά και τη στρατηγική που θεωρούν ότι ακολούθησαν στις εξεταζόμενες αντιστοιχίσεις ανάμεσα σε 2D και 3D μοριακές αναπαραστάσεις. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή αποτελείται από δύο μέρη. Το πρώτο μέρος περιλαμβάνει τα κεφάλαια 1 έως 5, τα οποία αποτελούν το θεωρητικό υπόβαθρο του σχεδιασμού, της ανάπτυξης, της εφαρμογής και της αξιολόγησης υβριδικών μαθημάτων, αλλά και του σχεδιασμού των εξειδικευμένων λογισμικών τρισδιάστατης μοριακής οπτικοποίησης. Στο κεφάλαιο 1 δίνονται στοιχεία για το ρόλο των οπτικοποιήσεων, των πολλαπλών αναπαραστάσεων, της οπτικοχωρικής σκέψης και της αναπαραστασιακής επιδεξιότητας στη Χημεία. Συζητούνται οι παράγοντες που επηρεάζουν τη μάθηση και την κατανόηση της Χημείας, όπως η προηγούμενη γνώση, η εννοιολογική αλλαγή, το γνωστικό φορτίο και η φύση της μνήμης εργασίας του ανθρώπινου νου καθώς και των δυσκολιών, που αντιμετωπίζουν οι αρχάριοι φοιτητές χημείας. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με τις βασικές αρχές σχεδιασμού τεχνολογικά υποστηριζόμενων περιβαλλόντων μάθησης και πολύ-αναπαραστασιακού εκπαιδευτικού λογισμικού για την υποστήριξη της διδασκαλίας και της μάθησης της Χημείας. Στο κεφάλαιο 2 περιγράφονται πολύ συνοπτικά τα κύρια χαρακτηριστικά των τριών βασικότερων θεωριών μάθησης που επηρέασαν την ανάπτυξη περιβαλλόντων μάθησης και συνακόλουθα τον τρόπο ενσωμάτωσης των ΤΠΕ στη μαθησιακή διαδικασία. Ακολουθεί μία εισαγωγή στην ένταξη και χρήση των Τεχνολογιών Πληροφορίας και Επικοινωνίας στην εκπαίδευση γενικότερα και στη μάθηση της Χημείας ειδικότερα. Στο κεφάλαιο 3, αφού παρουσιάζονται συνοπτικά τα αντικείμενα της Μοριακή Συμμετρίας και της Θεωρίας Ομάδων, περιγράφεται ο συμβατικός τρόπος διδασκαλίας της σε παραδοσιακά περιβάλλοντα εκπαίδευσης. Επίσης παρουσιάζονται εκπαιδευτικά εργαλεία νέας τεχνολογίας, όπως tutorials, ηλεκτρονικά βιβλία, wiki και διαδικτυακές μικροεφαρμογές, τα οποία έχουν αναπτυχθεί για τη Μοριακή Συμμετρία και τη Θεωρία Ομάδων και υπάρχουν διαθέσιμα στο διαδίκτυο ή έχουν καταγραφεί στη βιβλιογραφία. Στόχος του κεφαλαίου 4 είναι να παρουσιάσει το γενικό θεωρητικό υπόβαθρο του υβριδικού μοντέλου εκπαίδευσης, την οργάνωση της υβριδικής εκπαίδευσης καθώς και τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά της. Κατ' αρχάς παρουσιάζονται οι διαφορετικές εκφάνσεις της υβριδικής εκπαίδευσης όπως αυτές εμφανίζονται μέσα από τους διαφορετικούς διαθέσιμους ορισμούς της βιβλιογραφίας. Στη συνέχεια δίνονται οι βασικές αρχές σχεδιασμού ενός υβριδικού μαθήματος, η συνήθης δομή και οργάνωσή του, καθώς επίσης τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της υβριδικής εκπαίδευσης σε ότι αφορά στους διδασκόμενους και τους διδάσκοντες. Τέλος παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά των δύο πιο δημοφιλών συστημάτων διαχείρισης μαθήματος (ΣΔΜ), που χρησιμοποιούνται σε επιτυχημένα παραδείγματα υβριδικών μαθημάτων στα διάφορα πανεπιστήμια ανά τον κόσμο. 3

17 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται η εξέλιξη των μοντέλων αξιολόγησης προγραμμάτων στην εκπαίδευση ξεκινώντας από γενικότερα προγράμματα και καταλήγοντας σε μοντέλα αξιολόγησης προγραμμάτων που ενσωματώνουν νέες τεχνολογίες. Δίνονται τα βασικά στοιχεία για το σχεδιασμό μιας αξιολόγησης στην εκπαίδευση και μία σχετικά λεπτομερής περιγραφή των χαρακτηριστικών ενός ερωτηματολογίου αξιολόγησης. Στο δεύτερο μέρος της Διδακτορικής Διατριβής περιλαμβάνει τα κεφάλαια 6 έως 9, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της διδακτορικής διατριβής και συγκεκριμένα α) η διερεύνηση της ικανότητας φοιτητών χημείας στο νοητικό χειρισμό και τη μετάφραση 2D και 3D μοριακών οπτικοποιήσεων και β) ο σχεδιασμός, η ανάπτυξη, η εφαρμογή και η αξιολόγηση του υβριδικού μαθήματος για τη Μοριακή Συμμετρία και τη Θεωρία Ομάδων. Στο κεφάλαιο 6 περιγράφεται το πρωτότυπο διαγνωστικό λογισμικό - εργαλείο «Αντιστοίχιση δισδιάστατων και τρισδιάστατων μοριακών συμβολισμών» που σχεδιάστηκε, αναπτύχθηκε και εφαρμόστηκε σε προπτυχιακούς και μεταπτυχιακούς φοιτητές Χημείας. Τα αποτελέσματα της έρευνας αυτής παρουσιάζονται οργανωμένα μέσα στις ομάδες συμμετεχόντων φοιτητών και σε κατηγορίες των εξεταζόμενων οπτικών ερεθισμάτων δηλαδή των εξεταζόμενων μοριακών προσανατολισμών. Το κεφάλαιο αυτό καταλήγει στα συμπεράσματα που προκύπτουν από την ανάλυση των ποσοτικών και ποιοτικών δεδομένων της έρευνας καθώς και σε προτάσεις αξιοποίησης των ευρημάτων της έρευνας αυτής στη Χημική Εκπαίδευση γενικότερα και στην ανάπτυξη εκπαιδευτικού υλικού και δραστηριοτήτων που ενσωματώνουν μοριακές αναπαραστάσεις. Στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζεται το υβριδικό μάθημα για τη Μοριακή Συμμετρία και τη Θεωρία Ομάδων. Παρουσιάζονται λεπτομερώς για όλες τις θεματικές ενότητες του μαθήματος το διαθέσιμο εκπαιδευτικό υλικό, οι δραστηριότητες και τα ερωτηματολόγια αξιολόγησης που σχεδιαστήκαν και ενσωματώθηκαν στα αντίστοιχα μαθησιακά πακέτα στο ΣΔΜ. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις διαδραστικές εφαρμογές τρισδιάστατης μοριακής οπτικοποίησης που σχεδιάστηκαν, αναπτύχθηκαν και ενσωματώθηκαν με διάφορους καινοτομικούς τρόπους μέσα στο υβριδικό μάθημα. Στο κεφάλαιο 8 περιγράφεται η τριετής εφαρμογή του υβριδικού μαθήματος σε προπτυχιακούς φοιτητές Χημείας και παρουσιάζονται στοιχεία από τις μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας του υβριδικού μοντέλου εκπαίδευσης για τη διδασκαλία και τη μάθησης της Μοριακής Συμμετρίας και της Θεωρίας Ομάδων. Στο κεφάλαιο 9 παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα από την αξιολόγηση της υβριδικής εκπαίδευσης όπως προκύπτουν από την ανάλυση ποιοτικών και ποσοτικών δεδομένων, που συλλέχθηκαν κατά τη διάρκεια κάθε ακαδημαϊκής χρονιάς που εφαρμόστηκε το υβριδικό μοντέλο διδασκαλίας καθώς και από τις απαντήσεις των φοιτητών σε έρευνα μετά την ολοκλήρωση του μαθήματος. Τέλος γίνεται μία σύνοψη της Διδακτορικής Διατριβής και παρουσιάζονται τα τελικά συμπεράσματα από αυτή. 4

18 Κεφάλαιο 1. Οπτικοποιήσεις στη Μάθηση της Χημείας Η Χημεία θεωρείται ότι είναι η πλέον οπτική (visual) από τις θετικές επιστήμες, γεγονός το οποίο επιβεβαιώνεται με την ύπαρξη μίας ενιαίας χημικής γλώσσας, η οποία βασίζεται σε σύμβολα και οπτικές αναπαραστάσεις. Η γλώσσα της επιστήμης της Χημείας αναπτύχθηκε και εξελίχθηκε με το πέρασμα των χρόνων από τους ίδιους τους χημικούς σε μία συνεχή τους προσπάθεια να προσεγγίσουν, να εξηγήσουν και να επικοινωνήσουν με όσο το δυνατό μεγαλύτερη ακρίβεια τις χημικές έννοιες και τα φαινόμενα που μελετούν (Harbaken, 1996). Οι έμπειροι χημικοί χρησιμοποιούν τις χημικές αναπαραστάσεις ως βασικό εργαλείο μελέτης και έρευνας στην επιστήμη τους και μάλιστα διαθέτουν μία αυξημένη αναπαραστασιακή επιδεξιότητα (representational competence), η οποία τους επιτρέπει να δομούν, να χειρίζονται, να μεταφράζουν και να ερμηνεύουν τις εξωτερικές και εσωτερικές χημικές αναπαραστάσεις, που απαιτούν την εκτεταμένη χρήση της οπτικοχωρικής σκέψης στη Χημεία. Οι εσωτερικές και εξωτερικές χημικές αναπαραστάσεις εμπεριέχουν ταυτοχρόνως εννοιολογική, χωρική και οπτική πληροφορία (Ainsworth, 1999; Hoffman & Lazlo,1991; Kozma & Russell, 1997; Cook, Wiebe & Carter, 2008). Η οπτικοχωρική σκέψη περιλαμβάνει όχι μόνο την ικανότητα του ατόμου να φαντάζεται χωρικά αντικείμενα, σχέσεις και μετασχηματισμούς, αλλά και την ικανότητα αποκωδικοποίησης των δεδομένων αυτών με οπτικό τρόπο και κωδικοποίησής τους με λεκτικούς ή μικτούς τρόπους (Gorgorió, 1998). Από την άλλη, οι μαθητευόμενοι, όπως προκύπτει από ερευνητικές μελέτες, εμφανίζουν δυσκολίες στην κατανόηση και στη χρήση των χημικών αναπαραστάσεων που αποδίδονται: α) στην περιορισμένη προηγούμενη γνώση τους, β) στις μη ανεπτυγμένες απαραίτητες γνωστικές δεξιότητες για την κατανόηση και τη μάθηση της Χημείας και γ) στη συμμετοχή τους σε περιβάλλοντα εκπαίδευσης, που εστιάζουν περισσότερο στην παρουσίαση της πληροφορίας και λιγότερο στις γνωστικές διεργασίες επεξεργασίας και ενσωμάτωσης των νέων πληροφοριών στις υπάρχουσες γνωστικές δομές. Το αντικείμενο της χημικής εκπαίδευσης εστιάζει στην ενίσχυση των μαθητευομένων κατά τη διδασκαλία και τη μάθηση της Χημείας. Προτεραιότητα της χημικής εκπαίδευσης είναι να υποστηρίξει τους μαθητευομένους, προκειμένου να αντιληφθούν και να εξηγήσουν τα παρατηρούμενα χημικά φαινόμενα μέσα από την κατανόηση των ιδιοτήτων και των δυναμικών σχέσεων ανάμεσα και μέσα στα σωματίδια του μικροσκοπικού επιπέδου, όπως είναι τα μόρια, τα

19 Κεφάλαιο 1. Οπτικοποιήσεις στη μάθηση της Χημείας άτομα και τα υποατομικά σωματίδια. Το μικροσκοπικό επίπεδο, το οποίο περιγράφεται από τη χημική θεωρία, προσεγγίζεται μέσα από τα σύμβολα και τις χημικές αναπαραστάσεις με τις οποίες πρέπει να εξοικειωθούν οι μαθητευόμενοι. Στο κεφάλαιο αυτό δίνονται στοιχεία για το ρόλο των μοντέλων στη διδασκαλία και στη μάθηση της Χημείας και παρουσιάζονται παραδείγματα δισδιάστατων και τρισδιάστατων οπτικών χημικών αναπαραστάσεων. Στη συνέχεια περιγράφεται η συμβολή της οπτικοχωρικής σκέψης και των πολλαπλών χημικών αναπαραστάσεων στην επιτυχία των μαθητευομένων να κατανοούν και να επιλύουν θέματα Χημείας, που σχετίζονται με τη μοριακή δομή. Ακολουθεί αναφορά σε μία σειρά από παράγοντες που επηρεάζουν τη μάθηση και την κατανόηση της χημείας, όπως η προηγούμενη γνώση, η εννοιολογική αλλαγή, το γνωστικό φορτίο και η φύση της μνήμης εργασίας του ανθρώπινου νου. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με τις βασικές αρχές σχεδιασμού τεχνολογικά υποστηριζόμενων περιβαλλόντων μάθησης και πολύ-αναπαραστασιακού εκπαιδευτικού λογισμικού για την υποστήριξη της μάθησης της Χημείας. Όλα τα παραπάνω αποτελούν το θεωρητικό υπόβαθρο για το σχεδιασμό ενός υβριδικού περιβάλλοντος μάθησης για ένα σύνθετο αντικείμενο της Χημείας, όπως είναι η Μοριακή Συμμετρία και η Θεωρία Ομάδων, που συνδέεται άμεσα με την τρισδιάστατη μοριακή δομή και τις ιδιότητες της Η φύση της Χημείας και η διαφοροποίηση της από τις άλλες θετικές επιστήμες Η Χημεία παρουσιάζει ορισμένες ιδιαιτερότητες σε σχέση με τις υπόλοιπες θετικές επιστήμες με αποτέλεσμα να απαιτείται μία πιο εξειδικευμένη προσέγγιση για τη διδασκαλία και τη μάθησή της (Jones, Jordan & Stillings, 2001; Charistos, et al 2003; Erduran, Bravo & Naaman, 2007). Οι Erduran και Scerri εστιαζόμενοι στην οπτική της φιλοσοφίας της Χημείας παρουσίασαν ένα ισχυρό επιχείρημα για την ιδιόμορφη και ξεχωριστή φύση της γνώσης της Χημείας (Erduran & Scerri, 2002). Υποστήριξαν ότι παρόλο τα χημικά συστήματα αποτελούν μία ειδική κατηγορία των Φυσικών συστημάτων, οι γνώσεις της Χημείας δεν μπορούν να αναχθούν στη φυσική ή στα μαθηματικά, λόγω της ιδιαίτερης ποιοτικής και ταξινομικής φύσης των χημικών εννοιών, των νόμων και των ερμηνειών τους. Από την άλλη, ο R. Hoffmann, κάτοχος βραβείου Nobel Χημείας (1991), παρόλο που συμφωνεί με τον αναγωγισμό 1 (reductionism) στις επιστήμες, θεωρεί ότι η πιο κατάλληλη προσέγγιση για την εξήγηση της ιδιαιτερότητας της Χημείας έναντι των άλλων επιστημών είναι μία κοινωνικό-κονστρουκτιβιστική οπτική, η οποία δίνει έμφαση στις εποικοδομητικές και συνεργατικές διαδικασίες καθώς και στη δημιουργική και ανοικτή σκέψη, που είναι καθοριστικοί παράγοντες για την εξέλιξη της Χημείας (Hoffmann & Torrence, 1993; Antonoglou, Charistos & Sigalas, 2008). Για τους χημικούς, η «δημιουργική» σκέψη αποτελεί κεντρική γνωστική διεργασία και μάλιστα φαίνεται να υπάρχει μία αμφίδρομη σχέση ανάμεσα στην επιστημονική έρευνα και την επιστημονική γνώση και σκέψη. Οι χημικοί χρησιμοποιούν την επιστημονική γνώση και σκέψη για να αναπτύξουν θεωρίες, να σχεδιάσουν πειράματα, να δοκιμάσουν υποθέσεις, να ερμηνεύσουν δεδομένα και να κάνουν επιστημονικές ανακαλύψεις. Από τη μία η επιστημονική έρευνα είναι καθοριστική για την 1. Αναγωγισμός (Φιλοσ.) άποψη που υποστηρίζει ότι οι οντότητες ενός δεδομένου είδους είναι άθροισμα ή συνδυασμοί οντοτήτων ενός απλούστερου ή βασικότερου είδους. Έτσι οι ιδέες ότι τα φυσικά σώματα είναι αθροίσματα ατόμων αποτελούν μορφές αναγωγισμού ( 6

20 Λ. Δ. Αντώνογλου. Διδακτορική Διατριβή ανάπτυξη της γνώσης στη Χημεία και από την άλλη, η επιστημονική γνώση και η κατανόηση καθοδηγούν την επιστημονική έρευνα (Askela, 2005; Bybee, 2004). Η Habraken (1996) πολύ χαρακτηριστικά αναφέρει ότι από τη στιγμή που ο Lavoisier 2 έθεσε ως στόχο της Χημείας την αποσύνθεση και τη μελέτη των «συστατικών ουσιών» των διάφορων υλικών σωμάτων, άνοιξε το δρόμο για μία νέα «Μοντέρνα» εποχή για τη Χημεία. Στην εποχή αυτή εμφανίζεται μία αδιάκοπη αλληλεπίδραση ανάμεσα στις πειραματικές ανακαλύψεις και στις θεωρητικές ερμηνείες, η οποία σηματοδοτείται από την ανάπτυξη καινοτόμων εργαλείων και οργάνων για τη δημιουργία υποθέσεων και θεωριών. Αυτό φαίνεται και από το γεγονός ότι στη Χημεία μπορούν να τεθούν για το ίδιο αντικείμενο-θέμα διαφορετικά ερευνητικά ερωτήματα μέσα από διαφορετικές οπτικές ενός χημικού φαινομένου, τα οποία αντιστοιχούν σε διαφορετικά είδη έρευνας και οδηγούν σε διαφορετικές ερμηνείες ανάλογα με το επίπεδο προσέγγισης του φαινομένου. Παράλληλα όμως με την εξέλιξη της επιστήμης της Χημείας, όπως συμβαίνει με όλες τις επιστήμες, εξελίσσεται και η σχετική επιστημονική γλώσσα. Ωστόσο, στην περίπτωση της Χημείας, η εξέλιξη της γλώσσας σηματοδοτήθηκε από τη μετατροπή της από μία γλώσσα που βασιζόταν στο μαθηματικό φορμαλισμό για την εξήγηση φαινομένων σε μία γλώσσα που βασίζεται σε ακριβείς συμβολικές απεικονίσεις και στην οπτικοχωρική νόηση. Επιπλέον, η εξέλιξη των μέσων και των τεχνολογικών εργαλείων οπτικοποίησης μέσα στο χρόνο συνέβαλλαν στην αύξηση των δυνατοτήτων των χημικών να εξετάζουν και να μελετούν όλο και πιο πολύπλοκες μοριακές δομές καθώς και να εξηγούν όλο και πιο σύνθετα χημικά φαινόμενα (Habraken, 1996). Έτσι στην ιστορία της Χημείας υπάρχουν ιστορικά παραδείγματα που καταδεικνύουν την παράλληλη εξέλιξη των μέσων οπτικοποίησης και της Χημείας. Για παράδειγμα αρχικά καταγράφεται η οπτικοποίηση του Kekule, ο οποίος φαντάστηκε ότι στο δακτύλιο του βενζολίου τα άτομα του άνθρακα κινούνται όπως ένα φίδι που προσπαθεί να δαγκώσει την ουρά του (Εικόνα 1.1α). Στη συνέχεια ο Van t Hoff (1874) περιέγραψε την τετραεδρική δομή των ενώσεων του άνθρακα, ξεκινώντας από την τετραεδρική αναπαράσταση του μεθανίου (Εικόνα 1.1β). Ενώ το 1985 ο R. Smalley και η ομάδα του ανακάλυψαν και παρουσίασαν τη σφαιρική δομή του πρώτου φουλερενίου με 60 άτομα άνθρακα (buckminsterfullerene C60) (Εικόνα 1.1γ). Εικόνα 1.1: α) Το βενζόλιο που φαντάστηκε ο Kekule, β) Η τετραεδρική δομή του μεθανίου και γ) Η δομή του φουλερενίου C60 Η φύση της γνώσης της Χημείας, καθώς και η εξέλιξη της δόμησης της χημικής γνώσης αποτελεί αντικείμενο της Επιστημολογίας της Χημείας, η οποία διαδραματίζει κεντρικό ρόλο στη Χημική 2. Οι περισσότεροι ιστορικοί της επιστήμης τοποθετούν την απαρχή της «Μοντέρνας Χημείας» τον 18ο αιώνα και συγκεκριμένα στην ερευνητική εργασία του Lavoisier, ο οποίος έθεσε τις βάσεις για μία διαφορετική μελέτη και ονοματολογία φαινομένων, που αφορούσαν ποιοτικά χαρακτηριστικά της ύλης και που μέχρι τότε βασίζονταν σε εμπειρικές και μακροσκοπικές παρατηρήσεις. 7

21 Κεφάλαιο 1. Οπτικοποιήσεις στη μάθηση της Χημείας Εκπαίδευση (Erduran & Scerri, 2002; Erduran et al.,2007). Η Χημική Εκπαίδευση με τη σειρά της θέτει ως στόχο να «ζυμώσει» τους μαθητευομένους με την επιστημονική γνώση της Χημείας, τη φύση της Χημείας και στο πως δουλεύουν οι χημικοί δηλαδή το πως γίνεται η επιστημονική έρευνα στη Χημεία (Askela, 2005) Ο ρόλος της συμβολικής χημικής γλώσσας Στη Χημεία υπάρχουν τρία βασικά επίπεδα προσέγγισης των χημικών φαινομένων, το μακροσκοπικό (macroscopic), το μικροσκοπικό (microscopic) και το συμβολικό (symbolic) (Johnstone, 1993; Treagust, Chittleborough &Mamiala, 2003). Στο μακροσκοπικό επίπεδο οι χημικοί προσεγγίζουν τα χημικά φαινόμενα με τις αισθήσεις τους. Για παράδειγμα παρατηρούν την αλλαγή του χρώματος σε ένα διάλυμα, την καθίζηση ιζήματος με την ανάμιξη ενός όξινου με ένα βασικό διάλυμα και την έκλυση φυσαλίδων κατά τη βύθιση ελάσματος ψευδαργύρου σε αραιό διάλυμα υδροχλωρικού οξέος. Η ερμηνεία των παραπάνω χημικών φαινόμενων, όπως και όλων των χημικών φαινομένων, πραγματοποιείται στο μικροσκοπικό επίπεδο. Για παράδειγμα η αλλαγή του χρώματος σε ένα διάλυμα μπορεί να οφείλεται σε μία αντίδραση οξειδοαναγωγής, ο σχηματισμός ιζήματος στο σχηματισμό άλατος κατά την εξουδετέρωση του οξέος από τη βάση και η έκλυση φυσαλίδων να είναι αποτέλεσμα αντίδρασης απλής αντικατάστασης του δραστικού μετάλλου με το οξύ κατά την οποία παράγεται αέριο υδρογόνο. Επομένως οι εξηγήσεις των παρατηρούμενων μακροσκοπικών φαινομένων βασίζονται στις ιδιότητες και στην αλληλεπίδραση των ασύλληπτων με τις αισθήσεις μικροσκοπικών σωματιδίων, όπως είναι τα ηλεκτρόνια, τα άτομα και τα μόρια, τα οποία προσεγγίζονται νοητικά μέσα από τη χημική θεωρία (Heitzman & Krajcik, 2005). Σχήμα 1.1: Τα τρία αναπαραστατικά επίπεδα στη Χημείας συνδέονται με την επιστημονική γλώσσα Για την περιγραφή και την επικοινωνία αυτών των χημικών εννοιών και φαινομένων του μικροσκοπικού επιπέδου χρησιμοποιείται το συμβολικό επίπεδο, στο οποίο συμπεριλαμβάνονται τα χημικά σύμβολα των στοιχείων, οι μοριακοί τύποι, οι συντακτικοί τύποι, οι εξισώσεις των χημικών αντιδράσεων και όλες οι άλλες συμβολικές συμβάσεις που εμπνεύσθηκαν και καθιερώθηκαν από χημικούς κατά την εξέλιξη της επιστήμης τους. Οι Hoffman & Lazlo (1991) θεωρούν ότι οι συμβολικές αναπαραστάσεις των μορίων (π.χ. οι χημικοί τύποι) αποτελούν ανάλογα των λέξεων της επιστημονικής γλώσσας των χημικών. Μάλιστα, συστήνουν ότι οι χημικές αναπαραστάσεις αποτελούν υβρίδια δύο ανταγωνιστικών οντοτήτων καθώς είναι σύμβολα και μοντέλα ταυτοχρόνως. Ως σύμβολα είναι ασαφή και γενικά (arbitrary) και μπορούν να εφαρμόζονται σε ποικίλες διαφορετικές περιπτώσεις, ενώ ως μοντέλα αναπαριστούν με ακρίβεια και αξιοπιστία ένα επίπεδο 8

22 Λ. Δ. Αντώνογλου. Διδακτορική Διατριβή προσέγγισης της «μοριακής πραγματικότητας», η οποία προσεγγίζεται εννοιολογικά με τις θεωρίες και τις αρχές της Χημείας (Χαριστός, 2005). Επίσης είναι χαρακτηριστικό ότι όταν οι χημικοί περιγράφουν χημικά φαινόμενα, αξιοποιώντας την αναπαραστασιακή τους επιδεξιότητα (representational competence), αναφέρονται και στα τρία επίπεδα αναπαραστάσεων χρησιμοποιώντας τη χημική συμβολική γλώσσα (Σχήμα 1.1). Οι Kozma και Russell, (1997) υπογραμμίζουν την ευχέρεια των χημικών να μεταβαίνουν από το ένα επίπεδο στο άλλο, δηλαδή να αντιλαμβάνονται και να ερμηνεύουν τα χημικά φαινόμενα στα τρία επίπεδα προσέγγισης της Χημείας και να αναδεικνύουν τις εννοιολογικές σχέσεις ανάμεσα σε αυτά μέσα από τη χρήση της χημικής επιστημονικής γλώσσας (Kozma & Russell, 1997; Nakhleh & Krajcik, 1993; Wu, 2003; Johnstone, 1993). Επομένως οι χημικοί χρησιμοποιούν τις χημικές αναπαραστάσεις ως «μέσο» για να «επικοινωνήσουν» πρωτίστως με τον εαυτό τους, ως «τρόπο» για να προσεγγίσουν εννοιολογικές οντότητες που είναι απλησίαστες με τις αισθήσεις τους, ως «εργαλείο» για να μελετήσουν και να διερευνήσουν αφηρημένες χημικές έννοιες και φαινόμενα και ως «βάση» για να κάνουν τις επιστημονικές ανακαλύψεις τους. Επιπλέον η χρήση των χημικών αναπαραστάσεων ως στοιχεία μίας ενιαίας επιστημονικής γλώσσας ανάμεσα στα μέλη της επιστημονικής κοινότητας την καθιστούν βασικό και καθοριστικό παράγοντα για τη συνέχιση και την εξέλιξη της επιστήμης της Χημείας (Dunbar, 1995; Thagard, 1997). Εξάλλου, όπως συμβαίνει σε όλες τις επιστήμες έτσι και στη Χημεία, ο θεμελιώδης ρόλος της επιστημονικής γλώσσας σχετίζεται πρωτίστως με την κοινωνική φύση των επιστημών. Έτσι οι χημικοί χρησιμοποιούν τις αναπαραστάσεις σε κοινωνικές καταστάσεις ως στοιχείο για να προβάλουν τις ιδέες τους, να υποστηρίξουν τους ισχυρισμούς τους, να κάνουν αναφορές και προβλέψεις για χημικά φαινόμενα (Kozma & Russell, 2005). Συνεπώς, η συμβολική χημική γλώσσα αποτελεί εργαλείο για τους χημικούς προκειμένου να μελετήσουν από κοινού και να επικοινωνούν τις ιδέες και τις ερμηνείες του χημικού μικρόκοσμου (Kozma, Chin, Russell & Marx, 2000; Justi & Gilbert, 2000). Από την άλλη, έχει παρατηρηθεί ότι οι μαθητευόμενοι (μαθητές και φοιτητές χημείας) δυσκολεύονται να επικοινωνήσουν και να επιχειρηματολογήσουν με τη χημική γλώσσα που βασίζεται στις χημικές αναπαραστάσεις, εμφανίζουν δυσκολίες στο να αναγνωρίσουν τον ξεχωριστό ρόλο του κάθε επιπέδου αναπαράστασης της Χημείας (μακροσκοπικό, μικροσκοπικό, συμβολικό), να δημιουργούν εννοιολογικές συνδέσεις και μεταφράσεις ανάμεσα στα τρία επίπεδα αναπαραστάσεων και να μεταφέρονται μεταξύ των πολλαπλών συμβολικών αναπαραστάσεων της ίδιας χημικής έννοιας. Οι περισσότερες δυσκολίες φαίνεται να αποδίδονται στην ελλιπή κατανόηση του μικροσκοπικού και του συμβολικού επιπέδου αναπαραστάσεων και στη μη ανεπτυγμένη αναπαραστασιακή επιδεξιότητά τους (Barnea & Dori, 1996, Wu, 2003; Ben-Zvi et al., 1986, Gabel, Samuel, & Hunn, 1987; Treagust et al., 2003; Stieff, Hegarty, & Deslongchamps, 2011). Επομένως, ένας από τους βασικούς στόχους της χημικής εκπαίδευσης και των σύγχρονων περιβαλλόντων μάθησης της Χημείας είναι η δημιουργία συνθηκών και ευκαιριών για τους μαθητευομένους, ώστε να αναπτύξουν την αναπαραστασιακή τους επιδεξιότητα και να εξοικειωθούν με στοιχεία του μικροσκοπικού και του συμβολικού επιπέδου με τα οποία δεν έχουν προηγούμενη ενασχόληση και εμπειρία (Antonoglou, Charistos & Sigalas, 2008; Wu, Krajcik & Soloway, 2001). 9

23 Κεφάλαιο 1. Οπτικοποιήσεις στη μάθηση της Χημείας 1.3. Μοντέλα και αναπαραστάσεις στη Χημεία Στις θετικές επιστήμες (science) η μάθηση είναι στενά συνυφασμένη με τη σύλληψη και κατασκευή των μοντέλων (Lehrer & Schauble, 2006). Στη Χημεία ειδικότερα τα μοντέλα αποτελούν βασικό στοιχείο της αναπαραστασιακής διάστασής της και κύριο μεθοδολογικό εργαλείο της επιστημονικής χημικής έρευνας. Γενικά ως μοντέλο μπορεί να χαρακτηρισθεί, οποιαδήποτε αναπαράσταση ενός αντικειμένου, ενός φαινομένου, ενός συστήματος, μίας υπόθεσης ή μίας ιδέας, η οποία συμβάλλει στην κατανόηση και στην ερμηνεία αυτού που αναπαριστάται (Gilbert & Boulter, 2000). Mε τη χρήση των μοντέλων εξειδικεύονται θεωρίες, ερμηνεύονται φαινόμενα και ελέγχονται υποθέσεις (Van Driel & Verloop, 1999). Στις θετικές επιστήμες ως μοντέλα μπορούν να χαρακτηριστούν μόνο οι αναπαραστάσεις που περικλείουν μέσα τους κάποια «ιδέα» ή «θεωρία». Στην αντίθετη περίπτωση οι αναπαραστάσεις αποτελούν απλές απεικονίσεις ή προσομοιώσεις της πραγματικότητας (Πετρίδου, 2008). Από τον παραπάνω ορισμό γίνεται κατανοητό ότι οι αναπαραστάσεις στη Χημεία αποτελούν μοντέλα, διότι περικλείουν αρχές και θεωρίες της και επιτρέπουν τη σύνδεση των θεωρητικών, αφηρημένων εννοιών της με «οπτικές» απεικονίσεις. Έτσι, για παράδειγμα, οι κβαντικοί χημικοί χρησιμοποιούν την κβαντομηχανική θεωρία για να συνθέσουν μία εικόνα - μοντέλο, αυτή της μοριακής δομής ή κάποιων ιδιοτήτων της, όπως η ηλεκτρονιακή πυκνότητα (Χαριστός, 2005). Τα μοντέλα αποτελούν πολύτιμα και απαραίτητα εργαλεία για τη διδασκαλία, τη μάθηση και την επικοινωνία της Χημείας διότι επιτρέπουν την προσέγγιση, την αντίληψη και την κατανόηση αφηρημένων και σύνθετων εννοιών καθώς και μη αντιληπτών με τις ανθρώπινες αισθήσεις φαινόμενων τα οποία δεν θα μπορούσαν να περιγραφούν με διαφορετικό τρόπο (Treagust & Harrison, 1999). Επομένως, κατά τη διδασκαλία και τη μάθηση της Χημείας, θα πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη έμφαση, όχι μόνο στη μάθηση μέσα από τα μοντέλα, αλλά και στη μάθηση για τα μοντέλα. Τα μοντέλα ανάλογα με το ρόλο που διαδραματίζουν μέσα στις επιστήμες, διακρίνονται σε νοητικά (mental), εκφραστικά (expressed), ομόφωνα (consensus), επιστημονικά (scientific), ιστορικά (historical), εκπαιδευτικά (curricular), διδακτικά (teaching) και υβριδικά (hybrid) (Gilbert & Boulter, 2000). Τα νοητικά μοντέλα δημιουργούνται μέσα από γνωστικές διεργασίες και αποτελούν προσωπικές αναπαραστάσεις ιδεών και εννοιολογικών κατανοήσεων. Πρόκειται επομένως για «νοητικές κατασκευές» τις οποίες δημιουργεί το άτομο προκειμένου να κατανοήσει και να ερμηνεύσει τις εμπειρίες του, στηριζόμενο στις δικιές του πεποιθήσεις και στις προσωπικές του εμπειρίες. Όταν τα νοητικά μοντέλα εκφραστούν προς τα έξω και αποκτήσουν υπόσταση μέσω μίας αντιληπτής με τις ανθρώπινες αισθήσεις αναπαράστασης μετατρέπονται σε εκφραστικά μοντέλα, που διαθέτουν σαφή και διακριτά εξωτερικά χαρακτηριστικά τα οποία υπακούουν σε οργανωμένους κανόνες (συμβολικούς και συντακτικούς). Τα εκφραστικά μοντέλα που είναι κοινής αποδοχής από διάφορες κοινωνικές ομάδες μετά από πειραματισμό και συζήτηση μετατρέπονται σε ομόφωνα μοντέλα, ενώ όταν αναγνωριστούν και από την επιστημονική κοινότητα καθίστανται επιστημονικά μοντέλα. Τα επιστημονικά μοντέλα αποτελούν το κύριο εργαλείο με το οποίο εξειδικεύονται θεωρίες, ερμηνεύονται φαινόμενα και ελέγχονται υποθέσεις (Ogborn & Martins, 1996). Ο θεμελιώδης ρόλος των επιστημονικών μοντέλων στη μεθοδολογία της επιστημονικής έρευνας οφείλεται στον περιγραφικό, τον ερμηνευτικό και τον προβλεπτικό τους ρόλο. Τα επιστημονικά μοντέλα με βάση τον "περιγραφικό" τους ρόλο μπορούν να περιγράψουν αφηρημένες έννοιες και να τις κάνουν "ορατές", να δώσουν λεπτομερή περιγραφή ή να απλοποιήσουν ένα πολύπλοκο χημικό φαινόμενο, ενώ λόγω του "ερμηνευτικού" και του "προβλεπτικού" τους ρόλου μπορούν να 10

24 Λ. Δ. Αντώνογλου. Διδακτορική Διατριβή αποτελέσουν τη βάση για επιστημονικές εξηγήσεις και προβλέψεις για τα διάφορα φαινόμενα (Treagust & Harrison 1999). Τα εκφραστικά μοντέλα, τα οποία δομήθηκαν σε μία ιστορική περίοδο και έχουν πια αντικατασταθεί ονομάζονται ιστορικά μοντέλα, ενώ όταν ενσωματωθούν σε αναλυτικά προγράμματα μαθημάτων ονομάζονται εκπαιδευτικά. Τα διδακτικά μοντέλα δημιουργήθηκαν από τους διδάσκοντες με/ ή χωρίς τη συνεργασία των μαθητευομένων για να βοηθηθούν οι τελευταίοι στην αντίληψη και αποκωδικοποίηση των επιστημονικών μοντέλων. Προς τούτο οι διδάσκοντες οφείλουν σε ορισμένες περιπτώσεις να προσανατολιστούν στην ένταξη και στη χρήση μέσα στην τάξη, διδακτικών μοντέλων, τα οποία είναι προσαρμοσμένα στο επίπεδο νόησης των μαθητευομένων. Δηλαδή, τα διδακτικά μοντέλα σχεδιάζονται με τρόπο ώστε να ανταποκρίνονται στην αντίληψη και στο γνωστικό επίπεδο των μαθητευομένων, είναι πιο απλοποιημένα από τα επιστημονικά μοντέλα, χωρίς ωστόσο να χάνουν τις δυνατότητες τους να προσφέρουν έναν εναλλακτικό τρόπο άντλησης πληροφοριών από ένα φαινόμενο ή μία αφηρημένη έννοια, που δεν είναι εύκολα αντιληπτή με τις αισθήσεις. Τέλος, τα υβριδικά μοντέλα αποτελούν συνδυασμό των προηγούμενων κατηγοριών (Πετρίδου, 2008). Οι χημικοί κατά τη μελέτη ενός φαινόμενου δεν περιορίζονται στην χρήση αποκλειστικά ενός μοντέλου. Συνήθως χρησιμοποιούν πολλαπλά μοντέλα τα οποία επιτρέπουν την ταυτόχρονη μελέτη διαφορετικών υποθέσεων και όψεων του ίδιου φαινομένου (Grosslight et al., 1991, Van Der Valk et al., 2007). Οι Ton de Jong & Wouter R.van Joolingen (2008) αναφέρουν την έννοια της επιστημονικής πρακτικής (scientific practice) ως μία συνεχή και αδιάκοπη διαδικασία αναπροσαρμογής, τροποποίησης και αλλαγής των μοντέλων που καθοδηγείται από τις παρατηρήσεις και τους περιορισμούς, που θέτουν οι ιδιότητες των ίδιων των μοντέλων. Με την ίδια λογική, η μάθηση της επιστήμης συνίσταται στη δημιουργία και προσαρμογή των νοητικών μοντέλων, έτσι ώστε να πλησιάσουν κατά το δυνατό τα νοητικά μοντέλα των ειδικών (experts) ή τα θεωρητικά επιστημονικά μοντέλα του γνωστικού αντικειμένου (Clement, 2000; Snyder, 2000; Jong & Joolingen, 2008). Στο σημείο αυτό πρέπει να τονιστεί ότι ένα μοντέλο παρότι σχετίζεται πάντα με ένα στόχο, δηλαδή δημιουργείται για ένα συγκεκριμένο σκοπό, μπορεί να αποτυπώνεται με πολλές και διαφορετικές αναπαραστάσεις, οι οποίες λόγω του ότι αναπαριστούν την ίδια ιδέα δεν αποτελούν ξεχωριστά μοντέλα αλλά το ίδιο μοντέλο (Van Der Valk et al. 2007). Στις θετικές επιστήμες εκτός από τα νοητικά μοντέλα, που αποτελούν απροσδιόριστες με τις ανθρώπινες αισθήσεις κατασκευές του ανθρώπινου νου, οι μορφές των αναπαραστάσεων για τα υπόλοιπα μοντέλα μπορεί να είναι χειροπιαστά (concrete), λεκτικά (verbal), χειρονομίας (gestural), συμβολικά (symbolic) και οπτικά (visual), σχεδιασμένα πάνω σε χαρτί (γραφικά) ή για την οθόνη του υπολογιστή (ψηφιακά). Επομένως, υπάρχουν πολλαπλοί τρόποι αναπαράστασης που διαφοροποιούνται ως προς τους χρησιμοποιούμενους κώδικες αναπαράστασης (representational codes) και ως προς την τροπικότητά τους. Οι κώδικες αναπαράστασης (representational codes) μπορεί να είναι περιγραφικοί (descriptive) δηλαδή αυθαίρετα συμβολικά συστήματα 3 σημείων για την αναπαράσταση π.χ. μίας έννοιας ή απεικονιστικοί (depictive) δηλαδή να αναπαριστούν ένα σύστημα με αναλογικό τρόπο χρησιμοποιώντας συμβολισμούς, εικόνες και γραφικά. Οι αντίστοιχες αναπαραστάσεις που προκύπτουν χαρακτηρίζονται ως περιγραφικές ή απεικονιστικές. Η έννοια της "τροπικότητας" (modality) των ανα- 3 Τα σύμβολα στις περιγραφικές αναπαραστάσεις έχουν μία αυθαίρετη δομή και συνδέονται με το περιεχόμενο στο οποίο αναφέρονται μέσω κάποιας σύμβασης. 11