ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΗΣ ΡΟΜΠΟΤΙΚΗΣ ΓΙΑ ΜΑΘΗΤΕΣ 9 12 ΕΤΩΝ ΣΤΟ ΠΝΕΥΜΑ ΤΗΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ STEM

Transcript

1 ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΗΣ ΡΟΜΠΟΤΙΚΗΣ ΓΙΑ ΜΑΘΗΤΕΣ 9 12 ΕΤΩΝ ΣΤΟ ΠΝΕΥΜΑ ΤΗΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ STEM 1

2 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΠΡΟΙΟΝΤΩΝ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΡΟΠΤΥΧΙΑΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΣΠΟΥΔΩΝ Σαπφώ - Μαρία Γεωργοπούλου ΑΜ 511/ ΤΙΤΛΟΣ Σχεδίαση και υλοποίηση εργαστηρίου εκπαιδευτικής ρομποτικής για μαθητές 9 12 χρονών στο πνεύμα της εκπαίδευσης STEM. ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Παπανίκος Παρασκευάς ΜΕΛΗ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗΣ Μουλιανίτης Βασίλειος Ζαχαρόπουλος Νίκος Φεβρουάριος

3 [κενή σελίδα] 3

4 Ευχαριστώ Όλους τους καθηγητές μου και ιδιαίτερα τον κ. Παπανίκο για τη συνεργασία και την καθοδήγηση του. Όλοι οι φοιτητές αναγνωρίζουμε την ανεκτίμητη συνεισφορά του στη σχολή. Την παλιά μου γειτονιά και τους συμφοιτητές μου για τις όμορφες στιγμές που μου χάρισαν. Τους γονείς μου για την κατανόηση και συμπαράσταση τους. 4

5 Δηλώνω υπεύθυνα ότι η παρούσα διπλωματική εργασία είναι εξ ολοκλήρου δικό μου έργο και κανένα μέρος της δεν είναι αντιγραμμένο από έντυπες ή ηλεκτρονικές πηγές, μετάφραση από ξενόγλωσσες πηγές και αναπαραγωγή από εργασίες άλλων ερευνητών ή φοιτητών. Όπου έχω βασιστεί σε ιδέες ή κείμενα άλλων, έχω προσπαθήσει με όλες μου τις δυνάμεις να το προσδιορίσω σαφώς μέσα από την καλή χρήση αναφορών ακολουθώντας την ακαδημαϊκή δεοντολογία. 5

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στόχοι της εργασίας Δομή εργασίας 10 2 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ Παιδαγωγικά θεμέλια Γνωστικισμός Κονστρουκτιβισμός (Constructivism) Εποικοδομισμός (Constructionism) Το κίνημα της εκπαίδευσης STEM 17 Ορισμοί Η εκπαίδευση STEM Η αρχή του κινήματος STEM Η εκπαίδευση STEM ως παγκόσμιο κίνημα 22 3 ΕΡΓΑΛΕΙΑ Οι Τεχνολογίες Πληροφορίας και Επικοινωνίας ως εργαλεία μάθησης Η ρομποτική στην εκπαιδευτική διαδικασία Το παιδαγωγικό πλαίσιο της εκπαιδευτικής ρομποτικής Εκπαιδευτική ρομποτική και εκπαίδευση STEM Εκπαιδευτική ρομποτική με την πλατφόρμα LEGO Mindstorms EV3 35 Προγραμματισμός του ρομπότ EV3 37 Κεντρική μονάδα ελέγχου EV3 37 Κινητήρες 38 Αισθητήρες 38 Γραφικό περιβάλλον προγραμματισμού LEGO Mindstorms Education EV ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ Σχεδιαστικό πλαίσιο 43 6

7 Εκπαιδευτικοί στόχοι 43 Φορέας πραγματοποίησης 44 Πλαίσιο χώρου Δομή εργαστηρίου 46 5 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ Πορεία διδασκαλίας Ανάλυση εργαστηρίου 55 6 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 62 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 65 Άρθρα 65 Βιβλία 69 Ιστοσελίδες 69 7

8 1 Εισαγωγή Αδιαμφισβήτητα, σήμερα, στην Κοινωνία της Πληροφορίας, η τεχνολογία δίνει το παρόν σε όλους τους τομείς της καθημερινότητας μας. Από τα smartphones και τα tablet μέχρι τα έξυπνα σπίτια και τα αυτόνομα αμάξια, η τεχνολογία περιβάλλει ολοκληρωτικά την ύπαρξη μας. Παρόλα αυτά, τα μικρά παιδιά αποκτούν επίγνωση αυτού περισσότερο διαισθητικά, παρά μέσω του σχολικού περιβάλλοντος. Για δεκαετίες, η διδακτέα ύλη των μικρών σχολικών τάξεων επικεντρώνεται στην διδασκαλία της γλώσσας, της αριθμητικής, καθώς και ως κάποιο βαθμό, των φυσικών επιστημών. Ωστόσο, παρόλο που η κατανόηση του φυσικού κόσμου κρίνεται ύψιστης σημασίας, η καλλιέργεια της παιδικής γνώσης που αφορά τον κόσμο τον οποίο έχει κατασκευάσει ο άνθρωπος είναι επίσης σημαντική (Bers, 2008). Άλλωστε, αυτό που καθιστά σήμερα μοναδικό τον κόσμο που έχει δημιουργήσει η ανθρωπότητα, είναι το αποτέλεσμα του συνδυασμού των ηλεκτρονικών και των μηχανικών δομών. Όταν πλένουμε τα χέρια μας, η βρύση γνωρίζει πότε να αφήσει νερό να τρέξει, ο ανελκυστήρας γνωρίζει πότε το χέρι μας βρίσκεται ανάμεσα στις πόρτες και τις αποτρέπει από το να κλείσουν. Πλέον, ζούμε σε έναν κόσμο, όπου τα δυαδικά ψηφία (bits) και τα άτομα ενοποιούνται όλο και περισσότερο (Gershenfeld, 2000), γεγονός που δεν διδάσκουμε στα μικρά παιδιά. Με αυτά τα νέα δεδομένα γεννήθηκε η ανάγκη για επαναπροσδιορισμό των θεωριών μάθησης και βάσει αυτών, αναζήτηση νέων μεθόδων και τεχνικών διδασκαλίας. Παρόλα αυτά, η εκπαιδευτική διαδικασία δεν έχει αλλάξει πολύ. Τα σχολεία συνεχίζουν να ακολουθούν τον παραδοσιακό τρόπο διδασκαλίας, ο οποίος στερεί από τους μαθητές την πιο σημαντική διάσταση των μαθημάτων: τη σύνδεση τους με την πραγματικότητα, και με τον απώτερο στόχο τους, που δεν είναι άλλος από τη χρήση των διδασκόμενων εννοιών για την επίλυση καθημερινών προβλημάτων. (English, 2008). Με την εξέλιξη της τεχνολογίας και τις καινούριες εκπαιδευτικές θεωρίες έχουμε στη διάθεση μας συστήματα και εργαλεία που μπορούν να χρησιμοποιηθούν, μέσα και έξω από την τάξη. Κάπως έτσι γεννήθηκε και εξαπλώθηκε το κίνημα της εκπαίδευσης STEM (science, technology, engineering, mathematics), η οποία στοχεύει στην εξοικείωση των παιδιών με τις παραπάνω επιστήμες, τονίζοντας τη σημασία της συνεργατικής και βιωματικής μάθησης στην εκπαιδευτική διαδικασία, καθώς 8

9 και της μεθοδολογίας σχεδίασης για την επίλυση προβλημάτων του πραγματικού κόσμου. Πρόσφατες έρευνες αντιμετωπίζουν την παραπάνω πρόκληση, μελετώντας τον τύπο τεχνολογικής εκπαίδευσης που δύναται να προσφέρει η εκπαιδευτική ρομποτική, στις μικρές τάξεις του δημοτικού (Bers & Horn, 2010; Bers, 2008b; Kazakoff & Bers, 2012). Πιο συγκεκριμένα, η ρομποτική διευκολύνει την εξέλιξη γνωστικών, κινητικών και κοινωνικών επιδεξιοτήτων, ένα στάδιο πολύ σημαντικό για την ανάπτυξη των παιδιών. Επομένως, λαμβάνοντας υπ όψη την αυξανόμενη πίεση για την διαμόρφωση μιας σχολικής εκπαίδευσης με περισσότερες ακαδημαϊκές προκλήσεις και διαφυλάσσοντας όμως τη σπουδαιότητα του ρόλου του παιχνιδιού στην πορεία ανάπτυξης του παιδιού, η ρομποτική μπορεί να γεφυρώσει με ευχάριστο τρόπο τις ενδιαφέρουσες και διασκεδαστικές εργασίες με το ακαδημαϊκό περιεχόμενο. Κατά αυτόν τον τρόπο, τα μικρά παιδιά μπορούν να μετατραπούν σε μηχανικούς, παίζοντας με κινητήρες, αισθητήρες και δομές επαναλήψεων, αλλά και σε αφηγητές, δημιουργώντας τις δικές τους κατασκευές οι οποίες αποκτούν νόημα και ιστορία, δρώντας βάσει του περιβάλλοντος τους (Bers, 2008a). Επιπλέον, μέσω αυτής, τα παιδιά καλoύνται να συμμετέχουν σε κοινωνικές αλληλεπιδράσεις και συμβιβασμούς, παίζοντας για να μάθουν και μαθαίνοντας για να παίξουν, μέσα σε ένα δημιουργικό περιβάλλον (Resnick, 2003). Η παρούσα διπλωματική εργασία μελετά τις σύγχρονες θεωρίες μάθησης, τον ρόλο των ΤΠΕ στη διαδικασία δόμησης της γνώσης και διερευνά την εκπαιδευτική αξία και τις παρακινητικές δυνατότητες της βιωματικής μάθησης. Έπειτα, στοχεύει στη δημιουργία ενός εκπαιδευτικού σεμιναρίου με τη χρήση της εκπαιδευτικής ρομποτικής ως μαθησιακό εργαλείο, με σκοπό την καλλιέργεια των εννοιών που εισάγει η εκπαίδευση STEM, ακολουθώντας τις αρχές των σύγχρονων εκπαιδευτικών μοντέλων. Τα μαθησιακά αποτελέσματα που θέλουμε να επιτύχουμε είναι η εξοικείωση των μαθητών με τη τεχνολογία, τη μηχανική και τις επιστήμες σε ένα διεπιστημονικό περιβάλλον μάθησης, τη μεθοδολογία σχεδίασης, καθώς και την ανάπτυξη ικανοτήτων όπως λογική σκέψη, επίλυση προβλημάτων, συνεργασία και αυτοπεποίθηση στη λήψη αποφάσεων. 9

10 1.1 Στόχοι της εργασίας Πιο συγκεκριμένα, στόχοι της εργασίας είναι: 1. Η σχεδίαση, οργάνωση και η υλοποίηση ενός εκπαιδευτικού εργαστηρίου, λαμβάνοντας υπόψιν τα θεωρητικά εκπαιδευτικά μοντέλα που παρουσιάστηκαν στη θεωρία. 2. Να ενσωματωθούν οι δραστηριότητες της εκπαιδευτικής ρομποτικής, ως εποικοδομητικό-διερευνητικό εργαλείο μάθησης στο πνεύμα της εκπαίδευσης STEM. 3. Να διερευνηθεί κατά πόσο η εκπαιδευτική ρομποτική υποστηρίζει τους εκπαιδευτικούς στόχους της εκπαίδευσης STEM, διευρύνει τις δεξιότητες των μαθητών και καλλιεργεί κίνητρα για μάθηση. 4. Να εντοπισθούν τα προβλήματα και οι δυσκολίες που θα προκύψουν κατά τη διάρκεια της επιμόρφωσης των μαθητών μέσω της εκπαιδευτικής ρομποτικής, για καλύτερη μελλοντική σχεδίαση εργαστηρίων. 1.2 Δομή εργασίας Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία αναπτύσσεται σε 6 Κεφάλαια. Το Κεφάλαιο 1, περιλαμβάνει την εισαγωγή, όπου περιγράφεται σύντομα το πρόβλημα και αναφέρονται τα βασικά θέματα, τα οποία θα διερευνηθούν στην παρούσα διπλωματική, τους στόχους και τη δομή της εργασίας. Στο Κεφάλαιο 2, παρουσιάζονται και αναλύονται οι σύγχρονες θεωρίες μάθησης, βάσει των οποίων στηρίζεται η σχεδίαση και η υλοποίηση του εργαστηρίου, καθώς και γίνεται σύγκριση αυτών με την παραδοσιακή μέθοδο διδασκαλίας που ακολουθείται στις σχολικές τάξεις. Στη συνέχεια, περιγράφεται και αναλύεται το κίνημα της εκπαίδευσης STEM, το οποίο αποτελεί τον κεντρικό άξονα της διεξαγωγής των εργαστηρίων. Στο Κεφάλαιο 3, παρουσιάζεται ο ρόλος των Τεχνολογιών Πληροφορίας και Επικοινωνίας (ΤΠΕ) στην εκπαιδευτική διαδικασία. Έπειτα, μελετάται η εκπαιδευτική ρομποτική ως εργαλείο μάθησης στην εκπαιδευτική διαδικασία. 10

11 Το Κεφάλαιο 4, αφορά την σχεδίαση του εργαστηρίου. Παρουσιάζεται το πλαίσιο σχεδίασης, αιτιολογούνται οι σχεδιαστικές επιλογές και περιγράφεται η δομή του εργαστηρίου. Το Κεφάλαιο 5, αφορά την υλοποίηση του εργαστηρίου. Περιγράφεται η πορεία των συναντήσεων αναλυτικά, παρουσιάζονται τα εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν για την συλλογή δεδομένων, καθώς και τα αποτελέσματα, ποσοτικά και ποιοτικά που προέκυψαν από την διεξαγωγή του εργαστηρίου. Στο Κεφάλαιο 6, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την διεξαγωγή του εργαστηρίου, αξιολογείται το εργαστήριο ως προς την επίτευξη των στόχων του και γίνονται προτάσεις για περαιτέρω έρευνα και εξέλιξη. Τέλος, παρουσιάζονται οι Αναφορές, οι οποίες έχουν συλλεχθεί από επιστημονικά άρθρα, βιβλία αλλά και από διάφορους αξιόλογους δικτυακούς τόπους. 11

12 2 Θεωρητικό πλαίσιο 2.1 Παιδαγωγικά θεμέλια «If a child can t learn the way we teach, maybe we should teach the way they learn» Ignacio Estrada Γνωστικισμός (Cognitivism) Ο Γνωστικισμός βασίζεται στις εσωτερικές νοητικές διαδικασίες, οι οποίες αφορούν τον τρόπο με τον οποίο οι άνθρωποι σκέπτονται, θυμούνται, μαθαίνουν, λύνουν προβλήματα και κατευθύνουν την προσοχή τους σε συγκεκριμένα ερεθίσματα. Κατά αυτόν τον τρόπο, οι υποστηρικτές του θεωρούν πως το άνοιγμα του μαύρου κουτιού ( black box ) του ανθρώπινου νου, είναι ένα πολύτιμο και απαραίτητο βήμα για να κατανοήσουμε τον τρόπο με τον οποίο μαθαίνουν οι άνθρωποι. Αναπτύχθηκε από τον Jean Piaget ως απάντηση στο κίνημα του Συμπεριφορισμού (Behaviorism), τον οποίο και εκθρόνισε από την κυρίαρχη εκπαιδευτική κατεύθυνση των σχολικών και πανεπιστημιακών ιδρυμάτων. Πιο συγκεκριμένα, ο Συμπεριφορισμός εστιάζει στην παρατήρηση της συμπεριφοράς των μαθητών μέσα στις τάξεις, με τη χρήση ποσοτικών μεθόδων (Mergel, 1998). Διάφορα μοτίβα εφαρμογής επαναλαμβάνονται από τους μαθητές, μέχρι οι επιθυμητές απαντήσεις να γίνουν αυτόματες. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιήθηκε από τους Pavlov, Thorndike και Skinner σε πολλά πειράματα τους. Για παράδειγμα, στην εκπαίδευση, οι πίνακες του πολλαπλασιασμού επαναλαμβάνονται προφορικά από τους μαθητές του δημοτικού, μέχρι να τους έρχονται αυτόματα οι απαντήσεις. Οι μαθητές φτάνουν στο αποτέλεσμα, ως επί το πλείστον, με μηχανικές διαδικασίες χωρίς απαραίτητα να κατανοούν τι ακριβώς κάνουν και γιατί το κάνουν. Έτσι, η συγκεκριμένη μαθησιακή θεωρία, μπορεί μεν να προάγει άμεσα αποτελέσματα, αλλά ξεθωριάζει όσο η πηγή γνώσης απομακρύνεται (Mergel, 1998). Αντίθετα, οι γνωστικές θεωρίες εστιάζουν στις εσωτερικές νοητικές διαδικασίες, πέραν της παρατήρησης της συμπεριφοράς (Piaget, 1983). Επιπλέον, ο Piaget, θεωρώντας πως η παιδική μάθηση δεν ακολουθεί γραμμική πορεία, πρότεινε 4 αναπτυξιακά στάδια που ακολουθούν τα παιδιά από τη στιγμή της γέννησης τους μέχρι την ενηλικίωση τους, όπως παρουσιάζεται στον πίνακα 1. Η μελέτη του επιπέδου αντίληψης των μαθητών σύμφωνα με το ηλικιακό τους στάδιο, όπως για παράδειγμα, η ταξινόμηση αντικειμένων σε ομάδες καθώς και η λογική σειρά γεγονότων, θα επηρεάσει τον σχεδιασμό και την εφαρμογή του εργαστηρίου, στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας. 12

13 Γνωστικό επίπεδο Piaget Χαρακτηριστικά γεγονότα στη ζωή του παιδιού Αναπτυξιακά στάδια ΑΙΣΘΗΣΙΟΚΙΝΗΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΔΟΣ Διαφοροποίηση εαυτού από αντικείμενα Αναγνωρίζει τον εαυτό του ως παράγοντα δράσης και ενεργεί σκόπιμα π.χ κουνάει τη κουδουνίστρα για να παράγει θόρυβο Αντιλαμβάνεται πως τα αντικείμενα παραμένουν στο χώρο και ας μη γίνονται αντιληπτά από τις αισθήσεις του Βρεφική ηλικία (γέννηση - 2 ετών) ΠΡΟΣΥΛΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΔΟΣ Χειρισμός γλώσσας και αναπαράστασης αντικειμένων με εικόνες και λέξεις Νηπιακή ηλικία (3-6 ετών) Εξακολουθεί να υπάρχει εγωκεντρικός τόπος σκέψης: υπάρχει δυσκολία στην κατανόηση οπτικής γωνίας άλλου ατόμου. Κατηγοριοποιεί τα αντικείμενα βάσει ενός μονάχα χαρακτηριστικού πχ ταξινόμηση των παιδικών τούβλων βάσει του κόκκινου χρώματος τους, ανεξαρτήτως σχήματος. ΣΥΓΚΕΚΡΙΜΕΝΗ ΣΚΕΨΗ Νοητικές πράξεις και συλλογισμοί που ανταποκρίνονται στους κανόνες της λογικής Κατανοεί έννοιες όπως οι αριθμοί (6 ετών), η μάζα (7 ετών), το βάρος (9 ετών). Κατηγοριοποιεί τα αντικείμενα βάσει πολλών χαρακτηριστικών και μπορεί να τα τοποθετήσει σε σειρά εξυπηρετώντας κάποιο συγκεκριμένο σκοπό. Εμπειρικός - επαγωγικός συλλογισμός Παιδική ηλικία (7-11 ετών) ΑΦΑΙΡΕΤΙΚΗ ΣΚΕΨΗ Κατανόηση αφηρημένων εννοιών Ασχολείται με την έννοια της υπόθεσης, του μέλλοντος, και με ιδεολογικά προβλήματα. Προσδιορίζει ότι οι κοινωνικοί κανόνες είναι διαπραγματεύσιμοι. Υποθετικός - παραγωγικός συλλογισμός Εφηβεία (12-18 ετών) Πίνακας 1 : αναπτυξιακά στάδια του ατόμου 13

14 2.1.2 Κονστρουκτιβισμός (Constructivism) Ο Κονστρουκτιβισμός, πέρα από φιλοσοφικό ρεύμα, αποτελεί μία από τις δύο κυρίαρχες εκπαιδευτικές σχολές, και ξεκίνησε από τους Dewey, Piaget, Vygotsky και Bruner. Δανείζεται κάποιες κάποιες από τις ιδέες του γνωστικισμού, με βασικότερη την αντίληψη ότι το μυαλό είναι κάτι περισσότερο από ένας άγραφος πίνακας που ανταποκρίνεται σε ερεθίσματα, όπως υποστήριζε ο Συμπεριφορισμός (Behaviourism). Η θεωρία αυτή, λοιπόν, επικεντρώνεται στις διαδικασίες της μάθησης, γι αυτό και το μοντέλο που εισήγαγε ο Piaget δεν αντιλαμβάνεται τη μάθηση από τον άνθρωπο ως το αποτέλεσμα μετάδοσης γνώσης, αλλά ως μια ενεργητική διαδικασία κατασκευής της, που συνδέεται με την προσωπική, μοναδική στον καθένα, προγενέστερη γνώση (Piaget, 1972). Το κονστρουκτιβιστικό ρεύμα βασίζεται στην ιδέα ότι η διαλεκτική ή αλληλεπιδραστική διαδικασία της ανάπτυξης και της μάθησης, μέσα από την ενεργό συνθετική ικανότητα των μαθητών, θα πρέπει να διευκολύνεται και να ενθαρρύνεται από τους ενήλικες (DeVires et al., 2002). Έτσι, ο μαθητής πρέπει να αναζητά ενεργά τη γνώση και να λύνει το πρόβλημα μόνος του, παρά να του παρέχεται γνώση και οδηγίες για το πρόβλημα (Modritscher, 2006). Σύμφωνα με τον Piaget (1972), οι μαθητές θα πρέπει να αφομοιώνουν νέες ιδέες και δομές και να τις προσαρμόζουν στις προηγούμενες τους γνώσεις και νοητικά μοντέλα, τα οποία έχουν χτίσει μέσω των προηγούμενων εμπειριών τους. Η παραπάνω θεωρία πηγάζει από την κονστρουκτιβιστική αρχή, η οποία ορίζει πως η γνώση χρησιμεύει για την οργάνωση του προσωπικού μας κόσμου και όχι της αντικειμενικής πραγματικότητας (Hammersley, 1992). Ως εκ τούτου, μέσω του κονστρουκτιβισμού προωθείται μία τάξη, η οποία θέτει στο προσκήνιο τους μαθητές, έτσι, σύμφωνα με τους Jonassen, Marra και Palmer (2004) και τα εκπαιδευτικά περιβάλλοντα που ενστερνίζονται τις αρχές του οφείλουν να : 1. παρέχουν πολλαπλές αναπαραστάσεις της πραγματικότητας προκειμένου να αποφύγουν την υπέρ- απλούστευση της πολυπλοκότητας του πραγματικού κόσμου 2. εστιάσουν στην δόμηση της γνώσης από τους μαθητές, παρά στην αναπαραγωγή της 3. Δώσουν έμφαση σε πρωτότυπες δραστηριότητες με στοχευμένη καθοδήγηση και όχι στην χρήση αφηρημένων οδηγιών 14

15 4. Παρέχουν εκπαιδευτικά περιβάλλοντα και παραδείγματα που βασίζονται στον πραγματικό κόσμο και όχι αόριστη και προκαθορισμένη ύλη διδασκαλίας 5. Ενθαρρύνουν τους μαθητές να συσχετίζουν και να συγκρίνουν τις διδακτέες έννοιες με τις εμπειρίες τους 6. Επιτρέπουν στους μαθητές να εστιάζουν στη διαδικασία της σκέψης και όχι μόνο στα αποτελέσματα της 7. Προωθούν την δόμηση της γνώσης μέσω ανταλλαγής και αντιπαράθεσης πληροφοριών με συνομήλικους και όχι μέσω του ανταγωνισμού τους για προβολή και αναγνώριση Στον πίνακα 2 που συνέθεσαν οι Brooks και Brooks (1993), γίνεται σύγκριση μεταξύ της παραδοσιακής και της κονστρουκτιβιστικής σχολικής τάξης. Βάσει της συγκριτικής ανάλυσης μεταξύ των παραπάνω τάξεων, συμπεραίνουμε πως η κονστρουκτιβιστική μεθοδολογία εκπαίδευσης είναι καταλληλότερη για την εκπαίδευση με τη χρήση τεχνολογίας, κατά την οποία ο δάσκαλος αναλαμβάνει τον βασικό ρόλο του συντονιστή (Nanjappa & Grant, 2003). Κονστρουκτιβιστική τάξη Οι μαθητές συνεργάζονται για την ολοκλήρωση εργασιών Η συμμετοχή των μαθητών είναι πολύτιμη κατά την διαδικασία της διδασκαλίας - μάθησης Οι μαθητές αντιμετωπίζονται ως στοχαστές με την ικανότητα δόμησης καινούριας γνώσης Οι δάσκαλοι συνεργάζονται με τους μαθητές μέσα στην τάξη Οι δάσκαλοι αναζητούν ανατροφοδότηση (feedback) από τους μαθητές, με σκοπό να διαπιστώσουν το γνωστικό τους επίπεδο Παραδοσιακή τάξη Οι μαθητές εργάζονται ατομικά Η προσκόλληση στην επίσημη διδακτέα ύλη είναι σημαντική Οι μαθητές αντιμετωπίζονται ως κενά δοχεία στα οποία οι δάσκαλοι μεταβιβάζουν γνώση Οι δάσκαλοι έχουν το ρόλο του ειδήμονα, προωθώντας τις πληροφορίες στα παιδιά Οι δάσκαλοι αναζητούν σωστές απαντήσεις για την αξιολόγηση του γνωστικού επιπέδου των μαθητών 15

16 Η αξιολόγηση της γνώσης των μαθητών είναι ενσωματωμένη στην διαδικασία της διδασκαλίας - μάθησης Η αξιολόγηση της γνώσης των μαθητών λαμβάνει τόπο ξεχωριστά της διδασκαλίας Πίνακας 2 : η κονστρουκτιβιστική τάξη σε σύγκριση με την παραδοσιακή τάξη Εποικοδομισμός (Constructionism) Ο Εποικοδομισμός αφορά μια προσέγγιση στη μάθηση, η οποία αναπτύχθηκε από τον Seymour Papert και αποτελεί ταυτόχρονα μια μαθησιακή θεωρία και εκπαιδευτική στρατηγική, βασισμένη στην κονστρουκτιβιστική θεωρία του Piaget (Papert & Harel, 1991). Η αντίληψη του Papert για τον επικοδομισμό συσχετίζεται άμεσα με τη φιλοσοφία του Piaget περί κονστρουκτιβισμού (constructionism) και επαυξάνει, προσθέτοντας πως η απόκτηση νέας γνώσης συντελείται πιο αποτελεσματικά όταν οι μαθητευόμενοι ασχολούνται με τη σύνθεση κατασκευών που έχουν προσωπικό νόημα γι αυτούς, ώστε να δημιουργήσουν την δική τους, εξατομικευμένη γνώση (Papert & Harel, 1991; Han & Bhattacharya, 2001). Στην ουσία, ο Εποικοδομισμός αποτελεί τη φυσική επέκταση του κονστρουκτιβισμού και τονίζει την κατασκευαστική - χειρωνακτική (hands - on) πλευρά (Papert, 1972). Οι μαθητές σε ένα δημιουργικό περιβάλλον κατασκευάζουν κάτι μόνοι τους, κατά προτίμηση ένα χειροπιαστό αντικείμενο, ένα αντικείμενο που μπορούν να αγγίξουν, να θεωρήσουν ουσιώδες και να μάθουν από αυτό. Ως εκ τούτου, ο στόχος του είναι να δώσει στα παιδιά τα κατάλληλα εργαλεία, έτσι ώστε να μάθουν στην πράξη με αποτελεσματικότερο τρόπο από ό,τι πριν (Papert, 1980). Σε ένα περιβάλλον εποικοδομισμού, δεδομένου ότι οι μαθητές καταπιάνονται με την διαδικασία σχεδιασμού και κατασκευής, προάγεται η άμεση και συνεχής ανατροφοδότηση, καθώς και η ενθάρρυνση της συλλογικότητας και του μοιρασμού (Chambers, Carbonaro, & Rex, (2007). Για παράδειγμα, σύμφωνα με τους Oakley και McDougall (1997), για την επίτευξη των παραπάνω εννοιών, η μάθηση στο προγραμματιστικό περιβάλλον της LOGO 1 είναι ιδανική. Πιο συγκεκριμένα, οι μαθητές με περισσότερη άνεση 11 Η LOGO είναι μια γλώσσα προγραμματισμού, η οποία αναπτύχθηκε το 1967 από την ομάδα του Seymour Papert για καθαρά εκπαιδευτικούς σκοπούς. Αποτελεί πρόδρομο του προγραμματιστικού περιβάλλοντος LEGO Mindstorms. 16

17 στον προγραμματισμό δύναται να βοηθήσουν τους άλλους μαθητές σε μια συγκεκριμένη δραστηριότητα ώστε να λύσουν το σχεδιαστικό τους πρόβλημα, παίρνοντας τον ρόλο του δασκάλου. Μαθαίνοντας σε ένα τέτοιο περιβάλλον, όχι μόνο επιτρέπεται στους μαθητές να εφαρμόσουν άμεσα αυτό που έχουν μόλις μάθει, σε αντίθεση με τις ατομικές εργασίες που γίνονται στο σπίτι, αλλά και βοηθάει τα παιδιά να εμπεδώσουν καλύτερα το μάθημα εφόσον ενδέχεται να το εξηγήσουν σε κάποιο συμμαθητή τους. Σύμφωνα με τον Hein (1991), η μάθηση δεν είναι εξατομικευμένη, αλλά αποτελεί κοινωνικοποιημένη δραστηριότητα και λαμβάνει τόπο σε ένα κοινωνικό περίγυρο. Η μάθηση ως διαδικασία είναι κοινωνική, ενεργητική, αδιάκοπη και συγκείμενη. 2.2 Το κίνημα της εκπαίδευσης STEM Ορισμοί Η επιστήμη αποτελεί μια διαδικασία έρευνας και συμπεριλαμβάνει ενέργειες όπως ο προβληματισμός, η πρόβλεψη, η λήψη υποθέσεων, η διερεύνηση, η συγκέντρωση στοιχείων, η οργάνωση δεδομένων, η επαλήθευση, η επεξήγηση και η επικοινωνία. Η εφαρμογή της οδηγεί σε ένα οργανωμένο και επαληθεύσιμο σώμα γνώσης σχετικά με τον εμπειρικό κόσμο, το οποίο εξελίσσεται με την πάροδο του χρόνου και αναθεωρείται με την εμφάνιση νέων τεκμηρίων. Ο όρος τεχνολογία χρησιμοποιείται γενικά για να περιγράψει όλα τα εργαλεία που αναπτύσσονται και χρησιμοποιούνται από τους ανθρώπους, τα οποία εμπλέκουν την εμπρόθετη εφαρμογή γνώσης, εμπειρίας και πόρων, με σκοπό τη δημιουργία προϊόντων και υπηρεσιών που εξυπηρετούν τις ανθρώπινες ανάγκες. Αποτελεί απόρροια των επιστημών και της μηχανικής (engineering), αναφέρεται σε υλικά αντικείμενα αλλά χρησιμοποιείται και για ευρύτερες έννοιες όπως για συστήματα, μεθόδους οργάνωσης και τεχνικές. Οι τεχνολογικά εγγράμματοι άνθρωποι είναι σε θέση να κατανοήσουν τον σχεδιασμένο από τον άνθρωπο κόσμο, τα εργαλεία του, καθώς και τα συστήματα και τις υποδομές για να την διατήρηση του. Έχουν την ικανότητα να 17

18 χρησιμοποιούν διάφορα εργαλεία σύμφωνα με τις ανάγκες τους και είναι σε θέση να λάβουν αποφάσεις που αφορούν την χρήση και ανάπτυξη της τεχνολογίας σε περιβαλλοντικά και κοινωνικά πλαίσια καθώς κατανοούν τον βαθμό αλληλεξάρτησης τους. Η μηχανική (engineering) αναφέρεται στην εφαρμογή επιστημονικών αρχών και στη χρήση τεχνολογικών δυνατοτήτων, με σκοπό την μετατροπή φυσικών πόρων σε δομές, μηχανές, προϊόντα, συστήματα και διαδικασίες προς όφελος της κοινωνίας. Οι εφαρμογές της αυξάνονται όλο και περισσότερο με την πάροδο του χρόνου. Τα μαθηματικά είναι η επιστήμη που μελετά τις ιδιότητες των αριθμών και των μεγεθών, καθώς και τις μεταξύ τους σχέσεις. Αποτελούν ένα τρόπο ερμηνείας του κόσμου, διακρίνοντας μέσα σε αυτόν μοτίβα, σειρές και έννοιες όπως γενικότητα και αβεβαιότητα Η εκπαίδευση STEM Ο όρος STEM αποτελεί ακρωνύμιο για τις λέξεις Science, Technology, Engineering και Mathematics, και αφορά μια προσέγγιση στην εκπαίδευση βασισμένη στην ιδέα της επιμόρφωσης των μαθητών πάνω στους τέσσερις συγκεκριμένους κλάδους που τον απαρτίζουν : τα μαθηματικά, τις επιστήμες, την τεχνολογία και τη μηχανική, μέσω μίας διεπιστημονικής και εφαρμοσμένης προσέγγισης. Αντί λοιπόν της διδασκαλίας των τεσσάρων κλάδων χωριστά, ως ξεχωριστά και διακεκριμένα μαθήματα, η εκπαίδευση STEM τους ενσωματώνει σε ένα συνεκτικό μαθησιακό μοντέλο, βασισμένο σε εφαρμογές του πραγματικού κόσμου. Πολλοί χρησιμοποιούν τις συνιστώσες αυτού του ακρωνυμίου ως έναν ορισμό του, με άλλα λόγια, ταυτίζουν την εκπαίδευση STEM με τα αντικείμενα που το συνθέτουν. Εντούτοις, αυτή η προσέγγιση είναι ανεπαρκής (Bybee, 2010; Salinger & Zuga, 2009). Πιο συγκεκριμένα, πρόκειται για μια προσέγγιση που καταργεί τα σύνορα μεταξύ των ιδιαίτερων αντικειμένων και τα θεωρεί ως ένα όλον, κάτω από το σκεπτικό ότι τα σύγχρονα προβλήματα 18

19 είναι αρκετά σύνθετα και πολυδιάστατα για να αντιμετωπισθούν από μία μόνο επιστήμη (Morrison & Bartlett, 2009). Ένα από τα κυριότερα χαρακτηριστικά της αποτελεί το γεγονός πως επιχειρείται ο μετασχηματισμός από το επίπεδο της παραδοσιακής δασκαλοκεντρικής διδασκαλίας, στη διδασκαλία όπου κυρίαρχο ρόλο στο αναλυτικό πρόγραμμα θα διαδραματίζει η ολοκλήρωση ενός έργου (projectbased learning), η ανακαλυπτική - διερευνητική μάθηση (inquiry-based learning), ενώ απαιτείται η δημιουργική εμπλοκή των εκπαιδευόμενων στην επίλυση του (active learning). Έτσι, η εκπαίδευση STEM είναι ένα μαθησιακό περιβάλλον όπου οι μαθητές εξερευνούν, εφευρίσκουν, ανακαλύπτουν με τη χρήση πραγματικών προβλημάτων και καταστάσεων οι οποίες σχετίζονται με τις βιωματικές τους εμπειρίες (PCAST, 2010). Επιπλέον, ενθαρρύνει την καινοτομία συνδυάζοντας τις επιστημονικές περιοχές, βοηθώντας τους μαθητές και μελλοντικούς εργαζόμενους να κάνουν νέες συνδέσεις μεταξύ των επιστημονικών κλάδων και μερικές φορές βοηθά και στη δημιουργία εντελώς νέων (Council on Competitiveness, 2005). Τέλος, προωθεί ένα μαθησιακό περιβάλλον, ώστε οι μαθητές να αποκτήσουν όχι μόνο δεξιότητες του 21ου αιώνα, αλλά και να έχουν την ευκαιρία να δημιουργήσουν νέες δεξιότητες στο μέλλον (Narum, 2008) Η αρχή του κινήματος STEM Η ανάγκη ύπαρξης μιας διεπιστημονικής προσέγγισης των Μαθηματικών, των Επιστημών και της Τεχνολογίας, παρότι προφανής για πολλούς επιστήμονες αυτών των κλάδων, άρχισε να γίνεται περισσότερο επιτακτική στις αρχές αυτού του αιώνα. Στην αρχή της νέας χιλιετίας, υπήρχαν γενικές ανησυχίες στις ΗΠΑ, σχετικά με τη χαμηλή επίδοση των μαθητών στους κλάδους των μαθηματικών και γενικότερα των θετικών επιστημών, καθώς και με την έλλειψη ενδιαφέροντος τους για την επιδίωξη αντίστοιχων σπουδών (Kuenzi, 2008). Πιο συγκεκριμένα, σε μια έρευνα που πραγματοποιήθηκε, με δείγμα μαθητών ηλικίας ετών, αναφέρθηκε πως τα παιδιά προτιμούν να τακτοποιήσουν το δωμάτιο τους, να φάνε τα λαχανικά τους και να πάνε στον οδοντίατρο, παρά να διαβάσουν μαθηματικά (Leong, 2005). Η έλλειψη κινήτρου, λοιπόν, ήταν αυτή που κρίθηκε υπαίτια για την χαμηλή τους επίδοση στις θετικές και τεχνολογικές επιστήμες, τομείς που είναι 19

20 κρίσιμοι για την παγκόσμια ανταγωνιστικότητα, την καινοτομία και την οικονομική ανάπτυξη κάθε κράτους (Carnevale et al., 2011).Ταυτοχρόνως, εν όψει των δραματικών αλλαγών στους τομείς της τεχνολογίας και στην ανάπτυξη της παγκόσμιας οικονομίας, προέκυψαν απαιτήσεις καινούριων δεξιοτήτων, με έμφαση στο τεχνολογικό και μηχανικό γνωστικό υπόβαθρο. Σύμφωνα με την εικόνα 1, η ζήτηση στους παρακάτω κλάδους STEM στο χρονικό διάστημα θα αυξηθεί σημαντικά, και υπάρχει φόβος από την πολιτική σφαίρα πως δεν θα υπάρχει ο απαραίτητος αριθμός εργαζόμενων για να επικαλυφθούν οι θέσεις εργασίας. Εικόνα 1 : αναμενόμενες αυξήσεις σε θέσεις εργασίας STEM Κυριότερο λόγο για τον ολοένα αυξανόμενο προβληματισμό των ΗΠΑ σχετικά με αυτά τα ποσοστά φαίνεται να αποτελεί το γεγονός ότι άλλες χώρες όπως η Ινδία και η Κίνα παράγουν πολύ περισσότερους απόφοιτους σε αυτούς τους κλάδους (Kuenzi, 2008). Η ιστορία ανέκαθεν έχει δείξει πως προκειμένου να αντιμετωπιστεί ο διεθνής πολιτικο - οικονομικός ανταγωνισμός, οι επιδέξιοι εργαζόμενοι σε ποικίλους τομείς STEM θεωρούνταν οι κύριες πηγές για καινοτομία και πυλώνες για την υποστήριξη της οικονομίας και της εθνικής ασφάλειας. Για παράδειγμα, κατά τη διάρκεια του A Παγκοσμίου Πόλέμου, η αναφορά Science, the Endless Frontier από τον Αμερικάνο επιστήμονα Bush (1945) καλούσε προς βελτίωση τα 20

21 επιστημονικά ταλέντα της Αμερικής, προκειμένου να αντιμετωπιστούν οι ασθένειες, να προστατευθεί η εθνική ασφάλεια και να βελτιωθεί η δημόσια ευημερία. Αυτή η έκκληση υποστηρίζεται πως αποτέλεσε μια αντίδραση των ΗΠΑ απέναντι στον ανταγωνισμό της επιστημονικής κοινότητας της Γερμανίας και της Ιαπωνίας (Zollman, 2012). Αργότερα, κατά τη διάρκεια του ψυχρού πολέμου, αναπτύχθηκε ένας ακόμη πιο υποβλητικός αγώνας ανάμεσα στην Αμερική και την πρώην Σοβιετική Ένωση που αφορούσε την εξερεύνηση του διαστήματος, ο οποίος αύξησε την ανάγκη για απόφοιτους STEM κλάδων: Η Σοβιετική Ένωση αυτή τη στιγμή κατέχει έναν πολύ μεγαλύτερο αριθμό επιστημόνων και μηχανικών απ ότι οι ΗΠΑ. Και παράγει απόφοιτους σε αυτούς τους κλάδους κατά πολύ γρηγορότερο ρυθμό απ ότι εμείς. (ομιλία του Eisenhower, 34ου προέδρου των ΗΠΑ) Από τα παραπάνω, συμπεραίνουμε πως ανέκαθεν η βελτίωση των ταλέντων STEM αντιλαμβανόταν παγκοσμίως ως ένα επείγον ζήτημα εθνικής ασφάλειας από την πολιτική και βιομηχανική σφαίρα. Έτσι, στην αρχή της χιλιετίας, όταν το χάσμα μεταξύ των αναδυόμενων θέσεων εργασίας και των επιδέξιων εργαζόμενων στους σχετικούς κλάδους προβλεπόταν να αποκτά τεράστιες διαστάσεις, δημιουργήθηκε πίεση για μεταρρυθμίσεις στο αμερικάνικο εκπαιδευτικό σύστημα (Steeves et al.,2009). Ερευνητές και εκπαιδευτικοί αποφάνθηκαν πως ο μόνος τρόπος για την επανεκκίνηση του ενδιαφέροντος των μαθητών προς τις θετικές και τεχνολογικές επιστήμες ήταν ο επαναπροσδιορισμός της σχέσης μεταξύ της επιστήμης και της τεχνολογίας. Η διδασκαλία των φυσικών επιστημών στα σχολεία επικρίθηκε ως αόριστη και αποκομμένη από τα προβλήματα του πραγματικού κόσμου, γεγονός που προκαλούσε δυσκολίες στην κατανόηση τους από τα παιδιά. Πολλοί εκπαιδευτικοί στην προσπάθεια τους να προσεγγίσουν αυτό το πρόβλημα, στόχευσαν στην επισήμανση της συσχέτισης μεταξύ των επιστημών και της τεχνολογίας, συνδυάζοντας έτσι την γενική και αόριστη γνώση με συγκεκριμένες εφαρμογές (Pedretti and Nazir, 2011). Έκτοτε, το κίνημα STEM άρχισε να παίρνει τη μορφή που γνωρίζουμε σήμερα, με την κυβέρνηση Obama να ανακοινώνει επίσημα το 2009 την καμπάνια Educate to Innovate ( Εκπαίδευση για Καινοτομία ), με σκοπό την κινητοποίηση του ενδιαφέροντος των μαθητών στους κλάδους STEM. Το 2014, ο προϋπολογισμός που επενδύθηκε στις ΗΠΑ έφτασε τα 3.1 δισεκατομμύρια δολάρια, με στόχο την επιμόρφωση ειδικών εκπαιδευτικών, την δημιουργία 21

22 σχολείων εξειδικευμένων στην εκπαίδευση STEM, και στην έρευνα καινούριων τεχνολογικών μέσων εκπαίδευσης Η εκπαίδευση STEM ως παγκόσμιο κίνημα Παρόλο που η προκείμενη εκπαιδευτική προσέγγιση παρακινήθηκε από τις ΗΠΑ για να καλύψει τις δικές της ανάγκες, δεν άργησε να επέλθει η εξάπλωση της και στα υπόλοιπα κράτη, συμπεριλαμβανομένου και της Ελλάδας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι αναγνωρίζεται διεθνώς πως το σχολικό εκπαιδευτικό σύστημα δεν συμβαδίζει με τις δραματικές αλλαγές που επιφέρει η τεχνολογία στην καθημερινότητα μας. Αποτελεί ομόφωνη διαπίστωση πως οι δεξιότητες που αναπτύσσονται μέσω της εκπαίδευσης STEM είναι απαραίτητες για οποιοδήποτε επάγγελμα, καθώς πολλά εργασιακά καθήκοντα μετατοπίζονται από χειρωνακτικά στιγμιότυπα ρουτίνας σε καθήκοντα που χαρακτηρίζονται από διαδραστικότητα, κατευθυνόμενα από την τεχνολογία και την πληροφορία (OECD, 2007). Σύμφωνα με αναφορές, οι μαθητές που δεν είναι εξοπλισμένοι με τις ικανότητες που παρέχονται από την εκπαίδευση STEM, δεν καθίστανται ικανοί να επιτύχουν στα επαγγέλματα του μέλλοντος (Kesidou & Koppal, 2004). Όσο η κοινωνία μας εξαρτάται όλο και πιο πολύ από την τεχνολογία, αποτελεί επιτακτικό αίτημα η κατανόηση από τους μαθητές του κόσμου που έχει δημιουργήσει ο άνθρωπος και η εξοικείωση τους με τα τεχνολογικά μέσα. Σε αυτό το σημείο, αξίζει να επισημανθεί η σημασία της επαφής του τεχνολογικού και επιστημονικού αλφαβητισμού και εκπαίδευσης των μαθητών από την πρωτοβάθμια εκπαίδευση. Συνήθως, στην Ελλάδα αντιμετωπίζεται στα πλαίσια της ανάπτυξης τεχνικών και επαγγελματικών δεξιοτήτων, με αποτέλεσμα οι αντίστοιχες ενέργειες να εστιάζονται στην δευτεροβάθμια εκπαίδευση, στην τεχνική επαγγελματική εκπαίδευση και στην (αρχική και συνεχόμενη) κατάρτιση. Κατά την άποψη μας, η εστίαση στην πρωτοβάθμια εκπαίδευση είναι πιο σημαντική εφόσον: - Σε όλες τις χώρες, η πρωτοβάθμια εκπαίδευση είναι η μεγαλύτερη συνιστώσα της υποχρεωτικής εκπαίδευσης, η οποία αποσκοπεί στην 22

23 προσωπική ανάπτυξη που θα επιτρέψει στους μαθητές και μελλοντικούς πολίτες την ενεργό συμμετοχή τους στην κοινωνία αύριο. - Οι μαθητές στην πρωτοβάθμια εκπαίδευση είναι στην ηλικία που διαμορφώνεται ο χαρακτήρας και οι γνωστικές του δεξιότητες. Παρανοήσεις της ηλικίας αυτής είναι δύσκολο να αναιρεθούν. - Μια αποδοτική και σωστή κατανόηση βασικών εννοιών στην πρωτοβάθμια εκπαίδευση μπορεί να αυξήσει σημαντικά την αποτελεσματικότητα σε μεταγενέστερα στάδια. Ένα βασικό στοιχείο της εκπαίδευσης STEM για την επίτευξη του τεχνολογικού και επιστημονικού αλφαβητισμού των παιδιών, αποτελεί η εισαγωγή της έννοιας της μηχανικής (engineering), καθώς μέσω αυτής, οι μαθητές όχι μόνο αποκτούν κίνητρο για να κατανοήσουν τα μαθηματικά και τις επιστήμες μέσω των οποίων αποκτά υπόσταση η τεχνολογία, αλλά επιτρέπει και τον συνδυασμό των αυστηρά ακαδημαϊκών εννοιών με την επίλυση πραγματικών προβλημάτων (Gutherie, Wigfield & VonSecker, 2000). Κυριότερο χαρακτηριστικό της εφαρμογής της στην εκπαίδευση, αποτελεί το γεγονός ότι οι μαθητές καλούνται να δεσμευτούν σε μια εκπαιδευτική δραστηριότητα εξερευνώντας κάποιο προβληματικό χώρο ο οποίος αφορά τον πραγματικό κόσμο (project-based learning). Τέλος, χαρακτηρίζεται από το ευδιάκριτο πλεονέκτημα πως οι μαθητές φαίνεται να απολαμβάνουν σχετικές δραστηριότητες που περιλαμβάνουν το στοιχείο του σχεδιασμού και της κατασκευής, καθώς συνδυάζει χειρωνακτική εργασία και δημιουργικότητα. Έτσι, τα παιδιά, δουλεύοντας στα πλαίσια μιας σχετικής δραστηριότητας, έρχονται σε επαφή με τις επιστήμες, αλλά ταυτόχρονα αναπτύσσουν δεξιότητες μέσω της επικοινωνίας και υποστήριξης των ιδεών τους και της εξοικείωσης τους με τη μεθοδολογία επίλυσης προβλημάτων (εικόνα 2). Σύμφωνα με τους Rodgers και Portsmore (2004) μέσω της μεθοδολογίας σχεδίασης (engineering design process), οι μαθητές καταφέρνουν την: 1. Αναγνώριση και διατύπωση ενός προβληματικού χώρου 2. Σχεδίαση της κατάλληλης λύσης 3. Υλοποίηση και εφαρμογή της 23

24 4. Βελτίωση και επανασχεδίαση της 5. Επικοινωνία και διάδοση της τελικής λύσης Συνήθως, στη συμβατική σχολική τάξη, ανεξάρτητα από το διδασκόμενο αντικείμενο, παραλείπονται τα βήματα 1, 4 και 5, παρόλο που συχνά αποτελούν καθοριστικό παράγοντα ανάμεσα στην επιτυχία και την αποτυχία στα πλαίσια του πραγματικού κόσμου. Η ενσωμάτωση της μεθοδολογίας σχεδίασης στην εκπαίδευση εξοπλίζει τους μαθητές με ένα αποτελεσματικό εργαλείο προσέγγισης των προβλημάτων και σχεδιασμού λύσεων. Εικόνα 2 Ένα άλλο σημαντικό στοιχείο που διέπει την εκπαίδευση STEM και προετοιμάζει τους μαθητές για τα επαγγέλματα του μέλλοντος, είναι ο διεπιστημονικός της χαρακτήρας. Από έρευνες έχει αποδειχθεί πως οι καλύτεροι επαγγελματίες οποιοδήποτε κλάδου είναι «αυτοί που έχουν ικανότητες αποτελεσματικής εργασίας με πολύπλοκα συστήματα, λειτουργούν αποδοτικά και επικοινωνούν δημιουργικά με ειδικούς από διαφορετικούς κλάδους, σχεδιάζουν, παρακολουθούν και αξιολογούν την πρόοδο της δουλειάς τους και προσαρμόζονται γρήγορα στις νέες τεχνολογίες» (Gainsburg, 2006). Αυτά τα χαρακτηριστικά συνδέονται άμεσα με το στοιχείο της διεπιστημονικότητας στη μάθηση. Μέσω της διεπιστημονικής εκπαίδευσης, τα 24

25 άτομα αναμένεται να αφομοιώσουν γνώσεις από διαφορετικές πηγές και πεδία, και να τις χρησιμοποιήσουν με καινοτόμους τρόπους. Σύμφωνα με έρευνες, τα εκπαιδευτικά περιβάλλοντα που υιοθετούν διεπιστημονικό χαρακτήρα, παρέχουν στους μαθητευόμενους ευκαιρίες για μια περισσότερο διεγερτική (stimulating) και λιγότερο κατακερματισμένη μάθηση (Furner & Kumar, 2007; p.186). Επιπλέον, θεωρείται πως αυξάνει την αποδοτικότητα του ατόμου, διευρύνει την τεχνογνωσία του, βελτιώνει την κατανόηση και τον τρόπο αντιμετώπισης διαφορετικών κλάδων, καθώς και τους επιτρέπει να προσεγγίσουν καταστάσεις που ανταποκρίνονται στην πραγματικότητα (Berlin and Lee, 2005; Rennie et al, 2012). Τα άτομα που δέχονται μια διεπιστημονική εκπαίδευση αναμένεται να αναπτύξουν μια λίστα με επιθυμητά χαρακτηριστικά όπως κριτική σκέψη, αγάπη για τη μάθηση, αλληλεγγύη, αυτοπεποίθηση και δέσμευση απέναντι στις δημοκρατικές διαδικασίες (Vars, 2001, p.9). Άλλοι εκπαιδευτικοί έχουν επιμηκύνει αυτή τη λίστα, προσθέτοντας πως η διεπιστημονική εκπαίδευση καλλιεργεί λειτουργικά εγγράμματους ( functionally literate ) ανθρώπους. Αυτός ο λειτουργικός εγγραμματισμός καλλιεργεί ικανότητες όπως : ευκαμψία, ευελιξία δεξιοτήτων, πρόβλεψη προβλημάτων, λήψη αποφάσεων με ελλειπή δεδομένα, υψηλό επίπεδο αυτό - καθοδήγησης και προσωπικής πειθαρχίας, συνεργασία σε ένα ποικιλόμορφο περιβάλλον, διαλλακτικότητα,, τη συνειδητή δημιουργία προσωπικών και συλλογικών οραμάτων για το επιθυμητό μέλλον και την ικανότητα της πραγματοποίησης τους (Rennie et al., 2012). Τέλος, η Morrison (2006) υπογράμμισε κάποιες από τις βασικές εκβάσεις μιας εκπαίδευσης στο πνεύμα του STEM. Τα άτομα που θα ολοκληρώσουν μια τέτοια εκπαίδευση, θα είναι : 1. Ικανοί λύτες προβλημάτων (Problem solvers) - είναι σε θέση να καθορίσουν τις ερωτήσεις και τα προβλήματα, να σχεδιάσουν έρευνες για τη συλλογή και οργάνωση δεδομένων, την εξαγωγή συμπερασμάτων και στη συνέχεια να εφαρμόσουν τα συμπεράσματα σε νέες καταστάσεις. 2. Καινοτόμοι (Innovators) - χρησιμοποιούν δημιουργικά τις έννοιες και αρχές της Επιστήμης των Μαθηματικών και της Τεχνολογίας, εφαρμόζοντας τες στο μηχανικό σχεδιασμό. 25

26 3. Αυτοδύναμοι (Self reliant) - είναι σε θέση να παίρνουν πρωτοβουλίες και να θέτουν εσωτερικά κίνητρα για να προσδιορίζουν μία πορεία δράσης μέσα σε καθορισμένα χρονικά πλαίσια. 4. Λογικοί στοχαστές (Logical thinkers) - είναι σε θέση να εφαρμόζουν λογικές διαδικασίες σκέψης των Επιστημών, των Μαθηματικών και του τεχνολογικού σχεδιασμού για την καινοτομία και την εφεύρεση. 5. Τεχνολογικά εγγράμματοι (Technologically literate) - είναι ικανοί να κατανοήσουν και να εξηγήσουν τη φύση της τεχνολογίας, να αναπτύξουν τις δεξιότητες που απαιτούνται, και να εφαρμόσουν την τεχνολογία κατάλληλα. 26

27 3 Εργαλεία 3.1 Oι Τεχνολογίες Πληροφορίας και Επικοινωνίας ως εργαλεία μάθησης Σύμφωνα με τους Mikropoulos και Bellou (2013), η παιδαγωγική εκμετάλλευση των Τεχνολογιών Πληροφορίας και Επικοινωνίας (ΤΠΕ) αποτελεί την σημαντικότερη πλευρά της εισαγωγής τους στον τομέα της εκπαίδευσης, καθώς υποστηρίζουν πως αποτελούν τα πιο ισχυρά εργαλεία για την υποστήριξη της διαδικασίας της μάθησης. Αυτή η διαπίστωση δεν στηρίζεται μόνο στα συγκεκριμένα τεχνολογικά μέσα που χρησιμοποιούνται, αλλά και στο ευρύτερο θεωρητικό πλαίσιο που ακολουθούν. Η κυριότερη συνεισφορά των ΤΠΕ παρέχεται από τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά των μέσων που χρησιμοποιούνται, καθώς και τους τρόπους καταχώρησης, αναπαράστασης, διαχείρισης και μεταβίβασης της πληροφορίας. Αυτά τα χαρακτηριστικά αφορούν την διαχείριση μεγάλου όγκου δεδομένων και πληροφορίας σε μικρό χρονικό διάστημα, την παρουσίαση της πληροφορίας μέσω δυναμικών, διαδραστικών και πολλαπλών αναπαραστάσεων και την επικοινωνία και τα κίνητρα που παρέχουν. Η εισαγωγή των ΤΠΕ στο σχολικό περιβάλλον δύναται να περιλαμβάνει δραστηριότητες που προωθούν την ενεργό συμμετοχή των μαθητών και των καθηγητών, διαδραστικότητα, και διαδικασίες που υποστηρίζουν τη δημιουργία νοητικών μοντέλων από τους μαθητές (Mikropoulos & Bellou, 2006). Παρόλαυτά, η συμβατική εκπαιδευτική διαδικασία δεν αξιοποιεί στο έπακρον τις δυνατότητες που παρέχονται από τα τεχνολογικά μέσα. Η τεχνολογία που χρησιμοποιείται από τους μαθητές στα πλαίσια του σχολικού περιβάλλοντος αφορά μονάχα τη χρήση υπολογιστή. Ακόμα και αυτή, περιορίζεται σε εργαλεία επεξεργασίας κειμένου, υπολογιστικά φύλλα, παρουσιάσεις, εργαλεία ανταλλαγής μηνυμάτων και μηχανές αναζήτησης (Shiang-Kwei Wang, 2014). Οι παραπάνω ενέργειες, παρόλο που υποβοηθούν την μάθηση, χαρακτηρίζονται από παθητικότητα και δεν συνεισφέρουν ενεργά στην επιμόρφωση των μαθητών. Αντίθετα, η χρήση των ΤΠΕ όπως αναφέρουν οι Mikropoulos και Mpellou (2013) πιο πάνω, δύναται να βρεθεί σε συμφωνία με το κονστρουκτιβιστικό (constructivistic) θεωρητικό μοντέλο μάθησης που 27

28 ανέπτυξε ο Piaget, το οποίο υποστηρίζει πως η μάθηση είναι μια ενεργητική διαδικασία δόμησης της γνώσης και βασίζεται στις εμπειρίες που προέρχονται από τον πραγματικό κόσμο. Ο κονστρουκτιβισμός ασχολείται με το τρόπο που οι μαθητές δομούν τη γνώση και εξαρτάται από τις προηγούμενες τους γνώσεις, τις εμπειρίες που διαθέτουν, και τη διαδικασία βάσει της οποίας οργανώνουν τις εμπειρίες τους σε δομές γνώσης (Jonassen, 2000). Οι κύριες αρχές που διέπουν τα κονστρουκτιβιστικά μαθησιακά περιβάλλοντα είναι η αλληλεπίδραση με τον μαθητή στο επίκεντρο, η χρήση αυθεντικών προβληματικών χώρων και η συνεργατική μάθηση. Στηριζόμενος σε αυτές, ο Boyle (1997) έχει συντάξει τις ακόλουθες αρχές για τη χρήση των ΤΠΕ σε συμφωνία με το κονστρουκτιβιστικό μοντέλο μάθησης, και βάσει αυτών οφείλουν: 1. Να παρέχουν εμπειρία πάνω στη διαδικασία δόμησης της γνώσης 2. Να ενθαρρύνουν τη χρήση πολλαπλών τρόπων αναπαράστασης της πληροφορίας 3. Να παρέχουν επίγνωση και εμπειρία των πολλαπλών οπτικών γωνιών θεώρησης (multiple perspectives) 4. Να ενσωματώνουν τη μάθηση σε ρεαλιστικά και σχετικά περιβάλλοντα 5. Να ενθαρρύνουν την αίσθηση της υπευθυνότητας και της προσωπικής άποψης του μαθητή στην μαθησιακή διαδικασία 6. Να ενσωματώνουν τη μάθηση στην διαδικασία της κοινωνικοποίησης 7. Να ενθαρρύνουν την επίγνωση του μαθητή κατά την διάρκεια της διαδικασίας δόμησης της γνώσης Με τις παραπάνω αρχές, η χρήση των ΤΠΕ στην εκπαιδευτική διαδικασία προωθεί την δόμηση γνώσεων, την εξερεύνηση, τη βιωματική μάθηση, την συνεργατική μάθηση καθώς και την κριτική σκέψη (Jonassen, 2000). Κάποια μαθησιακά εργαλεία που πηγάζουν από τις ΤΠΕ αποτελούν οι πλατφόρμες e-learning, τα εικονικά εργαστήρια (virtual laboratories), τα εκπαιδευτικά βιντεοπαιχνίδια (educational gaming) και ο συνδυασμός χρήσης υλικού (hardware) και λογισμικού (software), όπως φαίνεται στην εικόνα 3. Στην τελευταία κατηγορία ανήκει η εκπαιδευτική ρομποτική, η οποία θα χρησιμοποιηθεί στα πλαίσια της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας. 28

29 Εικόνα 3: παραδείγματα χρήσης των ΤΠΕ στην εκπαιδευτική διαδικασία 29

30 3.2 Η ρομποτική στην εκπαιδευτική διαδικασία Η ρομποτική είναι ένας συναρπαστικός διεπιστημονικός κλάδος, ο οποίος πρόκειται να κυριαρχήσει τον 21ο αιώνα. Αποτελεί μια σχετικά καινούργια επιστήμη η οποία συνδυάζει στοιχεία ανάπτυξης λογισμικού, τεχνητής νοημοσύνης, προηγμένης μηχανολογίας, μελέτης της ανθρώπινης συμπεριφοράς, καθώς και πολλά ακόμα. Παράλληλα οι πρώτες ολοκληρωμένες εφαρμογές της εμφανίζονται σε τομείς όπως η βιομηχανία, η ιατρική και η αεροπλοΐα, επηρεάζοντας την καθημερινότητά μας. Σύμφωνα με τους Shukla & Shukla, (2012), η βιομηχανία των ρομπότ εισέρχεται σε μία καινούρια περίοδο ταχείας ανάπτυξης. Για παράδειγμα, το 2011 ορίστηκε ως η πιο επιτυχής χρονιά για τις πωλήσεις βιομηχανικών ρομπότ από το 1961 (IFR, 2012). Οι σημερινοί μαθητές θα ζήσουν σε μια κοινωνία η οποία θα βρίθει από βιομηχανικά, ιατρικά, ψυχαγωγικά, και εκπαιδευτικά ρομπότ, καθώς όσο εξελίσσεται η τεχνολογία, θα εισβάλλουν όλο και περισσότερο σε κάθε τομέα της καθημερινότητας μας. Η εκπαιδευτική ρομποτική αποτελεί σημαντική περιοχή των Τεχνολογιών της Πληροφορικής στην εκπαίδευση και έχει αξιοποιηθεί εκτενώς σε ερευνητικά προγράμματα, τόσο στην Ελλάδα όσο και στο εξωτερικό. Οι εφαρμογές που καταγράφονται στη βιβλιογραφία αφορούν όλες τις βαθμίδες της εκπαίδευσης και ο τρόπος χρήσης τους έχει μεγάλη ποικιλία. Όσον αφορά τον Ελλαδικό χώρο, η διδασκαλία της ρομποτικής ήταν μέχρι πρότινος πιο συνήθης σε εξειδικευμένα μαθήματα της τριτοβάθμιας εκπαίδευσης, αλλά πρόσφατα προσέγγισε και τους σχολικούς μαθητές υπό τη μορφή εξωσχολικής δραστηριότητας. Το ερευνητικό ενδιαφέρον για την επαφή της ρομποτικής με μαθητές της πρωτοβάθμιας εκπαίδευσης ξεκίνησε το 1970 με τη χρήση λογισμικού προσαρμοσμένου στην διαθέσιμη τεχνολογία της εποχής. Πιο συγκεκριμένα, ο Seymour Papert, στον οποίο αποδίδεται και το εκπαιδευτικό κίνημα του εποικοδομισμού (constructionism), ανέπτυξε με τους συνεργάτες του την εκπαιδευτική γλώσσα προγραμματισμού Logo, μέσω της οποίας δεχόταν εντολές ένα κινητό ρομπότ-χελώνα. Οι χελώνες αυτές συνδέονταν με τον «υπολογιστή» με καλώδιο και μπορούσαν να κινούνται σύμφωνα με τις εντολές που λάμβαναν. Παρόλα αυτά, το ενδιαφέρον σχετικά με αυτή την καινούρια μέθοδο διδασκαλίας παρέμεινε ανεκμετάλλευτο, λόγω της περιορισμένης 30

31 πρόσβασης στα τεχνολογικά μέσα, του υψηλού κόστους και της έλλειψης έρευνας στο συγκεκριμένο πεδίο (Barker & Ansorge, 2007). Τα δεδομένα όμως από τότε έχουν αλλάξει ολοκληρωτικά. Την τελευταία δεκαετία, με την δραματική άνοδο των τεχνολογικών εξελίξεων, οι μαθητές καθίστανται πλήρως εξοικειωμένοι στον χειρισμό της τεχνολογίας, μέσω της χρήσης των smartphones, των tablet, του Διαδικτύου και των εικονικών κόσμων από τα βιντεοπαιχνίδια που παίζουν. Έτσι, δείχνουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τη ρομποτική και δηλώνουν ενθουσιασμένοι όταν έρχονται σε επαφή με εφαρμογές της. Επιπλέον, το γεγονός ότι το μέσο κόστος μιας ρομποτικής συσκευής από πλευράς υλικού (hardware) και λογισμικού (software), σε συνδυασμό με το ότι η συντριπτική πλειοψηφία σπιτικών και σχολείων έχει τα απαραίτητα τεχνολογικά μέσα να την υποστηρίξουν, καθιστούν την απόκτησή και ενασχόληση μαζί της πιο προσιτή από ποτέ. Ο Jeff Johnson (2002) υποστηρίζει ότι η ρομποτική έχει ιδιαίτερη εκπαιδευτική αξία, διότι είναι διεπιστημονική και περιλαμβάνει μία σύνθεση πολλών τεχνικών θεμάτων, συμπεριλαμβανομένης της άλγεβρας και της τριγωνομετρίας, το σχεδιασμό και την καινοτομία, την ηλεκτρονική και τον προγραμματισμό, τις δυνάμεις και τους νόμους κίνησης, τα υλικά και φυσικές διαδικασίες. Καθώς είναι μια ενεργητική προσέγγιση της επίλυσης προβλημάτων, η ρομποτική σχετίζεται άμεσα με την εκπαίδευση στην μηχανική και την επιστήμη των υπολογιστών (Striegel & Rover, 2002). Όπως αναφέρουν οι Maxinez et al. (2012), τα εκπαιδευτικά ρομπότ χωρίζονται στις εξής κατηγορίες: 1. Ανθρωπόμορφα: ρομπότ με μορφή ανθρώπου 2. Ζωόμορφα: ρομπότ με μορφή ζώου 3. Κινητά: πλατφόρμα βασισμένη σε τροχούς ή με την ικανότητα μετακίνησης 4. Πολυάρθρωτα: ρομπότ με την ικανότητα κίνησης άκρων για την λαβή ή μετακινηση αντικειμένων 5. Υβριδικά: ρομπότ με συνδυασμό δύο ή περισσότερων μορφολογιών Η διεξαγωγή μιας δραστηριότητας χρησιμοποιώντας εκπαιδευτικά ρομπότ περιλαμβάνει τα εξής στάδια (Dagdilelis, 2005): 31

32 1. Κατασκευή του ρομπότ συνδέοντας τα μέρη που το απαρτίζουν 2. Ανάπτυξη προγράμματος χρησιμοποιώντας ένα προγραμματιστικό περιβάλλον 3. φόρτωση του προγράμματος στο ρομπότ 4. Εκτέλεση του προγράμματος από το ρομπότ 3.3 Το παιδαγωγικό πλαίσιο της εκπαιδευτικής ρομποτικής Τα παιδαγωγικά θεμέλια της εκπαιδευτικής ρομποτικής, όπως προαναφέρθηκε, βασίζονται στη δουλειά του Seymour Papert και στις αρχές που πρεσβεύει η εκπαιδευτική προσέγγιση του εποικοδομισμού (constructionism), ο οποίος επικεντρώνεται στον σημαντικό ρόλο των φυσικών αντικειμένων κατά την διαδικασία δόμησης της γνώσης. Έτσι, μέσω της εκπαιδευτικής ρομποτικής, οι μαθητές: - Μαθαίνουν διερευνητικά (inquiry-based learning) Οι μαθητές μαθαίνουν μέσω του σχεδιασμού και κατασκευής εκπαιδευτικών ρομπότ και επιλύουν προβλήματα στα πλαίσια μιας δραστηριότητας που περιλαμβάνει την εκπλήρωση ενός σκοπού, λαμβάνουν αποφάσεις και λειτουργούν συνεργατικά. Κατ επέκταση, ο μαθητής είναι στο επίκεντρο της εκπαιδευτικής διαδικασίας, έχοντας ενεργό ρόλο μέσα σε αυτή. - Χρησιμοποιούν εργαλεία Οι μαθητές σχεδιάζουν και δημιουργούν διαδραστικές κατασκευές. Χρησιμοποιούν απτά αντικείμενα όπως ρόδες, κινητήρες και αισθητήρες αλλά και περιβάλλοντα προγραμματισμού. Έτσι, διαχειρίζονται διαφορετικά μέσα επεξεργασίας της πληροφορίας και αναπτύσσουν τεχνικές δεξιότητες. - Εξατομικευμένη μάθηση Οι μαθητές δημιουργούν εξατομικευμένες κατασκευές, οι οποίες τους επιτρέπουν να εκφράσουν και να χτίσουν πάνω στα δικά τους νοητικά μοντέλα. 32

33 Κονστρουκτιβισμός: Δόμηση Γνώσης Γνωστικισμός: Διεργασία Πληροφορίας Εποικοδομισμός: Βιωματική Μάθηση Χρήση Εκπαιδευτικής Ρομποτικής για εκπαίδευση στο πνεύμα STEM Εικόνα 4 : το παιδαγωγικό υπόβαθρο της εκπαιδευτικής ρομποτικής 3.4 Εκπαιδευτική ρομποτική και εκπαίδευση STEM Η εκπαιδευτική ρομποτική στην πράξη μπορεί να χρησιμοποιηθεί με δύο τρόπους: είτε σαν αντικείμενο μελέτης, είτε σαν εργαλείο μάθησης. Στην πρώτη περίπτωση, η ρομποτική μελετάται σαν ένα ξεχωριστό πεδίο. Περιλαμβάνει εκπαιδευτικές δραστηριότητες που σκοπό έχουν να εμπλέξουν τους μαθητές στην μελέτη και επίλυση προβλημάτων που εστιάζουν στην κατασκευή ρομπότ, στον προγραμματισμό τους και στη τεχνητή νοημοσύνη. Συνήθως, υπό αυτή τη μορφή διδάσκεται στη τριτοβάθμια εκπαίδευση. Ενώ η ρομποτική έχει γίνει από καιρό μια πειθαρχία που έχει καθιερωθεί και διδάσκεται στα επίπεδα εκπαίδευσης της μηχανικής, χρησιμοποιείται σήμερα σε αρχικά εκπαιδευτικά επίπεδα ως νέο διδακτικό εργαλείο. Αυτό οφείλεται σε διάφορους παράγοντες: - Οι ρομποτικές εφαρμογές γίνονται πιο κοινές στην καθημερινή ζωή και αναφέρονται σε πολύ διαφορετικούς τομείς ενδιαφέροντος - Αρκετές όχι ακριβές ρομποτικές αρχιτεκτονικές για τις εκπαιδευτικές εφαρμογές είναι τώρα διαθέσιμες 33

34 - Η ρομποτική έχει αποδειχθεί ένα αποτελεσματικό εργαλείο εκμάθησης. Είναι δυνατό να αναπτυχθεί η εμπειρία εξετάζοντας την τεχνική ή/και επιστημονική γνώση και επίσης άλλους τύπους ειδικοτήτων - Πολλά περιβάλλοντα ανάπτυξης ικανά να υποστηρίξουν τους δασκάλους ακόμα και όταν δεν έχουν μια συγκεκριμένη ρομποτική ικανότητα, είναι επίσης διαθέσιμα σήμερα. Παρόλα αυτά, στον ελλαδικό χώρο, στα πρωτόκολλα όπου η εκπαιδευτική ρομποτική εξυπηρετεί ως εργαλείο μάθησης, στη συντριπτική πλειοψηφία των δραστηριοτήτων, επικεντρώνεται στη διδασκαλία προγραμματισμού σε παιδιά και έφηβους. Σε αυτή τη περίπτωση, μεγαλύτερη προσοχή δίνεται στη χρήση του λογισμικού και λιγότερη στις έννοιες της μηχανικής και των υπόλοιπων επιστημών. Τα χαρακτηριστικά της, όμως, την καθιστούν ένα εξαιρετικό εργαλείο για την εισαγωγή των μαθητών στο εκπαιδευτικό μοντέλο της εκπαίδευσης STEM. Με την υιοθέτηση των εκπαιδευτικών αρχών από τους καθηγητές που περιγράφθηκαν προηγουμένως και το σχεδιασμό κατάλληλων δραστηριοτήτων, δύναται να ικανοποιήσει όλους τους στόχους που ορίζει το πνεύμα STEM, ως εξής: 1. Διεπιστημονικότητα - η ρομποτική από τη φύση της περιλαμβάνει αρχές από πολλούς διαφορετικούς κλάδους, όπως η Φυσική, τα Μαθηματικά, η Πληροφορική και η Μηχανική (engineering). Οι δραστηριότητες της εκπαιδευτικής ρομποτικής καλλιεργούν στα παιδιά γνώσεις από τους παραπάνω κλάδους, αλλά αναπτύσσουν και δεξιότητες που αναδύονται από τη συνδυαστική διδασκαλία τους. 2. Επίλυση προβλημάτων - Σε μια δραστηριότητα που περιλαμβάνει τη χρήση εκπαιδευτικών ρομπότ, οι μαθητές καλούνται να αντιμετωπίσουν πολυάριθμα προβλήματα, τα οποία πηγάζουν από τα εμπόδια που πρέπει να ξεπεράσουν για την επίτευξη των στόχων της δραστηριότητας. Το γεγονός ότι αυτά τα προβλήματα έχουν φυσική και πραγματική υπόσταση, διαφοροποιεί την ποιότητα μάθησης από τα εικονικά και 34

35 θεωρητικά προβλήματα που προσεγγίζονται στις σχολικές τάξεις. Πράγματι, αυτά τα αληθινά και πρακτικά προβλήματα δύναται να είναι δύσκολο ή αδύνατο να επιλυθούν, απαιτούν την εφαρμογή άλλων τεχνικών για την επίλυση τους, όπως διαδικασίες δοκιμής και σφάλματος (trial and error procedures) και μερικές φορές η λύση που προκύπτει δεν είναι η τέλεια, αλλά η καλύτερη προσπάθεια. 3. Φαντασία και δημιουργικότητα - η ιδέα της «καινοτομίας» συνδέεται άμεσα με τη φαντασία, η οποία σχετίζεται με τη διαδικασία επίλυσης ενός προβλήματος. Η κατασκευή και ο προγραμματισμός ενός εκπαιδευτικού ρομπότ διεγείρουν τη φαντασία των μαθητών, βοηθώντας τους να καινοτομήσουν κατά τη διαδικασία επίλυσης προβλημάτων. 4. Λογικός και αόριστος συλλογισμός (logical and abstract reasoning) - η διαδικασία κατασκευής ενός εκπαιδευτικού ρομπότ προϋποθέτει τον σχεδιασμό και την συναρμολόγηση του με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι ικανό να λειτουργήσει σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον και να εκτελέσει συγκεκριμένες ενέργειες. Αυτό προϋποθέτει από τον μαθητή την μοντελοποίηση του ρομπότ και του περιβάλλοντος του κατά έναν αόριστο τρόπο, προκειμένου να προβλέψει τη συμπεριφορά του. Επιπλέον, η παρατήρηση των σφαλμάτων βοηθά τον μαθητή να σκεφτεί εναλλακτικές λύσεις και να συγκρίνει τις εφαρμογές τους. Τέλος, ο προγραμματισμός των ρομπότ επιτυγχάνεται μέσω της χρήσης μιας συμβολικής οπτικής γλώσσας προγραμματισμού, όπου ο μαθητής οφείλει να κάνει σύνδεση μεταξύ μιας λίστας συμβόλων και εννοιών με τη φυσική συμπεριφορά του ρομπότ, και να προβλέψει τη συμπεριφορά του ρομπότ βάσει μιας σειράς εντολών στον υπολογιστή. 3.5 Εκπαιδευτική ρομποτική με την πλατφόρμα LEGO Mindstorms EV3 Το 1998, μια απόπειρα συνεργασίας μεταξύ του MIT media lab και της εταιρίας Lego οδήγησε στη δημιουργία του πρώτου σετ εκπαιδευτικής ρομποτικής Lego Mindstorms, ο οποίος βασιζόταν πάνω στον ελεγκτή EV3. Έκτοτε, πέρασε από πολλά στάδια εξέλιξης, για να καταλήξει στην 35

36 εκπαιδευτική πλατφόρμα LEGO Mindstorms EV3, η οποία χρησιμοποιείται σήμερα. Με το βασικό πακέτο, μία ομάδα μαθητών (από 8 χρονών και πάνω) έχει τη δυνατότητα να προσομοιώσει σχεδόν όλους τους σύγχρονους αυτοματισμούς και να προσεγγίσει, ικανοποιητικά, συστήματα αυτόματου ελέγχου μέσα από ένα δημιουργικό και ευχάριστο μαθησιακό περιβάλλον. Το προϊόν αποτελείται από διάφορα εξαρτήματα για τη σύνθεση κατασκευών, όπως πλαστικά τουβλάκια σύνδεσμοι, άξονες, γρανάζια, και άλλα πλαστικά εξαρτήματα σε διάφορα μεγέθη και χρώματα. Τα δομικά υλικά κατασκευάζονται με υψηλό βαθμό ακρίβειας και αντοχής, για τη συναρμολόγηση ανθεκτικών κατασκευών και είναι επαναχρησιμοποιήσιμα. Επιπλέον, το βασικό σετ περιλαμβάνει και κάποια ηλεκτρονικά μέρη, τα οποία δίνουν τη δυνατότητα στο ρομπότ να κινηθεί και να εκτελέσει διάφορες λειτουργίες. Τα ηλεκτρονικά μέρη (εικόνα 3) περιλαμβάνουν: - Τον «εγκέφαλο» του ρομπότ, δηλαδή την κεντρική μονάδα ελέγχου EV3-4 διαφορετικούς αισθητήρες (αφής, υπερήχων, υπέρυθρων και γυροσκόπιο) - 2 κινητήρες - 1 επαναφορτιζόμενη μπαταρία Τα πλαστικά και ηλεκτρονικά κομμάτια μπορούν να συναρμολογηθούν και να συνδεθούν με πολλούς τρόπους για την δημιουργία ποικίλων κατασκευών. Για την κατασκευή πιο πολύπλοκων ρομπότ EV3, διατίθενται στην αγορά μια ποικιλία με επιπρόσθετα δομικά στοιχεία LEGO, όπως 36

37 διαφορικό, ερπύστρες, δαγκάνες, κτλ., όπως και επιπλέον αισθητήρες για την επέκταση χρήσεων του ρομπότ, όπως οι αισθητήρες πυξίδας, επιτάχυνσης και θερμοκρασίας που μπορούν να συνδυαστούν με το βασικό πακέτο δίνοντας τη δυνατότητα για περισσότερες κατασκευαστικές λύσεις. Προγραμματισμός του ρομπότ EV3 Ο εγκέφαλος EV3 του ρομπότ προγραμματίζεται σχεδόν με όλες τις γνωστές γλώσσες προγραμματισμού (C, C++, Java, κτλ.), αν και η LEGO έχει φροντίσει να εκδώσει μία εκπαιδευτική γλώσσα οπτικού προγραμματισμού, σε συνεργασία με την εταιρία ανάπτυξης λογισμικού National Instruments. Έτσι, το προγραμματιστικό κομμάτι της διαδικασίας λαμβάνει τόπο πολύ πιο εύκολα, αφού ακόμα και κάποιος χωρίς προηγούμενη επαφή με προγραμματισμό, μετά από μερικά λεπτά εξοικείωσης βρίσκεται σε θέση να γράψει σύνθετα προγράμματα. Το εκπαιδευτικό λογισμικό LEGO Mindstorms Education EV3 βασίζεται στη χρήση εντολών υπό τη μορφή εικονιδίων και έτσι δημιουργεί προγραμματιζόμενη «συμπεριφορά» στις μηχανικές κατασκευές. Ο μαθητής τοποθετεί τα εικονίδια εντολές με τη μέθοδο drag and drop στη σειρά που επιθυμεί να εκτελεστούν από το ρομπότ. Όταν ολοκληρωθεί το πρόγραμμα, φορτώνουμε το πρόγραμμα στη ρομποτική κατασκευή και αυτή είναι έτοιμη να εκτελέσει τις εντολές. Κεντρική μονάδα ελέγχου EV3 Εικόνα 4 : εξέλιξη της κεντρικής μονάδας ανά τα χρόνια Η κεντρική μονάδα ελέγχου EV3αποτελεί τον εγκέφαλο του ρομπότ που κατασκευάζονται με τα Lego Mindstorms EV3. Πρόκειται για ένα 37

38 προγραμματιζόμενο με υπολογιστή μικροελεγκτή που δίνει τη δυνατότητα στο ρομπότ να αλληλεπιδρά με το περιβάλλον του. Επίσης μπορεί να λειτουργεί αυτόνομα ή σε συνεργασία με άλλες μονάδες ή ακόμα και κάτω από τον διαρκή έλεγχο κάποιου υπολογιστή μέσω ενσύρματης (USB) ή ασύρματης (Bluetooth) επικοινωνίας. Κινητήρες Ο σερβοκινητήρας δίνει στο ρομπότ τη δυνατότητα να κινηθεί. Έχει ενσωματωμένο έναν αισθητήρα περιστροφής, που παρέχει στην κετρική μονάδα EV3 συνεχή ανατροφοδότηση και επιτρέπει τον έλεγχο της κατάστασης του με ακρίβεια +/- 1 μοίρας. Όταν δίνεται η εντολή κίνησης χωρίς κάποια παρέμβαση, οι κινητήρες συντονίζονται ταυτόχρονα. Αισθητήρες Παρακάτω περιγράφονται τα χαρακτηριστικά των αισθητήρων που χρησιμοποιήθηκαν. Πρόκειται για παθητικούς αισθητήρες, μιας και η λειτουργία τους δεν απαιτεί τροφοδοσία και χρονισμό. 38

39 Γυροσκόπιο Το γυροσκόπιο είναι ένας ψηφιακός αισθητήρας ο οποίος εντοπίζει περιστροφική κίνηση γύρω από έναν συγκεκριμένο άξονα. Όταν περιστρέφεται με την κατεύθυνση των βελών, μπορεί να υπολογίσει το ρυθμό περιστροφής σε μοίρες/sec, με μέγιστο μετρήσιμο ρυθμό τις 440 μοίρες/sec. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό ενός κινούμενου μέρους του ρομπότ ή της πτώσης του. Επίσης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό των μοιρών περιστροφής του ρομπότ βάσει του άξονα που χρησιμοποιεί, με ακρίβεια +/- 3 μοιρών για μια στροφή 90 μοιρών. Αισθητήρας χρώματος Ο αισθητήρας χρώματος είναι ένας ψηφιακός αισθητήρας, ο οποίος αναγνωρίζει 7 χρώματα (μαύρο, μπλε, πράσινο, κίτρινο, λευκό, κόκκινο, καφέ και «κανένα χρώμα». Η δυνατότητα διαχωρισμού των χρωμάτων από το ρομπότ, του δίνει τη δυνατότητα να ταξινομήσει χρωματιστές μπάλες, να φωνάξει τις ονομασίες του χρώματος που αναγνωρίζει, ή ακόμα να σταματήσει καποια λειτουργία μόλις αναγνωρίσει ένα συγκεκριμένο χρώμα. 39

40 Αισθητήρας υπερήχων Ο αισθητήρας υπερήχων είναι ένας ψηφιακός αισθητήρας, ο οποίος μετράει την απόσταση μεταξύ εκείνου και ενός αντικειμένου που βρίσκεται μπροστά του. Το επιτυγχάνει στέλνοντας ηχητικά κύματα υψηλής συχνότητας και υπολογίζει την απόσταση σύμφωνα με το πόσο χρόνο τους παίρνει να ανακλαστούν πίσω σε αυτόν. Η συχνότητα του ήχου είναι πολύ υψηλή για να την ακούσει το ανθρώπινο αυτί. Η απόσταση μπορεί να μετρηθεί είτε σε ίντσες είτε σε εκατοστά, έτσι για παράδειγμα, επιτρέπεται στο ρομπότ να σταματήσει ή να κινείται βάση μιας ορισμένης απόστασης από τον τοίχο. Η ανιχνεύσιμη απόσταση κυμαίνεται στα 3 και 250 εκατοστά, με ακρίβεια +/- 1 εκατοστό. Λοιπά εξαρτήματα του σετ Lego Mindstorms EV3 40

41 Γραφικό περιβάλλον προγραμματισμού Lego Mindstorms Το Lego Mindstorms προσφέρει επίσης ένα απλό γραφικό περιβάλλον προγραμματισμού, το οποίο δίνει τη δυνατότητα δημιουργίας προγραμματιζόμενων «συμπεριφορών» για τις μηχανικές κατασκευές. Οι προγραμματιζόμενες «συμπεριφορές» μεταβιβάζονται από τον Η/Υ στη μηχανική κατασκευή μέσω σύνδεσης USB ή Bluetooth, μεταξύ του Η/Υ και του μικροεπεξεργαστή των μηχανικών κατασκευών. Το εκπαιδευτικό λογισμικό Lego Mindstorms Education EV3 παρέχεται δωρεάν, βασίζεται στη χρήση εικονιδίων και αποτελεί μια εκπαιδευτική έκδοση του επαγγελματικού λογισμικού LabView της National Instruments, λογισμικό που χρησιμοποιούν επιστήμονες και μηχανικοί προκειμένου να σχεδιάσουν, να ελέγξουν και να δοκιμάσουν προϊόντα και συστήματα. Το λογισμικό έχει μια διαισθητική διεπαφή τύπου «σύρε και άφησε» (drag and drop) και ένα γραφικό προγραμματιστικό περιβάλλον το οποίο καθιστά την εφαρμογή προσιτή για έναν αρχάριο, αλλά εξίσου δυναμική για έναν εξειδικευμένο χρήστη. Οι παλέτες προγραμματισμού προσφέρουν όλα τα blocks προγραμματισμού που απαιτούνται για ν δημιουργηθούν τα προγράμματα. Κάθε block προγραμματισμού περιλαμβάνει οδηγίες που το EV3 μπορεί να ερμηνεύσει. Ένα πρόγραμμα δημιουργείται με συνδιασμό διαφορετικών blocks. 41

42 Τα διαθέσιμα εικονίδια blocks περιλαμβάνουν: - Block κίνησης ενεργοποιούνται οι κινητήρες και το ρομπότ κινείται - Block αναμονής το ρομπότ περιμένει για την ενεργοποίηση των αισθητήρων του ή τη λήξη ενός οριζόμενου χρονικού διαστήματος - Block επανάληψης (loop) το ρομπότ επαναλαμβάνει την ίδια συμπεριφορά όσες φορές του ορίσουμε ή μέχρι να ενεργοποιηθεί κάποιος αισθητήρας - Block επιλογής (switch) επιτρέπεται στο ρομπότ να λάβει αποφάσεις βάσει της εκπλήρωσης ή όχι μιας συνθήκης - Block δράσης επιτρέπουν τον έλεγχο διάφορων εξωτερικών συσκευών (ήχων, λαμπτήρων, κτλ) - Block ροής επιτρέπουν τη δημιουργία σύνθετων συμπεριφορών. Περιλαμβάνουν τον έλεγχο για την επανάληψη, την αναμονή και τις συνθήκες μεταβλητών για τη διακοπή συμπεριφοράς ή τον καθορισμό μιας λογικής σειράς σε ένα πρόγραμμα και τη λήψη αποφάσεων για τον προγραμματισμό αντιδράσεων σε καθορισμένες τιμές αισθητήρων. Τέλος, το πρόγραμμα προσφέρει «Τα δικά μου blocks» (My blocks), με τα οποία χρήστης μπορεί να αποθηκεύσει ένα δικό του πρόγραμμα ως ένα μοναδικό block, που μπορεί να ξαναχρησιμοποιήσει σε άλλο πρόγραμμα. 42

43 4 Σχεδίαση εργαστηρίου Ο σχεδιασμός του συγκεκριμένου εργαστηρίου θα βασιστεί στις αρχές του κοντρουκτιβιστικού μοντέλου μάθησης και πιο συγκεκριμένα του εποικοδομισμού, τοποθετώντας τον μαθητή στο επίκεντρο της εκπαιδευτικής διαδικασίας, με τους εκπαιδευτές να υιοθετούν τη στάση του οργανωτή και διευκολυντή της μαθησιακής διαδικασίας. 4.1 Σχεδιαστικό πλαίσιο Το σχεδιαστικό πλαίσιο, σύμφωνα με το οποίο θα σχεδιαστεί το εργαστήριο, καθορίζεται από τις παρακάτω απαιτήσεις: 1. Θα βασίζεται στη δραστηριότητα (project-based learning) 2. Θα χρησιμοποιηθούν τεχνικές βιωματικής μάθησης 3. Ο χρόνος διάλεξης θα περιοριστεί στον απαραίτητο χρόνο για να αναγνωριστούν οι απαραίτητες θεμελιώδεις έννοιες και να δοθούν οι οδηγίες για κάθε δραστηριότητα 4. Κάθε συνάντηση θα έχει στόχο την ολοκλήρωση ενός έργου και θα εμπεριέχει κλιμακωτά επίπεδα πρόκλησης 5. Θα αξιοποιηθεί η δυνατότητα συνεργασίας μεταξύ μαθητών 6. Οι διδακτικοί στόχοι θα πρέπει να ανταποκρίνονται στο επίπεδο γνώσεων και ικανοτήτων των μαθητών 7. Θα προάγεται η δόμηση γνώσεων των μαθητών πάνω σε όλους τους κλάδους STEM, χωρίς να δίνεται ιδιαίτερη έμφαση σε κάποιον συγκεκριμένο Εκπαιδευτικοί στόχοι Οι εκπαιδευτικοί στόχοι που θέλουμε να επιτευχθούν μέσω του εργαστηρίου της εκπαιδευτικής ρομποτικής διακρίνονται σε γνωστικούς, ικανοτήτων και προσωπικών δεξιοτήτων (soft skills). Πιο αναλυτικά: Γνωστικοί στόχοι: ως προς τα αντικείμενα STEM 43

44 - Κατανόηση εννοιών φυσικής, όπως: δυνάμεις, κίνηση, ανάκλαση - Κατανόηση βασικών δομών προγραμματισμού και χρήση εντολών επιλογής και επανάληψης - Σχεδιασμός, κατασκευή ρομπότ και εφαρμογή λύσεων - Έννοιες όπως διανύσματα, απόσταση, μονάδες μέτρησης, άξονες περιστροφής και κίνησης, γεωμετρικοί όροι Ικανότητες: ως προς τη χρήση νέων τεχνολογιών - Να εμπλακούν και να πειραματιστούν με διαδικασίες προγραμματισμού - Να προγραμματίσουν ένα όχημα-ρομπότ ΕV3 - Κατανόηση λειτουργίας απλών δομικών στοιχείων (π.χ. γρανάζια, άξονες, συνδετήρες) και βασικών χαρακτηριστικών ρομπότ (π.χ. κεντρική μονάδα ελέγχου, αισθητήρες, θύρες εισόδου-εξόδου) Στόχοι προσωπικών δεξιοτήτων (soft skills): - Να συνεργαστούν και να εργαστούν ομαδικά - Να είναι σε θέση να επιλύουν προβλήματα και να επιλέγουν τη βέλτιστη λύση μετά από πειραματισμό και αξιολόγηση - Να λαμβάνουν αποφάσεις και να προτείνουν λύσεις αυτόνομα - Να είναι σε θέση να επικοινωνήσουν τις ιδέες τους και να επιχειρηματολογούν υπέρ ή κατά τους Φορέας πραγματοποίησης Η διεξαγωγή του εργαστηρίου γίνεται στα πλαίσια της εθελοντικής μου εργασίας στον ΜΚΟ «Science Communication», σε συνεργασία με τον Δήμο Αθηνών και με χρηματοδότηση από το ίδρυμα Σταύρος Νιάρχου. Η «Science Communication» είναι ένας Μη Κερδοσκοπικός Οργανισμός, ο οποίος αποσκοπεί στην επικοινωνία και διάδοση επιστημονικών θεμάτων στο ευρύ κοινό, μέσω καινοτόμων, διαδραστικών και ψυχαγωγικών μεθόδων. Ιδρύθηκε το 2008 και στελεχώνεται από επιστήμονες, ακαδημαικούς, καλλιτέχνες, ανθρώπους που ενδιαφέρονται για την επιστήμη πίσω από την καθημερινότητα μας και λειτουργεί ως κοινωνική επιχείρηση. Στόχοι της είναι: Η προώθηση της σωστής επικοινωνίας και η μετάδοση της επιστήμης 44

45 Η ενίσχυση της εικόνας του ερευνητή/επιστήμονα στην κοινωνία Η καλλιέργεια του ενδιαφέροντος των νέων για την επιστήμη και τις σχετικές ειδικότητες Η ευαισθητοποίηση του κοινού για ζητήματα που αφορούν την καθημερινότητα και σχετίζονται με επιστημονικές δράσεις και ανακαλύψεις Πλαίσιο χώρου Τα εργαστήρια διεξήχθησαν στο 1 ο Πειραματικό Γυμνάσιο στην Πλάκα, στο κέντρο της Αθήνας. Είναι γνωστό για τον δραστήριο χαρακτήρα του, καθώς από το 2011 υλοποιούνται ποικίλα εξωσχολικά προγράμματα και δράσεις, με στόχο τη προσφορά ερεθισμάτων και την έμπνευση των νέων να πειραματιστούν με τις τέχνες και τη τεχνολογία, να καλλιεργήσει την κριτική τους σκέψη, να ενθαρρύνει την ενεργή και ομαδική εργασία, να τους βοηθήσει να αποκτήσουν δεξιότητες στα σύγχρονα ψηφιακά εργαλεία και να γίνουν δημιουργικότεροι. Όλα τα εργαστήρια είναι ανοιχτά στο ευρύ κοινό, δωρεάν και εμπλουτίζονται συνεχώς με καινούριες δραστηριότητες. Περιορισμοί στη σχεδίαση που προκύπτουν από το πλαίσιο χώρου και τον φορέα πραγματοποίησης: 1. Απαιτείται η τοποθέτηση των επιστημών και της τεχνολογίας ως κεντρικό άξονα διεξαγωγής των εργαστηρίων, ακολουθώντας την γενικότερη φιλοσοφία της ΜΚΟ. 2. Ο χρόνος διεξαγωγής των εργαστηρίων δεν θα πρέπει να ξεπερνά τα 90 λεπτά. 3. Δεν μπορούν να μοιραστούν ερωτηματολόγια στους συμμετέχοντες από τον εισηγητή, καθώς ο Δήμος Αθηνών έχει ερωτηματολόγια που μοιράζονται μετά το πέρας του κύλου εργαστηρίων. Μπορούν όμως να αξιοποιηθούν τα αποτελέσματα αυτών των ερωτηματολογίων, σε γενικότερο πλαίσιο. 4. Περιορισμός τεχνολογικού εξοπλισμού και λογισμικού στα αντικειμενα της δωρεάς και σε ό,τι διαθέτει η αίθουσα του σχολείου διεξαγωγής των εργαστηρίων. 45

46 4.2 Δομή του εκπαιδευτικού εργαστηρίου Τίτλος εργαστηρίου: «Εργαστήρια εκπαιδευτικής ρομποτικής στο πνεύμα της εκπαίδευσης STEM» Διάρκεια εργαστηρίων: 14 ώρες ( 7 δίωρες συναντήσεις) Εκπαιδεύτριες: Σαπφώ Μαρία Γεωργοπούλου φοιτήτρια στο Τμήμα Μηχανικών Σχεδίασης Προιόντων και Συστημάτων Λένα Κρεβετζάκη φοιτήτρια στη Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών Επιμορφούμενοι μαθητές: Δημιουργήθηκαν 3 τμήματα, με 16 μαθητές συνολικά. Το πρώτο τμήμα αποτελούταν από 3 αγόρια και 1 κορίτσι, το δεύτερο από 4 αγόρια και 2 κορίτσια και το τρίτο από 5 αγόρια και 1 κορίτσι. Η συναντήσεις γίνονταν μία φορά την εβδομάδα. Η σχέση των μαθητών σε αυτή την ηλικία με την τεχνολογία βρίσκεται σε μεταβατικό στάδιο. Πιο συγκεκριμένα, από τα ερωτηματολόγια προέκυψε πως το 75% του δείγματος σερφάρει στο διαδίκτυο και το 12% έχει κινητό τηλέφωνο. Πρόλα αυτά, η χρήση του Η/Υ σε δραστηριότητες που αφορούν το σχολείο περιορίζεται στην αναζήτηση πληροφοριών στο διαδίκτυο για τα μαθήματα τους και στις εργασίες του μαθήματος Πληροφορικής. Επιπλέον, κανένας μαθητής δεν είχε προηγούμενη εμπειρία με τον προγραμματισμό. Απαιτούμενος εξοπλισμός: 4 πλήρη σετ Lego Mindstorms EV3 1 προτζέκτορας για προβολή πληροφοριών 46

47 4 φορητοί Η/Υ με εγκατεστημένο το λογισμικό Lego Mindstorms Education EV3 Εισαγωγική παρουσίαση με εικονογραφημένο υλικό 1 ορθογώνιο παραλληλεπίπεδο κουτί 1 πίστα (λευκό χαρτόνι με την περίμετρο καλυμένη με μαύρη μονωτική ταινία) Στον πίνακα 3 περιγράφεται το πλάνο του εργαστηρίου σε κάθε συνάντηση, με τους μαθησιακούς στόχους που θέλουμε να επιτευχθούν, τις δεξιότητες που αναμένουμε να αναπτυχθούν από τους μαθητές και τις διδασκόμενες έννοιες STEM. συνάντηση Διδακτικές ενότητες Στόχοι - δεξιότητες Έννοιες 1η Εισαγωγή στην εκπαιδευτική ρομποτική συναρμολόγηση ρομπότ 2η Πορεία ρομπότ και αλλαγή κατεύθυνσης Πρόκληση ενδιαφέροντος των μαθητών για το νέο αντικείμενο Γνωριμία με τα βασικά μέρη του τούβλου EV3 Εξοικείωση με το νέο προγραμματιστικό περιβάλλον Συσχέτιση υλικού (ρομποτικό όχημα) και λογισμικού (LM Education) 3η Χρήση γυροσκόπειου - γύρος κουτιού Γνωριμία και κατανόηση λειτουργίας του αισθητήρα Σύγκριση με προηγούμενη μέθοδο αλλαγής πορείας 4η 5η Χρήση αισθητήρα υπερήχων γύρος κουτιού Πρόγραμμα «σκούπα» - περιπλάνηση στο χώρο Γνωριμία και κατανόηση λειτουργίας του αισθητήρα Χρήση εντολής επανάληψης Σύγκριση λειτουργίας αισθητήρων Συνδιαστική χρήση αισθητήρων Χρήση εντολών επιλογής και επανάληψης Αποφυγή εμποδίων Εισαγωγή στον κύκλο σχεδίασης του μηχανικού (engineering design process) Μετατόπιση, Ταχύτητα, Διεύθυνση Άξονας περιστροφής, Γωνία, Μοίρες Ηχητικά κύματα 47

48 6η Χρήση αισθητήρα χρώματος - πίστα Γνωριμία και κατανόηση λειτουργίας του αισθητήρα Χρήση εντολών επιλογής και επανάληψης Οριοθετημένη περιπλάνηση στο χώρο 7η Μάχη ρομπότ - πίστα Κατασκευή εξειδικευμένων ρομπότ Συνδυαστική χρήση όλων των γνώσεων από τα προηγούμενα μαθήματα Ανάκλαση Πίνακας 3 : πλάνο εργαστηρίου 48

49 5 Υλοποίηση εργαστηρίου 5.1 Πορεία της διδασκαλίας Παρακάτω περιγράφεται η πορεία της διδασκαλίας σε κάθε συνάντηση. Η περιγραφή που ακολουθεί είναι μια προτεινόμενη πορεία εφαρμογής της εκπαιδευτικής ρομποτικής μέσα στην τάξη, που έχει στόχο να αναδείξει εργαλεία τα οποία μπορούν να αξιοποιηθούν μέσα από σύγχρονες θεωρίες για τη διδασκαλία και τη μάθηση. Οι έννοιες STEM δεν ήταν το κυρίως αντικείμενο διδασκαλίας, αλλά χρησίμευαν για την υπέρβαση των γνωστικών εμποδίων που αναπόφευκτα προέκυπταν από την ενασχόληση με την επίλυση νοητικών ή κατασκευαστικών προβλημάτων, που δημιουργούνταν κατά τη διάρκεια των εργαστηρίων. Θεωρήσαμε πως τα εργαστήρια θα ήταν πιο διασκεδαστικά για τους μαθητές και θα τους έδινε περισσότερο κίνητρο για μάθηση, αν έπρεπε σε κάθε συνάντηση να ολοκληρώσουν μια άσκηση η οποία γνώριζαν πως θα τους έφερνε πιο κοντά στην τελική δραστηριότητα, η οποία ήταν η «μάχη» μεταξύ των ρομπότ! Η ύλη είναι δομημένη με τέτοιο τρόπο ώστε να υπάρχει κλιμάκωση του επιπέδου δυσκολίας. Τέλος, η δράση των μαθητών σε κάθε συνάντηση ξεχωριστά αλλά και στην συνολική πορεία της διδασκαλίας, οργανώνεται σε μια σειρά από ξεχωριστά αλλά αλληλοσυνδεόμενα στάδια, όπως προτείνεται από τον Δ. Αλιμήση (2008). Τα στάδια εργασίας δεν κατανοούνται ως «σειριακά» γεγονότα αλλά ως φάσεις μιας ενιαίας εργασίας που μπορούν να επαναλαμβάνονται με κυκλικό τρόπο ή και να επικαλύπτονται. Τα στάδια χωρίζονται ως εξής: - Το στάδιο εμπλοκής, κατά το οποίο διατυπώνεται μια πρώτη εκδοχή του προβλήματος και οι μαθητές μέσα από ελεύθερο διάλογο εμπλέκονται στον προσδιορισμό του - Το στάδιο πειραματισμού, όπου οι μαθητές αποκτούν μέσω του πειραματισμού μια εμπειρία χρήσης της ρομποτικής κατασκευής και του προγραμματιστικού περιβάλλοντος. 49

50 - Το στάδιο διερεύνησης, όπου οι μαθητές επαναπροσδιορίζουν το πρόβλημα και τα ερωτήματα που διατύπωσαν στο πρώτο στάδιο, μέσα από την εμπειρία που απέκτησαν μετά την εξοικείωση με το βασικό υλικό και αναλαμβάνουν την επίλυση των επιμέρους προβλημάτων, εργαζόμενοι με ομαδικό τρόπο ακόμα και στο τμήμα όπου ο κάθε μαθητής έχει το δικό του ρομποτικό σετ. - Το στάδιο σύνθεσης και δημιουργίας, κατά το οποίο οι μαθητές αξιοποιούν τις γνώσεις από τις προηγούμενες συναντήσεις και λειτουργούν ομαδικά, προσπαθώντας να συνθέσουν μια λύση για το πρόβλημα - Το στάδιο της αξιολόγησης, όπου τα τελικά προϊόντα των μαθητών παρουσιάζονται στην τάξη και αξιολογούνται. Οι μαθητές καλούνται να αντιμετωπίσουν κριτικά τη δουλειά τους, να εκφέρουν απόψεις και να συγκρίνουν με βάσει τα αποτελέσματα των δραστηριοτήτων. Πρώτη συνάντηση Αρχικά, έγινε γνωριμία μεταξύ των εκπαιδευτών και των μαθητών και συζήτηση για τα ενδιαφέροντα τους, προκειμένου να δημιουργηθεί ένα φιλικό κλίμα και να νιώσουν οι νεαροί μαθητές πιο άνετα. Έπειτα, τους ρωτήσαμε τι πιστεύουν πως είναι ένα ρομπότ, τους ζητήσαμε να μας τα ζωγραφίσουν όπως τα φαντάζονται και στη συνέχεια, τους προβάλαμε ένα σύντομο βίντεο με διάφορες εφαρμογές της ρομποτικής, προκειμένου να προκληθεί ενδιαφέρον και ενεργοποίηση από την πλευρά των μαθητών για το νέο αντικείμενο. Στη πορεία, τους δώσαμε τον ορισμό του ρομπότ και μέσω του αρχείου παρουσίασης και συζήτησης καταλήξαμε στα μέρη που το απαρτίζουν. Τέλος, τους μιλήσαμε για τον κύκλο σχεδίασης που ακολουθεί ο μηχανικός. Στον εναπομείναντα χρόνο ακολούθησε γνωριμία με τα Lego Mindstorms και αφήσαμε τους μαθητές να σχεδιάσουν και να κατασκευάσουν το ρομπότ τους. Στο τμήμα με τον μικρότερο αριθμό παιδιών το καθένα είχε το δικό του ρομπότ 50

51 και υπολογιστή, ενώ στα άλλα τμήματα αποφασίσαμε να αντιστοιχούν 2 παιδιά σε ένα ρομποτικό σετ και υπολογιστή. Εικόνες από την παρουσίαση της 1 ης συνάντησης 51

52 Δεύτερη συνάντηση Επόμενο βήμα ήταν η επαφή των μαθητών με το προγραμματιστικό περιβάλλον. Στόχος του μαθήματος ήταν να συνθέσουν ένα απλό προγραμμα το οποίο θα έδινε εντολή στο ρομπότ να κινηθεί σε ευθεία, να αλλάξει πορεία και να επιστρέψει στο σημείο εκκίνησης. Οι μαθητές κατασκέυασαν τα ρομπότ, στην συνέχεια γνώρισαν τις εντολές λειτουργίας των κινητήρων και μεταφόρτωσαν και εκτέλεσαν το πρόγραμμα. Έπειτα, επιδίωξαν την αλλαγή κατεύθυνσης του ρομπότ (στροφή) και πειραματίστηκαν με τα στοιχεία διαμόρφωσης στον πίνακα (χρόνος κίνησης, ταχύτητα, κτλ) αρκετές φορές μέχρι να επιτύχουν την άσκηση. Τρίτη συνάντηση Έγινε εισαγωγή του πρώτου αισθητήρα, του γυροσκόπειου. Τοποθετήθηκε ένα κουτί στο κέντρο της αίθουσας και ζητήθηκε από τους μαθητές να φτιάξουν ένα πρόγραμμα το οποίο θα επέτρεπε στο ρομπότ να κάνει την περίμετρο του κουτιού. Μιλήσαμε στους μαθητές για τις γωνίες, τις μοίρες και τους άξονες περιστροφής. Τους ρωτήσαμε με ποιό τρόπο πιστεύουν πως διευκολύνει το γυροσκόπειο τη διαδικασία αλλαγής πορείας του ρομπότ, συγκριτικά με τη διαδικασία που είχαν ακολουθήσει στο προηγούμενο μάθημα. Για τη σωστή εκτέλεση της άσκησης ακολούθησαν για άλλη μια φορά πολλοί πειραματισμοί με τα στοιχεία διαμόρφωσης των εντολών και πολλοί μαθητές απόρισαν. Σε αυτό το σημείο μιλήσαμε στα παιδιά για το στοιχείο του σφάλματος κατά την εφαρμογή των πειράματων (επίδραση εξωτερικού παράγοντα π.χ πάτωμα με ελαφριά κλίση και βαθμός απώλειας από το όργανο μέτρησης). Τέταρτη συνάντηση Έγινε εισαγωγή του αισθητήρα υπερήχων. Ρωτήσαμε τους μαθητές αν έχουν ακούσει ξανά τον όρο και αν γνωρίζουν που εφαρμόζονται. Για την 52

53 επεξήγηση της έννοιας των ηχητικών κυμάτων τους δώσαμε σαν παράδειγμα την «όραση» της νυχτερίδας. Έγινε για άλλη μια φορά χρήση του κουτιού, και σαν άσκηση η πορεία του ρομπότ γύρω του, αυτή τη φορά με χρήση του καινούριου αισθητήρα. Οι μαθητές ερωτήθηκαν ξανά με ποιό τρόπο βελτιώνεται η εκτέλεση του προγράμματος μέσω της αντικατάστασης του γυροσκόπειου. Στο κομμάτι του προγραμματισμού, έγινε εισαγωγή και εφαρμογή της δομής επανάληψης (loop) για το πέρας της άσκησης. Πέμπτη συνάντηση Στο συγκεκριμένο μάθημα ανέβηκε αρκετά το επίπεδο δυσκολίας στον προγραμματισμό. Στόχος της άσκησης ήταν να κατασκευάσουν και να προγραμματίσουν το ρομπότ έτσι ώστε να κινείται τυχαία στον χώρο και να αποφεύγει τα εμπόδια που συναντά («σκούπα»). Για την επίτευξη αυτού έγινε συνδυαστική χρήση των αισθητήρων και των δομών επιλογής και επανάληψης. Έκτη συνάντηση Έγινε εισαγωγή του τελευταίου αισθητήρα αυτού του χρώματος. Τοποθετήθηκε η πίστα στο κέντρο της αίθουσας και σκοπός της δραστηριότητας ήταν ο προγραμματισμός του ρομπότ με σκοπό την τυχαία κίνηση του πάνω στη πίστα, χωρίς όμως να ξεφεύγει από την οριοθέτηση της, η οποία έγινε με χρήση μαύρης ταινίας. Προκειμένου να καταλάβουν οι μαθητές τον τρόπο λειτουργίας του αισθητήρα χρώματος, κάναμε εισαγωγή στην έννοια της ανάκλασης. Έπειτα, τους ζητήσαμε να μας εξηγήσουν τη διαφορά ανάμεσα στο πρόγραμμα του προηγούμενου μαθήματος και της παρούσας δραστηριότητας. Έβδομη συνάντηση Στη τελευταία συνάντηση, έφτασε η στιγμή που όλοι οι μαθητές περίμεναν με ανυπομονησία, δηλαδή η μάχη των ρομπότ! Τοποθετήθηκε η πίστα στην αίθουσα και θα τοποθετούνταν πάνω σε αυτή τα ρομπότ ανα ζεύγη. 53

54 Νικητής θα ήταν ο μαθητής ή ομάδα της οποιας το ρομπότ θα παρέμενε αυτούσιο και δεν θα ξέφευγε από τα όρια της πίστας. Οι μαθητές καλούνταν να κάνουν χρήση των αισθητήρων υπέρηχων και χρώματος, να χρησιμοποιήσουν σύνθετες εντολές επιλογής και επανάληψης και να σχεδιάσουν κατάλληλα τα ρομπότ τους ώστε να έχουν μια γερή κατασκευή. Έπειτα, έπρεπε να παρουσιάσουν τις κατασκευές τους στους υπόλοιπους, και να δικαιολογήσουν τις επιλογές τους στη σχεδίαση. Μετά το πέρας της συνάντησης, τους μοιράστηκαν ερωτηματολόγια προς συμπλήρωση. Στιγμιότυπα από την «μάχη» των ρομπότ Ο ρόλος των εκπαιδευτών Οι εκπαιδευτές, καθ όλη τη διάρκεια των εργαστηρίων, είχαν ρόλο: - Συμβουλευτικό - Εμψυχωτικό - Υποστηρικτικό 54

55 - Συντονιστικό Διαρκώς ενθάρρυναν και επιβράβευαν τις προσπάθειες των μαθητών και ιδιαίτερα τους πιο αδύναμους μαθητές. Στις απορίες των μαθητών, η προσπάθεια επίλυσης τους γινόταν μέσω στοχευμένων ερωτήσεων από τους εκπαιδευτές με σκοπό την καθοδήγηση τους στην εύρεση των απαντήσεων από μόνοι τους, ενώ διευκρινήσεις δίνονταν μόνο σε εκείνους που το είχαν πραγματικά ανάγκη. Στιγμιότυπα αλληλεπίδρασης με τους μαθητές 5.2 Ανάλυση εργαστηρίου Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία, έγκειται στην ποιοτική υποκειμενική προσέγγιση της εκπαιδευτικής έρευνας, η οποία επιδιώκει να κατανοήσει και να ερμηνεύσει ένα σύνθετο κοινωνικό φαινόμενο από την άποψη συμμετεχόντων, σε αντίθεση με το επιστημονικό παράδειγμα, το οποίο έχει στόχο τη δημιουργία θεωρητικών μοντέλων, που μπορούν να ελεγχθούν με τυπικό πειραματισμό. Μια μελέτη περίπτωσης αφορά την παρατήρηση σε βάθος που καθορίζεται από το δείγμα (π.χ. ένα παιδί, μία τάξη, ένα σχολείο) των ανθρώπων, σε ρεαλιστικό πλαίσιο (G. Fessakis et al., 2013). 55