ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΑΓΩΓΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΔΗΜΟΤΙΚΗΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΑΓΩΓΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΔΗΜΟΤΙΚΗΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ Λεύκος Ιωάννης ΜΕΛΕΤΗ ΟΨΕΩΝ ΤΗΣ ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑΣ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΣΤΗΝ ΥΠΟΧΡΕΩΤΙΚΗ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Θεσσαλονίκη 2011

2

3 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΑΙ ΑΓΩΓΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΗΜΟΤΙΚΗΣ ΕΚΠΑΙ ΕΥΣΗΣ Λεύκος Ιωάννης ΜΕΛΕΤΗ ΟΨΕΩΝ ΤΗΣ Ι ΑΣΚΑΛΙΑΣ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΣΤΗΝ ΥΠΟΧΡΕΩΤΙΚΗ ΕΚΠΑΙ ΕΥΣΗ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Υποβλήθηκε στο: Παιδαγωγικό Τµήµα ηµοτικής Εκπαίδευσης Τοµέας Θετικών Επιστηµών και Νέων Τεχνολογιών Ηµεροµηνία Προφορικής Εξέτασης: 13 Οκτωβρίου 2011 Εξεταστική Επιτροπή: ηµήτρης Ψύλλος Ευριπίδης Χατζηκρανιώτης Ελένη Ντρενογιάννη Επιβλέπων Μέλος Τριµελούς Συµβουλευτικής Επιτροπής Μέλος Τριµελούς Συµβουλευτικής Επιτροπής Πέτρος Καριώτογλου Βασίλης αγδιλέλης Χρήστος Τουρτούρας Άννα Μπίµπου Εξεταστής Εξεταστής Εξεταστής Εξεταστής iii

4

5 Μελέτη όψεων της διδασκαλίας της Θερµότητας µε εφαρµογές Τεχνολογιών Πληροφορίας & Επικοινωνίας στην υποχρεωτική εκπαίδευση Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ v

6 ΙΩΑΝΝΗΣ ΛΕΥΚΟΣ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Μελέτη όψεων της διδασκαλίας της Θερµότητας µε εφαρµογές Τεχνολογιών Πληροφορίας & Επικοινωνίας στην υποχρεωτική εκπαίδευση ISBN:.. Η έγκριση της παρούσας ιδακτορικής ιατριβής από το Παιδαγωγικό Τµήµα ηµοτικής Εκπαίδευσης του Αριστοτέλειου Πανεπιστήµιου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωµών του συγγραφέως (Ν. 5343/1932, άρθρο 202, παρ. 2).

7 Ευχαριστίες Η εκπόνηση µιας διδακτορικής διατριβής µοιάζει µε τη διαδροµή που κάνει κάποιος όταν σκαρφαλώνει ένα βουνό. Ανηφόρες, κούραση, απογοήτευση πολλές φορές, αλλά και στιγµές µεγάλης ικανοποίησης, όχι µόνο όταν φτάνεις στο τέλος, µα και ενδιάµεσα. Από τις στιγµές αυτές παίρνεις θάρρος και συνεχίζεις την ανηφόρα. Είναι µια διαδροµή γενικά µοναχική, αλλά που δεν µπορείς να την ολοκληρώσεις χωρίς τη βοήθεια των φίλων, των συντρόφων και των οδηγών, που σε στηρίζουν και σου δείχνουν το δρόµο προς τα εµπρός. Ιδιαίτερες ευχαριστίες οφείλω στον οδηγό και συµπαραστάτη µου, επιβλέποντα καθηγητή κ. ηµήτρη Ψύλλο, που µε την αµέριστη υποµονή και επιµονή του, κατάφερα να φτάσω την εργασία αυτή µέχρι το τέλος. Επικριτικός όπου χρειάστηκε και άλλοτε εµψυχωτικός και ενθουσιώδης, η στήριξή του δεν περιορίστηκε µόνο στα επιστηµονικά ζητήµατα. Εκτός από µεγάλος µου δάσκαλος, έγινε και καλός µου φίλος. Θερµές ευχαριστίες οφείλω και στα µέλη της τριµελούς επιτροπής, τον επίκουρο καθηγητή κ. Ευριπίδη Χατζηκρανιώτη και την επίκουρη καθηγήτρια κα. Ελένη Ντρενογιάννη, για τις χρήσιµες και εποικοδοµητικές παρεµβάσεις και συµβουλές τους. Η συνεργασία µε τον κ. Χατζηκρανιώτη ήταν στενή και ουσιαστική από τα πρώτα ακόµη βήµατα αυτής της προσπάθειας και επεκτείνεται, όπως και µε τον κ. Ψύλλο, πέραν των ορίων της εργασίας αυτής. Κατά συνέπεια, θα ήθελα µε την ευκαιρία αυτή, να τους εκφράσω ευρύτερα τις ευχαριστίες µου. Επίσης θα ήθελα να εκφράσω τις ευχαριστίες µου στα µέλη της εξεταστικής επιτροπής, τον καθηγητή κ. Πέτρο Καριώτογλου, τον αναπληρωτή καθηγητή κ. Βασίλη αγδιλέλη, τον λέκτορα κ. Χρήστο Τουρτούρα και την αναπληρώτρια καθηγήτρια κ. Άννα Μπίµπου, για τις κρίσεις και τις υποδείξεις τους. Πολλοί συνάδελφοι µε βοήθησαν και µε υποστήριξαν κατά τη διάρκεια της πορείας αυτής και θα ήθελα να τους ευχαριστήσω. Ο αείµνηστος Γκαρώ Μπισδικιάν, που έφυγε πρόσφατα και µας άφησε δυσαναπλήρωτο κενό, ο Τάσος Μολοχίδης, ο Αλέκος Μπάρµπας και η Άννα Σπύρτου, µε τους οποίους κουβέντιασα σηµαντικά τµήµατα της εργασίας µου. Ο Αποστόλης Παρασκευάς, η Κατερίνα Καζέλα, ο Κώστας Φρειδερίκος και η Ελένη Πετρίδου, µε τους οποίους είχα συχνή επαφή και υποστήριξη σε επιστηµονικό και φιλικό επίπεδο. Ο Ανέστης Παπαδόπουλος, που συνέβαλλε τα µέγιστα στην απρόσκοπτη διεξαγωγή της έρευνάς µου. Τέλος, ένα µεγάλο ευχαριστώ στην οικογένειά µου και ειδικά στο γιό µου Βασίλη, για την υποστήριξή τους όλα αυτά τα χρόνια. vii

8

9 Περιεχόμενα ΠΕΡΙΛΗΨΗ... xi ΚΕΦΑΛΑΙΟ I: ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το υπόβαθρο της έρευνας Ερευνητικά ερωτήµατα Η Πρωτοτυπία της έρευνας Η αναπτυξιακή έρευνα στην περιοχή των Φυσικών Επιστηµών Η δοµή της διατριβής...7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ II: Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ Εισαγωγή Οι ιδέες των µαθητών για τις Φυσικές Επιστήµες Οι εναλλακτικές απόψεις των µαθητών για τα θερµικά φαινόµενα Τα θερµικά φαινόµενα στο Πρόγραµµα Σπουδών Β Γυµνασίου Προτάσεις και έρευνες για τη διδασκαλία των θερµικών φαινοµένων Οι Τ.Π.Ε. και η διδασκαλία των Φυσικών Επιστηµών Λογισµικά & Εφαρµογές για την Εργαστηριακή διδασκαλία Φυσικών Επιστηµών - Εικονικά εργαστήρια Ερευνητικά δεδοµένα σχετικά µε τα εικονικά πειράµατα στη διδασκαλία των Φυσικών Επιστηµών Ανάπτυξη δεξιοτήτων σχεδιασµού πειραµάτων ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΙΙΙ: Η Ι ΑΚΤΙΚΗ ΣΕΙΡΑ Περιγραφή της διδακτικής σειράς Τα Φύλλα Εργασίας & δραστηριότητες ΚΕΦΑΛΑΙΟ IV. ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ Εισαγωγή Ερευνητική µεθοδολογία και διδακτική σειρά Μελέτη περίπτωσης: Η ιδασκαλία της Θερµικής Ακτινοβολίας - µια εργαστηριακή προσέγγιση εµπλουτισµένη µε ΤΠΕ Οι άξονες µελέτης της εργαστηριακής διδασκαλίας Άξονας 1ος: Γνωστική βελτίωση των µαθητών σε βασικές έννοιες των θερµικών φαινοµένων (Αποτελεσµατικότητα-2α) Άξονας 2ος: Ανάπτυξη ικανοτήτων σχεδιασµού πειραµάτων (Αποτελεσµατικότητα-2β) Άξονας 3 ος : Σύνδεση µεταξύ θεωρίας και πρακτικής κατά τη διάρκεια του εργαστηρίου - Η µέθοδος C.B.A.V. (Αποτελεσµατικότητα-1) Συµπεράσµατα ΚΕΦΑΛΑΙΟ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Άξονας 1ος: Γνωστική βελτίωση των µαθητών σε βασικές έννοιες των θερµικών φαινοµένων (Αποτελεσµατικότητα-2α) Άξονας 2ος: Ανάπτυξη ικανοτήτων σχεδιασµού πειραµάτων (Αποτελεσµατικότητα-2β) Άξονας 3ος: Σύνδεση µεταξύ θεωρίας και πρακτικής κατά τη διάρκεια του εργαστηρίου (Αποτελεσµατικότητα-1) ΚΕΦ. 6. : ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Εισαγωγή Άξονας 1ος: Γνωστική βελτίωση των µαθητών σε βασικές έννοιες των θερµικών φαινοµένων (Αποτελεσµατικότητα-2α) Άξονας 2ος: Ανάπτυξη ικανοτήτων σχεδιασµού πειραµάτων (Αποτελεσµατικότητα-2β) ix

10 4. Άξονας 3ος: Σύνδεση µεταξύ θεωρίας και πρακτικής κατά τη διάρκεια του εργαστηρίου (Αποτελεσµατικότητα-1) Σύνοψη Περιορισµοί, παραδοχές & συνέπειες ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Παράρτηµα Ι: Αρχικό ερωτηµατολόγιο Παράρτηµα ΙΙ: Τελικό ερωτηµατολόγιο...339

11 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα εργασία σχετίζεται µε τη διδασκαλία των Φυσικών Επιστηµών και συγκεκριµένα µε την εργαστηριακή µελέτη των Θερµικών φαινοµένων, και τα πιθανά οφέλη που µπορεί να προκύψουν από µια διδακτική σειρά εµπλουτισµένη µε ΤΠΕ. Παρότι η εργαστηριακή αντιµετώπιση των θερµικών φαινοµένων στο σχολικό εργαστήριο δεν εµφανίζει ιδιαίτερες δυσκολίες, όταν οι µαθητές επιχειρούν να υπερβούν την απλή παρατήρηση & περιγραφή και να εµβαθύνουν στην ερµηνεία των φαινοµένων, είτε ποσοτικά είτε ποιοτικά, η ίδια η πολυπλοκότητα των θερµικών αλληλεπιδράσεων τους οδηγεί σε προβλήµατα. Προκύπτει έτσι η αναγκαιότητα της εφαρµογής ενός κατάλληλου διδακτικού µετασχηµατισµού του περιεχοµένου, ο οποίος θα βοηθήσει τους µαθητές να ξεπεράσουν τις παραπάνω δυσκολίες, σε συνδυασµό µε µια κατάλληλη διδακτική προσέγγιση. Η εµπλοκή των µαθητών σε εργαστηριακές & πειραµατικές πρακτικές κατά τη διδασκαλία των Φυσικών Επιστηµών, υποστηρίζεται από τους περισσότερους ερευνητές αλλά και εκπαιδευτικούς, ότι έχει πολύ µεγάλη αξία, καθώς θεωρείται πως µπορεί να συνεισφέρει τόσο στην εκµάθηση του περιεχοµένου όσο και στην εξοικείωση µε βασικά µεθοδολογικά ζητήµατα που σχετίζονται µε την ίδια τη φύση των Φυσικών Επιστηµών. Ιδιαίτερη κατηγορία εργαστηριακών και πειραµατικών προσεγγίσεων µε ένταξη των Τεχνολογιών Πληροφορίας & Επικοινωνίας, προκύπτει από την χρήση εικονικών εργαστηριακών περιβαλλόντων. Στην εργασία αυτή, γίνεται προσπάθεια για τη διδακτική εκµετάλλευση, κυρίως ενός τέτοιου περιβάλλοντος, του εικονικού εργαστηρίου θερµότητας του «Σ.Ε.Π.», µέσα στο οποίο οι µαθητές µας ασκούνται εργαστηριακά και µε διερευνητικό τρόπο προσεγγίζουν τα υπό µελέτη φαινόµενα. Έτσι η εργασία αυτή, αναφέρεται στην εφαρµογή και διερεύνηση της αποτελεσµατικότητας µιας διδακτικής σειράς που αφορά την εργαστηριακή διδασκαλία των Θερµικών φαινοµένων, η οποία σχεδιάστηκε µε βάση έναν κατάλληλο διδακτικό µετασχηµατισµό του σχετικού περιεχοµένου και επιπλέον στην επιλογή των ΤΠΕ που θα µπορούσαν να εµπλουτίσουν και να υποστηρίξουν την εργαστηριακού τύπου διδασκαλία. Η σειρά εφαρµόστηκε σε ένα τµήµα της Β Γυµνασίου κατά την περίοδο και η αποτελεσµατικότητα της διερευνάται σε σχέση µε τα γνωστικά οφέλη που προκύπτουν για τους µαθητές αναφορικά µε το εννοιολογικό περιεχόµενο που µελετάται, όπως και σε σχέση µε την ικανότητά τους για πειραµατισµό, µετά την ολοκλήρωση της σειράς. Επιπλέον διερευνάται η διασύνδεση που επιτυγχάνουν οι µαθητές κατά την ώρα του πειραµατισµού µεταξύ της αντίστοιχης θεωρίας της Φυσικής και των πρακτικών δραστηριοτήτων στις οποίες εµπλέκονται. Η συλλογή των δεδοµένων έγινε µε τη βοήθεια ερωτηµατολογίων που συµπληρώθηκαν από τους µαθητές πριν και µετά από την εφαρµογή, καθώς και ηµιδοµηµένων ατοµικών συνεντεύξεων βασισµένων πάνω σε αυτά και αναλύθηκαν µε εργαλεία που αναπτύχθηκαν από τον ερευνητή. Επίσης έγινε καταγραφή των διαλόγων των µαθητών µέσα στις οµάδες, κατά τη διάρκεια των πειραµατικών τους διερευνήσεων, οι οποίοι αναλύθηκαν µε την µεθοδολογία CBAV. Τα αποτελέσµατα, µας επιτρέπουν να υποστηρίξουµε ότι η διδακτική σειρά που αναπτύχθηκε και εφαρµόστηκε µε τον τρόπο που περιγράψαµε πιο πάνω, ενίσχυσε την εννοιολογική κατανόηση των µαθητών σχετικά µε τα φαινόµενα που διαπραγµατευτήκαµε, οδήγησε σε ανάπτυξη της ικανότητάς τους για σχεδιασµού πειραµάτων και υποστήριξε τη δηµιουργία διασυνδέσεων των µαθητών, µεταξύ της xi

12 θεωρίας της Φυσικής και των πρακτικών δραστηριοτήτων, κατά διάρκεια χρήσης του εικονικού εργαστηρίου. ABSTRACT This work is related to Physics Education and investigates the advantages of an ICT-enriched teaching sequence, concerning a laboratory based approach in the study of thermal phenomena, in compulsory education. Although junior high school students have no particular difficulty in attending a laboratory-based teaching approach of thermal phenomena, they are usually incapable of evolving from a simple observation and description to deeper understanding and quantitative or qualitative interpretation, since the complexity of thermal interactions per se raises several conceptual and empirical problems. Therefore, it seems necessary that content knowledge should be appropriately transformed and suitably combined with an effective teaching approach, in an attempt to help students overcome these difficulties. The involvement of students in laboratory and experimental practices is widely supported both by researchers and teachers. These trends are in alignment with recent findings, that laboratory approaches enhance content learning and familiarize students with basic methodological issues, closely related to the nature of Science, such as the development of experimental abilities. Information and Communication Technologies (ICT) - supported learning, is currently adopted in laboratory practices through the use of Virtual Laboratory environments. An Example of such an environment is called Thermolab, where students can apply their laboratory practices adopting an inquiry type approach. This work refers to the implementation and the evaluation of the efficiency, of a teaching sequence concerning a laboratory type approach of Thermal Phenomena, which was designed on the basis of a didactical transformation of the content and on the choice of the ICT tools, suitable for supporting active engagement in laboratory activities. This sequence was implemented at second-year junior high school students in and was evaluated in relation to the effect in the conceptual understanding of the phenomena under study and the development of experimental abilities of the students, after the instruction. Furthermore, it was evaluated in relation to the connections accomplished by the students, between theory and practice, during their engagement in laboratory activities. Data were collected with pre-post questionnaires and semi-structured personal interviews and analyzed with tools developed by the researcher. Students dialogues during their laboratory activities were also recorded, and analyzed using the C.B.A.V. methodology. Based on our research results, we can claim that the teaching sequence, developed and implemented as described above, enhanced the students conceptual understanding on the topic under study, developed their abilities to design experiments, and also supported the creation of links between theory and practice during their investigations in the virtual laboratory.

13 Ι. Λεύκος, 2011 ΚΕΦΑΛΑΙΟ I: ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1. Το υπόβαθρο της έρευνας Η παρούσα έρευνα σχετίζεται µε την εργαστηριακή διδασκαλία των Φυσικών Επιστηµών και συγκεκριµένα µε την εργαστηριακή µελέτη των Θερµικών φαινοµένων, και τα πιθανά οφέλη που µπορεί να προκύψουν από µια διδακτική σειρά εµπλουτισµένη µε ΤΠΕ. Προκειµένου να εξυπηρετηθούν οι σκοποί της έρευνας αυτής, σχεδιάστηκε αναπτύχθηκε, εφαρµόστηκε και διερευνήθηκε η αποτελεσµατικότητα, µιας διδακτικής σειράς για την διδασκαλία των θερµικών φαινοµένων στην Β Γυµνασίου. Η διδακτική αυτή σειρά (Lefkos et al., 2005) καλύπτει το σύνολο σχεδόν των φαινοµένων που περιλαµβάνονται στο αντίστοιχο Π.Σ. και έχοντας σαν απώτερο σκοπό την δυνατότητα εφαρµογής σε πραγµατικές συνθήκες τάξης, καταβλήθηκε προσπάθεια να µην διαφοροποιείται πολύ από αυτό, τόσο σε επίπεδο στόχων, όσο και σε επίπεδο διάρκειας, έχοντας εποµένως έναν ευρύτερο χαρακτήρα εναλλακτικής πρότασης για τη διδασκαλία των φαινοµένων αυτών. Κύρια χαρακτηριστικά της διδακτικής σειράς είναι δυο: (α) ο εργαστηριακός χαρακτήρας αντιµετώπισης των θερµικών φαινοµένων & (β) η εκτεταµένη χρήση εργαλείων Τ.Π.Ε. Ο εργαστηριακός χαρακτήρας της σειράς, υποστηρίζεται τόσο µε συµβατικά πειραµατικά µέσα, όσο και µε χρήση εργαλείων Τ.Π.Ε. Ειδικότερα, τα εργαλεία αυτά είναι: Ένα περιβάλλον προσοµοιωµένου εικονικού εργαστηρίου θερµικών φαινοµένων (τµήµα του λογισµικού Σ.Ε.Π.) Ένα περιβάλλον και αντίστοιχος εξοπλισµός διασύνδεσης του Η/Υ µε αισθητήρες καταγραφής φυσικών µεγεθών (η πλατφόρµα Coach Lab και το αντίστοιχο λογισµικό). Η σχέση µεταξύ συµβατικών πειραµατικών µέσων και αντίστοιχων πειραµατικών εργαλείων Τ.Π.Ε., αποτέλεσε αντικείµενο προβληµατισµού στον σχεδιασµό της διδακτικής σειράς και το σκεπτικό αναπτύσσεται στο αντίστοιχο κεφάλαιο, όπως και ο ευρύτερος τρόπος αντιµετώπισης των πολύ-παραµετρικών θερµικών φαινοµένων µε ένα όπως αναφέρθηκε ήδη, εργαστηριακό χαρακτήρα. Ο προβληµατισµός για την έρευνα ξεκίνησε αφ ενός από την πλούσια βιβλιογραφία πάνω στις γνωστικές δυσκολίες που αντιµετωπίζουν οι µαθητές για τις σχετικές µε τα Θερµικά φαινόµενα έννοιες και φαινόµενα, από τη µια µεριά π.χ. (R. Driver, Guesne, & Tiberghien, 1985), και από την παρατηρούµενη έλλειψη εργαστηριακής πρακτικής, τουλάχιστο στην ελληνική πραγµατικότητα, κατά τη διδασκαλία των Φυσικών Επιστηµών. Παρότι η εργαστηριακή αντιµετώπιση των θερµικών φαινοµένων στο σχολικό εργαστήριο δεν εµφανίζει ιδιαίτερες δυσκολίες, όταν οι µαθητές επιχειρούν να υπερβούν την απλή παρατήρηση & περιγραφή και να εµβαθύνουν στην ερµηνεία των φαινοµένων, είτε ποσοτικά είτε ποιοτικά, η ίδια η πολυπλοκότητα των θερµικών αλληλεπιδράσεων τους οδηγεί σε προβλήµατα (Linn & Songer, 1991; Kesidou et al, 1995; Taber, 2000). Οι σηµαντικές δυσκολίες προκύπτουν, διότι η κατασκευή µιας επεξήγησης των φαινοµένων, απαιτεί την ενοποίηση των επιµέρους βασικών εννοιών σε ένα ενιαίο µοντέλο, δηλαδή τον συνδυασµό της «θερµοκρασίας» και της «θερµότητας», αφού καµία από τις έννοιες αυτές δεν µπορεί να εξηγηθεί ανεξάρτητα ΚΕΦ. Ι ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1

14 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ από την άλλη (Arnold, 1996). Από την άλλη µεριά όµως, η αδυναµία διαχωρισµού των δυο αυτών εννοιών, αποτελεί µια από τις πλέον καταγεγραµµένες γνωστικές δυσκολίες των µαθητών, στις Φυσικές Επιστήµες. Η εµπλοκή των µαθητών σε εργαστηριακές & πειραµατικές πρακτικές κατά τη διδασκαλία των Φυσικών Επιστηµών, υποστηρίζεται από τους περισσότερους ερευνητές αλλά και εκπαιδευτικούς, ότι έχει πολύ µεγάλη αξία, διότι όπως υποστηρίζεται, π.χ. (Woolnough & Alsop, 1985; White, 1996; Wellington, 2000), η εργαστηριακή πρακτική µπορεί να συνεισφέρει τόσο στην εκµάθηση του περιεχοµένου όσο και στην εξοικείωση µε βασικά µεθοδολογικά ζητήµατα που σχετίζονται µε την ίδια τη φύση των Φυσικών Επιστηµών (Τσελφές, (2002); Ψύλλος, 2007). Υπάρχει βέβαια εκφρασµένη από µέρους κάποιων ερευνητών (Lazarowitz & Tamir, 1994; Lunetta, 1998), η αµφισβήτηση της συνεισφοράς των εργαστηριακών πρακτικών στην προώθηση της κατανόησης των µαθητών σχετικά µε τις διάφορες όψεις της επιστηµονικής διερεύνησης. Προκύπτει εποµένως, σύµφωνα και µε τους παραπάνω, η αναγκαιότητα για περισσότερη διερεύνηση του θέµατος και πιθανώς για αναζήτηση νέων εργαστηριακών & πειραµατικών πρακτικών για την προσέγγιση των Φυσικών Επιστηµών στην εκπαίδευση. Οι Τεχνολογίες Πληροφορίας και Επικοινωνίας (ΤΠΕ) αποτέλεσαν την πηγή προτάσεων για νέες εργαστηριακές προσεγγίσεις και υπάρχουν από καιρό τώρα ερευνητικά δεδοµένα τα οποία υποστηρίζουν την θετική συνεισφορά τους στην εκπαίδευση των µαθητών. Ιδιαίτερη κατηγορία όµως εργαστηριακών και πειραµατικών προσεγγίσεων µε ένταξη των ΤΠΕ προκύπτει από την χρήση εικονικών εργαστηριακών περιβαλλόντων. Λογισµικών δηλαδή ή πακέτων που ανήκουν στην ευρύτερη κατηγορία των προσοµοιώσεων και προσφέρουν τη δυνατότητα διεξαγωγής εικονικών πειραµάτων, µε χρήση εικονικών υλικών, συσκευών και οργάνων, ενώ συνήθως ταυτόχρονα µπορούν να καταγράφουν, να επεξεργάζονται και να αναπαριστούν τα δεδοµένα (Λεύκος κ.ά., 2000). Ειδικά για τη διδασκαλία των Φυσικών Επιστηµών έχουν κερδίσει το ενδιαφέρον των διδασκόντων αλλά και των ερευνητών, καθώς τα µέχρι τώρα αποτελέσµατα (de Jong, 2006) υποστηρίζουν τις θετικές επιπτώσεις τους στη µάθηση. Στην εργασία αυτή, γίνεται προσπάθεια για τη διδακτική εκµετάλλευση ενός τέτοιου περιβάλλοντος, µέσα στο οποίο οι µαθητές µας ασκούνται εργαστηριακά και µε διερευνητικό τρόπο προσεγγίζουν τα υπό µελέτη φαινόµενα. Από την εποχή που πρωτοεµφανίστηκαν τα προσοµοιωµένα αυτά περιβάλλοντα, εµφανίστηκε και η επιχειρηµατολογία υπέρ ή κατά της χρήσης των εικονικών πειραµάτων στην εκπαίδευση των Φυσικών Επιστηµών και συγκεκριµένα για τη θέση τους έναντι των πραγµατικών πειραµάτων, είναι δηλαδή µια συζήτηση ενεργή για περίπου δυο δεκαετίες. Η συζήτηση αυτή, εντάσσεται σε µια ευρύτερη προβληµατική σχετικά µε τον ρόλο που µπορεί να διαδραµατίσει στην µάθηση, η εµπλοκή των µαθητών σε χειρισµούς εικονικών αντικειµένων, σε σχέση µε τους χειρισµούς σε φυσικά (πραγµατικά) αντικείµενα. Είναι βέβαιο ότι αν οι δεξιότητες είναι καθαρά κινητικές η άσκηση στους χειρισµούς µε φυσικά αντικείµενα υπερέχει φανερά. Όµως για άλλου είδους δεξιότητες, ή και για άσκηση στην επιστηµονική µεθοδολογία, φαίνεται πως δεν είναι απαραίτητοι οι χειρισµοί φυσικών αντικειµένων (Ψύλλος, 2007). Αυτή είναι και η άποψη που υιοθετούµε στην εργασία αυτή και που έχουµε υποστηρίξει και αλλού (Lefkos et al., 2011) Σε σχέση µε τη µάθηση σε εικονικά περιβάλλοντα, στη διεθνή βιβλιογραφία υπάρχουν πολλές έρευνες που συγκρίνουν τις επιδόσεις στην εννοιολογική κατανόηση φυσικών εννοιών µαθητών που ασχολούνται µε φυσικά ή εικονικά υλικά ή και µε το 2

15 Ι. Λεύκος, 2011 συνδυασµό τους (Finkelstein et al., 2005, Zacharia et al., 2008). εν υπάρχουν όµως παρά µόνο ελάχιστες έρευνες σε σχέση µε τη χρήση εικονικών έναντι των φυσικών αντικειµένων αναφορικά µε την ανάπτυξη πειραµατικών δεξιοτήτων. Από τις δεξιότητες που σχετίζονται µε την εργαστηριακή ενασχόληση των µαθητών, πολύ σηµαντική θεωρείται αυτή που σχετίζεται µε τον σχεδιασµό ενός πειράµατος (Johnstone & Al-Shuaili, 2001). Κατά πόσο δηλαδή οι µαθητές είναι σε θέση να αντιµετωπίσουν ένα πρόβληµα, προτείνοντας την εκτέλεση ενός πειράµατος, τα αποτελέσµατα του οποίου θα οδηγήσουν στη λύση του προβλήµατος. Η δεξιότητα αυτή θεωρείται τόσο σηµαντική από τους Garratt & Tomlinson (2001) που την τοποθετούν σε θέση ανώτερη από αυτή καθαυτή την εκτέλεση του πειράµατος, αφού σχετίζεται άµεσα τόσο µε την κατανόηση των εννοιών της θεµατικής περιοχής υπό µελέτη, όσο και µε την µεθοδολογία της επιστήµης γενικά. Σε αυτή τη διάσταση της µάθησης αναφερόµαστε στην εργασία αυτή, δηλαδή που αφορά στην ανάπτυξη δεξιοτήτων σχεδιασµού πειραµάτων. Η πρόταση λοιπόν που προσπαθήσαµε να διαµορφώσουµε βασίζεται στην υπόθεση ότι ο εµπλουτισµός µιας διδακτικής σειράς µε ΤΠΕ που έχουν εργαστηριακό χαρακτήρα και ταυτόχρονα είναι πολύ εύκολο να υλοποιηθούν µέσα σε µια σχολική αίθουσα, θα µπορούσε από τη µια να ενισχύσει την εννοιολογική κατανόηση των φαινοµένων και από την άλλη να εµπλέξει τους µαθητές σε πειραµατικές δραστηριότητες µε σκοπό να ενισχύσει τις ικανότητές τους για πειραµατισµό - και ειδικότερα για σχεδιασµό πειραµάτων - και να τους φέρει πιο κοντά στην µεθοδολογία των Φυσικών Επιστηµών. Έτσι η παρούσα εργασία αναφέρεται στην εφαρµογή και διερεύνηση της αποτελεσµατικότητας µιας διδακτικής σειράς που αφορά την εργαστηριακή διδασκαλία των Θερµικών φαινοµένων, η οποία σχεδιάστηκε µε βάση έναν κατάλληλο διδακτικό µετασχηµατισµό του σχετικού περιεχοµένου και επιπλέον στην επιλογή των ΤΠΕ που θα µπορούσαν να εµπλουτίσουν και να υποστηρίξουν την εργαστηριακού τύπου διδασκαλία. Για τη διερεύνηση της διδακτικής αυτής πρότασης, υιοθετείται το µοντέλο που προτείνεται από τους Psillos & Niedderer (2002), οι οποίοι διαχώρισαν την αποτίµηση της ποιότητας µιας εργαστηριακής δραστηριότητας σε δύο τύπους, την «Αποτελεσµατικότητα-1» και την «Αποτελεσµατικότητα-2», αναφερόµενοι αντίστοιχα στην αξιολόγηση κατά τη διάρκεια του εργαστηρίου ή µετά από το τέλος του. Η «Αποτελεσµατικότητα-1» θεωρούν ότι µπορεί να λειτουργήσει σαν µια προσέγγιση διπλής όψης, αποκαλύπτοντας την πολύπλοκη σχέση µεταξύ των θεωρητικών αναπαραστάσεων και των πρακτικών δράσεων και τη σύνδεση που συντελείται µεταξύ τους κατά τη διάρκεια της διεξαγωγής του εργαστηρίου. Η αποτελεσµατικότητα που παραδοσιακά έχει διερευνηθεί κατ επανάληψη, συνδέεται µε τα αποτελέσµατα των µαθητών σε τεστ, συνεντεύξεις, εννοιολογικούς χάρτες κλπ που αναλύονται µετά το τέλος των εργαστηρίων. Αυτή ονοµάζεται «Αποτελεσµατικότητα-2» και αφορά στις γνώσεις που εποικοδοµούν οι µαθητές µετά από µια δεδοµένη εργαστηριακή παρέµβαση. Στην παρούσα εργασία, σχετικά µε την Αποτελεσµατικότητα-1, εστιάζουµε στη διερεύνηση της διασύνδεσης της θεωρίας µε την εργαστηριακή πρακτική κατά τη διάρκεια του εργαστηρίου (Lefkos et al. 2010), ενώ σχετικά µε την Αποτελεσµατικότητα-2, έχουµε δυο άξονες µελέτης της επίδοσης των µαθητών µας. Στον ένα άξονα διερευνούµε τη γνωστική βελτίωση των µαθητών σε βασικές έννοιες των υπό µελέτη θερµικών φαινοµένων (Λεύκος κ.ά., 2011), ενώ στον άλλο άξονα, διερευνούµε την ανάπτυξη των ικανοτήτων των µαθητών µας στο σχεδιασµό ΚΕΦ. Ι ΕΙΣΑΓΩΓΗ 3

16 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ πειραµάτων (Lefkos et al, 2009). Και οι δυο αυτοί άξονες αναφέρονται σε αποτελέσµατα µετά το πέρας της εργαστηριακής διδασκαλίας 2. Ερευνητικά ερωτήµατα Αντίστοιχα προς την µεθοδολογία της αξιολόγησης που περιγράψαµε πιο πάνω, είναι και τα ερευνητικά ερωτήµατα που τίθενται στην έρευνά µας και εποµένως µπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε τρείς άξονες: Ο πρώτος άξονας αφορά στην Αποτελεσµατικότητα-2, και σχετίζεται µε τη γνωστική βελτίωση των µαθητών. Πιο συγκεκριµένα µπορούµε να διατυπώσουµε το ερώτηµα: Ερ. 1: «Επηρεάζει η συµµετοχή των µαθητών µας στη διδακτική σειρά τη γνωστική τους βελτίωση και την κατανόηση των βασικών εννοιών των θερµικών φαινοµένων που διαπραγµατευόµαστε;» Ο δεύτερος άξονας, αφορά και πάλι στην Αποτελεσµατικότητα-2, αλλά σχετίζεται µε τις ικανότητες των µαθητών για πειραµατισµό. Συγκεκριµένα, το ερευνητικό µας ερώτηµα διατυπώνεται ως εξής: Ερ. 2: «Επηρεάζει η εµπλοκή των µαθητών µας σε δραστηριότητες διερεύνησης στο εικονικό εργαστήριο, την ικανότητά τους να σχεδιάζουν πειράµατα που αφορούν θερµικές αλληλεπιδράσεις πραγµατικών αντικειµένων σε καταστάσεις της καθηµερινής ζωής;» Στον τρίτο άξονα που αφορά στην Αποτελεσµατικότητα-1, µπορούµε να διατυπώσουµε το ερευνητικό µας ερώτηµα ως εξής: Ερ. 3: «Επηρεάζει η εµπλοκή των µαθητών µας σε δραστηριότητες διερεύνησης µέσα στο εικονικό εργαστήριο, την δηµιουργία συνδέσεων µεταξύ θεωρίας και πρακτικής;» Εποµένως επιχειρούµε να ερευνήσουµε την βελτίωση των µαθητών µας µετά από την εφαρµογή της διδακτικής σειράς, τόσο από την άποψη της εννοιολογικής κατανόησης, όσο και από την άποψη των ικανοτήτων πειραµατισµού. Ταυτόχρονα διερευνούµε εάν τα δυο παραπάνω συνδέονται µε τις δραστηριότητες στις οποίες εµπλέκονται οι µαθητές, κατά τη διάρκεια του εργαστηρίου, κατά πόσο δηλαδή οι µαθητές δηµιουργούν την ώρα των πειραµατικών διερευνήσεών τους, διασυνδέσεις µεταξύ της θεωρίας και της πρακτικής. 3. Η Πρωτοτυπία της έρευνας Η πρωτοτυπία της παρούσας έρευνας, θεωρούµε πως έγκειται τόσο στο σχεδιασµό, όσο και στη διερεύνηση των αποτελεσµάτων της διδακτικής µας πρότασης. Ο σχεδιασµός της διδακτικής πρότασης από την άποψη του περιεχοµένου βασίστηκε στην επιλογή ενός κατάλληλου διδακτικού µετασχηµατισµού, ο οποίος έχει δύο βασικά χαρακτηριστικά. Πρώτο, την υιοθέτηση του µοντέλου «ροής θερµότητας» για την οικοδόµηση των επεξηγήσεων και περιγραφών των φαινοµένων, µε βάση σχετικές έρευνες (Linn & Songer, 1991; Arnold & Millar, 1996; Μπισδικιάν, 2000), που υποστηρίζουν τη χρήση του, καθώς βρίσκεται κοντά στις απόψεις των µαθητών και κατά συνέπεια εύκολα µπορούν να το οικειοποιηθούν και να το χρησιµοποιήσουν. εύτερο, τη χρήση της Θερµικής Ισορροπίας ως το κυρίαρχο ζήτηµα το οποίο διατρέχει ολόκληρη τη διδασκαλία των θερµικών φαινοµένων. Παρά 4

17 Ι. Λεύκος, 2011 το γεγονός ότι υπάρχουν και άλλες προτάσεις (Arnold & Millar, 1998; Carlton, 2000; Clark & Jorde, 2004), που αναγνωρίζουν την σηµαντικότητα των φαινοµένων αυτών, η πρωτοτυπία της πρότασής µας βρίσκεται στο γεγονός ότι ολόκληρη η διδακτική µας σειρά βασίζεται σε καταστάσεις Θερµικής Ισορροπίας, προσεγγίζοντας µέσα από αυτά φαινόµενα διάδοσης µε αγωγή, διάδοσης µε ακτινοβολία, ακόµη και αλλαγής φάσης. Η υλοποίηση των παραπάνω παραδοχών σε µια εργαστηριακή διδακτική σειρά εµπλουτισµένη µε ΤΠΕ, επίσης αποτελεί ένα σηµείο πρωτοτυπίας, καθώς η δική µας πρόταση αφορά την συµπληρωµατική χρήση τριών διαφορετικών µέσων πειραµατισµού: συµβατικών, ψηφιακών αισθητήρων και εικονικού εργαστηρίου, µε µια συγκεκριµένη αλληλουχία µετάβασης από το ένα στο άλλο, ακολουθώντας µια συγκεκριµένη διδακτική άποψη. Ένα τρίτο σηµείο πρωτοτυπίας, αφορά στους άξονες διερεύνησης της αποτελεσµατικότητας της διδακτικής µας σειράς και στα αντίστοιχα ερευνητικά ερωτήµατα που τίθενται. Έτσι, ενώ συνήθως σε αντίστοιχες περιπτώσεις αποτιµώνται τα µαθησιακά αποτελέσµατα µετά από το τέλος της εφαρµογής, η δική µας έρευνα επεκτείνεται και σε διερεύνηση της µάθησης που συντελείται κατά τη διάρκεια της εφαρµογής. 4. Η αναπτυξιακή έρευνα στην περιοχή των Φυσικών Επιστηµών Στην εικόνα (Εικόνα 1) παρουσιάζεται η δοµή ανάπτυξης της διδακτικής σειράς που χρησιµοποιήθηκε για την παρούσα έρευνα. Μια τέτοια περίπτωση ανάπτυξης διδακτικής σειράς που βασίζεται σε ερευνητικά δεδοµένα και αποτελέσµατα από τη διαδοχική εφαρµογή της και τη συνεχή της βελτίωση µέσα από αυτή τη διαδικασία, ονοµάζεται «αναπτυξιακή έρευνα» (Lijnse, 2004). Οι αναπτυξιακές έρευνες αφορούν συνήθως το σχεδιασµό και την αξιολόγηση διδακτικών σειρών µεσαίας κλίµακας, εστιάζονται δηλαδή σε συγκεκριµένη θεµατική περιοχή (Lijnse, 1995) και περιλαµβάνουν µια κυκλική διαδικασία διαδοχικής ανάπτυξης και εφαρµογής, όπου σε κάθε κύκλο επαναπροσδιορίζονται πιθανώς τα ερευνητικά ερωτήµατα, η µεθοδολογία και το διδακτικό υλικό, µε µικρής κλίµακας προσαρµογές που βασίζονται στα αποτελέσµατα της αξιολόγησης από την προηγούµενη εφαρµογή. Η κυκλική αυτή διαδικασία, επαναλαµβάνεται µέχρι να προκύψουν αποτελέσµατα που ικανοποιούν τους στόχους των ερευνητών (Lijnse, 2002; Psillos & Kariotoglou, 1999). Οι διδακτικές σειρές που προκύπτουν µέσα από µια τέτοια διαδικασία θεωρούνται πώς έχουν διπλή φύση, καθώς από τη µια µεριά αποτελούν ένα ερευνητικό εργαλείο και από την άλλη µια καινοτοµική παρέµβαση για τη διαχείριση των µαθησιακών δυσκολιών που σχετίζονται µε ένα συγκεκριµένο γνωστικό πεδίο (topic related learning problems) και κατά συνέπεια αποτελούν τον σύνδεσµο µεταξύ έρευνας και διδασκαλίας ή, µε άλλα λόγια, µεταξύ διδακτικής παρέµβασης και των αναµενόµενων µαθησιακών αποτελεσµάτων (Psillos & Meheut, 2001; Meheut & Psillos, 2004). Η ιδιαίτερη αυτή φύση των αναπτυξιακών ερευνών, έχει οδηγήσει τους ερευνητές της ιδακτικής των Φυσικών Επιστηµών να τις προτείνουν ως ένα κατάλληλο µοντέλο που βασίζεται πάνω στην υπάρχουσα ήδη εκτεταµένη έρευνα για τις µαθησιακές διαδικασίες και την κατανόηση των µαθητών και σκοπό έχει την παραγωγή προτάσεων για τη βελτίωση της διδασκαλίας των Φυσικών Επιστηµών (Duit, 1996; Psillos & Kariotoglou, 1999). ΚΕΦ. Ι ΕΙΣΑΓΩΓΗ 5

18 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ 6 Εικόνα 1: Η ανάπτυξη της διδακτικής σειράς Η παρούσα εργασία εµπεριέχει στοιχεία που θα επέτρεπαν τον χαρακτηρισµό της ως αναπτυξιακή έρευνα. Στην αρχή διερευνήθηκε το ζήτηµα των απόψεων των µαθητών για τα φαινόµενα που αναφέρονται στη σχολική φυσική και επιλέχθηκαν τα Θερµικά Φαινόµενα ως µια περιοχή που από τη µια είναι τόσο κοντά στην καθηµερινή εµπειρία των µαθητών, από την άλλη εµφανίζει πολύ µεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον και υπάρχει µεγάλος όγκος ερευνών σχετικά µε τις δυσκολίες που αντιµετωπίζουν οι µαθητές στην κατανόηση των αντίστοιχων φαινοµένων και επιπλέον προσφέρονται για προσεγγίσεις εργαστηριακού χαρακτήρα. Βασιζόµενοι σε σχετικές έρευνες, επιλέξαµε έναν κατάλληλο διδακτικό µετασχηµατισµό του περιεχοµένου, ενώ ταυτόχρονα θεωρώντας ότι οι ΤΠΕ θα µπορούσαν να συνεισφέρουν στη βελτίωση της µάθησης, καταλήξαµε στην ενσωµάτωση συγκεκριµένων τεχνολογιών που θα µπορούσαν να υποστηρίξουν µια εργαστηριακού τύπου διδακτική σειρά. Έτσι, µε γνώµονα τα παραπάνω στοιχεία, σχεδιάστηκε στην αρχή µια µικρής κλίµακας διδακτική παρέµβαση, η οποία αποτέλεσε την έρευνα πιλότο, µε συγκεκριµένα ερευνητικά ερωτήµατα. Η αξιολόγηση της εφαρµογής της πιλοτικής αυτής έρευνας, µας οδήγησε στον επανασχεδιασµό τόσο του ερευνητικού πλαισίου, όσο και της διδακτικής παρέµβασης, τα οποία στη δεύτερη αυτή πιλοτική φάση ήταν περισσότερο εκτεταµένα. Τέλος, µετά την εφαρµογή και αποτίµηση της δεύτερης πιλοτικής φάσης, προχωρήσαµε σε νέο σχεδιασµό µιας πλήρους διδακτικής σειράς, µε ενσωµάτωση των παρατηρήσεων που έγιναν στις πιλοτικές εφαρµογές και διεύρυνση των ερευνητικών ερωτηµάτων. Στην ουσία λοιπόν σχεδιάστηκε αρχικά ένας πυρήνας της διδακτικής σειράς, οποίος περιείχε τα κεντρικά στοιχεία του

19 Ι. Λεύκος, 2011 διδακτικού µετασχηµατισµού και της διδακτικής προσέγγισης που επιλέξαµε (Besson, 2010) και ο οποίος αφού δοκιµάστηκε στις πιλοτικές φάσεις, επεκτάθηκε σε ολόκληρη τη σειρά. Η διδακτική αυτή σειρά που εφαρµόστηκε, καθώς και τα αποτελέσµατα που προέκυψαν, αποτελούν το κύριο ζήτηµα που διαπραγµατεύεται η παρούσα εργασία και κατά συνέπεια, θεωρούµε πως σύµφωνα µε τα προηγούµενα, µπορεί να χαρακτηριστεί ως µια αναπτυξιακή έρευνα. 5. Η δοµή της διατριβής Στα κεφάλαια που ακολουθούν µετά από το παρόν εισαγωγικό, περιγράφονται το υπόβαθρο, η ανάπτυξη της διδακτικής σειράς, καθώς και η ερευνητική µεθοδολογία, η διερεύνηση των αποτελεσµάτων και τα συµπεράσµατα από την εφαρµογή της. Αναλυτικότερα: Στο Κεφάλαιο ΙΙ, που αποτελεί και το θεωρητικό υπόβαθρο της έρευνας, γίνεται µια επισκόπηση των απόψεων των µαθητών για τα θερµικά φαινόµενα όπως παρατίθενται στη βιβλιογραφία, παρουσιάζονται διδακτικές προτάσεις που έχουν οπτική παρόµοια µε τη δική µας, ενώ στο τέλος παρουσιάζονται λογισµικά και εφαρµογές που υποστηρίζουν την εργαστηριακή διδασκαλία των φυσικών επιστηµών, µε έµφαση στα «εικονικά εργαστήρια». Στο Κεφάλαιο ΙΙΙ, περιγράφεται η διδακτική σειρά που σχεδιάστηκε για την έρευνα αυτή. Αναφέρονται οι σχεδιαστικές αρχές και οι διδακτικοί στόχοι, η δοµή και τα περιεχόµενά της. Επιπλέον, περιγράφεται η δοµή και το περιεχόµενο των φύλλων εργασίας και των δραστηριοτήτων που εµπεριέχονται σε αυτά, µε αναλυτικά παραδείγµατα. Τέλος, γίνεται µια λεπτοµερέστερη περιγραφή ενός µέρους της διδακτικής σειράς µε τη µορφή µελέτης περίπτωσης, όπου τίθενται και διερευνώνται συγκεκριµένα ερευνητικά ερωτήµατα. Στο Κεφάλαιο ΙV, περιγράφεται η ερευνητική µεθοδολογία που υιοθετήθηκε στην παρούσα εργασία. Αρχικά παρατίθεται η ιστορική εξέλιξη της έρευνας µέσα από τις πιλοτικές εφαρµογές της διδακτικής σειράς και στη συνέχεια περιγράφονται κα αναλύονται διεξοδικά, οι τρείς άξονες σύµφωνα µε τους οποίους έγινε η µελέτη της διδακτικής σειράς, ακολουθώντας τις αντίστοιχες τρείς κατευθύνσεις των ερευνητικών µας ερωτηµάτων. Στα Κεφάλαιο V και VI, παρουσιάζονται µε αντίστοιχη λογική, τα αποτελέσµατα της έρευνας στους τρείς παραπάνω άξονες και τα συµπεράσµατα που προκύπτουν από την παρούσα εργασία. Τέλος ακολουθούν οι σχετικές βιβλιογραφικές αναφορές και τα παραρτήµατα. ΚΕΦ. Ι ΕΙΣΑΓΩΓΗ 7

20 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ II: Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 1. Εισαγωγή Πλήθος ερευνών τις τελευταίες τρείς δεκαετίες απέδειξαν την ύπαρξη εναλλακτικών απόψεων στους µαθητές, τόσο σε διεθνές επίπεδο όσο και στην Ελλάδα, που σχετίζονται µε την κατανόηση και την επεξήγηση των θερµικών φαινοµένων. Η γνωστική αυτή περιοχή φαίνεται πως παρουσιάζει µεγάλες δυσκολίες για τους µαθητές και αυτό µπορεί να αποδοθεί σε πολλούς παράγοντες. Από τη µια είναι η διαρκής επαφή των µαθητών µε τα θερµικά φαινόµενα και οι εξηγήσεις που διαµορφώνουν γι αυτά µε όρους καθηµερινής γλώσσας. Επιπλέον, διαπιστώνεται και µια διάκριση µεταξύ σχολικής φυσικής και καθηµερινότητας, στην αντίληψη των µαθητών. Από την άλλη είναι η ίδια η φύση των φαινοµένων που για µια επιστηµονικά αποδεκτή εξήγηση χρειάζεται να επιστρατευτούν εσωτερικά διασυνδεµένες έννοιες, όπως η θερµότητα και η θερµοκρασία, οι οποίες όπως αποδεικνύεται είναι δύσκολο να διαχωριστούν. Πολλοί ερευνητές προτείνουν την εκµετάλλευση των εναλλακτικών απόψεων των µαθητών, από τους εκπαιδευτικούς, µε τέτοιο τρόπο ώστε να µπορέσουµε σταδιακά µέσα από κατάλληλα σχεδιασµένες παρεµβάσεις, να τους οδηγήσουµε σε απόψεις πιο κοντά στις επιστηµονικές. Σε µια τέτοια οπτική εντάσσεται η χρήση µιας σειράς περιορισµένων θερµικών φαινοµένων, στα οποία οι µαθητές µπορούν να ασκηθούν στην παραγωγή ερµηνειών, καθώς διέπονται από απλούστερα επεξηγηµατικά µοντέλα και επίσης είναι κοντά σε καταστάσεις της καθηµερινότητας. Ένας κεντρικός πυρήνας για τα φαινόµενα αυτά, προτείνεται να αποτελείται από καταστάσεις θερµικής ισορροπίας, όπου η κατάλληλη επεξήγηση απαιτεί τόσο την ταυτόχρονη χρήση των βασικών εννοιών θερµότητας και θερµοκρασίας, όσο και τον σαφή διαχωρισµό τους, γεγονός που ίσως αποτελεί και τον σπουδαιότερο στόχο στη διδακτική της γνωστικής αυτής περιοχής. 2. Οι ιδέες των µαθητών για τις Φυσικές Επιστήµες Από την συστηµατική επισκόπηση που επιχείρησαν οι Driver κ.α. (1985), έγινε φανερό πως ακόµη και αν δεν έχουν δεχτεί οποιαδήποτε προηγούµενη συστηµατική διδασκαλία, οι µαθητές έρχονται στο σχολείο, φέρνοντας µαζί τους ιδέες και ερµηνείες που αφορούν στα φαινόµενα που µελετούν στις τάξεις των φυσικών επιστηµών. Τα παιδιά σχηµατίζουν τις ιδέες αυτές και τις ερµηνείες ως αποτέλεσµα των καθηµερινών εµπειριών από όλες τις πλευρές τις ζωής τους, από προσωπικά τους βιώµατα, αλλά και από την κοινωνική συναναστροφή τους και τις συζητήσεις τους µε άλλους ανθρώπους ή από τα µέσα ενηµέρωσης. Ακόµη και τα σχολικά βιβλία έχουν θεωρηθεί υπεύθυνα για τη διαµόρφωση εναλλακτικών απόψεων, καθώς υπάρχουν σε πολλές περιπτώσεις ασυνέπειες στην ορολογία που χρησιµοποιούν σε παρόµοιες έννοιες (Bauman, 1992a, 1992b, 1992c). 8

21 Ι. Λεύκος, 2011 Οι ιδέες αυτές, σύµφωνα µε τους παραπάνω ερευνητές, φαίνεται να µην έχουν συνήθως µια συνοχή, µε την έννοια που την αντιλαµβάνονται οι επιστήµονες, διότι δεν ταυτίζονται µε ένα συγκεκριµένο επεξηγηµατικό επιστηµονικό µοντέλο, παρουσιάζουν όµως µια εσωτερική συνεκτικότητα για τα ίδια τα παιδιά και µια σταθερότητα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα την δυσκολία της εγκατάλειψης και αντικατάστασής τους, ακόµη και µετά από συστηµατική διδασκαλία., ακόµη και µετά από παρατηρήσεις και πειράµατα, των οποίων τα αποτελέσµατα φαίνεται να τις αντικρούουν. Φαίνεται δηλαδή ότι οι ιδέες των µαθητών σχηµατίζουν ένα προσωπικό θεωρητικό πλαίσιο (framework), µέσα από το οποίο περνά και ερµηνεύεται η κάθε παρατήρηση. Από την άλλη µεριά δε, παρά το γεγονός ότι είναι προσωπικές, όπως αποδεικνύουν οι έρευνες, οι µαθητές ακόµη και αν βρίσκονται σε διαφορετικές χώρες, µπορεί να έχουν τις ίδιες ιδέες ή ερµηνείες για παρόµοια γεγονότα Οι ιδέες των µαθητών έχουν περιορισµένη ισχύ και έχουν τάση να συνδέονται µε συγκεκριµένα φαινόµενα και περιβάλλον. Αντίθετα, οι επιστηµονικές έννοιες αποτελούν γενικευµένες περιγραφές και ερµηνείες φαινοµένων. Έρευνες, επίσης, έχουν φανερώσει ότι οι µαθητές εστιάζουν την προσοχή τους περισσότερο σε καταστάσεις κίνησης και αλλαγής και λιγότερο σε καταστάσεις ισορροπίας. Στη θέση πολλών εξειδικευµένων εννοιών της φυσικής (π.χ. θερµότητα, θερµοκρασία) χρησιµοποιούν γενικές και αδιαφοροποίητες ιδέες (π.χ. ιδέα που συµπεριλαµβάνει τις έννοιες της θερµότητας και της θερµοκρασίας). Κατά τη διαδικασία της µάθησης στις φυσικές επιστήµες, οι ίδιες εµπειρίες και πληροφορίες που προσφέρονται στους µαθητές, µπορεί να αφοµοιώνονται διαφορετικά από τον καθένα τους, ανάλογα µε το προσωπικό νοητικό πλαίσιο που έχει ο καθένας τους (R. Driver, et al., 1985). Κατά τη διαδικασία της µάθησης, ένας µαθητής µπορεί να έρθει αντιµέτωπος µε ένα γεγονός ή µια εµπειρία που δεν ταιριάζει µε τα νοητικά του σχήµατα και είναι αντίθετη µε τις προβλέψεις του. Η απλή επισήµανση ενός τέτοιου γεγονότος, δεν είναι απαραίτητο να οδηγήσει σε αναδιοργάνωση των ιδεών του. Εδώ είναι πολύ σηµαντικός όµως ο ρόλος του δασκάλου και του γενικότερου µαθησιακού περιβάλλοντος, στο κατά πόσο µπορεί να προσφέρει µια ευρεία κλίµακα εµπειριών, που σχετίζονται µε κάποιες ιδέεςκλειδιά, µε σκοπό να καταστήσει όσο γίνεται πιο ευνοϊκό το υπόβαθρο ώστε να συντελεστεί µια τέτοια αναδιοργάνωση των γνωστικών σχηµάτων του µαθητή. Παρόλο που είναι απαραίτητο να παίρνουµε υπόψη µας τις ιδέες των µαθητών όταν διδάσκουµε, δεν είναι εύκολο να το υλοποιήσουµε στην τάξη. Για έναν δάσκαλο φαντάζει µη ρεαλιστική η διαδικασία του να πρέπει να πάρει υπόψη του τις ιδέες του κάθε µαθητή του προκειµένου να οργανώσει τη διδασκαλία του. Εδώ έρχεται να παίξει το ρόλο της η έρευνα σχετικά µε τις απόψεις των µαθητών, η οποία έχει επιβεβαιώσει από ανεξάρτητες µεταξύ τους εργασίες, πώς ακόµη και σε αποµακρυσµένες µεταξύ τους περιοχές του κόσµου, εµφανίζονται στους µαθητές παρόµοιες απόψεις για παρόµοια φυσικά φαινόµενα (R. Driver, et al., 1985). Εποµένως θα µπορούσε κάποιος δάσκαλος να λάβει υπόψη του τις γενικές απόψεις και ιδέες των µαθητών, που φαίνεται να έχουν µια γενική τάση και παγκόσµια ισχύ, ενσωµατώνοντας την γνώση αυτή στο σχεδιασµό των µαθησιακών εµπειριών που θα προσφέρει στους µαθητές του. Η επιτυχία µιας διδασκαλίας εξαρτάται από τη σωστή εκµετάλλευση των προϋπαρχουσών ιδεών των µαθητών, ώστε να βοηθήσουµε τους µαθητές να εγκαταλείψουν τις αρχικές ιδέες τους και να υιοθετήσουν καινούριες, πιο κοντά στις επιστηµονικά αποδεκτές. Σε αντίθετη περίπτωση, οι µαθητές θα µείνουν ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 9

22 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ προσκολληµένοι στις αρχικές ιδέες τους, ενώ θα αποστηθίσουν µηχανικά τις νέες ιδέες που διδάχθηκαν, διότι γνωρίζουν πως µόνο έτσι µπορούν να επιτύχουν στις εξετάσεις. Με την πάροδο όµως λίγου χρόνου, οι νέες ιδέες θα ξεχασθούν, γιατί δεν θα έχουν αφοµοιωθεί. Έτσι, οι µαθητές θα συνεχίσουν να διατηρούν τις προϋπάρχουσες γνωστικές δοµές τους, που στην καλύτερη περίπτωση θα έχουν συµπεριλάβει κάποιες έννοιες ή όρους που τους διδάχθηκαν, των οποίων, όµως, το εννοιολογικό περιεχόµενο και η χρήση πιθανόν να έχουν παραποιηθεί, ώστε να εναρµονίζονται µε τις προϋπάρχουσες ιδέες τους. Η γνώση των ιδεών βοηθάει τον δάσκαλο στη σωστή επιλογή των εννοιών, που θα διαπραγµατευθεί µε τους µαθητές του. Οι έννοιες που είναι σύµφωνες µε τις διαισθητικές αντιλήψεις των µαθητών εισάγονται νωρίτερα, ενώ οι αφηρηµένες έννοιες εισάγονται συνδεδεµένες µε συγκεκριµένες καθηµερινές εµπειρίες των παιδιών. Η επιλογή, επίσης, των µαθησιακών εµπειριών, γίνεται ανάλογα µε τις προϋπάρχουσες ιδέες των µαθητών, ώστε να τεθούν σε αµφισβήτηση και κατά το δυνατόν αυθόρµητα οι µαθητές να θελήσουν να τις αναθεωρήσουν. Στην αλλαγή βέβαια αυτή, απαραίτητη είναι και η προσφορά νέων αντιλήψεων και ερµηνειών, οι οποίες όχι µόνο θα είναι πειστικές, αλλά και εύληπτες και χρηστικές στα µάτια και στο νου των µαθητών, προκειµένου αυτοί να τις οικειοποιηθούν και να τις διατηρήσουν. 3. Οι εναλλακτικές απόψεις των µαθητών για τα θερµικά φαινόµενα Παρά το γεγονός ότι τα Θερµικά φαινόµενα είναι ένα τυπικό θέµα της σχολικής φυσικής, η έρευνα έχει αποδείξει ότι (R. Driver, et al., 1985; R. Driver, Squires, Rushworth, & Wood-Robinson, 1998; Sozbilir, 2003) υπάρχουν δυσκολίες στη διδασκαλία και τη µάθηση καθώς και πολλές σχετικές παρανοήσεις από πλευράς των µαθητών. Οι ιδέες των παιδιών σχετικά µε τα θερµικά φαινόµενα έχουν αποτελέσει το αντικείµενο πολλών ερευνών σε πολλές χώρες του κόσµου και προκύπτει ότι τα παιδιά έχουν διάφορα εναλλακτικά νοητικά µοντέλα τα οποία πολλές φορές προκαλούν δυσκολίες στην κατανόηση των θεµάτων αυτών (R. Driver, et al., 1998; Duit & Kesidou, 1988; Erickson, 1979, 1980; Erickson & Tiberghien, 1985; Harrison, Grayson, & Treagust, 1999; Kesidou & Duit, 1993; Kesidou, Duit, & Glynn, 1995; Lewis & Linn, 1994; Linn & Songer, 1991; Taber, 2000; Thomaz, Malaquias, Valente, & Antunes, 1995; Σκουµιός & Χ"Νικήτα, 2000). Μια από τις κυριότερες αιτίες για το γεγονός αυτό, θεωρείται η καθηµερινή αλληλεπίδραση των µαθητών µε τα φαινόµενα και τις έννοιες, όπου τόσο οι αισθήσεις τους όσο και η κοινή γλώσσα οδηγούν σε περιγραφές που δεν είναι αρκετές φορές συµβατές µε την επιστηµονική άποψη (Lewis & Linn, 1994). Για παράδειγµα, συνηθίζουµε να λέµε: «κλείσε την πόρτα γιατί µπαίνει κρύο» ή όταν περπατούµε µε γυµνά πόδια, νιώθουµε κρύο πάνω στο µάρµαρο και ζέστη πάνω στο ξύλινο πάτωµα του ίδιου σπιτιού. Χαρακτηριστικό είναι το παράδειγµα του αγγλικού όρου heat ο οποίος στην καθηµερινή γλώσσα απαντάται µε την µορφή ρήµατος, ουσιαστικού, επίθετου και επιρρήµατος (Romer, 2001). Επιπρόσθετες δυσκολίες προέρχονται από την ίδια τη φύση του θέµατος. Οι επεξηγήσεις των θερµικών φαινοµένων, απαιτούν το συνδυασµό και συσχετισµό των επιµέρους εµπλεκόµενων εννοιών, σε ένα συγκεκριµένο νοητικό µοντέλο. Με άλλα λόγια για την οποιαδήποτε εξήγηση των φαινοµένων, απαιτείται ο συνδυασµός των 10

23 Ι. Λεύκος, 2011 εννοιών της θερµοκρασίας και θερµότητας, καθώς καµία από αυτές δεν είναι δυνατό να εξηγηθεί χωρίς τη χρήση της άλλης (Arnold & Millar, 1996a). Ταυτόχρονα όµως, το πρόβληµα του µη διαχωρισµού των δυο αυτών εννοιών, της θερµοκρασίας και της θερµότητας είναι µια από τις πιο «δηµοφιλείς» καταγεγραµµένες παρανοήσεις στη διδακτική της Φυσικής. Η έρευνες δε, έχουν καταδείξει την δυσκολία στην άρση της, ακόµη και µετά από τη διδασκαλία (R. Driver, et al., 1998) Απόψεις των µαθητών γυµνασίου για τη θερµότητα Μια από τις ευρέως καταγεγραµµένες απόψεις των µαθητών είναι πως η θερµότητα είναι µια ουσία που ρέει από το ένα σώµα στο άλλο. Σε έρευνα των Hewson και Hamlyn (1984) µε παιδιά 15 ετών και ενήλικες παρατηρήθηκε αυτή η άποψη της θερµότητας, ως µιας ουσίας που έχει υλική υπόσταση. Για παράδειγµα: Αυτή η θερµότητα µπαίνει [µέσα στη µπάλα] [η θερµότητα] είναι γεµάτη από κάτι και όταν φτάνει εδώ θα κάνει το αντικείµενο µεγαλύτερο και όταν κρυώσει, [η θερµότητα] επιστρέφει µε όλα της τα συστατικά και τότε [η µπάλα] ξαναπαίρνει το σχήµα της. Σε παρόµοια αποτελέσµατα καταλήγει και ο Erickson (1979), ο οποίος µετά από έρευνα σε µαθητές 12 ετών, αναφέρει ότι η θερµότητα θεωρείται σαν ένα είδος φευγαλέας ουσίας, όπως ο αέρας, που έχει τη δυνατότητα να ρέει µέσα και έξω από τα αντικείµενα, η θερµότητα είναι σαν ένα κύµα που υψώνεται πάνω από την άσφαλτο, µοιάζει µε καπνό, η θερµότητα βγαίνει από όλα τα σώµατα που είναι ζεστά. Παρατήρησε επίσης ότι συχνά τόσο η ζέστη όσο και το κρύο συνδέονται µε τον αέρα, υπάρχει ζεστή θερµότητα και ψυχρή θερµότητα. Εξάλλου, το ψυχρό και το θερµό, δεν γίνονται απαραίτητα αντιληπτά ως µια οντότητα, αλλά ως διαφορετικό φαινόµενο και όπως αναφέρουν οι Engel Clough & Driver (1985), οι µαθητές µέχρι τα 16, φαντάζονται το κρύο σαν µια οντότητα που έχει, όπως και η θερµότητα, τις ιδιότητες µιας υλικής ουσίας. Οι Watts & Gilbert (1985), ταξινόµησαν σε επτά µοντέλα σκέψης, τις απόψεις των µαθητών ετών για τη θερµότητα: 1) την εµφανή, 2) τη δυναµική, 3) τη ρέουσα, 4) τη φυσιολογική, 5) την παραγόµενη, 6) την πρότυπη και 7) την τοπική. Εδώ δηλαδή και πάλι αναγνωρίζουµε την άποψη που αναφέραµε και προηγουµένως για την θερµότητα που ρέει. Οι Thomaz κ.ά. (1995), σε µια προσπάθεια διαµόρφωσης µια διδακτικής πρότασης για τα θερµικά φαινόµενα, διενήργησαν µια προκαταρκτική έρευνα σε 48 µαθητές γυµνασίου και επιβεβαίωσαν την ύπαρξη εναλλακτικών απόψεων που ήδη είχαν καταγραφεί στη βιβλιογραφία. Σχετικά µε τη θερµότητα, οι µαθητές περίπου στο 1/3 θεωρούσαν ότι η θερµότητα ή ψυχρότητα είναι µια ουσία που βρίσκεται µέσα στα αντικείµενα, οι µισοί περίπου την περιέγραψαν σαν µια αίσθηση, ενώ τα 2/3 των µαθητών θεωρούσαν ότι το υλικό από το οποίο είναι φτιαγµένο ένα αντικείµενο, έχει σαν αποτέλεσµα να εµφανίζεται σαν θερµό ή ψυχρό. Επίσης το 1/3 περίπου των µαθητών δεν είχε τη δυνατότητα να διαχωρίσει τις έννοιες θερµότητα και θερµοκρασία. Σε µια εργασία σύνοψη προγενέστερων ερευνών, η Tiberghien (1983) καταγράφει επίσης διάφορα µοντέλα απόψεων των µαθητών για τη θερµότητα. Οι µαθητές ηλικίας από ετών θεωρούν ότι: η θερµότητα είναι αναγκαία για την ύπαρξη της ζωής και επίσης την χαρακτηρίζουν ως µια αίσθηση. Στο γυµνάσιο (12-16 ετών), οι απόψεις που κατέγραψε η έρευνα ήταν ότι η θερµότητα ταυτίζεται µε την ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 11

24 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ πηγή και µε κάποιο σώµα που έχει υψηλή θερµοκρασία. Επίσης στην ίδια ηλικιακή περιοχή, χαρακτηρίζεται ως το αίτιο µεταβολής της φυσικής κατάστασης των σωµάτων, ως µια µορφή ενέργειας, αλλά και να συνδέεται µε την κίνηση των µορίων του σώµατος. Πάντως, καταγράφεται επίσης η κοινή δυσκολία διαχωρισµού µεταξύ θερµότητας και θερµοκρασίας (10-16 ετών), όπως και η αντίληψη ότι η θερµοκρασία αποτελεί το µέτρο µέτρησης της θερµότητας. Οι Σκουµιός & Χ Νικήτα (2000), αρχικά έκαναν µια επισκόπηση της διεθνούς βιβλιογραφίας προκειµένου να διαµορφώσουν, µέσα από τις καταγεγραµµένες αντιλήψεις και εννοιολογικές δυσκολίες των µαθητών δηµοτικού, γυµνασίου και λυκείου, ένα περιορισµένο αριθµό µοντέλων, που να συνδυάζουν τις αντιλήψεις των µαθητών για τη θερµότητα και τη θερµοκρασία, µε τις κατηγορίες εξήγησης που χειρίζονται οι µαθητές για τα θερµικά φαινόµενα. Με την λογική αυτή κατέληξαν στη διαµόρφωση τριών µοντέλων σκέψης των µαθητών, τα οποία έχουν συνοπτικά, τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Μοντέλο (Ι). Η θερµότητα εµφανίζει χαρακτηριστικά ουσίας. Εµφανίζεται µε δυο οντότητες (θερµότητα-ψύχος). Η συνολική θερµότητα ενός (κλειστού) συστήµατος, µπορεί να µεταβάλλεται. Αιτία της ροής θερµότητας είναι το θερµό (ή ψυχρό) σώµα, και οι εξηγήσεις δίνονται µε όρους δράσης του ενός σώµατος πάνω στο άλλο. Η θερµοκρασία ενός σώµατος εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του ή το υλικό του, συνδέεται µε την ένταση της θερµότητας (η ψυχρότητας), ενώ το άθροισµα θερµοκρασιών ενός συστήµατος µπορεί να µεταβάλλεται. Η θερµική ισορροπία εµφανίζεται ως µια πιθανή κατάσταση. Μοντέλο (ΙΙ). Η θερµότητα εµφανίζει χαρακτηριστικά ουσίας. Εµφανίζεται µε δυο οντότητες (θερµότητα-ψύχος). Η συνολική θερµότητα ενός (κλειστού) συστήµατος, διατηρείται. Αιτία της ροής θερµότητας είναι το θερµό (ή ψυχρό) σώµα, και οι εξηγήσεις δίνονται µε όρους δράσης του ενός σώµατος πάνω στο άλλο. Η θερµοκρασία ενός σώµατος εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του ή το υλικό του, συνδέεται µε την ποσότητα της θερµότητας (η ψυχρότητας), ενώ το άθροισµα θερµοκρασιών ενός συστήµατος διατηρείται. Η θερµική ισορροπία εµφανίζεται ως µια πιθανή κατάσταση. Μοντέλο (ΙΙΙ). Η θερµότητα εµφανίζει χαρακτηριστικά ουσίας. Εµφανίζεται ως µία οντότητα (θερµότητα). Η συνολική θερµότητα ενός (κλειστού) συστήµατος, µπορεί διατηρείται. Αιτία της ροής θερµότητας είναι η διαφορά θερµοκρασίας, και οι εξηγήσεις δίνονται µε όρους αλληλεπίδρασης των σωµάτων. Η θερµοκρασία ενός σώµατος εξαρτάται από το περιβάλλον του, συνδέεται µε την ποσότητα της θερµότητας ανά µονάδα µάζας, ενώ το άθροισµα θερµοκρασιών ενός συστήµατος µπορεί να µεταβάλλεται. Η θερµική ισορροπία εµφανίζεται ως µια αναγκαία κατάσταση. Σχολιάζοντας τα παραπάνω µοντέλα, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το µοντέλο (Ι) εµφανίζεται κυρίως να υποστηρίζεται από µαθητές του δηµοτικού και γυµνασίου, ενώ το µοντέλο (ΙΙ) υποστηρίζεται από µαθητές γυµνασίου και λυκείου. Το µοντέλο (ΙΙΙ), που είναι και πιο κοντά στο επιστηµονικό, εµφανίζεται πιο σπάνια από τα δυο πρώτα, κυρίως σε µαθητές λυκείου. Σε µετέπειτα έρευνά τους οι ίδιοι ερευνητές (Σκουµιός & Χ"Νικήτα, 2002), χρησιµοποίησαν την παραπάνω εργασία, προκειµένου να διερευνήσουν τις απόψεις των ελλήνων µαθητών δηµοτικού και να διαµορφώσουν αντίστοιχα µοντέλα σκέψης µαθητών σχετικά µε έργα θέρµανσης και µόνωσης. Στη νέα αυτή έρευνα, η οποία 12

25 Ι. Λεύκος, 2011 πραγµατοποιήθηκε µε συνεντεύξεις σε 30 µαθητές της Στ τάξης (11-12 ετών), έλαβαν επίσης υπόψη και το πλαίσιο, δηλαδή παράγοντες από τους οποίους µπορεί να εξαρτώνται οι αντιλήψεις των µαθητών. Για παράδειγµα διερευνήθηκε αν οι απόψεις των µαθητών µπορεί να επηρεάζονται από (α) τη θερµοκρασία των σωµάτων (β) τη θερµοκρασία του περιβάλλοντός τους (γ) την ύπαρξη επαφής µεταξύ των σωµάτων (δ) τον τρόπο θέρµανσής τους και (ε) την ύπαρξη µονωτικού υλικού. Από την έρευνα αυτή κατέληξαν στο συµπέρασµα ότι υπάρχουν αντιλήψεις οι οποίες είναι ανεξάρτητες πλαισίου, αλλά υπάρχουν και αντιλήψεις οι οποίες επηρεάζονται από το πλαίσιο των έργων. Τελικά, οι ερευνητές πρότειναν τη διαµόρφωση των απόψεων σε πέντε µοντέλα σκέψης, τρία από τα οποία αφορούν καταστάσεις θέρµανσης (Θ1, Θ2, Θ3) και δυο αφορούν καταστάσεις µόνωσης (Μ1, Μ2). Πάντως, τα πέντε αυτά µοντέλα, φαίνεται πως είναι εξειδικεύσεις της κατηγορίας (Ι) των µοντέλων στην πρώτη έρευνα των ίδιων ερευνητών (Σκουµιός & Χ"Νικήτα, 2000), το οποίο όπως είχαµε αναφέρει αντιστοιχεί στις απόψεις των µαθητών του δηµοτικού. Επιβεβαιώνεται µε άλλα λόγια η αντιστοιχία που υπάρχει µεταξύ των απόψεων που συγκεντρώνονται στη διεθνή βιβλιογραφία, µε τις απόψεις που καταγράφονται στους έλληνες µαθητές του δηµοτικού σχολείου Απόψεις των µαθητών γυµνασίου για τη θερµοκρασία Σύµφωνα µε τον Erickson (1979), σε έρευνα που έκανε σε 12χρονους µαθητές, η θερµοκρασία θεωρείται από τους µαθητές σαν µια µείξη του θερµού και του ψυχρού µέσα σε ένα αντικείµενο, ή σαν το µέτρο του ποσού θερµότητας που κατέχει ένα αντικείµενο. Επίσης επισηµαίνει ότι πολλά παιδιά πιστεύουν πως η θερµοκρασία ενός σώµατος σχετίζεται µε τον όγκο ή την µάζα του και το µέγεθός του. Για παράδειγµα, σε ένα έργο που τους παρουσίασε ένα µικρό και ένα µεγάλο παγάκι που λιώνουν σε διαφορετικό χρονικό διάστηµα, οι µαθητές διατύπωσαν την ερµηνεία ότι το µεγάλο παγάκι έχει πιο κρύα θερµοκρασία από το µικρό, γι αυτό και λειώνει πιο αργά. Θεωρεί εξάλλου πολύ σηµαντική αυτή την άποψη διότι πιστεύει πως βρίσκεται εδώ η ρίζα της δυσκολίας στη διαφοροποίηση µεταξύ των εννοιών της θερµοκρασίας και της θερµότητας. Σηµειώνει δε, ότι ο διαχωρισµός των εννοιών αυτών είναι ένα από τα πιο δύσκολα έργα για τους µαθητές. Τέλος, η καθηµερινή επαφή των µαθητών µε διάφορα αντικείµενα, τους οδηγεί στην εντύπωση ότι η θερµοκρασία είναι µια φυσική ιδιότητα που σχετίζεται µε το είδος του υλικού, καθώς η εµπειρία τους προσανατολίζει στο να πιστέψουν ότι κάποια αντικείµενα ή υλικά είναι πιο κρύα ή πιο ζεστά από κάποια άλλα. Στην έρευνα των Thomaz κ.ά. (1995), που αναφέραµε και προηγουµένως, καταγράφονται παρόµοιες απόψεις των µαθητών γυµνασίου (Ν=48) σχετικά µε τη θερµοκρασία. Τα ευρήµατα δείχνουν ότι όλοι σχεδόν οι µαθητές θεωρούν ότι η θερµοκρασία είναι µια ιδιότητα που οφείλεται στο υλικό κατασκευής του αντικείµενου, ενώ περίπου οι µισοί θεωρούν ότι είναι το µέτρο της θερµότητας ενός σώµατος. Επίσης το 1/3 των µαθητών θεωρεί ότι η θερµοκρασία είναι συνάρτηση της θερµότητας, ενώ κάποιοι πίστευαν ακόµη και ότι η θερµοκρασία µπορεί να µεταφέρεται. ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 13

26 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ 3.3. Απόψεις των µαθητών γυµνασίου για τη θερµική ισορροπία Πολλές µελέτες που αφορούν τα θερµικά φαινόµενα σχετίζονται µε έργα ή καταστάσεις θερµικής ισορροπίας, όπως η ανάµειξη κρύου και ζεστού νερού. Οι µαθητές συνήθως απαντούν ότι το νερό θα είναι στο τέλος ζεστό ή χλιαρό. Όταν όµως δίνονται συγκεκριµένες θερµοκρασίες, οι σωστές απαντήσεις είναι πολύ λιγότερες. (R. Driver, et al., 1998). Σε έρευνα των Duit & Kessidoy (1988) µε συνεντεύξεις σε 14 µαθητές ετών, που είχαν ήδη περάσει από µια 4ετή τυπική εκπαίδευση στις φυσικές επιστήµες, διαπιστώθηκε ότι σε ποσοστό περίπου 80% οι µαθητές εµφάνισαν παρανοήσεις σχετικά µε φαινόµενα θερµικής ισορροπίας. Θεωρούσαν δηλαδή ότι όταν δυο σώµατα που έχουν αρχικά διαφορετική θερµοκρασία, έρχονται σε επαφή, δε θα αποκτήσουν κοινή τελική θερµοκρασία. Συγκεκριµένα σε έργα που τους παρουσιάστηκαν µέσα από σκίτσα όπου ένα θερµό κοµµάτι µέταλλο τοποθετείται µέσα σε ένα ποτήρι κρύο νερό, ρωτήθηκαν αν ήταν δυνατό να συνεχίζεται η διαδικασία µεταφοράς θερµότητας από το αρχικώς θερµό σώµα προς το αρχικών ψυχρό, ακόµη και µετά από την εξισορρόπηση των θερµοκρασιών τους. Αν δηλαδή το στάδιο της ισορροπίας είναι µια τελική κατάσταση, ή µπορεί να συνεχιστεί µε αποτέλεσµα να αντιστραφούν οι αρχικές θερµοκρασίες. Μόνο 2 από τους 14 µαθητές απάντησαν µε σιγουριά ότι η θερµοκρασιακή ισορροπία αποτελεί µια τελική κατάσταση. Όλοι οι υπόλοιποι είχαν την άποψη ότι είναι πιθανό ή ότι µπορεί και να συµβεί ή ότι επιτυγχάνεται µέσα από µια διαδικασία παλινδροµήσεων, σαν το εκκρεµές. Παρανοήσεις διαπιστώθηκαν επίσης σχετικά µε το ρόλο του περιβάλλοντα αέρα µέσα στο δωµάτιο. Στο έργο που αναφέραµε πριν, πολλοί θεώρησαν την αλληλεπίδραση µε τον αέρα ισχυρότερη από ότι την αλληλεπίδραση µεταξύ µετάλλου και νερού. Άλλοι πάλι, µπορούσαν να περιγράψουν τον αέρα σαν ένα µέσο ψύξης ενός σώµατος, αλλά δεν µπορούσαν να δεχτούν ότι µπορεί επίσης να θερµάνει ένα σώµα, όταν αυτό βρίσκεται σε χαµηλότερη από το περιβάλλον θερµοκρασία. Σε µια µετέπειτα παρόµοια στη µεθοδολογία, αλλά πιο διευρυµένη, έρευνα/ παρέµβαση των ίδιων ερευνητών (Kesidou & Duit, 1993), σε ένα πληθυσµό 34 µαθητών ηλικίας ετών µε το ίδιο γνωστικό υπόβαθρο που αναφέρθηκε πριν, οι διαπιστώσεις από τις κλινικές συνεντεύξεις ήταν παρόµοιες. Περίπου 53% των µαθητών εµφάνισαν εναλλακτικές απόψεις τουλάχιστο σε ένα από τα έργα που αφορούσαν τις καταστάσεις θερµικής ισορροπίας. Είχαν την άποψη δηλαδή ότι η διαφορά θερµοκρασίας µεταξύ των δυο σωµάτων θα παραµείνει ή ότι µπορεί να συµβεί αυθόρµητα, ακόµη και µετά από την επίτευξη θερµικής ισορροπίας των σωµάτων, αν και δήλωσαν ότι η διαφορά θα είναι πιο µικρή από την αρχική. Η πιο συχνή δικαιολογία ήταν ότι αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι αλληλεπιδρούν δυο διαφορετικά µεταξύ τους υλικά. Κάποιοι µαθητές (6/34) επίσης, είχαν την άποψη ότι η διαδικασία της αλλαγής θερµοκρασίας, µπορεί να συνεχίζεται προς την ίδια κατεύθυνση και µετά από την ισορροπία, λόγω µιας ιδιότητας ορµής που εµφανίζει η θερµότητα, όπως εξάλλου είχε διαπιστωθεί και στην προηγούµενη έρευνα τους. Σηµαντικό επίσης είναι το γεγονός ότι ακόµη και οι µαθητές που φαίνεται να υποστηρίζουν την επιστηµονικά αποδεκτή άποψη, ότι δηλαδή το φαινόµενο σταµατά µετά την επίτευξη της ισορροπίας, οι εξηγήσεις τους φαίνεται πως απέχουν πολύ από αυτές των φυσικών. Για παράδειγµα δεν είναι σαφές για τους µαθητές, ποια οντότητα είναι αυτή που ισορροπείται: η θερµοκρασία, η θερµότητα ή η ενέργεια. 14

27 Ι. Λεύκος, 2011 Στην προκαταρκτική έρευνα σε 48 µαθητές γυµνασίου οι Thomaz κ.ά. (1995), σε µια προσπάθεια διαµόρφωσης µια διδακτικής πρότασης για τα θερµικά φαινόµενα, επιβεβαίωσαν την ύπαρξη εναλλακτικών απόψεων που ήδη είχαν καταγραφεί στη βιβλιογραφία. Σχετικά µε την θερµική ισορροπία, οι µαθητές σε πολύ µεγάλο ποσοστό (91,7%), απάντησαν ότι αντικείµενα που βρίσκονται πολύ ώρα σε επαφή µε το περιβάλλον ενός δωµατίου, δεν είναι απαραίτητο να έχουν την ίδια θερµοκρασία, αλλά ότι η θερµοκρασία τους εξαρτάται από το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασµένα. Το ποσοστό αυτό βέβαια έπεσε αρκετά χαµηλά (20,8%), µετά από τη διδασκαλία. Με έργα και συνεντεύξεις που σχετίζονται µε καταστάσεις θερµικής ισορροπίας, ασχολήθηκαν επίσης και οι Lewis & Linn (1994), σε µια έρευνα που είχε σκοπό να βρει τις οµοιότητες και διαφορές µεταξύ των απόψεων των εφήβων, των µη ειδικών και των ειδικών (µε µεταπτυχιακό ή διδακτορικό στις φυσικές επιστήµες) ενηλίκων. Η έρευνα είχε τόσο διαγνωστικό όσο και παρεµβατικό χαρακτήρα. Το δείγµα των εφήβων αποτελούσαν 32 µαθητές ηλικίας ετών. Σε δυο πολύ χαρακτηριστικά έργα τα οποία συζητήθηκαν στη συνέντευξη, αφορούσαν τις θερµοκρασίες που θα παρατηρούσαµε (α) αν αφήναµε µια µεταλλική πλάκα και ένα πιάτο από αφρολέξ (Styrofoam) στο ίδιο δωµάτιο και (β) αν τοποθετούσαµε ένα µεταλλικό και ένα ξύλινο κουτάλι µέσα σε φούρνο θερµοκρασίας 65 ο C για δυο ώρες. Η άποψη που φαίνεται να κυριαρχεί στις απαντήσεις των µαθητών, είναι ότι το µέταλλο έχει την ιδιότητα να εντείνει τη θέρµανση ή την ψύξη. Το 53% των µαθητών απάντησε ότι το µεταλλικό κουτάλι θα πάρει θερµοκρασία ψηλότερη από του φούρνου ενώ το 36% απάντησε µε παρόµοιο τρόπο για το ξύλινο κουτάλι. Η αιτιολόγηση που έδιναν ήταν συνήθως (43%) ότι το µέταλλο κρατά ή απορροφά την θερµότητα. Για το ξύλινο κουτάλι οι περισσότεροι θεώρησαν ότι θα αποκτήσει όµοια ή χαµηλότερη θερµοκρασία από αυτή του φούρνου. Σε αντιστοιχία µε την προηγούµενη κυρίαρχη άποψη βρίσκονται και οι απαντήσεις για τε έργο µε τη µεταλλική πλάκα και το πιάτο. Το 70,2% των µαθητών θεώρησε ότι τα υλικά θα έχουν διαφορετικές θερµοκρασίες και ότι το µέταλλο θα είναι πιο κρύο. Πάντως η βελτίωση που παρατηρήθηκε µετά από την παρέµβαση ήταν πολύ σηµαντική όπως αναφέρουν οι ερευνητές. Απόψεις για τη θερµική ισορροπία όπως αυτές που συγκεντρώσαµε στην παρούσα παράγραφο, διαπιστώθηκαν και στην επισκόπηση που έκαναν οι Σκουµιός & Χ Νικήτα (2000), οι οποίοι συνοψίζοντας διατυπώνουν το ακόλουθο συµπέρασµα: ή θερµική ισορροπία θεωρείται από τους µαθητές κυρίως του δηµοτικού και γυµνασίου, ως µια κατάσταση πιθανή ή δυνατή, και όχι ως µια αναγκαιότητα. Όταν µιλούν για θερµική ισορροπία, πρόκειται µάλλον για εξίσωση των θερµοτήτων των σωµάτων στο επίπεδο είτε των εντάσεών τους, είτε των ποσοτήτων τους. 4. Τα θερµικά φαινόµενα στο Πρόγραµµα Σπουδών Β Γυµνασίου Η διδασκαλία των θερµικών φαινοµένων απαντάται διεθνώς, στα περισσότερα (αν όχι όλα) Προγράµµατα Σπουδών για τις Φυσικές Επιστήµες τόσο στην Α /βάθµια, όσο και στη Β /βάθµια Εκπαίδευση (Erickson & Tiberghien, 1985). Σε κάποιες περιπτώσεις, αποτελεί το αρχικό κεφάλαιο των εγχειριδίων της Φυσικής του Γυµνασίου, όπως και στην Ελλάδα όπου για πολλά χρόνια και µέχρι πρόσφατα που διενεργήθηκε η παρούσα έρευνα ήταν το αρχικό κεφάλαιο στη Φυσική Β Γυµνασίου ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 15

28 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ (Αντωνίου, ηµητριάδης, Παπαµιχάλης, & Παπατσίµπα, 2000), καθώς η Φυσική δε διδάσκεται στην Α τάξη και οι µαθητές έρχονται µε όσα αποκόµισαν στις τελευταίες τάξεις του ηµοτικού. Το γεγονός αυτό αποτελεί ένδειξη της µεγάλης σηµασίας που προσδίδεται στη θεµατική αυτή περιοχή, στη διδασκαλία και µάθηση της σχολικής φυσικής. Κι αυτό συµβαίνει διότι, οι µαθητές µελετώντας τα θερµικά φαινόµενα, εισάγονται, όχι µόνο στην εκµάθηση των σχετικών φυσικών εννοιών, αλλά και ευρύτερα στην εξάσκηση των πειραµατικών διαδικασιών και γενικότερα στον επιστηµονικό τρόπο σκέψης και διερεύνησης των φυσικών φαινοµένων. Πολλοί είναι οι λόγοι για την σηµασία που δίνεται στα θερµικά φαινόµενα στη σχολική φυσική, µε αποτέλεσµα να έχει τέτοια διάχυση µέσα σε όλες τις βαθµίδες της εκπαίδευσης. Πρώτα απ όλα, αποτελεί ένα από τα κλασσικά κεφάλαια φυσικής, µαζί µε την Μηχανική, τον Ηλεκτρισµό και την Οπτική. Από την άλλη η επαφή των µαθητών µε τα θερµικά φαινόµενα είναι διαρκής και σε καθηµερινή βάση. Από τη θερµοµέτρηση της θερµοκρασίας του σώµατός τους, ως το µαγείρεµα στην κουζίνα και τη θερµοκρασία του νερού στο µπάνιο τους, οι µαθητές από τη βρεφική τους ακόµη ηλικία αποκτούν εµπειρίες - καµιά φορά δυσάρεστες σχετικές µε θερµικές ανταλλαγές. Και δεν πρέπει φυσικά να παραλείψουµε την αναφορά των καιρικών φαινοµένων που αποτελούν επίσης πηγή συνεχών βιωµάτων. Ένας ακόµη λόγος εξάλλου, ειδικά στη σηµερινή εποχή, είναι οι πολλαπλές τεχνολογικές εφαρµογές καθηµερινού ενδιαφέροντος, που βασίζονται στα θερµικά φαινόµενα. 16

29 Πίνακας 1. Τα θερµικά φαινόµενα στο Πρόγραµµα Σπουδών Β' Γυµνασίου (Κατά τη διάρκεια διεξαγωγής της έρευνας) και οι ασκήσεις των εγχειριδίων Εργαστηριακών Οδηγών από τις δυο συγγραφικές οµάδες. ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥ ΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ - ΕΓΧΕΙΡΙ ΙΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΥ Ο ΗΓΟΥ ΕΝΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΒΑΣΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟΥ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟΙ ΣΤΟΧΟΙ Συγγρ. Οµάδα: Αντωνίου κ.ά. 1 Συγγρ. Οµάδα: Καραπαναγιώτης κ.ά. 1. ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ. -Θερµοκρασία και θερµότητα. Μονάδες C 0 και Κ. Θερµότητα και θερµική (θερµοκρασιακή) ισορροπία. Μονάδα joule και cal. 2. ΘΕΡΜΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ - ιαστολή- συστολή στερεών και υγρών και εξάρτησή της στα στερεά από το αρχικό µήκος και τη φύση του υλικού. -Ο βρασµός, η τήξη και η πήξη ως φαινόµενα αλλαγής φάσεων και έµφαση στο γεγονός ότι κατά τη διάρκειά τους, η θερµοκρασία παραµένει σταθερή. -Το σηµείο ζέσεως ως δείκτης καθαρότητας ενός σώµατος. -Αναφορά στα σηµεία τήξης και σηµεία πήξης των σωµάτων. 3. Η ΙΑ ΟΣΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ. - ιάδοση της θερµότητας µε αγωγή, ρεύµατα, ακτινοβολία, µέσω εφαρµογών. Οι µαθητές: -Nα χρησιµοποιούν τη θερµοκρασία ως µέγεθος που εκφράζει τη θερµική κατάσταση ενός σώµατος και την θερµότητα ως ποσό της ενέργειας που δίνεται από το θερµό στο ψυχρό σώµα, όταν βρίσκονται σε θερµική επαφή. Οι µαθητές: Να παρατηρούν και να περιγράφουν θερµικά φαινόµενα(διαστολή, συστολή, βρασµός, τήξηπήξη) και να µετρήσουν τις αντίστοιχες θερµοκρασίες. Οι µαθητές: -Να διακρίνουν τους τρόπους διάδοσης της θερµότητας σε καθηµερινές εφαρµογές. 1. Εξίσωση Θερµιδοµετρίας 2. Μεταφορά της Θερµότητας µε Αγωγιµότητα - Θερµική Ισορροπία 3. Θερµική ιαστολή και Συστολή 4. Μετατροπή Υγρού σε Αέριο - Βρασµός 5. Μεταφορά Θερµότητας µε Ακτινοβολία 1. Βαθµονόµηση Θερµοµέτρου 2. Θερµότητα και Μεταβολή Θερµοκρασίας 3. Η Βασική Εξίσωση της Θερµιδοµετρίας 4. Μελέτη της Θερµικής ιαστολής 5. Τήξη και Πήξη 6. Μελέτη του Βρασµού 7. Μελέτη της Εξάτµισης 8. Θερµότητα και Ακτινοβολία 1 (Αντωνίου, et al., 2000; Καραπαναγιώτης, Παπασταµατίου, Φέρτης, & Χαλέτσος, 1998)

30 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ 4.1. Βασικές έννοιες και φαινόµενα από την περιοχή της Θερµότητας Παρακάτω κάνουµε µια σύντοµη αναφορά στις βασικότερες έννοιες που αφορούν στη διδασκαλία των θερµικών φαινοµένων (Hewitt, 2002): Η ύλη αποτελείται από άτοµα και µόρια που βρίσκονται σε µια διαρκή τυχαία και χαοτική κίνηση, την οποία ονοµάζουµε θερµική κίνηση. Λόγω της κίνησης αυτής, όλα τα υλικά σώµατα έχουν κάποια Θερµική Ενέργεια. Όσο µεγαλύτερη είναι η τυχαία αυτή κινητική ενέργεια των µορίων, τόσο θερµότερο είναι το σώµα. Εκτός από την κινητική ενέργεια τα µόρια των σωµάτων έχουν ενέργεια και σε άλλες µορφές, κυρίως δυναµική, µέσα και ανάµεσα στα µόρια, που επηρεάζει τις θερµικές ιδιότητες των σωµάτων. Το σύνολο όλων των ενεργειών αυτών ονοµάζεται Εσωτερική Ενέργεια. Θερµοκρασία είναι το µέτρο της τυχαίας µεταφορικής κίνησης των µορίων ενός σώµατος, για την ακρίβεια, είναι το µέτρο της µέσης κινητικής ενέργειάς τους. Όταν δυο σώµατα διαφορετικής µάζας έχουν ίδια θερµοκρασία, τότε τα µόριά τους έχουν ίδια µέση κινητική ενέργεια, αυτό όµως που έχει περισσότερη ποσότητα ύλης (άρα και µόρια), θα έχει και περισσότερη Θερµική Ενέργεια. Κυριότερο χαρακτηριστικό της θερµικής ενέργειας είναι ότι αν φέρουµε δυο σώµατα σε επαφή, τότε θα υπάρξει ροή θερµικής ενέργειας από το σώµα µε τη µεγαλύτερη θερµοκρασία προς το σώµα µε τη µικρότερη θερµοκρασία. Η ροή αυτή θα σταµατήσει όταν οι θερµοκρασίες των σωµάτων εξισωθούν, οπότε αποκαθίσταται µεταξύ τους Θερµική Ισορροπία. Αυτό δεν σηµαίνει ότι τα σώµατα αποκτούν την ίδια θερµική ενέργεια, παρά µόνο ότι αποκτούν την ίδια θερµοκρασία. Η Θερµική Ενέργεια που µεταφέρεται από ένα σώµα προς ένα άλλο εξαιτίας της διαφοράς θερµοκρασίας τους, ονοµάζεται Θερµότητα. Η θερµότητα δηλαδή ρέει, ενώ η Θερµική Ενέργεια, όχι απαραίτητα. Η θερµοµέτρηση, δηλαδή η µέτρηση της θερµοκρασίας ενός σώµατος, βασίζεται στη θερµική ισορροπία µεταξύ θερµοµέτρου και σώµατος. Στην πραγµατικότητα αυτό που µας δείχνει δηλαδή το θερµόµετρο, είναι η δική του θερµοκρασία, που ισούται όµως και µε τη θερµοκρασία του σώµατος, από τη στιγµή που έχουν ισορροπήσει θερµοκρασιακά. Η µέτρηση, από την άλλη µεριά, των ποσών θερµότητας, γίνεται µέσω µιας µεταβολής που συνοδεύει τη διαδικασία µεταφοράς της. Συνήθως ως µονάδα θερµότητας χρησιµοποιείται η θερµίδα που είναι αντίστοιχη µε: "το ποσό θερµότητας που απαιτείται για να µεταβληθεί η θερµοκρασία ενός γραµµαρίου νερού, κατά ένα βαθµό Κελσίου". Οι διάφορες ουσίες έχουν διαφορετική ικανότητα να αποθηκεύουν εσωτερική ενέργεια, ανάλογα µε τη φύση τους. Για παράδειγµα µια κατσαρόλα νερό χρειάζεται περίπου 15 λεπτά για να φτάσει από τη θερµοκρασία δωµατίου σε θερµοκρασία βρασµού, ενώ ίδια ποσότητα σιδήρου στη ίδια φωτιά χρειάζεται µόνο 2 λεπτά περίπου για την ίδια αύξηση της θερµοκρασίας της. Λέµε ότι ο σίδηρος έχει µικρότερη ειδική θερµότητα από το νερό. Ειδική θερµότητα µιας ουσίας είναι το ποσό θερµότητας που απαιτείται για να αυξηθεί η θερµοκρασία της µονάδας µάζας της κατά ένα βαθµό. Η ειδική θερµότητα επηρεάζει όχι µόνο τη θέρµανση των ουσιών, αλλά και τη ψύξη τους. Η θερµότητα είπαµε ότι έχει την ιδιότητα να µεταφέρεται από το θερµό σώµα στο πιο κρύο. Η µεταφορά αυτή γίνεται µε τρεις τρόπους: µε αγωγή, µε ρεύµατα και µε ακτινοβολία 18

31 Ι. Λεύκος, 2011 o Η αγωγή αφορά τη διάδοση της θερµότητας από µόριο σε µόριο, του ίδιου ή διαφορετικού σώµατος (όταν αυτά βρίσκονται σε επαφή). Η καλή αγωγή της θερµότητας σε ένα σώµα, εξαρτάται από τον ηλεκτρικό δεσµό της µοριακής δοµής του. Υπάρχουν έτσι σώµατα που είναι καλοί αγωγοί και άλλα που είναι κακοί αγωγοί (ή µονωτές). o Η διάδοση θερµότητας µε ρεύµατα, αφορά τα αέρια και τα υγρά, αφού σε αυτά µόνο η µάζα τους ρέει. o Η διάδοση της θερµότητας µε ακτινοβολία, γίνεται ακόµα και απουσία υλικού σώµατος, δηλαδή ακόµα και στο κενό. Για την ακρίβεια, η θερµική ενέργεια ενός σώµατος που ακτινοβολεί, µετατρέπεται σε ακτινοβολούµενη ενέργεια και διαδίδεται στο χώρο. Όταν πέσει αυτή πάνω σε ένα σώµα, µετατρέπεται και πάλι σε θερµική ενέργεια. Όλα τα σώµατα ακτινοβολούν συνεχώς ενέργεια. Ταυτόχρονα όµως και απορροφούν συνεχώς ενέργεια. Το κατά πόσο ένα σώµα θα ψύχεται ή θα θερµαίνεται λόγω της ακτινοβολίας, εξαρτάται από το αν εκπέµπει περισσότερη ενέργεια από όση απορροφά ή το αντίθετο. Ο ρυθµός µε τον οποίο ένα σώµα εκπέµπει ή απορροφά ακτινοβολία, εξαρτάται από τη φύση του και από τη διαφορά θερµοκρασίας του µε το περιβάλλον. Ένα φαινόµενο που έχει άµεση σχέση µε την θερµική κατάσταση των σωµάτων, είναι η αλλαγή της φυσικής τους κατάστασης. Η ύλη υπάρχει σε τέσσερις καταστάσεις: την στερεή, την υγρή, την αέρια και του πλάσµατος. Οποιοδήποτε σώµα µπορεί να βρεθεί σε οποιαδήποτε από τις καταστάσεις αυτές, αρκεί να πληρούνται ορισµένες συνθήκες, που αφορούν τη θερµοκρασία ή τη πίεση. Η αλλαγή για παράδειγµα από τη µια κατάσταση στην άλλη, µε τη σειρά που αναφέρθηκαν, απαιτεί αύξηση της θερµοκρασίας. Κυριότερα φαινόµενα αλλαγής φυσικής κατάστασης είναι: o Η Εξάτµιση: µεταβολή κατάστασης στην επιφάνεια ενός υγρού, που γίνεται ατµός. Έχει σαν αποτέλεσµα την ψύξη του υγρού. o Ο Βρασµός: γρήγορη εξάτµιση, που συµβαίνει τόσο µέσα στο υγρό, όσο και στη επιφάνειά του. Το υγρό τότε ψύχεται, όπως και στη εξάτµιση. o Η Τήξη: µεταβολή κατάστασης από την στερεή στην υγρή µορφή. Για να συµβεί, η ουσία χρειάζεται να απορροφήσει ενέργεια. o Η Πήξη: µεταβολή κατάστασης από την υγρή στην στερεή µορφή. Το αντίθετο της τήξης. Όταν συµβαίνει, η ουσία ελευθερώνει ενέργεια Η διδασκαλία των θερµικών φαινοµένων στο Πρόγραµµα Σπουδών του Γυµνασίου Όπως είπαµε παραπάνω, η διδασκαλία των θερµικών φαινοµένων διατρέχει όλο το ελληνικό Αναλυτικό Πρόγραµµα από το ηµοτικό µέχρι το Λύκειο (Π.Ι., 1999). Η κύρια όµως αντιµετώπισή τους (το χρονικό διάστηµα διεξαγωγής της παρούσας έρευνας), τόσο θεωρητικά όσο και εργαστηριακά, γίνεται στη Β' τάξη του Γυµνασίου και συγκεκριµένα στη Β' Γενική Ενότητα µε τίτλο: "Θερµότητα". Η ενότητα αυτή είναι µια από τις πέντε συνολικά της Β' τάξης και το αντίστοιχο απόσπασµα του Προγράµµατος Σπουδών της τάξης αυτής, παρουσιάζεται στον προηγούµενο πίνακα (Πίνακας 1). Στον ίδιο πίνακα και σε αντιστοιχία, παρουσιάζονται οι εργαστηριακές ασκήσεις της ίδιας ενότητας, όπως εµφανίζονται στα σχολικά εγχειρίδια της τάξης αυτής, από τις δύο συγγραφικές οµάδες των οποίων τα βιβλία χρησιµοποιούνται σήµερα στα Γυµνάσια. Συγκεκριµένα, από την πρώτη ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 19

32 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ οµάδα προτείνονται πέντε (σε σύνολο 17) ασκήσεις και από τη δεύτερη οκτώ (σε σύνολο 21) ασκήσεις για την εργαστηριακή διδασκαλία των θερµικών φαινοµένων. Παρά την φαινοµενικά πλούσια σε εργαστηριακές δραστηριότητες διδασκαλία των θερµικών φαινοµένων, αν λάβουµε υπόψη την πρόταση του Π.Σ., η πραγµατικότητα στην σχολική τάξη είναι τελείως διαφορετική. Αποτελεί κοινό µυστικό το γεγονός ότι η διδασκαλία τόσο αυτού του κεφαλαίου, όσο και όλης της υπόλοιπης σχολικής φυσικής, γίνεται σε θεωρητικό κυρίως επίπεδο και µε τη µορφή διαλέξεων, τουλάχιστο σε ότι αφορά την ελληνική εκπαίδευση. Η διαπίστωση αυτή επιβεβαιώθηκε και από µια άτυπη έρευνα που διεξήγαγε ο ερευνητής κατά την προετοιµασία και το σχεδιασµό της παρούσας έρευνας σε έµπειρους 10 συναδέλφους ΠΕ04, οι οποίοι διδάσκουν φυσική στη Β Γυµνασίου σε σχολεία της Θεσσαλονίκης, της Λάρισας και της Έδεσσας. Από την έρευνα αποκοµίσαµε µια εικόνα για τη διδασκαλία της φυσικής και ειδικότερα των θερµικών φαινοµένων, η οποία βασίζεται κυρίαρχα σε διαλέξεις και πολύ µικρό αριθµό πειραµάτων επίδειξης. Ήταν προφανές δηλαδή ότι ο εργαστηριακός χαρακτήρας της διδασκαλίας και η ενεργός συµµετοχή των µαθητών σε εργαστηριακές δραστηριότητες, απουσιάζουν από τη σχολική τάξη. Με το υπόβαθρο αυτό της σχολικής πραγµατικότητας, προέβαλε ακόµη πιο έντονο το ερευνητικό ενδιαφέρον για τον σχεδιασµό την εφαρµογή και τη διερεύνηση µιας διδακτικής πρότασης που θα µπορούσε να ενσωµατώσει τους στόχους που τίθενται από το Π.Σ. για την εργαστηριακή αντιµετώπιση των θερµικών φαινοµένων, και ταυτόχρονα να είναι εύκολο να ενσωµατωθεί στην σχολική πραγµατικότητα. Καταλήξαµε έτσι µε το σκεπτικό αυτό, στην πρόταση που περιγράφεται στα επόµενα κεφάλαια, η οποία έχει έντονο εργαστηριακό χαρακτήρα, οι δραστηριότητες που προτείνονται είναι πολύ εύκολα υλοποιήσιµες. Κατά την άποψή µας, η εκτεταµένη χρήση των νέων τεχνολογιών την καθιστά πολύ απλή στην προετοιµασία και την εφαρµογή από τους δασκάλους, και ταυτόχρονα απολαµβάνει την ευρεία και µε µεγάλη ευχαρίστηση αποδοχή των µαθητών, σύµφωνα και µε τα όσα στοιχεία πήραµε από την πιλοτική εφαρµογή. 5. Προτάσεις και έρευνες για τη διδασκαλία των θερµικών φαινοµένων Στην παράγραφο αυτή θα επιχειρήσουµε µια επιλεκτική αναφορά σε έρευνες που είχαν σκοπό να µελετήσουν και να αξιολογήσουν προτάσεις διδασκαλίας σχετικές µε τα θερµικά φαινόµενα σε µαθητές γυµνασίου. Το κύριο χαρακτηριστικό των ερευνών όπως φαίνεται παρακάτω, είναι ότι αντιµετωπίζουν σαν κυρίαρχα τα φαινόµενα της θερµικής ισορροπίας. Στην περιγραφή τους, γίνεται µια συνοπτική αναφορά στο σκεπτικό, την µεθοδολογία της έρευνας, και στα ευρήµατα που προέκυψαν. i. Mια πρόταση για διδασκαλία από τους Arnold & Millar, µε τη χρήση αναλογίας Το 1996, οι Arnold & Millar (1996a), πρότειναν και διερεύνησαν τη χρήση ενός ανάλογου ροής-νερού, που παρίστανε ένα σύστηµα σε θερµική ισορροπία, για 20

33 Ι. Λεύκος, 2011 να υποστηρίξουν τη διδασκαλία των εννοιών της θερµότητας, θερµοκρασίας και θερµικής ισορροπίας σε µαθητές γυµνασίου. Σκοπός της παρέµβασης ήταν η κατανόηση το επιστηµονικού µοντέλου για τα θερµικά φαινόµενα και η διάκριση µεταξύ των εννοιών θερµότητας-θερµοκρασίας. Η βασική ιδέα πίσω από αυτή τους την πρόταση είναι ότι ζητήµατα όπως οι βασικές έννοιες των θερµικών φαινοµένων, δεν µπορούν να παρουσιαστούν αποκοµµένες η µία µετά από την άλλη, αλλά πρέπει να παρουσιαστούν µέσα σε ένα ολοκληρωµένο µοντέλο που θα είναι χρηστικό και θα έχει νόηµα για τους µαθητές. Θεωρούν ότι οι δυο βασικές έννοιες (θερµότητα, θερµοκρασία) που εµπλέκονται στην επιστηµονική ιστορία (ενν. διήγηση), είναι µεταξύ τους συνδεµένες εσωτερικά, µε τρόπο ώστε συνδυάζονται σε µια τρίτη έννοια, αυτή της θερµικής ισορροπίας. Αυτή λοιπόν η ιστορία, πρέπει να παρουσιαστεί ολοκληρωµένη στους µαθητές, προκειµένου να έχει γι αυτούς νόηµα. α) β) Εικόνα 2. (α) Το πείραµα θέρµανσης µιας ποσότητας νερού και (β) Το ανάλογο της ροής-νερού Εποµένως, αντί να παρουσιάσουν στους µαθητές κάθε έννοια χωριστά προκειµένου να επιτύχουν τον επιθυµητό διαχωρισµό µεταξύ θερµότηταςθερµοκρασίας, προτείνουν την παρουσίαση ενός ολοκληρωµένου µοντέλου, µε την βοήθεια µιας αναλογίας, των θερµικών αλληλεπιδράσεων µέσα από την κατανόηση του ποιου θα καταλήξουν σταδιακά στον επιδιωκόµενο αυτόν διαχωρισµό. Η εισαγωγή των µαθητών στο φαινόµενο, έγινε µε δυο δραστηριότητες. Η µία αφορούσε τη διεξαγωγή ενός πειράµατος (Εικόνα 2-α), όπου µια µικρή ποσότητα νερού σε ένα µεταλλικό δοχείο, θερµαίνεται µε τη βοήθεια ενός κεριού, ενώ η θερµοκρασία του καταγράφεται κάθε λεπτό µε ένα ψηφιακό θερµόµετρο. Μετά από µικρό χρονικό διάστηµα, η θερµοκρασία του νερού σταθεροποιείται, καθώς η θερµότητα που χάνει το νερό προς στο περιβάλλον, αποκτά τον ίδιο ρυθµό µε τη θερµότητα που του προσφέρεται από το κερί. Η άλλη δραστηριότητα των µαθητών αφορούσε το ανάλογο ροής-νερού (Εικόνα 2-β), το οποίο αποτελείται από ένα γυάλινο δοχείο στο οποίο µπορούν οι µαθητές να ρυθµίζουν τη ροή του εισερχόµενου και του εξερχόµενου νερού µε τη βοήθεια αντίστοιχα µιας στρόφιγγας πάνω και µιας κάτω από το δοχείο. Σκοπός τους ήταν να πετύχουν κάποιο συνδυασµό εισερχόµενης-εξερχόµενης ροής, που θα κρατά ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 21

34 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ τη στάθµη σταθερή (µια κατάσταση δηλαδή ανάλογη της θερµικής ισορροπίας στο προηγούµενο πείραµα). Μια οµάδα 12 µαθητών ηλικίας 13 ετών και µια οµάδα 10 µαθητών ηλικίας 15 ετών, αποτέλεσαν τις πειραµατικές οµάδες, οι οποίες εργάστηκαν µε το ανάλογο της ροής-νερού πριν εργαστούν µε το πείραµα θέρµανσης. Άλλες δυο οµάδες µε τα ίδια χαρακτηριστικά, αποτέλεσαν τις οµάδες ελέγχου, οι οποίες εργάστηκαν µόνο µε το πείραµα θέρµανσης. Τόσο οι πειραµατικές, όσο και οι οµάδες ελέγχου, χρησιµοποίησαν δοµηµένα φύλλα εργασίας συµπληρώνοντας ανοιχτού τύπου ερωτήσεις, ενώ όλοι οι 44 µαθητές µετά από τις δραστηριότητες πέρασαν από ατοµικές συνεντεύξεις. Στην οµάδα ελέγχου, κανείς από τους µαθητές δεν ήταν σε θέση να εξηγήσει το φαινόµενο της θέρµανσης του νερού µε επιστηµονικά αποδεκτούς όρους, ενώ επιπλέον, σχεδόν όλοι είχαν προβλέψει ότι η θερµοκρασία θα συνεχίσει να αυξάνει. Στην προσπάθεια δε να εξηγήσουν τη σταθεροποίηση της θερµοκρασίας, πολλοί (9) θεώρησαν σαν αίτιο ότι το κερί δεν έχει αρκετή ισχύ, κάποιοι (2) ότι το επηρεάζει ο αέρας και ένας ότι το θερµόµετρο δεν είναι αρκετά ευαίσθητο. Από την άλλη µεριά, οι πειραµατικές οµάδες φαίνεται πως κατανόησαν τη λειτουργία και τη λογική του ανάλογου της ροής-νερού και µπορούσαν να εξηγήσουν τη λειτουργία του. Σε σχέση µε το πείραµα θέρµανσης µε το οποίο ασχολήθηκαν στη συνέχεια, τα αποτελέσµατα φανερώνουν ότι δεν είναι πολύ εύκολη η αυθόρµητη αναφορά στην αναλογία. ηλαδή, ενώ 13 µαθητές κατάφεραν να κάνουν τη σχετική σύνδεση των δυο φαινοµένων, µόνο οι 3 (ηλικίας 15 ετών) το έκαναν αυθόρµητα, ενώ οι υπόλοιποι αφού τους το ζήτησε ο καθηγητής. Ιδίως οι µικρότεροι µαθητές (13 ετών) φαίνεται να δυσκολεύονται περισσότερο. Έτσι, οι ερευνητές καταλήγουν στο συµπέρασµα, ότι ενώ µπορεί να θεωρηθεί αρκετά πετυχηµένη η παρέµβαση που πρότειναν µε τη χρήση αναλογίας, καθώς περισσότεροι από τους µισούς µαθητές (13/22) κατάφεραν να κάνουν κατάλληλη χρήση της αναλογίας και να εξηγήσουν το πείραµα µε τη θέρµανση του νερού, ισχύουν κάποιοι περιορισµοί για την ευρύτερη χρήση των αναλογιών στη µάθηση. Οι µαθητές δεν µπορούν πολλές φορές να κάνουν την ανάλογη σύνδεση των φαινοµένων και χρειάζονται προτροπή και βοήθεια. ii. Μια πρόταση για την επίτευξη εννοιολογικής αλλαγής από τους Thomaz κ.α. Οι Thomaz κ.α. (1995), επεξεργάστηκαν ένα διδακτικό µοντέλο που σκοπό είχε την επίτευξη εννοιολογικής αλλαγής σχετικά µε τις έννοιες της θερµοκρασίας και της θερµότητας σε µαθητές γυµνασίου ετών στην Πορτογαλία. Εκτός από τα αποτελέσµατα στους µαθητές, η έρευνα αυτή φαίνεται πως είχε επίσης επιπτώσεις και στην επαγγελµατική εξέλιξη των καθηγητών του σχολείου οι οποίοι συµµετείχαν ενεργά στο εγχείρηµα. Σε πρώτη φάση δυο καθηγητές του σχολείου είχαν επανειληµµένες συναντήσεις µε τους ερευνητές, κατά τη διάρκεια των οποίων συζητήθηκε το θέµα των εναλλακτικών απόψεων των µαθητών, ενηµερώθηκαν για τη σχετική βιβλιογραφία και απέκτησαν ένα ικανοποιητικό υπόβαθρο γα το ζήτηµα αυτό. Στη συνέχεια, πριν από την έναρξη των µαθηµάτων σχετικά µε τα θερµικά φαινόµενα, οι 79 µαθητές των παραπάνω καθηγητών και άλλοι 13 από µια άλλη τάξη (οµάδα 22

35 Ι. Λεύκος, 2011 ελέγχου) του ίδιου σχολείου, απάντησαν σε διαγνωστικό ερωτηµατολόγιο µε ερωτήµατα πολλαπλής επιλογής και αιτιολόγηση των απαντήσεών τους, αλλά και µια ανοιχτού τύπου ερώτηση σχετικά µε τις έννοιες της θερµότητας και της θερµοκρασίας. Η µελέτη και ανάλυση των ερωτηµατολογίων, αποτέλεσε τη βάση για την ανάπτυξη της διδακτικής πρότασης, την οποία στη συνέχεια οι καθηγητές εφάρµοσαν στις τάξεις τους πιλοτικά, ενώ αντίστοιχο ερωτηµατολόγιο χρησιµοποιήθηκε και µετά την πιλοτική εφαρµογή. Η ίδια µεθοδολογία χρησιµοποιήθηκε και την επόµενη χρονιά στην τελική εφαρµογή, µε 48 µαθητές στην πειραµατική οµάδα και 31 στην οµάδα ελέγχου, και της οποίας τα αποτελέσµατα αναφέρει η έρευνα που περιγράφουµε. Ένα από τα βασικά ευρήµατα της ανάλυσης των διαγνωστικών ερωτηµατολογίων, ήταν ότι οι µαθητές εµφανίζουν πολύ µεγάλη δυσκολία στην αποδοχή του γεγονότος ότι διαφορετικά αντικείµενα που βρίσκονται στο ίδιο περιβάλλον για µεγάλο χρονικό διάστηµα, αποκτούν την ίδια θερµοκρασία. Παρόλο που οι καθηγητές φαίνεται πως θεωρούν το παραπάνω γεγονός ως δεδοµένο, οι µαθητές δυσκολεύονται να το αποδεχτούν διότι αποδίδουν συνήθως διαφορετικές θερµικές ιδιότητες στα αντικείµενα, ανάλογα µε το υλικό από το οποίο είναι φτιαγµένα (σε ποσοστό περίπου 92% και 97%, στην πειραµατική και την οµάδα ελέγχου αντίστοιχα). Οι ερευνητές θεωρούν σηµαντικό το εύρηµα διότι πιστεύουν ότι η έννοια της θερµικής ισορροπίας, αποτελεί το κλειδί για την κατανόηση των θερµικών φαινοµένων και αποτελεί προαπαιτούµενο για τις υπόλοιπες έννοιες της γνωστικής περιοχής. Εξάλλου και οι ορισµοί της θερµοκρασίας αλλά και της θερµότητας δίνονται µε βάση την έννοια αυτή. Αυτό δηµιουργούσε µια αντίθεση µε το περιεχόµενο των σχολικών βιβλίων (στην Πορτογαλία), τα οποία φάνηκε, µετά από σχετική ανάλυση, ότι δεν έδιναν σχεδόν καµία προσοχή στο φαινόµενο αυτό, εξετάζοντάς το σύντοµα ή και καθόλου. Έτσι οι ερευνητές αποφάσισαν να θεωρήσουν τη θερµική ισορροπία, σαν την κεντρική έννοια, µέσα από την οποία θα περιγράφονταν οι υπόλοιπες έννοιες. Η διδακτική πρόταση, βασίζεται σε ένα εποικοδοµητικό µοντέλο που προωθεί την εννοιολογική αλλαγή, έχει διάρκεια δέκα µαθηµάτων και περιλαµβάνει όσο θεωρητικά όσο και εργαστηριακά µέρη στα οποία οι µαθητές έρχονται αντιµέτωποι µε κάποια αντι-διαισθητικά πειραµατικά αποτελέσµατα. Αν και η έρευνα αναφέρεται και σε αποτελέσµατα που αφορούν την επαγγελµατική βελτίωση των καθηγητών, εδώ θα αναφέρουµε µόνο όσα αφορούν τους µαθητές, καθώς αυτά σχετίζονται µε την εργασία µας. Όπως είπαµε και πριν, η διαγνωστική έρευνα αποκάλυψε τις δυσκολίες που έχουν οι µαθητές στην κατανόηση των θερµικών φαινοµένων και τα ευρήµατα αυτά όπως αναφέρουν και οι ερευνητές, είναι σύµφωνα µε την υπάρχουσα βιβλιογραφία. Φαίνεται όµως ότι µετά την προτεινόµενη διδασκαλία, οι δυσκολίες αυτές σε µεγάλο ποσοστό άρθηκαν στην πειραµατική οµάδα. Αντίθετα στην οµάδα ελέγχου που ακολούθησε συµβατική µέθοδο διδασκαλίας, οι δυσκολίες αυτές συνέχισαν να υπάρχουν, ενώ σε κάποιες περιπτώσεις παρατηρήθηκε ακόµη και αύξησή τους. Χαρακτηριστικό είναι το παράδειγµα της εναλλακτικής άποψης ότι η θερµότητα είναι µια αίσθηση, όπου ενώ τα ποσοστά στην πειραµατική οµάδα ήταν 41,7% πριν και 14,6% µετά τη διδασκαλία, στην οµάδα ελέγχου τα ποσοστά ήταν 25,8% πριν και 66,7% µετά από τη διδασκαλία. Αντίστοιχη περίπτωση αποτελεί και η άποψη ότι θερµοκρασία είναι κάτι που µπορεί να µεταφέρεται από το ένα σώµα στο άλλο. ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 23

36 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ηλαδή η συµβατική διδασκαλία είναι πιθανό να ενισχύει τις εναλλακτικές αντιλήψεις των µαθητών. Συµπερασµατικά αναφέρουν οι ερευνητές ότι η διδακτική τους πρόταση θεωρείται επιτυχηµένη, διότι κατάφεραν να προκαλέσουν αλλαγή στις απόψεις των µαθητών τους, σε βασικές έννοιες των θερµικών φαινοµένων, προς µια πιο επιστηµονική εξήγηση, και ιδιαίτερα σε ότι αφορά την έννοια της θερµικής ισορροπίας, την οποία θεωρούν κλειδί για την κατανόηση της γνωστικής αυτής περιοχής. iii. Μια διδακτική πρόταση από τον Kevin Carlton, βασισµένη στη θερµική ισορροπία. Σε µια σχετικά πρόσφατη έρευνα του ο Carlton (2000), προτείνει ένα συνδυασµό δραστηριοτήτων προκειµένου να προαχθεί η κατανόηση των θερµικών φαινοµένων από τους µαθητές. Βασική υπόθεσή του είναι ότι για την επίτευξη της κατανόησης οι έννοιες που αποτελούν κλειδί είναι η θερµική ισορροπία, το µοντέλο της ροής της θερµότητας και ο διαχωρισµός µεταξύ θερµοκρασίας και θερµότητας. Αναφερόµενος στα προηγούµενα ευρήµατα που αφορούν τις απόψεις των µαθητών όπως του Erickson (1979) και της Tiberghien (1980), δηλώνει την κυριαρχία της άποψης για τη θερµότητα σαν µια ουσία η οποία ρέει από το ένα σώµα στο άλλο, στις ηλικίες άνω των 8 ετών, η οποία σύµφωνα και µε την έρευνα των Engel-Clough & Driver (1985), εµφανίζεται και µέχρι την ηλικία των 16. Παρότι η άποψη αυτή είναι παρόµοια µε αυτή της παλιάς Καλορικής Θεωρίας, η οποία έχει ξεπεραστεί, υποστηρίζει ότι έχει µεγάλη αξία αυτό το γεγονός, διότι ένας δάσκαλος καλό είναι να ξεκινήσει από ένα σηµείο στο οποίο βρίσκονται οι µαθητές του, και να εκµεταλλευτεί τις υπάρχουσες απόψεις τους, προκειµένου να τους οδηγήσει σε µια αναδόµηση της σκέψης και των απόψεών τους, οδηγώντας τους σταδιακά σε ένα πιο συµβατό επιστηµονικά µοντέλο. Έτσι, σε σχέση και µε το επίπεδο κατανόησης βέβαια των µαθητών γυµνασίου, προτείνει τη χρήση απλοποιηµένων ορισµών για την θερµότητα και τη ροή της. Η ροή θερµότητας ορίζεται ως η διαδικασία µε την οποία µεταφέρεται ενέργεια σαν αποτέλεσµα κάποιας διαφοράς θερµοκρασίας και η θερµότητα ορίζεται ως η ενέργεια η οποία µεταφέρεται στη διαδικασία αυτή. Βασικά σηµεία που θεωρούνται απαραίτητα για την κατανόηση των θερµικών φαινοµένων είναι η θερµική ισορροπία και ο διαχωρισµός µεταξύ θερµότητας - θερµοκρασίας. Η κατανόηση βέβαια των εννοιών αυτών δεν είναι εύκολη, όπως φαίνεται για παράδειγµα και από τις έρευνες σχετικά µε τις εναλλακτικές απόψεις των µαθητών, των Thomaz κ.α (1995) Nachmias κ.α. (1990) και Wiser & Kipman (1988), τις οποίες επικαλείται εδώ ο συγγραφέας. Ως πρώτο στάδιο πριν από τη διδασκαλία θεωρεί τη συλλογή των απόψεων των µαθητών. Έτσι, ζητά από τους µαθητές οι οποίοι εργάζονται σε οµάδες, να προτείνουν ορισµούς για τις έννοιες της θερµοκρασίας και της θερµότητας, τους οποίους και συζητούν κατόπιν σε όλη την τάξη. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαπραγµάτευσης, επιχειρείται ο διαχωρισµός των δυο εννοιών, διότι αν και πολλοί µαθητές έχουν την αίσθηση ότι είναι διαφορετικές µεταξύ τους, αφού έχουν και 24

37 Ι. Λεύκος, 2011 διαφορετικές µονάδες µέτρησης, δεν µπορούν να εκφράσουν µια ξεκάθαρη άποψη για το διαχωρισµό τους. Σε επόµενη φάση οι µαθητές εµπλέκονται σε απλές πειραµατικές δραστηριότητες, όπως αυτή µε τις δυο λεκάνες νερού διαφορετικής θερµοκρασίας, που οδηγεί στο συµπέρασµα της υποκειµενικής αίσθησης της θερµοκρασίας και της αναγκαιότητας για µια πιο αντικειµενική µέτρηση. Σε επόµενη δραστηριότητα που αφορά την εξέλιξη διαφόρων αντικειµένων διαφορετικής θερµοκρασίας στο ίδιο δωµάτιο, οι µαθητές εισάγονται στην έννοια της θερµικής ισορροπίας ως µια κατάσταση που προκύπτει από τη ροή θερµότητας από ένα θερµό προς ένα ψυχρό σώµα. Πάνω στο ίδιο φαινόµενο της θερµικής ισορροπίας, οι µαθητές κατόπιν καλούνται να πιάσουν ένα µεταλλικό και ένα πλαστικό αντικείµενο, νιώθοντας τη διαφορετική αίσθηση που έχουν, παρότι βρίσκονται στο ίδιο δωµάτιο, οδηγώντας τους σε µια σύγκρουση µεταξύ των αισθήσεων και των προηγούµενων συµπερασµάτων τους. Η επόµενη δραστηριότητα που έχει σκοπό να τους εισάγει στην έννοια της θερµότητας, είναι ένα νοητικό πείραµα στο οποίο οι µαθητές καλούνται να περιγράψουν τι θα γίνει αν αδειάσουµε µια κατσαρόλα µε ζεστό νερό, µέσα στη θάλασσα. Η συζήτηση που ακολουθεί, καταλήγει στον ορισµό ότι η θερµοκρασία αποτελεί ένα µέτρο της συγκέντρωσης της θερµικής ενέργειας, µέσα από τον οποίο ο συγγραφέας θεωρεί πως θεµελιώνεται και ο διαχωρισµός µεταξύ θερµότηταςθερµοκρασίας. Για την περεταίρω ανάπτυξη του διαχωρισµού αυτού, ακολουθεί µια δραστηριότητα µε ένα παγάκι που λιώνει µέσα σε ένα ποτήρι νερό, κατά την οποία οι µαθητές παρατηρούν ότι η θερµοκρασία του πάγου µένει σταθερή. Ταυτόχρονα, µε το πείραµα αυτό, εισάγονται και στα φαινόµενα αλλαγής κατάστασης, όπου η ροή θερµότητας, δεν προκαλεί αλλαγή θερµοκρασίας, λόγω της λανθάνουσας θερµότητας. Και για να εξηγηθεί αυτό, είναι αναγκαίο να εισαχθεί στο σηµείο αυτό το µικροσκοπικό µοντέλο, το οποίο προβλέπει την απορρόφηση θερµότητας για την αλλαγή της δυναµικής ενέργειας των µορίων του σώµατος, ενώ η θερµοκρασία συνδέεται µε την κινητική µόνο ενέργεια των µορίων. Ο συγγραφέας, εκφράζει βέβαια εδώ την επιφύλαξη πως µια τέτοια προσέγγιση όπου δεν γίνεται αναφορά στο έργο που γίνεται στο σύστηµα, µπορεί να οδηγήσει τους µαθητές στην παρανόηση ότι η εσωτερική ενέργεια και η θερµότητα ταυτίζονται, αλλά θεωρεί ότι σε επίπεδο εισαγωγικό στη µελέτη των θερµικών φαινοµένων δεν είναι απαραίτητη αυτή η αναφορά, καθώς µπορεί να αντιµετωπιστεί αργότερα σε ανώτερα επίπεδα εκπαίδευσης. Τέλος καταλήγει συµπερασµατικά ότι η διδακτική προσέγγιση που προτείνεται θεωρείται επιτυχής, διότι µέσα από µια διδασκαλία που βασίστηκε στις αρχικές εναλλακτικές απόψεις, οι περισσότεροι από τους µαθητές κατάφεραν να προσδιορίσουν µε επιστηµονικά αποδεκτό τρόπο τις έννοιες της θερµικής ισορροπίας, της θερµοκρασίας και της θερµότητας. Σε άρθρο του στο ίδιο περιοδικό, ο Taber (2000) όµως, κριτικάρει αρνητικά κάποια σηµεία της παραπάνω πρότασης του Carlton, ενώ αποδέχεται κάποια άλλα. Η βασική του αντίρρηση αφορά στην απλοποίηση που προτείνει ο Carlton για το µοντέλο των θερµικών φαινοµένων, αν και συµφωνεί πως ο ρόλος του δασκάλου είναι να µετασχηµατίζει το περιεχόµενο σύµφωνα µε τις γνωστικές απαιτήσεις των µαθητών του. Θεωρεί όµως ότι µια τέτοια διαδικασία είναι πολύπλοκη και απαιτεί τόσο την γνώση του επιστηµονικού περιεχοµένου, όσο και την γνώση του µηχανισµού µάθησης των µαθητών, αλλά και του σηµείου στο οποίο οι µαθητές βρίσκονται κάθε φορά από άποψης γνωστικού επιπέδου. ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 25

38 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Συγκεκριµένα, εκφράζει τις αντιρρήσεις του σχετικά µε τον ορισµό της θερµοκρασίας σαν µέτρο της συγκέντρωσης της θερµότητας και φέρνει σαν παράδειγµα την περίπτωση της αλλαγής φάσης, όπου θα πρεπε σύµφωνα µε τον παραπάνω ορισµό, η θερµοκρασία να αυξάνεται. Έτσι, θεωρεί πως υπάρχει κίνδυνος, να ενισχύονται οι παρανοήσεις των µαθητών, αντί να αίρονται. Η άποψη που εκφράζει τελικά είναι ότι δεν θα πρεπε να εισάγεται η θερµότητα απλά σαν η ενέργεια που µεταφέρεται και η θερµοκρασία σαν το µέτρο της συγκέντρωσης θερµότητας. Η αντιπρόταση που καταθέτει έχει µια δοµή πιο πολύπλοκη, αλλά κατά την άποψή του απαραίτητη. Σύµφωνα µε αυτή, στο µοντέλο των θερµικών αλληλεπιδράσεων πρέπει να περιλαµβάνονται επίσης οι έννοιες της εσωτερικής ενέργειας, της λανθάνουσας θερµότητας και της κινητικής και δυναµικής ενέργειας των µορίων, προκειµένου αυτό να είναι αυτό-συνεπές και ταυτόχρονα επιστηµονικά αποδεκτό. iv. Μια διδακτική πρόταση µε χρήση εργαστηρίου βασισµένου σε υπολογιστή (Computer As Lab Partner). Μεταξύ των προτάσεων που κατέθεσαν διάφοροι ερευνητές, υπάρχουν αρκετές που βασίζονται στη χρήση των νέων τεχνολογιών, στις οποίες γίνεται µια προσπάθεια εκµετάλλευσης διαφόρων καινοτοµικών χαρακτηριστικών, µε σκοπό να ξεπεραστούν οι δυσκολίες που έχουν οι µαθητές στην κατανόηση των θερµικών φαινοµένων. Οι έρευνες που παρουσιάζονται στη συνέχεια έχουν σαν κοινό χαρακτηριστικό την εφαρµογή τους σε µαθητές γυµνασίου, καθώς αυτή είναι και η δική µας οµάδα ενδιαφέροντος. Οι Lewis & Linn (1994), σε µια έρευνα της οποίας τα αποτελέσµατα παρουσιάσαµε σε προηγούµενο κεφάλαιο, διεξήγαγαν µια συγκριτική διερεύνηση των απόψεων για τα θερµικά φαινόµενα µεταξύ εφήβων, ενηλίκων και ειδικών στις Φυσικές Επιστήµες. Προσπαθώντας να εκµεταλλευθούν τα αποτελέσµατα της έρευνας αυτής, προχώρησαν σε µια πρόταση ενσωµάτωσης εξειδικευµένων δραστηριοτήτων στο ήδη υπάρχων Πρόγραµµα Σπουδών του γυµνασίου µε την ονοµασία computer As Lab Partner (CLP), προκειµένου να ωθήσουν τους µαθητές στην βελτίωση της κατανόησης των υπό διερεύνηση φαινόµενων. Η πρόταση αυτή, όπως αναφέρουν οι ερευνητές, είχε επιτυχία διότι η διδασκαλία βασίστηκε πάνω στις διαισθητικές απόψεις των µαθητών. 6. Οι Τ.Π.Ε. και η διδασκαλία των Φυσικών Επιστηµών 6.1. Εισαγωγή Όπως οι περισσότερες θεµατικές περιοχές της εκπαίδευσης, έτσι και οι Φυσικές Επιστήµες εµπλουτίστηκαν µε διάφορες εφαρµογές ΤΠΕ. Λόγω της οντολογίας των επιστηµών αυτών, το ενδιαφέρον από εκπαιδευτικής άποψης εστιάζεται σε δυο κυρίαρχους πόλους. Στον εννοιολογικό, που αφορά την κατανόηση των εννοιών του επιστηµονικού πεδίου και στον µεθοδολογικό ή πειραµατικό, ο 26

39 Ι. Λεύκος, 2011 οποίος αφορά την επιστηµονική µεθοδολογία και τον επιστηµονικό τρόπο σκέψης. Αυτό δε σηµαίνει βέβαια ότι οι δυο αυτές κατευθύνσεις είναι διαχωρίσιµες µεταξύ τους, αντίθετα είναι αλληλοσυµπληρούµενες. Αντίστοιχα, οι εφαρµογές ΤΠΕ που αναφέρονται στην εκπαίδευση των Φυσικών Επιστηµών, εστιάζονται κατά συνέπεια στους πόλους αυτούς. Υπάρχουν έτσι εφαρµογές που υποστηρίζουν κυρίως τον ένα πόλο ή τον άλλο, ή εξίσου και τους δυο. Όµως, για λόγους που µάλλον αφορούν τεχνικά ζητήµατα υλοποίησης, οι εφαρµογές που εστιάζουν κυρίως στον εννοιολογικό πόλο κυριαρχούν κατά πολύ αριθµητικά, σε σχέση µε τις εφαρµογές που έχουν εργαστηριακό χαρακτήρα χωρίς αυτό βέβαια να σηµαίνει ότι δεν υποστηρίζουν και την κατανόηση των σχετικών εννοιών που διαπραγµατεύονται, όπως εξηγήσαµε παραπάνω. Εκπαιδευτικοί και ερευνητές υποστηρίζουν την ουσιαστική συµβολή της πειραµατική εργασίας στη διδασκαλία και τη µάθηση των Φυσικών Επιστηµών. Η λήψη δεδοµένων που αφορούν την εξέλιξη φαινοµένων από µια πειραµατική διάταξη ή το περιβάλλον, η επεξεργασία των τιµών, η αναπαράσταση των µεταβολών και η επανάληψη των δραστηριοτήτων µε νέες παραµέτρους, µε σκοπό τη εξαγωγή συµπερασµάτων σχετικά µε τους νόµους που καθορίζουν τις µεταβολές, αποτελούν σύνθετη διδακτική και µαθησιακή διαδικασία και απαιτούν εξειδικευµένες λειτουργίες από τις εργαστηριακές συσκευές και διατάξεις. Στο εργαστήριο, η αποτελεσµατικότητα της µελέτης των φαινοµένων µπορεί να ενισχυθεί ή αντίστοιχα να αποδυναµωθεί, ανάλογα µε τα τεχνικά µέσα που διατίθενται, τις πειραµατικές τεχνικές που µπορεί να υποστηριχθούν και τους περιορισµούς που επιβάλλει το εκπαιδευτικό περιβάλλον. Σε ένα τυπικό σχολικό εργαστήριο Φυσικών Επιστηµών, παράγοντες που επηρεάζουν, µεταξύ άλλων, την οργάνωση διερευνητικών εργαστηριακών προσεγγίσεων είναι η έλλειψη των κατάλληλων υλικών και οργάνων για την ανάπτυξη των πολλαπλών εργαστηριακών ασκήσεων και ο περιορισµένος χρόνος που διατίθεται για την ανάπτυξη και υλοποίηση των πειραµατικών δραστηριοτήτων από τους µαθητές. Επιπλέον η δυνατότητα σύνδεσης των υπό µελέτη φαινοµένων µε τις επιστηµονικές θεωρίες και τα µοντέλα, περιορίζεται από την αδυναµία των κλασσικών πειραµατικών µεθόδων να προσεγγίσουν τα φαινόµενα και να αναπαραστήσουν τα αποτελέσµατα µε πολλαπλού τρόπους. Από τη διεθνή εµπειρία και έρευνα δείχνεται ότι εφαρµογές ΤΠΕ µπορούν να υποστηρίξουν πολλές φάσεις των εργαστηριακών µεθόδων και να υπερκεράσουν, ως ένα βαθµό, τους περιορισµούς που πηγάζουν από τις τεχνικές και µεθόδους που είναι εφικτές στο κλασικό σχολικό εργαστήριο. Οι εφαρµογές αυτές, πέρα από την υποστήριξη των κλασικών λειτουργιών, φαίνεται επίσης ότι εµπεριέχουν νέες δυνατότητες οι οποίες επεκτείνουν τα όρια των µεθόδων του κλασικού εργαστηρίου. Ο υπολογιστής, µε τα µέσα και τις τεχνικές που παρέχει, µπορεί να αναπτύξει καινοτοµικούς λειτουργικούς δεσµούς ανάµεσα στη πραγµατικότητα και τον εικονικό κόσµο της οθόνης και να καλύψει συµπληρωµατικά ορισµένους περιορισµούς που συναντώνται στη κλασική πειραµατική πρακτική, χωρίς απαραίτητα να συνεπάγεται αποκοπή από αυτήν (Barton, 2002). Σαν αποτέλεσµα φαίνεται ότι στα εργαστηριακά περιβάλλοντα παρέχονται πολύπλευρες ευκαιρίες για τη διερεύνηση των φαινοµένων από τους µαθητές. ύο κυρίαρχες τάσεις εργαστηριακών περιβαλλόντων έχουν αναπτυχθεί και έχουν αποτελέσει αντικείµενο εκτεταµένης έρευνας και εφαρµογής: Α) Περιβάλλοντα στα οποία προσοµοιωµένα φαινόµενα αναπαρίστανται και διερευνούνται στην οθόνη µέσω πολυµεσικών πληροφοριών και Β) Περιβάλλοντα συγχρονικών διατάξεων, µε τη βοήθεια των οποίων ο υπολογιστής, ως µετρητικό όργανο, αναλαµβάνει τη µέτρηση και συγχρονική επεξεργασία δεδοµένων από µεταβολές σε πραγµατικά ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 27

40 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ φαινόµενα. Τα περιβάλλοντα αυτά αναδεικνύουν δύο βασικές µαθησιακές οπτικές, τη σύνδεση θεωρίας και φαινοµένων από τη µια και την κατανόηση του επιστηµονικού περιεχοµένου µαζί µε την ανάπτυξη δεξιοτήτων χειρισµού γραφικών παραστάσεων από την άλλη. Η χρήση των ΤΠΕ στη διδασκαλία και µάθηση των Φυσικών Επιστηµών, απαντάται µε πολλαπλές µορφές και εργαλεία, όπως για παράδειγµα (Osborne & Hennessy, 2003): Εργαλεία συλλογής, διαχείρισης και ερµηνείας δεδοµένων (όπως τα συστήµατα MBL), βάσεις δεδοµένων και λογιστικά φύλλα, εργαλεία γραφηµάτων και περιβάλλοντα µοντελοποίησης Πολυµεσικά λογισµικά µε προσοµοιώσεις φαινόµενων και διαδικασιών αλλά και εικονικά εργαστήρια Συστήµατα διαχείρισης και οργάνωσης πληροφοριών Εργαλεία συγγραφής και παρουσίασης Εργαλεία προβολής (όπως οι projectors και οι διαδραστικοί πίνακες) εν είναι όµως προφανές, και η σχετικές έρευνες το επιβεβαιώνουν, ότι η εισαγωγή και µόνο των εργαλείων αυτών ΤΠΕ, θα οδηγήσουν στις επιθυµητές αλλαγές και βελτιώσεις της εκπαίδευσης στις Φυσικές Επιστήµες (Baggott la Velle, McFarlane, & Brawn, 2003). Αντιθέτως, φαίνεται ότι αυτό που είναι απαραίτητο, είναι να διαφοροποιηθεί ο ρόλος του εκπαιδευτικού και το µαθησιακό περιβάλλον γενικότερα, ώστε να µπορέσει να ενσωµατώσει τις ΤΠΕ και να εκµεταλλευτεί τα χαρακτηριστικά τους. Προκειµένου να κάνουν οι καθηγητές χρήση των εµπλουτισµένων µε ΤΠΕ περιβαλλόντων, πρέπει να πεισθούν όχι µόνο για τις παροχές («affordances» βλέπε παρακάτω) των ΤΠΕ που προσφέρουν υποστήριξη στην µάθηση των µαθητών τους, αλλά και για το ότι οι ίδιοι έχουν ένα πολύ κρίσιµο ρόλο στον σχεδιασµό και τη διαχείριση της µαθησιακής εµπειρίας, έτσι ώστε οι παροχές αυτές ανταποκρίνονται στις µαθησιακές ανάγκες των µαθητών τους και ταυτόχρονα δίνοντας στους µαθητές τη δυνατότητα να τις αντιληφθούν και να τις χρησιµοποιήσουν (Webb, 2005). Είναι δηλαδή απαραίτητο να γίνει επιλογή των κατάλληλων κάθε φορά εργαλείων και πηγών της τεχνολογίας και να γίνει ταυτόχρονα αναδιαµόρφωση και επανασχεδιασµός των µαθησιακών δραστηριοτήτων, ώστε να επιτευχθεί η ενσωµάτωση και εκµετάλλευση των ΤΠΕ, ακολουθώντας τις κατάλληλες και σύγχρονες παιδαγωγικές πρακτικές. Παρόλα αυτά, η σηµερινή πρακτική της ένταξης των ΤΠΕ στις Φυσικές Επιστήµες (αλλά και γενικότερα), φαίνεται πως καθοδηγείται και υποτάσσεται στα υπάρχοντα Αναλυτικά Προγράµµατα, στόχους και παιδαγωγικές πρακτικές, αντί να αποτελεί παράγοντα υποκίνησης αλλαγών και βελτιώσεων. Στην παρούσα έρευνα µας ενδιαφέρουν κυρίως οι δυο από τις παραπάνω µεγάλες κατηγορίες εργαλείων, τις οποίες και περιγράφουµε συνοπτικά στη συνέχεια: Τα πολυµεσικά λογισµικά, έχουν µια πολύ µεγάλη ποικιλία, η οποία ξεκινά από την απλή αναπαράσταση µε video ή animation των φυσικών φαινοµένων και να φτάνει µέχρι την περίπτωση των εικονικών εργαστηρίων, όπου οι µαθητές µπορούν να διαχειρίζονται µε (κατά το δυνατόν) φυσικό τρόπο τα αντικείµενα και τις µεταβλητές ενός συστήµατος (προσοµοιωµένου), και µέσα από την αλληλεπιδραστική αυτή διαδικασία, να συλλέγουν και να καταγράφουν πειραµατικά δεδοµένα ή να τα βλέπουν να προβάλλονται µε τις αντίστοιχες γραφικές αναπαραστάσεις (Wellington, 2004). 28

41 Ι. Λεύκος, 2011 Τα εργαλεία συλλογής και επεξεργασίας δεδοµένων, αποτελούν ένα πολύ καλό βοήθηµα στην εργαστηριακή άσκηση των µαθητών και στην καλλιέργεια διερευνητικών δεξιοτήτων, οι οποίες οδηγούν στην βελτίωση του επιστηµονικού αλφαβητισµού (Barton, 2002). Το πιο χαρακτηριστικό από τα εργαλεία του είδους αυτού είναι το MBL. Εκτός από τις δυνατότητες που προσφέρουν για συλλογή, παρουσίαση και επεξεργασία πειραµατικών δεδοµένων, υπάρχουν σήµερα συστήµατα µε τα οποία οι µαθητές µπορούν να παρακολουθήσουν και να καταγράψουν την εξέλιξη φυσικών φαινοµένων καθώς συµβαίνουν µέσα στο φυσικό τους περιβάλλον (µε συστήµατα εξ-αποστάσεως καταγραφής), ενώ σε κάποιες περιπτώσεις, οι µαθητές µπορούν ακόµη και να κατασκευάσουν τα µοντέλα λειτουργίας των φαινοµένων, των οποίων στη συνέχεια παρακολουθούν την εξέλιξη (Rogers, 2002) Οι δυνατότητες/ευκαιρίες/παροχές (affordances) των µαθησιακών περιβαλλόντων ΤΠΕ δηµιουργούν νέες συνθήκες Η συζήτηση σχετικά µε τα µαθησιακά περιβάλλοντα εµπλουτισµένα µε ΤΠΕ, περιστρέφεται πολύ συχνά γύρω από τον όρο affordances, δηλαδή δυνατότητες/ παροχές/ ευκαιρίες που εµπεριέχονται µέσα στα περιβάλλοντα αυτά. Λόγω της πολυπλοκότητας του αγγλικού όρου, στη συνέχεια θα χρησιµοποιούµε εναλλακτικά τις λέξεις δυνατότητες ή παροχές ή ευκαιρίες. Ο όρος αυτός εισάχθηκε από τον Gibson (1979) και χρησιµοποιήθηκε τόσο στο πεδίο της αλληλεπίδρασης ανθρώπου-υπολογιστή (Gaver 1991, Norman 1988, 2002), όσο και στην εκπαιδευτική αρθρογραφία (Downes 2002, Kennewell 2001, Laurillard et al. 2000) για να περιγράψει τις ευκαιρίες που παρέχονται στους χρήστες ενός µαθησιακού περιβάλλοντος βασισµένου σε ΤΠΕ. Ο Gibson (1979) περιέγραψε ως δυνατότητες αυτά που το περιβάλλον προσφέρει σε έναν οργανισµό. Μια τέτοια ευκαιρία, δεν εξαρτάται µόνο από το περιβάλλον, αλλά επίσης και από τις δυνατές δράσεις του οργανισµού. Στον ορισµό λοιπόν του Gibson το ίδιο περιβάλλον είναι δυνατό να προσφέρει διαφορετικές δυνατότητες για διαφορετικούς οργανισµούς. Ο Gibson (1979) περιέγραψε πώς χαρακτηριστικά γνωρίσµατα ενός συνόλου διαφορετικών όψεων του περιβάλλοντος, µπορούν να συνδυαστούν µεταξύ τους για να αποτελέσουν µια παροχή ή δυνατότητα. Όπως σε ένα οικοσύστηµα στο οποίο οι παροχές για ένα συγκεκριµένο οργανισµό εξαρτώνται από την εν δυνάµει αλληλεπίδραση µεταξύ ενός οργανισµού και του περιβάλλοντος ή άλλων οργανισµών, έτσι και σε ένα µαθησιακό περιβάλλον εµπλουτισµένο µε ΤΠΕ, οι δυνατότητες που παρέχονται αφορούν τις αλληλεπιδράσεις µεταξύ του λογισµικού (software), του υλισµικού (hardware), άλλων πηγών, των εκπαιδευτικών και άλλων µαθητών. Οι δυνατότητες που παρέχονται, δε µεταβάλλονται µαζί µε τις ανάγκες του παρατηρητή. Ο παρατηρητής είναι δυνατόν να αντιληφθεί και να εκµεταλλευθεί µια δυνατότητα του περιβάλλοντος ή και να µην το κάνει, ανάλογα µε τις ανάγκες του, όµως η δυνατότητα αυτή θα παραµένει αµετάβλητη και θα είναι πάντοτε παρούσα εκεί προς εκµετάλλευση (Gibson 1979: 138) Κατά πόσο κάποιος αντιλαµβάνεται µια δυνατότητα εξαρτάται από τις διαθέσιµες πληροφορίες, αλλά και τη δική του διαθεσιµότητα. Οι McGrenere & Ho (2000), στα πλαίσια µελέτης για το σχεδιασµό λογισµικού, προσδιόρισαν δυο παράγοντες σηµαντικούς για τη λειτουργία µιας δυνατότητας: το βαθµό της αντιληπτικής πληροφορίας (degree of perceptual information ) και το βαθµό της ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 29

42 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ δυνατότητας (degree of affordance). Στα µαθησιακά περιβάλλοντα, οι άλλες πηγές, οι καθηγητές και οι άλλοι µαθητές, µπορούν επίσης να παρέχουν δυνατότητες, να ενισχύσουν το βαθµό των δυνατοτήτων των ΤΠΕ και να παρέχουν περισσότερες ή ευκρινέστερες πληροφορίες σχετικά µε τις δυνατότητες που παρέχονται από τις ΤΠΕ. Εστιάζοντας πάνω στις δυνατότητες για µάθηση από ένα εµπλουτισµένο µε ΤΠΕ µαθησιακό περιβάλλον, επιτρέπει τον προσδιορισµό των παραµέτρων που το περιβάλλον συνολικά παρέχει υποστήριξη στη µαθησιακή διαδικασία και πώς τα επιµέρους συστατικά του περιβάλλοντος αλληλεπιδρούν για να παρέχουν δυνατότητες αλλά και πληροφορίες στους µαθητές σχετικά µε τις δυνατότητες αυτές. Στην έρευνα της Webb (2007), καταγράφονται αναλυτικά οι διάφορες δυνατότητες και παροχές των µαθησιακών περιβαλλόντων εµπλουτισµένων µε ΤΠΕ και αφορούν την εκπαίδευση στις Φυσικές Επιστήµες. Όπως καταλήγει η ερευνήτρια, µπορούµε να τις διακρίνουµε στις παρακάτω κατηγορίες: 1. Ενίσχυση της γνωστικής εξέλιξης 2. Παροχή διευρυµένων εµπειριών, ώστε οι µαθητές να συνδέσουν την επιστήµη µε τις δικές τους και άλλες εµπειρίες από την καθηµερινότητα 3. Ενίσχυση της αυτό-ρύθµισης των µαθητών, ώστε να παρακολουθούν την πρόοδό τους, και εποµένως εξοικονόµηση χρόνου για τον καθηγητή ώστε να εστιάσει στην υποστήριξη και την ενεργοποίηση της µάθησης 4. ιευκόλυνση στη συλλογή των δεδοµένων και στην παρουσίασή τους, µε τρόπο ώστε να βοηθούνται οι µαθητές στην κατανόηση και ερµηνεία των δεδοµένων και επιπλέον εξοικονόµηση χρόνου για τους µαθητές ώστε να επενδύσουν περισσότερο χρόνο στην ανάπτυξη της κατανόησης των εννοιών. Οι προσοµοιώσεις προσφέρουν νέες δυνατότητες για την µάθηση, ειδικά όταν βασίζονται σε φαινόµενα τα οποία δεν µπορούν εύκολα να παρατηρηθούν και να διερευνηθούν στον φυσικό κόσµο. Άλλες προσοµοιώσεις, για παράδειγµα αυτές που αφορούν εργαστηριακά πειράµατα, παρέχουν αντίστοιχες δυνατότητες µε τις προηγούµενες, αλλά µε ένα περισσότερο χρηστικό τρόπο ώστε να διευκολύνουν την αλληλεπίδραση και τους συλλογισµούς για τα υπό µελέτη φαινόµενα. Οι δραστηριότητες που εκτελούνται µε τις προσοµοιώσεις, φαίνεται να υποβοηθούν την εννοιολογική αλλαγή των µαθητών και να υποστηρίζουν νοητικές διεργασίες υψηλού επιπέδου. Οι προσοµοιώσεις, µαζί µε τα σχέδια εργασίας που εκτελούνται µε τη χρήση διαδικτύου και τα λογισµικά µοντελοποίησης, παρέχουν νέες δυνατότητες οι οποίες επιτρέπουν στους µαθητές να αποκτήσουν ένα µεγαλύτερο εύρος εµπειριών σχετικά µε την επιστήµη και τον φυσικό κόσµο (Millar and Osborne, 1998). Οι δυνατότητες που παρέχονται από τα εµπλουτισµένα µε ΤΠΕ περιβάλλοντα και οι οποίες σχετίζονται µε την αυτό-διαχείριση των µαθητών, επιτρέπουν την απελευθέρωση των εκπαιδευτικών ώστε να εστιάσουν σε ουσιώδη ερωτήµατα και διαπραγµάτευση των εννοιών. Αυτό το γεγονός προσφέρει περισσότερες ευκαιρίες για την υποστήριξη παιδαγωγικών καινοτοµιών που αφορούν τη διαµορφωτική αξιολόγηση και την γνωστική επιτάχυνση. Οι δυνατότητες των ΤΠΕ για καταγραφή δεδοµένων και γραφικών παραστάσεων κατά την υποστήριξη της εργαστηριακής εργασίας καθώς και οι ευκαιρίες που παρέχονται στους εκπαιδευτικούς για περισσότερη αλληλεπίδραση µε τους µαθητές, επιτρέπουν στους εκπαιδευτικούς να διασφαλίσουν ότι η εργαστηριακή ενασχόληση των µαθητών αφιερώνεται στην ανάπτυξη της εννοιολογικής κατανόησης και όχι στις χρονοβόρες χειρωνακτικές εργαστηριακές διαδικασίες. 30

43 Ι. Λεύκος, 2011 Παρόµοιες δυνατότητες αναφέρονται ειδικά για τις προσοµοιώσεις που χρησιµοποιήθηκαν για εργαστηριακή άσκηση και από τους ίδιους τους καθηγητές που έλαβαν µέρος στην έρευνα των Baggott la Velle et al. (2007): Οι προσοµοιώσεις προωθούν την κατανόηση Τα εργαλεία για σύγχρονη κατασκευή γραφικών παραστάσεων και ανάλυση δεδοµένων, ελαχιστοποιούν τις χρονοβόρες εργαστηριακές διαδικασίες Οι προσοµοιώσεις είναι ένα πολύ χρήσιµο βοήθηµα για την ανακεφαλαίωση, ή για τον προσανατολισµό των µαθητών πριν από µια διερεύνηση Οι προσοµοιώσεις δεν επιβαρύνονται µε την πολυπλοκότητα του πραγµατικού κόσµου και προσφέρουν µια οπτική ξεκαθαρισµένων δεδοµένων, τα οποία είναι πρόσφορα για ανάλυση και επιτρέπουν στους µαθητές να αξιολογήσουν τα πραγµατικά τους πειράµατα, διερευνήσεις και δεδοµένα αντιπαραβάλλοντας τα µε ένα ιδανικό πρότυπο. Αυτό έχει αποδειχθεί πολύ χρήσιµο για τους µαθητές χαµηλότερων επιδόσεων ή για όσους δεν µπορούν να αντιληφθούν τα κύρια σηµεία της διαδικασίας ή όσους είναι υπερβολικά προσκολληµένοι στη διαδικασία (ή σε πιθανό συνδυασµό των παραπάνω) Η οπτικοποίηση δυναµικών διαδικασιών είναι πολύ ισχυρό εργαλείο, κυρίως για την περίπτωση όπου επιβραδύνονται αυτές που στην πραγµατικότητα εξελίσσονται πολύ γρήγορα, ακόµη και αν παρουσιάζονται µε τρόπο εξιδανικευµένο Οι µεταβλητές µπορούν να αλλάξουν εύκολα ή και ακόµη να πάρουν «εξωπραγµατικές» τιµές Η δυνατότητα της µετάβασης από τον µικρόκοσµο στον µακρόκοσµο και το αντίστροφο, µε µεγάλη ευκολία. Οι ΤΠΕ προσφέρουν τη δυνατότητα της υλοποίησης πολλών και διαφορετικών προσεγγίσεων στη διδασκαλία και µάθηση. Οι ΤΠΕ έχουν τη δυνατότητα ανάπτυξης µιας διαφορετικής κουλτούρας στη διδασκαλία και µάθηση. Οι καθηγητές που συµµετείχαν στην εν λόγω έρευνα, παρότι ενηµερώθηκαν για διάφορα άλλα εργαλεία ΤΠΕ, κατέληξαν στην χρήση προσοµοιώσεων σαν το πιο πρόσφορο εργαλείο για την υποστήριξη των µαθηµάτων τους (Baggott la Velle et al, 2007) Ποια πλεονεκτήµατα µπορούν να προκύψουν για τις Φυσικές Επιστήµες από την εκµετάλλευση των δυνατοτήτων που προσφέρουν οι ΤΠΕ i. Μετατοπίζουν το βάρος από τις χρονοβόρες διαδικασίες. Η χρήση των ΤΠΕ στην πειραµατική εργασία, ειδικότερα τα εργαλεία που σχετίζονται µε την διαχείριση δεδοµένων και την κατασκευή γραφικών παραστάσεων, µπορούν να επιταχύνουν πολύ την εργασία επηρεάζοντας κυρίως τα συστατικά της τα οποία είναι χρονοβόρα και µονότονα (Osborne & Hennessy, 2003). Αυτό απελευθερώνει τον χρόνο των µαθητών από διαδικασίες όπως η σύνθεση των διατάξεων, η λήψη πολύπλοκων µετρήσεων, η κατασκευή πινάκων δεδοµένων, η κατασκευή γραφικών παραστάσεων µε το χέρι και η εκτέλεση πολύπλοκων και δύσκολων υπολογισµών. Επιτρέπει αντίθετα, την γραφική αναπαράσταση και ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 31

44 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ αντιπαραβολή διαφορετικών µεταβλητών µε σύντοµο τρόπο, ή τη συλλογή και σύγκριση µεταξύ δεδοµένων που µπορεί να έχουν µεγάλο όγκο (ακόµη και συλλογή και σύνδεση δεδοµένων που προέρχονται από διαφορετικά εργαστηριακά τµήµατα). Κατά συνέπεια, υπάρχει η δυνατότητα αύξησης της παραγωγικότητας των µαθητών και ταυτόχρονα αύξησης της ποιότητας της εργασίας που παράγουν (Ruthven, Hennessy, & Brindley, 2004). Χρησιµοποιώντας τα ευέλικτα λογισµικά που επιτυγχάνουν διασυνδέσεις καταγραφής δεδοµένων (data logging), οι µαθητές πολύ εύκολα µπορούν να διερευνήσουν και να παρουσιάσουν πειραµατικά δεδοµένα µε µια ποικιλία τρόπων, επενδύοντας πολύ λίγο σε χρόνο και κόπο (Newton 2000). Οι προσοµοιώσεις, έχουν τη δυνατότητα απελευθέρωσης των µαθητών από κοπιαστικές και επαναλαµβανόµενες διαδικασίες, ώστε να πειραµατίζονται µε ουσιαστικό τρόπο, για παράδειγµα, µεταβάλλοντας τις µεταβλητές σε τιµές οι οποίες θα ήταν αδύνατο για ένα πραγµατικό εργαστήριο. Η υλοποίηση τέτοιων προσοµοιωµένων πειραµάτων στο σχολείο, προσφέρει νέες ευκαιρίες για µάθηση (Baggott La Velle et al., 2007). Το χαρακτηριστικό αυτό των προσοµοιώσεων αναφέρεται στη διδακτική των φυσικών επιστηµών ως «φαινόµενο απελευθέρωσης» (liberating effect), καθώς, όπως έχει παρατηρηθεί, οι χρονοβόρες διαδικασίες της εργαστηριακής πρακτικής εργασίας είναι δυνατό να παρεµποδίζουν τις διαδικασίες µάθησης (Scaife & Wellington, 1993). Επίσης, η χρήση τέτοιων εργαλείων, µπορεί να απελευθερώσει την πειραµατική διαδικασία από τον χρονικό περιορισµό της µιας διδακτικής ώρας, καθώς τα δεδοµένα είναι δυνατό να συλλέγονται σε µια ευρύτερη περίοδο πολλών ηµερών ή πολλών εβδοµάδων. Οι αλληλεπιδραστικές προσοµοιώσεις, µπορούν να βοηθήσουν τους µαθητές να αποφύγουν την αγγαρεία των διαχειριστικών εργασιών της σύνθεσης µιας πειραµατικής διάταξης, όπως για παράδειγµα της κατασκευής και του ελέγχου ενός ηλεκτρικού κυκλώµατος στο οποίο η µεγάλη συσσώρευση καλωδίων καθιστά αδύνατο να παρακολουθήσει τι ακριβώς συµβαίνει ή όταν πιθανά µικρά λάθη στη σύνδεση εµποδίζουν εντελώς τη λειτουργία του. Οι πειραµατικές διαδικασίες που υποστηρίζονται από ΤΠΕ, όχι µόνο είναι πιο γρήγορες και αποτελεσµατικές, αλλά θεωρούνται επίσης περισσότερο έγκυρες, αξιόπιστες και ακριβείς (Osborne & Hennessy, 2003). Ενέχουν λιγότερο µπλεγµένα δεδοµένα και αναπαριστούν τα φαινόµενα αποφεύγοντας τον «θόρυβο» των µη σχετικών µεταβλητών και του ανθρώπινου παράγοντα στις µετρήσεις, σε αντίθεση µε τα περισσότερα πραγµατικά πειράµατα. Μια άλλη λειτουργία που µπορεί να υποστηριχθεί από τις ΤΠΕ, είναι τα διαδραστικά φύλλα εργασίας, όπου µπορούν να εµπεριέχονται διαγράµµατα και κείµενα που προέρχονται από άλλες εφαρµογές. Η χρήση τους, εξοικονοµεί χρόνο και αυξάνει την ακρίβεια της επεξεργασίας, καθώς δεν απαιτείται από τους µαθητές η αντιγραφή δεδοµένων µε το χέρι, προκειµένου να τα χρησιµοποιήσουν για την εξαγωγή συµπερασµάτων και άλλες υψηλότερες νοητικά διεργασίες (Hitch, 2000). Τέτοια φύλλα εργασίας, µπορούν να παρέχουν απ ευθείας διασύνδεση (hyperlinks) και άµεση πρόσβαση σε προεπιλεγµένες πηγές πληροφόρησης στο διαδίκτυο ή σε µια εγκυκλοπαιδική βάση δεδοµένων όπως η Encarta. Παρόµοιες διευκολύνσεις προσφέρει και η χρήση των διαδραστικών πινάκων, καθώς επιτρέπουν στον εκπαιδευτικό σε µια κατάσταση ολοµέλειας, να εναλλάσσει µε µεγάλη ταχύτητα τα µαθησιακά υλικά τα οποία έχει προετοιµάσει και αποθηκεύσει στον υπολογιστή ή το τοπικό δίκτυο (Osborne & Hennessy, 2003). Οι απόψεις διίστανται σχετικά µε το κατά πόσο εξοικονοµείται λίγος ή περισσότερος χρόνος για συζήτηση και αναστοχασµό πάνω σε µια δραστηριότητα, όταν το µάθηµα υποστηρίζεται από ΤΠΕ. Σε κάθε περίπτωση όµως υπάρχει η παραδοχή της 32

45 Ι. Λεύκος, 2011 εξοικονόµησης πολύτιµου χρόνου, προσφέροντας κατ επέκταση µεγαλύτερη διάρκεια του µαθήµατος για την αλληλεπίδραση µεταξύ µαθητών και καθηγητή ή για την ανακοίνωση των αποτελεσµάτων και την επικοινωνία µεταξύ των οµάδων ή για την αφιέρωση περισσότερου χρόνου στους µαθητές ώστε να κάνουν τις παρατηρήσεις των φαινοµένων, να προβληµατιστούν και να τα αναλύσουν, αντί να σπαταλούν χρόνο µε τη συλλογή και την διαχείριση των δεδοµένων (Barton 1997; Finlayson & Rogers 2003). Με άλλα λόγια, οι ΤΠΕ παρέχουν ένα χώρο ικανό για την ανάπτυξη τέτοιου είδους αναλυτικών δεξιοτήτων, οι οποίες ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις της σύγχρονης διδακτικής των φυσικών επιστηµών. Επιπλέον, σε συνδυασµό µε την άµεση παρέµβαση των εκπαιδευτικών, η εµφάνιση των δεδοµένων στην οθόνη σε πραγµατικό χρόνο, µπορεί να αποτελέσει ένα ισχυρό ερέθισµα για συζήτηση και ερµηνεία, ιδίως όταν τα µεγέθη των δειγµάτων είναι µεγάλα ή όταν υπάρχουν πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις µεταξύ ενός πλήθους µεταβλητών. Η εµφάνιση των δεδοµένων σε πραγµατικό χρόνο επιτρέπει επίσης στον εκπαιδευτικό να παρουσιάσει άµεσα τη σχέση µεταξύ ενός γεγονότος και της µαθηµατικής εξίσωσης που το αναπαριστά. Για παράδειγµα, η δυνατότητα παρουσίασης των γραφηµάτων της κίνησης αντικειµένων, την ώρα ακριβώς που λαµβάνει χώρα, ενισχύει τη διασύνδεση µεταξύ του φαινοµένου και την επιστηµονικής του αναπαράστασης (Osborne & Hennessy, 2003). Εποµένως, οι ΤΠΕ, φαίνεται πως αλλάζουν το συσχετισµό της έµφασης µεταξύ των νοητικών και των πρακτικών επιστηµονικών δεξιοτήτων, για παράδειγµα µηδενίζοντας τη µηχανιστική εργασία της συλλογής δεδοµένων και κατασκευής γραφικών παραστάσεων µε το χέρι, µε ταυτόχρονη έµφαση στη χρήση των γραφικών παραστάσεων για την ερµηνεία των δεδοµένων ή αφιερώνοντας περισσότερο χρόνο για παρατήρηση και εστιασµένη συζήτηση και για την ανάπτυξη διερευνητικών και αναλυτικών δεξιοτήτων (Hennessy 1999; McFarlane & Friedler 1998; Rogers, 2004; Rogers & Wild 1996). Εκτός αυτού, η έρευνες υποστηρίζου ότι η χρήση λογισµικών µοντελοποίησης και προσοµοίωσης, επιτρέπει στους µαθητές να κατανοήσουν και να διερευνήσουν πολύ πιο πολύπλοκα µοντέλα και διαδικασίες, από αυτές που θα µπορούσαν να διερευνήσουν στο συµβατικό σχολικό εργαστήριο (Cox 2000; Linn 1999; Mellar et al 1994). ii. Προσφέρουν στους µαθητές εµπειρίες πρωτότυπες, σύγχρονες και αυθεντικές Η χρήση ΤΠΕ µπορεί να παρέχει πρόσβαση σε νέες µορφές δεδοµένων που πρωτύτερα δεν ήταν διαθέσιµες. Τα συστήµατα καταγραφής δεδοµένων (data logging) µπορεί να προσφέρουν µετρήσεις παροδικών φαινοµένων, παρακολούθηση εξ αποστάσεως και µε αυξηµένη ευαισθησία. Για παράδειγµα, είναι σύνηθες φαινόµενο να µετράµε την ταχύτητα ενός κινούµενου αντικειµένου µετρώντας το χρόνο που χρειάζεται για να περάσει µέσα από µια φωτο-πύλη και να το συνδυάζουµε αυτό µε χειροκίνητες µετρήσεις της απόστασης την οποία χρειάστηκε για να σταµατήσει. Η χρήση ΤΠΕ επιτρέπει στους δασκάλους και στους µαθητές να παρατηρούν ή να αλληλεπιδρούν µε προσοµοιώσεις, animation ή µε αυθεντικά φαινόµενα, µε καινούριους τρόπους οι οποίοι θα ήταν εξαιρετικά επικίνδυνοι, πολύπλοκοι ή ακριβοί για ένα σχολικό εργαστήριο. Η χρήση συστηµάτων καταγραφής δεδοµένων µπορεί να διευκολύνει επίσης, αδύνατα σε άλλη περίπτωση πειράµατα επίδειξης, όπως η µέτρηση της µεταφοράς ενέργειας προς το περιβάλλον καθώς ψύχεται ένα ζεστό υγρό όπως εξάλλου συµβαίνει και µε χρήση ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 33

46 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ προσοµοιωµένων περιβαλλόντων (π.χ. ΣΕΠ). Η ψηφιακή µαγνητοσκόπηση προσφέρει µια νέα εναλλακτική προσέγγιση στη καταγραφή δεδοµένων, καθώς το επαναλαµβανόµενο και σε αργή κίνηση playback επιτρέπει σε µια ολόκληρη τάξη να παρατηρεί δύσκολα φαινόµενα, ή γεγονότα τα οποία από τη φύση τους είναι εξαιρετικά αργά (π.χ. η ανάπτυξη ενός φυτού) ή εξαιρετικά γρήγορα (π.χ. τα ηχητικά κύµατα ή η συµπεριφορά δύο διαφορετικών σωµάτων όταν ρίχνονται από το ίδιο ύψος), ώστε να παρατηρηθούν. Το διαδίκτυο, επίσης, προσφέρει κάποιες µοναδικές ευκαιρίες για τους µαθητές να βιώσουν φαινόµενα όπως π.χ. να δουν τη Γη από έναν κινούµενο δορυφόρο. Ένας ιδιαίτερα εύκολος και δηµοφιλής τρόπος να εκµεταλλευτούµε τη δύναµη των οπτικών αναπαραστάσεων ώστε να βοηθήσουµε την κατανόηση ειδικά αφηρηµένων φαινοµένων όπως η ροή των ηλεκτρονίων είναι η άµεση χρήση video clips από CD-Rom διαδραστικών προσοµοιώσεων. Παράδειγµα, η οπτικοποίηση ενός ηλεκτρονίου που περιστρέφεται γύρω από έναν πυρήνα ή ενός λευκού κυττάρου που καταβροχθίζει βακτήρια, η προσοµοίωση της εκτόξευσης ενός διαστηµικού σκάφους, και η περιστροφή ενός τρισδιάστατου µοντέλου µορίων και ατόµων σε κίνηση. Ένα άλλο παράδειγµα πολυµεσικού εργαλείου ΤΠΕ είναι το Αλληλεπιδραστικό Εργαστήριο Μικροσκοπίας (Interactive Microscope Laboratory) (Baggott & Nichol, 1998), το οποίο διευκολύνει την ενεργό έρευνα του «αόρατου» ζωντανού κόσµου (π.χ. τη µέτρηση του χτύπου της καρδιάς ενός ψύλλου) µέσω της προσοµοίωσης της λειτουργίας ενός υπερσύγχρονου µικροσκοπίου. Τα ταξίδια της εικονικής πραγµατικότητας (όπως π.χ. σε αποµακρυσµένα ζωικά περιβάλλοντα) και οι εικονικοί περίπατοι (π.χ. σε ένα τροπικό δάσος) δίνουν περαιτέρω δυνατότητες που δεν µπορούν να τις δώσουν άλλες πιο συµβατικές τοπικές πηγές. Οι αλληλεπιδράσεις µε εικονικά φαινόµενα µπορούν να επαναληφθούν όσες φορές και όσο συχνά απαιτείται από έναν µαθητευόµενο κάτι που είναι αδύνατο στην καθηµερινή πραγµατικότητα. iii. Υποστηρίζουν την διερεύνηση και τον πειραµατισµό Η χρήση εργαλείων γραφηµάτων και µοντελοποίησης παρέχει δυναµικές, οπτικές αναπαραστάσεις των δεδοµένων που συλλέγονται είτε ηλεκτρονικά είτε µε άλλο τρόπο. Όπως συµβαίνει και µε τις αλληλεπιδραστικές προσοµοιώσεις που περιγράφηκαν παραπάνω, η χρήση αυτών των εργαλείων προσφέρει άµεση ανατροφοδότηση στους µαθητές, και εισάγει ένα πιο πειραµατικό και ταυτόχρονα παιγνιώδες στυλ µε το οποίο διερευνώνται οι τάσεις και οι ιδέες ελέγχονται και επαναπροσδιορίζονται. Η δυνατότητα της άµεσης σύνδεσης µιας δραστηριότητας και των αποτελεσµάτων της, αυξάνει την πιθανότητα που έχουν οι µαθητές να συσχετίσουν τη γραφική ή διαγραµµατική αναπαράσταση των σχέσεων των µεγεθών που εµπλέκονται, µε αυτή καθ εαυτή τη δραστηριότητα. Συγκεκριµένα, το κλειδί της παιδαγωγικής τεχνικής Πρόβλεψη-Παρατήρηση-Εξήγηση (Predict-Observe-Explain) διευκολύνεται κατά πολύ από την παρατήρηση ενός γραφήµατος ή ενός µοντέλου σε οθόνη αµέσως µετά από µια πρόβλεψη. Η ταχεία παρουσίαση των δεδοµένων στον υπολογιστή και τα διαδραστικά µοντέλα που αναπαριστούν ένα επιστηµονικό φαινόµενο ή µια ιδέα, δεν παρέχουν µόνο άµεσες ευκαιρίες για µελέτη και ανάλυση, αλλά µπορούν επίσης να ενθαρρύνουν τους µαθητές να θέσουν διερευνητικές ερωτήσεις ( τι θα συµβεί αν ) και να επιδιώξουν να τις απαντήσουν µε επακόλουθες δραστηριότητες (Barton, 1998; Finlayson & Rogers 2003; Newton, 2000; Wardle, 2004; Baggott la Velle et al., 2007). H άµεση επίδειξη πειραµατικών αποτελεσµάτων σε ένα απλό υπολογιστικό φύλλο, µπορεί ακόµα και να καθοδηγήσει την πορεία της συλλογής των δεδοµένων 34

47 Ι. Λεύκος, 2011 από τους µαθητές, µέσω της δόµησης των κατοπινών ενεργειών και προβλέψεων αναφορικά µε τις σχετικές µεταβλητές (για παράδειγµα, όταν διερευνάται ο συσχετισµός της µεταφοράς θερµότητας µε την επιφάνεια ενός αντικειµένου). Η ευχέρεια της επικάλυψης πολλαπλών γραφηµάτων µπορεί να ενθαρρύνει περαιτέρω πρόβλεψη και, όπου οι υποθέσεις χρειάζονται επαναξιολόγηση διευκολύνεται η γρήγορη συλλογή και επεξεργασία περισσοτέρων ή/και διαφορετικών ίσως δεδοµένων. Έτσι, η προβλεπτική, διαδραστική και δυναµική φύση των εργαλείων των ΤΠΕ, όπως τα υπολογιστικά φύλλα, υποστηρίζει αυτήν την επαναλαµβανόµενη προσέγγιση στη µάθηση. Ένα άλλο παράδειγµα είναι η χρήση λογισµικού προσοµοίωσης για την κατασκευή και τον έλεγχο κυκλωµάτων. Ενώ τα συµβατικά διαγράµµατα των κυκλωµάτων στο χαρτί είναι στατικά και δεν παρέχουν ανατροφοδότηση, η χρήση ΤΠΕ µπορεί να βοηθήσει τους µαθητές να οπτικοποιήσουν τι συµβαίνει όταν τα στοιχεία συνδέονται λάθος και να µάθουν από τα λάθη τους. iv. Επικεντρώνουν την προσοχή των µαθητών στα θεµελιώδη ζητήµατα Η διαδραστική και δυναµική φύση εργαλείων όπως οι προσοµοιώσεις, τα λογισµικά ανάλυσης δεδοµένων και οι τεχνικές γραφικών παραστάσεων, είναι δυνατό να επιδράσουν θετικά σε µια σειρά από σηµαντικά ζητήµατα όπως: στο να οπτικοποιήσουν οι µαθητές τις διαδικασίες πιο καθαρά και να εξάγουν ποιοτικές και αριθµητικές σχέσεις ανάµεσα σε σχετικές µεταβλητές, στην εστίαση της προσοχής των µαθητών ώστε να δίνουν έµφαση σε θεµελιώδη ζητήµατα, στην ανάδειξη των βαθύτερων χαρακτηριστικά των καταστάσεων ή των αφηρηµένων εννοιών (πχ. ρεύµα και τάση ενός κυκλώµατος), στο να αντιληφθούν οι µαθητές τις ιδέες πιο γρήγορα και πιο εύκολα, να διατυπώσουν νέες ιδέες και να τις µεταφέρουν από το ένα περιεχόµενο στο άλλο. Συγκεκριµένα, ένα γράφηµα που εξελίσσεται σε πραγµατικό χρόνο εξυπηρετεί στο να τραβήξει την προσοχή των µαθητών στην οθόνη και, άρα, στη συµπεριφορά των δεδοµένων, ιδιαίτερα όταν είναι µη αναµενόµενο (Barton, 1998). Επίσης τα εξελιγµένα λογισµικά ανάλυσης δεδοµένων που ενσωµατώνουν πίνακες, χάρτες, γραφήµατα και µοντέλα, παρέχουν µια οµαλή εναλλαγή µεταξύ αναπαραστάσεων και άρα εννοιολογική σύνδεση ανάµεσά τους (Rogers, 2002b). Έτσι, οι αναλυτικές δυνατότητες του υπολογιστή προσφέρουν πλεονεκτήµατα σε σχέση µε τις χειροκίνητες µεθόδους στο να επιτρέπουν µια πιο ολιστική και ποιοτική προσέγγιση των µαθητών στην ανάλυση των σχέσεων ανάµεσα στις µεταβλητές σε ένα γράφηµα παρά σε µεµονωµένα σηµεία δεδοµένων (Barton, 1997). Η χρήση ΤΠΕ για την υποστήριξη της πειραµατικής διερεύνησης µπορεί στην πραγµατικότητα να βοηθήσει τους µαθητές να βιώσουν ολόκληρη τη διαδικασία ως ολιστική και κυκλική, τη στιγµή που οι περιορισµοί του χρόνου στα πλαίσια ενός συµβατικού εργαστηρίου τείνουν να παρουσιάζουν ως διακριτή και κατά συνέπεια τείνουν να αποκρύπτουν τη διασύνδεση ανάµεσα σε σχεδιασµό, πρακτική εργασία, συλλογή δεδοµένων και αξιολόγηση (Baggott la Velle et al., 2003). Είδαµε πιο πάνω πώς η χρήση των ΤΠΕ θα µπορούσε να διευκολύνει ή να αυτοµατοποιήσει δευτερεύοντα καθήκοντα ρουτίνας όπως αυτά που περιλαµβάνουν διαχείριση δεδοµένων, υπολογισµούς και γραφήµατα. Πάντως, η ελευθερία που παρέχεται στους χρήστες ώστε να δίνουν την προσοχή τους σε πιο θεµελιώδη ζητήµατα δεν είναι µια αυτόµατη διαδικασία. Για να καταλάβουν το νόηµα ενός πειράµατος, οι µαθητές χρειάζεται επίσης να εκτιµήσουν τη ουσιώδη φύση των διαδικασιών που διεκπεραιώνονται από τον υπολογιστή, για παράδειγµα να κατανοήσουν ότι µια δραστηριότητα καταγραφής δεδοµένων µε τη χρήση MBL, είναι ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 35

48 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ σαν να χρησιµοποιούν ένα θερµόµετρο για να µετρήσουν τη θερµοκρασία που αλλάζει κατά τη διάρκεια µιας µεταβολής. v. Ενισχύουν την αυτορυθµιζόµενη και την συνεργατική µάθηση Οι ΤΠΕ δεν αποτελούν ένα υποκατάστατο του δασκάλου. Η χρήση τους για διερεύνηση και πειραµατισµό παρέχει στους δασκάλους ένα ισχυρό µέσο για την εµπλοκή σε ενεργητική µάθηση και προσφέρουν στους µαθητές µεγαλύτερη υπευθυνότητα και έλεγχο. Οι µαθητές που εµπλέκονται σε διερευνητικές δραστηριότητες µέσω ΤΠΕ µπορούν να δουλέψουν περισσότερο ανεξάρτητα (αλλά όχι εντελώς) από τον δάσκαλο. Για να αναπτύξουν τις έννοιες που είναι βασικές στη διδασκαλία της φυσικής αλλά και να αντιµετωπίσουν αντιδιαισθητικές αντιλήψεις, οι µαθητές πρέπει να µάθουν να σκέφτονται από µόνοι τους. Οι ιδέες τους χρειάζεται να γίνουν σαφείς και να προκαλούνται από τις νέες εµπειρίες. Τα εργαλεία των ΤΠΕ έχουν µεγάλη δυνατότητα να ενθαρρύνουν αυτό το είδος της µάθησης Τα λογισµικά µπορούν να παρουσιάσουν πολλές επιλογές και εναλλακτικές στους µαθητές, παρέχοντας µια διαδραστική εµπειρία που είναι πρόσφορη για ατοµική διερεύνηση. (Rogers, 2004, σελ.2). Αξίζει να σηµειωθεί ότι «ανεξαρτησία» δε σηµαίνει ότι οι µαθητές δουλεύουν µόνοι τους. Η συνεργασία σε οµάδες µαθητών που εργάζονται από κοινού σε καθήκοντα, το µοίρασµα της γνώσης και της εµπειρίας, και η παραγωγή κοινών συµπερασµάτων έχει αρχίσει να γίνεται ένα κυρίαρχο µοντέλο για τη χρήση εκπαιδευτικής τεχνολογίας. Αυτό συµβαίνει εν µέρει επειδή η έλλειψη εξοπλισµού (hardware) οδηγεί συχνά στην από κοινού χρήση του. Πάντως, ένα µεγάλο µέρος ερευνητικών δεδοµένων έχει συσσωρευτεί υπέρ των γνωστικών ωφελειών της συνεργατικής µάθησης που υποστηρίζεται από την τεχνολογία (π.χ. O Malley 1995). Οι δάσκαλοι επίσης αντιλαµβάνονται ότι η χρήση ΤΠΕ προσφέρει ένα κίνητρο και ένα µέσον για συζήτηση ανάµεσα σε µαθητές. Θα πρέπει να σηµειωθεί πάντως, ότι οι ίδιοι οι δάσκαλοι παίζουν ένα σηµαντικό ρόλο στην προώθηση, υποστήριξη και τον προσεκτικό έλεγχο της συνεργασίας των µαθητών, ως ένα αποτελεσµατικό µέσο για την µάθηση (Hennessy & Murphy 1999; Scrimshaw 1997). Όταν οι µαθητές, που χρησιµοποιούν ΤΠΕ, αντιµετωπίσουν και αποδεχθούν µια εξισορρόπηση των οφελών και των περιορισµών της διερεύνησης, αυτό τυπικά έχει ως αποτέλεσµα την τροποποίηση των ερευνητικών στρατηγικών τους. Παροµοίως, οι υπάρχουσες πρακτικές και αξίες που συνδέονται µε τη διερεύνηση, και η ικανότητα των µαθητών να ρυθµίζουν µόνοι τους τη µάθησή τους εκµεταλλευόµενοι τις νέες ψηφιακές τεχνολογίες, µπορούν να επηρεάσουν την αποτελεσµατικότητα της χρήσης των ΤΠΕ. Η αυτορρύθµιση της µάθησης, µπορεί να ενισχυθεί µέσα από εργαλεία ΤΠΕ που υποστηρίζουν µέσα από τον σχεδιασµό τους την διαµορφωτική αξιολόγηση των µαθητών ή από συµπληρωµατικές δράσεις που πλαισιώνουν τα εργαλεία αυτά. Πολλά περιβάλλοντα προσοµοιώσεων προσφέρουν ψηφιακή υποβοήθηση (scaffolding) στην µάθηση (Baggott la Velle et al., 2007) µε τον σκοπό αυτό. Η προτροπή των µαθητών για περισσότερες ευθύνες σε σχέση µε τη µάθησή τους, είναι ένα συνηθισµένο ζήτηµα στις καινοτοµίες που υποστηρίζονται από ΤΠΕ και εφαρµόστηκε, για παράδειγµα, στο Project CLP (Computer as Learning Partner), παρέχοντας λογισµικό υποβοήθησης της µάθησης, που ωθούσε τους µαθητές να ανιχνεύσουν µόνοι τους την πρόοδό τους (Linn & Hsi, 2000). Εδώ, ο καθηγητής µετά το πέρας κάθε δραστηριότητας, ενθάρρυνε τους µαθητές να ανακοινώνουν τα αποτελέσµατά τους και εποµένως να αποκτούν συναίσθηση των 36

49 Ι. Λεύκος, 2011 αρχών που διέπουν τα φαινόµενα που εξετάζουν µέσα στο προσοµοιωµένο περιβάλλον, αλλά και τον τρόπο µε τον οποίο οι ίδιες αρχές εφαρµόζονται σε αντίστοιχα φαινόµενα της καθηµερινής τους ζωής. Οι ΤΠΕ έχουν τη δυνατότητα να παρέχουν περισσότερες ευκαιρίες υποστήριξης των µαθητών, στο να αναγνωρίζουν µόνοι τους τις µαθησιακές τους ανάγκες. Υπάρχουν επίσης πολλά συστήµατα αξιολόγησης βασισµένα σε υπολογιστές, αλλά συνήθως αυτά, στο µόνο που βοηθούν τους µαθητές, είναι το αν οι απαντήσεις τους είναι σωστές ή λάθος, αντί να παρέχουν τις πληροφορίες εκείνες που θα τους καθιστούσαν ικανούς για µάθηση. Εξαίρεση αποτελεί το λογισµικό Diagnoser (Minstrell, 2001), που αναγνωρίζει την τρέχουσα κατανόηση ενός θέµατος, εξετάζοντας τη λογική µε την οποία οι µαθητές οδηγήθηκαν στις απαντήσεις τους. Το λογισµικό, τότε, κατευθύνει τους µαθητές και τους δασκάλους τους σε περαιτέρω αντίστοιχα προβλήµατα, ή ζητήµατα για να σκεφτούν και πειράµατα να διερευνήσουν. vi. Βελτιώνουν την κινητοποίηση και την εµπλοκή των µαθητών Υπάρχει εκτεταµένη βιβλιογραφία που τεκµηριώνει ότι η χρήση ΤΠΕ φαίνεται να είναι ουσιαστικά πιο ενδιαφέρουσα και συναρπαστική για τους µαθητές από ότι η χρήση άλλων πηγών (π.χ. Cox, 1997; Deaney et al, 2003). Οι ΤΠΕ προσφέρουν δυνατότητες της παρουσίασης των εννοιών, µε ενσωµάτωση animation, ήχου και χρωµάτων αντί στατικών κειµένων και εικόνων, που είναι περισσότερο ελκυστικά και αυθεντικά. Επιπλέον, η χρήση ΤΠΕ µπορεί να αυξήσει τη συµµετοχή των µαθητών εµπλουτίζοντας τις εργαστηριακές δραστηριότητες, όχι απλά λόγω της καινοτοµίας αλλά κυρίως διότι παρέχουν άµεσα και ακριβή αποτελέσµατα και ελαχιστοποιούν τις χειρωνακτικές εργασίες ρουτίνας. Παρατηρήθηκε, επίσης, ότι οι µαθητές παρακινούνται περισσότερο να συµµετέχουν σε δραστηριότητες φυσικής και συζητήσεις, όταν χρησιµοποιούν εργαλεία όπως οι διαδραστικοί πίνακες, η µοντελοποίηση και οι προσοµοιώσεις, τα οποία επιτρέπουν την ενεργό συµµετοχή και προσφέρουν στους µαθητές δυνατότητες ρύθµισης της ίδιας τους της µάθησης. Ένα πολύ σηµαντικό κίνητρο, επίσης, µπορεί να αποτελέσει ο παιγνιώδης χαρακτήρας των προσοµοιώσεων (Blissett & Atkins, 1993). Το παιχνίδι απαιτεί την ενεργοποίηση της φαντασίας των µαθητών, κεντρίζοντας το µυαλό τους µέσω της συµµετοχής σε µια δραστηριότητα που διέπεται από κανόνες και ενέχει κατά µια έννοια την προσµονή επιβραβεύσεων. Σε µια τέτοια φανταστική κατάσταση, απαιτείται από τον µαθητή να κάνει υποθέσεις, να κάνει διάφορους συνδυασµούς, να προσδοκεί εκβάσεις και να παράγει νοητικά διαφορετικές καταστάσεις και σενάρια. Οι ανταµοιβές (και οι απογοητεύσεις!) έρχονται ως αποτέλεσµα της έκβασης µιας ή περισσοτέρων επιλογών που κάνουν οι µαθητές, από ένα εύρος δυνατοτήτων που παρέχονται από το λογισµικό. Αυτό το διαρκώς αυξανόµενο ερέθισµα παιχνιδιού που προέρχεται από την προβολή των προσδοκιών του µαθητή, βοηθά στην ανάπτυξη της κατανόησής του, ξεπερνώντας τις δυνατότητες που παρέχονται από µια συµβατική διδασκαλία (Vygotsky, 1978; Wood & Attfield, 1996). Αυτό το στοιχείο edutainment (παιγνιώδους µάθησης) παίζει σηµαντικό ρόλο στην αξιολόγηση της προσοµοίωσης από τους µαθητές όπως έχει αναφερθεί σε έρευνα των Watson & Baggott (1997). Καλά οργανωµένες προσοµοιώσεις δεν αποτελούν, λοιπόν, ένα διάλλειµα από τη µάθηση, αλλά µια πιο αποτελεσµατική στρατηγική µάθησης: Προκαλούν τη φαντασία και την περιέργεια του µαθητή µέσα σε ένα πλαίσιο παιχνιδιού δοµηµένου µε κανόνες (Baggott la Velle et al., (2007). ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 37

50 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ v. Προωθούν την εννοιολογική αλλαγή των µαθητών Οι µελέτες για τη χρήση των λογισµικών προσοµοιώσεων και µοντελοποίησης, έχουν εστιάσει το ενδιαφέρον των ερευνητών στην προώθηση της εννοιολογικής αλλαγής και την αντιµετώπιση των εναλλακτικών απόψεων των µαθητών. Έτσι, παλαιότερες έρευνες έχουν δείξει ότι µέσα από τη χρήση των προσοµοιώσεων, οι µαθητές αποκτούν µεγαλύτερη κατανόηση των φυσικών φαινοµένων που περιγράφονται µε συσχετιζόµενες µεταβλητές (Hinton, 1978; Whitelock et al., 1991), ενώ η µοντελοποίηση µε ποιοτικούς όρους επιτρέπει στους µαθητές να εκφράσουν, να αποκαλύψουν και να δοκιµάσουν τις απόψεις τους, δηµιουργώντας έτσι ένα περιβάλλον πρόσφορο για την επίτευξη εννοιολογικής σύγκρουσης, το οποίο κατά την άποψη των ερευνητών είναι προϋπόθεση για την εννοιολογική αλλαγή (Draper et al., 1992). Παρόµοιες έρευνες σχετικά µε τις προσοµοιώσεις πειραµατικών διατάξεων (Monaghan and Clement, 1999; Tao & Gunstone, 1999), επέτρεψαν τον προσδιορισµό των δυνατοτήτων που προσφέρουν οι ΤΠΕ, των µαθησιακών αποτελεσµάτων και των αντίστοιχων παιδαγωγικών πρακτικών, οι οποίες οδηγούν στην εννοιολογική αλλαγή. Για παράδειγµα, στην έρευνα των Tao & Gunstone (1999), ένας «µικρόκοσµος» για τη ύναµη και την Κίνηση, χρησιµοποιήθηκε σε µια διδακτική σειρά φυσικής διάρκειας 10 εβδοµάδων, σε µαθητές ηλικίας 15 ετών. Οι προσοµοιώσεις κατασκευάστηκαν ειδικά για την αντιµετώπιση των εναλλακτικών απόψεων των µαθητών στη περιοχή της Μηχανικής. Αυτή η σειρά σχεδιάστηκε µε τη λογική της εργασίας των µαθητών σε ζευγάρια, ακολουθώντας κατάλληλα φύλλο εργασίας, χωρίς ουσιαστικά την εµπλοκή του εκπαιδευτικού. Κατά τη διάρκεια της διδασκαλίας, οι µαθητές συµπλήρωναν και βελτίωναν τις απόψεις της οµάδας τους και σταδιακά οικοδοµούσαν την από κοινού κατανόηση. Οι αλληλεπιδράσεις µεταξύ τους, όπως φάνηκε στους διαλόγους τους, τους οδήγησε στην εννοιολογική αλλαγή. Στην έρευνα αυτή, οι ευκαιρίες που παρείχε το µαθησιακό περιβάλλον προέρχονταν από το συνδυασµό του λογισµικού, του φύλλου εργασίας και των µαθητών της οµάδας. ηλαδή τα φύλλα εργασίας και οι συµµαθητές, είναι δυνατό να αυξήσουν τις παροχές του λογισµικού και τις διαθέσιµες πληροφορίες. Στην περίπτωση αυτή, οι παιδαγωγικές απόψεις και πρακτικές των εκπαιδευτικών και των ερευνητών, έχουν ενσωµατωθεί στον σχεδιασµό τόσο του λογισµικού, όσο και των φύλλων εργασίας Συγχρονικές διατάξεις - MBL Ιδιαίτερη περίπτωση εφαρµογής Τεχνολογιών Πληροφόρησης στο εργαστήριο Φυσικών Επιστηµών, αποτελούν οι συγχρονικές διατάξεις λήψης και απεικόνισης µεταβολών. Η τεχνική χαρακτηρίζεται διεθνώς µε τον όρο "Εργαστήριο βασισµένο σε υπολογιστή" - Microcomputer Based Laboratories (MBL), (Tinker, 1996). Ειδικοί αισθητήρες (sensors), µέσω ενός φορητού ή σταθερού αναλογικο/ψηφιακού µετατροπέα (A/D converter), καταγράφουν µεταβολές φυσικών µεγεθών από µια πραγµατική -όχι προσοµοιωµένη- εξέλιξη φαινοµένων στο εργαστήριο ή το περιβάλλον. Κατάλληλο λογισµικό επεξεργάζεται και αναλύει τα δεδοµένα και απεικονίζει, σε πραγµατικό χρόνο µε την εξέλιξη των φαινοµένων, πολλαπλές αναπαραστάσεις των µεταβολών στην οθόνη του υπολογιστή (Εικόνα 3). 38

51 Ι. Λεύκος, 2011 Εικόνα 3: Συγχρονική διαδικασία µετρήσεων Το σύστηµα αποσκοπεί να βελτιώσει τις τεχνικές µετρήσεων και ερµηνείας των µεταβολών. Παρέχει δυνατότητα συλλογής δεδοµένων από µεγέθη που σε κλασικό εργαστήριο δεν ήταν εφικτό. Η αισθητοποίηση, µέτρηση και οπτικοποίηση αφηρηµένων και δύσκολων στην κατανόηση µεγεθών, όπως π.χ. οι δυνάµεις, η επιτάχυνση και η θερµική ενέργεια, καθίσταται δυνατή µε τη χρήση του κατάλληλου αισθητήρα και µε τις δυνατότητες του λογισµικού. Με τη χρήση του αισθητήρα της επιτάχυνσης για παράδειγµα, το µέγεθος της επιτάχυνσης καθίσταται πρωτογενές και µετράται άµεσα τη στιγµή της επίδρασης των δυνάµεων, ενώ σε µια κλασική πρακτική, παράγεται ετεροχρονισµένα µε έµµεσες υπολογιστικές µεθόδους. Αντίστοιχα άλλοι αισθητήρες, όπως ο αισθητήρας καταγραφής µεταβολών θέσης, δύναµης, µαγνητικού πεδίου, ραδιενεργού ακτινοβολίας κλπ, αναδεικνύουν το µετρούµενο µέγεθος και βοηθούν στη κατανόηση της επίδρασης των παραµέτρων του περιβάλλοντος στη µεταβολή της εκάστοτε µετρούµενης τιµής. Υπάρχουν εξειδικευµένοι αισθητήρες σχεδόν για κάθε φυσικό µέγεθος που συναντάται στο σχολικό εργαστήριο Φυσικών Επιστηµών, ενώ νέοι αισθητήρες αναπτύσσονται συνεχώς. Το πεδίο εφαρµογής εποµένως των συγχρονικών διατάξεων είναι ευρύ και καλύπτει πλήθος περιπτώσεων από το χώρο της Φυσικής, Βιολογίας, Χηµείας και Μελέτης του Περιβάλλοντος. Η δυνατότητα του υπολογιστή να σχηµατίζει γραφικές παραστάσεις σε πραγµατικό χρόνο µε την εξέλιξη των φαινοµένων, βοηθά τη ποιοτική προσέγγιση των Φυσικών Επιστηµών και τη σύνδεση θεωρίας και φαινοµένων (Μπισδικιάν, 2000). Έχει φανεί ότι η άµεση σύζευξη των γραφικών παραστάσεων µε το φυσικό φαινόµενο, οδηγεί τους διδασκόµενους όχι µόνο στην κατανόηση των φυσικών µεγεθών που αναπαρίστανται, αλλά επίσης τους βοηθά στην ανάπτυξη δεξιοτήτων χειρισµού γραφικών παραστάσεων και την κατανόηση της φυσικής σηµασίας των γραφικών παραστάσεων, ως δυναµικού συστήµατος επιστηµονικού συµβολισµού (Thornton, 1995). Παράλληλα, απαλλάσσει το µαθητή από τη χρονοβόρα διαδικασία κατασκευής γραφικών παραστάσεων, µεταθέτοντας τις πειραµατικές δραστηριότητες από τη παραδοσιακή ποσοτική αντιµετώπιση προς την ποιοτική ερµηνεία των µεταβολών, διαδικασία η οποία συνδέεται µε διαφορετική κατηγορία δεξιοτήτων. Οι ποσοτικές τιµές µπορούν να ακολουθήσουν όποτε χρειαστεί. Ο χρόνος που εξοικονοµείται µπορεί υπό κατάλληλη καθοδήγηση, να διατεθεί σε περισσότερο ουσιαστικές δραστηριότητες, όπως η παρατήρηση και ο συλλογισµός γύρω από τα δεδοµένα. Οι γραφικές παραστάσεις σε αυτή τη περίπτωση, δεν είναι το τελικό προϊόν της διερεύνησης, αλλά αποτελούν σηµείο αφετηρίας για ανάπτυξη συλλογισµών και κεντρικό µέσο επικοινωνίας (Rogers, 1997). ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 39

52 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Αντίθετα µε τις προσοµοιώσεις, όπου ο χρήστης αλληλεπιδρά µόνο µε τον υπολογιστή (Σχήµα 1), στη περίπτωση των συγχρονικών διατάξεων ο χρήστης δεν είναι αποκοµµένος από το φυσικό κόσµο. Αυτή η σχέση µεταξύ χρήστη, τεχνολογικού µέσου και φυσικού κόσµου, µπορεί να αναπαρασταθεί στην Εικόνα 4. Εικόνα 4: Κύρια χαρακτηριστικά ενός συγχρονικού διερευνητικού περιβάλλοντος Οι τρεις παράγοντες στην Εικόνα 4 επικοινωνούν αµφίδροµα µεταξύ τους. Από το φυσικό κόσµο των φαινοµένων, οι πληροφορίες µεταδίδονται και ως οπτικές παραστάσεις προς το χρήστη που διεξάγει τις µετρήσεις και ως ηλεκτρονικά δεδοµένα προς τη συγχρονική διάταξη. Η συγχρονική διάταξη επεξεργάζεται τις µετρήσεις και τις παρουσιάζει σε πραγµατικό χρόνο στο χρήστη. Μπορεί επίσης να ρυθµίσει την εξέλιξη του φαινοµένου µε τη βοήθεια κατάλληλων διατάξεων ελέγχου, όταν ικανοποιείται µια συνθήκη που ορίζεται από το χρήστη, όπως π.χ. όταν η θερµοκρασία υπερβεί µια τιµή. Ο χρήστης µε τη σειρά του µπορεί να καθορίσει τη µορφή ανάλυσης και εµφάνισης των µετρήσεων ή να επέµβει στη πειραµατική διάταξη και να µεταβάλλει παραµέτρους. Η ακολουθία και σκοπιµότητα των αλληλεπιδράσεων µεταξύ των παραπάνω µερών περιγράφεται από το διδακτικό σενάριο ή τις φάσεις ενός Φύλλου Εργασίας. Ανάλογα µε τη διαθεσιµότητα του υλικού, είναι δυνατή η αξιοποίηση των συγχρονικών διατάξεων µε διαφορετικές διδακτικές προσεγγίσεις οι οποίες σχετίζονται µε τους στόχους του αναλυτικού προγράµµατος και του εκπαιδευτικού καθώς και τη φύση του υπό µελέτη φαινοµένου. Για παράδειγµα είναι δυνατή η διερεύνηση φαινοµένων µε οµάδες µε µία συγχρονική διάταξη εφόσον υπάρχει αίθουσα µε υπολογιστές σε τοπικό δίκτυο. Στη περίπτωση αυτή οι µετρήσεις πραγµατοποιούνται στο κεντρικό υπολογιστή και οι διδασκόµενοι καλούνται να επεξεργαστούν στον υπολογιστή τους τα δεδοµένα, να ερµηνεύσουν τις γραφικές παραστάσεις και να εξάγουν τα συµπεράσµατα, είτε σε πραγµατικό χρόνο µε τη συγχρονική λήψη των µετρήσεων είτε εκ των υστέρων µε δικτυακή πρόσβαση στο αρχείο µε τα δεδοµένα. Σε εναλλακτικό µοντέλο, τα δεδοµένα διοχετεύονται µέσω ιστοσελίδας στο διαδίκτυο. Ο µηχανισµός απευθύνεται σε ευρύτερο πληθυσµό, ο οποίος καλείται να συµµετάσχει σε συνεργατική διερευνητική πειραµατική δραστηριότητα, όταν η πηγή δεδοµένων είναι γεωγραφικά αποµακρυσµένη ή κατανεµηµένη, π.χ. ευρεία συµµετοχή σε πειράµατα βρασµού σε διάφορα υψόµετρα, ή φωτοµετρική καταγραφή έκλειψης ηλίου από όλα τα σχολεία κλπ. Τα σχολεία µπορούν να στέλνουν ή και να δέχονται δεδοµένα, σύµφωνα µε το σχεδιασµό του σχολείου - συντονιστή. Υπάρχει επίσης η δυνατότητα τηλεχειρισµού συσκευών και εκτέλεσης µετρήσεων πραγµατικού χρόνου από αποµακρυσµένες διατάξεις µέσω εφαρµογών του διαδικτύου. 40

53 Ι. Λεύκος, Περιβάλλοντα προσοµοιώσεων και εικονικά εργαστήρια Τι είναι οι προσοµοιώσεις είδη Οι προσοµοιώσεις είναι λογισµικά τα οποία περιέχουν ένα µοντέλο κάποιου συστήµατος (φυσικού ή τεχνητού π.χ. µιας συσκευής) ή µιας διαδικασίας. Μπορούν να διαχωριστούν γενικά σε δυο κατηγορίες. Σε προσοµοιώσεις που περιέχουν εννοιολογικά µοντέλα (conceptual models) και σε προσοµοιώσεις που βασίζονται σε λειτουργικά µοντέλα (operational models) (De Jong, T. & Van Joolingen, W., 1998). Τα εννοιολογικά µοντέλα περιλαµβάνουν αρχές, έννοιες και δεδοµένα που σχετίζονται µε το σύστηµα το οποίο προσοµοιώνεται. Τα λειτουργικά µοντέλα, περιλαµβάνουν ακολουθίες από εννοιολογικές ή µη διαδικασίες (procedures) οι οποίες µπορούν να εφαρµοστούν στα προσοµοιωµένα συστήµατα. Παραδείγµατα από εννοιολογικά µοντέλα βρίσκουµε συνήθως στις οικονοµικές και στις φυσικές επιστήµες, ενώ παραδείγµατα από λειτουργικά µοντέλα βρίσκουµε συνήθως σε τεχνολογικές εφαρµογές όπως π.χ. για τη λειτουργία και διαχείριση ενός συστήµατος ραντάρ, ενός εργοστασίου παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας ή την πλοήγηση ενός αεροσκάφους. Οι προσοµοιώσεις που βασίζονται σε λειτουργικά µοντέλα στοχεύουν κυρίως στην εµπειρική µάθηση και αφορούν συνήθως την εκπαίδευση επαγγελµατιών. Από την άλλη, στην γενική εκπαίδευση και τα σχολικά περιβάλλοντα, συναντούµε συνήθως τα εννοιολογικά µοντέλα τα οποία εφαρµόζονται σε πλαίσια διερευνητικής µάθησης, µε στόχο να συµπεράνουν οι µαθητές το µοντέλο που κρύβεται από κάτω καθώς χειρίζονται την προσοµοίωση. Οι µαθητές αλληλεπιδρώντας µε την προσοµοίωση, αλλάζουν τις τιµές των µεταβλητών εισόδου και στη συνέχεια παρατηρούν τις συνεπαγόµενες αλλαγές στις µεταβλητές εξόδου (De Jong, 1991; Reigeluth & Schwartz, 1989). Αρχικά οι τρόποι αλληλεπίδρασης του χρήστη µε τα συστήµατα προσοµοίωσης ήταν πολύ περιορισµένοι, τώρα όµως εµφανίζονται όλο και περισσότερο εξεζητηµένα συστήµατα διεπαφής (interfaces) όπου η αλληλεπίδραση επιτυγχάνεται µε άµεσο χειρισµό των αντικειµένων για είσοδο και γραφικά ή κινούµενες εικόνες (animations) για έξοδο (e.g., Hirtel, 1994; Kozma, Russell, Jones, Marx, & Davis, 1996; Teodoro, 1992), µε αποκορύφωµα τα συστήµατα εικονικής πραγµατικότητας (π.χ. Thurman & Mattoon, 1994) Τα χαρακτηριστικά γνωρίσµατα των προσοµοιώσεων Βασικό χαρακτηριστικό των τυπικών πολυµέσων, αποτελεί η πολλαπλή προσέγγιση στην πρόσβαση, επεξεργασία και απεικόνιση πληροφοριών και η δυνατότητα αναπαράστασης ουσιαστικών πληροφοριών µε κείµενα διασυνδεδεµένα µε γραφικά, κινητές εικόνες (animation), ήχο και βίντεο (Συγγραφική Οµάδα Π.Ι., 1999). Η αλληλεπίδραση του χρήστη µε το περιβάλλον µπορεί να πραγµατοποιείται µέσω υπερδοµηµένης πλοήγησης µεταξύ των πληροφοριών. Σε ένα διερευνητικό περιβάλλον στη περιοχή των Φυσικών Επιστηµών, η διαχείριση και αναπαράσταση των πληροφοριών σχετίζεται µε εξελίξεις φαινοµένων και σχέσεις µεγεθών βάσει ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 41

54 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ νόµων. Ως ιδιαίτερα µέσα µετάδοσης πληροφοριών κατά τη µελέτη των φυσικών φαινοµένων, συγκαταλέγονται οι διασυνδεδεµένες πολλαπλές αναπαραστάσεις της εξέλιξης ενός φαινοµένου, όπως π.χ. οι ενδείξεις από ένα ψηφιακό και αναλογικό θερµόµετρο, η αλλαγή χρώµατος κατά τη θέρµανση, η/και σχετικά ηχητικά εφέ όπως στη περίπτωση του βρασµού, καθώς και οι συµβολικές γραφικές παραστάσεις των µεταβολών στα µεγέθη. Αντίστοιχα οι τεχνικές αλληλεπίδρασης διευρύνονται και περιλαµβάνουν, πέρα από την υπερδοµηµένη πλοήγηση, τη δυνατότητα παραµετροποίησης και τον άµεσο χειρισµό των αντικειµένων και παραµέτρων, όπως π.χ. η διερεύνηση της επίδρασης της αλλαγής θερµοκρασίας του περιβάλλοντος στα φαινόµενα θερµικής αγωγιµότητας. Ουσιαστικό λειτουργικό γνώρισµα των διερευνητικών περιβαλλόντων αποτελεί η έννοια της προσοµοίωσης. Ως προσοµοίωση θεωρείται η µερική µεταφορά και απεικόνιση σε περιβάλλον υπολογιστή, ενός φυσικού, τεχνητού ή κοινωνικού συστήµατος εννοιών και αντικειµένων, φαινοµένων ή διαδικασιών, µε ενσωµάτωση λειτουργικών στοιχείων των παραγόντων που λαµβάνουν µέρος. Ο όρος προσοµοίωση συναντάται ως σύνθετη έννοια η οποία µπορεί να υπονοεί: -Τα ίδια τα λογισµικά. Αναφέρεται για παράδειγµα ως προσοµοίωση, το λογισµικό µελέτης ηλεκτρικών κυκλωµάτων. -Τις διατάξεις που αναπαρίστανται στην οθόνη. Προσοµοιάζεται για παράδειγµα στον υπολογιστή ένας ατοµικός αντιδραστήρας. -Τις διαδικασίες που εκτελούνται. Αφού σχεδιαστεί στον υπολογιστή ένα πειραµατικό αεροπλάνο, προσοµοιάζεται αν είναι εφικτή η απογείωση του. Με τη ευρύτερη προσέγγιση του όρου, θεωρείται η προσοµοίωση ως σύστηµα το οποίο δύναται να παρεµβαίνει διδακτικά σε µια διαδικασία κατανόησης του φυσικού περιβάλλοντος από τον χρήστη της (Hartley et al., 1991). Η διαδικασία αυτή µπορεί να αναπαρασταθεί στην Εικόνα 5. Εικόνα 5: Χαρακτηριστικά ενός πολυµεσικού διερευνητικού περιβάλλοντος Σύµφωνα µε την Εικόνα 5, σε ένα σύστηµα πολυµεσικού διερευνητικού περιβάλλοντος, διακρίνονται: 1.-Ο λειτουργικός παράγοντας ο οποίος αφορά το µετασχηµατισµό, τις παραδοχές και απλοποιήσεις που επιδέχεται η επιστηµονική θεωρία, ώστε να προκύψει το αντίστοιχο πληροφοριακό σενάριο µέσω των οποίων, από το πολύπλοκο φυσικό κόσµο, θα αναδειχτούν τα λειτουργικά στοιχεία, που καλείται να διαχειριστεί η προσοµοίωση. 42

55 Ι. Λεύκος, Το περιβάλλον διεπαφής του χρήστη (user interface) το οποίο αφορά την επιλογή των πολυµέσων και καθορίζει τη χειριστική και αισθητική µορφή µε την οποία ο προσοµοιωµένος κόσµος αλληλεπιδρά µε το χρήστη. 3.-Ο παράγοντας που αναφέρεται στην ελευθερία ελέγχου που παρέχεται στο χρήστη, ώστε να µπορεί να παρεµβαίνει στη συµπεριφορά και τις παραµέτρους του λογισµικού. Στα παραπάνω χαρακτηριστικά θα πρέπει να εκτιµηθούν επιπλέον, οι διδακτικές παράµετροι που αναφέρονται στη µορφή δραστηριοτήτων για την ένταξη του περιβάλλοντος σε µια διδακτική πρακτική καθώς και µε ποια µορφή θα παρέχεται η καθοδήγηση από τον εκπαιδευτικό ή από το ίδιο το λογισµικό και θα κατευθύνει τις ενέργειες του χρήστη. Οι τρεις παραπάνω παράγοντες, η δυνατότητα διαµόρφωσή τους, οι διδακτικές επιπτώσεις καθώς και συγκεκριµένα παραδείγµατα από υπάρχοντα λογισµικά εξετάζονται στη συνέχεια. Α1. Ο λειτουργικός παράγοντας Η εσωτερική δοµή µιας προσοµοίωσης, η οποία αναπτύχθηκε βάσει κάποιου πηγαίου πληροφοριακού κώδικα και ενσωµατώνει του νόµους της θεωρίας και τις αντίστοιχες µαθηµατικές εκφράσεις, είναι αυτή που καθορίζει τη λειτουργική συνέπεια και την επιστηµονική εγκυρότητα του περιεχοµένου µιας προσοµοίωσης (Hartley et al, 1991). Ο παράγοντας αυτός καθορίζει κατά πόσο οι εσωτερικές λειτουργίες µίας προσοµοίωσης είναι σε συµφωνία µε το πραγµατικό φαινόµενο που αναπαρίσταται και µε πόση συνέπεια µε την πραγµατικότητα οι χειρισµοί του διδάσκοντα ή του µαθητή, προκαλούν επιστηµονικά αποδεκτές αποκρίσεις. Κατά κανόνα επιδιώκεται η λειτουργική δοµή µιας προσοµοίωσης να είναι συνεπής µε το επιστηµονικό πρότυπο, για να αποφευχθούν εσφαλµένες αντιλήψεις στους διδασκόµενους. Ο εκπαιδευτικός όµως µπορεί να επιλέξει σκόπιµα αλλοίωση στη λειτουργική συνέπεια, εάν σκοπός του είναι να διερευνήσει την επίδραση κάποιου συγκεκριµένου παράγοντα, απενεργοποιώντας την επίδραση άλλων. Αυτές οι λειτουργίες δεν είναι δυνατές σε πραγµατικό πείραµα. Για παράδειγµα, κατά τη διερεύνηση προσοµοίωσης ευθύγραµµης κίνησης, µπορεί να επιλέξει να µην λαµβάνονται υπόψη οι δυνάµεις τριβών µεταξύ των σωµάτων και να κατευθύνει τη µελέτη αποκλειστικά στην επίδραση της κινητήριας δύναµης. Η λειτουργική απόκλιση όµως των προσοµοιώσεων είναι αναπόφευκτη. Ο κόσµος της πραγµατικότητας είναι σύνθετος και πολύπλοκος, η συµπεριφορά του δεν είναι απόλυτα προσδιορισµένη και µπορεί να απέχει από την αναµενόµενη από τους θεωρητικούς νόµους που διδάσκονται. Για παράδειγµα, οι γραφικές παραστάσεις που λαµβάνονται µέσω πραγµατικών µετρήσεων, ακόµα και για µεταβολές που θεωρητικά καθορίζονται από γραµµικές σχέσεις, απέχουν πολύ από το να αποτελούνται από ευθύγραµµα τµήµατα. Μια προσέγγιση ενός φαινοµένου µέσω προσοµοίωσης εποµένως, δεν µπορεί να είναι λειτουργικά απόλυτα συµβατή µε τα φαινόµενα του πραγµατικού κόσµου. Οι νόµοι και τα µοντέλα που περιγράφουν τα φαινόµενα διέπονται από µετασχηµατισµούς µε απλοποιήσεις και παραδοχές, στο µέτρο που να µπορούν να περιγράφουν κατά προσέγγιση τα φαινόµενα και να γίνονται κατανοητά από τους διδασκόµενους. Οι σχέσεις, για παράδειγµα, µεταξύ πολλών µεγεθών εµφανίζονται ως γραµµικές και οι γραφικές παραστάσεις που λαµβάνονται µέσω εφαρµογής των µαθηµατικών τύπων, αποτελούνται από ευθύγραµµα τµήµατα. Ενώ φαίνεται δηλαδή ότι οι προσοµοιώσεις αναπαριστούν καταστάσεις του πραγµατικού κόσµου, αποτελούν στην ουσία αναπαραστάσεις που ακολουθούν ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 43

56 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ εξελίξεις σε επίπεδο µοντέλων. Αναδεικνύεται εποµένως ως σηµαντικός ο συνδετικός ρόλος των προσοµοιώσεων µεταξύ της θεωρίας και των πραγµατικών φαινοµένων. Α2. Το περιβάλλον διεπαφής του χρήστη Ως αναπαράσταση, µία προσοµοίωση υπόκειται σε σειρά από παραδοχές και αφαιρέσεις σε χειριστικό και σε αισθητικό επίπεδο, οι οποίες καθορίζονται από το σχεδιασµό του περιβάλλοντος, το διδακτικό σενάριο και τις τεχνικές δυνατότητες του υπολογιστή. Κατά κοινή αντίληψη, µε όση µεγαλύτερη πιστότητα πραγµατοποιείται η απεικόνιση των αντικειµένων ή των φαινοµένων στον υπολογιστή, τόσο πιο αποδεκτό φαίνεται ότι είναι το περιβάλλον διερεύνησης. Τα περιβάλλοντα προσοµοίωσης που ενσωµατώνουν σύγχρονες τεχνικές πολυµέσων, χαρακτηρίζονται από ιδιαίτερη φιλικότητα στη διασύνδεση του υπολογιστή µε το χρήστη και βελτιώνουν την αληθοφάνεια των αναπαραστάσεων, στοιχεία που συντελούν ίσως στη δεκτικότητα της γνώσης που προσπαθεί να µεταδώσει το σύστηµα. Θα ήταν όµως χρήσιµο στον εκπαιδευτικό ένα παρόµοιο περιβάλλον; Μήπως συναντούσε προβλήµατα παραπλήσια µε αυτά του φυσικού περιβάλλοντος και τα οποία θα επιθυµούσε να αποφύγει; Η πραγµατικότητα είναι τόσο πολύπλοκη, ώστε να µην είναι δυνατό να ληφθούν υπόψη όλοι εκείνοι οι παράγοντες που επηρεάζουν τα φαινόµενα και να συµπεριληφθούν στον εσωτερικό κώδικα της προσοµοίωσης. Επισηµαίνουµε ότι οθόνη πολύ πλούσια σε παραστάσεις και όγκο µη ουσιαστικών πληροφοριών, µπορεί να επισκιάσει τους παράγοντες του περιβάλλοντος των οποίων η µελέτη επιδιώκεται. Για διδακτικούς σκοπούς εποµένως, δεν είναι δυνατή αλλά ίσως ούτε και επιθυµητή µια άκρως αληθοφανής αναπαράσταση. Αυτή µάλιστα η επιλεκτική απόκλιση από τη πραγµατικότητα, τεκµηριώνει την ανάπτυξη και τη χρήση των περιβαλλόντων προσοµοίωσης και συµβάλλει εν δυνάµει στη προσανατολισµένη διερεύνηση των φυσικών φαινοµένων. Κατά το χειρισµό µιας προσοµοίωσης, ο χρήστης καλείται να πραγµατοποιήσει σειρά ενεργειών που σκοπό έχουν να δηλώσουν εντολές, επιλογές, ρυθµίσεις µεταβλητών ή εισαγωγή ποσοτικών δεδοµένων. Ενώ στις αντίστοιχες δραστηριότητες του φυσικού περιβάλλοντος ο χρήστης προβαίνει σε πρακτικές ενέργειες οι οποίες απαιτούν κατάλληλες χειριστικές δεξιότητες, στις προσοµοιώσεις οι πληροφορίες εισάγονται συνήθως µέσω πληκτρολόγησης ή δεξιοτεχνικής µετακίνησης του "ποντικιού" και πίεσης των πλήκτρων του. Τα εξαρτήµατα και χειρισµοί αυτοί δεν έχουν το λειτουργικό αντίστοιχό τους στη φύση και απαιτούν την ύπαρξη ιδιαίτερης κατηγορίας δεξιοτήτων. Οι πιο απλοποιηµένες χειριστικά µορφές, όπως η επιλογή από λίστα ενεργειών ή η πληκτρολόγηση στοιχείων, αποκλίνουν από την πραγµατικότητα και δε φαίνεται να προσφέρουν αληθοφάνεια χειρισµών. Στο παράδειγµα της Εικόνα 6, µπορούµε να επιλέξουµε εάν το καµινέτο θα είναι αναµµένο ή όχι, από τη λίστα των δύο επιλογών, χειρισµός που δεν είναι αληθοφανής και επιπλέον απαιτεί ανάγνωση των επιλογών και δέσµευση χώρου στην οθόνη. 44

57 Ι. Λεύκος, 2011 Εικόνα 6: Επιλογή από λίστα επιλογών (a) και ο αντίστοιχος άµεσος χειρισµός (b) Σχετικά αληθοφανείς προσεγγίσεις υλοποιούνται µε τον κατάλληλο σχεδιασµό στην οθόνη, εικονικών αντικειµένων και διατάξεων, µε µορφή οικεία από την καθηµερινότητα και µε τη δυνατότητα άµεσου χειρισµού τους (direct manipulation), όπως είναι η µετακίνηση και η τοποθέτηση των αντικειµένων σε τυχαίο σηµείο. Με το τρόπο αυτό, οι χειρισµοί προσοµοιάζουν µε τους πραγµατικούς και παρέχουν στο χρήστη την αίσθηση ότι αυτός αλληλεπιδρά άµεσα µε τα αντικείµενα, παρόλο που αυτά απλά εµφανίζονται στην οθόνη του υπολογιστή (Teodoro, 1992). Στο προηγούµενο παράδειγµα, µε το δείκτη του "ποντικιού" που έχει αποκτήσει τη µορφή ενός σπίρτου, µπορούµε να "ανάψουµε" την εικόνα της φλόγας ενός εικονικού καµινέτου. Σε πιο εξελιγµένες τεχνολογικά εφαρµογές που χαρακτηρίζονται από ιδιαίτερη αληθοφάνεια, συναντώνται δυναµικές τεχνικές εισόδου δεδοµένων και µορφές χειρισµών, όπως αποτελούν η οθόνη αφής, η αναγνώριση οµιλίας και οι αισθητήρες κίνησης που εφαρµόζονται σε περιβάλλοντα εικονικής πραγµατικότητας. Οι χειρισµοί στους οποίους προβαίνει ο χρήστης, ενεργοποιούν τους εσωτερικούς µηχανισµούς της προσοµοίωσης, οι οποίοι µε τη σειρά τους παράγουν πληροφορίες εξόδου. Οι πληροφορίες εµφανίζονται ως σύµβολα ή αναπαραστάσεις οι οποίες προσπίπτουν στην αντίληψή του. Η διαβάθµιση που εισάγεται από τη µορφή αισθητοποίησης των πληροφοριών από τον χρήστη, λαµβάνοντας υπόψη τη αντίστοιχη µορφή της πραγµατικότητας, χαρακτηρίζει την αισθητική αληθοφάνεια µιας προσοµοίωσης. Στη πιο απλή περίπτωση ένα απλό σχήµα, σύµβολο ή και λέξη παρά τη µικρή αισθητική αληθοφάνεια, µπορεί να είναι εξίσου αποτελεσµατική για τις πληροφορίες που µεταφέρει. Για τη κατανόηση της λειτουργίας ενός ατµοηλεκτρικού εργοστασίου, αρκεί ο απλός συµβολισµός µόνο των απαραίτητων λειτουργικών τµηµάτων του, σε σύγκριση µε τη φωτογραφική αναπαράσταση του εργοστασίου. Είναι επιθυµητό να επιδιώκεται υψηλή αισθητική αληθοφάνεια ώστε να παρέχεται ευκαιρία εξοικείωσης του χρήστη µε τις λειτουργίες του φυσικού περιβάλλοντος και ίσως η δυνατότητα µεταφοράς των γνώσεων και δεξιοτήτων µεταξύ του συµβολικού κόσµου και της πραγµατικότητας. εν παύει όµως ένα υψηλά αληθοφανές περιβάλλον να είναι φορτισµένο µε πλήθος δευτερευόντων πληροφοριών, που µπορεί να αποµακρύνουν την εστίαση της προσοχής από τις έννοιες που µελετώνται καθώς και τη σύνδεσή τους µε τα φαινόµενα. Σταδιακή αφαίρεση περιττών στοιχείων αποκαλύπτει τη προς µελέτη περιοχή, είναι εποµένως, σε ειδικές περιπτώσεις, αναγκαία η απόκλιση από την εικόνα της πραγµατικότητας και η εισαγωγή πολλαπλών αναπαραστάσεών της. ιαφορετικές µορφές απεικόνισης και αναπαράστασης προσδίδουν διαφορετική άποψη ενός φαινοµένου, µεταφέρουν ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 45

58 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ διαφορετικά είδη πληροφοριών και έχουν διαφορετικό βαθµό δεκτικότητας από το µαθητή (Wilson & Redish, 1992). Στο παράδειγµα της προσοµοίωσης πλάγιας βολής της Εικόνα 7, η εικόνα αποµακρύνει την αντίληψη από την αντίστοιχη αληθινή, ταυτόχρονα όµως εισάγει σειρά αναπαραστάσεων οι οποίες µεταφέρουν ουσιαστικές πληροφορίες για το φαινόµενο. Ο χρήστης παρακολουθώντας την τροχιά µε κινητές εικόνες, µπορεί ταυτόχρονα να διαβάσει τη τιµή της απόστασης που διανύεται, να παρακολουθήσει τον ταυτόχρονο σχηµατισµό των χρονικών γραφικών παραστάσεων της ταχύτητας και επιτάχυνσης και να συνδυάσει τα δεδοµένα µε τις συνιστώσες του διανύσµατος της ταχύτητας που εµφανίζονται πάνω στην εικόνα του βλήµατος. Η συγχρονική παρουσίαση των µεταβολών και ο σχηµατισµός των αντίστοιχων διανυσµάτων και γραφικών παραστάσεων, αποτελούν λειτουργίες που δεν είναι εφικτές σε µια τυπική πειραµατική διαδικασία, παρέχει ευκαιρία ολοκληρωµένης µελέτης της περιοχής που προσοµοιάζεται, εξυπηρετεί την επιθυµητή διασύνδεση θεωρίας και πραγµατικότητας και χαρακτηρίζει τη δυναµικότητα του περιβάλλοντος (Roth, 1995). Η δυνατότητα πολλαπλών αναπαραστάσεων και η άµεση συσχέτιση µεταξύ τους, µε τρόπο κατανοητό για τους διδασκόµενους, προσδίδει σηµαντικό ρόλο και τεκµηριώνει τη χρήση των προσοµοιώσεων µέσω υπολογιστή. Εικόνα 7: Πολλαπλές αναπαραστάσεις µεταβολών Α3. Η ελευθερία ελέγχου Από τη δυνατότητα του χρήστη να ελέγχει τη συµπεριφορά του λογισµικού, καθορίζεται σηµαντικά η µορφή αλληλεπίδρασής του µε το διερευνητικό περιβάλλον. Οι διαφορετικές µορφές αλληλεπίδρασης και ελευθερίας χρήσης, απαιτούν βεβαίως και διαφορετικούς διδακτικούς σχεδιασµούς. Με κριτήριο το βαθµό ελευθερίας ελέγχου που µπορεί να έχει ο χρήστης, διακρίνονται µορφές προσοµοιώσεων. Η ταξινόµηση δεν είναι απόλυτα διακριτή, καθώς χαρακτηριστικά µεταξύ των µορφών είναι δυνατόν να επικαλύπτονται. i. Οι παραµετρικές προσοµοιώσεις Η µορφή αυτή αποτελεί εξέλιξη παλαιότερης τάσης ανάπτυξης µεµονωµένων εφαρµογών λογισµικού που εµφανίζονται κυρίως ως µικρής κλίµακας παραµετρικές προσοµοιώσεις συγκεκριµένων φαινοµένων ή ως προσοµοιώσεις κλειστού τύπου µε γραµµική συµπεριφορά. Σήµερα εµπεριέχονται ως εργαλεία σε αρκετούς τίτλους πολυµέσων ή ως εφαρµογές applets στο διαδίκτυο. Ο κατασκευαστής έχει προεπιλέξει τα όργανα και τις συσκευές που απαρτίζουν τη πειραµατική διάταξη, έχει καθορίσει µε ποιους νόµους θα εξελίσσονται τα φαινόµενα και τα προσφέρει προς 46

59 Ι. Λεύκος, 2011 επίδειξη. Παρέχει όµως τη δυνατότητα παρέµβασης του χρήστη στη ρύθµιση των ανεξάρτητων µεταβλητών που καθορίζουν την εξέλιξη και τη διερεύνηση των φαινοµένων. Εικόνα 8: Παραµετρική διερεύνηση πλάγιας βολής Το παράδειγµα της Εικόνα 8, αναφέρεται στη παραµετρική διερεύνηση της πλάγιας βολής ("Objects in Motion", Physics Academic Software). Ο χρήστης µπορεί να διερευνήσει το φαινόµενο, έχοντας την ελευθερία να µεταβάλλει σειρά παραµέτρων, όπως την αρχική ταχύτητα, τη γωνία κλίσης, την αντίσταση του αέρα κλπ. Η χρήση του περιβάλλοντος γίνεται µε απλό τρόπο, χωρίς δικαίωµα επέµβασης στα αντικείµενα και τη λειτουργικότητά τους, µε στρατηγική παρόµοια µε τη προβολή µιας εκπαιδευτικής ταινίας βίντεο, µε όλες τις δυνατότητες επιτάχυνσης και επιβράδυνσης της ροής, ακινητοποίησης και επανάληψης της παρουσίασης µε νέες αρχικές τιµές. Η χρονική στιγµή της επίδειξη και η διαδικασία συµµετοχής των µαθητών, αποτελεί ζήτηµα σχεδιασµού της διδασκαλίας. ii. Ανοιχτά µαθησιακά περιβάλλοντα - Μικρόκοσµοι Οι µικρόκοσµοι στις Φυσικές Επιστήµες, αποτελούν ανοικτά υπολογιστικά περιβάλλοντα κατασκευής και διερεύνησης της συµπεριφοράς των αντικειµένων και των φυσικών νόµων ενός εικονικού περιβάλλοντος. Η ελευθερία χειρισµών που παρέχεται είναι µεγάλη. Ο προς προσοµοίωση κόσµος δεν είναι προκατασκευασµένος ή συγκεκριµένος, αλλά µπορεί να δηµιουργηθεί από τον εκπαιδευτικό ή το µαθητή, τη στιγµή που απαιτεί η διδακτική ένταξη. Τα µέσα που έχει ο δηµιουργός στη διάθεσή του για να δοµήσει το συγκεκριµένο κάθε φορά κόσµο, επιλέγονται µέσω εικονιδίων που αντιπροσωπεύουν στοιχειώδη αντικείµενα, συµπεριφορές, ιδιότητες και σχέσεις µεταξύ των αντικειµένων, λειτουργίες διαχείρισης του κόσµου και βοηθητικά εργαλεία. Στην Εικόνα 9 παρατίθενται κλάσεις τυπικών εικονιδίων ενός µκροκοσµικού περιβάλλοντος από τη περιοχή της Θερµότητας, παρόµοιο µε αυτόν που περιλαµβάνεται στο λογισµικό "ΣΕΠ". ιακρίνονται εικονίδια αντικειµένων όπως το θερµόµετρο, υποδεκάµετρο, ρολόι, καµινέτο, δοχείο υγρών κλπ, εικονίδια λειτουργιών όπως η επιλογή αντικειµένων, η εκκίνηση και η παύση της προσοµοίωσης καθώς και εικονίδια εργαλείων όπως η βιβλιοθήκη, η γραφική αναπαράσταση, το αριθµητήριο κλπ (Χατζηκρανιώτης, Μπισδικιάν & Ψύλλος, 1999). Εικόνα 9: Εικονίδια αντικειµένων, λειτουργιών και εργαλείων ενός µικροκόσµου ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 47

60 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Οι εφαρµογές "Interactive Physics" της εταιρίας Knowledge Revolution για τη µελέτη φαινοµένων Μηχανικής και "Explorer: Electric Circuits" της εταιρίας Logal για τη µελέτη απλών ηλεκτρικών κυκλωµάτων, αποτελούν αντιπροσωπευτικές περιπτώσεις µικρόκοσµων (Roth, 1995, Roberts et al., 1996). Η ένταξη ανοικτών περιβαλλόντων στο εργαστήριο, συνδέεται µε προσεκτικό σχεδιασµό ακολουθίας δραστηριοτήτων κατευθυνόµενης ή ελεύθερης διερεύνησης και ανακάλυψης. iii. Περιβάλλοντα Μοντελοποίησης Η µοντελοποίηση είναι αρκετά διαδεδοµένη τεχνική επιστηµονικής και παιδαγωγικής έρευνας (Schecker, 1998). Παρέχει στο χρήστη τη δυνατότητα να υλοποιήσει αφηρηµένες ιδέες, να οπτικοποιήσει φαινόµενα, να κατασκευάσει και διερευνήσει νοητικά µοντέλα για τη κατανόηση εννοιών ή να δοκιµάσει την επίδραση υποθετικών κανόνων. Η χειριστική και αισθητική σχέση µε τη πραγµατικότητα είναι περιορισµένη και απλοποιηµένη και οι διαδικασίες εστιάζονται στη λειτουργική άποψη των φαινοµένων. Οι ιδιότητες που αποδίδονται στα αντικείµενα και οι νόµοι που καθορίζουν τη συµπεριφορά τους, πιθανόν να µην ακολουθούν πάντα τους φυσικούς. Ένα µοντέλο µπορεί να αναπαριστά όχι απαραίτητα ένα πραγµατικό φαινόµενο, αλλά κάλλιστα µία έννοια ή µια πειραµατική επινόηση. Στο παράδειγµα της Εικόνα 10Εικόνα 10 παρουσιάζεται µοντέλο που αναπτύχθηκε σε περιβάλλον "STELLA" της εταιρίας High Performance Systems το οποίο περιγράφει τη σχέση µεταξύ µεγεθών από τη περιοχή της Κινηµατικής. Η ενεργοποίηση της προσοµοίωσης παράγει συνήθως τη γραφική αναπαράσταση των αποτελεσµάτων. Εικόνα 10: Μοντέλο STELLA για τη διερεύνηση κινήσεων iv. Ολοκληρωµένα περιβάλλοντα Αποτελούν διδακτικά περιβάλλοντα αλληλεπιδραστικών πολυµέσων (interactive multimedia), µε διαµορφούµενη από τον διδάσκοντα ή το χρήστη, ροή διαχείρισης των πληροφοριών. Η αναπαράσταση της πληροφορίας µπορεί να γίνεται µε διασυνδεδεµένα κείµενα, καθώς επίσης και µε τη χρήση γραφικών, ήχου και εικόνας βίντεο. Τα συστήµατα αυτά επιτρέπουν στο χρήστη να ανατρέξει σε µεγάλο όγκο διαθεµατικών πληροφοριών, µε µεθόδους που προσεγγίζουν τη λειτουργία του ανθρώπινου τρόπου αναζήτησης. Οι περισσότεροι εκπαιδευτικά τίτλοι πολυµέσων που κυκλοφορούν στην Ελληνική αγορά, υλοποιούν την ηλεκτρονική έκδοση ενός υπερ-βιβλίου (hyper book), το οποίο παραθέτει πληροφορίες χρησιµοποιώντας οπτικοακουστικά µέσα, µε περιορισµένες τεχνικές προσοµοίωσης. Πρόσφατα επίσης ενσωµατώνουν εικονικά εργαστηριακά περιβάλλοντα (virtual labs) τα οποία προσοµοιάζουν µε εικονικό και λειτουργικό τρόπο, εργαστήρια Φυσικών Επιστηµών στην οθόνη του υπολογιστή. ιαθέτουν επίσης λειτουργίες ανανέωσης της βάσης γνώσης από το διαδίκτυο και δυνατότητα επικοινωνίας και ανταλλαγής πληροφοριών µεταξύ χρηστών. Αντιπροσωπευτικές εφαρµογές της τάσης αυτής είναι το λογισµικό "ChemLab" της εταιρίας Corel, το λογισµικό "CULPE" του Rensselaer Polytechnic Institute και η εφαρµογή "ΣΕΠ" που περιγράφεται στη συνέχεια και είναι προϊόν συνεργασίας πανεπιστηµιακών οµάδων και έµπειρων εκπαιδευτικών. 48

61 Ι. Λεύκος, Οι προσοµοιώσεις στις Φυσικές Επιστήµες Οι προσοµοιώσεις αποτελούν ένα από τα πιο διαδεδοµένα είδη λογισµικού µεταξύ αυτών που έχουν βρει εφαρµογή στη διδασκαλία των φυσικών επιστηµών και έχει αποτελέσει αντικείµενο µελέτης πολλών ερευνητών (de Jong et al. (1999), Jimoyiannis & Komis (2001), Linn & Eylon (2000), Ronen & Eliahu (2000), Swaak et al. (1998), Tao & Gunstone (1999), White & Frederiksen (1998), Zacharias & Anderson (2003). Οι προσοµοιώσεις εµπεριέχουν µοντέλα ειδικά κατασκευασµένα προκειµένου να προσοµοιώνουν συγκεκριµένα φυσικά φαινόµενα, συστήµατα ή διαδικασίες. Τα µοντέλα αυτά, συνήθως είναι προκαθορισµένα από τον κατασκευαστή και δεν µπορούν να αλλάξουν, σε αντίθεση µε την περίπτωση των λογισµικών µοντελοποίησης όπου ο χρήστης έχει την δυνατότητα να καθορίσει το µοντέλο. Κατά την διαδικασία κατασκευής της προσοµοίωσης, λαµβάνονται υπόψη οι φυσικοί νόµοι που διέπουν τα υπό µελέτη φαινόµενα µε σκοπό να αναπαρασταθεί η συµπεριφορά τους µε όσο το δυνατό µεγαλύτερη ακρίβεια και πιστότητα. Οι προσοµοιώσεις δεν αποτελούν απλά µια εικονοποίηση ενός πολύπλοκου φαινοµένου που στοχεύει στην υποβοήθηση της κατανόησής του από τους µαθητές. Προσφέρουν επιπλέον στους µαθητές τη δυνατότητα της αλληλεπίδρασης µε το σύστηµα, ώστε να παρεµβαίνουν και να τροποποιούν συγκεκριµένες παραµέτρους του µοντέλου και στη συνέχεια να παρατηρούν τα αποτελέσµατα των δράσεών τους στη συµπεριφορά του προσοµοιωµένου συστήµατος. Με τον τρόπο αυτό οι µαθητές εισάγονται σε «εικονικά» πειράµατα, αντί να παραµένουν παθητικοί θεατές πειραµάτων επίδειξης, τα οποία αποτελούν ένα ισχυρό εργαλείο για εξερεύνηση, διερεύνηση και επεξήγηση της λειτουργίας των φυσικών φαινοµένων. Όπως έχει φανεί, υπάρχουν δυο κύριες τάσεις στην εφαρµογή των προσοµοιώσεων στη διδασκαλία των φυσικών επιστηµών. Η πρώτη είναι ο σχεδιασµός και ανάπτυξη προσοµοιώσεων µε σκοπό την κάλυψη ενός ευρέως πεδίου θεµατολογίας, χωρίς όµως αναφορές και πρόβλεψη σχετικά µε την ενσωµάτωσή τους στην µαθησιακή διαδικασία. Η άποψη που ενυπάρχει στην τάση αυτή, είναι η κατασκευή ενός πακέτου προσοµοιώσεων το οποίο θα έχει ευρεία θεµατολογία και θα διατίθεται στους εκπαιδευτικούς. Έτσι, στην περίπτωση αυτή, η ευθύνη για την ενσωµάτωση των προσοµοιώσεων στην διδακτική διαδικασία βαραίνει αποκλειστικά τους σχεδιαστές του Προγράµµατος Σπουδών και τους εκπαιδευτικούς. Με λίγα οι διαδικασίες της κατασκευής των προσοµοιώσεων από τη µια µεριά και της παραγωγής µαθησιακών δραστηριοτήτων από την άλλη, στην περίπτωση αυτή, είναι δυο ξεχωριστές διαδικασίες. Επιπλέον, επειδή οι προσοµοιώσεις βασίζονται πάνω σε ένα προσχεδιασµένο θεωρητικό µοντέλο λειτουργίας, οι εκπαιδευτικοί είναι υποχρεωµένοι να προσαρµόζουν το µαθησιακό περιβάλλον στην τάξη τους κατάλληλα και να σχεδιάζουν δραστηριότητες µε τρόπο ώστε να καταφέρουν να τις ενσωµατώσουν και να τις εκµεταλλευτούν. Χαρακτηριστικό παράδειγµα της τάσης αυτής, είναι το Interactive Physics, ένα λογισµικό το οποίο αποτελείται από διάφορους προσοµοιωµένους µικρόκοσµους και αναφέρεται σε µια µεγάλη περιοχή θεµάτων φυσικής. Κάθε µικρόκοσµος αφορά µια συγκεκριµένη θεµατική περιοχή στην οποία οι µαθητές έχουν την ευκαιρία να σχεδιάζουν και να εκτελούν τα πειράµατά τους, διαχειριζόµενοι διάφορες ιδιότητες του προσοµοιωµένου φυσικού φαινοµένου. Επιπλέον, χρησιµοποιώντας εικονικά εργαλεία, όπως χάρακες ή ανιχνευτές τροχιάς κινητών, οι µαθητές υποβοηθούνται να εστιάζουν την προσοχή τους σε συγκεκριµένες όψεις του προσοµοιωµένου φαινοµένου (Jonassen 2000). Η δεύτερη τάση είναι η κατασκευή προσοµοιώσεων, µε παράλληλη ανάπτυξη µαθησιακών δραστηριοτήτων ή διδακτικών ακολουθιών, ως µια ολοκληρωµένη και ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 49

62 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ αλληλοεξαρτώµενη διαδικασία. ηλαδή, οι προσοµοιώσεις κατασκευάζονται µε βάση χαρακτηριστικά που απαιτούνται ή επιβάλλονται από το Πρόγραµµα Σπουδών, ενώ ταυτόχρονα τα µαθησιακά υλικά σχεδιάζονται λαµβάνοντας υπόψη τις δυνατότητες που προσφέρονται από τις προσοµοιώσεις και τοποθετούνται αντίστοιχοι διδακτικοί στόχοι στις µαθησιακές δραστηριότητες. Με τον τρόπο αυτό, η κατασκευή και ο σχεδιασµός των προσοµοιώσεων, δεν είναι µια αυτόνοµη διαδικασία, αλλά αποτελεί αναπόσπαστο τµήµα µιας ολοκληρωµένης οπτικής σχεδιασµού του Προγράµµατος Σπουδών. Χαρακτηριστικό παράδειγµα τέτοιας προσέγγισης αποτελεί η περίπτωση του λογισµικού CPU (Constructing Physics Understanding) (Goldberg, 1997). Οι περιορισµοί στην ανάπτυξη, που τίθενται από τη χρήση των προσοµοιώσεων, δεν πρέπει να θεωρούνται ως παράγοντες επηρεασµού, καθώς η χρήση µιας προσοµοίωσης και η µεταβολή των παραµέτρων είναι ένα πολύ απλό ζήτηµα. Όµως πρέπει να τονιστεί ότι οι προσοµοιώσεις στην περίπτωση αυτή αναπτύσσονται µε σκοπό την εξερεύνηση συγκεκριµένων φυσικών συστηµάτων, και κατ επέκταση στοχεύουν σε συγκεκριµένες ηλικιακές οµάδες, ανάλογα µε την πολυπλοκότητα των υπό µελέτη φαινοµένων. Η ερµηνεία των αποτελεσµάτων που παράγονται από τις προσοµοιώσεις και η διεξαγωγή πειραµάτων τα οποία να έχουν νόηµα και ουσία, προκειµένου να οδηγούν σε πραγµατική κατανόηση, αποτελεί ακόµη µια τρέχουσα και πολύ σηµαντική πρόκληση για τους εκπαιδευτικούς, αλλά και τους κατασκευαστές εκπαιδευτικών περιβαλλόντων, η οποία βέβαια είναι ευρύτερη και δεν αφορά µόνο τις προσοµοιώσεις Οι δυνατότητες των προσοµοιώσεων για την εκπαίδευση στις Φ.Ε. Οι προσοµοιώσεις θεωρούνται ως ένα πολύ χρήσιµο στοιχείο του µαθησιακού περιβάλλοντος στις Φυσικές Επιστήµες και στον Πίνακα 1, παρουσιάζεται µια ανάλυση των δυνατοτήτων τους, σύµφωνα µε τους Papadouris & Constantinou (2009) και η πιθανή συµβολή τους σε µαθησιακά περιβάλλοντα σχετικά µε τις Φυσικές Επιστήµες. Οι προσοµοιώσεις, µπορούν να παρέχουν στους µαθητές τη δυνατότητα να παρατηρούν πως συµπεριφέρονται τα φυσικά συστήµατα ή φαινόµενα, αλλά και πώς µεταβάλλεται η συµπεριφορά τους καθώς διαχειρίζονται τις µεταβλητές που τα επηρεάζουν. Με τον τρόπο αυτό δίνεται η δυνατότητα στους µαθητές να εικονοποιήσουν και να κατανοήσουν αντίστοιχες αφηρηµένες έννοιες και τη λειτουργία πολύπλοκων µηχανισµών (White and Frederiksen 1998). Τη ίδια στιγµή, οι µαθητές µπορούν να κατασκευάσουν νοητικά µοντέλα για να αναπαραστήσουν τις αφηρηµένες και συνεπαγόµενες έννοιες και µηχανισµούς. Από την άλλη µεριά, οι προσοµοιώσεις συχνά εµφανίζουν την τάση της υπεραπλούστευσης της πραγµατικότητας ή της υποβάθµισης ορισµένων πτυχών των φαινοµένων, µε σκοπό να εστιάσουν πάνω στις θεωρούµενες ως σηµαντικότερες (Scaife and Wellington 1993). Το γεγονός αυτό πρέπει να λαµβάνεται υπόψη ώστε να µην οδηγούνται οι µαθητές σε λανθασµένες γενικεύσεις από την απλοποιηµένη εικονοποίηση πολύπλοκων φαινοµένων. Παρόµοια προβληµατική αναπτύσσει και o Murnane (2002), σχετικά µε την εκπαιδευτική χρήση των προσοµοιώσεων. Χαρακτηριστικά, αναφέρει ότι παρά την δυναµική που φαίνεται να έχουν οι προσοµοιώσεις στη διδασκαλία, υπάρχουν και κάποιες πτυχές που χρήζουν προσοχής, όπως εξάλλου και σε κάθε άλλη προσπάθεια µοντελοποίησης, όπως οι απλουστεύσεις που άλλες φορές είναι ορατές και άλλες όχι. Επεκτείνοντας δε τον προβληµατισµό, διερωτάται κατά πόσο η µάθηση που 50

63 Ι. Λεύκος, 2011 συντελείται µέσα από την χρήση ενός προσοµοιωµένου µοντέλου, ανταποκρίνεται τελικά στην πραγµατικότητα. Παρά τις επιφυλάξεις όµως σχετικά µε την πιστότητα της µοντελοποίησης ενός προσοµοιωµένου φυσικού συστήµατος, η αξία των προσοµοιώσεων φαίνεται πως βρίσκεται στην δυνατότητα που προσφέρουν στους µαθητές (στους χρήστες γενικότερα) για παρέµβαση µέσα στο σύστηµα, και µάλιστα µε ένα παιγνιώδη τρόπο. Ακολουθώντας µια λογική του τύπου: «τι θα γίνει αν?», καλούνται να λάβουν τις κατάλληλες αποφάσεις ώστε να εξερευνήσουν την συµπεριφορά του µοντέλου, χειριζόµενοι τις µεταβλητές εισόδου και παρατηρώντας την αλλαγή στις µεταβλητές εξόδου. Με τον τρόπο αυτό, οι προσοµοιώσεις προσφέρουν την δυνατότητα πειραµατισµού µε ένα µέρος της (µοντελοποιηµένης) πραγµατικότητας, και εποµένως να µάθουν σχετικά µε την συµπεριφορά του µοντέλου. Η διερεύνηση αυτή µπορεί να τους οδηγήσει σε συµπεράσµατα σχετικά µε την συµπεριφορά του ίδιου του φυσικού κόσµου, αλλά µπορεί και όχι (Edward, 1996; Magin & Reizes, 1990). Πίνακας 2: Οι δυνατότητες που παρέχουν οι προσοµοιώσεις και η πιθανή τους συµβολή στο µαθησιακό περιβάλλον των Φυσικών Επιστηµών. Τι δυνατότητες παρέχουν οι προσοµοιώσεις; Εκτέλεση δυναµικών εικονοποιηµένων προσοµοιώσεων φυσικών φαινοµένων & συστηµάτων Εκτέλεση εικονικών πειραµάτων για τα οποία φυσιολογικά απαιτούνται ιδανικές συνθήκες ιερεύνηση περισσοτέρων της µιας αναπαράστασης ενός φυσικού φαινοµένου Ποια είναι η πιθανή συµβολή τους στο µαθησιακό περιβάλλον των Φυσικών Επιστηµών; Εικονοποίηση πολύπλοκων και αφηρηµένων φυσικών συστηµάτων & φαινοµένων Ανάπτυξη νοητικών µοντέλων για την αναπαράσταση αφηρηµένων και συνεπαγόµενων εννοιών Άµεση συλλογή πειραµατικών (ψευδο- )δεδοµένων Αξιολόγηση της εγκυρότητας των νοητικών µοντέλων των µαθητών και σταδιακή τους βελτίωση Πρόκληση γνωστικών συγκρούσεων Αξιολόγηση της εγκυρότητας θεωρητικών αρχών σε συνθήκες οι οποίες είναι δύσκολο ή αδύνατο να επιτευχθούν φυσιολογικά. Επίτευξη βαθύτερης κατανόησης των υπό µελέτη φυσικών φαινοµένων Ερµηνεία ιδεών από τη µια αναπαράσταση στην άλλη Αξιολόγηση των εναλλακτικών µορφών αναπαράστασης Ανάπτυξη δεξιοτήτων επιλογής και συνδυασµού των κατάλληλων µορφών αναπαράστασης για την επικοινωνία και έκφραση συγκεκριµένων ιδεών ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 51

64 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Έλεγχος και διαχωρισµός των µεταβλητών που επηρεάζουν ένα φυσικό σύστηµα Ανάπτυξη αυτογνωσίας σχετικά µε τα χαρακτηριστικά της αποτελεσµατικής επικοινωνίας Ανάπτυξη δεξιοτήτων σε σχέση µε την διεξαγωγή έγκυρων πειραµάτων διαµέσου κατάλληλου χειρισµού των µεταβλητών Αναγνώριση των αιτιακών σχέσεων και των µη συσχετιζόµενων παραµέτρων Επιπλέον, οι µαθητές µπορούν να εξασκηθούν σε εικονικά πειράµατα, από τα οποία πολύ εύκολα και άµεσα συλλέγουν πειραµατικά (ψευδο-)δεδοµένα. Τα εικονικά πειράµατα µπορούν εύκολα και γρήγορα να επαναληφθούν πολλές φορές. Με τον τρόπο αυτό, οι µαθητές µπορούν να δοκιµάζουν τα µοντέλα τους για τα φυσικά φαινόµενα, να αξιολογούν την εγκυρότητά τους και να προσδιορίζουν τις όποιες πτυχές τους χρειάζονται διευκρίνιση. Αυτό µπορεί να αποτελέσει βασικό υπόβαθρο για την διαδικασία της σταδιακής τροποποίησης των νοητικών µοντέλων των µαθητών, µε σκοπό να ευθυγραµµιστούν µε τα υπό µελέτη φυσικά φαινόµενα (Raghavan et al. 1998, White and Frederiksen 1998). Η δυνατότητα που παρέχεται στους µαθητές για την διερεύνηση και διαχείριση ενός φυσικού συστήµατος και την άµεση παρατήρηση των συνεπειών των δράσεών τους, µπορεί να υποστηρίξει την πρόκληση γνωστικών συγκρούσεων (Hennessy et al. 1995, Weller 1995). Η γνωστική σύγκρουση προκύπτει όταν οι µαθητές έρχονται σε επαφή µε πειραµατικές καταστάσεις οι οποίες αντιτίθενται στις προβλέψεις και τις προσδοκίες τους. Παρότι η γνωστική σύγκρουση έχει ευρύτερα αναγνωριστεί ως ένα πολύ σηµαντικό στάδιο στην πορεία για την γνωστική αλλαγή (Posner et al. 1982), ο κατάλληλος τρόπος παρουσίασής της στους µαθητές (Limon 2001) και η πλαισίωσή της µε κατάλληλες δραστηριότητες, αποτελεί µια πολύ σπουδαία πρόκληση για τους εκπαιδευτικούς των Φυσικών Επιστήµων. Οι προσοµοιώσεις επίσης προσφέρουν στους µαθητές τη δυνατότητα της εµπειρίας µε πειράµατα τα οποία είναι δύσκολο να διεξαχθούν στην πραγµατικότητα. Πειράµατα που απαιτούν ιδανικές συνθήκες, όπως επιφάνειες χωρίς τριβή, κίνηση χωρίς αντίσταση του αέρα ή χωρίς βαρύτητα, µπορεί να είναι πολύ δαπανηρά ή να είναι πρακτικά αδύνατο να διεξαχθούν στην πραγµατικότητα. Κατά τον ίδιο τρόπο, φαινόµενα και φυσικές διεργασίες οι οποίες διαρκούν πολύ µεγάλα ή πολύ µικρά χρονικά διαστήµατα, ή που είναι αόρατες, παρουσιάζουν µεγάλες πρακτικές δυσκολίες για την µελέτη τους και οι προσοµοιώσεις µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την άρση των δυσκολιών αυτών και την διεξαγωγή τους σε ιδανικές και βολικές συνθήκες (π.χ. Hennessy et al., 1995; Scaife and Wellington, 1993; and Weller, 1996). Οι προσοµοιώσεις επίσης µπορούν να περιέχουν µια πολλαπλότητα τρόπων αναπαράστασης όπως εικόνες, ήχους, κινούµενα σχέδια και γραφήµατα, οι οποίοι συνδυάζονται για την καλύτερη περιγραφή των φαινοµένων. Το γεγονός αυτό µπορεί να συνεισφέρει στην µάθηση των Φυσικών Επιστηµών µε διάφορους τρόπους. Οι µαθητές έχουν τη δυνατότητα να οπτικοποιήσουν αφηρηµένες και πολύπλοκες διαδικασίες του φυσικού κόσµου και να οδηγηθούν σε βαθύτερη κατανόηση των προσοµοιωµένων φαινοµένων. Επίσης, είναι πιθανό να αξιολογήσουν την αποτελεσµατικότητα των διαφόρων εναλλακτικών αναπαραστάσεων στην παρουσίαση συγκεκριµένων πληροφοριών σε δεδοµένες καταστάσεις, αλλά και να 52

65 Ι. Λεύκος, 2011 αναπτύξουν δεξιότητες απαραίτητες για την ερµηνεία εννοιών από την µια αναπαράσταση στην άλλη. Τέλος, είναι δυνατό να αναπτύξουν ικανότητες επικοινωνίας αλλά και να συνειδητοποιήσουν τι σηµαίνει αποτελεσµατική επικοινωνία. Συγκεκριµένα, είναι πιθανό να αναγνωρίσουν ότι η παρουσίαση πολύπλοκων πληροφοριών και ιδεών, µπορεί να ενισχυθεί µε τον συνδυασµό πολλαπλών αναπαραστάσεων, όπως και το ότι συγκεκριµένες µορφές πληροφορίας παρουσιάζονται και µεταδίδονται καλύτερα µε συγκεκριµένες µορφές αναπαράστασης. Τέλος, τα λογισµικά προσοµοιώσεων, παρέχουν εύκολο και χωρίς προβλήµατα τρόπο ελέγχου και αποµόνωσης των µεταβλητών, γεγονός που οδηγεί τους µαθητές στην ερµηνεία των αιτιακών σχέσεων και στην ταυτοποίηση των παραµέτρων οι οποίες δεν συσχετίζονται µε τα υπό µελέτη φαινόµενα (Linn and Lehman 1999, Kuhn et al. 2000). Επιπλέον, δίνεται έτσι η δυνατότητα για την ανάπτυξη των δεξιοτήτων των µαθητών στον έλεγχο των µεταβλητών. Στο σηµείο αυτό βέβαια απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή, ώστε να µην αναπτύξουν οι µαθητές µια λογική υπερ-απλούστευσης των φαινοµένων, θεωρώντας ότι και στον πραγµατικό κόσµο ο έλεγχος των µεταβλητών που επηρεάζουν τα φαινόµενα µπορεί να γίνει τόσο εύκολα και χωρίς προβλήµατα. Σε οποιαδήποτε προσπάθεια σχεδιασµού ενός αξιόπιστου πειράµατος, η απόφαση για το ποιες µεταβλητές πρέπει να ελεγχθούν, κατά µεγάλο µέρος εξαρτάται από πρακτικά ζητήµατα και παράγοντες, όπως για παράδειγµα από το ποιες είναι οι µεταβλητές που µπορούν στην πραγµατικότητα να µετρηθούν Προσοµοιώσεις και MBL σε σχέση µε την ερµηνεία γραφικών παραστάσεων. Ένα από τα πλεονεκτήµατα που φαίνεται να προσφέρει η χρήση προσοµοιώσεων οι οποίες ενσωµατώνουν γραφικές αναπαραστάσεις όπως και τα αντίστοιχα περιβάλλοντα MBL µε τις αντίστοιχες αναπαραστάσεις, είναι η βελτίωση της ικανότητας των µαθητών στην ερµηνεία των γραφικών παραστάσεων. Μια ικανότητα η οποία θεωρείται από τη µια µεριά βασική στην µάθηση για τις Φυσικές Επιστήµες, αλλά και από την άλλη µεριά καθόλου εύκολη για τους µαθητές. Οι Linn, Layman & Nachmias (1987), αναφέρουν αυτά τα πλεονεκτήµατα σε έρευνά τους που αφορούσε την διδασκαλία των θερµικών φαινοµένων, καθώς συνέκριναν µια οµάδα µαθητών που χρησιµοποίησε MBL, όπου τα αποτελέσµατα των πειραµάτων παριστάνονταν µε συγχρονικές δυναµικές γραφικές αναπαραστάσεις, µε µια άλλη οµάδα που ακολούθησε παραδοσιακή διδασκαλία. Αναφέρουν όµως ότι, οι µαθητές ακόµη και µετά την διδασκαλία ακόµη αντιµετώπιζαν δυσκολίες στις περισσότερο πολύπλοκες εργασίες ερµηνείας (όπως π.χ. κατά την συγκριτική ερµηνεία δυο γραφηµάτων). Σε άλλη σχετική έρευνα, οι Mokros & Tinker (1987), ενθάρρυναν τους µαθητές τους να πραγµατοποιούν γραφικά προβλέψεις, ενώ επίσης µπορούσαν βλέπουν τα αποτελέσµατα των πειραµάτων τους γραφικά µε την χρήση MBL. Στα αποτελέσµατά τους αναφέρουν ότι ενώ οι µαθητές τους αρχικά αντιµετώπιζαν πολλά προβλήµατα ερµηνείας γραφικών παραστάσεων, στο τέλος ξεπεράστηκαν τελείως Η παιδαγωγική αξιοποίηση των προσοµοιώσεων στη διδασκαλία των Φυσικών Επιστηµών ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 53

66 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Ο τρόπος χρήσης / ένταξης των προσοµοιώσεων στη διδασκαλία Παρά το γεγονός ότι οι περισσότερες έρευνες που αφορούν τη χρήση των προσοµοιώσεων στη διδασκαλία των φυσικών επιστηµών (και ευρύτερα), επικεντρώνονται στην µελέτη των χαρακτηριστικών γνωρισµάτων των ίδιων των λογισµικών, υπάρχουν κάποιες πολύ ενδιαφέρουσες έρευνες που µελετούν τον τρόπο χρήσης και ένταξής τους στη διδασκαλία. Χαρακτηριστική είναι η έρευνα των Windschitl and Andre (1998), οι οποίοι µελέτησαν τη χρήση µιας προσοµοίωσης του καρδιαγγειακού συστήµατος σε µια σειρά µαθηµάτων ανατοµίας και φυσιολογίας για φοιτητές πανεπιστήµιου (που δεν ήταν στο τµήµα Βιολογίας). Η µελέτη τους περιελάµβανε δυο καταστάσεις χρήσης της προσοµοίωσης. Ένα «διερευνητικό» γκρουπ, όπου η προσέγγιση ήταν εποικοδοµητικού τύπου και ένα «επιβεβαιωτικό» γκρουπ. Το πρώτο γκρουπ, προτρέπονταν στην δηµιουργία και την δοκιµή δικών του υποθέσεων για τη λειτουργία του καρδιακού συστήµατος. Το δεύτερο γκρουπ ακολουθούσε προκαθορισµένα βήµατα προκειµένου να επιβεβαιώσει πληροφορίες που παρέχονταν στις διαλέξεις ή στις σηµειώσεις. Τα ευρήµατα της έρευνας έδειξαν πως - παρότι και στα δυο γκρουπ υπήρξε βελτίωση - η εποικοδοµητικού τύπου προσέγγιση είχε καλύτερα µαθησιακά αποτελέσµατα, ιδίως σε ζητήµατα που αφορούσαν παρανοήσεις σχετικά µε το καρδιαγγειακό σύστηµα και εποµένως ότι οδήγησε τους φοιτητές σε εννοιολογική αλλαγή. Μια δεύτερη έρευνα σχετικά µε τον τρόπο χρήσης των προσοµοιώσεων, είναι των Hmelo and Day (1999), οι οποίοι συνδύασαν τις προσοµοιώσεις µε στρατηγικές µάθησης βασισµένες στη λύση προβληµάτων (Problem Based Learning) πάνω σε θέµατα βιολογίας, σε πρωτοετείς της Ιατρικής σχολής. Υποθέτοντας λοιπόν ότι απλά και µόνο η χρήση των προσοµοιώσεων δεν είναι αρκετή για την προώθηση της µάθησης, θέλησαν να παρέχουν σε µια οµάδα φοιτητών «υποβοήθηση» (scaffolding). Έτσι, ενσωµάτωσαν µέσα στο λογισµικό ερωτήµατα τα οποία οδηγούσαν στον αναστοχασµό των δράσεων και παρατηρήσεών τους από την προσοµοίωση και στα οποία βασίζονταν επακόλουθη οµαδική συζήτηση και κατά συνέπεια προωθούνταν η οικοδόµηση της επιστηµονικής γνώσης. Μια δεύτερη οµάδα ελέγχου, χρησιµοποίησε την ίδια προσοµοίωση, αλλά χωρίς τις ερωτήσεις. Τα αποτελέσµατα της έρευνας, έδειξαν ότι παρά το γεγονός ότι και οι δυο οµάδες παρουσίασαν βελτίωση µέσα από τη χρήση της προσοµοίωσης, η πειραµατική οµάδα µπορούσε να παρουσιάζει περισσότερα και πιο πολύπλοκα δεδοµένα στις απαντήσεις της. Κατά συνέπεια, η ενσωµάτωση των ερωτηµάτων προώθησε περισσότερο την µάθηση. Το παράδειγµα της χρήσης ερωτηµάτων ως υποβοηθητικό στοιχείο στη χρήση των προσοµοιώσεων, ακολουθείται και από άλλους ερευνητές, προκειµένου να εστιαστεί η προσοχή των µαθητών στα σηµαντικά στοιχεία της προσοµοίωσης, να καθοδηγηθούν οι µαθητές στον τύπο των ερωτήσεων που πρέπει να µάθουν να ρωτούν και να βοηθηθούν στην εξωτερίκευση των σκέψεών τους, προκειµένου να µπορέσουν να αναστοχαστούν πάνω σ αυτές. Τέτοιου είδους προσέγγιση υποβοήθησης είναι αυτή που ακολουθείται στο Πρόγραµµα Σπουδών CLP (Computer as Learning Partner), όπου οι ερωτήσεις αποτελούν µέρος του πλαισίου της «Υποβοηθούµενης Γνωστικής Ολοκλήρωσης» (Scaffolded Knowledge Integration), καθώς ζητείται από τους µαθητές να κάνουν προβλέψεις και να ερµηνεύσουν τα αποτελέσµατα των πειραµάτων τους (Hoadley, Hsi & Berman, 1995; Linn, 1996). Οι έρευνες για το CLP, απέδειξαν τον σηµαντικό ρόλο που έπαιξαν οι ερωτήσεις στο να µάθουν οι µαθητές να διερευνούν, ώστε να αποκτήσουν δεξιότητες δια βίου µάθησης, αλλά και στην διασύνδεση των 54

67 Ι. Λεύκος, 2011 πειραµάτων που έκαναν µε την καθηµερινή τους πραγµατικότητα, ώστε να ενοποιήσουν τα επεξηγηµατικά µοντέλα της καθηµερινότητάς τους, µε τα επιστηµονικά µοντέλα. Το σηµαντικό χαρακτηριστικό του CLP είναι ότι το λογισµικό δεν θεωρείται πως αποτελεί από µόνο του ένα ολοκληρωµένο µαθησιακό περιβάλλον (Linn, Songer & Eylon, 1996). Το λογισµικό παρέχει µεν ένα µαθησιακό πλαίσιο, αλλά εξίσου σηµαντική θεωρείται και η συνεισφορά των συζητήσεων µεταξύ των µαθητών όπως και η διαµεσολάβηση του καθηγητή στην προαγωγή της µάθησης. Κάτω από αυτή τη θεώρηση, η µάθηση δεν αναµένεται να είναι το αποτέλεσµα της αλληλεπίδρασης των µαθητών µε την προσοµοίωση µόνο, αλλά του συνδυασµού των ερωτήσεων και της χρήσης της προσοµοίωσης η οποία παρέχει το κατάλληλο πλαίσιο για συνεργασία και διάλογο των µαθητών. Ένα τρίτο παράδειγµα έρευνας του τρόπου χρήσης των προσοµοιώσεων, αφορά την µελέτη των Dwyer and Lopez (2001) σχετικά µε τα αποτελέσµατα ενσωµάτωσης προσοµοιώσεων σε διάφορες µαθησιακές καταστάσεις που αφορούσαν τις Φυσικές Επιστήµες του Γυµνασίου και των τελευταίων τάξεων του ηµοτικού. Τα ευρήµατα της έρευνας έδειξαν ότι η χρήση των προσοµοιώσεων είναι πιο αποτελεσµατική όταν προηγούνται της τυπικής διδασκαλίας ή όταν χρησιµοποιούνται σε διερευνητικού τύπου καταστάσεις µάθησης και ακόµη περισσότερο όταν ο καθηγητής παρέχει συγκεκριµένη υποβοήθηση στους µαθητές. Έτσι οι ερευνητές συµπέραναν ότι οι διερευνητικές δραστηριότητες βοηθούν τόσο στην αποκάλυψη, όσο και στην δοκιµασία των εναλλακτικών αντιλήψεων των µαθητών. Σε µια άλλη έρευνα, οι Zhou, Brouwer and Martin (2003), είχαν σαν στόχο την µελέτη της επίτευξης γνωστικών µαθησιακών αποτελεσµάτων από τη χρήση προσοµοιώσεων τύπου applets, ειδικά επιλεγµένες σε φαινόµενα µηχανικής, ώστε να θέτουν σε δοκιµασία τις εναλλακτικές απόψεις των µαθητών. Τα αποτελέσµατά τους έδειξαν ότι στις περισσότερες περιπτώσεις οι πειραµατικές οµάδες (µε τη χρήση των applets), παρουσίασαν σηµαντικά µεγαλύτερα γνωστικά οφέλη, σε σχέση µε τις οµάδες ελέγχου (χωρίς τη χρήση των applets). Το παράπλευρο όµως εύρηµα που έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον είναι ότι η διαφορά στην επίδοση που παρατηρήθηκε µεταξύ των πειραµατικών οµάδων, οφείλεται στην εκάστοτε ακολουθία χρήσης των προσοµοιώσεων και δραστηριοτήτων των µαθητών. Τα δεδοµένα έδειξαν ότι η χρήση των προσοµοιώσεων κατά την φάση παρουσίασης ή διερεύνησης νέων εννοιών ήταν πολύ πιο αποδοτική και παρείχε κίνητρα ενδιαφέροντος στους µαθητές. Αντίθετα η χρήση των applets για την επιβεβαίωση των εννοιών που διαπραγµατεύονταν η διδασκαλία δεν παρουσίαζε σηµαντικά οφέλη καθώς οι µαθητές ήδη ήξεραν τι πρόκειται να συµβεί και το θεωρούσαν ανούσιο Ο συνδυασµός των προσοµοιώσεων µε σχετική εννοιολογική υποστήριξη Είναι πολύ συχνή η άποψη ότι κατά τη χρήση των προσοµοιώσεων είναι απαραίτητη προϋπόθεση οι µαθητές να έχουν υπόψη τους βασικές έννοιες του πεδίου που διερευνούν προκειµένου να µπορέσει να συντελεστεί η οποιαδήποτε µάθηση. ιότι έχοντας έλλειψη των βασικών εννοιών, ίσως να µην µπορούν να εκφράσουν υποθέσεις ή να µην µπορούν να ερµηνεύσουν τα δεδοµένα ( Glaser et al., 1992; Schauble, Glaser, et al., 1991). Για το λόγο αυτό διάφοροι ερευνητές έχουν υιοθετήσει διαφορετικές µεθόδους ώστε οι µαθητές να µπορούν µε κάποιο τρόπο να ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 55

68 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ έχουν πρόσβαση σε πληροφορίες σχετικές µε το θεµατικό πεδίο που διερευνούν. Σε πολλές περιπτώσεις, η εννοιολογική υποστήριξη µπορεί να παρέχεται από το ίδιο το λογισµικό (π.χ. µέσα από ένα υποστηρικτικό σύστηµα υπερµέσων ή πολυµέσων). Σε άλλες περιπτώσεις την υποστήριξη αναλαµβάνει ο καθηγητής µε την χρήση κατάλληλων διδακτικών τεχνικών. Στην περίπτωση της δικής µας έρευνας, η υποστήριξη παρέχονταν τόσο από τον ίδιο τον καθηγητή µε την διαρκή αλληλεπίδραση που είχε µε τις οµάδες κατά την διάρκεια της πειραµατικής τους εργασίας, αλλά και από την ίδια την δοµή του διδακτικού υλικού, καθώς µέσα από τα φύλλα εργασίας, οι µαθητές καθοδηγούνταν όχι µόνο στην διερεύνηση και τον πειραµατισµό µε τις προσοµοιώσεις, αλλά και στην έκφραση υποθέσεων, την ερµηνεία των πειραµατικών δεδοµένων και την έκφραση συµπερασµάτων και γενικεύσεων. Σηµαντική θεωρείται επίσης η δυνατότητα πρόσβασης σε τέτοιου είδους πληροφορίες και υποστήριξη, στην κατάλληλη χρονική στιγµή, την ώρα δηλαδή που οι µαθητές αλληλεπιδρούν µε την προσοµοίωση και έρχονται αντιµέτωποι µε τα υπό διερεύνηση φαινόµενα, όπως χαρακτηριστικά αναφέρουν στην έρευνά τους οι Berry & Broadbent (1987) και Leutner (1993), ενώ σε παρόµοια αποτελέσµατα κατέληξαν και οι έρευνές των Elshout and Veenman (1992) που αφορούσαν τα θερµικά φαινόµενα. Αντίστοιχα θετικά αποτελέσµατα αναφέρονται και από τους Lewis, Ster, and Linn (1993), οι οποίοι προσπάθησαν να παρέχουν υποστήριξη στους µαθητές οδηγώντας τους να συνδέσουν τα φαινόµενα (στην περιοχή της θερµότητας) που µελετούσαν στην προσοµοίωση µε φαινόµενα της καθηµερινής τους ζωής. Με τον τρόπο αυτό, όπως αναφέρουν, οι µαθητές έρχονταν πολλές φορές σε συγκρουσιακές καταστάσεις µεταξύ της προϋπάρχουσας γνώσης τους και των πειραµατικών αποτελεσµάτων Η δόµηση της διερεύνησης κατά τη διάρκεια χρήσης των προσοµοιώσεων χρήση Φ.Ε. Σε περιβάλλοντα προσοµοιώσεων που έχουν µια ανοιχτή δοµή, όπως για παράδειγµα του ΣΕΠ και γενικότερα τα εικονικά εργαστήρια, φαίνεται πως είναι απαραίτητη µια δόµηση των ενεργειών των µαθητών προκειµένου να µπορέσουν να διαχειριστούν καλύτερα την µαθησιακή διαδικασία (De Jong & Van Joolingen, 1998). Στην περίπτωση της ερευνάς µας, το ρόλο αυτό παίζουν τα φύλλα εργασίας, τα οποία καθοδηγούν τους µαθητές στην διερεύνηση του πεδίου. Παρόµοια προσέγγιση µε πολύ θετικά αποτελέσµατα αναφέρουν στην έρευνά τους οι Linn & Songer (1991) σχετική µε την διδασκαλία των θερµικών φαινοµένων. Αναφέρουν σχετικά ότι παρέχοντας στους µαθητές κάποια καθοδήγηση για την πειραµατική τους εργασία µε την προσοµοίωση (π.χ. «πριν από την εκτέλεση του πειράµατος», «τώρα εκτελέστε το πείραµα», «µετά από την εκτέλεση του πειράµατος»), διπλάσιοι έως και τετραπλάσιοι µαθητές κατάφεραν κάνουν διακρίσεις µεταξύ των βασικών εννοιών δηλ. την θερµότητας και της θερµοκρασίας, σε σύγκριση µε τους µαθητές οι οποίοι δεν είχαν λάβει αυτού του είδους την δοµηµένη καθοδήγηση. Στην ίδια περίπου λογική επίσης βρίσκεται και η προσέγγιση της White (1993), για τη χρήση του περιβάλλοντος ThinkerTools, όπου οι µαθητές ηλικίας ετών, ακολουθούν µια δοµή τεσσάρων βηµάτων για τις πειραµατικές δραστηριότητές τους σχετικά µε τα φαινόµενα Μηχανικής, την κίνηση και τη δύναµη. Οι µαθητές κλήθηκαν να σχηµατίσουν ερωτήσεις, να κάνουν πειράµατα, να εξάγουν νοµούς και να διατυπώσουν γενικεύσεις. Τα αποτελέσµατα δείχνουν ένα καθαρό πλεονέκτηµα της χρήσης του προσοµοιωµένου περιβάλλοντος µε την δοµηµένη αυτή προσέγγιση, 56

69 Ι. Λεύκος, 2011 έναντι της παραδοσιακής, µέσα από ένα τεστ όπου οι µαθητές έπρεπε να απαντήσουν σχηµατίζοντας ποιοτικού τύπου προβλέψεις για σχετικά φαινόµενα του πραγµατικού κόσµου. Αντίστοιχα, οι Lewis et al. (1993), σε έρευνα που αφορούσε τα θερµικά φαινόµενα µε χρήση προσοµοιώσεων, προέτρεπαν τους µαθητές γυµνασίου να σχηµατίζουν προβλέψεις πριν από τον πειραµατισµό τους, να συγκρίνουν τις γραφικές παραστάσεις που προέκυπταν και να γράφουν τα συµπεράσµατά τους µετά από το πείραµα. Επίσης µε την βοήθεια ενός ηλεκτρονικού συστήµατος σηµειώσεων, προσπαθούσαν να δηµιουργήσουν διασυνδέσεις µεταξύ των πειραµάτων και των αντίστοιχων φαινοµένων της καθηµερινής ζωής. Τα αποτελέσµατα της έρευνας µαρτυρούν την καλύτερη επίδοση των µαθητών αυτών στην διάκριση των εννοιών θερµότητας και θερµοκρασίας, σε σχέση µε τους µαθητές που είχαν ακολουθήσει την παραδοσιακή µέθοδο διδασκαλίας. 7. Λογισµικά & Εφαρµογές για την Εργαστηριακή διδασκαλία Φυσικών Επιστηµών - Εικονικά εργαστήρια Γενικά, οι εφαρµογές ΤΠΕ που εστιάζουν κυρίως στον εργαστηριακό χαρακτήρα των Φυσικών Επιστηµών και αποσκοπούν κατά συνέπεια στην εκπαίδευση των µαθητών πάνω σε θέµατα επιστηµονικής µεθοδολογίας, µπορούν να ταξινοµηθούν ως: Εργαστήρια Βασισµένα σε Υπολογιστή MBL (Microcomputer Based Laboratories) Λογισµικά Μοντελοποίησης Εικονικά Εργαστήρια Η επισκόπηση που ακολουθεί εστιάζεται στην τρίτη περίπτωση, καθώς αυτή κυρίως αναφέρεται στην παρούσα έρευνα. Ποια είναι τα είδη των εικονικών εργαστηρίων Γενικά µιλώντας, τα εικονικά εργαστήρια, όπως και οι προσοµοιώσεις, έχουν σκοπό να µεταφέρουν την εννοιολογική και διαδικαστική γνώση. Καθώς αυτή η γνώση αναφέρεται στην προετοιµασία, την εκτέλεση και την αξιολόγηση των εργαστηριακών πειραµάτων, είναι αναγκαίο να µεταδοθεί και γνώση υπόβαθρού και γνώση που να αναφέρεται στην πραγµατική εκτέλεση του πειράµατος. Όπως συµβαίνει και γενικά µε τις προσοµοιώσεις, τα εικονικά εργαστήρια µπορούν επίσης, να παρέχουν πρόσβαση σε ένα εύρος διαφορετικών διαδικασιών µάθησης: επίλυση (περίπλοκων) προβληµάτων, ανακάλυψη νέου περιεχόµενου και νέας αξιολόγησης ήδη γνωστών πληροφοριών µέσω της ανακαλυπτικής µάθησης, διατύπωση γενικών κανόνων που προκύπτουν από την πειραµατική εργασία και τη σύγκριση ανεξάρτητων φαινοµένων (επαγωγική µάθηση). Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις η εναλλαγή ανάµεσα σε διατύπωση υποθέσεων και έλεγχο υποθέσεων είναι ιδιαίτερης σηµασίας. Ειδικότερα σε ότι αφορά το περιεχόµενο των εικονικών εργαστηρίων, ένας ακόµα παράγοντας παίζει σηµαντικό ρόλο: εξαιτίας της ρεαλιστικής αναπαράστασής τους παρέχουν ευκαιρίες για εγκαθιδρυµένη µάθηση. ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 57

70 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Μια προσοµοίωση σε υπολογιστή η οποία επιτρέπει να εκτελεστούν ουσιώδεις λειτουργίες εργαστηριακών πειραµάτων σε έναν υπολογιστή ονοµάζεται εικονικό εργαστήριο. Μπορούµε να διακρίνουµε δύο βασικές αντιλήψεις σε αυτήν την ιδέα: α) Η πρώτη είναι ότι ένα πείραµα αντικαθίσταται από ένα µοντέλο υπολογιστή. Εποµένως, το πείραµα λαµβάνει χώρα υπό µορφή προσοµοίωσης. Πρόσφατα, πολλά εικονικά εργαστήρια εµφανίστηκαν στο ιαδίκτυο (World Wide Web). Όµως, αυτά τα πειραµατικά εικονικά εργαστήρια που υλοποιούνται σε τεχνολογία Java (καθώς επίσης και αυτά που υλοποιούνται µε τεχνολογία VRML και Shock-wave) κυρίως αναπαριστούν κλασικές προσοµοιώσεις και όχι εργαστηριακά πειράµατα µε ρεαλιστικό τρόπο. Στην παρούσα έρευνα, ονοµάζουµε ως «εικονικά εργαστήρια» τις προσοµοιώσεις που προσπαθούν να αναπαραστήσουν τα πραγµατικά εργαστηριακά πειράµατα όσο το δυνατόν πιο πιστά. β) Από την άλλη, τα εργαστηριακά πειράµατα µπορούν να περιγραφούν ως «εικονικά» όταν τα πειράµατα ελέγχονται όχι από άµεσο χειρισµό εργαστηριακού εξοπλισµού, αλλά µέσω υπολογιστή, ο οποίος είναι συνδεδεµένος µε τον εξοπλισµό του πραγµατικού εργαστηρίου µέσω δικτύου (για παράδειγµα, µέσω www). Αυτός ο τύπος εικονικού εργαστηρίου ονοµάζεται «αποµακρυσµένο εργαστήριο» (Remote Lab). Οι Cramer et. al. (1997) έδωσαν έναν διαφορετικό ορισµό: Ορίζουµε ένα «εικονικό εργαστήριο» ως ένα λογισµικό προσοµοίωσης ενός πειράµατος του οποίου τα δεδοµένα που προκύπτουν δε διαφέρουν σε τίποτα από τα δεδοµένα που προκύπτουν από ένα «πραγµατικό» πείραµα φυσικής. Επίσης παρουσίασαν µια άποψη σχετικά µε το εικονικό εργαστήριο του µέλλοντος το οποίο θα βασίζεται στο δίκτυο και εισήγαγαν τους όρους εικονικό εργαστήριο βασισµένο στη θεωρία, εικονικό εργαστήριο βασισµένο στο πείραµα και υβριδικό εικονικό εργαστήριο : Αν υπάρχει µια θεωρία σχετικά µε το φαινόµενο που εξετάζεται, θα µπορεί κάποιος να δηµιουργήσει ένα εικονικό εργαστήριο βασισµένο στη θεωρία. Αυτό έχει το πλεονέκτηµα ότι επιτρέπει στο χρήστη απόλυτη ελευθερία στην εξερεύνηση του χώρου των παραµέτρων. Αποτελεί εξαιρετικό εργαλείο για την έρευνα των συνεπειών, συχνά απρόβλεπτων, των θεωρητικών εξισώσεων. Από την άλλη, κάποιος µπορεί, να δοµήσει ένα εικονικό εργαστήριο βασισµένο στο πείραµα. Σε αυτήν την περίπτωση, αποθηκεύονται οι πειραµατικές µετρήσεις σε ψηφιακή µορφή και τις συνδυάζονται µε ένα κατάλληλο διαδραστικό περιβάλλον χρήστη. Ιδανικά, θα µπορούσαν να υλοποιηθούν και τα δύο παραπάνω, έχοντας ως αποτέλεσµα το υβριδικό εικονικό εργαστήριο. Ο υβριδικός τύπος παρέχει ένα µοναδικά αποτελεσµατικό µέσο για την σύγκριση µεταξύ θεωρίας και πειράµατος. Με ένα τέτοιο εργαστήριο, οι µαθητές θα µπορούν να εφαρµόσουν την επιστηµονική µέθοδο µε απόλυτη αυστηρότητα σε κάθε φαινόµενο που αντιµετωπίζουν. Τα εργαστηριακά λογισµικά ή εφαρµογές που αναφέρονται στη βιβλιογραφία ως «εικονικά εργαστήρια», µπορούν να διαχωριστούν σε 5 κατηγορίες (Harms, 2000): 1. Κλασικές προσοµοιώσεις που περιέχουν ορισµένα στοιχεία εργαστηριακών πειραµάτων και είναι διαθέσιµες τοπικά (Προσοµοιώσεις - Simulations). 2. Κλασικές προσοµοιώσεις που περιέχουν ορισµένα στοιχεία εργαστηριακών πειραµάτων και είναι προσβάσιµες στο διαδίκτυο (on-line) και είναι διαθέσιµες 58

71 Ι. Λεύκος, 2011 ως Java Applets (ή είναι προσβάσιµες µε plug-ins) (Κυβερνοεργαστήρια Cyber Labs). 3. Προσοµοιώσεις που έχουν µεγάλο βαθµό ρεαλισµού και αληθοφάνειας (Εικονικά Εργαστήρια Virtual Labs) 4. Προσοµοιώσεις εργαστηριακών πειραµάτων που χρησιµοποιούν τεχνικές εικονικής πραγµατικότητας (Εργαστήρια Εικονικής Πραγµατικότητας - VR Labs). 5. Πραγµατικές πειραµατικές διατάξεις ελέγχονται µέσω τοπικού δικτύου ή διαδικτύου (Αποµακρυσµένα Εργαστήρια Remote Labs). Παρακάτω θα επιχειρήσουµε µια παρουσίαση µερικών χαρακτηριστικών παραδειγµάτων από κάθε κατηγορία, αν και πολλές φορές έχει παρατηρηθεί ότι τα όρια µεταξύ των διαφόρων περιπτώσεων δεν είναι και τόσο σαφή Λογισµικά προσοµοιώσεων (Simulations) Η κατηγορία αυτή λογισµικών είναι ίσως ιστορικά η παλαιότερη που εµφανίστηκε ως εφαρµογή ΤΠΕ στην εκπαίδευση. Συνήθως αναφέρονται σε περισσότερες από µια θεµατικές περιοχές και πολλά από αυτά συσχετίζουν τα περιεχόµενά τους µε τα αντίστοιχα Προγράµµατα Σπουδών. Τα περισσότερα από αυτά τα λογισµικά προσανατολίζονται στην εννοιολογική κατανόηση των φυσικών φαινοµένων, όµως υπάρχουν αρκετά τα οποία έχουν και εργαστηριακό προσανατολισµό ή περιέχουν τµήµατα µε εργαστηριακό περιεχόµενο. Παραδείγµατα ακολουθούν παρακάτω Φυσική Β -Γ Γυµνασίο: Ένα υπέροχο ταξίδι στον κόσµο της Φυσικής για τα παιδιά του Γυµνασίου Πρόκειται για λογισµικό που δηµιουργήθηκε από έργο του Π.Ι για την Φυσική Β & Γ γυµνασίου. Το λογισµικό περιλαµβάνει τις θεµατικές περιοχές της Πίεσης των αερίων, της Θερµότητας, του Ηλεκτρισµού και της Πυρηνικής Φυσικής. Είναι πλούσιο σε πολυµεσικό υλικό και στοχεύει κυρίως στην εννοιολογική κατανόηση των αντίστοιχων θεµατικών. Τµήµατα του λογισµικού διαπραγµατεύονται εργαστηριακά τα σχετικά φαινόµενα, µέσα από κλειστές προσοµοιώσεις πειραµάτων. Είναι κατασκευασµένο σε γλώσσα HTML, σύµφωνα µε τις νέες προδιαγραφές εκπαιδευτικών λογισµικών τυ Π.Ι. Σύµφωνα µε την περιγραφή των συγγραφέων: Η «Φυσική Β -Γ Γυµνασίου» είναι ένα διαδικτυακό περιβάλλον δραστηριοτήτων µε (α) πολυµεσικό υλικό, (β) προσοµοιώσεις, (γ) δοκιµασίες, (δ) παρουσιάσεις διαθεµατικές και άλλες υπερµεσικές εφαρµογές, το οποίο προορίζεται κυρίως για µαθητές Γυµνασίου (για την υποστήριξη και εµπλουτισµό της διδασκαλίας της Φυσικής Β και Γ Γυµνασίου). Περιλαµβάνει παρατηρήσεις φαινοµένων, εξηγήσεις, προσοµοιώσεις πειραµάτων, µεγάλο αριθµό εικόνων, κινουµένων σχεδίων κ.ά. Περιλαµβάνει επίσης τις βιογραφίες σηµαντικών επιστηµόνων, λεξικό όρων, χρήσιµες υπερσυνδέσεις. Το λογισµικό δηµιουργήθηκε από οµάδα Φυσικών της τριτοβάθµιας και της δευτεροβάθµιας εκπαίδευσης, µε έδρα το Παιδαγωγικό Τµήµα ηµοτικής Εκπαίδευσης του Α.Π.Θ. Αναπτύχθηκε και αξιολογήθηκε στο πλαίσιο της ηµιουργίας Υποστηρικτικού Υλικού για το Παιδαγωγικό Ινστιτούτο και διατίθεται ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 59

72 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ σε CD-ROM, το οποίο περιέχει σε ηλεκτρονική µορφή εγχειρίδιο χρήσης στα ελληνικά Το λογισµικό αποτελεί τράπεζα αλληλεπιδραστικού υλικού πολυµέσων, κατάλληλα επιλεγµένων για την εικονοποίηση θεµάτων - διδακτικών ενοτήτων από τη Θερµότητα, τον Ηλεκτρισµό, την Πίεση στα αέρια και την Πυρηνική Φυσική. Κείµενο, εικόνες, βίντεο, προσοµοιώσεις και εικονικά πειράµατα προσεγγίζουν θεµατικά, διαθεµατικά και διεπιστηµονικά τις ενότητες: 1. Πίεση στα αέρια 2. Τήξη - Πήξη 3. Βρασµός 4. Εξάτµιση 5. Υγροποίηση Συµπύκνωση 6. Η διαστολή του νερού 7. ιάδοση Θερµότητας µε Αγωγή 8. ιάδοση Θερµότητας µε Μεταφορά 9. ιάδοση Θερµότητας µε 10. Ηλέκτριση - Φόρτιση µε τριβή Ακτινοβολία 12. Ηλέκτριση-Φόρτιση µε επαφή 13. Ηλέκτριση από απόσταση (επαγωγή-πόλωση) 14. Τι είναι η αντίσταση σε έναν 15. Το ηλεκτρικό κύκλωµα µεταλλικό αγωγό; 16. Αντιστάτες σε σειρά και παράλληλα 17. Μηχανισµοί ραδιενεργών διασπάσεων 18. Πυρηνική Σχάση - Σύντηξη Το πολυµεσικό υλικό είναι φωτογραφίες, κινούµενες εικόνες (σε µορφή animated gif ή swf), προσοµοιώσεις, βίντεο, προτάσεις διαθεµατικών συνεργατικών εργασιών. Η κατανοµή του είναι δενδρική, δηλαδή από ένα βασικό αρχείο/οθόνη οι σύνδεσµοι απλώνονται σε φακέλους για το κάθε κεφάλαιο/ενότητα και ο κάθε φάκελος εµπεριέχει σε ξεχωριστούς υποφακέλους τα αντίστοιχα υποκεφάλαια. Ο χρήστης µπορεί να πλοηγείται τόσο σειριακά όσο και µη γραµµικά, ανάλογα µε την επιλογή του. Το πολυµεσικό υλικό κάθε θέµατος διαρθρώνεται περισσότερο ως τράπεζα «ψηφίδων υλικού» παρά ως µια «διδακτική σειρά» µε κατευθυνόµενη πλοήγηση, ώστε οι εκπαιδευτικοί να µπορούν εύκολα να τις διαχειρίζονται και να τις εντάσσουν στο µάθηµά τους, είτε στην τάξη είτε ως προτροπή στους µαθητές για ενασχόληση στο σπίτι σύµφωνα και µε τις συστάσεις του Παιδαγωγικού Ινστιτούτου. Οι «ψηφίδες υλικού» κάθε θέµατος κατανέµονται σε δύο επάλληλους κύκλους. Στον εσωτερικό κύκλο της διερεύνησης (µε ψηφίδες δοµηµένης παρατήρησης και ανάδειξης ερωτηµάτων, εξηγήσεων σε µακροσκοπικό και µικροσκοπικό επίπεδο, πειραµατισµού, επέκτασης στη µελέτη των παραµέτρων που επηρεάζουν την εξέλιξη των φαινοµένων) και στον εξωτερικό κύκλο «Επιστήµη και Καθηµερινή Ζωή» (µε ψηφίδες παραδειγµάτων και εφαρµογών από την καθηµερινή ζωή, την τεχνολογία και την ιστορία, βίντεο, πρόσθετο υλικό µε διαθεµατική προσέγγιση, βιογραφικά στοιχεία µεγάλων επιστηµόνων και λεξικό ορολογίας). 60

73 Ι. Λεύκος, 2011 Εικόνα 11: Πειραµατισµός µε προσοµοίωση ηλεκτρικών κυκλωµάτων και το αντίστοιχο διάγραµµα V-I Εικόνα 12: Πειραµατισµός µε προσοµοίωση τήξης στερεού σώµατος και το αντίστοιχο διάγραµµα θ-t Μ.Α.Θ.Η.Μ.Α. Το λογισµικό αυτό, αναφέρεται στις θεµατικές περιοχές της Μηχανικής, της Οπτικής, της Θερµότητας και του Ηλεκτρισµού και υλοποιήθηκε από έργο του Π.Ι. από το Τµήµα Πληροφορικής του Πανεπιστηµίου Αθηνών, το Πανεπιστήµιο Θεσσαλίας, την Ελληνογαλλική σχολή «Άγιος Παύλος» και την εταιρία «01 Πληροφορική Α.Ε.». Ο τίτλος του αποτελεί ακρωνύµιο των περιεχοµένων του: Μ.Α.Θ.Η.Μ.Α. (Μηχανική Ανάκλαση/ ιάθλαση Θερµότητα Ηλεκτρισµός Μοντέλα & Άτοµα). Περιλαµβάνει τέσσερεις εικονικούς χώρους όπου µελετώνται τα αντίστοιχα φαινόµενα µέσα από κλειστές προσοµοιώσεις εργαστηριακού χαρακτήρα µε µικρή δυνατότητα χειρισµών από µέρος του χρήστη. ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 61

74 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Το χαρακτηριστικό του γνώρισµα είναι η διασύνδεση των φαινοµένων του µακρόκοσµου µε τα αντίστοιχα µοντέλα (π.χ. γεωµετρικό µοντέλο στην οπτική, διανύσµατα στην µηχανική, διαγραµµατικό µοντέλο στον ηλεκτρισµό) ή µε τον µικρόκοσµο (π.χ. µοριακό µοντέλο στη θερµότητα, ροή ηλεκτρονίων στον ηλεκτρισµό). Σύµφωνα µε την περιγραφή των συγγραφέων: Το Μ.Α.Θ.Η.Μ.Α. είναι ένα ολοκληρωµένο µαθησιακό περιβάλλον, υποστηριζόµενο από υπολογιστές, που αποσκοπεί στην υποβοήθηση της διδασκαλίας της Φυσικής του Γυµνασίου, µε έµφαση στις έννοιες που οι µαθητές και οι µαθήτριες αντιµετωπίζουν ιδιαίτερες γνωστικές δυσκολίες στην κατανόησή τους. Εικόνα 13: Πειραµατισµός µε προσοµοίωση τήξης του πάγου, το αντίστοιχο διάγραµµα και το µικροσκοπικό µοντέλο Η επιλογή των θεµατικών ενοτήτων και η εκπαιδευτική σχεδίαση υπαγορεύθηκαν από τα πορίσµατα της έρευνας της Γνωσιακής Επιστήµης και της ιδακτικής της Φυσικής, που εντοπίζουν τις ιδιαίτερες δυσκολίες που έχουν οι µαθητές και οι µαθήτριες στην κατανόηση πολλών φυσικών φαινοµένων - και εννοιών, σε όλο το φάσµα της ύλης της Φυσικής του Γυµνασίου, τα οποία εισάγουν παρανοήσεις και αδρανή γνώση. Για το σκοπό αυτό έχουν αναπτυχθεί σενάρια στις παρακάτω διδακτικές ενότητες - µικρόκοσµους µε στοιχεία διερευνητικού περιβάλλοντος που θα υποστηρίζονται από προτάσεις - δραστηριότητες για διδακτική αξιοποίηση. Για αυτές τις ενότητες θα αναπτυχθούν και τα αντίστοιχα φυσικά µοντέλα όπου αυτό είναι δυνατό: Θερµότητα: ιαστολή των σωµάτων (στερεών, υγρών, αερίων) Αλλαγή φυσικής κατάστασης Οπτική: Ανάκλαση του φωτός ιάθλαση του φωτός Ανάλυση Σύνθεση του φωτός Ευθύγραµµη διάδοση του φωτός Μηχανική: Ελεύθερη πτώση Ηλεκτρισµός: Πηγές, καταναλωτές, όργανα µέτρησης 62

75 Ι. Λεύκος, 2011 Κλειστό κύκλωµα συνδεσµολογίες Ο µαθητής ή η µαθήτρια εργάζεται πάνω στα σενάρια που περιέχονται στο λογισµικό, εκτελεί δραστηριότητες, κάνει προβλέψεις, παρατηρεί τα αποτελέσµατα των προβλέψεών του µέσα από προσοµοιώσεις κινήσεων, πειραµατίζεται µε διαφορετικές τιµές παραµέτρων και συγκρίνει µε την πραγµατικότητα. Εικόνα 14: Πειραµατισµός µε προσοµοίωση διαθλώµενης δέσµης φωτός και το αντίστοιχο γεωµετρικό µοντέλο Το λογισµικό έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να είναι απλό στη χρήση του, και να δίνει τη δυνατότητα στον µαθητή ή στη µαθήτρια να το χρησιµοποιεί ανάλογα µε την γνώση του και τις ικανότητες που έχει αναπτύξει. Ο χώρος εργασίας περιλαµβάνει σκηνικά, αντικείµενα µε ιδιότητες και ο µαθητής ή η µαθήτρια µπορεί να χρησιµοποιήσει εργαλεία και να αναπτύξει δραστηριότητες που παραπέµπουν σε πραγµατικές καταστάσεις της καθηµερινής ζωής Φυσική Ε-Στ ηµοτικού Ένα εκπαιδευτικό λογισµικό που προορίζεται για µαθητές E' και ΣT' τάξης δηµοτικού σχολείου και κατασκευάστηκε στα πλαίσια έργου του Π.Ι. Περιλαµβάνει τρείς θεµατικές ενότητες και διαθεµατικά σενάρια: Α. Το σώµα µας Γ. Οικολογία Περιβάλλον ο ανθρώπινος οργανισµός η ενέργεια στα οικοσυστήµατα το πεπτικό σύστηµα οι τροφικές σχέσεις στα το αναπνευστικό σύστηµα οικοσυστήµατα το κυκλοφορικό σύστηµα οικοσυστήµατα του πλανήτη µας άνθρωποι και οικοσυστήµατα Β. Φυσική Χηµεία. ιαθεµατικά σενάρια κατάσταση της ύλης και κίνηση των µορίων κατάσταση της ύλης και θερµοκρασία θερµοκρασία και πίεση ηλέκτριση στο µικρόκοσµο µοντελοποίηση ατόµων και µορίων το ανθρώπινο µάτι και η φωτογραφική µηχανή ένας κόκκος σιταριού: από το χωράφι στο στοµάχι από την άµαξα... στο διαστηµόπλοιο τα πολλά πρόσωπα της ενέργειας ελληνικά µεταλλεία: η ακµή και η παρακµή τους ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 63

76 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ η χηµική αντίδραση σε ατοµικό επίπεδο το οικοσύστηµα της περιοχής µου Το λογισµικό περιλαµβάνει πληροφοριακό υλικό σχετικό µε τις ενότητες που διαπραγµατεύεται και πολλές εικονοποιήσεις φυσικών φαινοµένων και διεργασιών, προκειµένου να ενισχυθεί η εννοιολογική κατανόηση των µαθητών. Περιλαµβάνει επίσης και κάποιες προσοµοιώσεις (κλειστού τύπου) σχετικές µε πειραµατικές διαδικασίες, όπου οι χρήστες έχουν κάποια µικρή δυνατότητα παρέµβασης, οπότε και µπορούν ίσως να θεωρηθούν εργαστηριακού χαρακτήρα. Εκτός από το ίδιο το υλικό, υπάρχουν επίσης προτάσεις για την διδακτική του εκµετάλλευση, µε φύλλα εργασίας και αξιολόγησης και αναλυτικές οδηγίες για τον εκπαιδευτικό. Εικόνα 15: Προσοµοίωση για την µελέτη των Αγωγών & µονωτών Εικόνα 16: Προσοµοίωση σια την µελέτη της θερµικής διαστολής των στερεών Μετά την επιλογή θεµατικής ενότητας, και καθώς ο δείκτης περνά πάνω από τους τίτλους κεφαλαίων, εµφανίζονται οι λέξεις-κλειδιά που διαπραγµατεύεται κάθε κεφάλαιο, ώστε η πλοήγηση µέσα στο site να είναι απλή και αποτελεσµατική. Με «κλικ» στον τίτλο του κεφαλαίου εµφανίζεται η πρώτη σελίδα πλοήγησης για το συγκεκριµένο κεφάλαιο, από την οποία µπορεί ο µικρός µαθητής να αρχίσει «το ξεφύλλισµα» όλων των σχετικών µαθηµάτων. Αυτές οι σελίδες έχουν κοινά χαρακτηριστικά ως προς την εµφάνισή τους, ώστε ο µαθητής να αισθάνεται οικείο το περιβάλλον µέσα στο οποίο κινείται και να γνωρίζει από πριν τη λειτουργία κάθε ενεργού συνδέσµου ή ενεργού εικονιδίου. Στο επάνω µέρος κάθε πρώτης σελίδας υπάρχει ο τίτλος του κεφαλαίου. Αριστερά από τον τίτλο, το εικονίδιο µε το ρόµβο επιστρέφει το χρήστη στη σελίδα µε τα περιεχόµενα ολόκληρου του λογισµικού (θεµατικές ενότητες). Οι οχτώ σύνδεσµοι στη δεξιά πλευρά της οθόνης, αφορούν «φακέλους» πληροφοριών 64

77 Ι. Λεύκος, 2011 σχετικών µε κάθε κεφάλαιο. Ανάλογα µε το κεφάλαιο, άλλοι σύνδεσµοι είναι ενεργοί και άλλοι όχι. Στο κέντρο της σελίδας υπάρχουν οι σύνδεσµοι που οδηγούν στα µαθήµατα. Καθώς µετακινείται ο δείκτης του ποντικιού στη σελίδα, µετακινείται και «ο ειδικός βοηθός» κάθε κεφαλαίου: χηµικός, φυσικός, βιολόγος, φωτογράφος, γιατρός, αστροναύτης, αρχαίος, αγρότισσα κλπ. Αυτός ο «ειδικός βοηθός» κρύβει και τις αναλυτικές οδηγίες για το δάσκαλο, ανά κεφάλαιο. Για να µην ενεργοποιηθεί κατά λάθος αυτός ο σύνδεσµος, ο δάσκαλος, όταν χρειάζεται τις αναλυτικές οδηγίες, κάνει «κλικ» πάνω στον «ειδικό βοηθό» κρατώντας πατηµένο το πλήκτρο όµικρον «Ο». Οι αναλυτικές οδηγίες εµφανίζονται σε δικό τους «παράθυρο», δεν επηρεάζουν την εξέλιξη των δραστηριοτήτων του υπόλοιπου λογισµικού και είναι σε εκτυπώσιµη µορφή Φυσική Λυκείου Ι & ΙΙ Το εκπαιδευτικό λογισµικό ΦΥΣΙΚΗ ΛΥΚΕΙΟΥ Ι και ΙΙ υλοποιήθηκε από τις «Εκδόσεις Γενναδείου Σχολής» στο πλαίσιο του έργου «Αναδιατύπωση και εκσυγχρονισµός του Προγράµµατος Σπουδών στον τοµέα των Φυσικών Επιστηµών µε σύγχρονη παραγωγή υλικού» του ΥΠΕΠΘ µε την εποπτεία του Παιδαγωγικού Ινστιτούτου. Το λογισµικό περιλαµβάνει δύο CD-ROM (µε τίτλους ΦΥΣΙΚΗ Ι και ΦΥΣΙΚΗ ΙΙ) µε υλικό για τις περισσότερες από τις ενότητες της Φυσικής του Γενικού Λυκείου. Περιλαµβάνει «Οδηγίες Χρήσης» και στοιχεία από τη θεωρία, αλλά δεν περιλαµβάνει «Φύλλα Εργασίας». Πρόκειται για ένα σύνολο προσοµοιώσεων Φυσικής (τύπου applets). Το λογισµικό απευθύνεται σε µαθητές και µαθήτριες Γενικού Λυκείου και περιλαµβάνει προσοµοιώσεις σε έξι θεµατικές ενότητες (Μηχανική-Θερµοδυναµική και Μοριακή Φυσική-Μηχανικές ταλαντώσεις και Κύµατα-ηλεκτρισµός και µαγνητισµός-οπτική-σύγχρονη Φυσική). Ο καθηγητής επιλέγει από τις έτοιµες προσοµοιώσεις ή τις ταινίες που περιλαµβάνονται στα δύο CD-ROM και προτείνει δραστηριότητες στους µαθητές είτε ατοµικά είτε σε µικρές οµάδες. Οι συγγραφείς δεν προτείνουν διδακτική µεθοδολογία ή στρατηγική παιδαγωγικής αξιοποίησης των προσοµοιώσεων Cyber Labs (Java applets) Η κατηγορία αυτή εφαρµογών είναι η πολυπληθέστερη σήµερα και µια αναζήτηση στο διαδίκτυο θα µας εµφανίσει χιλιάδες αποτελέσµατα. Στις περισσότερες των περιπτώσεων, οι εφαρµογές αυτές στερούνται ρεαλισµού στην εµφάνιση αλλά και στον τρόπο χειρισµού των αντικειµένων, όµως υπάρχουν και περιπτώσεις όπου ο ρεαλισµός είναι σε πολύ ικανοποιητικό βαθµό. Παρακάτω δίνουµε ένα παράδειγµα όπου το ίδιο προσοµοιωµένο πείραµα (φωτοηλεκτρικό φαινόµενο), παρουσιάζεται σε τρεις διαφορετικές υλοποιήσεις applet, µε διαφορετικό βαθµό ρεαλισµού. ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 65

78 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Το Φωτοηλεκτρικό Φαινόµενο (The photoelectric effect - A simulated experiment) Στο πείραµα αυτό, η κάµερα βρίσκεται στο ταβάνι ενός εργαστηρίου, ακριβώς επάνω από ένα εργαστηριακό πάγκο. Το κεντρικό µέρος της οθόνης παρουσιάζει τον πάγκο και τη διάταξη, ακριβώς όπως θα φαίνονταν σε ένα µόνιτορ συνδεµένο µε την κάµερα. Στο κάτω µέρος της οθόνης, υπάρχουν τα χειριστήρια για τη ρύθµιση των παραµέτρων και τη λήψη των µετρήσεων. Η προσοµοίωση επιτρέπει στο χρήστη τη διερεύνηση του φωτοηλεκτρικού φαινοµένου, δηλαδή την εκποµπή ηλεκτρονίων από µια φωτιζόµενη µεταλλική επιφάνεια (το ηλεκτρόδιο), µε τον ίδιο σχεδόν τρόπο που γίνεται σε ένα πραγµατικό εργαστήριο. ίνεται η δυνατότητα αλλαγής της έντασης της φωτεινής δέσµης, επιλογής διαφορετικών µηκών κύµατος µε την περιστροφή ενός φράγµατος διάθλασης, ρύθµισης της τάσης της φωτιζόµενης επιφάνειας (σε σχέση µε µια όµοια επιφάνεια που βρίσκεται σε κοντινή απόσταση) και επανάληψης του πειράµατος µε ηλεκτρόδια από διάφορα µέταλλα. Εικόνα 17: Applet για µελέτη του φωτοηλεκτρικού φαινοµένου (α) ( Για να γίνει µια σύγκριση, παραθέτουµε παρακάτω το ίδιο προσοµοιωµένο φαινόµενο από µια άλλη υλοποίηση όπου ο ρεαλισµός είναι µικρότερος. Εικόνα 18: Applet για µελέτη του φωτοηλεκτρικού φαινοµένου (β) ( Και ακόµη µια διαφορετική οπτική, µε πολύ λιγότερο ρεαλισµό. 66

79 Ι. Λεύκος, 2011 Εικόνα 19 Applet για µελέτη του φωτοηλεκτρικού φαινοµένου (γ) ( Ειδικά για την θεµατική περιοχή της θερµότητας, υπάρχουν αρκετά διαθέσιµα applets, τα οποία κυρίως εστιάζονται στην µελέτη των µικροσκοπικών ιδιοτήτων της ύλης και την αναπαράσταση των µορίων καθώς τα υλικά αλλάζουν φυσική κατάσταση ή γενικά, αλλάζουν θερµοκρασία. Υπάρχουν και εδώ βέβαια πολλές διαβαθµίσεις ρεαλισµού των αναπαραστάσεων και των χειρισµών του χρήστη, όµως εδώ πολύ σηµαντικό ρόλο στον σχεδιασµό των προσοµοιώσεων παίζει και το γεγονός του κατά πόσο ο κατασκευαστής έχει εστιάσει στην παρουσίαση του µικροσκοπικού µοντέλου της ύλης. Είναι προφανές ότι στην περίπτωση αυτή µιλάµε για µη ορατές και διαχειρίσιµες πρακτικά οντότητες, άρα και ο ρεαλισµός των αναπαραστάσεων και των χειρισµών, ίσως δεν υπάρχει σαν έννοια Καταστάσεις της ύλης (λογισµικό AgentSheets) Εδώ παρουσιάζεται µια προσοµοίωση, η οποία δίνει τη δυνατότητα στους µαθητές να πειραµατιστούν µε διάφορα υλικά σε διαφορετικές θερµοκρασίες, ώστε να διακρίνουν τις έννοιες που σχετίζονται µε τις µεταβολές καταστάσεων της ύλης, όπως πήξη τήξη, εξάτµιση υγροποίηση και βρασµός. ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 67

80 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Εικόνα 20: Προσοµοίωση για την µελέτη των καταστάσεων της ύλης ( Κίνηση µορίων στα υλικά σώµατα (λογισµικό AgentSheets) Η προσοµοίωση αυτή προσφέρει ένα εποπτικό εκπαιδευτικό βοήθηµα για τη διδασκαλία του σωµατιδιακού κινητικού µοντέλου της ύλης. Με τη βοήθεια αυτής της προσοµοίωσης οι µαθητές θα µάθουν να αναγνωρίζουν τον τρόπο κίνησης των µορίων στις τρεις καταστάσεις της ύλης και να ερµηνεύουν, βάσει αυτού, τη διαφορετική συµπεριφορά των στερεών, των υγρών και των αερίων. Εικόνα 21: προσοµοίωση της κίνησης τω µορίων ( Αλλαγές φυσικής κατάστασης (Bbc Schools) Η παρακάτω προσοµοίωση, είναι µια προσοµοίωση, Java applet, κλειστού τύπου. Το applet αυτό προσφέρει µικρές χειριστικές ελευθερίες στο χρήστη. Είναι κατάλληλο για την διδασκαλία του φαινοµένου της υγροποίησης και της πήξης του πάγου. Απευθύνεται σε παιδιά ηλικίας 9 µε 10 ετών. 68

81 Ι. Λεύκος, 2011 Η προσοµοίωση αυτή είναι µια σχετικά ρεαλιστική απεικόνιση του φαινοµένου της τήξης και πήξης του πάγου µε πολύ µικρό βαθµό αφαίρεσης. Η αναπαράσταση του φαινοµένου δε συνοδεύεται από διαγράµµατα, γραφικές παραστάσεις, σύµβολα και µαθηµατικούς τύπους. Συνδυάζει τη ρεαλιστική αναπαράσταση του φαινοµένου της τήξης και πήξης του πάγου µε το γραπτό λόγο για αυτό και θεωρείται πολυτροπική. Για παράδειγµα, όταν ο χρήστης της εφαρµογής καλείται να κάνει κάποιες ενέργειές, όπως να πατήσει το πλήκτρο θέρµανσης(heat), εµφανίζεται µπροστά του ένα κείµενο υπό τη µορφή κινούµενης εικόνας το οποίο τον καλεί να σκεφτεί τι πρέπει να κάνει για να λιώσει τον πάγο. Εικόνα 22: Προοµοίωση για τη µελέτη των φυσικών καταστάσεων ( Princeton Plasma Physics Laboratory Η προσοµοίωση προσφέρεται για τη µελέτη του βρασµού του νερού. Ο οπτικός ρεαλισµός της αναπαράστασης είναι σχετικά µικρός και στην οθόνη κυριαρχούν οι αριθµητικές ενδείξεις των ρυθµίσεων και των µετρητών. Είναι µια προσοµοίωση κλειστού τύπου µε αρκετές δυνατότητες όµως παραµετροποίησης, όπως: η ποσότητα του νερού στο δοχείο, η αρχική θερµοκρασία του νερού και ο ρυθµός της προσφερόµενης θερµότητας. Επίσης υπάρχει ένα είδος πρόβλεψης που σχετίζεται µε το χρόνο βρασµού της δεδοµένης ποσότητας νερού. Μετά την ολοκλήρωση του πειράµατος, εµφανίζεται ο πραγµατικός χρόνος βρασµού και γίνεται σύγκρισή του µε την πρόβλεψη του χρήστη. Εικόνα 23: Προσοµοίωση για την µελέτη του βρασµού του νερού ( ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 69

82 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Physlets Physics applets Ιδιαίτερη µνεία χρειάζεται να κάνουµε στην µεγάλη βιβλιοθήκη προσοµοιώσεων που αναφέρονται ως Physlets (Physics applets). Μπορεί να βρεθούν σε πολλούς δικτυακούς τόπους, αλλά ένα καλό ξεκίνηµα αποτελεί η σελίδα του πανεπιστηµίου Davidson: από όπου και διανέµονται δωρεάν. Τα Physlet Physics είναι µια συλλογή από έτοιµες προς χρήση διαδραστικές προσοµοιώσεις φυσικής, κατασκευασµένες µε βάση ένα ισχυρό παιδαγωγικό υπόβαθρο. Ο στόχος των Physlet Physics είναι να παρέχουν διδακτικό υλικό το οποίο ενισχύει την µάθηση των µαθητών µε την ενεργητική τους εµπλοκή σε δραστηριότητες. Ταυτόχρονα, τα Physlet Physics αποτελούν υλικό το οποίο έχει την ευελιξία της προσαρµογής σε διάφορες παιδαγωγικές στρατηγικές και µαθησιακά περιβάλλοντα. Εικόνα 24: Προσοµοίωση Physlet πειράµατος θερµικής ισορροπίας µεταξύ διαφόρων υλικών µε διαφορετική ειδική θερµότητα. Εικόνα 25: Προσοµοίωση Physlet πειράµατος σε κύκλωµα RC και το αντίστοιχο διάγραµµα V-t. Τα Physlet Physics περιέχουν µια συλλογή δραστηριοτήτων για όλο το φάσµα των εισαγωγικών µαθηµάτων φυσικής. Οι δραστηριότητες αυτές χρησιµοποιούν προσοµοιώσεις που κατασκευάζονται σε Java applets και έχουν περιεχόµενο φυσικής. Αυτά τα Java applets ονοµάζονται Physlets (Physics content simulated with Java applets). Κάθε κεφάλαιο των Physlet Physics περιέχει τρία διαφορετικά είδη δραστηριοτήτων: Επιδείξεις, ιερευνήσεις και Προβλήµατα. Οι Επιδείξεις είναι κατασκευασµένες για να επιδεικνύουν τις φυσικές έννοιες. Οι µαθητές χρειάζεται να αλληλεπιδράσουν µε το Physlet, αλλά οι απαντήσεις στις 70

83 Ι. Λεύκος, 2011 ερωτήσεις που πρέπει να απαντήσουν, δίνονται µε τη δραστηριότητα επίδειξης ή είναι πολύ εύκολο να απαντηθούν µέσα από την αλληλεπίδρασή τους µε την προσοµοίωση. Πολλές από τις Επιδείξεις παρέχουν παραδείγµατα εφαρµογών της φυσικής. Άλλες είναι σχεδιασµένες ώστε να εισάγουν τους µαθητές σε µια φυσική έννοια ή ένα εργαλείο ανάλυσης. Τυπική χρήση τους µπορεί να είναι ως προετοιµασία πριν από το µάθηµα ή επίδειξη κατά τη διάρκεια του µαθήµατος. Οι ιερευνήσεις είναι από τη φύση τους διδακτικού τύπου. Παρέχουν κάποιο είδος βοήθειας ή παραπέµπουν τους µαθητές σε συγκεκριµένες στρατηγικές λύσης προβληµάτων ή κατανόησης εννοιών. Κάποιες ιερευνήσεις προτρέπουν τους µαθητές να κάνουν προβλέψεις και στη συνέχεια να τις ελέγξουν, εξηγώντας τις πιθανές διαφορές µεταξύ προβλέψεων και παρατηρήσεων. Άλλες ιερευνήσεις προτρέπουν τους µαθητές σε αλλαγές παραµέτρων και παρατηρήσεις των αποτελεσµάτων, ζητώντας να ανακαλύψουν µόνοι τους τις σχέσεις µεταξύ των µεγεθών (εξισώσεις). Τυπική χρήση τους µπορεί να είναι η εργασία στο σπίτι, οι οµαδικές διερευνήσεις ή οι ασκήσεις πριν από την έναρξη των εργαστηρίων. Οι ιερευνήσεις συχνά µπορεί να χρησιµοποιηθούν και ως ασκήσεις του τύπου Just-In- Time Teaching, δηλαδή ακριβώς πάνω στην κατάλληλη στιγµή που συζητείται µια φυσική έννοια. Για την πιο αποτελεσµατική τους χρήση, υπάρχουν Φύλα Εργασίας µέσα στο CD των Physlet Physics. Αυτά προσφέρουν ένα τρόπο δόµησης των ενεργειών των µαθητών ώστε να τους βοηθήσουν στην ολοκλήρωση της διερεύνησης, και από την άλλη µεριά προσφέρουν στον εκπαιδευτικό έναν εύκολο τρόπο για την διαχείριση των διερευνήσεων. Τα Προβλήµατα, είναι διαδραστικές εκδόσεις των εργασιών που συνήθως δίνονται σαν εργασία για το σπίτι. Απαιτείται δηλαδή από τους µαθητές να αποδείξουν κατά πόσο έχουν κατανοήσει τα σχετικά θέµατα, χωρίς να τους δίνεται τόση βοήθεια όσο κατά τη διάρκεια των διερευνήσεων. Η δυσκολία τους κυµαίνεται από προβλήµατα κατάλληλα για το γυµνάσιο, µέχρι και υπολογιστικά προβλήµατα για φοιτητές πανεπιστηµίου. Κάποια προβλήµατα αφορούν εννοιολογικά ζητήµατα, ενώ άλλα απαιτούν λεπτοµερείς υπολογισµούς. Τυπική χρήση µπορεί να είναι η εργασία στο σπίτι, οι εννοιολογικού τύπου ερωτήσεις κατά τη διάρκεια του µαθήµατος ή η εργασία σε οµάδες για την επίλυση προβληµάτων Phet interactive simulations Μια πολύ αξιόλογη προσπάθεια αποτελεί ο δικτυακός τόπος των Phet, που φιλοξενείται από το πανεπιστήµιο Colorado: ύο είναι τα κύρια χαρακτηριστικά πλεονεκτήµατα των προσοµοιώσεων αυτών. Το πρώτο είναι ότι διατίθενται δωρεάν τόσο on-line, όσο και off-line για χρήση στον υπολογιστή ακόµη και όταν δεν είναι συνδεµένος στο διαδίκτυο. Το δεύτερο είναι ότι οι κατασκευαστές των προσοµοιώσεων διαθέτουν ένα εργαλείο µετάφρασης, το οποίο µπορεί ο καθένας να χρησιµοποιήσει πολύ εύκολα προκειµένου να µεταφράσει στη γλώσσα του το περιβάλλον, τα κουµπιά και τα χειριστήρια κάθε προσοµοίωσης. Επιπλέον, οι µεταφράσεις αναρτώνται στον ίδιο δικτυακό τόπο και είναι διαθέσιµες σε όλους τους χρήστες. Ήδη οι περισσότερες από τις προσοµοιώσεις είναι µεταφρασµένες σε πάρα πολλές γλώσσες, µεταξύ των οποίων και τα Ελληνικά. Πρόσφατα δε, εκτός από τις αυτόνοµες προσοµοιώσεις, ολόκληρο το περιβάλλον του δικτυακού τόπου προσφέρεται πλέον και στα ελληνικά, στη διεύθυνση: ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 71

84 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Εικόνα 26: Η αρχική σελίδα των PHET Το PhET παρέχει διασκεδαστικές, διαδραστικές, δωρεάν, προσοµοιώσεις φυσικών φαινοµένων, βασισµένες σε έρευνες. H βασισµένη σε έρευνα προσέγγιση, που ενσωµατώνει ευρήµατα από προηγούµενες έρευνες, ενεργοποιεί τους µαθητές, ώστε να κάνουν συνδέσεις µεταξύ των φαινοµένων της πραγµατικής ζωής και της υποκείµενης σε αυτά επιστηµονικής γνώσης και να εµβαθύνουν στον φυσικό κόσµο. Προκειµένου να βοηθηθούν οι µαθητές στην οπτική κατανόηση εννοιών, οι προσοµοιώσεις του PhET απεικονίζουν ό,τι είναι αόρατο µε γραφικό τρόπο και διαισθητικά εργαλεία ελέγχου. Στοχεύοντας στην περαιτέρω ενθάρρυνση για ποιοτική εξερεύνηση, οι προσοµοιώσεις διαθέτουν όργανα µετρήσεων όπως χάρακες, χρονόµετρα, βολτόµετρα και θερµόµετρα. Καθώς ο χρήστης χειρίζεται αυτά τα διαδραστικά εργαλεία βλέπει άµεσα τα αποτελέσµατα των ενεργειών του µε µια ποικιλία διαφορετικών τρόπων αναπαράστασης των δεδοµένων (κίνηση των αντικειµένων, γραφήµατα, πίνακες, κλπ.). Προκειµένου να διασφαλιστεί η αποτελεσµατικότητα και η χρηστικότητα, όλες οι προσοµοιώσεις έχουν ελεγχθεί και αξιολογηθεί διεξοδικά. Οι έλεγχοι περιλαµβάνουν συνεντεύξεις από παιδιά τα οποία έχουν χρησιµοποιήσει τις προσοµοιώσεις σε µια ποικιλία περιστάσεων, όπως διαλέξεις, οµαδικές εργασίες, κατ' οίκον εργασίες και στα εργαστήρια. Το σύστηµα βαθµολόγησης δείχνει ποιο επίπεδο ελέγχου έχει ολοκληρωθεί µε κάθε προσοµοίωση. Όλες οι προσοµοιώσεις είναι προσβάσιµες δωρεάν από τον ιστότοπο του PhET, είναι εύκολες στη χρήση και στην ενσωµάτωσή τους στη µαθησιακή διαδικασία. Έχουν δηµιουργηθεί µε Java και Flash και εκτελούνται µε τη χρήση ενός περιηγητή διαδικτύου, µε µόνη προϋπόθεση να είναι εγκατεστηµένα στο σύστηµα το Flash και η Java. Ειδικά για τα θέµατα που αφορούν στα Θερµικά φαινόµενα, υπάρχουν κάποιες προσοµοιώσεις που σχετίζονται µε τις αλλαγές κατάστασης των υλικών σωµάτων, µε την θερµική ακτινοβολία, µε τις ιδιότητες των αερίων και µε το φαινόµενο του θερµοκηπίου. 72

85 Ι. Λεύκος, 2011 Εικόνα 27: Προσοµοίωση Phet σχετική µε την επίδραση της θερµοκρασίας και της πίεσης στις αλλαγές φυσικής κατάστασης των αερίων, µε αναπαράσταση του µικροσκοπικού µοντέλου 7.3. Virtual Labs Η κατηγορία αυτή περιλαµβάνει λογισµικά προσοµοιώσεων τα οποία µπορούµε να θεωρήσουµε ότι βρίσκονται περισσότερο κοντά από τα υπόλοιπα σχετικά, στην έννοια του «εικονικού εργαστηρίου», διότι διαθέτουν ένα υψηλό βαθµό ρεαλισµού και αληθοφάνειας, τόσο στην αναπαράσταση των φαινοµένων, όσο και στον τρόπο χειρισµού των εικονικών αντικειµένων Newton: 3D Multimedia Lab for Exploring Physics Mechanics Ο εικονικός κόσµος του Newton, αποτελεί έναν εντελώς νέο τρόπο προσέγγισης της φυσικής, τη διερεύνηση της κινηµατικής και δυναµικής σε υπολογιστή, σε τρείς διαστάσεις. Ο εικονικός κόσµος του Newton υπακούει στους νόµους της φυσικής, επιτρέποντας την σύνθεση, διαχείριση και ανάλυση των πειραµατικών διατάξεων, ελεύθερα και διαδραστικά. Όταν κάποιος συνθέτει ένα πείραµα στο Newton, µπορεί να επιλέξει από µια µεγάλη ποικιλία αντικειµένων (εικονικών ή πραγµατικών), από τα απλούστερα γεωµετρικά σώµατα (τούβλο, σφαίρα κ.λ.π.), µέχρι πολύπλοκα όργανα (στατήρες, κεκλιµένα επίπεδα, αµαξίδια κ.λ.π.) και συνδέσµους (άξονες περιστροφής και ελατήρια). Υπάρχει η δυνατότητα διαµόρφωσης των φυσικών τους ιδιοτήτων (µάζα, ελαστικότητα, τριβή κ.λ.π), της εφαρµογής δυνάµεων, ροπών ή ταχύτητας και η δηµιουργία σχέσεων υπό περιορισµούς. Επιπλέον, υπάρχει η δυνατότητα της προσθήκης οποιουδήποτε εικονικού αντικειµένου µε χρήση ενός επεξεργαστή VRML, αλλά και η εξαγωγή οποιουδήποτε πειράµατος σε τύπο VRML. ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 73

86 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Εικόνα 28: Τρισδιάστατο πείραµα εκκρεµούς από το εικονικό εργαστήριο Newton Edison: Multimedia Lab for Exploring Electricity and Electronics Το Edison, προσφέρει ένα νέο περιβάλλον για την εκµάθηση του ηλεκτρισµού και των ηλεκτρονικών. Οι χρήστες µπορούν να χρησιµοποιήσουν ψηφιοποιηµένα φωτορεαλιστικά εξαρτήµατα, µια πλακέτα που δεν χρειάζεται κολλήσεις, εικονικά όργανα, ήχο και animation, για να κατασκευάσουν, να δοκιµάσουν και να επιδιορθώσουν µε απόλυτη ασφάλεια ρεαλιστικά κυκλώµατα τριών διαστάσεων, ενώ ταυτόχρονα µπορούν να βλέπουν το αντίστοιχο διαγραµµατικό κύκλωµα. Το Edison, περιέχει επίσης πάνω από 100 έτοιµα πειράµατα και κυκλώµατα, τα οποία µπορούν να χρησιµοποιήσουν άµεσα οι µαθητές και οι καθηγητές. Υπάρχουν ρεαλιστικές µπαταρίες, αντιστάτες, δίοδοι, LEDs, τρανσίστορ, λογικές πύλες, flip-flops, ακόµη και ολοκληρωµένα κυκλώµατα, σε άµεση πρόσβαση πάνω στα ράφια του πολυµεσικού εργαστηρίου. Τα εξαρτήµατα τοποθετούνται µε λειτουργία «σύρε & άσε» πάνω στον πάγκο εργασίας, ή πάνω στην πλακέτα, όπου µπορούν να εµφανίζονται ακόµη και οι κρυφές εσωτερικές συνδέσεις. Συνδέοντας τα εξαρτήµατα µε καλώδια, χρησιµοποιώντας το ποντίκι, το κύκλωµα αρχίζει να λειτουργεί άµεσα, ώστε να γίνεται η δοκιµή του και η µέτρησή του µε τα εικονικά όργανα. Επιπλέον, το Edison αυτοµάτως κατασκευάζει το αντίστοιχο διαγραµµατικό κύκλωµα και το εµφανίζει ταυτόχρονα, στο δεξί µέρος της οθόνης. Εικόνα 29: Ηλεκτρικό κύκλωµα στο εικονικό εργαστήριο Edison (ρεαλιστική και διαγραµµατική αναπαράσταση) 74

87 Ι. Λεύκος, The Virtual Physics Lab (VPLab) Το Virtual Physics Laboratory (VPLab), είναι ένα on-line µαθησιακό περιβάλλον προσοµοιώσεων, που επιτρέπει στους µαθητές να συνθέτουν εικονικά πειράµατα, µε χαρακτηριστικά και περιορισµούς που συναντάµε στα πραγµατικά πειράµατα, όπως: σφάλµατα στις πειραµατικές µετρήσεις, µικρές τυχαίες διακυµάνσεις των παραµέτρων και περιορισµοί στην έκταση του ελέγχου που ο πειραµατιστής έχει πάνω στις παραµέτρους και τις µεταβλητές. Για κάθε πείραµα, το περιβάλλον του VPLab προσφέρει επίσης επεξηγήσεις και επιδείξεις σε πολυµεσική µορφή (βίντεοσκοπηµένα πραγµατικά πειράµατα, διαδραστικές επεξηγήσεις σχετικά µε µαθηµατικές ή (και) φυσικές έννοιες κ.λ.π.), τα οποία είναι απολύτως σχετικά µε την εικονική πειραµατική διάταξη. Εικόνα 30: Πείραµα µε εκκρεµές στο on-line εργαστήριο του VPLab ( ΑΜΑΠ Το «Ανοιχτό Μαθησιακό Περιβάλλον», αποτελείται από έξι υπο-εργαστήρια φυσικής, τα οποία προσφέρουν δυνατότητες πειραµατισµών, σύνθεσης διατάξεων και ανάπτυξης σεναρίων για εκπαιδευτικές δραστηριότητες. Οι µαθητές όλων των τάξεων του γυµνασίου και του λυκείου µπορούν, µέσα από το πρόγραµµα εικονικής πραγµατικότητας, να νιώθουν ότι βρίσκονται σε ένα καλά οργανωµένο εργαστήριο και να κάνουν πειράµατα: Γεωµετρικής Οπτικής, Κυµατικής Οπτικής, Σκιάς - Παρασκιάς και Σύνθεσης - Αποσύνθεσης Χρωµάτων, Ηλεκτρικών Κυκλωµάτων, Στατικού Ηλεκτρισµού καθώς και Μαγνητισµού. O χρήστης, µπορεί να συνθέτει, να παρακολουθεί και να κατευθύνει την εκτέλεση ενός εικονικού πειράµατος, να πραγµατοποιεί µετρήσεις µε εικονικά όργανα κλπ. Το δεύτερο στοιχείο του λογισµικού είναι ο Μοντελοχώρος όπου εµφανίζεται η σχηµατική αναπαράσταση της πειραµατικής διάταξης (µοντέλο του πειράµατος). το οποίο είναι δυναµικά συνδεδεµένο µε το πείραµα (κοινή µαθηµατική µηχανή). Η µεταβολή αυτή γίνεται σε πραγµατικό χρόνο. Ο Μοντελοχώρος επεκτείνεται και συσχετίζεται µε applet. Τέλος υπάρχει χώρος υπολογισµών και µελέτης, χώρος πολύ-µεσικών Εκπαιδευτικών Σεναρίων για µαθητές όλων των ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 75

88 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ βαθµίδων, ειδικό εργαλείο ανάπτυξης πολυµεσικών δραστηριοτήτων, βιβλιοθήκη πολύ-µεσικού υλικού και συνοδευτικό υλικό µε οδηγίες χρήσης και οδηγούς εκπαιδευτικού. Εικόνα 31: Το εικονικό εργαστήριο οπτικής του ΑΜΑΠ και η δυνατότητα τρισδιάστατης πλοήγησης µέσα στο χώρο Στο παράθυρο του «Κόσµου» πραγµατοποιείται η σύνθεση και ρύθµιση των οπτικών διατάξεων. Το περιβάλλον είναι ανοικτό. Για το σκοπό αυτό διατίθεται αποθήκη εικονικών αντικειµένων, οργάνων και συσκευών που καλύπτουν το σύνολο των φαινοµένων Γεωµετρικής Οπτικής που µελετώνται από τα σχολικά εγχειρίδια. Από τη στιγµή της επιλογής, της εισόδου και της µετακίνησής τους στον εργαστηριακό πάγκο και µε την ενεργοποίηση µιας φωτεινής πηγής ή άλλου οργάνου, η φυσική συµπεριφορά των αντικειµένων είναι συνεχής. Στην Εικόνα 1 παρουσιάζεται διάταξη που συντίθεται στον εργαστηριακό πάγκο του εικονικού εργαστηρίου. Έχουν επιλεγεί 4 πηγές Laser των οποίων οι ακτίνες είναι παράλληλες και ένας συγκεντρωτικός φακός. Οι ακτίνες συγκεντρώνονται στην κυρία εστία και στη συνέχεια προσπίπτουν στο πέτασµα. Στο ηµίφως του εργαστηρίου και θεωρώντας ότι ο χώρος του εργαστηρίου έχει σωµατίδια καπνού, οι ακτίνες είναι ορατές. Το παράθυρο του «Κόσµου» µοιάζει οπτικά µε πραγµατικό εργαστήριο: τόσο το εργαστήριο ως σύνολο όσο και τα αντικείµενα έχουν τρισδιάστατη υφή. Ο χρήστης αναγνωρίζει εύκολα τα αντικείµενα φακός, πηγή, κάτοπτρο, κλπ. και έχει δυνατότητα «περιήγησης», περιστροφής και επικέντρωσης (zoom) στον εργαστηριακό «χώρο» σε πραγµατικό χρόνο. Στην Εικόνα 1 η ίδια πειραµατική διάταξη παρουσιάζεται από διαφορετική γωνία παρατήρησης ώστε να γίνει καλύτερα αντιληπτή η πορεία των ακτίνων από τις πηγές προς το πέτασµα. Ο παρατηρητής µπορεί να στραφεί έτσι ώστε η οπτική του γωνία να συµπέσει µε µια φωτεινή πηγή, να συµµετάσχει ιδεατά στην πορεία της δέσµης και να κατανοήσει την επίδρασή της. Εικόνα 32: Μοντελοποίηση της διάθλασης µέσω φακού, όπως παρουσιάζεται στο «Μοντελοχώρο» του ΑΜΑΠ 76

89 Ι. Λεύκος, 2011 Στο παράθυρο του «Μοντελοχώρου» εµφανίζεται η σχηµατική αναπαράσταση της πειραµατικής διάταξης (µοντέλο του πειράµατος) όπως θα σχεδιαζόταν στον µαυροπίνακα της τάξης. Όµως, η σχηµατική αναπαράσταση δεν αποτελεί στατική εικόνα, όπως στον µαυροπίνακα, αλλά είναι δυναµικά συνδεδεµένη µε την πειραµατική διάταξη του «Κόσµου». Έτσι, η σχηµατική αναπαράσταση µεταβάλλεται δυναµικά καθώς ο χρήστης συνθέτει, τροποποιεί ή αναπροσαρµόζει την πειραµατική διάταξη. Η απεικόνιση του εργαστηριακού πειράµατος ως µοντέλο βοηθά τους µαθητές να συνδέσουν την εικόνα ενός «ρεαλιστικού κόσµου» (εργαστήριο) µε τα νοητικά µοντέλα και τις σχηµατικές αναπαραστάσεις τους ΣΕΠ Σύνθετο εργαστηριακό περιβάλλον Το Εικονικό Εργαστήριο Θερµότητας αποτελεί ένα «µικρόκοσµο Φυσικής», δηλαδή ένα ανοιχτό υπολογιστικό περιβάλλον το οποίο µε συνέπεια και ακρίβεια στα φυσικά φαινόµενα δίνει τη δυνατότητα εικονικής αναπαράστασης και εξέλιξης των φαινοµένων του φυσικού κόσµου. Ένα "εικονικό εργαστηριακό περιβάλλον", αποτελεί µικρόκοσµο στον οποίο προσοµοιώνεται στην οθόνη του υπολογιστή ένα εργαστήριο φυσικών επιστηµών, µε τρόπο εικονικό, λειτουργικό και συνεπή ως προς τα φαινόµενα και την υποκείµενη Φυσική. Ο χρήστης σε άµεση αλληλεπίδραση µε το περιβάλλον µπορεί να συνθέτει, να παρακολουθεί και να κατευθύνει την εκτέλεση ενός εικονικού πειράµατος, να πραγµατοποιεί µετρήσεις µε εικονικά όργανα, να συσχετίζει γραφικές παραστάσεις κλπ. Ο µικρόκοσµος του Εργαστηρίου Θερµότητας απαρτίζεται από: αντικείµενα (δοχεία) και υλικά που µπορούν να αλληλεπιδρούν ανταλλάσσοντας θερµότητα και εικονικά όργανα - συσκευές για την µέτρηση, καταγραφή και γραφική απεικόνιση των εικονικών πειραµάτων. Εικόνα 33: Εικονικά όργανα και υλικά από το εργαστήριο θερµότητας του ΣΕΠ Ο χρήστης (καθηγητής ή µαθητής) έχει τη δυνατότητα να συνθέσει την εικονική πειραµατική διάταξη επιλέγοντας και σύροντας τα αντικείµενα, να ορίσει τις ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 77

90 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ιδιότητές τους, να κατευθύνει την εκτέλεση του πειράµατος, να πραγµατοποιεί µµετρήσεις και να δηµιουργεί την γραφική τους αναπαράσταση. Το εικονικό εργαστήριο λειτουργεί σε δύο καταστάσεις, του εκπαιδευτικού και του µαθητή. Στη κατάσταση του εκπαιδευτικού, είναι διαθέσιµο όλο το υλικό (όργανα συσκευές κλπ) για τη σύνθεση του εικονικού πειράµατος. Ο εκπαιδευτικός είτε επιλέγει τα εικονικά όργανα και συνθέτει µια πειραµατική διάταξη, είτε επιτρέπει τη διάθεση των εικονικών οργάνων στο µµαθητή, ώστε αυτός να συνθέσει την εικονική διάταξη. Έτσι, ο µµικρόκοσµος δεν είναι προκατασκευασµένος ή αυστηρά συγκεκριµένος, αλλά µπορεί να δηµιουργηθεί είτε από τον εκπαιδευτικό, είτε και από το µµαθητή, εφόσον ο εκπαιδευτικός το επιθυµεί σύµφωνα µε τις απαιτήσεις της διδασκαλίας. Στο εργαστήριο, ο χρήστης έχει τη δυνατότητα εκκίνησης, προσωρινής ή οριστικής διακοπής των πειραµάτων και επαναφοράς στην αρχική κατάσταση. Κατά την διάρκεια εκτέλεσης των πειραµάτων, τα πειραµατικά δεδοµένα καταγράφονται και παρουσιάζονται σε άξονες γραφικών παραστάσεων. Οι γραφικές παραστάσεις εµφανίζονται µε επιλογή του χρήστη σε ανασυρόµενα πλαίσια στο άκρο της οθόνης των εργαστηρίων. Το εργαστήριο διαθέτει δύο πλαίσια γραφικών παραστάσεων, τα οποία µµπορούν να εµφανιστούν σε κανονική και µµεγιστοποιηµένη κατάσταση µε δυνατότητα προβολής µέχρι δυο µµεγεθών ταυτόχρονα κατά τον κατακόρυφο άξονα. Έτσι, µπορούν να παρουσιάζονται γραφικά οι θεοκρασίες και οι ανταλλαγές θερµοτήτων των δοχείων της διάταξης και του περιβάλλοντος χώρου, µε συµµεταβαλλόµενη τιµή χρόνου κατά τον άξονα Χ. Η επιλογή των µεγεθών που θα εµφανίζονται καθώς και της κλίµακας των αξόνων, γίνεται από τον χρήστη. Να σηµειωθεί ότι ο χρήστης έχει τη δυνατότητα, κατά την εκτέλεση των πειραµάτων, να τροποποιεί την πειραµατική διάταξη, µε άµεσο αποτέλεσµα στις παραγόµενες γραφικές παραστάσεις. Τέλος παρέχεται η δυνατότητα αποθήκευσης σε αρχεία, των δεδοµένων των γραφικών παραστάσεων, για περαιτέρω επεξεργασία τους από λογιστικά φύλλα ΙrΥdium Project Το IrYdium Project, αναπτύσσει εκπαιδευτικό λογισµικό το οποίο µπορεί να ενσωµατωθεί πολύ εύκολα σε εισαγωγικά µαθήµατα χηµείας και χρησιµοποιείται µέσω του διαδικτύου. Καθώς οι εργασίες τύπου «χαρτί & µολύβι», τυπικά δίνουν έµφαση στην εφαρµογή των τύπων, µια διαδικασία η οποία µπορεί να γίνει πολύ συνηθισµένη και βαρετή και να αποµακρύνει τους µαθητές από την ευχάριστη πλευρά της χηµείας, ασκήσεις και πειράµατα τα οποία βασίζονται σε προσοµοιώσεις προσφέρουν νέες προσεγγίσεις για την προώθηση της µάθησης και του ενδιαφέροντος των µαθητών. Οι αλληλεπιδραστικές ασκήσεις µπορούν να οδηγήσουν τους µαθητές στην εξερεύνηση και την ενίσχυση των θεµελιωδών εννοιών, µέσα σε περιβάλλοντα τα οποία έχουν βαθµιδωτή δυσκολία, ρεαλισµό και ενεργητική εµπλοκή. Σκοπός του project είναι η δηµιουργία ευέλικτων διαδραστικών µαθησιακών περιβαλλόντων, όπου οι µαθητές και φοιτητές µπορούν να προσεγγίσουν την χηµεία ως πειραµατικοί επιστήµονες. Το εικονικό εργαστήριο παρέχεται ως ένα ευέλικτο µαθησιακό και διδακτικό εργαλείο. Είναι δυνατό να χρησιµοποιηθεί για συζητήσεις κατά τη διάρκεια του µαθήµατος, για δραστηριότητες πριν από το εργαστήριο ή για νέου τύπου εργασιών για το σπίτι. Ειδικά η εργασία στο σπίτι, θεωρείται από τους κατασκευαστές, ως πολύ σηµαντική µέθοδος για την ενίσχυση της µάθησης και του ενδιαφέροντος των µαθητών. 78

91 Ι. Λεύκος, 2011 Το λογισµικό δηµιουργήθηκε από οµάδα Χηµικών και Προγραµµατιστών στα πλαίσια του IrYdium Project, που χρηµατοδοτείται από την National Science Foundation των Η.Π.Α., διατίθεται ελεύθερα για εκπαιδευτική χρήση µε άδεια που παραχώρησαν οι δηµιουργοί του στην Αγγλική, Γαλλική, Ισπανική και Καταλανική γλώσσα. Πρόσφατα εξελληνίστηκε από οµάδα εκπαιδευτικών και ερευνητών του Τµήµατος Χηµείας του Α.Π.Θ. στο πλαίσιο του έργου Νηρηίδες του Ε.Α.Ι.Τ.Υ. Το λογισµικό αυτό αποτελεί ένα κλασικό εργαλείο προσοµοίωσης φαινοµένων Χηµείας. Εικόνα 34: Σύνθεση πειραµατικής διάταξης στο IrYdium ( Το IrYdium Chemistry Lab θεωρείται λογισµικό προσοµοίωσης, καθώς σε αυτό προσοµοιώνονται διεργασίες και φαινόµενα της Χηµείας. Επιπλέον, θεωρείται και ανοικτό περιβάλλον διερεύνησης, καθώς σε αυτό ο εκπαιδευτικός και ο µαθητής µπορεί ελεύθερα να διερευνήσει χηµικά φαινόµενα και διεργασίες και όχι µόνον προεπιλεγµένες προσοµοιώσεις. Τέλος, το εν λόγω λογισµικό χαρακτηρίζεται από το ότι επιτρέπει διαδικασίες µοντελοποίησης χηµικών φαινοµένων και διαδικασιών, επειδή ο εκπαιδευτικός µπορεί να εισαγάγει παραµέτρους για οποιαδήποτε χηµική ουσία και στη συνέχεια να την µοντελοποιήσει πάντα σε περιβάλλον προσοµοίωσης χωρίς τη χρήση ειδικής γλώσσας προγραµµατισµού. Το πρόγραµµα επιλύει τις βασικές εξισώσεις χηµικής θερµοδυναµικής µε βάση τα θερµοδυναµικά δεδοµένα των χηµικών ουσιών VR Labs Στην κατηγορία αυτή ανήκουν λογισµικά τα οποία χρησιµοποιούν τεχνικές «Εικονικής Πραγµατικότητας» (Virtual reality). Συνήθως προσφέρουν στον χρήστη την αίσθηση της εµβύθισης (immersion) µέσα σε ένα εικονικό περιβάλλον. Η εικονική πραγµατικότητα ορίζεται ως ένα πολυµεσικό περιβάλλον βασισµένο σε ΗΥ, το οποίο έχει υψηλή διαδραστικότητα και στο οποίο ο χρήστης γίνεται συµµέτοχος ενός κόσµου δηµιουργηµένου στον ΗΥ. Σηµαντικό χαρακτηριστικό της εικονικής πραγµατικότητας είναι η διαδραστικότητα, καθώς ο υπολογιστής µπορεί να αναγνωρίζει τις δράσεις του χρήστη και στιγµιαία να µεταβάλλει τον εικονικό κόσµο, σύµφωνα µε αυτές. Τα περιβάλλοντα εικονικής πραγµατικότητας συχνά αποτελούνται από υπολογιστικά συστήµατα τα οποία ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 79

92 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ περιλαµβάνουν ΗΥ, οθόνες προσαρµοσµένες στο κεφάλι του χρήστη (head-mounted displays - HMD), κινητά τηλέφωνα προσαρµοσµένα στο µάτι του χρήστη (eye phones) και γάντια µε αισθητήρες κίνησης. Η τεχνολογία εικονικής πραγµατικότητας µπορεί να προσφέρει ισχυρά οφέλη για την εκπαίδευση στις φυσικές επιστήµες, όχι µόνο µε την διευκόλυνση δραστηριοτήτων εποικοδοµητικής µάθησης, αλλά επίσης υποστηρίζοντας διαφορετικούς τύπους µαθητευόµενων, όπως για παράδειγµα αυτούς οι οποίοι είναι οπτικοί τύποι. Υπάρχουν δύο κυρίως τεχνικές υλοποίησης. Η µία είναι περισσότερο κοντά στις κοινές προσοµοιώσεις, µε τη διαφορά της τρισδιάστατης απεικόνισης του χώρου και των αντικειµένων µέσα στον οποίο ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να πλοηγείται µε κινήσεις του ποντικιού ή µε τα πλήκτρα του πληκτρολογίου. Η δεύτερη είναι περισσότερο εξεζητηµένη και εκτός από τα λογισµικά, απαιτείται και ειδικός εξοπλισµός (κράνος, γυαλιά, γάντια κ.λ.π.)τον οποίο χρησιµοποιεί ο χρήστης προκειµένου να χειρίζεται τον εικονικό χώρο και τα αντικείµενα µε εντελώς ρεαλιστικό τρόπο. Οι εφαρµογές αυτού του τύπου είναι σχετικά λίγες και ιδίως η δεύτερη τεχνική σπανίζει για την εκπαίδευση, καθώς έχει υψηλό κόστος. Παρακάτω ακολουθούν παραδείγµατα από την πρώτη τεχνική, η οποία αρχίζει να αναπτύσσεται περισσότερο τα τελευταία χρόνια, καθώς η ισχύς των κοινών Η/Υ έχει αναπτυχθεί σε σηµείο τέτοιο που να επιτρέπει την αναπαράσταση τρισδιάστατων γραφικών τα οποία απαιτούνται από τις εφαρµογές εικονικής πραγµατικότητας Real Time Relativity Η διδασκαλία της φυσικής µε Εικονική Πραγµατικότητα είναι µια διερεύνηση παιγνιωδών προσοµοιώσεων φυσικής. Αυτό το project είχε σαν στόχο την ανάπτυξη περιβαλλόντων εµβύθισης µε πλήρεις δυνατότητες διάδρασης για τη διδασκαλία και τη µάθηση στις φυσικές επιστήµες. Η Real Time Relativity (RTR) είναι µια προσοµοίωση ενός κόσµου ο οποίος υπακούει στην ειδική θεωρία της σχετικότητας, επιτρέποντας στους χρήστες να µάθουν µέσω της εξερεύνησης. Κάποιοι από τους φυσικούς νόµους µπορούν µέσω επιλογών να ισχύουν ή όχι, προκειµένου να γίνονται περισσότερο ορατά τα αποτελέσµατα στους χρήστες. Η RTR έχει ενσωµατωµένα πέντε στοιχεία σχετικιστικής φυσικής και όλα τα υπόλοιπα είναι αποτέλεσµα των στοιχείων αυτών: το φαινόµενο Doppler, το φαινόµενο του Προβολέα, η εκτροπή του φωτός, η διαστολή του χρόνου και η καθυστέρηση του φωτός. Η RTR παρουσιάζει τη σχετικιστική φυσική µε ένα άµεσα εµπειρικό τρόπο που συµπληρώνει το συµβατικό φορµαλισµό που βασίζεται στις γραφικές παραστάσεις και τις εξισώσεις. Επιπλέον, οι προσοµοιώσεις αυτές βελτιώνουν την πρόσβαση σε εξεζητηµένα θέµατα φυσικής στους αρχάριους φοιτητές. Για παράδειγµα, καθώς η RTR βασίζεται στην οπτικοποίηση ενός σχετικιστικού κόσµου, αποτελεί ένα φυσικό τρόπο εκµάθησης της σχετικιστικής Οπτικής. 80

93 Ι. Λεύκος, 2011 Εικόνα 35: ιδάσκοντας Σχετικιστική Φυσική µε παιγνιώδη µορφή και χρήση εικονικής πραγµατικότητας ( A virtual reality physics simulation (VRPS) Οι προσοµοιώσεις φυσικής µε εικονική πραγµατικότητα (Virtual reality physics simulation - VRPS), είναι ένα εκπαιδευτικό εργαλείο που χρησιµοποιεί ένα περιβάλλον εικονικής πραγµατικότητας, το οποίο συνδυάζει ένα τρισδιάστατο µοντέλο µιας πραγµατικής εργαστηριακής συσκευής και µια εικονική οπτικοποίηση φυσικών καταστάσεων, µε διαδραστικό τρόπο. Οι VRPS, σύµφωνα µε τους κατασκευαστές προωθούν τη µάθηση των µαθητών, παρέχοντας ένα υψηλό βαθµό ρεαλισµού, µη εφικτού σε συµβατικά περιβάλλοντα δυο διαστάσεων, δηµιουργώντας έτσι ένα πλούσιο αισθητηριακά διαδραστικό µαθησιακό περιβάλλον. Οι προσοµοιώσεις VRPS, περιλαµβάνουν θέµατα της φυσικής του γυµνασίου και λυκείου όπως η διάδοση των κυµάτων, η γεωµετρική οπτική, η σχετική ταχύτητα, οι ηλεκτρικές µηχανές κ.α. Εικόνα 36: Προσοµοιώσεις µε τρισδιάστατη εικονική πραγµατικότητα ( ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 81

94 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ 7.5. Εξ αποστάσεως ελεγχόµενα εργαστήρια - Remote Labs Στην κατηγορία αυτή ανήκουν πιο σύγχρονες εφαρµογές οι οποίες φαίνεται να αναπτύσσονται αρκετά τα τελευταία χρόνια. Είναι ακόµη µια περίπτωση που θεωρείται πως βρίσκεται πολύ κοντά στον ορισµό των «εικονικών εργαστηρίων» διότι οι χρήστες αντιµετωπίζουν (εξ αποστάσεως βέβαια, µέσα από την οθόνη του Η/Υ τους), µια πραγµατική πειραµατική διάταξη, και λαµβάνουν µετρήσεις πάνω σε πραγµατικά πειραµατικά δεδοµένα. Σκοπός των «εξ αποστάσεως ελεγχόµενων εργαστηρίων» (remotely controlled labs ή remote labs), είναι να επιτρέπουν στους χρήστες τον έλεγχο και τη διεξαγωγή πειραµάτων από µια τοποθεσία διαφορετική από αυτή στην οποία βρίσκεται η πειραµατική διάταξη. Ο εξ αποστάσεως έλεγχος πειραµατικών διατάξεων χρησιµοποιείται εδώ και πολλά χρόνια στην επιστηµονική έρευνα, όπως στους µεγάλους επιταχυντές σωµατιδίων, στην επιστήµη του διαστήµατος και τα τηλεσκόπια, καθώς και στην ανάπτυξη τεχνολογίας όπως η ροµποτική, οι βιοµηχανικές διαδικασίες και ο έλεγχός τους. Ο λόγοι για τους οποίους χρησιµοποιούνται µπορεί να είναι η έλλειψη εξοπλισµού στο τοπικό ίδρυµα, το κόστος, η έλλειψη χρόνου για τη συλλογή δεδοµένων, ή ο µεγάλος όγκος των δεδοµένων και ο πιθανός κίνδυνος που διατρέχουν οι πειραµατιστές. Πρόσφατα όµως, οι καθηγητές άρχισαν να χρησιµοποιούν την τεχνική αυτή και για εκπαιδευτικούς λόγους στη µηχανική, τη φυσική, τη χηµεία, τη βιολογία και σε άλλες επιστήµες. Εικόνα 37: Η σχηµατική διάταξη λειτουργίας των Remote Labs Τα εξ αποστάσεως ελεγχόµενα πειράµατα, χρησιµοποιούν δικτυακές τεχνολογίες προκειµένου να επιτρέψουν στους µαθητές να ελέγχουν ένα πραγµατικό πείραµα από µια αποµακρυσµένη τοποθεσία. Τα δεδοµένα από το πείραµα εµφανίζονται στην οθόνη του υπολογιστή µε αριθµητικό ή διαγραµµατικό τρόπο, ενώ κάποιες φορές υπάρχει και µια µικρή κάµερα που δίνει ζωντανή εικόνα της πειραµατικής διάταξης. Επειδή ο εξ αποστάσεως πειραµατισµός µέσω διαδικτύου είναι ασύγχρονος, δεν υπάρχει η δυνατότητα να εκτελείται ταυτόχρονα το ίδιο πείραµα από διαφορετικούς χρήστες. Η έλλειψη της δυνατότητας αυτής, περιορίζει σηµαντικά την εκπαιδευτική χρήση των εξ αποστάσεως ελεγχόµενων πειραµάτων. Από την άλλη µεριά, τα πλεονεκτήµατά τους εδράζονται στην πιθανότητα ενσωµάτωσης περιβαλλοντικών δεδοµένων και στην αµεσότητα της εµπειρίας, τα οποία είναι πολύ σηµαντικοί παράγοντες για την αποδοχή από τους χρήστες. 82

95 Ι. Λεύκος, 2011 Στην ίδια κατηγορία (αν και παρά τις πολλές τους οµοιότητες έχουν και αρκετές διαφορές) θα µπορούσαµε να τοποθετήσουµε και τα ονοµαζόµενα Interactive Screen Experiments (ISE), παράδειγµα των οποίων ακολουθεί παρακάτω. Τα ISE είναι ένας νέος τύπος πολυµεσικής αναπαράστασης ενός πραγµατικού πειράµατος, η οποία επιτρέπει την ενεργητική εµπλοκή του χρήστη και εξατοµικευµένο έλεγχο ενός πειράµατος µε άµεση και αυθεντική ανατροφοδότηση. Στην περίπτωση αυτή, αντί να ενσωµατώνονται απλώς διαφορετικά µέσα (κείµενο, εικόνα, ήχος και βίντεο), χρησιµοποιείται τεχνολογία πολυµέσων για την ενίσχυση της εµπλοκής του χρήστη στη µαθησιακή διαδικασία του πειραµατισµού. Σε αντίθεση µε τα εξ αποστάσεως ελεγχόµενα πειράµατα, τα ISE επιτρέπουν στον χρήστη να παρατηρεί την αντίδραση ενός πειράµατος, ανάλογα µε τις δράσεις του, χωρίς καθυστέρηση (άµεσος χειρισµός), καθώς τι ISE περιλαµβάνει ήδη όλα τα αριθµητικά και πολυµεσικά δεδοµένα, τα οποία καταγράφονται και αποθηκεύονται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας παραγωγής. Με τρόπο παρόµοιο των εξ αποστάσεως πειραµάτων, τα ISE παρουσιάζουν ένα µόνο συγκεκριµένο κάθε φορά πείραµα, χωρίς να δίνεται η δυνατότητα αλλαγής της πειραµατικής διάταξης Remote Lab on Harmonic Oscillator Systems & Simple Harmonic Motion Στο παράδειγµα αυτό µπορούµε να µελετήσουµε την κίνηση ενός εκκρεµούς. Παρακολουθώντας την κίνηση του εκκρεµούς µέσω µιας κάµερας, µπορούµε ταυτόχρονα να καταγράψουµε µε αυτόµατο τρόπο τα δεδοµένα της κίνησης τα οποία παρουσιάζονται στη συνέχεια πάνω σε ένα λογιστικό φύλλο excel µαζί µε τα αντίστοιχα διαγράµµατα κίνησης. Στο εργαστήριο αυτό επίσης υπάρχει και η δυνατότητα µεταβολής της θέσης του βαριδίου πάνω στην ταλαντωµένη ράβδο, αλλά και της αρχικής γωνίας, ώστε να εξαχθούν συµπεράσµατα σχετικά µε τον ρόλο που παίζει ο κάθε παράγοντας στην περίοδο του εκκρεµούς. Εικόνα 38: Μελέτη εκκρεµούς µε χρήση Remote Lab ( Εκκρεµές µε ελατήριο σε εξαναγκασµένη ταλάντωση Στο πείραµα αυτό µπορούµε να ελέγξουµε µε ρεαλιστικούς χειρισµούς (µε το ποντίκι) το εκκρεµές που κρέµεται από ένα ελατήριο, το χρονόµετρο, αλλά και τις ηλεκτρονικές συσκευές που ρυθµίζουν τον εξωτερικό διεγέρτη της ταλάντωσης, ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 83

96 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ καταγράφοντας έτσι τα πειραµατικά δεδοµένα προκειµένου να µελετήσουµε αυτό το φαινόµενο. Εικόνα 39: Μελέτη της εξαναγκασµένης ταλάντωσης µε χρήση Remote Lab ( Cathode ray in an electric field Στο πείραµα αυτό µπορούµε να παρακολουθήσουµε την απόκλιση µιας δέσµης ηλεκτρονίων καθώς διέρχεται µέσα από ηλεκτρικό πεδίο. Με την κίνηση του ποντικού, µπορούµε να ελέγξουµε το δυναµικό του πεδίου, οπότε και η δέσµη εµφανίζει διαφορετική κάθε φορά απόκλιση. Αριστερά στην οθόνη βρίσκεται η διάταξη του καθοδικού σωλήνα και ο ρυθµιστής της διαφοράς δυναµικού, ενώ στα δεξιά υπάρχει σε µεγέθυνση η ηλεκτρονική δέσµη, όπως προβάλλεται πάνω σε ένα βαθµολογηµένο χαρτί. Το ενδιαφέρον στην υλοποίηση αυτή είναι ότι το ISE εδώ συνδυάζεται και µε µια προσοµοίωση του ίδιου φαινοµένου (Physlet), όπου µπορούµε και πάλι να επιλέξουµε πληκτρολογώντας στο κατάλληλο πεδίο τη διαφορά δυναµικού, οπότε να παρακολουθήσουµε την συµπεριφορά της δέσµης. Εικόνα 40: Απόκλιση της δέσµης ηλεκτρονίων σε καθοδικό σωλήνα σε υλοποίηση που συνδυάζει remote Lab και Physlet ( RCL project Remote Controlled Labs 84

97 Ι. Λεύκος, 2011 Ιδιαίτερη µνεία χρειάζεται να κάνουµε στο project RCL, του πανεπιστηµίου Kaiserslauten, όπου διατίθεται µια σηµαντική συλλογή εξ αποστάσεως χειριζόµενων εργαστηρίων. Η κεντρική σελίδα του προγράµµατος είναι Οι στόχοι του RCL project είναι: Η σύνθεση πειραµατικών διατάξεων που ενθαρρύνουν την παιγνιώδη διερεύνηση, ενισχύουν την περιέργεια και προκαλούν την κινητοποίηση (π.χ. ροµπότ σε ένα λαβύρινθο). Αυτό το είδος RCL απευθύνεται σε µαθητές και προπτυχιακούς φοιτητές, αλλά και σε οποιονδήποτε άλλον έχει ενδιαφέρον. Το είδος αυτό, αποτελεί εξάλλου ένα καλό παράδειγµα για την κατασκευή αντίστοιχων RCL σε σχολικά project. Η υλοποίηση σηµαντικών πειραµάτων για τη διδασκαλία της φυσικής, τα οποία µπορούν άµεσα να ενταχθούν στη διδασκαλία και µάθηση (στο πανεπιστήµιο ή το σχολείο), π.χ. η περίθλαση των ηλεκτρονίων, η περίθλαση και η συµβολή του φωτός ή το φωτοηλεκτρικό φαινόµενο. Σηµαντικά χαρακτηριστικά τέτοιων RCL είναι: διαισθητικός και εύκολος χειρισµός, διαδραστικότητα (µεταβολή των παραµέτρων), παρατήρηση του πειράµατος µέσω κάµερας, µετάδοση των δεδοµένων στους χρήστες, αυθεντικότητα στην ενσωµάτωσή των πειραµάτων µέσα στο µάθηµα για επίδειξη και παροχή πληροφοριών. Στο πλαίσιο αυτού του project περίπου 20 πειράµατα πρόκειται να υλοποιηθούν µε την µορφή RCL, από τα οποία τα περισσότερα έχουν ήδη υλοποιηθεί. Στόχος είναι η κατασκευή ενός δικτύου RCL (σε σχολεία και πανεπιστήµια σε όλο τον κόσµο)το οποίο θα µπορεί να χρησιµοποιηθεί µε πολλούς και διαφορετικούς τρόπους για τη διδασκαλία της φυσικής. Μια τέτοια ανάπτυξη επιλεγµένων πραγµατικών πειραµάτων µε την µορφή RCL επιτρέπει νέες µεθοδολογίες για ασκήσεις και εργασίες στο σπίτι, καθώς και εργασίες τύπου project και εκτέλεση πειραµάτων. Εικόνα 41: ιάταξη RCL που αφορά το πείραµα του Einstein για το φωτοηλεκτρικό φαινόµενο ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 85

98 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Εικόνα 42: Ένα από τα εργαστήρια RCL-project αφορά σύστηµα διοδίων στους αυτοκινητόδροµους Τα RCL του project αυτού διατίθενται ελεύθερα προς χρήση µέσω διαδικτύου από οποιοδήποτε χρήστη, και προς το παρόν είναι τα ακόλουθα: Περίθλαση ηλεκτρονίων Χαρακτηριστικά των ηµιαγωγών Το πείραµα του Millikan Χαρακτηριστικά των ηµιαγωγών εργασία µαθητών Το πείραµα του Rutherford Οπτικοί µετασχηµατισµοί Fourier Οπτική τοµογραφία µε υπολογιστή Περίθλαση και συµβολή I Ταχύτητα του φωτός Περίθλαση και συµβολή II Παγκόσµιο εκκρεµές Σύστηµα διοδίων Παλµογράφος Φωτοηλεκτρικό φαινόµενο Αερο-σήραγγα Ραδιενεργός Ακτινοβολία Βραχυκύκλωµα Ροµπότ σε λαβύρινθο 7.6. Συµπεράσµατα Παρά το γεγονός ότι στην παραπάνω επισκόπηση ακολουθήσαµε τα ταξινοµικά κριτήρια που προτείνει ο Harms (2000), για τα εικονικά εργαστήρια, είναι προφανές ότι σε πολλές περιπτώσεις τα όρια µεταξύ των διαφόρων κατηγοριών είναι δυσδιάκριτα. Χαρακτηριστικά µπορούµε να αναφέρουµε κάποια παραδείγµατα. Το ΑΜΑΠ είναι ένα λογισµικό εικονικού εργαστηρίου (virtual lab) που όµως περιέχει χαρακτηριστικά εικονικής πραγµατικότητας (VR Lab). Το ίδιο ισχύει και για το λογισµικό Newton. Επίσης, τo IrYdium που είναι µια εφαρµογή εικονικού εργαστηρίου χηµείας (virtual lab), θα µπορούσε να κατηγοριοποιηθεί και ως applet (Cyber Lab), αφού είναι µια υλοποίηση βασισµένη σε Java, η οποία διατίθεται online. Αντίθετα, οι προσοµοιώσεις των Phet, που ταξινοµήθηκαν σαν applets (Cyber Labs), θα µπορούσαν να χαρακτηριστούν και ως εικονικά εργαστήρια, καθώς πολλές από αυτές (όπως εκείνες που αφορούν την µελέτη ηλεκτρικών κυκλωµάτων) έχουν µεγάλο βαθµό ρεαλισµού, τόσο στην αναπαράσταση, όσο και στον τρόπο χειρισµού των αντικειµένων, αλλά και µεγάλη ελευθερία στη σύνθεση των εικονικών διατάξεων. Τέλος, µπορούµε να αναφερθούµε και σε µια περίπτωση υβριδικής υλοποίησης, των πειραµάτων ISE του πανεπιστηµίου Davidson, όπου το εξ 86

99 Ι. Λεύκος, 2011 αποστάσεως χειριζόµενο εργαστήριο (Remote Lab), συνδυάζεται µε το αντίστοιχο φαινόµενο σε applet (Physlet). Τέλος, πρέπει να επισηµάνουµε ότι από τα λογισµικά και τις εφαρµογές που αφορούν τα θερµικά φαινόµενα, µόνο το ΣΕΠ αποτελεί µια ολοκληρωµένη πρόταση σε µορφή εικονικού εργαστηρίου µε µεγάλη ελευθερία χειρισµών, αληθοφάνεια στην αναπαράσταση των φαινοµένων και ρεαλισµό στον τρόπο χειρισµού των εικονικών οντοτήτων. Όλες οι άλλες εφαρµογές που σχετίζονται µε τα θερµικά φαινόµενα, είτε υστερούν σε ρεαλισµό, είτε σε δυνατότητες ελευθερίας χειρισµών, είτε εστιάζονται στην µικροσκοπική αναπαράσταση τν φαινοµένων, χωρίς να έχουν µακροσκοπική οπτική. 8. Ερευνητικά δεδοµένα σχετικά µε τα εικονικά πειράµατα στη διδασκαλία των Φυσικών Επιστηµών Τα τελευταία χρόνια, τα εικονικά πειράµατα σε αντίστοιχα περιβάλλοντα προσοµοιώσεων φυσικών φαινοµένων, έχουν βρεθεί στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος, τόσο από πλευράς ερευνητών όσο και εκπαιδευτικών, όπως προκύπτει από έρευνες στην Ελλάδα (Τζιµογιάννης & Μικρόπουλος, 1998; 2000; Τζιµογιάννης 1998), αλλά και διεθνώς (Corter et al., 2004; Ma & Nickerson, 2006). Όπως προκύπτει δε (Κώτσης & Ευαγγέλου, 2007), υπάρχει µια διαµάχη µεταξύ των υποστηρικτών της χρήσης εικονικών πειραµάτων και των υποστηρικτών της χρήσης των παραδοσιακών πειραµάτων µε πραγµατικά υλικά, σχετικά µε την αποτελεσµατικότητά τους για την µάθηση στις Φυσικές Επιστήµες. Στη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας, µια σειρά από εµπειρικές µελέτες έχουν αναδείξει τη δυνατότητα των εικονικών εργαστηρίων να βελτιώσουν τις δεξιότητες, τις απόψεις και την εννοιολογική κατανόηση των µαθητών στις φυσικές επιστήµες (Corter et al., 2004; van der Meij & de Jong, 2006; Triona & Klahr, 2003; Zacharia, 2003, 2005; Zacharia & Anderson, 2003). Στη βάση αυτών των ευρηµάτων, κάποιοι ερευνητές έχουν αρχίσει να διερωτώνται σοβαρά για το αν ο εργαστηριακός πειραµατισµός, όπως τον βιώνουµε µέσω της συµβατικής χρήσης του, δηλαδή µε τη χρήση πραγµατικών φυσικών υλικών και συσκευών, θα πρέπει να επαναπροσδιοριστεί και να επαναδοµηθεί ώστε να συµπεριλάβει περιλάβει και τις περιπτώσεις εικονικών πειραµάτων (Finkelstein et al., 2005; Triona & Klahr, 2003; Zacharia, 2007). Σε αντίθεση µε τη δηµοτικότητα και τα πιθανά πλεονεκτήµατα που µπορεί να έχει η χρήση του VME στη εκµάθηση της φυσικής γενικά, υπάρχουν κάποιοι άλλοι ερευνητές, εκπαιδευτικοί και υπεύθυνοι της εκπαιδευτικής πολιτικής, που αµφισβητούν έντονα τη χρήση των εικονικών εργαστηρίων στη βάση του ότι στερεί από τους µαθητές την εµπειρία του να βιώσουν το φυσικό χειρισµό (hands-on) συµπαγών υλικών, πράγµα που θεωρείται πως είναι ουσιώδες για τη µάθηση (Flick, 1993; National Science Teachers Association, 1999). Με άλλα λόγια, ο φυσικός χειρισµός (η πραγµατική επαφή µε υλικά και συσκευές) προτείνεται ως προαπαιτούµενο για την µάθηση της φυσικής µέσω πειραµατισµού, υπονοώντας ότι ο εργαστηριακός πειραµατισµός χωρίς την εµπλοκή των µαθητών σε φυσικό χειρισµό ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 87

100 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ υλικών και συσκευών, όπως στην περίπτωση των εικονικών εργαστηρίων, θα µπορούσε να δράσει περιοριστικά για τη µάθηση των µαθητών. Από την άλλη, οι υπέρµαχοι του εικονικού πειραµατισµού ισχυρίζονται, σε σχέση µε το προηγούµενο επιχείρηµα, ότι η σπουδαιότητα του πειραµατισµού και η συνεπαγόµενη µάθηση, εδράζεται στην εµπλοκή των µαθητών σε χειρισµούς αντικειµένων παρά στην ύπαρξη των ίδιων των φυσικών αντικειµένων (δηλ. ο συσχετισµός µε τον υλικό κόσµο µέσω των ιδιοτήτων τους όπως αυτές γίνονται αντιληπτές στην πραγµατικότητα) (Clements, 1999; Klahr, Triona, & Williams, 2007; Resnick, 1998; Triona & Klahr, 2003). Έτσι, οι υπέρµαχοι του εικονικού πειραµατισµού αµφισβητούν τη «φυσικότητα» ως προαπαιτούµενο για τη µάθηση. Στην πραγµατικότητα, ισχυρίζονται ότι ο πειραµατισµός θα µπορούσε να πραγµατοποιηθεί και χωρίς την παρουσία των φυσικών αντικειµένων, µέσω της χρήσης εικονικών εργαστηρίων, συνεισφέροντας στη µάθηση των µαθητών µε παρόµοιο τρόπο όπως το συµβατικό πραγµατικό εργαστήριο, µε την προϋπόθεση βέβαια ότι το εικονικό εργαστήριο επιτρέπει τον ίδιο βαθµό χειρισµού υλικών και συσκευών (Triona & Klahr, 2003) ή και µε ακόµα καλύτερο τρόπο, όταν το εικονικό εργαστήριο παρέχει µεγαλύτερο βαθµό δυνατοτήτων (π.χ. χειρισµό νοητικών οντοτήτων όπως άτοµα, διανύσµατα, κλπ) από ότι το πραγµατικό εργαστήριο (Zacharia, Olympiou, & Papaevripidou, 2008). Στη διδακτική των φυσικών επιστηµών, η οικοδόµηση της γνώσης απαιτεί από τον µαθητή να είναι ενεργός λήπτης αποφάσεων, επιλέγοντας ανάµεσα σε έναν αριθµό επιλογών, αντί να είναι παθητικός δέκτης της ερµηνείας κάποιου άλλου ατόµου. Οι Piaget, Dewey και Bruner, όλοι υποστήριζαν την ενεργό συµµετοχή του µαθητή στη µαθησιακή διαδικασία. Ένα από τα πιο ξεχωριστά χαρακτηριστικά µιας προσοµοίωσης εργαστηρίου είναι το ότι απαιτεί από το χρήστη να πάρει αποφάσεις µε σκοπό να επιτύχει ένα στόχο (Baggot la Velle et al, 2007). Όπως δε καταλήγει στα συµπεράσµατά της η έρευνα των Hennessy et al (2007): οι µελέτες που αναφέρθηκαν εδώ, µαζί µε άλλες που υπάρχουν στην ερευνητική βιβλιογραφία, θα µπορούσαµε να πούµε ότι καθρεφτίζουν µια µετακίνηση µακριά από την εκπαιδευτική κληρονοµιά της «υποδειγµατικής επιστηµονικής πρακτικής», µέσα στη διδακτέα ύλη του σχολείου, όπως χαρακτηρίζεται από τα πραγµατικά πειράµατα (Gooding, 1990), προς µια πιο «νατουραλιστική φιλοσοφία» - ότι οι άνθρωποι µαθαίνουν µε ενεργητική παρέµβαση σε έναν συµπαγή κόσµο (Giere, 2002) όπου εργαλεία όπως η προσοµοίωση και το animation µπορεί να παίζουν πολύ σηµαντικότερο ρόλο. Οι Κώτσης και Ευαγγέλου (2007) διενέργησαν µια εκτενή βιβλιογραφική ανασκόπηση σε σχετικές έρευνες οι οποίες συγκρίνουν την αποτελεσµατικότητα µεταξύ εικονικών και πραγµατικών πειραµάτων. Η διερεύνησή τους κατέληξε στην κατηγοριοποίηση των ερευνών στις τέσσερεις παρακάτω κατηγορίες: Έρευνες από τις οποίες προκύπτουν παρόµοια - ίδια αποτελέσµατα µετά την εφαρµογή των εικονικών ή πραγµατικών πειραµάτων στη διδασκαλία της Φυσικής. Στην κατηγορία αυτή κατατάσσονται 7 έρευνες. Έρευνες στις οποίες τα εικονικά πειράµατα είναι αποτελεσµατικότερα σε σχέση µε τα πραγµατικά πειράµατα στη διδασκαλία της Φυσικής. Στην κατηγορία αυτή κατατάσσονται 10 έρευνες. Έρευνες στις οποίες τα πραγµατικά πειράµατα είναι αποτελεσµατικότερα σε σχέση µε τα εικονικά πειράµατα στη διδασκαλία της Φυσικής. Στην κατηγορία αυτή κατατάσσονται 4 έρευνες. 88

101 Ι. Λεύκος, 2011 Έρευνες στις οποίες δεν δίνονται οριστικές απαντήσεις για το αν τα πραγµατικά πειράµατα είναι αποτελεσµατικότερα σε σχέση µε τα εικονικά πειράµατα στη διδασκαλία της Φυσικής. Στην κατηγορία αυτή κατατάσσονται 7 έρευνες, από τις οποίες όµως οι δυο είναι έρευνες επισκόπησης και η µία είναι έρευνα στάσεων. Όπως λοιπόν είναι φανερό από την επισκόπηση αυτή, δεν υπάρχει µια οµοφωνία στο θέµα και φαίνεται πως η διαµάχη δεν έχει κάποιο νικητή, παρά το γεγονός ότι εµφανίζονται περισσότερες αριθµητικά έρευνες υπέρ των εικονικών πειραµάτων. Κατά συνέπεια, όπως αναφέρουν στα συµπεράσµατά τους οι ερευνητές, δεν έχει εξαντληθεί ακόµη η ερευνητική αντιµετώπιση του θέµατος και η διαπίστωση αυτή είναι σε συµφωνία µε τις απόψεις και άλλων ερευνητών (π.χ. Rosenquist et al., 2000; Triona & Klahr, 2003; Ζαχαρίας & Ευαγόρου, 2004; Ολυµπίου κ.ά., 2007). Οι Κώτσης και Ευαγγέλου (2007), συνέλεξαν τα επιχειρήµατα που παρατίθενται στις σχετικές έρευνες και τα αναφέρουν συγκεντρωτικά. Αναφορικά µε την κατηγορία των εικονικών πειραµάτων οι υποστηρικτές επικεντρώνουν τις παραδοχές τους στα εξής: επισηµαίνουν ότι στην εκτενή επισκόπηση της βιβλιογραφίας για τη χρήση των υπολογιστών και κατ επέκταση των εικονικών πειραµάτων από τα παιδιά, δεν υπάρχει ούτε θεωρητική ούτε εµπειρική αιτιολόγηση για έναν τέτοιο αποκλεισµό (Clements και Sarama 2003). ισχυρίζονται ότι τα φυσικά εργαστήρια χρησιµοποιούν άσκοπα πολύτιµο χώρο και καταναλώνουν το χρόνο του φοιτητή στην πλήρως καθοδηγούµενη οργάνωση του πειράµατος και τέλος θεωρούν ότι αυτός συµµετέχει σε επίπονες διαδικασίες (Corter et al. 2004). Αντίθετα, επισηµαίνουν ότι τα εικονικά πειράµατα παρέχουν δυνατότητες µελέτης φαινοµένων που είναι χρονοβόρα (π.χ. κινήσεις πλανητών) και άλλων που εξελίσσονται ταχύτατα, όπως οι ατοµικές ή πυρηνικές µεταπτώσεις (Τζιµογιάννης 2004: 245). προβάλλουν τον ισχυρισµό ότι παρέχουν δυνατότητες µελέτης φυσικών φαινοµένων που έχουν µεγάλο κόστος ή αναπαράγονται δύσκολα στο εργαστήριο (π.χ. καταστάσεις χωρίς τριβές), καθώς επίσης και αντικατάστασης επικίνδυνων πειραµάτων, όπως είναι η διάσπαση ραδιενεργών πυρήνων (Τζιµογιάννης 2004: 245). αναφέρουν ότι παρόλο που οι εργαστηριακές δραστηριότητες είναι σχεδιασµένες έτσι ώστε να εµπλέκουν τους φοιτητές απευθείας µε αντικείµενα και φαινόµενα, οι προσοµοιώσεις µπορούν να σχεδιαστούν για να προσφέρουν σηµαντικές απεικονίσεις εµπειριών έρευνας, γεγονός που συχνά δεν επιτυγχάνεται σε αρκετά επιστηµονικά θέµατα µε τα πραγµατικά αντικείµενα. (Hofstein and Lunetta 2004:42). επάγονται ότι στα εικονικά πειράµατα προσφέρονται δυνατότητες αλληλεπίδρασης των µαθητών µε το φυσικό µοντέλο µεταβάλλοντας ελεύθερα συνθήκες και παραµέτρους και παρατηρώντας τα αποτελέσµατα της παρέµβασής τους στην οθόνη. Κατά συνέπεια, παρέχεται η ευκαιρία στους µαθητές να κάνουν προβλέψεις, να οδηγηθούν σε συµπεράσµατα, να καλλιεργήσουν τη φυσική διαίσθηση και την κριτική τους σκέψη (Τζιµογιάννης 2004: 245). θεωρούν, παρά το γεγονός ότι τα ευρήµατα ερευνών για αποτελεσµατικούς τρόπους χρήσης προσοµοιώσεων δεν είναι ακόµη ιδιαίτερα πειστικά, ότι η ενασχόληση των φοιτητών σε κατάλληλες συνθήκες προσοµοίωσης, απαιτεί πολύ λιγότερο χρόνο από την ενασχόλησή τους σε αντίστοιχο εργαστήριο µε πραγµατικά αντικείµενα (Hofstein and Lunetta 2004:42). ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 89

102 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ αναφέρουν ότι ο Υπολογιστής µπορεί να ενσωµατώσει και να επιδείξει τα στοιχεία από τον πραγµατικό κόσµο γρήγορα και µε ακρίβεια. Αυτό βοηθά τους φοιτητές µε την εκτέλεση των εικονικών πειραµάτων να κάνουν τη διασύνδεση µεταξύ των συγκεκριµένων στοιχείων στον πραγµατικό κόσµο και των αφηρηµένων αναπαραστάσεων της φυσικής (Redish 1993β). προσφέρεται στους φοιτητές η δυνατότητα µετασχηµατισµού αφηρηµένων εννοιών σε αντιληπτικές αναπαραστάσεις (Μικρόπουλος 2003), όπως εικόνες, προσοµοιώσεις κίνησης, διανυσµατικές και διαγραµµατικές απεικονίσεις, αριθµητικές µετρήσεις, οι οποίες έχουν σηµαντική παιδαγωγική αξία για την κατανόηση ή µελέτη φυσικών φαινοµένων και διαδικασιών (Τζιµογιάννης 2004: 245). Σε αντίθεση µε τα παραπάνω, οι απόψεις των υποστηρικτών των πραγµατικών πειραµάτων είναι δυνατόν να κωδικοποιηθούν ως εξής: ισχυρίζονται ότι οι φοιτητές πρέπει να εκτεθούν στη φυσική εµπειρία - και στις αβεβαιότητες (απροσδιοριστίες) του υλικού κόσµου (Corter et al. 2004). θεωρούν ότι τα πραγµατικά πειράµατα είναι κεντρικό πολιτιστικό και επιστηµολογικό εργαλείο της µάθησης και µάλιστα υπογραµµίζουν το γεγονός ότι η γένεση της επιστηµονικής γνώσης προωθείται πρώτιστα µέσω του πειραµατισµού (Reiner and Gilbert 2004). επισηµαίνουν ότι είναι επιβλαβής η χρήση υπολογιστών όχι µόνο για την πραγµατοποίηση συγκεκριµένων εκπαιδευτικών στόχων, αλλά και για τη διεύρυνση των εκπαιδευτικών στόχων που εστιάζονται τόσο στην εγκεφαλική όσο και στην κοινωνική ανάπτυξη (Triona and Klahr 2003:150). διατυπώνεται ο ισχυρισµός ότι «σε πολλές περιπτώσεις οι δυνατότητες των Νέων Τεχνολογιών φαίνεται να χρησιµοποιούνται χωρίς επισταµένη µελέτη της σύνδεσης τους µε τους επιδιωκόµενους στόχους µάθησης. Έτσι, για παράδειγµα, γίνονται πολλές φορές εντυπωσιακές πολυµεσικές εφαρµογές, µε κίνηση, ήχο, βίντεο κ.α., οι οποίες κρατούν, ίσως, ζωηρό το ενδιαφέρον των µαθητών, χωρίς όµως αντίστοιχα υψηλά αποτελέσµατα µάθησης» (Μιχαηλίδης 2007). προβάλλουν την παραδοχή ότι επειδή ο χειρισµός των φυσικών υλικών είναι ουσιώδης για τη µάθηση, εστιάζοντας την εκπαίδευση στους υπολογιστές στερούνται τα παιδιά αυτές τις απαραίτητες εµπειρίες (Αlliance for Childhood 2000). αποκλείουν σιωπηρά ή ρητά τις προσοµοιώσεις υπολογιστών και τα εικονικά εργαστήρια από τον καθορισµό των πρακτικών δραστηριοτήτων. Για παράδειγµα, η Ένωση των καθηγητών θετικών επιστηµών της Virginia σχετικά µε τη χρήση των υπολογιστών στην εκπαίδευση συστήνει ότι «οι υπολογιστές πρέπει να ενισχύσουν, αλλά να µην αντικαταστήσουν, ουσιαστικά τις πρακτικές εργαστηριακές δραστηριότητες» (National Science Teachers Association of Virginia 1999). Ο σαφής υπαινιγµός είναι ότι αυτή η Ένωση βλέπει τη χρήση των εικονικών υλικών ως µια διάκριση σε σχέση µε τις πρακτικές δραστηριότητες. 90

103 Ι. Λεύκος, Οι προσοµοιώσεις και τα εικονικά εργαστήρια σε σχέση µε τους µαθησιακούς στόχους οι οποίοι διερευνώνται Η διερεύνηση όµως την οποία διεξήγαγαν οι παραπάνω ερευνητές Κώτσης και Ευαγγέλου (2007), δεν αποσκοπούσε στην λεπτοµερέστερη κατηγοριοποίηση των σχετικών ερευνών, όσο αφορά τους µαθησιακούς στόχους τους οποίους είχαν θέσει οι εκάστοτε ερευνητές. Και αυτό είναι ένα ζήτηµα το οποίο κατά την άποψή µας έχει ιδιαίτερη σηµασία και χρήζει περεταίρω διερεύνησης. Όπως χαρακτηριστικά δηλώνει ο Redish (1993) σχετικά µε την χρήση Η/Υ στη διδασκαλία: «ποια Φυσική θα διδάξουµε και σε ποιους µαθητές», ενώ ο Κocijancic (2002) τοποθετείται ακόµη πιο συγκεκριµένα αναφέροντας: «πρέπει να προσδιοριστεί ποιοι στόχοι επιτυγχάνονται καλύτερα µε το παραδοσιακό εργαστήριο και ποιοι µε ένα εργαστήριο βασισµένο σε υπολογιστή». Στις περισσότερες δε από τις έρευνες που αναφέρονται στην ανασκόπηση, όπως φαίνεται από τον τρόπο αξιολόγησης των υποκειµένων της έρευνας ή από τους στόχους της αξιολόγησης όπως δηλώνονται από τους εκάστοτε ερευνητές, η σύγκριση που πραγµατοποιήθηκε σχετικά µε την χρήση εικονικών ή πραγµατικών πειραµάτων, αφορούσε την εννοιολογική κατανόηση του υπό µελέτη θεµατικού πεδίου Οι προσοµοιώσεις και τα εικονικά εργαστήρια για την προώθηση της εννοιολογικής κατανόησης Οι περισσότερες από τις έρευνες που αφορούν τη χρήση των προσοµοιώσεων και των εικονικών εργαστηρίων για τη διδασκαλία των Φυσικών Επιστηµών, εστιάζουν το ενδιαφέρον τους στην προώθηση της εννοιολογικής κατανόησης των υποκειµένων της έρευνας, στο αντίστοιχο θεµατικό πεδίο που διερευνούν. Στην δική µας έρευνα, ο στόχος είναι διπλός. Αφ ενός ενδιαφερόµαστε για την µελέτη της εννοιολογικής κατανόησης των µαθητών µας, αφ ετέρου (και αυτό αποτελεί το κυρίως καινοτοµικό στοιχείο, όσο αφορά την µελέτη των θερµικών φαινοµένων), ενδιαφερόµαστε για την µελέτη της ανάπτυξης των πειραµατικών δεξιοτήτων των µαθητών. Παρακάτω, θα παρουσιάσουµε µερικές έρευνες που εστιάζουν στην προώθηση της εννοιολογικής κατανόησης σε διάφορα θέµατα των Φυσικών Επιστηµών, µέσα από τη χρήση προσοµοιωµένων εικονικών εργαστηρίων σε σχέση και µε σύγκριση µε το πραγµατικό (συµβατικό) εργαστήριο. Ο Keller (2004) συνέκρινε την απόδοση φοιτητών (Μηχανικούς, Φυσικούς & Χηµικούς) Πανεπιστηµίου σχετικά µε την κατανόηση των κυκλωµάτων συνεχούς τάσης, µετά από τη χρήση ενός προσοµοιωµένου εργαστηρίου Ηλεκτρικών Κυκλωµάτων (Circuit Construction Kit, CCK), σε σχέση µε τον αντίστοιχο πραγµατικό εργαστηριακό εξοπλισµό, ως συµπλήρωµα των αντιστοίχων διαλέξεων του µαθήµατος. Η έρευνα υλοποιήθηκε σε 1120 φοιτητές οι οποίοι χωρίστηκαν σε δυο οµάδες. Στην πειραµατική οµάδα εντάχθηκαν οι µισοί φοιτητές που χρησιµοποίησαν την προσοµοίωση και στην οµάδα ελέγχου οι υπόλοιποι µισοί που χρησιµοποίησαν τον πραγµατικό εξοπλισµό. Ως µέσο συλλογής δεδοµένων χρησιµοποιήθηκε το ερωτηµατολόγιο Brief Electricity and Magnetism Assessment (BEMA), το οποίο περιείχε 31 ερωτήσεις πολλαπλής ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 91

104 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ επιλογής, 6 από τις οποίες ήταν σχετικές µε τα κυκλώµατα συνεχούς ρεύµατος. Η αξιολόγηση και η ανάλυση των στοιχείων για την εννοιολογική κατανόηση των φοιτητών έγινε µε βάση την βαθµολογία των φοιτητών σε τέσσερα ερωτηµατολόγια που διανεµήθηκαν πριν, µετά και ενδιάµεσα κατά τη διάρκεια του εξαµήνου. Από το ερωτηµατολόγιο που δόθηκε πριν από την έρευνα, διαπιστώθηκε ότι οι δυο οµάδες δεν είχαν στατιστικώς σηµαντικές διαφορές, τόσο στα ερωτήµατα που αφορούσαν τα ηλεκτρικά κυκλώµατα, όσο και στα υπόλοιπα ερωτήµατα. Στο ερωτηµατολόγιο όµως που δόθηκε στο τέλος του εξαµήνου, φαίνεται πως ενώ στις ερωτήσεις που δεν σχετίζονταν µε τα ηλεκτρικά κυκλώµατα οι δυο οµάδες εξακολουθούν να µην έχουν στατιστικώς σηµαντικές διαφορές, δε συµβαίνει το ίδιο και µε τα ερωτήµατα σχετικά µε τα κυκλώµατα, όπου η πειραµατική οµάδα παρουσιάζεται πιο βελτιωµένη. Έτσι ο ερευνητής καταλήγει στο συµπέρασµα ότι οι φοιτητές που χρησιµοποίησαν το εικονικό εργαστήριο έφεραν καλύτερα αποτελέσµατα στα ερωτηµατολόγια, σε σχέση µε εκείνους που χρησιµοποίησαν τον πραγµατικό εξοπλισµό. Σε µια άλλη έρευνα οι Jaakkola και Nurmi (2004), εξέτασαν την απόδοση µαθητών του δηµοτικού σχολείου στην περιοχή των απλών ηλεκτρικών κυκλωµάτων, οι οποίοι εργάστηκαν σε τρείς διαφορετικές µαθησιακές καταστάσεις. Στην µία κατάσταση οι µαθητές χρησιµοποίησαν προσοµοιώσεις σε συνδυασµό µε πραγµατικό εργαστήριο, στη δεύτερη κατάσταση µόνο προσοµοιώσεις και στην τρίτη µόνο πραγµατικό εργαστήριο. Το δείγµα ήταν 66 µαθητές (10-11 ετών) από τη Φινλανδία, οι οποίοι συµπλήρωσαν ένα αρχικό ερωτηµατολόγιο µε τέσσερεις σχετικές ενότητες και µε βάση την επίδοσή τους κατατάχτηκαν σε τρεις διαφορετικές διδακτικές καταστάσεις: 1- στην οµάδα του εργαστηρίου (Ν=24), όπου χρησιµοποιήθηκαν συµβατικά υλικά 2- στην οµάδα της προσοµοίωσης (Ν=20), όπου χρησιµοποιήθηκε η δικτυακή προσοµοίωση ηλεκτρικών κυκλωµάτων Electricity Exploration Tool, και 3- στην µεικτή οµάδα (Ν=22), όπου οι µαθητές χρησιµοποίησαν την προσοµοίωση στην αρχή, και στη συνέχεια τα συµβατικά εργαστηριακά υλικά, επαναλαµβάνοντας τις ίδιες ασκήσεις. Οι µαθητές σε κάθε οµάδα χωρίστηκαν σε 2 τµήµατα (10-12 µαθητών) και εργάστηκαν σε ζευγάρια, παρακολουθώντας την ίδια διδακτική διαδικασία µε τον ίδιο δάσκαλο. Υπήρχαν 12 συνολικά εργαστηριακές ασκήσεις και κάθε οµάδα ολοκλήρωσε όσες περισσότερες κατάφερε µέσα σε διάστηµα 2 διδακτικών ωρών. Το τελικό ερωτηµατολόγιο που δόθηκε την επόµενη ηµέρα (ατοµικά), αποτελούταν από τις ίδιες ερωτήσεις και ενότητες µε το αρχικό αλλά και από τέσσερεις επιπλέον ενότητες ερωτήσεων µε αυξηµένη δυσκολία. Τα αποτελέσµατα από το τεστ ANOVA έδειξαν ότι δεν υπήρχαν στατιστικώς σηµαντικές διαφορές µεταξύ των µαθητών στο αρχικό ερωτηµατολόγιο, για καµία από τις τέσσερεις ενότητες. Τα τελικά ερωτηµατολόγια αναλύθηκαν µε το τεστ ANCOVA και διαπιστώθηκε µια συνολική πρόοδος των µαθητών. Συγριτικά, οι µαθητές που βρίσκονταν στην µεικτή οµάδα εµφάνισαν πολύ καλύτερα αποτελέσµατα από τους µαθητές των άλλων δυο οµάδων, ενώ οι µαθητές στην οµάδα της προσοµοίωσης είχαν καλύτερα αποτελέσµατα σε κάποιες επιµέρους ενότητες σε σχέση µε την οµάδα του εργαστηρίου. 92

105 Ι. Λεύκος, 2011 Οι ερευνητές καταλήγουν στο συµπέρασµα ότι η προσοµοίωση βοήθησε περισσότερο τους µαθητές να οικοδοµήσουν ένα επιστηµονικά αποδεκτό µοντέλο ροής του ηλεκτρισµού, σε σχέση µε το πραγµατικό εργαστήριο, αλλά µόνο ο συνδυασµός της προσοµοίωσης µε τα αντίστοιχα πραγµατικά κυκλώµατα προσέφερε στους µαθητές καλύτερη κατανόηση σχετικά µε την διαίρεση του ρεύµατος στα απλά κυκλώµατα. Καταθέτουν δε την άποψη, ότι µια τέτοια διδακτική προσέγγιση συνδυασµού των διαφορετικών εργαστηρίων είχε επιτυχία διότι πιθανώς προσφέρει ένα είδος γεφύρωσης (του κενού) µεταξύ της θεωρίας και της πραγµατικότητας. Σε έρευνα των Ζαχαρία & Ευαγόρου (2004), διερευνήθηκε η εννοιολογική κατανόηση φοιτητών του Παιδαγωγικού Τµήµατος (Ν=88) σχετικά µε τον 2 ο Κανόνα του Kirchhoff, στα ηλεκτρικά κυκλώµατα, µε σκοπό να συγκριθεί η επίδραση του πειραµατισµού σε πραγµατικό εργαστήριο και σε αλληλεπιδραστικό εργαστήριο προσοµοιώσεων. Οι φοιτητές χωρίστηκαν σε δυο οµάδες, µία από τις οποίες ήταν η πειραµατική (Ν=45), όπου χρησιµοποιήθηκε η προσοµοίωση και η άλλη ήταν η οµάδα ελέγχου (Ν=43), όπου χρησιµοποιήθηκε συµβατικό εργαστήριο. Η οµάδα ελέγχου συναντιόταν στο Εργαστήριο και χρησιµοποιούσε πραγµατικά υλικά, ενώ η πειραµατική οµάδα εργάστηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρονικών Υπολογιστών για να εκτελέσει τα ίδια πειράµατα µέσω του λογισµικού Virtual Labs Electricity, το οποίο επιτρέπει τη δηµιουργία αλληλεπιδραστικών προσοµοιώσεων. Οι δυο οµάδες χρησιµοποίησαν το ίδιο διδακτικό υλικό σχετικά µε τα ηλεκτρικά κυκλώµατα, από το εγχειρίδιο «Φυσική µε διερώτηση» (McDermott 1996). Και στις δυο οµάδες χορηγήθηκαν τα ίδια προ-πειραµατικά και µετα-πειραµατικά δοκίµια. µε το ίδιο περιεχόµενο και αναλύθηκαν µε τα κριτήρια Independent Samples t-test και Paired Samples t-test. Η βαθµολόγηση των δοκιµίων έγινε µε βάση προκαθορισµένα κριτήρια από τους ίδιους τους ερευνητές, ενώ για την εξασφάλιση της εγκυρότητας το 25% των δοκιµίων βαθµολογήθηκε και από έναν τρίτο ανεξάρτητο ερευνητή, µε τον οποίο το ποσοστό συµφωνίας ήταν µεγαλύτερο από 90%. Μετά από την ανάλυση των δεδοµένων, οι ερευνητές κατέληξαν στο συµπέρασµα ότι η χρήση των αλληλεπιδραστικών προσοµοιώσεων αποδεικνύεται αποτελεσµατικότερη ως προς την επίτευξη εννοιολογικής αλλαγής, σε σχέση µε τον συµβατικό πειραµατισµό. Ο συνδυασµός των εικονικών και πραγµατικών πειραµάτων και η επίπτωση στην εννοιολογική αλλαγή και κατανόηση των φοιτητών στο πεδίο των ηλεκτρικών κυκλωµάτων, ήταν ο στόχος της έρευνας του Zacharia (2007). Υποκείµενα της έρευνας ήταν 88 φοιτητές του Παιδαγωγικού Τµήµατος, οι οποίοι παρακολουθούσαν το εξαµηνιαίο µάθηµα της Φυσικής και χωρίστηκαν τυχαία στην πειραµατική οµάδα (Ν=45) και στην οµάδα ελέγχου (Ν=43). Οι φοιτητές χρησιµοποιούσαν τα ίδιο διδακτικό υλικό µε τη διαφορά ότι η οµάδα ελέγχου χρησιµοποιούσε για τις εργαστηριακές ασκήσεις πραγµατικά υλικά, ενώ η πειραµατική οµάδα χρησιµοποίησε στο πρώτο µέρος πραγµατικά υλικά και στο δεύτερο µέρος εικονικό εργαστήριο. Το λογισµικό που χρησιµοποιήθηκε για τα εικονικά πειράµατα ηλεκτρισµού ήταν το Virtual Laboratories Electricity (Riverdeep Interactive Learning 2003). Το λογισµικό αποτελείται από ένα ανοικτό περιβάλλον στο οποίο οι φοιτητές µπορούν να σχεδιάσουν και να λειτουργήσουν ηλεκτρικά κυκλώµατα χρησιµοποιώντας τα ίδια ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 93

106 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ τµήµατα των κυκλωµάτων όπως χρησιµοποιούνται από τους φοιτητές της οµάδας ελέγχου. Το διδακτικό υλικό που ήταν κοινό για τις δυο οµάδες, βασίστηκε σε υλικό από το ερευνητικό πρόγραµµα «Φυσική µε διερώτηση» (McDermott and The Physics Education Group, 1996). Για την αξιολόγηση της εννοιολογικής προόδου των φοιτητών, χρησιµοποιήθηκαν ερωτηµατολόγια πριν, κατά τη διάρκεια και µετά το τέλος της διδακτικής σειράς. Τα ερωτηµατολόγια περιείχαν ανοικτές ερωτήσεις που ζητούσαν από τους φοιτητές να εξηγήσουν τους συλλογισµούς τους. Το υλικό που περιλαµβάνονταν στα εννοιολογικά τεστ αναπτύχθηκε και χρησιµοποιήθηκε σε προηγούµενες ερευνητικές µελέτες από την ερευνητική οµάδα Φυσικής του Πανεπιστηµίου της Ουάσιγκτον (McDermott and Shaffer 1992). Για τη σύγκριση ανάµεσα στον Πραγµατικό και Εικονικό Πειραµατισµό η ανάλυση δεδοµένων έγινε ποιοτικά και ποσοτικά. Η ποσοτική ανάλυση έγινε µε βάση την ανάλυση συνδιακύµανσης one- way ANCOVA και το στατιστικό κριτήριο one sample t-test. Για την ποιοτική ανάλυση χρησιµοποιήθηκε η µέθοδος της φαινοµενογραφίας. Σύµφωνα µε τον ερευνητή, οι φοιτητές της πειραµατικής οµάδας που ασκήθηκαν µε τον συνδυασµό πραγµατικού και εικονικού εργαστηρίου παρουσίασαν µεγαλύτερη πρόοδο σε σχέση µε την οµάδα ελέγχου. Επιπλέον, οι διαφορές που εµφανίστηκαν µεταξύ των οµάδων αντιστοιχούν στο δεύτερο µέρος όπου οι µεν χρησιµοποίησαν εικονικό εργαστήριο και οι δε το πραγµατικό, δείχνοντας έτσι την υπεροχή από την χρήση του εικονικού εργαστηρίου, στην εννοιολογική κατανόηση των ηλεκτρικών κυκλωµάτων. Οι Zacharia & Constantinou (2008), σε πρόσφατη έρευνά τους, συνέκριναν τα αποτελέσµατα του πειραµατισµού µε φυσικά υλικά ή µε εικονικά υλικά, σε 68 φοιτητές του Παιδαγωγικού Τµήµατος, σε σχέση µε την εννοιολογική κατανόηση των θερµικών φαινοµένων. Το πλαίσιο της έρευνας διασφάλισε ακριβώς τις ίδιες συνθήκες διερευνητικής µάθησης σε όλους τους φοιτητές, µε µόνη την διαφορά των φυσικών ή εικονικών υλικών µε τα οποία εργάστηκαν αντίστοιχα η οµάδα ελέγχου και η πειραµατική οµάδα, γεγονός που σύµφωνα µε τους ερευνητές έχει βαρύνουσα σηµασία σε σχέση µε παρόµοιες έρευνες που έχουν διεξαχθεί στο παρελθόν. Ειδική µέριµνα λήφθηκε για την παράµετρο του χρόνου, προκειµένου οι εργαστηριακές ασκήσεις να έχουν ισοδύναµη διάρκεια και στις δυο οµάδες (καθώς είναι γνωστό ότι σε ένα εικονικό περιβάλλον τα πειράµατα γίνονται γρηγορότερα και αυτό επηρεάζει τα αποτελέσµατα των ερευνών). Οι φοιτητές χωρίστηκαν τυχαία σε οµάδα ελέγχου, όπου χρησιµοποιήθηκαν συµβατικά υλικά (θερµόµετρα, δοχεία, θερµαντικές πηγές κ.λ.π.) και σε πειραµατική οµάδα, όπου χρησιµοποιήθηκε το λογισµικό Thermolab (που είναι η αγγλική έκδοση του λογισµικού Σ.Ε.Π. το οποίο χρησιµοποιούµε κι εµείς στην έρευνά µας). Η άσκηση των φοιτητών έγινε ακολουθώντας τα διδακτικά υλικά που σχετίζονται µε τις έννοιες θερµότητα & θερµοκρασία του «Φυσική µε ιερώτηση» (Physics by Inquiry), (McDermott and The Physics Education Group, 1996), ενώ η αξιολόγησή τους έγινε µε ερωτηµατολόγια εννοιολογικού περιεχοµένου, τα οποία δόθηκαν πριν, κατά τη διάρκεια και µετά από την παρέµβαση. Τα ερωτηµατολόγια πριν και µετά αφορούσαν την θερµοκρασία και τι αλλαγές της και αποτελούνταν από οκτώ ανοιχτού τύπου ερωτήµατα.. Αντίστοιχα, πριν και µετά από την ολοκλήρωση κάθε µιας από τις δυο ενότητες της παρέµβασης, δόθηκαν επίσης δυο τεστ αντίστοιχης θεµατολογίας (µε διαφορετικές όµως ερωτήσεις), τα οποία περιείχαν τέσσερεις 94

107 Ι. Λεύκος, 2011 ανοιχτές ερωτήσεις που απαιτούσαν επεξήγηση του σκεπτικού των απαντήσεων των φοιτητών. Η βαθµολόγηση των ερωτήσεων έγινε µε βάση έναν πίνακα κριτηρίων και το συνολικό σκορ από όλες τις ερωτήσεις είχε µέγιστο τις 100 µονάδες. H ποσοτική ανάλυση των βαθµολογιών έγινε µε το τεστ paired-samples t-test για την σύγκριση των επιδόσεων πριν και µετά την παρέµβαση. Επίσης ανάλυση έγινε µε το ANCOVA (one-way), προκειµένου να γίνει η σύγκριση µεταξύ προ και µετά τεστ για την κάθε ενότητα χωριστά. Επιπλέον έγινε και ποιοτική ανάλυση των απαντήσεων των φοιτητών προκειµένου να διαπιστωθεί η εννοιολογική τους πρόοδος µέσα από κατηγοριοποίηση των απαντήσεών τους σε επιστηµονικά αποδεκτές ή όχι, και ακλουθώντας τις µεθόδους της Φαινοµενογραφίας. Τα αποτελέσµατα του ελέγχου, σύµφωνα µε τους ερευνητές, φανερώνουν πως και οι δυο τρόποι πειραµατισµού ήταν εξίσου αποτελεσµατικοί για την βελτίωση της εννοιολογικής κατανόησης των φοιτητών στην περιοχή των θερµικών φαινοµένων. Σε υπό δηµοσίευση έρευνα των Zacharia & Olympiou (2010), διερευνήθηκε η χρήση εικονικών και πραγµατικών υλικών στην διδασκαλία και µάθηση των φυσικών επιστηµών και συγκεκριµένα στην θεµατική περιοχή των θερµικών φαινοµένων. Υπήρχαν τέσσερις διαφορετικές πειραµατικές συνθήκες: χρήση πραγµατικών υλικών (PME), χρήση εικονικών υλικών (VME), και δυο διαφορετικοί συνδυασµοί πραγµατικών και εικονικών υλικών. Επιπλέον υπήρχε και µια συνθήκη ελέγχου, όπου τα υποκείµενα διδάχθηκαν µε τον παραδοσιακό τρόπο (χωρίς δηλαδή πραγµατικά ή εικονικά υλικά πειραµατισµού). Η έρευνα πραγµατοποιήθηκε σε φοιτητές από τους οποίους οι 52 ήταν στην οµάδα ελέγχου και άλλοι 182 που χωρίστηκαν στις τέσσερεις πειραµατικές οµάδες, µε τις συνθήκες που αναφέραµε πιο πάνω. Σύµφωνα µε τους ερευνητές, τα αποτελέσµατα της έρευνας µαρτυρούν πως δεν υφίσταται διαφορά στην εννοιολογική βελτίωση των φοιτητών εξαρτώµενη από το είδος των υλικών που χρησιµοποίησαν, ούτε και από τον συνδυασµό τους., καθώς οι τέσσερεις πειραµατικές συνθήκες που περιγράψαµε παραπάνω αποδείχτηκαν εξίσου αποτελεσµατικές στην προώθηση της εννοιολογικής κατανόησης των θερµικών φαινοµένων. Τα αποτελέσµατα αυτά δε, τους οδηγούν στο ευρύτερο συµπέρασµα ότι ο πειραµατισµός στις φυσικές επιστήµες δεν έχει σηµασία εάν θα γίνεται µε φυσικά ή µε εικονικά υλικά, αλλά αυτό που είναι κυρίαρχο για την προώθηση της µάθησης είναι η δυνατότητα που δίνουµε στους µαθητές για άµεσο χειρισµό αντικειµένων (είτε αυτά είναι πραγµατικά είτε εικονικά) Οι προσοµοιώσεις και τα εικονικά εργαστήρια για την ανάπτυξη πειραµατικών δεξιοτήτων Το ενδιαφέρον σηµείο για την δική µας εργασία, είναι η χρήση των προσοµοιώσεων και ειδικότερα των εικονικών εργαστηρίων για την επίτευξη στόχων που αφορούν στην ανάπτυξη και καλλιέργεια πειραµατικών δεξιοτήτων. Και όπως µαρτυρεί και η προαναφερθείσα βιβλιογραφική ανασκόπηση (Κώτσης και Ευαγγέλου, 2007), οι έρευνες µε τέτοιο προσανατολισµό είναι λίγες. ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 95

108 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Στη συνέχεια θα αναφερθούµε στις έρευνες αυτού του τύπου, οι οποίες δεν εξετάζουν/ συγκρίνουν την εν γένει αποτελεσµατικότητα των εικονικών εργαστηρίων, αλλά είναι προσανατολισµένες στην αξιολόγηση µαθησιακών στόχων που αφορούν στις πειραµατικές (ή εργαστηριακές ή επιστηµονικές ή διερευνητικές) πρακτικές (ή δεξιότητες ή µεθοδολογίες). Η πολλαπλότητα των όρων που αναφέρουµε θεωρείται απαραίτητη, καθώς όπως φαίνεται υπάρχει µια διασπορά ορολογίας που αναφέρεται στην µάθηση µέσα ή διαµέσου του εργαστηρίου των Φυσικών Επιστηµών. Ο Baxter (1995) συνέκρινε δυο µεθόδους πειραµατισµού για το πώς 100 µαθητές της Έκτης τάξης ηµοτικού Σχολείου µπορούν να λύσουν ένα πρόβληµα ηλεκτρικών κυκλωµάτων και ειδικότερα τις δραστηριότητες (φύλλο εργασιών) µε τίτλο: «Ηλεκτρικά µυστήρια» («Electric Mysteries»). Τα «ηλεκτρικά µυστήρια» είναι µια διερεύνηση σχετικά µε ηλεκτρικά κυκλώµατα στα οποία οι µαθητές καθορίζουν το περιεχόµενο έξι «κιβωτίων µυστηρίου» µε τη σύνδεση καλωδίων, µπαταριών και λαµπών στα κιβώτια. Η διερεύνηση αυτή πραγµατοποιήθηκε µε δυο µεθόδους πειραµατισµού. Στη µία µέθοδο οι µαθητές χρησιµοποίησαν πραγµατικά κιβώτια, µε καλώδια και λάµπες που µπορούν να τα χειριστούν µε φυσικό τρόπο και στην άλλη χρησιµοποίησαν µία προσοµοίωση υπολογιστών µε εικονικά κιβώτια, καλώδια και λάµπες που µπορούν να τα χειριστούν στην οθόνη του υπολογιστή χρησιµοποιώντας το ποντίκι. Η µέθοδος συλλογής δεδοµένων ήταν ένα φύλλο αξιολόγησης που δόθηκε σε κάθε µαθητή, ο οποίος έπρεπε να προσδιορίσει σωστά το περιεχόµενο ενός κιβωτίου και να σχεδιάσει το σωστό κύκλωµα που χρησιµοποίησε για να προσδιορίσει το περιεχόµενο. Η ανάλυση των δεδοµένων (που προέκυψαν από το φύλλο αξιολόγησης) έγινε µε ένα σύστηµα πόντων (Shavelson et al. 1991), σύµφωνα µε το οποίο κάθε µαθητής λαµβάνει ένα πόντο εάν απαντήσει ορθά για το περιεχόµενο κάθε κιβωτίου. Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι η µέση απόδοση των µαθητών ήταν περίπου ίση και για τις δύο µεθόδους πειραµατισµού. Στην έρευνα των Cambell et al. (2002), σχετική µε εργαστήρια ηλεκτρονικής για φοιτητές πανεπιστηµίου, έγινε σύγκριση µεταξύ της χρήσης πραγµατικών εργαστηρίων και προσοµοιωµένων. Όλοι οι φοιτητές παρακολούθησαν την ίδια θεωρία από τον ίδιο καθηγητή και διαχωρίστηκαν τυχαία σε δυο οµάδες από τις οποίες η µία (Ν=17) χρησιµοποίησε πραγµατικά εργαστήρια και η άλλη (Ν=22) ένα συνδυασµό προσοµοιωµένων και πραγµατικών. Τα εργαστήρια και στις δυο οµάδες ήταν ακριβώς τα ίδια τόσο σε περιεχόµενο όσο και σε πλήθος (Ν=7), ενώ η πειραµατική οµάδα των προσοµοιώσεων, επανέλαβε τα δυο από αυτά και µε τα πραγµατικά υλικά, προκειµένου να αποκτήσει κάποια σχετική εµπειρία, διότι το τεστ αξιολόγησης και για τις δυο οµάδες αφορούσε εργαστήριο µε πραγµατικά υλικά. Το τελικό τεστ αξιολόγησης, ήταν ένα εργαστήριο διαφορετικό από αυτά που είχαν αντιµετωπίσει κατά τη διάρκεια της διδακτικής σειράς. Οι οµάδες εξετάστηκαν αρχικά και βρέθηκε πως δεν έχουν στατιστικώς σηµαντική διαφορά µεταξύ τους. Όµως στο τελικό τεστ, η οµάδα που χρησιµοποίησε τις προσοµοιώσεις, είχε σηµαντικά καλύτερα αποτελέσµατα από την οµάδα ελέγχου, ενώ από την άλλη µεριά, ο χρόνος που χρειάστηκε για να ολοκληρώσει την τελική διαδικασία ήταν παρόµοιος µε αυτόν της οµάδας ελέγχου. Οι ερευνητές καταλήγουν στο συµπέρασµα ότι η χρήση των προσοµοιώσεων δεν είχε αρνητικά αποτελέσµατα όπως είχαν υποθέσει στην αρχή της έρευνας και 96

109 Ι. Λεύκος, 2011 εποµένως δηλώνουν ότι µπορεί να θεωρηθεί τουλάχιστον ισοδύναµη µε την χρήση των πραγµατικών εργαστηρίων. Οι Triona και Klahr (2003) συγκρίνουν την αποτελεσµατικότητα δύο διδακτικών περιπτώσεων που διαφέρουν µόνο στο µέσο µε το οποίο παρουσιάστηκαν. Πιο συγκεκριµένα, 92 µαθητές δηµοτικού σχολείου διδάχθηκαν στην µία περίπτωση χρησιµοποιώντας φυσικά, εύχρηστα αντικείµενα (αληθινά ελατήρια και βάρη) και στην άλλη περίπτωση, διδάχθηκαν χρησιµοποιώντας εικονικά, βασισµένα σε υπολογιστή αντικείµενα (τα ίδια αληθινά ελατήρια και βάρη απεικονίστηκαν φωτογραφικά στην οθόνη του υπολογιστή) που ήταν κατά τα άλλα παρόµοια µε τα φυσικά αντικείµενα. Οι µαθητές εργάστηκαν µε τα ελατήρια και στις φυσικές και εικονικές εκδοχές τους. Και στις δύο καταστάσεις, οι µαθητές επέλεξαν από οκτώ διαφορετικά ελατήρια που ποίκιλαν σε τρεις παραµέτρους (καθεµία από τις οποίες είχε δυο επίπεδα): µήκος (µακρύ ή κοντό), πάχος (ευρύ ή στενό) και µέγεθος σύρµατος (λεπτό ή παχύ). Η τέταρτη παράµετρος ήταν η µάζα του βαριδίου που µπορούσε να προσκολληθεί σε κάθε ελατήριο (βαρύ ή ελαφρύ). Όλοι οι µαθητές συµµετείχαν σε 3 φάσεις: α) στο προ-τεστ και στην εκπαίδευση, β) στο µετά-τεστ και γ) στην µεταφορά. Αναλυτικότερα, στην πρώτη φάση µε τη χρήση του προ-τεστ οι ερευνητές προσδιόρισαν την αρχική γνώση των µαθητών για το πεδίο του ελατηρίου. Στη συνέχεια αυτής της φάσης, ένας εκπαιδευτής παρουσίασε τα είδη των ελατηρίων (είτε φυσικά είτε εικονικά αντικείµενα, ανάλογα µε την κατάσταση) και εισήγαγε τις 4 παραµέτρους (µήκος, πάχος, µέγεθος σύρµατος και βάρος). Επιπροσθέτως, τους παρουσιάστηκε η κλίµακα αξιοπιστίας σχετικά µε τις απαντήσεις που θα έδιναν στις ερωτήσεις. Τέλος, σχεδίασαν και εκτέλεσαν τέσσερα πειράµατα: δύο πειράµατα που επικεντρώθηκαν στην επίδραση του µήκους του ελατηρίου και δύο που επικεντρώθηκαν στο πάχος του ελατηρίου. Στην δεύτερη φάση, µε το µετά-τεστ αξιολογήθηκε η άµεση επίδραση της εκπαίδευσης. Στην τρίτη φάση, και στις δύο καταστάσεις οι µαθητές εργάστηκαν µε φυσικά υλικά, τους αναβατήρες (ή ράµπες). Το όργανο συλλογής δεδοµένων ήταν η συνέντευξη. Πιο συγκεκριµένα, οι µαθητές έδωσαν συνέντευξη ξεχωριστά σε ένα ήσυχο δωµάτιο και όλες οι δραστηριότητες τους, µαζί µε τα πειραµατικά τους σχέδια και τις προφορικές επεξηγήσεις, καταγράφονταν σε βίντεο για περαιτέρω κωδικοποίηση και ανάλυση. Η ανάλυση των δεδοµένων έγινε µε βάση την πολυµεταβλητή ανάλυση διακύµανσης (MANOVA), το στατιστικό κριτήριο χ 2 και το στατιστικό κριτήριο Paired Samples t- test. Τα αποτελέσµατα αυτής της µελέτης προτείνουν ότι «οι µαθητές της και Ε δηµοτικού σχολείου που διδάχθηκαν να σχεδιάζουν πειράµατα, διδάχθηκαν εξίσου καλά είτε µε τα εικονικά είτε µε τα φυσικά υλικά». Παρόµοια αποτελέσµατα βρίσκουν οι ερευνητές Klahr et al. (2007) σε µια πρόσφατη µελέτη που ερευνούν τη σχετική αποτελεσµατικότητα της φυσικής και εικονικής διάστασης. Στην έρευνα συµµετείχαν 56 µαθητές Μέσης Εκπαίδευσης, στην οποία έπρεπε να εντοπίσουν και να συναρµολογήσουν ένα αυτοκίνητο βασισµένο σε µια πλατφόρµα ποντικοπαγίδας (mouse-trap cars) που θα διάνυε την µέγιστη απόσταση. Τα πραγµατικά αντικείµενα του αυτοκινήτου εµφανίζονται να είναι τα ίδια και στον υπολογιστή. Τα αντικείµενα είναι τα εξής: µεγάλη λεπτή ρόδα, µεγάλη- παχιά ρόδα και µικρή ρόδα (µπροστινή και οπίσθια), παχύς και λεπτός άξονας, καθώς επίσης ένα κοντό και ένα µακρύ «αµάξωµα». Οι µαθητές ορίστηκαν τυχαία σε τέσσερις διαφορετικές καταστάσεις-οµάδες, ανάλογα µε το εάν χειρίστηκαν τα φυσικά ή τα εικονικά αντικείµενα, και το εάν θα ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 97

110 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ είχαν έναν σταθερό αριθµό αυτοκινήτων για να κατασκευάσουν ή ένα σταθερό χρονικό διάστηµα στο οποίο να έπρεπε να τα κατασκευάσουν. Ειδικότερα, στη κατάσταση χρήσεις των φυσικών αντικειµένων, οι µαθητές χρησιµοποίησαν τα πραγµατικά εξαρτήµατα και «έτρεξαν» τα αυτοκίνητα σε ένα διάδροµο στο σχολείο τους, ενώ στον εικονικό όρο των αντικειµένων χρησιµοποίησαν το πρόγραµµα υπολογιστών και «έτρεξαν» τα αυτοκίνητα στην οθόνη του υπολογιστή. Επίσης, πριν και µετά την συναρµολόγηση των αυτοκινήτων οι µαθητές αξιολογήθηκαν µε ένα σχεδόν ίδιο ερωτηµατολόγιο αξιολόγησης γνώσης (ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής). Η διαδικασία που ακολουθήθηκε κατά τη µελέτη αποτελείται από τρεις φάσεις: i) Προετοιµασία και προ-τεστ, ii) Συναρµολόγηση και δοκιµή των αυτοκινήτων και iii) Μετά-τεστ και απόσταση αυτοκινήτου. Πιο συγκεκριµένα, κατά την διάρκεια του προ-τεστ ο στόχος ήταν να βρουν οι µαθητές ποιος συνδυασµός των µερών του αυτοκινήτου θα οδηγούσε στην κατασκευή ενός αυτοκινήτου που θα διάνυε την µέγιστη απόσταση. Στη συνέχεια, αφού οι µαθητές είδαν ένα αυτοκίνητο να συναρµολογείται από τα φυσικά τµήµατά του, τους ζητήθηκε να αναφέρουν πώς θα έφτιαχναν τα αυτοκίνητα µε τη χρησιµοποίηση των φυσικών αντικειµένων ή µε τη χρησιµοποίηση του υπολογιστή. Στην δεύτερη φάση, λοιπόν, οι µαθητές κατευθύνθηκαν είτε στα φυσικά µέρη των αυτοκινήτων είτε στον υπολογιστή. Πέρα από τις άλλες δραστηριότητες, τους ζητήθηκε, σε περιορισµένο χρόνο, να συναρµολογήσουν και να δοκιµάσουν σε 20 λεπτά όσο περισσότερα αυτοκίνητα µε διαφορετική σύνθεση εξαρτηµάτων ήταν δυνατόν. Ταυτόχρονα, τους ζητήθηκε, χωρίς τον περιορισµό του χρόνου, να συναρµολογήσουν και να δοκιµάσουν 6 διαφορετικής σύνθεσης αυτοκίνητα. Στην τρίτη φάση, ενώ οι µαθητές τελείωσαν τον πειραµατισµό, τους δόθηκε ένα µετά-τεστ, υπενθυµίζοντάς τους ότι θα µπορούσαν να χρησιµοποιήσουν όλα τα αποτελέσµατα από τα φύλλα δεδοµένων για να απαντήσουν σε οποιαδήποτε από τις ερωτήσεις. Με την ολοκλήρωση του µετά-τεστ, όλα τα παιδιά κλήθηκαν να υλοποιήσουν µία δραστηριότητα (ανοιχτή ερώτηση) και πιο συγκεκριµένα να φτιάξουν ένα φυσικό αυτοκίνητο που πίστευαν ότι θα διάνυε την µεγαλύτερη απόσταση. Συνοπτικά, τα µέσα συλλογής δεδοµένων που χρησιµοποίησαν οι ερευνητές ήταν το ερωτηµατολόγιο αξιολόγησης για τις γνώσεις των µαθητών (πριν και µετά την συναρµολόγηση), οι συνεντεύξεις, τα προ-τεστ και µετά-τεστ και µια τελική ανοιχτή ερώτηση δραστηριότητα. Η ανάλυση των δεδοµένων έγινε µε την ανάλυση διακύµανσης (ANOVA) και το στατιστικό κριτήριο χ 2. Τα αποτελέσµατα των ερευνητών φανερώνουν, όπως οι ίδιοι αναφέρουν ότι: «το µέσο διδασκαλίας εικονικό ή πραγµατικό δεν φαίνεται να έχει καµία επίπτωση στην ικανότητα των µαθητών να µάθουν µέσα από τις δικές τους διερευνήσεις Επιπλέον, οι µαθητές έµαθαν το ίδιο καλά και µε τα δυο µέσα, ανεξάρτητα από το εάν τους δόθηκε ο περιορισµός του χρόνου ή ο περιορισµός του αριθµού των επιτρεπόµενων προσπαθειών». Σε µια σχετική έρευνα, ο Wilson (2005) χρησιµοποίησε 70 φοιτητές κολλεγίου, προκειµένου να διαπιστώσει αν υπάρχουν διαφορές στην επίδοσή τους στην ενότητα της Μηχανικής Ρευστών, όταν χρησιµοποιούν προσοµοιωµένο εικονικό εργαστήριο ή παραδοσιακό εργαστήριο. Οι φοιτητές χωρίστηκαν τυχαία σε δυο οµάδες Α και Β και ασκήθηκαν σε τέσσερα εργαστήρια, αφού παρακολούθησαν από κοινού τα θεωρητικά µαθήµατα. Η οµάδα Α χρησιµοποίησε στα δυο πρώτα εργαστήρια την προσοµοίωση και στη συνέχεια στα επόµενα εργαστήρια τον 98

111 Ι. Λεύκος, 2011 συµβατικό εξοπλισµό. Η οµάδα Β ακολούθησε την αντίστροφη διαδικασία, ασκούµενη στα πρώτα δυο εργαστήρια µε πραγµατικά υλικά και στα επόµενα µε την προσοµοίωση. Η αξιολόγηση των φοιτητών έγινε τόσο ενδιάµεσα, µετά την ολοκλήρωση των δυο πρώτων εργαστηριακών ασκήσεων, αλλά και στο τέλος µετά από αλλαγή του είδους του εργαστηρίου και την ολοκλήρωση των τεσσάρων εργαστηριακών ασκήσεων. Η αξιολόγηση αυτή αφορούσε τις (ψυχοκινητικές) δεξιότητες των φοιτητών, καθώς έπρεπε να ολοκληρώσουν συγκεκριµένα καθήκοντα µέσα σε συγκεκριµένο χρονικό περιθώριο. Επιπλέον υπήρξε και ένα τελικό ερωτηµατολόγιο (Group Embedded Figures Test - GEFT) µε βάση το οποίο µπορούσε να καθοριστεί το εννοιολογικό προφίλ µάθησης του κάθε φοιτητή (κατά πόσο ήταν εστιασµένο ή όχι στο συγκεκριµένο γνωστικό πεδίο µελέτης field dependant / field independent). Για την ανάλυση των δεδοµένων χρησιµοποιήθηκε το t test, το οποίο έδειξε ότι δεν υπάρχουν στατιστικώς σηµαντικές διαφορές µεταξύ των οµάδων Α και Β, ούτε στο ενδιάµεσο τεστ, αλλά και ούτε στο τελικό. Παράλληλα, το GEFT τεστ, έδειξε ότι οι φοιτητές (και των δυο οµάδων) που είχαν προφίλ µάθησης µη εστιασµένο στο γνωστικό πεδίο, έφεραν καλύτερα αποτελέσµατα τόσο στην ενδιάµεση, όσο και στην τελική αξιολόγηση δεξιοτήτων. Μετά από την αξιολόγηση των αποτελεσµάτων ο ερευνητής συµπεραίνει ότι για την διδασκαλία των βασικών στοιχείων των κυκλωµάτων δυναµικής των ρευστών, δεν προκύπτει διαφορά στις δεξιότητες που αποκτούν οι φοιτητές, ανεξαρτήτων του είδους του εργαστηρίου (πραγµατικό ή εικονικό) που θα χρησιµοποιήσουν για την άσκησή τους. Επιπλέον, η σειρά µε την οποία ασκήθηκαν οι φοιτητές στα διαφορετικά εργαστήρια, επίσης δεν φαίνεται να έχει επίπτωση στην µάθηση των φοιτητών. Οι Finkelstein et al. (2005) (ενώ αντίστοιχη είναι και η έρευνα των Finkelstein et al., 2004), εξέτασαν τα αποτελέσµατα της αντικατάστασης του πραγµατικού εργαστηριακού εξοπλισµού (πραγµατικοί ηλεκτρικοί λαµπτήρες, µετρητές και καλώδια) µε µια αντίστοιχη προσοµοίωση εικονικού εργαστηρίου, στο δεύτερο εξάµηνο µιας µεγάλης κλίµακας εισαγωγικής σειράς µαθηµάτων φυσικής. Στην έρευνα αυτή συµµετείχαν 231 φοιτητές Τριτοβάθµιας Εκπαίδευσης. Συγκρίθηκαν, λοιπόν, δύο οµάδες φοιτητών. Πιο συγκεκριµένα, η µια οµάδα ήταν αυτή που χρησιµοποίησε τον πραγµατικό εξοπλισµό (TRAD, traditional conditions) και αποτελούνταν από 132 φοιτητές και η άλλη οµάδα ήταν αυτή που χρησιµοποίησε την προσοµοίωση (CCK, Circuit Construction Kit) και αποτελούνταν από 99 φοιτητές. Όσον αφορά την διαδικασία µέθοδο - που ακολουθήθηκε πρέπει να σηµειώσουµε ότι το εργαστήριο συνεχών κυκλωµάτων ήταν σχεδόν ίδιο για τις δύο οµάδες. Η γραπτή εισαγωγή στο φυσικό εξοπλισµό ήταν η ίδια και για τις δύο οµάδες, ενώ πρόσθετες οδηγίες για τη λειτουργία της προσοµοίωση δόθηκαν στην οµάδα της προσοµοίωσης (CCK). Οι φοιτητές εργάζονταν σε οµάδες από δυο έως πέντε άτοµα. Κατά τη διάρκεια της έρευνας συλλέχθηκαν και αναλύθηκαν τα ακόλουθα στοιχεία: α) σηµειώσεις από την παρατήρηση των συνεδριών. β)στοιχεία συγχρονισµού (για παράδειγµα, πόσο χρόνο πήρε στους φοιτητές να δηµιουργήσουν ένα κύκλωµα ως οµάδα). γ) η επίδοση στην τελική εξέταση για τις τρεις ερωτήσεις στα συνεχή κυκλώµατα. ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 99

112 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Η ανάλυση των δεδοµένων έγινε µε βάση την βαθµολογία των φοιτητών στις ερωτήσεις που τους δόθηκαν. Οι απαντήσεις αξιολογήθηκαν µε βάση την αριθµητική κλίµακα µηδέν (0) έως τρία (3). Ειδικότερα, µηδέν (0) έλαβαν οι φοιτητές που οι απαντήσεις τους δεν έδειχναν ορθή επιστηµονική γνώση και τρία (3) οι φοιτητές που οι απαντήσεις τους έδειχναν ορθή επιστηµονική γνώση. Τα αποτελέσµατα της έρευνάς φανερώνουν, σύµφωνα µε τους ερευνητές, ότι: «είναι δυνατό, και υπό κατάλληλες συνθήκες είναι προτιµότερο, να αντικαταστήσουµε τον πραγµατικό εργαστηριακό εξοπλισµό µε εικονικά εργαστήρια», αφού όσοι φοιτητές χρησιµοποίησαν τα εικονικά πειράµατα είχαν καλύτερες επιδόσεις σε σχέση µε το εννοιολογικό περιεχόµενο. Επιπλέον, και σηµαντικότερα σχετικά µε την παρούσα εργασία, είναι και αποτελέσµατα που αφορούν στις εργαστηριακές πρακτικές που ανέπτυξαν οι φοιτητές, όπου φαίνεται πως όσοι εργάστηκαν µε τις προσοµοιώσεις, απέκτησαν µεγαλύτερη δεξιότητα στην κατασκευή ηλεκτρικών κυκλωµάτων, σε σχέση µε τους φοιτητές που χρησιµοποίησαν τα πραγµατικά υλικά. Σε αποτελέσµατα που υπερµάχονται της χρήσης πραγµατικών και όχι εικονικών πειραµάτων, καταλήγουν οι Marshall και Young (2006), οι οποίοι υλοποίησαν µια µελέτη σε υποψήφιους καθηγητές θετικών επιστηµών µε στόχο να εξερευνήσουν τις στάσεις τους σχετικά µε τις κρούσεις σωµάτων, χρησιµοποιώντας φυσικά αντικείµενα (µπάλες του χόκεϋ) και προσοµοίωση υπολογιστών (λογισµικό Interactive Physics). Σε αυτή την έρευνα οι φοιτητές εργάζονταν σε ατοµικές οµάδες των τριών. Σε κάθε οµάδα ένας φοιτητής ορίστηκε ως ο «σχεδιαστής του πειράµατος» που αποφάσιζε τι πειράµατα θα εκτελεστούν, ο άλλος ως ο «χειριστής» που θα πραγµατοποιούσε τα πειράµατα και τις συνδέσεις µε τον εξοπλισµό και ο τρίτος ως ο «γραµµατέας» που θα κατέγραφε τα αποτελέσµατα. Αυτοί οι ρόλοι εναλλάσσονταν κατά διαστήµατα στην διάρκεια της δραστηριότητας. Πρέπει να αναφερθεί ότι αυτή η έρευνα εστίασε σε τρεις φοιτητές που εργάζονταν σε µια οµάδα. Αυτό έγινε διότι: α) αυτή η οµάδα ήταν ένα «βολικό» δείγµα που επιλέχθηκε τυχαία µε βάση τους περιορισµούς που προέκυψαν από τη βιντεοσκόπηση (δεν έδωσαν όλοι οι φοιτητές άδεια για να βιντεοσκοπηθούν) και β) η πληθώρα των πληροφοριών που προέκυπτε από την καταγραφή των δραστηριοτήτων των µελών µιας οµάδας απαγόρευσε την καταγραφή παραπάνω από µιας οµάδας. Ταυτόχρονα, επισηµαίνεται από τους ερευνητές ότι ένας περιορισµός της έρευνας είναι ότι αυτή η οµάδα δεν είναι αντιπροσωπευτική. Ωστόσο υπογραµµίζουν ότι: «δεν υπάρχει κανένας λόγος που να πιστεύουµε ότι οι φοιτητές αυτής της οµάδας δεν έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά όπως οι άλλοι που φοιτούν στο ίδιο Πανεπιστηµιακό τµήµα». Οι δραστηριότητες της έρευνας ξεκίνησαν µε συζήτηση µε όλη την τάξη για τις κρούσεις. Στη συνέχεια, δόθηκε στους φοιτητές µια δραστηριότητα για το σπίτι ζητώντας τους να παρακολουθήσουν µια βιντεοταινία µιας τάξης Λυκείου που πραγµατοποιεί την ίδια δραστηριότητα και να καταγράψουν τους συλλογισµούς των δικών τους εµπειριών καθώς και των µαθητών του Λυκείου. Στην επόµενη φάση, η τάξη εργάστηκε σε µικρές οµάδες, χρησιµοποιώντας φυσικά αντικείµενα και µετά το λογισµικό Interactive Physics. Τα φυσικά αντικείµενα ήταν µπάλες του χόκεϋ που γλιστρούσαν σε ένα κερωµένο πάγκο εργαστηρίου ή στο πάτωµα. Όσον αφορά την προσοµοίωση δόθηκε η δυνατότητα φοιτητές να έχουν πρόσβαση στο λογισµικό Interactive Physics και σε έναν συνοπτικό οδηγό λειτουργίας του, καθώς επίσης τους δόθηκε ένα φύλλο εργασίας για να καταγράφουν τις παραµέτρους και τα αποτελέσµατα των πειραµάτων που πραγµατοποίησαν. Επιπλέον, όσον αφορά την χρήση του λογισµικού πρέπει να 100

113 Ι. Λεύκος, 2011 σηµειωθεί ότι κατά την εκτέλεση µιας δραστηριότητας (π.χ. µιας ανελαστικής κρούσης) τις παραµέτρους για τη δηµιουργία της προσοµοίωσης (µάζες, ταχύτητες, κατεύθυνση) έπρεπε να τις ρυθµίζουν οι φοιτητές. Τέλος, χορηγήθηκε µέσα στην τάξη ένα µετά-τεστ. Όσον αφορά τη συλλογή και την ανάλυση των δεδοµένων, βιντεοσκοπήθηκε ολόκληρη η συζήτηση µέσα στην τάξη σχετικά µε τη δραστηριότητα και ειδικότερα η οµάδα στόχος των τριών φοιτητών που εργάζονταν µαζί. Ακόµη, αποµαγνητοφωνήθηκαν οι διάλογοι, κωδικοποιήθηκαν όλες οι δηλώσεις των µελών της οµάδας και αναλύθηκαν µε βάση το µοντέλο «θεωρίες της δράσης» («theoriesin-action») των ερευνητών Karmiloff-Smith & Inhelder (1975). Επιπλέον, ένας τρίτος ερευνητής κωδικοποίησε και αυτός τα δεδοµένα και συµφώνησε µε τους ερευνητές. Οι ερευνητές στα συµπεράσµατα τους αναφέρουν ορισµένα αρνητικά σηµεία της αποτελεσµατικότητας της προσοµοίωσης σε σχέση µε τα πραγµατικά αντικείµενα. Πιο συγκεκριµένα, κάποια από τα πιο ενδιαφέροντα είναι τα παρακάτω: α) ιαπίστωσαν ότι η οµάδα που µελετήθηκε κατανάλωσε δυο φορές περισσότερο χρόνο όταν χρησιµοποίησε την προσοµοίωση σε σχέση µε τα πραγµατικά αντικείµενα. β) Βρήκαν ότι τα περιβάλλοντα προσοµοίωσης δεν ανταποκρίνονται απαραίτητα στην προσδοκία ότι θα επιτρέψουν στους χρήστες να µεταβάλλουν τις παραµέτρους, να λάβουν µετρήσεις, και να επιδείξουν τα αποτελέσµατα γρηγορότερα, ευκολότερα και ακριβέστερα σε σχέση µε αυτά που θα µπορούσαν να επιτύχουν µε τα φυσικά πειράµατα. γ) ιαπίστωσαν ότι οι φοιτητές είχαν τη δυσκολία στη χρήση αυτού του συστήµατος προσοµοίωσης, παρά τη γενική ικανότητά τους και τον ενθουσιασµό που επέδειξαν στη λειτουργία των υπολογιστών. δ) Παρατήρησαν ότι η προσοµοίωση λειτούργησε ως ένα εργαλείο που εφιστά όλη την προσοχή επάνω του και µακριά από το στόχο της εξερεύνησης. Τέλος, στα συµπεράσµατα προκύπτει ότι η προσοµοίωση υπολογιστών προκαλεί προβλήµατα στους φοιτητές όσον αφορά στην κατανόηση των κρούσεων και οι ερευνητές επισηµαίνουν χαρακτηριστικά ότι «οι καλύτερες πρακτικές θα περιλάµβαναν πρώτα τη χρήση των φυσικών αντικειµένων, για να παρακινήσουν την ανάγκη για τις κατάλληλες προϋποθέσεις του προσοµοιωµένου περιβάλλοντος, και να προωθήσουν την αποδοχή των περιορισµών του». Σχολιάζοντας τα παραπάνω αποτελέσµατα και τις απόψεις που καταθέτουν οι Marshall & Young (2006), πρέπει να τονίσουµε ότι δεν απορρίπτουν τελείως τη χρήση των εικονικών εργαστηρίων, αλλά προτείνουν αντιθέτως µια µεθοδολογία κατάλληλης χρήσης τους. Επιπλέον και πολύ βασικό, θεωρούµε το γεγονός της χρήσης του συγκεκριµένου περιβάλλοντος προσοµοιώσεων Interactive Physics, το οποίο από την µια προσφέρει πολύ µεγάλες δυνατότητες στην παραµετροποίηση των προσοµοιωµένων φαινοµένων, από την άλλη µεριά όµως (κατά την άποψή µας), αποτελεί ένα όχι και τόσο φιλικό προς τον χρήστη περιβάλλον, για το οποίο κάποιος χρειάζεται να διαθέσει µεγάλο κόπο και πολύ χρόνο, προκειµένου να µπορέσει να το διερευνήσει δυναµικά και να το εκµεταλλευτεί διδακτικά. Κατά την άποψή µας λοιπόν, τα αρνητικά αποτελέσµατα στα οποία κατέληξαν οι Marshall & Young, ίσως να οφείλονται και στην ιδιαιτερότητα του συγκεκριµένου εικονικού εργαστηρίου. Είναι δηλαδή πιθανό, χρησιµοποιώντας ένα άλλο περιβάλλον µε πιο φιλικό προς το χρήστη χαρακτήρα, να είχαν καταλήξει σε πολύ διαφορετικά αποτελέσµατα. ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 101

114 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Οι Rosenquist et al. (2000) υλοποίησαν µια έρευνα µε σκοπό να αξιολογηθεί η απόδοση των µαθητών σχετικά µε την ανταλλαξιµότητα των εµπράγµατων και προσοµοιούµενων (χρήση ηλεκτρονικού υπολογιστή) δραστηριοτήτων για τη γνωστική περιοχή των ηλεκτρικών κυκλωµάτων και ειδικότερα των δραστηριοτήτων µε τίτλο: «Ηλεκτρικά µυστήρια» (αντίστοιχα µε της έρευνας του Baxter (1995) µε τα «µαύρα κουτιά» ηλεκτρικών κυκλωµάτων). Πρωταρχικά, σε αυτή την έρευνα εξετάστηκαν 40 µαθητές γυµνασίου σε δυο τάξεις Φυσικής που είχαν ολοκληρώσει µια ενότητα στον ηλεκτρισµό. Ένας τυχαίος αριθµός (κατά το ήµισυ) εκτέλεσε πρώτα την εµπράγµατη έκδοση των «Ηλεκτρικών Μυστήριων» και περίπου δύο εβδοµάδες αργότερα ο άλλος µισός αριθµός ατόµων εκτέλεσε την προσοµοίωση υπολογιστών. Η αλληλουχία της κάθε µεθόδου ισορροπήθηκε για τις δύο τάξεις. Στη συνέχεια η έρευνα έγινε και σε 56 µαθητές πέµπτης και έκτης ηµοτικού Σχολείου στην περιοχή της Αριζόνα. Σε αυτή την περίπτωση οι µαθητές εξετάστηκαν και στις δυο µεθόδους πειραµατισµού (που χωρίζονται µεταξύ τους από ένα µήνα). Η συλλογή των δεδοµένων προήλθε από δύο φύλλα αξιολόγησης που χορηγήθηκαν στους µαθητές. Βέβαια, είναι αναγκαίο να επισηµάνουµε ότι τα φύλλα αξιολόγησης ήταν ίδια τόσο για την εµπράγµατη δραστηριότητα όσο και για τη δραστηριότητα µε υπολογιστή. Ειδικότερα, το πρώτο φύλλο αξιολόγησης περιλάµβανε δραστηριότητες σχετικά µε το περιεχόµενο κάθε κιβωτίου και το σχεδιασµό κάθε κυκλώµατος που υπήρχε σε αυτό. Για τη βαθµολόγηση του πρώτου φύλλου αξιολόγησης χρησιµοποιήθηκε το σύστηµα πόντων των Shavelson et al. (1991), το οποίο προαναφέρθηκε παραπάνω στην έρευνα του Baxter (1995). Στη συνέχεια, στο δεύτερο φύλλο αξιολόγησης (παρόµοιο περίπου µε το πρώτο), οι µαθητές έπρεπε για το περιεχόµενο κάθε κιβωτίου να συµπληρώσουν 4 κατηγορίες δραστηριοτήτων, οι οποίες σχετίζονταν µε το περιεχόµενο κάθε κιβωτίου, µε τον σχεδιασµό του σωστού κυκλώµατος, µε την παρατήρηση αναφορικά µε την ένταση του φωτός της λάµπας που υπήρχε στο κύκλωµα κάθε κιβωτίου και τέλος µε την επεξήγηση από πλευράς των µαθητών αναφορικά µε τη σχέση της παρατήρησης που έκαναν και της απάντησης που έδωσαν για το περιεχόµενο κάθε κιβωτίου. Στο δεύτερο φύλλο αξιολόγησης για κάθε κατηγορία η µέγιστη βαθµολογία ήταν δυο πόντοι και κατ επέκταση οκτώ πόντοι για κάθε κιβώτιο. Για τη συνολική αξιολόγηση η µέγιστη βαθµολογία ήταν 48 πόντοι. Η ανάλυση των δεδοµένων έγινε µε την ανάλυση διακύµανσης (ANOVA). Από τα αποτελέσµατα προκύπτει ότι το ερώτηµα της ανταλλαξιµότητας των δύο µεθόδων πειραµατισµού παραµένει αναπάντητο. Θέλοντας να σχολιάσουµε συνολικά τις προαναφερθείσες έρευνες, θα επαναλάβουµε την αρχική τοποθέτησή µας (και όπως προκύπτει από τη βιβλιογραφία), ότι δεν έχει ακόµη καταστεί ξεκάθαρο στην ερευνητική και εκπαιδευτική κοινότητα, το κατά πόσο µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε τα εικονικά εργαστήρια προκειµένου να ασκήσουµε τους µαθητές µας στην επιστηµονική µεθοδολογία και τις πειραµατικές πρακτικές. Οι παραπάνω επισκόπηση, κατέδειξε αρκετές έρευνες οι οποίες φαίνεται να συνηγορούν στην αντιστοιχία των αποτελεσµάτων από την χρήση των εικονικών πειραµάτων και των πειραµάτων µε φυσικά υλικά (π.χ. Baxter, 1995; Cambell et al., 2002 ; Triona & Klahr, 2003; Klahr et al., 2007; Wilson, 2005). Υπάρχουν βέβαια και κάποιες έρευνες (π.χ. Finkelstein et al., 2005; 2004) οι οποίες υποστηρίζουν καλύτερα αποτελέσµατα από την χρήση των εικονικών εργαστηρίων, αλλά και άλλοι (π.χ. 102

115 Ι. Λεύκος, 2011 Marshall & Young, 2006), που υποστηρίζουν την αντίθετη άποψη (αν και έχουµε εκφράσει παραπάνω, τις επιφυλάξεις µας για την έρευνα αυτή), ενώ κάποιοι ερευνητές φαίνεται να µην µπορούν να καταλήξουν ακόµη σε συµπεράσµατα από αντίστοιχες συγκρίσεις των δυο µέσων (Rosenquist et al., 2000). Πάντως, όπως φαίνεται, είναι ένα ερευνητικό πεδίο που χρήζει περεταίρω διερεύνησης και που όµως ταυτόχρονα, βρίσκεται ακόµη και σήµερα στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος των ερευνητών που ασχολούνται µε θέµατα σχετικά µε την διδακτική εκµετάλλευση των εικονικών εργαστηρίων. 9. Ανάπτυξη δεξιοτήτων σχεδιασµού πειραµάτων 9.1. Εισαγωγή Η εµπλοκή των µαθητών σε εργαστηριακές δραστηριότητες κατά τη διάρκεια της εκπαίδευσής τους στις φυσικές επιστήµες, υποστηρίζεται από πολλούς ερευνητές αλλά και εκπαιδευτικούς, διότι θεωρείται ότι όχι µόνο συµβάλλει στην οικοδόµηση εννοιολογικής κατανόησης, αλλά και στην ανάπτυξη ενός επιστηµονικού ευρύτερα τρόπου σκέψης. Όµως, όπως αναφέρει και ο Lynch (1986): «όταν µια οµάδα εκπαιδευτικών γνέφει καταφατικά σε σχέση µε την πειραµατική εργασία, ίσως να έχουν το µυαλό τους διαφορετικό λόγο ο καθένας». Και όσο δεν είναι ξεκάθαρο «τι πρέπει οι µαθητές να κάνουν και τι να µάθουν» µέσα στο εργαστήριο, επίσης δεν είναι ξεκάθαρο «τι θα πρέπει να αξιολογηθεί». Ο Hodson (1992) θεωρεί ότι η αξιολόγηση της πειραµατικής εργασίας σε σχέση µόνο µε τις πειραµατικές δεξιότητες που αποκτούν οι µαθητές, αποτελεί µια προσέγγιση περιορισµένης οπτικής. Η αντιπρότασή του έγκειται σε µια ολιστική προσέγγιση, κατά την οποία οι µαθητές «κάνουν επιστήµη» (doing science) και η οποία είναι πολύ πιο κοντά στην επιστηµονική πρακτική, δηλαδή η χρήση της επιστηµονικής µεθοδολογίας για τη διερεύνηση ενός φαινοµένου και τη λύση προβληµάτων. Μια σηµαντική πτυχή του «κάνω επιστήµη», είναι η άρρητη γνώση την οποία οι επιστήµονες έχουν και χρησιµοποιούν διαρκώς, και η οποία διαφέρει από την απλή κατοχή δεξιοτήτων διαχείρισης των πειραµατικών συσκευών και δεδοµένης εννοιολογικής κατανόησης. Είναι η ικανότητα του συνδυασµού της διαδικαστικής και θεωρητικής γνώσης µε ένα στοχευµένο τρόπο, προκειµένου να επιτύχουν κάποιο σκοπό. Ο Hodson περιγράφει ένα µοντέλο τριών συστατικών για το «κάνω επιστήµη», ένα από τα οποία είναι: «η ικανότητα για τον σχεδιασµό (plan & design) δυναµικών πειραµάτων τα οποία ελέγχουν ή επιδεικνύουν µια θεωρία µε τρόπο κοµψό». Ο σχεδιασµός πειραµάτων είναι µια κατ εξοχήν νοητική δραστηριότητα. Είναι το «νοητικό µέρος» µιας πειραµατικής διερεύνησης, η οποία περιλαµβάνει αρκετά βήµατα όπως: ο καθορισµός ενός συγκεκριµένου γεγονότος ή προβλήµατος προς διερεύνηση, ο σχηµατισµός µιας υπόθεσης και ο καθορισµός των εξαρτηµένων και ανεξάρτητων µεταβλητών. Ο σχεδιασµός ενός πειράµατος περιλαµβάνει την επιλογή µιας κατάλληλης πειραµατικής διαδικασίας για την επιθυµητή διερεύνηση. Αποτελείται κυρίως από την λήψη διαφόρων αποφάσεων σχετικά µε την προσέγγιση, τις αρχικές συνθήκες, τους ελέγχους, τις συγκεκριµένες µετρήσεις που θα ληφθούν, τις τεχνικές και τα όργανα που θα χρησιµοποιηθούν κ.λ.π. Ο σχεδιασµός (planning & designing) είναι όψεις του «κάνω επιστήµη», οι οποίες µπορούν να αποκτηθούν µόνο ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 103

116 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ µέσω της εµπειρίας, είτε πρόκειται για ένα συµβατικό πείραµα, είτε για ένα προσοµοιωµένο. Ο σχεδιασµός (Planning) είναι επίσης ένα από τα τρία στοιχεία που προτείνονται από τους Doran et al. (1993) για την αξιολόγηση της εργαστηριακής εργασίας, βασιζόµενο σε µια παλαιότερη έρευνα των Lunetta & Tamir (1979). Ο σχεδιασµός εδώ αναφέρεται µε µια πιο διευρυµένη οπτική από ότι αυτή του Hodson, και περιλαµβάνει τον προσδιορισµό των ερωτηµάτων που θα διερευνηθούν, την περιγραφή µιας στρατηγικής για τη διερεύνηση, την περιγραφή της διαδικασίας µέτρησης και/ή των µεταβλητών που θα µετρηθούν, καθώς και ο τρόπος καταγραφής των δεδοµένων. Η ικανότητα για σχεδιασµό πειραµάτων, θεωρείται ως µια από τις πλέον σηµαντικές δεξιότητες που σχετίζονται µε τις πειραµατικές διερευνήσεις (Johnstone & Al-Shuaili, 2001). Σύµφωνα µε τους Garratt & Tomlinson (2001), η δεξιότητα αυτή θεωρείται πως είναι σηµαντικότερη ακόµη και από αύτη καθ εαυτή την εκτέλεση του πειράµατος, καθώς συνδέεται όχι µόνο µε το γνωστικό περιεχόµενο που διερευνάται, αλλά και µε την ίδια την επιστηµονική µεθοδολογία. Στην παρούσα µελέτη, έχουµε υιοθετήσει τον όρο «σχεδιασµό πειραµάτων» µε την διευρυµένη οπτική που πλησιάζει περισσότερο σε αυτή που ο Hodson (1992) ονοµάζει planning & designing experiments. Μεταξύ των διαφόρων εργαλείων ΤΠΕ, οι προσοµοιώσεις υλοποιηµένες σε υπολογιστή έχουν τραβήξει σε µεγάλο βαθµό το ενδιαφέρον σε σχέση µε τη διδασκαλία και µάθηση στις φυσικές επιστήµες και η επιστηµονική έρευνα υποστηρίζει τις θετικές επιπτώσεις από τη χρήση τους αναφορικά µε τη βελτίωση της εννοιολογικής µάθησης των µαθητών (van der Meij & de Jong, 2006). Ειδική κατηγορία αποτελούν τα «εικονικά εργαστήρια», τα οποία υλοποιούν προσοµοιωµένες τις βασικές λειτουργίες εργαστηριακών πειραµάτων (Harms, 2000) και η εργασία µας, βασίζεται στη χρήση αυτού του είδους προσοµοιώσεων. Ο Harms επίσης θεωρεί ότι τα εικονικά εργαστήρια είναι ικανά να µεταφέρουν στους µαθητές τόσο την διαδικαστική, όσο και την εννοιολογική γνώση, καθώς η σύνθεση, η εκτέλεση και η αξιολόγηση ενός εργαστηριακού πειράµατος, απαιτεί όχι µόνο γνώση του θεωρητικού υποβάθρου, αλλά επίσης γνώση που σχετίζεται µε την καθ εαυτή εκτέλεση του πειράµατος. Τα εικονικά εργαστήρια υπάρχουν σε µια πολύ µεγάλη ποικιλία και µπορούν να κατηγοριοποιηθούν επιµέρους λαµβάνοντας υπόψη µια σειρά από χαρακτηριστικά τους γνωρίσµατα, όπως: ο ρεαλισµός στην οπτικοποίηση, ο βαθµός ελευθερίας του χρήστη στην σύνθεση των πειραµατικών διατάξεων και την εκτέλεση των πειραµάτων, η υποστήριξη στρατηγικών διερευνητικής µάθησης ή η δυνατότητα κατασκευής νέων εικονικών αντικειµένων και αλληλεπιδράσεων. Τα εικονικά εργαστήρια το οποία διαθέτει τα παραπάνω χαρακτηριστικά και εποµένως µπορούν να υποστηρίξουν δραστηριότητες που επιτρέπουν στους µαθητές να «κάνουν επιστήµη», ονοµάζονται συνήθως «ανοιχτά περιβάλλοντα». Στην κατηγορία αυτή των ανοιχτών περιβαλλόντων ανήκει και το εικονικό εργαστήριο θερµότητας του ΣΕΠ, το οποίο χρησιµοποιείται και στην παρούσα µελέτη. Στην επιστηµονική κοινότητα, υπάρχει έντονη συζήτηση σχετικά µε τη χρησιµότητα των εικονικών εργαστηρίων και τα αποτελέσµατα των διαφόρων ερευνών φαίνεται να µην έχουν µια κοινή συνισταµένη. Κάποια από τα ζητήµατα που διερευνώνται µέχρι σήµερα σε σχέση µε το κατά πόσο τα εικονικά εργαστήρια ενισχύουν την εννοιολογική κατανόηση, είναι εάν τα εικονικά εργαστήρια θα έπρεπε να χρησιµοποιούνται από µόνα τους (χωρίς τα συµβατικά/πραγµατικά εργαστήρια), εάν είναι περισσότερο ή λιγότερο αποτελεσµατικά σε σχέση µε τα συµβατικά και εάν 104

117 Ι. Λεύκος, 2011 θα έπρεπε να χρησιµοποιούνται σε συνδυασµό µε τα πραγµατικά εργαστήρια και αν ναι, µε ποια σειρά (Finkelstein et al., 2005; Zacharia et al., 2008). Όµως, παρότι η σύγχρονη βιβλιογραφία είναι πλούσια σε έρευνες που σχετίζονται µε την εννοιολογική βελτίωση των µαθητών οι οποίοι ασκούνται σε εικονικά εργαστήρια, πολύ λίγες είναι οι έρευνες που ασχολούνται µε την βελτίωση της ικανότητας των µαθητών στο σχεδιασµό πειραµάτων. Για παράδειγµα οι Klahr et al. (2007), διερεύνησαν τη σχετική αποτελεσµατικότητα ενός πραγµατικού έναντι ενός εικονικού εργαστηρίου, όπου µαθητές της Α & Β γυµνασίου κατασκεύασαν και δοκίµασαν τη λειτουργία αµαξιδίων προωθούµενων µε ελατήριο (mouse-trap cars), µε σκοπό να κατασκευάσουν αυτό το οποίο θα διανύσει την µεγαλύτερη απόσταση. Τα ευρήµατά τους δείχνουν ότι και οι δύο συνθήκες εργαστηρίου ήταν το ίδιο αποτελεσµατικές στην προώθηση της ικανότητας των µαθητών να κατασκευάζουν το βέλτιστο αµαξίδιο και στην επίγνωση των σχετικών παραγόντων από τους οποίους εξαρτάται η κατασκευή τους. Σε κάποια άλλη έρευνα όµως οι Finkelstein et al. (2005), µελέτησαν την περίπτωση αντικατάστασης µιας συµβατικής εργαστηριακής διάταξης µε ένα αντίστοιχο προσοµοιωµένο εικονικό εργαστήριο, σε µια οµάδα φοιτητών οι οποίοι παρακολουθούσαν ένα εισαγωγικό µάθηµα του πανεπιστηµίου. Οι ερευνητές κατέληξαν στο συµπέρασµα ότι οι φοιτητές οι οποίοι χρησιµοποίησαν το εικονικό εργαστήριο ξεπέρασαν στην επίδοση τους συµφοιτητές τους, αφού κατάφεραν κατά τη διαδικασία της αξιολόγησης, να κατασκευάσουν ένα πραγµατικό ηλεκτρικό κύκλωµα και να εξηγήσουν τη λειτουργία του, µε µεγαλύτερη επιτυχία από ότι οι φοιτητές που ασκήθηκαν από την αρχή µε το πραγµατικό εργαστήριο. Οι έρευνες που προαναφέραµε και άλλες σχετικές που υπάρχουν στη βιβλιογραφία, εστιάζουν στις γνωστικές περιοχές της Μηχανικής ή του Ηλεκτρισµού, ενώ δεν φαίνεται να υπάρχει σχετική µελέτη για την περιοχή των Θερµικών φαινοµένων και την ανάπτυξη της ικανότητας σχεδιασµού πειραµάτων από τους µαθητές. Η παρούσα εργασία, µέσα στο πλαίσιο αυτό, έχει σαν στόχο να ερευνήσει κατά πόσο η εµπλοκή των µαθητών σε διερευνητικές δραστηριότητες µέσα σε ένα εικονικό εργαστήριο, οδηγούν στην βελτίωση των ικανοτήτων τους στο σχεδιασµό πειραµάτων, προκειµένου να επιλύσουν προβλήµατα της καθηµερινότητας που σχετίζονται µε θερµικές αλληλεπιδράσεις Συµπεράσµατα Η σηµασία της εργαστηριακής και πειραµατικής εργασίας στη διδασκαλία και την µάθηση των Φυσικών Επιστηµών, υποστηρίζεται θερµά, τόσο από τους ερευνητές, όσο και από τους εκπαιδευτικούς όλων των βαθµίδων της εκπαίδευσης. Είναι δε φανερό ότι τις τελευταίες δεκαετίες οι εφαρµογές των ΤΠΕ έχουν αποκτήσει ένα σηµαντικό ρόλο στην υποστήριξη διαφόρων φάσεων των εργαστηριακών µεθόδων και πρακτικών στην εκπαιδευτική διαδικασία. Οι λόγοι για την εισαγωγή των ΤΠΕ στο κοµµάτι αυτό της εκπαίδευσης είναι πολλαπλοί και έχει αποδειχθεί ερευνητικά ότι αφ ενός µπορούν ισοδύναµα να υποστηρίξουν τις εργαστηριακές πρακτικές, αφ ετέρου δε, µπορούν πολλές φορές να υπερκεράσουν και να απαλείψουν τους περιορισµούς που πηγάζουν από ένα συµβατικό εργαστήριο ή από την ίδια την φύση των φαινοµένων. Επιπλέον, φαίνεται να εµπεριέχουν και νέες δυνατότητες οι οποίες επεκτείνουν τα όρια των µεθόδων του συµβατικού εργαστηρίου. ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 105

118 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Οι προσοµοιώσεις και τα εικονικά εργαστήρια αποτελούν ένα από τα πιο διαδεδοµένα είδη εφαρµογών ΤΠΕ στην εκπαίδευση, ειδικά στις Φυσικές Επιστήµες, καθώς προσφέρουν την δυνατότητα προσοµοίωσης φυσικών φαινοµένων, συστηµάτων ή διαδικασιών. Με τις προσοµοιώσεις δίνεται η δυνατότητα στους µαθητές να εικονοποιήσουν και να κατανοήσουν αντίστοιχες αφηρηµένες έννοιες και τη λειτουργία πολύπλοκων µηχανισµών. Προσφέρεται επίσης η δυνατότητα της εµπειρίας µε πειράµατα τα οποία είναι αδύνατο ή πολύ δύσκολο να διεξαχθούν στην πραγµατικότητα, ή που απαιτούν ιδανικές συνθήκες, αλλά και µε διαδικασίες οι οποίες στην πραγµατικότητα διαρκούν πολύ µεγάλα ή πολύ µικρά χρονικά διαστήµατα, ακόµη και µε φαινόµενα τα οποία είναι αόρατα λόγω της πολύ µικρής ή πολύ µεγάλης κλίµακας στην οποία λαµβάνουν χώρα. Τα τελευταία χρόνια, υπάρχει πολύ µεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον σχετικά µε την χρήση εικονικών περιβαλλόντων όπως οι προσοµοιώσεις, στην εργαστηριακή υποστήριξη των Φυσικών Επιστηµών, αλλά οι τάσεις ακόµη δεν έχουν εδραιωθεί. Υπάρχουν αντίστοιχα φανατικοί πολέµιοι και φανατικοί υποστηρικτές, που επιχειρηµατολογούν αντίστοιχα υπέρ της χρήσης των συµβατικών εργαστηριών µε πραγµατικά υλικά ή υπέρ της χρήσης εικονικών εργαστηρίων µε εικονικά υλικά. Υπάρχουν επίσης και έρευνες οι οποίες υποστηρίζουν την ισοδυναµία µεταξύ εικονικών και πραγµατικών εργαστηρίων. Η ιδιαίτερη συµβολή των εικονικών εργαστηρίων στην εκπαίδευση όµως, δεν εδράζεται µόνο στο γεγονός της δυνατότητας που προσφέρουν για παρατήρηση της συµπεριφοράς των φυσικών συστηµάτων, αλλά κυρίως στην δυνατότητα που παρέχουν για παρέµβαση µέσα στο προσοµοιωµένο φυσικό σύστηµα, καθώς οι µαθητές µπορούν να διαχειρίζονται τις µεταβλητές που το επηρεάζουν. ίνεται λοιπόν η δυνατότητα µε πολύ εύκολο τρόπο να ελέγχουν και να αποµονώνουν τις µεταβλητές ενός συστήµατος, και κατά συνέπεια να οδηγούνται στην ερµηνεία των αιτιακών σχέσεων και την ταυτοποίηση των συσχετιζόµενων ή µη, µε το υπό µελέτη φαινόµενο, παραµέτρων. Οι υπέρµαχοι εποµένως των εικονικών εργαστηρίων, θεωρούν πως ακριβώς αυτό το χαρακτηριστικό είναι σπουδαιότερο, η δυνατότητα δηλαδή χειρισµού και διαχείρισης των µεταβλητών ενός συστήµατος, ακόµη και από την ίδια την εµπειρία της χρήσης των πραγµατικών αντικειµένων. Αυτό το γεγονός έχει ιδιαίτερη σηµασία διότι, όπως αποδεικνύεται και ερευνητικά, οι προσοµοιώσεις µε εργαστηριακό χαρακτήρα οι οποίες διαθέτουν τα παραπάνω χαρακτηριστικά, µπορούν να υποστηρίξουν τόσο την εννοιολογική βελτίωση των µαθητών, αλλά και την ανάπτυξη των πειραµατικών τους δεξιοτήτων. Εδώ είναι και το σηµείο ενδιαφέροντος για την δική µας εργασία, καθώς επιδιώκουµε την διερεύνηση της επίτευξης αυτού του διπλού στόχου. Της εννοιολογικής δηλαδή βελτίωσης των µαθητών µας, αλλά και της ανάπτυξης των πειραµατικών τους δεξιοτήτων. Ειδικά ο δεύτερος στόχος έχει ιδιαίτερο ερευνητικό ενδιαφέρον καθώς όπως φάνηκε από την βιβλιογραφική ανασκόπηση, οι έρευνες προς την κατεύθυνση αυτή, σε διεθνές επίπεδο, είναι ακόµη πολύ περιορισµένες. Ειδικότερα, στην εργασία µας, αναφερόµαστε στην δεξιότητα των µαθητών για τον σχεδιασµό πειραµάτων και διερευνούµε κατά πόσο η δεξιότητα αυτή µπορεί να καλλιεργηθεί µέσα από την εµπειρία και την άσκησή τους σε ένα περιβάλλον εικονικού εργαστηρίου. Η δεξιότητα αυτή αποτελεί πολύ σπουδαίο, αν όχι το σπουδαιότερο, συστατικό στην καλλιέργεια του επιστηµονικού τρόπου σκέψης των µαθητών, και του τρόπου που αντιµετωπίζουν και διερευνούν τα φαινόµενα και λύνουν σχετικά προβλήµατα.. Θεωρούµε εποµένως στην εργασία µας αυτή, πως η έλλειψη της εµπειρίας µε τα συµβατικά (φυσικά) υλικά, δεν αποτελεί εµπόδιο για την ανάπτυξη των παραπάνω 106

119 Ι. Λεύκος, 2011 δεξιοτήτων και επιπλέον πως οι δυνατότητες για τον άµεσο χειρισµό των (εικονικών) αντικειµένων και κατά συνέπεια των µεταβλητών που προσφέρονται στους µαθητές µας µέσα στο εικονικό εργαστήριο, ουσιαστικά αποτελούν ένα ιδανικό περιβάλλον µάθησης, για την επίτευξη των στόχων αυτών. ΚΕΦ. ΙΙ Η Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ 107

120 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΙΙΙ: Η Ι ΑΚΤΙΚΗ ΣΕΙΡΑ 1. Περιγραφή της διδακτικής σειράς Προκειµένου να εξυπηρετηθούν οι σκοποί της έρευνας αυτής, σχεδιάστηκε αναπτύχθηκε και εφαρµόστηκε µια διδακτική σειρά για την διδασκαλία των θερµικών φαινοµένων στην Β Γυµνασίου. Η διδακτική αυτή σειρά καλύπτει το σύνολο των φαινοµένων που περιλαµβάνονται στο αντίστοιχο τρέχον Π.Σ. και έχοντας σαν απώτερο σκοπό την εφαρµοσιµότητα στα πλαίσια του ελληνικού σχολείου, καταβλήθηκε προσπάθεια να µην διαφοροποιείται πολύ από αυτό, τόσο σε επίπεδο στόχων, όσο και σε επίπεδο διάρκειας, έχοντας εποµένως έναν ευρύτερο χαρακτήρα εναλλακτικής πρότασης διδασκαλίας των φαινοµένων αυτών. Κύρια χαρακτηριστικά της διδακτικής σειράς είναι δυο: Ο εργαστηριακός χαρακτήρας αντιµετώπισης των θερµικών φαινοµένων Η εκτεταµένη χρήση εργαλείων Τ.Π.Ε. Με τον παραπάνω συνδυασµό ως βάση, η σειρά δεν µπορεί παρά να διαφοροποιείται από την συµβατική διδασκαλία όπως υλοποιείται συνήθως στο ελληνικό Γυµνάσιο, και στο πλαίσιο αυτό εµφανίζονται οι όποιες αποκλίσεις, τόσο στην διαδοχή των επιµέρους ενοτήτων, όσο και στην ελαφρώς αυξηµένη διάρκειά της. Με άλλα λόγια, κρίθηκε αναγκαία µια µικρής κλίµακας αναδιαµόρφωση του Π.Σ., µε κύριο χαρακτηριστικό την ενσωµάτωση των εργαστηριακών ωρών που προβλέπονται, αλλά και την ενίσχυσή τους, µε αποτέλεσµα να υπάρχει µια διαρκής διαπλοκή εργαστηρίου θεωρίας, καθώς και µια σχετική αύξηση των διαθέσιµων ωρών διδασκαλίας. Ο εργαστηριακός χαρακτήρας της σειράς, υλοποιείται τόσο µε συµβατικά πειραµατικά µέσα, όσο και µε χρήση εργαλείων Τ.Π.Ε. Ειδικότερα, τα εργαλεία αυτά είναι: Ένα περιβάλλον προσοµοιωµένου εικονικού εργαστηρίου θερµικών φαινοµένων Ένα περιβάλλον και αντίστοιχος εξοπλισµός διασύνδεσης του Η/Υ µε αισθητήρες καταγραφής φυσικών µεγεθών (MBL). Η σχέση µεταξύ συµβατικών πειραµατικών µέσων και αντίστοιχων πειραµατικών εργαλείων Τ.Π.Ε., αποτελεί αντικείµενο προβληµατισµού στον σχεδιασµό της διδακτικής σειράς και το σκεπτικό αναπτύσσεται στο κεφάλαιο αυτό, όπως και ο ευρύτερος τρόπος αντιµετώπισης των πολύ-παραµετρικών θερµικών φαινοµένων µε ένα όπως αναφέρθηκε ήδη, εργαστηριακό χαρακτήρα. 1.1 Σχεδιαστικές αρχές Στην εργασία αυτή, υιοθετούµε µια προσέγγιση ολοκλήρωσης για τις έννοιες που εµπλέκονται και προτείνουµε την χρήση της Θερµικής Ισορροπίας ως φαινόµενο και έννοια «κλειδί» προκειµένου να διαµορφώσουν οι µαθητές µας επεξηγηµατικά µοντέλα για τις θερµικές αλληλεπιδράσεις. Προτείνουµε δηλαδή µε τον τρόπο αυτό µια ολιστική οπτική της διδασκαλίας των θερµικών φαινοµένων, διότι στη θερµική ισορροπία διαπλέκονται οι έννοιες της θερµοκρασίας και της θερµότητας, οι 108

121 Ι. Λεύκος, 2011 βασικότερες δηλαδή για την περιγραφή και κατανόηση των θερµικών φαινοµένων. Στη βιβλιογραφία υπάρχουν και άλλες προτάσεις που θεωρούν την θερµική Ισορροπία ως κρίσιµο φαινόµενο για την κατανόηση των θερµικών φαινοµένων, όπως αυτή των Arnold & Millar (1998), του Carlton (2000) και των Clark & Jorde (2004). Η πρότασή µας εστιάζεται στην κατασκευή των επεξηγηµατικών µοντέλων κυρίως πάνω στη βάση του µοντέλου «ροής θερµότητας», που εµφανίζεται στην εικόνα (Εικόνα 43). Αυτό το µοντέλο µπορεί να εξηγήσει τις θερµικές αλληλεπιδράσεις είτε στην περίπτωση των δυο σωµάτων, είτε του ενός σώµατος και η έρευνα έχει αποδείξει ότι βρίσκεται κοντά στις απόψεις των µαθητών (Linn, 1991; Arnold, 1996; Bisdikian, 2000), οπότε µπορούν εύκολα να το υιοθετήσουν προκειµένου να κατασκευάσουν επεξηγηµατικά µοντέλα. Εικόνα 43: Το µοντέλο «ροής θερµότητας (Arnold et al., 1994) Αρκετοί ερευνητές έχουν διερευνήσει τις γνωστικές δυσκολίες που εµφανίζονται στην κατανόηση της θερµικής ισορροπίας (Kessidou, 1993; Arnold, 1994; Thomaz, 1997). Παρότι θεωρείται πως βρίσκεται µέσα στον πυρήνα της κατανόησης των θερµικών φαινοµένων, η έρευνα απέδειξε πως δεν είναι εύκολο να ξεπεραστούν οι γνωστικές δυσκολίες των µαθητών. Η έρευνα για την αλλαγή των εναλλακτικών απόψεων των µαθητών, θεωρεί πολύ σηµαντικό τον ρόλο που µπορεί να παίξει το πείραµα στην κατεύθυνση αυτή. Η εργαστηριακή αντιµετώπιση των θερµικών φαινοµένων στο σχολικό εργαστήριο δεν εµφανίζει ιδιαίτερες δυσκολίες. Όµως όταν προσπαθούµε να φύγουµε από την απλή παρατήρηση & περιγραφή και να εµβαθύνουµε στην ερµηνεία των φαινοµένων, είτε ποσοτικά είτε ποιοτικά, η ίδια η πολυπλοκότητα των θερµικών αλληλεπιδράσεων οδηγεί σε προβλήµατα τους µαθητές (Linn, 1991; Kesidou, 1995). Σε ένα σχολικό εργαστήριο οι µαθητές συνήθως καταλήγουν να ακολουθούν µηχανικά τις οδηγίες µε σκοπό να ολοκληρώσουν τα πειράµατα, χωρίς πραγµατικά να δίνουν περιθώριο στην κατανόηση και την ερµηνεία των φαινοµένων, γεγονός που απέχει από την προσπάθεια για καλλιέργεια δεξιοτήτων πειραµατισµού και επιστηµονικής σκέψης και πρακτικής (Woolnough, 1989), όπως τίθεται στους στόχους του Προγράµµατος Σπουδών. Η ουσία του πειραµατισµού από την άλλη µεριά θεωρεί τους µαθητές να εµπλέκονται στον κόσµο των ιδεών, αναπαριστώντας τον κόσµο των αντικειµένων, µε στοχευµένες παρατηρήσεις και διερευνήσεις χρησιµοποιώντας είτε κοινά είτε εξειδικευµένα (πραγµατικά ή εικονικά) εργαλεία και συσκευές (Psillos & Niedderer, 2002). Στην εργασία αυτή θεωρούµε ότι είναι ελκυστικό και ταυτόχρονα ότι είναι µια πρόκληση να ασχοληθούµε µε το ζήτηµα αυτό, εκµεταλλευόµενοι τα πλεονεκτήµατα των νέων τεχνολογιών σε συνδυασµό µε τα παραδοσιακά πειράµατα, κάτω από το πρίσµα µιας συγκεκριµένης παιδαγωγικής άποψης. Θεωρούµε δηλαδή ότι σε εισαγωγικό επίπεδο στη Φυσική, ο χειρισµός αντικειµένων του πραγµατικού κόσµου σε σχέση µε τα φαινόµενα που εξετάζουµε αποτελεί µια εµπειρία που προτρέπει ευχάριστα τους µαθητές στην εµπλοκή και την ενασχόληση. Από την άλλη µεριά οι ΚΕΦ. ΙΙΙ Η Ι ΑΚΤΙΚΗ ΣΕΙΡΑ 109

122 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΤΠΕ. προσφέρουν εν δυνάµει νέους τρόπους µε τους οποίους οι µαθητές βλέπουν, σκέφτονται και επεξηγούν τα φυσικά φαινόµενα, µεταξύ των οποίων και αυτά που αφορούν θερµικές αλληλεπιδράσεις. Το θέµα της συνδυασµένης χρήσης των παραδοσιακών εργαστηριακών εργαλείων µε αυτά των ΤΠΕ, απαιτεί περεταίρω διερεύνηση και εξαρτάται από τους στόχους σε κάθε φάση της εργαστηριακής διδασκαλίας (McFarlane, 2002; Sassi, 2001). Βασιζόµενοι στα παραπάνω σηµεία, αναπτύξαµε µια διδακτική πρόταση µε εργαστηριακό χαρακτήρα βασισµένη σε εργαλεία ΤΠΕ, για τη διδασκαλία των θερµικών φαινοµένων σε µαθητές Β Γυµνασίου, λαµβάνοντας ταυτόχρονα υπόψη τους περιορισµούς που τίθενται από το Πρόγραµµα Σπουδών. Στην πρόταση αυτή, θεωρούµε ότι τα παραδοσιακά εργαστηριακά πειράµατα είναι κατάλληλα για την εισαγωγή στα θερµικά φαινόµενα, ενώ τα προσοµοιωµένα πειράµατα προσφέρονται για την περεταίρω λεπτοµερειακή παραµετρική διερεύνησή τους. Επιπλέον, καθώς η χρήση συγχρονικών διατάξεων MBL, αποδείχθηκε πως παρέχει στους µαθητές ισχυρό σύνδεσµο µεταξύ του πραγµατικού και του εικονικού κόσµου των πειραµάτων (Thrornton, 1999), το προτείνουµε σαν ένα ενδιάµεσο εργαλείο. Έτσι, προχωρώντας από το παραδοσιακό πείραµα στο MBL και µετά στο προσοµοιωµένο, αυξάνουµε σταδιακά το επίπεδο της αφαίρεσης και ταυτόχρονα µετατοπίζουµε το φορτίο από την χειρωνακτική διαχείριση των αντικειµένων, στη νοητική διαχείριση των εννοιών ιδακτικός µετασχηµατισµός περιεχοµένου Παρά την ευρεία και καθηµερινή επαφή µας µε τα θερµικά φαινόµενα και την φαινοµενική τους απλότητα, θα ήταν λάθος να σχηµατίσουµε την άποψη ότι υπάρχουν πάντοτε απλές και εύκολες εξηγήσεις για την αλλαγή της θερµικής κατάστασης ενός συστήµατος. Στην πραγµατικότητα ακόµη και σε απλές καθηµερινές καταστάσεις παρουσιάζουν µια πολυπλοκότητα, τόσο από άποψη φαινοµένων, όσο και από άποψη επεξηγήσεων (Viennot, 1998). Για παράδειγµα, η ενέργεια που µεταφέρεται σε ένα σώµα ή σύστηµα, πιθανώς να µεταφέρεται ταυτόχρονα µε πολλούς τρόπους και καθώς η ενέργεια των δοµικών λίθων (άτοµα, µόρια ή ιόντα) δεν είναι µόνο κινητική, η µεταφορά θερµότητας δεν έχει αναγκαστικά αποτέλεσµα την αύξηση της θερµοκρασίας του. Έτσι, αν έχουµε αλλαγή κατάστασης, δεν θα έχουµε αλλαγή της θερµοκρασίας του συστήµατος (γιατί αλλάζει µόνο η δυναµική ενέργεια). Αντιθέτως, αν έχουµε αδιαβατική εκτόνωση ενός αερίου, η θερµοκρασία του θα αλλάξει χωρίς να υπάρχει µεταφορά θερµότητας. Ακόµη και σε ένα πολύ καθηµερινό φαινόµενο όπως η λειτουργία του ψυγείου στη κουζίνα µας, υπάρχει το παράδοξο φαινόµενο της µεταφοράς θερµότητας από ένα ψυχρότερο προς ένα θερµότερο σώµα. Μέσα σε αυτό το πλαίσιο της πολυπλοκότητας, σύµφωνα µε τη Viennot (1998) υπάρχει µια περιορισµένη κατηγορία θερµικών φαινοµένων, στην οποία επιτρέπονται απλές προβλέψεις. Αυτά είναι τα φαινόµενα (βλέπε αντιπαραδείγµατα στην προηγούµενη παράγραφο), στα οποία παρατηρείται µεταφορά θερµότητας και µεταβάλλεται µόνο η µέση κινητική ενέργεια των δοµικών λίθων του υλικού. Εδώ µπορούµε να ισχυριστούµε ότι η ενέργεια µεταφέρεται από το θερµότερο προς το ψυχρότερο σύστηµα, έως ότου να αποκτήσουν κοινή θερµοκρασία. Μάλιστα, στην κατηγορία αυτή των φαινοµένων, µπορούµε πολύ εύκολα να διακρίνουµε τη θερµότητα από τη θερµική ενέργεια, η οποία µεταφέρεται αλλά και αποθηκεύεται. Έτσι εδώ, η διαφορά µεταξύ θερµοκρασία και θερµότητας, θα είναι ότι η 110

123 Ι. Λεύκος, 2011 θερµοκρασία είναι µια εντατική µεταβλητή, ενώ στην περίπτωση της ενέργειας δεν είναι. Στην εργασία µας αυτή χρησιµοποιήσαµε κυρίως την περιορισµένη κατηγορία αυτή ως τον κεντρικό πυρήνα για τα διδασκαλία των θερµικών αλληλεπιδράσεων, εκµεταλλευόµενοι το πλεονέκτηµα της απλότητας που προσφέρει τόσο στην έκφραση προβλέψεων, όσο και επεξηγήσεων των φαινοµένων. Βέβαια, όπως θα φανεί και παρακάτω, η διδασκαλία µας επεκτάθηκε και σε άλλα πιο πολύπλοκα φαινόµενα όπως οι αλλαγές φυσικής κατάστασης, αλλά αυτό έγινε κατά κάποιο τρόπο σε δεύτερη φάση, µετά από τη διερεύνηση και µελέτη των φαινοµένων της περιορισµένης κατηγορίας, και αφού θεωρήσαµε ότι οι µαθητές µας είχαν αποκτήσει µέχρι ενός ικανοποιητικού σηµείου την δεξιότητα να εκφράζουν προβλέψεις και εξηγήσεις για τα φαινόµενα της περιορισµένης κατηγορίας. Για την ακρίβεια, χρησιµοποιήσαµε τις απόψεις που είχαν σχηµατίσει οι µαθητές µας για τα φαινόµενα της περιορισµένης κατηγορίας, σαν βάση για τη δηµιουργία καταστάσεων γνωστικής σύγκρουσης, όταν αντιµετώπισαν το φαινόµενο π.χ. της τήξης, αφού δεν µπορούσαν να εξηγήσουν τις παρατηρήσεις τους. Σχολιάζοντας ο Millar (1998) υποστηρίζει την προαναφερθείσα τοποθέτηση της Viennot, υπενθυµίζοντας ότι οι περισσότεροι από τους µαθητές µας στο σχολείο, δεν πρόκειται να γίνουν Φυσικοί, εποµένως έχουν την ανάγκη να εισαχθούν στις βασικές απόψεις σχετικά µε τη θερµοκρασία και τη θερµότητα, προκείµενου να µπορούν να ανταπεξέρχονται σε καθηµερινές καταστάσεις στη ζωή τους ως πολίτες, αποκτώντας δηλαδή ένα βασικό πυρήνα επιστηµονικών αρχών, ικανό να παράγει επεξηγήσεις για τα θερµικά φαινόµενα. Στη λογική αυτή προτείνει τη χρήση του καλορικού µοντέλου, όπως ονοµάζεται χάρη στην οµοιότητα του µε τις ιστορικά επικρατούσες επιστηµονικές απόψεις του 18ου αιώνα, ως ένα πιο ρεαλιστικό διδακτικό στόχο, της διδασκαλίας των θερµικών φαινοµένων. Ένα τέτοιο µοντέλο, παρά την απλοποίηση που ενέχει, είναι πολύ χρήσιµο για την κατανόηση και επεξήγηση πολλών καθηµερινών φαινοµένων. Εξάλλου, και άλλοι επιστηµονικοί κλάδοι όπως οι βιολόγοι και οι µηχανικοί, βασίζουν στο µοντέλο αυτό µεγάλο τµήµα της µελέτης τους. Η πρόταση αυτή έχει κι άλλους θιασώτες από τον χώρο της διδακτικής των Φυσικών Επιστηµών, µε χαρακτηριστική την δουλειά των Linn & Songer (1991), της οποίας ο κεντρικός στόχος είναι ακριβώς η διδασκαλία ενός τέτοιου πραγµατιστικού επεξηγηµατικού µοντέλου για τα θερµικά φαινόµενα. Οι ερευνητές, κάνουν τον παρακάτω σαφή διαχωρισµό, σε σχέση µε το µοντέλο που αυτοί προτείνουν, και τις απόψεις των επιστηµόνων του 18ου αιώνα. Η διαφορά λοιπόν βρίσκεται στο γεγονός ότι πριν από 200 χρόνια, η θερµότητα θεωρούταν πως είναι µια ουσία µε υλική υπόσταση, ενώ το χρηστικό µοντέλο που αυτοί προτείνουν, θεωρεί τη θερµότητα σαν µια µορφή µεταφερόµενης ενέργειας, η οποία φυσικά και είναι άυλη. Από την άλλη µεριά, θεωρούν επίσης ότι το κινητικό µοντέλο είναι πολύ αφηρηµένο για να διδαχτεί στους µαθητές, και φυσικά δεν έχει τις επεξηγηµατικές δυνατότητες για να υποστηρίξει ούτε τα πειραµατικά αποτελέσµατα, αλλά ούτε και τις παρατηρήσεις των µαθητών στα φαινόµενα του πραγµατικού κόσµου. Σε έρευνα του Erickson (1980), 276 µαθητές ετών, εξετάστηκαν µέσω ερωτηµατολογίων για τις αντιλήψεις τους πάνω σε συγκεκριµένα έργα που αφορούσαν θερµικά φαινόµενα. Τα αποτελέσµατά του φανερώνουν αφενός ότι υπάρχει µεγάλη αποδοχή από µέρους των µαθητών στις διαισθητικές απόψεις. Φανερώνουν όµως και ότι παρά την µερική αποδοχή της Κινητικής θεωρίας, σε όλο το ηλικιακό φάσµα της έρευνας, κυριαρχούν οι απόψεις που σχετίζονται µε το καλορικό µοντέλο. Βέβαια, ο ίδιος ερευνητής σε προγενέστερη έρευνά του (Erickson, 1979), διευκρινίζει ότι µπορεί οι απόψεις να µοιάζουν µε των επιστηµόνων του 18ου ΚΕΦ. ΙΙΙ Η Ι ΑΚΤΙΚΗ ΣΕΙΡΑ 111

124 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ αιώνα, αλλά σίγουρα δεν αποτελούν ένα συγκροτηµένο πλαίσιο, καθώς είναι ανάµεικτες µε άλλες απόψεις, όπως και διαισθητικές αντιλήψεις. Εποµένως θα µπορούσαν να αποτελέσουν βάση για την διδασκαλία, όπως πρότεινε και ο Millar (1998). Εξάλλου τη δυσκολία υιοθέτησης του κινητικού µοντέλου διαπίστωσαν και οι Kesidou & Duit (1993), σε µαθητές ηλικίας ετών που είχαν ένα υπόβαθρο 4ετούς εκπαίδευσης στις φυσικές επιστήµες. Από τους 24 µαθητές που ζητήθηκαν να δώσουν εξηγήσεις για το τι συµβαίνει όταν θερµαίνουµε ένα σώµα, µόνο 4 έδωσαν από µόνοι τους εξηγήσεις βασισµένες στο κινητικό µοντέλο, άλλοι 8 το χρησιµοποίησαν µόνο µετά από απαίτηση του ερευνητή και οι υπόλοιποι 13 δεν ήταν σε θέση να το χρησιµοποιήσουν ακόµη και µετά από απαίτηση. Επιπλέον, ακόµη και όσοι µαθητές το χρησιµοποίησαν εµφάνισαν πολλές εναλλακτικές απόψεις όπως ότι τα µόρια των σωµάτων δεν κινούνται (ιδίως των στερεών) ή κάποια στιγµή σταµατούν να κινούνται, ότι τα µόρια τρίβονται µεταξύ τους και έτσι γίνονται πιο θερµά κ.λ.π. Υπάρχουν δηλαδή ακόµη και σε µαθητές µεγάλης σχετικά ηλικίας που πέρασαν από πολλά χρόνια εκπαίδευσης, προβλήµατα στην κατανόηση του κινητικού µοντέλου και κατά συνέπεια απροθυµία στην υιοθέτησή του. Στην έρευνα / παρέµβαση των Lewis & Linn (1994) επίσης, που αρχικώς διεξήγαγαν κλινικές συνεντεύξεις σε 32 µαθητές ετών για τα θερµικά φαινόµενα, διαπιστώθηκε η ύπαρξη διαισθητικών απόψεων. Στη συνέχεια η παρέµβαση που σχεδίασαν φάνηκε να έχει πολύ καλά αποτελέσµατα, για τα οποία οι ερευνητές σχολιάζουν πως η εννοιολογική αλλαγή που παρατηρήθηκε, αποδίδεται στο γεγονός ότι η διδασκαλία τους βασίστηκε πάνω στις αρχικές διαισθητικές απόψεις των µαθητών. Η σκέψη της χρήσης ενός διδακτικού µετασχηµατισµού κατά τον οποίο θα γίνεται κατά κάποιο τρόπο εκµετάλλευση των αρχικών απόψεων των µαθητών και σταδιακή προσπάθεια της µετατροπής τους προς ένα πιο επιστηµονικά αποδεκτό µοντέλο, ενισχύεται επίσης από τα αποτελέσµατα ερευνών σχετικών µε την εννοιολογική αλλαγή των µαθητών στην περιοχή των θερµικών φαινοµένων. Χαρακτηριστική είναι η έρευνα των Harrison κ.α. (1999), η οποία κατέληξε στο συµπέρασµα ότι στην προσπάθεια του διαχωρισµού των εννοιών θερµότηταθερµοκρασία, η εννοιολογική αλλαγή που συντελείται είναι εξελικτικού τύπου µε στοιχεία συσσώρευσης, παρά ριζοσπαστικού τύπου, καθώς οι µαθητές δυσκολεύονται να ενσωµατώσουν τις νέες και πολλές φορές αντι-διαισθητικές απόψεις που τους παρουσιάζονται κατά τη διδασκαλία. Παρόµοιες δε απόψεις εκφράζονται και από άλλους ερευνητές (Jones, Carter, & Rua, 2000; Laburu & Niaz, 2002). Η εργασία µας, όσο αφορά στο σχεδιασµό των διδακτικών δραστηριοτήτων και την τοποθέτηση των διδακτικών στόχων, κυρίως υιοθετεί τις απόψεις για την χρήση του καλορικού µοντέλου όπως προτείνεται από τους Linn & Songer (1991) και Arnold & Millar (1994, 1996a), προκειµένου να χρησιµοποιηθεί από τους µαθητές µας, ως ένα επεξηγηµατικό µοντέλο για την ερµηνεία των θερµικών φαινοµένων, λαµβάνοντας υπόψη τα όρια και τους περιορισµούς του. Σε µετέπειτα φάση, µετά από την εξοικείωση µε το µοντέλο αυτό και καθώς εξετάζονται φαινόµενα όπως είναι η διαστολή & συστολή των σωµάτων, γίνεται εισαγωγή τους και στο κινητικό µοντέλο, σε µια προσπάθεια να µπορούν να σκέφτονται σε δύο επίπεδα, το µακροσκοπικό και το µικροσκοπικό. Η έρευνα που κάναµε τόσο σε πιλοτική φάση, όσο και µετά από τη τελική εφαρµογή, επιβεβαίωσε τη δυσκολία στην αφοµοίωση του κινητικού µοντέλου από κάποιους µαθητές µας, και ενίσχυσε την άποψή µας για τη χρήση του καλορικού µοντέλου. 112

125 Ι. Λεύκος, Το σχηµατικό επεξηγηµατικό µοντέλο Στην προσέγγιση που ακολουθήσαµε, θεωρούµε ότι η διδασκαλία των βασικών εννοιών θερµότητα και θερµοκρασία, πρέπει να αντιµετωπιστεί ταυτόχρονα και όχι αποσπασµατικά και για το λόγο αυτό χρησιµοποιήθηκε σαν ιδανικό για την προσέγγιση αυτή - φαινόµενο η Θερµική Ισορροπία. Προκειµένου να αποκτήσουν οι µαθητές µας µια εποπτική εικόνα του φαινοµένου η οποία να µπορεί να τους βοηθήσει στην κατασκευή των επεξηγήσεών τους σχετικά µε τις θερµικές αλληλεπιδράσεις, εισήχθηκε ένα σχηµατικό επεξηγηµατικό µοντέλο για τα φαινόµενα, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήµα (Εικόνα 44), βασισµένο στο λεγόµενο «καλορικό µοντέλο», που ουσιαστικά παρουσιάζει την διαφορά θερµοκρασίας σαν την αιτία ροής θερµότητας µεταξύ δυο σωµάτων, η οποία όµως µε την πάροδο του χρόνου καταλήγει να γίνεται και η αιτία της εξισορρόπησης τελικά των θερµοκρασιών τους. Μεγάλη διαφορά θερµοκρασίας (αρχικά) σηµαίνει έντονη ροή θερµότητας, µικρότερη διαφορά θερµοκρασίας (ενδιάµεσα) σηµαίνει µικρότερη ροή θερµότητας και µηδενική διαφορά (τελικά) σηµαίνει µηδενική ροή. Θ1 Θ1 Q Θ2 Q Θ1 Θ2 Q=0 (Θ.Ι.) Θ2 Αρχική κατάσταση Ενδιάµεση κατάσταση Τελική κατάσταση Εικόνα 44: Σχηµατικό επεξηγηµατικό µοντέλο για τα φαινόµενα Θερµικής Ισορροπίας Στην αρχή ; Στο τέλος οχείο Α οχείο Β οχείο Α οχείο Β Εικόνα 45: ιάγραµµα µε θερµόµετρα ΚΕΦ. ΙΙΙ Η Ι ΑΚΤΙΚΗ ΣΕΙΡΑ 113

126 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Το µοντέλο αυτό χρησιµοποιείται στη µελέτη όλων των φαινοµένων που διαπραγµατεύεται η διδακτική µας σειρά, αφού όλα ανάγονται σε καταστάσεις θερµικής ισορροπίας. Για παράδειγµα, επανέρχεται κατά τη διδασκαλία της θερµικής ακτινοβολίας όπου και πάλι ουσιαστικά εξετάζεται το φαινόµενο της θερµικής ισορροπίας ενός σώµατος στο περιβάλλον. Ειδικότερα η περίπτωση του περιβάλλοντος, αντιµετωπίζεται ως ένα σώµα το οποίο έχει πολύ µεγάλη (άπειρη) µάζα και κατά συνέπεια άπειρη θερµοχωρητικότητα, εποµένως η θερµοκρασία του πρακτικά δεν µεταβάλλεται καθόλου, όταν αλληλεπιδρά µε άλλα σώµατα. Απλά γίνεται και µια εξειδίκευση σχετικά µε τη διάδοση της θερµότητας σε κάθε ένα από τα φαινόµενα που µελετώνται, αποσαφηνίζεται δηλαδή ο τρόπος που η θερµότητα διαδίδεται κάθε φορά (π.χ. µέσω επαφής ή µέσω ακτινοβολίας.) - Το σχηµατικό µοντέλο Το σχηµατικό µοντέλο (Εικόνα 44), εισήχθηκε στην πειραµατική διδασκαλία σε 3 βήµατα, που αντιστοιχούν στις εργαστηριακές διδασκαλίες «θερµική ισορροπία 1,2 & 3» (Πίνακας 4). Συγκεκριµένα, ως προς τα φαινόµενα, εξετάζονται στις 3 αυτές διδασκαλίες αντίστοιχα: η Θ.Ι. σε ίδιες ποσότητες νερού, η Θ.Ι. σε άνισες ποσότητες νερού και τέλος η Θ.Ι. µιας ποσότητας νερού στο περιβάλλον. Για την εισαγωγή του, χρησιµοποιήθηκαν αρχικά πιο συγκεκριµένα σχέδια µε θερµόµετρα, όπως αυτά του προηγούµενου σχήµατος (Εικόνα 45) Θ1 Θτελ Θ2 Εικόνα 46: Συσχέτιση του σχηµατικού διαγράµµατος µε τη γραφική παράσταση των φαινοµένων Σταδιακά, συσχετίζοντας τα σχήµατα µε τα θερµόµετρα µε τη γραφική παράσταση του φαινοµένου (Εικόνα 46), βάζουµε την χρονική διάσταση του φαινοµένου της θερµικής ισορροπίας και προχωρούµε τελικά στην παρουσίαση του αφαιρετικού µοντέλου (Εικόνα 44), όπου συνυπάρχουν και οι τρεις βασικοί παράγοντες: θερµοκρασία, θερµότητα, χρόνος Γενικοί & ειδικοί στόχοι της διδακτικής σειράς Σχεδιάζοντας την διδακτική µας πρόταση µέσα στα πλαίσια των παραπάνω σχεδιαστικών αρχών και κάτω από το πρίσµα της εργαστηριακής αντιµετώπισης των φαινοµένων µε τη χρήση των δεδοµένων πειραµατικών εργαλείων και µέσων, 114

127 Ι. Λεύκος, 2011 µπορούµε επιγραµµατικά να αναφέρουµε τους παρακάτω στόχους, που οι µαθητές µας θεωρούµε πως θα είναι σε θέση να ικανοποιήσουν µε την ολοκλήρωση της διδασκαλίας: Α - Σε σχέση µε το γνωστικό περιεχόµενο: Να διαπιστώσουν ότι η θερµική αλληλεπίδραση µεταξύ δυο σωµάτων καταλήγει πάντοτε σε θερµική ισορροπία, οπότε και τα σώµατα αποκτούν κοινή θερµοκρασία που είναι πάντοτε ανάµεσα στις αρχικές τους Να αποδίδουν την αλλαγή της θερµοκρασίας των σωµάτων στη µεταφορά θερµότητας και να κατανοήσουν πως αυτή είναι µια µορφή ενέργειας Να προσδιορίζουν ως αίτιο της µεταφερόµενης θερµότητας την ύπαρξη διαφοράς θερµοκρασίας και ως αποκλειστική φορά της, αυτήν από το ζεστό προς το κρύο σώµα Να µπορούν να εκτιµήσουν την τελική θερµοκρασία ισορροπίας, µετά από την αλληλεπίδραση µεταξύ δυο σωµάτων, µε ποιοτικούς όρους, συσχετίζοντάς την µε τις αρχικές θερµοκρασίες, λαµβάνοντας υπόψη τον παράγοντα της µάζας και του υλικού των σωµάτων. Να διαπιστώσουν τον ρόλο του περιβάλλοντος ως ενός σώµατος µε άπειρη θερµοχωρητικότητα, του οποίου η θερµοκρασία πρακτικά δεν µεταβάλλεται κατά τη διάρκεια των θερµικών αλληλεπιδράσεων Να µελετήσουν τους παράγοντες που συνθέτουν την εξίσωση της θερµιδοµετρίας η οποία συνδέει τις αλλαγές στη θερµοκρασία ενός σώµατος µε τα ποσά θερµότητας που ανταλλάσει Να διακρίνουν τους διάφορους τρόπους διάδοσης της θερµότητας και να αναγνωρίζουν καθηµερινές καταστάσεις όπου αυτοί εµφανίζονται Να γνωρίσουν την θερµική ακτινοβολία σαν ένα τρόπο διάδοσης της θερµότητας από απόσταση, που είναι κυρίαρχος στην αλληλεπίδραση των σωµάτων µε το περιβάλλον και τις παραµέτρους που την επηρεάζουν όπως το χρώµα και η επιφάνεια των σωµάτων. Να διαπιστώσουν ότι όταν ένα σώµα είναι καλός εκποµπός θερµικής ακτινοβολίας είναι και καλός απορροφητής και το αντίστροφο Να διαπιστώσουν την σταθερότητα της θερµοκρασίας κατά τη διάρκεια των αλλαγών φάσης Να µπορούν να κατασκευάζουν και να ερµηνεύουν διαγράµµατα θ-t, φαινοµένων που αφορούν τη θερµική αλληλεπίδραση δυο σωµάτων χρησιµοποιώντας ποιοτικά δεδοµένα Β - Σε σχέση µε τον πειραµατισµό: Να µπορούν να σχεδιάζουν εικονικά ή πραγµατικά πειράµατα προκειµένου να απαντήσουν σε ποιοτικά ερωτήµατα που αφορούν καταστάσεις της καθηµερινότητας, στα πλαίσια των οποίων καλούνται: Να εκφράσουν µια υπόθεση. Να προσδιορίσουν ένα κριτήριο επαλήθευσης της υπόθεσης. Να κάνουν κατάλληλη επιλογή των πειραµατικών υλικών, συσκευών και οργάνων. Να προσδιορίσουν τις αρχικές ρυθµίσεις των πειραµατικών συσκευών Να προσδιορίσουν τις µεταβλητές που επηρεάζουν το φαινόµενο Να θέσουν τις κατάλληλες αρχικές συνθήκες Να περιγράψουν τα φαινόµενα που εµπλέκονται στο πείραµα ΚΕΦ. ΙΙΙ Η Ι ΑΚΤΙΚΗ ΣΕΙΡΑ 115

128 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Να περιγράψουν κατάλληλα την πειραµατική διαδικασία Είναι φανερό ότι η διδακτική µας σειρά στοχεύει στην κατανόηση του γνωστικού περιεχοµένου των θερµικών φαινοµένων, µέσα σε ένα περιβάλλον διερεύνησης και πειραµατισµού. Ειδικότερη στόχευση, µέσα από τη διαδικασία της άµεσης εµπλοκής των µαθητών σε εργαστηριακές ασκήσεις, είναι η εξοικείωσή τους µε την πειραµατική µεθοδολογία και κατ επέκταση µε τον επιστηµονικό τρόπο διερεύνησης των φαινοµένων. Οι παραπάνω στόχοι προσεγγίζονται ολιστικά και συνδυαστικά, µέσω των πειραµατικών δραστηριοτήτων των Φύλλων Εργασίας Η δοµή και τα περιεχόµενα της διδακτικής σειράς Μια συνολική άποψη της οργάνωσης της διδακτικής πρότασής µας παρουσιάζεται στο διάγραµµα ( ιάγραµµα 1). ιακρίνεται σε 5 θεµατικές περιοχές που καλύπτουν το σύνολο σχεδόν των θερµικών φαινοµένων που αντιµετωπίζονται στη Φυσική της Β Γυµνασίου και αποτελείται τόσο από θεωρητικά όσο και από εργαστηριακά τµήµατα. Οι θεµατικές είναι: Εισαγωγή στα θερµικά φαινόµενα Θερµική Ισορροπία Θερµιδοµετρία ιάδοση Θερµότητας Αλλαγές Φάσης Κάθε θεµατική αποτελείται από εισαγωγικά και από εργαστηριακά τµήµατα. Τα εισαγωγικά τµήµατα µπορεί να αναφέρονται σε ζητήµατα του Προγράµµατος Σπουδών όπως το «µικροσκοπικό» επεξηγηµατικό µοντέλο, που δεν είναι δυνατό να αντιµετωπιστεί εργαστηριακά. Σε άλλες περιπτώσεις αποτελούν το σηµείο παρουσίασης για τις έννοιες που αντιµετωπίζονται σε κάθε θεµατική περιοχή, τις οποίες αργότερα εξετάζουν οι µαθητές εργαστηριακά προκειµένου να διερευνήσουν τις σχέσεις που τις διέπουν και να εξάγουν τα συµπεράσµατά τους. Τέλος, υπάρχουν και ζητήµατα που λόγω της φύσης τους εξετάζονται µόνο εργαστηριακά, όπως η εξίσωση της θερµιδοµετρίας. Θεµατική Εισαγωγή Εργαστήριο Προσανατολι σµός ιερεύνηση Εισαγωγή Πρόβλεψη Σύνθεση διάταξης Εργαστήριο Συζήτηση Πειραµατισµός Εκτέλεση Σύγκριση Παρατήρηση Συµπέρασµα ιάγραµµα 1: Παράδειγµα της ανάπτυξης µιας θεµατικής στη διδακτική µας πρόταση Τα εργαστηριακά τµήµατα αποτελούνται από διάφορες φάσεις, όπως η εξοικείωση ή προσανατολισµός, όπου παρουσιάζονται στους µαθητές διάφορα οικία προβλήµατα από την καθηµερινότητα σχετικά µε το θέµα που αντιµετωπίζουν, 116

129 Ι. Λεύκος, 2011 ακολουθεί η διερεύνηση µε πειραµατισµό και στο τέλος µια συζήτηση πάνω στα ευρήµατά τους Η διδακτική προσέγγιση Το παιδαγωγικό υπόβαθρο Στην παρούσα εργασία υιοθετούµε µια παιδαγωγική προσέγγιση που έχει διερευνητικό χαρακτήρα, αλλά ο σχεδιασµός της βασίζεται στις αρχές και το υπόβαθρο του εποικοδοµητισµού. Έτσι το γενικό πλαίσιο θα µπορούσε να περιγραφεί µε βάση το µοντέλο της γνωστικής αλλαγής (conceptual change model) (Barman, 1990), στο οποίο αναγνωρίζονται τέσσερεις φάσεις: η ανάδειξη, η διερεύνηση, η επεξήγηση και η δράση (elicitation, exploration, explanation & taking action). Η πρώτη φάση έχει σκοπό από τη µια να αναδείξει τις απόψεις των µαθητών για τα φαινόµενα και από την άλλη να τους ενεργοποιήσει και να κινήσει το ενδιαφέρον τους για συµµετοχή στο µάθηµα. Η επόµενη φάση αφορά στη δοκιµή των απόψεων των µαθητών, στη διερεύνηση και τον πειραµατισµό. Στην τρίτη φάση, οι µαθητές καλούνται να κατασκευάσουν επεξηγήσεις βασισµένες στις παρατηρήσεις τους από τον πειραµατισµό και να τις συγκρίνουν µε τις αρχικές τους απόψεις, οι οποίες πιθανώς να ήταν και διαφορετικές. Τέλος, οι µαθητές εφαρµόζουν και επεκτείνουν τη νέα γνώση και θέτουν νέα ερωτήµατα. Σε όλες τις φάσεις δε, οι µαθητές εργάζονται συνεργατικά σε διµελείς οµάδες, ενώ ενδιάµεσα ενθαρρύνονται να µοιράζονται τις απόψεις, τα ευρήµατα και τα συµπεράσµατά τους συζητώντας τα στην ολοµέλεια της τάξης. Ο εκπαιδευτικός αντίστοιχα, θέτει τα κατάλληλα ερωτήµατα ώστε να αναδεικνύονται οι απόψεις των µαθητών, σχεδιάζει τις δραστηριότητες που θέτουν τις απόψεις αυτές σε δοκιµή µέσα από κατάλληλες διερευνήσεις και φροντίζει για την επικοινωνία µεταξύ των µαθητών. ηλαδή, οι µαθητές µας καλούνται να εργαστούν µέσα σε ένα διερευνητικό µαθησιακό περιβάλλον εργαστηριακού χαρακτήρα, στο οποίο όµως τα µαθησιακά υλικά έχουν επιλεγεί και κατασκευαστεί µε βάση τις έρευνες σε διεθνές και εθνικό επίπεδο, που αφορούν στις απόψεις και τις γνωστικές δυσκολίες που αντιµετωπίζουν οι µαθητές της ηλικίας αυτής σχετικά µε τα υπό µελέτη θερµικά φαινόµενα και τα αντίστοιχα πορίσµατα των ερευνών αυτών. Όπως λοιπόν έχουµε εξηγήσει και σε άλλο σηµείο, τόσο τα πειραµατικά έργα πάνω στα οποία εξασκούνται οι µαθητές, όσο και τα έργα µέσα από τα οποία ελέγχεται η µαθησιακή τους πορεία, βασίζονται στις προαναφερθείσες έρευνες. Υποστηρίζουµε λοιπόν, όπως και άλλοι ερευνητές (Minstrell & van Zee, 2000; Windschitl & Thompson, 2006) ότι µέσα σε ένα τέτοιο µαθησιακό περιβάλλον διερεύνησης, οι µαθητές έρχονται σε επαφή µε καταστάσεις, ανάλογες κατά µία έννοια µε αυτές των επιστηµόνων, παρέχοντας δυνατότητες για βελτίωση των επιστηµονικών τους δεξιοτήτων και ταυτόχρονα για την οικοδόµηση µε ενεργητικό τρόπο των επιστηµονικών εννοιών και µοντέλων, όπως µε παρόµοιο τρόπο οι επιστήµονες παρεµβαίνουν και αναπαριστούν τον φυσικό κόσµο Ενσωµάτωση των εργαλείων ΤΠΕ ΚΕΦ. ΙΙΙ Η Ι ΑΚΤΙΚΗ ΣΕΙΡΑ 117

130 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Τα εργαλεία που χρησιµοποιήθηκαν στην εργαστηριακή διδασκαλία ήταν τόσο τα συµβατικά πειραµατικά, όσο και αυτά που ανήκουν στις ΤΠΕ. Ειδικότερα τα τελευταία ήταν το Coach (µια πλατφόρµα MBL) και το ΣΕΠ (ένα εικονικό εργαστηριακό περιβάλλον), που έχουν ως κοινά γνωρίσµατα (α) τον «ανοιχτό» τους χαρακτήρα και (β) την συγχρονική προβολή των γραφικών παραστάσεων των φαινοµένων, το οποίο και θεωρούµε κρίσιµο σηµείο για την διδασκαλία µας (Hatzikraniotis et al, 2001; Lefkos et al, 2000). Καθώς οι θεµατικές διαδέχονται η µία την άλλη, το σύνολο της διδασκαλίας µας εµφανίζει µια δοµή εναλλασσόµενων εισαγωγικών φάσεων προσανατολισµού των µαθητών και εργαστηριακών τµηµάτων. Στον παρακάτω πίνακα (Πίνακας 3), περιγράφεται η ακολουθία των θεµατικών, µε αναφορά τόσο στο περιεχόµενό τους, όσο και στα πειραµατικά µέσα και εργαλεία που χρησιµοποιούνται κάθε φορά στα εργαστήρια. Τα συµβατικά πειραµατικά µέσα συµβολίζονται HON, οι συγχρονικές διατάξεις MBL και τα προσοµοιωµένα πειράµατα SVL (από τους όρους Hands-on, Microcomputer Based Laboratory και Simulated Virtual Laboratory αντίστοιχα). Όπως φαίνεται από την παρακάτω δοµή, το κύριο µέσο πειραµατισµού στη διδακτική µας σειρά είναι το προσοµοιωµένο εικονικό εργαστήριο, το οποίο είτε αυτόνοµα είτε σε συνδυασµό µε άλλα µέσα, διατρέχει όλες τις ενότητες πέραν της εισαγωγικής. Επιπλέον, αποτέλεσε και το αποκλειστικό σχεδόν µέσο για την εµπλοκή των µαθητών σε παραµετρικές πειραµατικές διερευνήσεις, καθώς η χρήση MBL στις περισσότερες των περιπτώσεων έγινε υπό την µορφή πειράµατος επίδειξης. Πίνακας 3: Τα ζητήµατα που εξετάζονται σε κάθε θεµατική περιοχή και τα πειραµατικά µέσα που χρησιµοποιούνται στα αντίστοιχα εργαστηριακά τµήµατα. Θεµατική Περιοχή Εισαγωγή στα θερµικά φαινόµενα Θερµική Ισορροπία Θερµιδοµετρία ιάδοση Θερµότητας Αλλαγές Φάσης Φαινόµενα/ ζητήµατα που εξετάζονται Θερµόµετρα & µέτρηση θερµοκρασίας υο σώµατα, ίδια µάζα υο σώµατα, διαφορετική µάζα Ένα σώµα - περιβάλλον ιαφορετικά υλικά υγρό / υγρό ιαφορετικά υλικά υγρό / στερεό ιάδοση µε αγωγή ιάδοση µε ρεύµατα ιάδοση µε ακτινοβολία Τήξη / πήξη Βρασµός, Εξαέρωση/ συµπύκνωση Πειραµατικά µέσα HON + MBL MBL+SVL SVL HON+MBL +SVL MBL+SVL Όπως περιγράψαµε από την αρχή, η διδακτική αυτή πρόταση στηρίζεται στην επιλογή της Θερµικής Ισορροπίας σαν έννοια «κλειδί» για τη διδασκαλία των θερµικών φαινοµένων. Με τη λογική αυτή φέρνουµε τους µαθητές µας κυρίως αντιµέτωπους µε προβλήµατα θερµικών αλληλεπιδράσεων µεταξύ δυο σωµάτων (ή ένα σώµα και το περιβάλλον του), µε σκοπό να οικοδοµήσουν σιγά-σιγά ένα συµπαγές επεξηγηµατικό µοντέλο που «αναγκαστικά» θα περιλαµβάνει διαπλεγµένες τις έννοιες θερµότητα και θερµοκρασία. Από την άλλη µεριά η µελέτη της εξίσωσης 118

131 Ι. Λεύκος, 2011 της Θερµιδοµετρίας, προσέδωσε την οπτική των θερµικών αλληλεπιδράσεων του ενός σώµατος (Εικόνα 43) Οι πειραµατικές δραστηριότητες της διδακτικής σειράς Οι πειραµατικές δραστηριότητες που αναπτύχθηκαν και υλοποιήθηκαν στο εικονικό εργαστήριο, ενσωµατώνουν σχεδιαστικές αρχές που αφορούν το ρόλο του εικονικού εργαστηρίου και των γραφικών παραστάσεων σε αυτό. Οι βασικές αρχές οι οποίες αποτελούν το πλαίσιο, πάνω στο οποίο δοµούνται οι δραστηριότητες και η ακολουθία τους, περιλαµβάνουν τις ακόλουθες θέσεις: Εντάσσουµε το "εικονικό εργαστήριο", µε στόχο την αντιµετώπιση των περιορισµών των κλασικών εργαστηριακών πρακτικών, την αναπαράσταση απλοποιηµένων θεωρητικών προτύπων και την ενίσχυση της παραµετρικής προσέγγισης των εννοιών και των φαινοµένων. Αποδίδουµε στο "εικονικό εργαστήριο" χαρακτήρα συµπληρωµατικό των κλασικών πρακτικών µελέτης του πραγµατικού κόσµου, από τον οποίο προέρχονται οι εµπειρίες των µαθητών και η αίσθηση των φαινοµένων. Εντάσσουµε τεχνικές πολυµέσων, µε τη µορφή διασυνδεδεµένων πολλαπλών αναπαραστάσεων της εξέλιξης των µεταβολών (κινούµενες εικόνες, γραφικές παραστάσεις, ενδείξεις εικονικών οργάνων, αριθµητικές απεικονίσεις, κλπ), σε άµεση αλληλεπιδραστική συσχέτιση µεταξύ τους, µε σκοπό τη πολλαπλή προσέγγιση στη γνώση. Αναθέτουµε στο µαθητή ρόλο διαχείρισης των εµπειρικών δεδοµένων που παρέχει ο υπολογιστής και όχι ρόλο απλού παρατηρητή. Οι πολυµεσικές αναπαραστάσεις του υπολογιστή διέρχονται από το πρίσµα της ερµηνευτικής σκοπιάς του κάθε µαθητή, ώστε να αποκτήσουν νόηµα. Έτσι, οι δραστηριότητες που υποβάλλουν οι τεχνικές αλληλεπίδρασης, επιτρέπουν στους µαθητές να λαµβάνουν και να αναλύουν τα δεδοµένα πολύ γρήγορα και µε ακρίβεια, ώστε να έχουν χρόνο για να δοκιµάζουν νέες ιδέες. Θεωρούµε ότι οι γραφικές παραστάσεις αναλαµβάνουν εξειδικευµένο ρόλο, ως νοητική γέφυρα, που συνδέει, στις αντιλήψεις των µαθητών, τον κόσµο της θεωρίας µε τον κόσµο των αντίστοιχων φαινοµένων. Προς τούτο λαµβάνουµε υπόψη ότι οι µαθητές παρουσιάζουν διάφορες απόψεις για τη σηµασία των γραφικών παραστάσεων και ιδιαίτερα προβλήµατα και παρανοήσεις στο χειρισµό τους. Οι εφαρµογές Νέων Τεχνολογιών αναλαµβάνουν ρόλο στον επανακαθορισµό και την κατανοµή των δεξιοτήτων. Η µετατόπιση της σπουδαιότητας των δεξιοτήτων από τη χειρωνακτική κατασκευή στην ποιοτική ερµηνεία, ενισχύεται από τη δυνατότητα αυτόµατης λήψης πολλαπλών γραφικών παραστάσεων σε πραγµατικό χρόνο, µέσω των προσοµοιωµένων φαινοµένων που λαµβάνουν χώρα στο εικονικό εργαστήριο. Θεωρούµε ότι η προσέγγιση της κατανόησης του περιεχοµένου και της ανάπτυξης των δεξιοτήτων θα πρέπει να είναι διαπλεκόµενη. εν αποσκοπούµε στη µεµονωµένη διδασκαλία του περιεχοµένου ή των διαδικασιών, αλλά στον αλφαβητισµό στη γραφική συµβολική γλώσσα, η οποία θεωρείται κατάλληλη για τη περιγραφή εννοιών και φαινοµένων, κατά την εκπαίδευση στις Φυσικές Επιστήµες. Η ένταξη του "εικονικού εργαστηρίου" λαµβάνει υπόψη και τις γνώσεις περιεχοµένου και τις γνώσεις και δεξιότητες περί γραφικών παραστάσεων. ΚΕΦ. ΙΙΙ Η Ι ΑΚΤΙΚΗ ΣΕΙΡΑ 119

132 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Πίνακας 4: Οι πειραµατικές δραστηριότητες της διδακτικής σειράς Εισαγωγή 1. Θερµοµέτρηση µε θερµόµετρα διαστολής (HON) 2. Θερµοµέτρηση µε θερµόµετρα Coach + εγκυροποίηση (MBL) Πειράµατα Αγωγής 1. Θερµική αλληλεπίδραση ίσων µαζών (MBL) 2. Θερµική αλληλεπίδραση ίσων µαζών + εγκυροποίηση (SVL) 3. Θερµική αλληλεπίδραση διαφορετικών µαζών (SVL) 4. Θερµική αλληλεπίδραση διαφορετικών υλικών-α (SVL) 5. Θερµική αλληλεπίδραση διαφορετικών υλικών-β (SVL) Πειράµατα Ακτινοβολίας 0. Ακτινοβολία λάµπας πυρακτώσεως - απορρόφηση στο χέρι των µαθητών ( πείραµα επίδειξης) (HON) 1. Ακτινοβολία άσπρο/ µαύρο χρώµα - εκποµπή (πείραµα επίδειξης) (MBL) 2. Ακτινοβολία µαύρο χρώµα - εκποµπή - ανταλλαγές θερµότητας (SVL) 3. Ακτινοβολία µικρή / µεγάλη επιφάνεια - εκποµπή & απορρόφηση (SVL) 4. Ακτινοβολία - θερµική ισορροπία µε το περιβάλλον (πείραµα επίδειξης) (HON - MBL) 5. Ακτινοβολία - θερµική ισορροπία µε το περιβάλλον (SVL) Αλλαγές κατάστασης 1. Τήξη πάγου σε θερµό λουτρό (SVL) 2. Βρασµός, καθαρότητα µέσω βρασµού (SVL) Η προσέγγιση µέσα από προβλήµατα αλληλεπίδρασης 2 σωµάτων σύνδεση µε την καθηµερινότητα Η κεντρική ιδέα πίσω από όλα τα έργα στα φύλλα εργασίας της σειράς, όπως εξάλλου και από τα έργα των ερωτηµατολογίων, είναι να αντιµετωπίζουν οι µαθητές καταστάσεις θερµικής αλληλεπίδρασης µεταξύ δυο σωµάτων. Ποιοτικό ερώτηµα έναυσµα / καθηµερινότητα Ποσοτικοποίηση ερωτήµατος / Πειραµατισµός Ποιοτικό ερώτηµα συµπερασµατικό / καθηµερινότητα 120 Εικόνα 47: Συνδυασµός ποσοτικών και ποιοτικών ερωτηµάτων στις εργαστηριακές δραστηριότητες

133 Ι. Λεύκος, 2011 Από άποψη µορφής, τα έργα είναι ποιοτικού και ηµι-ποσοτικού τύπου και δεν απαιτούνται από τη µεριά των µαθητών κανενός είδους υπολογισµοί, στο µέρος τουλάχιστο που αφορά την πρόβλεψή τους για το αποτέλεσµα των θερµικών αλληλεπιδράσεων. Αυτό επιτυγχάνεται διότι οι µαθητές είτε απαντούν λεκτικά µε ποιοτικούς όρους (η θερµοκρασία θα είναι πιο πάνω/πιο κάτω/στο µέσο, ή το νερό θα είναι πιο ζεστό/πιο κρύο/χλιαρό), είτε απαντούν γραφικά, σηµειώνοντας τις απόψεις τους πάνω σε ένα θερµοµετρικό διάγραµµα ή σχεδιάζοντας µια γραφική παράσταση. Η επιλογή των έργων ποιοτικού τύπου στα ερωτηµατολόγια, συνοδεύεται επίσης από αντίστοιχου τύπου ερωτήσεις εναύσµατα στα φύλλα εργασίας των πειραµατικών δραστηριοτήτων των µαθητών, καθώς και µε συµπερασµατικές ερωτήσεις στο τέλος των δραστηριοτήτων αυτών. Οι εργαστηριακές βέβαια δραστηριότητες, είναι «αναγκαστικά» ποσοτικού τύπου, µιας και εµπλέκονται σε διαδικασίες θερµοµέτρησης των σωµάτων που αλληλεπιδρούν, είτε αυτές είναι µε πραγµατικά είτε είναι µε εικονικά θερµόµετρα ή αισθητήρες θερµοκρασίας. ηλαδή, οι µαθητές αντιµετωπίζουν ένα σχήµα ποιοτικό ποσοτικό - ποιοτικό (Εικόνα 47) σε κάθε εργαστηριακή τους δραστηριότητα. Ταυτόχρονα το περιεχόµενο των ποιοτικών έργων από άποψη διατύπωσης είναι κοντά στην καθηµερινότητα των µαθητών, ενώ των ποσοτικών έχει ένα χαρακτήρα εργαστηριακό (πιο επιστηµονικού τύπου), προσπαθώντας έτσι να πετύχουµε ταυτόχρονα δυο στόχους: Να συνδέσουµε την καθηµερινή µε την σχολική (επιστηµονική) Φυσική, επιδίωξη που τίθεται στους σκοπούς των Προγραµµάτων Σπουδών όλων των βαθµίδων και είναι διαπιστωµένο από τις έρευνες το γεγονός ότι οι µαθητές δυσκολεύονται να επιτύχουν (Yeo & Zadnik, 2001). Να συνδέσουµε τις ποιοτικές απόψεις των µαθητών, που συνήθως είναι περισσότερο επιτυχηµένες γιατί είναι διαισθητικές, µε τις ποσοτικές που συνήθως είναι προβληµατικές για τα παιδιά αυτής της ηλικίας (Stavy & Berkovitz, 1980). 2. Τα Φύλλα Εργασίας & δραστηριότητες Κύριος στόχος της εφαρµογής του εικονικού εργαστηρίου αποτελεί η κατανόηση εννοιών και φαινοµένων από τον τοµέα της Θερµότητας. Ο στόχος εξυπηρετείται µε την ένταξη γραφικών παραστάσεων, επιδιώκεται εποµένως, ταυτόχρονα, η ανάπτυξη δεξιοτήτων κατασκευής και ερµηνείας γραφικών παραστάσεων θερµικών µεταβολών. εχόµενοι το εποικοδοµητικό πρότυπο για τη διδασκαλία και µάθηση (Driver, 1984, Tiberghien, 1996, Psillos & Kariotoglou, 1999) και µε την εισαγωγή της διττής προσέγγισης της διδασκαλίας των γνώσεων περιεχοµένου και των διαδικαστικών γνώσεων, ο σχεδιασµός δραστηριοτήτων, που βασίζεται στις δυνατότητες του λογισµικού, λαµβάνει υπόψη, µαζί µε τις αντιλήψεις των µαθητών για το περιεχόµενο της Θερµότητας και τις αντιλήψεις τους για το χειρισµό των γραφικών παραστάσεων, που αναλύθηκαν προηγουµένως. Οι δραστηριότητες ένταξης του λογισµικού αποτελούν προϊόν συνεκτίµησης σχεδιαστικών αρχών, διδακτικών στόχων και περιεχοµένου θεωρίας, φαινοµένων και αναπαραστάσεων, υπό το πρίσµα των καινοτόµων λειτουργιών που εισάγουν οι εφαρµογές πολυµέσων στη διδασκαλία των Φυσικών Επιστηµών. ΚΕΦ. ΙΙΙ Η Ι ΑΚΤΙΚΗ ΣΕΙΡΑ 121

134 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ 2.1. Φύλλα εργασίας: οµή Ανάλυση Σχεδιαστικές Αρχές Η ένταξη του λογισµικού και η οργάνωση των διδακτικών έργων καθορίζεται από δραστηριότητες Φύλλων Εργασίας, οι οποίες συντονίζουν τους µαθητές κατά την διεξαγωγή πειραµατικών δραστηριοτήτων και στις διαδικασίες χειρισµού γραφικών παραστάσεων, ενώ παράλληλα τους κατευθύνουν στη χρήση του εικονικού εργαστηρίου. Από παιδαγωγική άποψη, τα εργαστηριακά τµήµατα ακολουθούν τη λογική της ανοιχτής µάθησης. Οι µαθητές εµπλέκονται σε ηµι-δοµηµένες συζητήσεις πάνω σε κάθε ζήτηµα, το οποίο καλούνται να διερευνήσουν πειραµατικά. Οι διερευνήσεις ακολουθούν την δοµή Πρόβλεψη Παρατήρηση Εξήγηση (PEO) και διεξάγονται καθοδηγούµενες από ένα Φύλλο Εργασίας. Οι µαθητές δηλαδή καταγράφουν τις προβλέψεις τους, εκτελούν τα πειράµατά τους και συγκρίνουν τα αποτελέσµατα µε την πρόβλεψη. Τα πειραµατικά εργαλεία ΤΠΕ που χρησιµοποιούνται κάθε φορά είναι διαφορετικά για κάθε θεµατική, ανάλογα µε το περιεχόµενό της. Οι συγχρονικές διατάξεις MBL που µπορούν να αποτελέσουν ένα ισχυρό σύνδεσµο µεταξύ των φαινοµένων του πραγµατικού κόσµου και των γραφικών τους αναπαραστάσεων, χρησιµοποιούνται κυρίως στην εισαγωγική φάση της θεµατικής. Το ΣΕΠ από την άλλη µεριά, που παρέχει την δυνατότητα της πολύ εύκολης σύνθεσης των διατάξεων, της αναδιάταξης και της επανάληψης των πειραµάτων, προσφέρεται για την παραµετρική διερεύνηση των φαινοµένων. Επιπλέον χαρακτηριστικά του ΣΕΠ αποδείχθηκαν πολύ χρήσιµα στον σχεδιασµό πειραµάτων που εκτελούνται σε «µηπραγµατικές» συνθήκες, όπως η επιτάχυνση του χρόνου (µέχρι και 100 φορές του πραγµατικού), η ρύθµιση της θερµοκρασίας περιβάλλοντος του εργαστηρίου (από -20 µέχρι 130 ο C), η µέτρηση της θερµότητας που µεταφέρεται στα σώµατα. Εξίσου σηµαντική αποδείχθηκε και η δυνατότητα διακοπής & συνέχισης των πειραµάτων, που δίνει τη δυνατότητα στους µαθητές να εστιάσουν σε κρίσιµα σηµεία την ώρα διεξαγωγής του πειράµατος και φυσικά η συγχρονική κατασκευή των γραφικών παραστάσεων και η πολλαπλότητα των αναπαραστάσεων των φαινοµένων, χαρακτηριστικά που προσδίδουν για τους µαθητές αξιοπιστία στο περιβάλλον (Squires, 1999; Petridou, 2005; Fourlari, 2004). Σε αυτό το πλαίσιο, αναπτύχθηκαν δοµηµένες δραστηριότητες, που αποσκοπούν στην ολοκληρωµένη µελέτη εννοιών και φαινοµένων. Για κάθε έννοια ή φαινόµενο, ανάλογα και µε τις παραµέτρους που περιέχουν οι σχέσεις µεταξύ των φυσικών µεγεθών, υπάρχουν ένα ή περισσότερα Φύλλα Εργασίας. Κάθε Φύλλο Εργασίας έχει µια αρθρωτή δοµή που αποτελείται από περισσότερα του ενός µέρη (πειράµατα), µε συνέπεια να χαρακτηρίζεται από σχετική αυτονοµία, έτσι ώστε ο εκπαιδευτικός να µπορεί, επιλεκτικά, να οργανώσει µια διδακτική ακολουθία, προσαρµοσµένη στις ανάγκες των µαθητών του. 122

135 Ι. Λεύκος, 2011 Για τα Φύλλα Εργασίας προτείνονται επί µέρους φάσεις πρόβλεψης, µετρήσεων, γραφικής αναπαράστασης και έκφρασης συµπερασµάτων για τις σχέσεις µεταξύ των µεγεθών. Ένα τυπικό Φύλλο Εργασίας περιλαµβάνει συνήθως περισσότερα του ενός πειράµατα τα οποία περιλαµβάνουν, ενδεικτικά, τις ακόλουθες φάσεις (Εικόνα 48): Φάση 1 - Οι µαθητές συνθέτουν την εικονική πειραµατική διάταξη στην οθόνη του υπολογιστή. Φάση 2 - Εκφράζουν υποθέσεις σχετικά µε την εξέλιξη των φαινοµένων και τη µεταβολή στα µεγέθη. Κατά περίπτωση, κατασκευάζουν τη γραφική παράσταση που υποθέτουν ότι συµβολίζει την εξέλιξη. Φάση 3 - Εκτελούν το πείραµα και παρακολουθούν την εικονική εξέλιξη του φαινοµένου και την ταυτόχρονη κατασκευή της γραφικής παράστασης. Φάση 4 - Οι µαθητές τροποποιούν τις τιµές των παραµέτρων του πειράµατος 1. ΣΥΝΘΕΣΗ ΕΙΚΟΝΙΚΗΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΙΑΤΑΞΗΣ 2. ΥΠΟΘΕΣΗ ΕΞΕΛΙΞΗΣ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ 3.ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΕΙΚΟΝΙΚΟΥ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ 4.ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΤΙΜΗΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΥ 5.ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΓΡΑΦΙΚΩΝ ΠΑΡΑΣΤΑΣΕΩΝ Εικόνα 48: Ακολουθία φάσεων στα πειράµατα ενός τυπικού Φύλλου Εργασίας και επαναλαµβάνουν την έκφραση υποθέσεων και εκτελούν το πείραµα µε τα νέα στοιχεία, µε σκοπό τη παραµετρική διερεύνηση του πεδίου. Φάση 5 - Σε όλες τις φάσεις µπορούν να συγκρίνουν, µεταξύ τους, τις γραφικές παραστάσεις που ελήφθησαν. Η δραστηριότητα αυτή οδηγεί στην ποσοτική προσέγγιση, κατά τη διερεύνηση της θεωρητικής σχέσης µεταξύ των µεγεθών και στην έκφραση συµπερασµάτων οµή Τα Φύλλα Εργασίας περιέχουν επίσης εισαγωγικές πληροφορίες, που αφορούν τους στόχους, τα υλικά, και τις προαπαιτούµενες θεωρητικές γνώσεις. Σε περιπτώσεις µελέτης περιλαµβάνουν επιπλέον τελικές δραστηριότητες, οι οποίες έχουν παιγνιώδη χαρακτήρα και αποσκοπούν, ως σύνοψη ή διεύρυνση των γνώσεων, στην εφαρµογή και ανατροφοδότηση των συµπερασµάτων. Όπου είναι δυνατόν προβλέπονται, επίσης, συνεργατικές δραστηριότητες, σύµφωνα µε τα οποίες οι οµάδες εργασίας ανταλλάσσουν συµπεράσµατα σε συµπληρωµατικά προβλήµατα, καταλήγοντας έτσι σε περεταίρω γενικεύσεις. Η διασύνδεση του πεδίου θερµότητας και των γραφικών παραστάσεων επιδιώκεται, διδακτικά, µε την χρήση των παραστάσεων, ως κοινής µεθόδου περιγραφής των θερµικών µεταβολών (Μπισδικιάν & Ψύλλος, 1998). Ως εκ τούτου, η ένταξη του λογισµικού βασίζεται στη διαπλοκή, στην αντίληψη των µαθητών, στοιχείων περιεχοµένου θερµότητας και χαρακτηριστικών γραφικών παραστάσεων. Η ανάπτυξη της πειραµατικής διάταξης στο εικονικό περιβάλλον (Φάση 1), αποσκοπεί στην εξοικείωση και την αισθητοποίησή τους µε τις διαδικασίες και τα ΚΕΦ. ΙΙΙ Η Ι ΑΚΤΙΚΗ ΣΕΙΡΑ 123

136 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ φαινόµενα, καθώς και στην µετέπειτα οµαλή µετάβαση προς την εκτέλεση της προσοµοίωσης. Η γραφική έκφραση υποθέσεων (Φάση 2), αποτελεί το πεδίο αναφοράς για τις αρχικές αντιλήψεις των µαθητών, οι προσοµοιώσεις (Φάση 3) καθορίζουν το επίπεδο λειτουργικής αφαίρεσης του περιεχοµένου σε σχέση µε το επιστηµονικό πρότυπο και περιορίζουν την ελευθερία ελέγχου των µαθητών, ώστε αυτή να εστιαστεί στον χειρισµό των παραµέτρων των φαινοµένων (Φάση 4). Η σύγκριση των παραστάσεων που λαµβάνονται από τα προσοµοιωµένα πειράµατα µε την παράσταση της πρόβλεψης και η δυνατότητα επανάληψης της κατασκευής νέων γραφικών παραστάσεων µε νέες τιµές παραµέτρων (Φάση 5), µπορεί να οδηγήσει στην ενίσχυση ή την αναθεώρηση των αντιλήψεων των µαθητών. 124

137 Ι. Λεύκος, Ανάλυση των Φύλλων Εργασίας Θεµατικές Ενότητες Στην ενότητα αυτή, πρόκειται να αναλυθεί λεπτοµερειακά, η δοµή και η φιλοσοφία των Φύλλων Εργασίας που υλοποιούν, όπως αναφέρθηκε προηγουµένως, την πρόταση διδακτικής ένταξης του "Εικονικού Εργαστηρίου Θερµότητας" στην εργαστηριακή διδασκαλία της Θερµότητας. Το σύνολο της διδακτικής πρότασης, αφορά την υποστήριξη της θερµότητας, όπως αυτή εµφανίζεται στο Α.Π. του Γυµνασίου και µπορούµε να πούµε ότι είναι δοµηµένη σε τέσσερις κύριες θεµατικές ενότητες (Εικόνα 49). ιάκριση Θερµότητας - Θερµοκρασίας Φ.Ε.1: Εξαρτάται η θερµοκρασία τήξης ενός στερεού από τη µάζα του; Θεµατικές Ενότητες Θερµιδοµετρία Θερµική Ισορροπία Αλλαγές Φυσικής Κατάστασης Τήξη - Πήξη Βρασµός Φ.Ε.2: Εξαρτάται η θερµοκρασία πήξης ενός υγρού από τη µάζα του; Φ.Ε.3: Εξαρτάται η θερµοκρασία πήξης ή τήξης ενός σώµατος από το υλικό του; Φ.Ε.1: Εξαρτάται η θερµοκρασία βρασµού ενός υγρού από τη µάζα του; Φ.Ε.2: Εξαρτάται η θερµοκρασία βρασµού ενός υγρού από το υλικό του; Θερµότητα και Ακτινοβολία Καθαρότητα µέσω Βρασµού Φ.Ε.1: Εξαρτάται η θερµοκρασία βρασµού ενός διαλύµατος από τη συγκέντρωσή του; Φ.Ε.2: Εξαρτάται η θερµοκρασία βρασµού ενός διαλύµατος από το είδος της διαλυµένης ουσίας; Εικόνα 49: οι θεµατικές ενότητες της διδακτικής σειράς και αναλυτική παρουσίαση της οργάνωσης των Φύλλων Εργασίας για την ενότητα «αλλαγές φυσικής κατάστασης». Η ανάλυση που εµφανίζεται παραδειγµατικά στη συνέχεια, αφορά την ενότητα που αναφέρεται στις αλλαγές φυσικής κατάστασης και ως συγκεκριµένο παράδειγµα επιλέχθηκε η µελέτη του φαινοµένου του βρασµού. Όµως, οι σχεδιαστικές αρχές και η δοµή και µορφολογία των Φύλλων Εργασίας, είναι ενιαία στο σύνολο της διδακτικής πρότασης. Στην εικόνα (Εικόνα 49), παρουσιάζεται συνοπτικά το σύνολο των θεµατικών ενοτήτων της διδακτικής πρότασης, ενώ αναλυτικά η οργάνωση των Φύλλων Εργασίας που αφορούν τη µελέτη των αλλαγών φυσικής κατάστασης ΚΕΦ. ΙΙΙ Η Ι ΑΚΤΙΚΗ ΣΕΙΡΑ 125

138 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ 2.3. Μελέτη περίπτωσης: Πειράµατα Μελέτης του Βρασµού Η µελέτη του φαινοµένου του βρασµού, στη διδακτική µας πρόταση, υλοποιείται µέσα από δυο (2) Φύλλα Εργασίας µε γενικό στόχο να διερευνήσουν οι µαθητές την ανεξαρτησία της θερµοκρασίας βρασµού από τη µάζα του υγρού και την εξάρτηση από το είδος του. Η µελέτη αυτή και οι παραπάνω γνωστικοί στόχοι, µέσα από τις δραστηριότητες των Φύλλων Εργασίας, διαπλέκονται µε την ανάπτυξη δεξιοτήτων χειρισµού γραφικών παραστάσεων, ποιοτικού και ηµι-ποσοτικού χαρακτήρα. Για την παρούσα ανάλυση, επιλέχθηκε ως µελέτη περίπτωσης, ένα χαρακτηριστικό / τυπικό Φύλλο Εργασίας, που αφορά στη "Μελέτη του Βρασµού". Όλα τα Φύλλα Εργασίας, έχουν οµοιόµορφη δοµή, µορφή, γλώσσα και επιµέρους επικοινωνιακά χαρακτηριστικά, ώστε να διευκολύνεται η χρήση τους από τους µαθητές και η γρήγορη εξοικείωσή τους, περιλαµβάνουν δε περισσότερα του ενός πειράµατα (ή παραλλαγές τους), µε απώτερο κοινό σκοπό την απάντηση κάποιου "ερευνητικού" ερωτήµατος. Στη γενική τους µορφή εξάλλου, µπορούµε να πούµε ότι δε διαφέρουν από αντίστοιχα "τυπικά" Φύλλα Εργασίας, που χρησιµοποιούνται σε συµβατικές εργαστηριακές ασκήσεις οµή Η δοµή των δυο Φύλλων Εργασίας για τη µελέτη του βρασµού, που θα περιγράψουµε, έχουν τη µορφή που παρουσιάζεται στο παρακάτω διάγραµµα. Παρόµοια δοµή έχουν και όλα τα υπόλοιπα Φύλλα Εργασίας της διδακτικής µας πρότασης. Παρατηρούµε κατ αρχήν, ότι κάθε ένα χωρίζεται σε τρια (3) µέρη. Η αρθρωτή αυτή δοµή, είναι µια γενικότερη σχεδιαστική στρατηγική που ακολουθείται σε όλα τα Φύλλα Εργασίας (υπάρχουν και Φ.Ε. µε δυο ή τέσσερα µέρη) και σκοπό έχει την εύκολη προσαρµογή τους σε διάφορες συνθήκες διδασκαλίας. Με τη λογική αυτή κάθε µέρος είναι (σχετικά) αυτόνοµο, αν και όλα εξυπηρετούν ταυτόχρονα τους ίδιους στόχους, ώστε ο καθηγητής µπορεί να εκτελέσει ή να παραλείψει κάποιο από τα τµήµατα αυτά, εκτιµώντας τις συνθήκες της τάξης του. 2 Ν. Αντωνίου κ.ά., "Φυσική Β' Γυµνασίου - Εργαστηριακός Οδηγός", ΥΠ.Ε.Π.Θ., Αθήνα

139 Ι. Λεύκος, 2011 ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΜΕΛΕΤΗΣ ΤΟΥ ΒΡΑΣΜΟΥ ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 1: Εξαρτάται η θερµοκρασία βρασµού ενός υγρού από τη µάζα του; ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 2: Εξαρτάται η θερµοκρασία βρασµού ενός υγρού από το υλικό του; ΜΕΡΟΣ Α ΜΕΡΟΣ Β ΜΕΡΟΣ Γ ΜΕΡΟΣ Α ΜΕΡΟΣ Β ΜΕΡΟΣ Γ ΡΑΣΤΗΡΙΟ- ΤΗΤΕΣ: ΡΑΣΤΗΡΙΟ- ΤΗΤΕΣ: ΡΑΣΤΗΡΙΟ- ΤΗΤΕΣ: ΡΑΣΤΗΡΙΟ- ΤΗΤΕΣ: ΡΑΣΤΗΡΙΟ- ΤΗΤΕΣ: ΡΑΣΤΗΡΙΟ- ΤΗΤΕΣ: 1- Σύνθεση πειραµατικής διάταξης 2-Εκτέλεση πειράµατος 1-Σύνθεση πειραµατικής διάταξης 2-Πρόβλεψη εξέλιξης 3-Εκτέλεση πειράµατος έλεγχος πρόβλεψης 4-Λήψη τιµών κατασκευή γραφήµατος 5-Εξαγωγή συµπερασµάτων 1- Σύνθεση πειραµατικής διάταξης 2-Πρόβλεψη εξέλιξης 1- Σύνθεση πειραµατικής διάταξης 2-Πρόβλεψη εξέλιξης 3-Εκτέλεση πειράµατος Έλεγχος πρόβλεψης 4-Λήξη τιµών κατασκευή γραφήµατος 5-Εξαγωγή συµπερασµάτων 1-Εκµετάλλευση έτοιµων πειραµατικών δεδοµένων 2- Γραφική αναπαράσταση φαινοµένου 3-Εξαγωγή συµπερασµάτων 1-Θεωρητική εισαγωγή Ταυτοποίηση υλικών 2-Άσκηση ανάγνωσης γραφικών παραστάσεων Εικόνα 50: Η δοµή των δυο Φύλλων Εργασίας για τη µελέτη του βρασµού ΚΕΦ. ΙΙΙ Η Ι ΑΚΤΙΚΗ ΣΕΙΡΑ 127

140 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Επικοινωνιακά χαρακτηριστικά Κάθε Φύλλο Εργασίας, έχει αρίθµηση και τίτλο στον οποίο δίνεται το ερευνητικό ερώτηµα που πρόκειται να απαντηθεί κατά τη µελέτη του π.χ. "Φ.Ε. 4.1: Εξαρτάται η θερµοκρασία βρασµού ενός υγρού από τη µάζα του;" Μετά από τον τίτλο, ακολουθεί κατάλογος µε τα υλικά του εικονικού εργαστηρίου, που απαιτούνται για την εκτέλεση όλων των πειραµάτων. Στην αρχή του Φύλλου Εργασίας επίσης, παρατίθενται οι στόχοι (γνωστικοί ή ανάπτυξης δεξιοτήτων) τους οποίους επιδιώκει η εκτέλεσή του. Πιστεύουµε ότι οι µαθητές πρέπει να γνωρίζουν από την αρχή τον σκοπό της εκτέλεσης των ασκήσεών τους, διότι αυτό βοηθάει στην καλύτερη εστίαση των ενεργειών τους, καθώς τους προσφέρεται ένα σηµείο άµεσης αναφοράς. Τα µέρη στα οποία χωρίζεται σηµατοδοτούνται µε πλαισιωµένα κεφαλαία ελληνικά γράµµατα : π.χ. Α Η σύνθεση των πειραµατικών διατάξεων ή οποιαδήποτε αλλαγή πάνω σε αυτές, δηλώνεται µε το εικονίδιο : Η προτροπή των µαθητών για καταγραφή της πρόβλεψής τους για την εξέλιξη του φαινοµένου, συνοδεύεται από το εικονίδιο: Ενέργειες των µαθητών όπως η εκτέλεση του πειράµατος, η κατασκευή διαγραµµάτων, η εξαγωγή συµπερασµάτων κ.λ.π. σηµατοδοτούνται µε το γκρίζο βελάκι: Σηµαντικά σηµεία των οδηγιών όπως αυτά που αφορούν αρχικές συνθήκες των πειραµατικών διατάξεων, αιχµές στη διατύπωση συµπερασµάτων ή θεωρίας, γράφονται µε έντονα γράµµατα: π.χ. " µπορούµε να κάνουµε ταυτοποίηση, να καταλάβουµε δηλαδή ποιό υγρό είναι" Πρόβλεψη Λεπτοµερής ανάλυση Στην παράγραφο αυτή, αναλύεται το Φ.Ε. 4.1, για τη µελέτη του βρασµού, που αναφέραµε παραπάνω. Η ανάλυση του Φύλλου Εργασίας γίνεται κατά τµήµατα, στο κάθε ένα από τα οποία παρουσιάζεται αυτούσιο (πλαισιωµένο σε ένα διάστικτο παραλληλόγραµµο) και στη συνέχεια ακολουθούν τα αντίστοιχα σχόλια. Τµήµα 1ο: Φ.Ε. 4.1 : Εξαρτάται η θερµοκρασία βρασµού ενός υγρού από τη µάζα του; Περιβάλλον : Εικονικό Εργαστήριο Υλικά : οχεία 250 ml (ιδανικά), Θερµόµετρα, Λύχνοι, Νερό σε θερµοκρασία 20 ο C Περιγραφή Στην άσκηση αυτή: 128

141 Ι. Λεύκος, 2011 α) θα µελετήσεις την εξάρτηση της θερµοκρασίας βρασµού ενός σώµατος από τη µάζα του. β) θα διερευνήσεις τη συµπεριφορά της θερµοκρασίας κατά τη διάρκεια του βρασµού. Για το σκοπό αυτό: γ) θα χρησιµοποιήσεις (εικονικά) µετρητικά όργανα και πειραµατικές συσκευές. δ) θα συνθέσεις (εικονικές) πειραµατικές διατάξεις. ε) θα ερµηνεύσεις και θα κατασκευάσεις γραφικές παραστάσεις θερµοκρασίας (θ-t). Σχόλιο 1ο: Όπως δηλώνεται στον τίτλο του Φύλλου Εργασίας, η µελέτη αφορά την εξάρτηση ή όχι, της θερµοκρασίας βρασµού ενός υγρού (και κατ' επέκταση οποιουδήποτε υλικού), από τη µάζα του. Στη συνέχεια, καθορίζεται το περιβάλλον µελέτης, δηλαδή το εικονικό εργαστήριο, τα εικονικά αντικείµενα που πρόκειται να χρησιµοποιήσουν οι µαθητές, ενώ παρατίθεται και η στοχοθεσία του Φύλλου Εργασίας. Τµήµα 2ο: Α ηµιουργείς στο εικονικό εργαστήριο τη διάταξη : Το δοχείο περιέχει 100 g νερό. Ενεργοποιείς την προβολή της γραφικής παράστασης της θερµοκρασίας (άξονες: (0,160) sec, (-10,120) o C) Χρονική επιτάχυνση : x 4 Σχόλιο 2ο: Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, κάθε Φύλλο Εργασίας αποτελείται από περισσότερα του ενός µέρη, που σηµατοδοτούνται και αριθµούνται µε πλαισιωµένα κεφαλαία ελληνικά γράµµατα στο περιθώριο της σελίδας. ΚΕΦ. ΙΙΙ Η Ι ΑΚΤΙΚΗ ΣΕΙΡΑ 129

142 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Οι οδηγίες για τη σύνθεση κάποιας πειραµατικής διάταξης, παρουσιάζονται µε δυο τρόπους, µέσω ενός στιγµιότυπου (screen shot) από το εικονικό εργαστήριο όπου φαίνονται τα στοιχεία που αποτελούν την πειραµατική διάταξη µε το αντίστοιχο παράθυρο γραφικής παράστασης, αλλά και µέσω λεκτικής περιγραφής για περισσότερες λεπτοµέρειες και διευκρινήσεις, όπως το είδος και το περιεχόµενο των δοχείων, η κλίµακα και τα µεγέθη των αξόνων, η ρύθµιση στην επιτάχυνση του χρόνου ή σε άλλες περιπτώσεις η θερµοκρασία περιβάλλοντος κ.λ.π. Η σύνθεση των διατάξεων, σηµατοδοτείται επίσης µε το χαρακτηριστικό εικονίδιο. Η σύνθεση από µέρους των µαθητών προσφέρει το πλεονέκτηµα της αισθητοποίησης των διαδικασιών και φαινοµένων. Όµως, δίνεται εναλλακτικά από το λογισµικό η δυνατότητα, του ανοίγµατος ενός έτοιµου αρχείου όπου η διάταξη και οι αρχικές συνθήκες είναι ρυθµισµένες, προσφέροντας στον καθηγητή κέρδος χρόνου, αν πιστεύει ότι οι µαθητές του έχουν ήδη ξεπεράσει το στάδιο της εξοικείωσης µε το υπό µελέτη φαινόµενο και της αισθητοποίησής του. Τµήµα 3ο: Εκτέλεση Ανάβεις το λύχνο διαλέγοντας τη χαµηλή παροχή και ζεσταίνεις το δοχείο. Παρατηρείς την άνοδο της θερµοκρασίας του νερού από το θερµόµετρο και αντίστοιχα τη γραµµή στο διάγραµµα των γραφικών παραστάσεων. Σε κάποια θερµοκρασία έχουν αρχίσει να βγαίνουν φυσαλίδες και ατµοί, ενώ η ποσότητά του νερού µέσα στο δοχείο αρχίζει να ελαττώνεται. Την ώρα εκείνη το νερό βράζει και σιγά σιγά µετατρέπεται σε ατµό. Τι θερµοκρασία δείχνει τότε το θερµόµετρο ;.. o C Παρατήρησε επίσης ότι η κλίση της γραµµής στη γραφική παράσταση αλλάζει. Σε ποια θερµοκρασία αντιστοιχεί η αλλαγή κλίσης (σπάσιµο) της γραµµής ;.. o C Ποια είναι εποµένως η θερµοκρασία βρασµού του νερού ;.. o C Σχόλιο 3ο: Μορφολογικά στοιχεία, όπως τα έντονα βέλη, οι κουκίδες και οι µαυρισµένες λέξεις, καθοδηγούν την προσοχή του µαθητή στα σηµαντικότερα σηµεία. Οι ενέργειες που απαιτούνται δε, παρουσιάζονται κατά βήµατα για µεγαλύτερη ευκρίνεια. Ο µαθητής κατά περίπτωση πρέπει να επιδράσει στις συσκευές του εικονικού εργαστηρίου, να παρατηρήσει το φαινόµενο, τα όργανα ή τη γραφική παράσταση αλλά και να καταγράψει τις παρατηρήσεις του. Οι παρατηρήσεις αυτές µε την καθοδήγηση του Φύλλου Εργασίας είναι πολλαπλές (π.χ. φαινοµενολογικά χαρακτηριστικά, ένδειξη οργάνων, τιµές από τη γραφική παράσταση) και αποσκοπούν στην εξαγωγή κάποιου συµπεράσµατος. Έτσι, οι µαθητές θα παρατηρήσουν τα πραγµατιστικά χαρακτηριστικά του φαινοµένου (φυσαλίδες, ατµοί), την ένδειξη του θερµοµέτρου (ψηφιακή και αναλογική) αλλά και τη γραµµή της γραφικής παράστασης που αρχικά εµφανίζει θετική κλίση και µετά (κατά το βρασµό) αλλάζει σε µηδενική κλίση (οριζόντια 130

143 Ι. Λεύκος, 2011 γραµµή), προκειµένου να επιτευχθεί µια νοητική διασύνδεση όλων αυτών των αναπαραστάσεων Στο συγκεκριµένο πείραµα, δεν ζητήθηκε να γίνει καµία πρόβλεψη για την εξέλιξη του φαινοµένου ούτε για την γραφική παράσταση, διότι αποτελεί ένα στάδιο εξοικείωσης µε το φαινόµενο του βρασµού, όπως αυτό εµφανίζεται στο περιβάλλον του εικονικού εργαστηρίου και µε τη µορφή αντίστοιχα των γραµµών στη γραφική παράσταση, ώστε να χρησιµοποιηθεί στα επόµενα πειράµατα του Φύλου Εργασίας που αποτελούν και τη κύρια µελέτη του φαινοµένου. Τµήµα 4ο: Β Κάνε κάποιες προσθήκες στη διάταξη : Βάλε ακόµη ένα δοχείο 250 ml πάνω από το δεύτερο λύχνο. Άναψε το δεύτερο λύχνο διαλέγοντας χαµηλή παροχή. Το ένα δοχείο να περιέχει 100 g και το άλλο 200 g νερό. Ενεργοποίησε την προβολή της γραφικής παράστασης της θερµοκρασίας. Σχόλιο 4ο: Στο σηµείο αυτό αρχίζει ένα δεύτερο πείραµα, το δεύτερο µέρος του Φύλλου Εργασίας. Ζητείται από τους µαθητές να κάνουν κάποιες αλλαγές στη διάταξη και η απαίτηση αυτή δηλώνεται τόσο από το χαρακτηριστικό σκίτσο, όσο και από την αρίθµηση µε το πλαισιωµένο κεφαλαίο Β. Η σύνθεση της νέας πειραµατικής διάταξης βασίζεται στην προηγούµενη, οπότε περιγράφονται βηµατικά µόνο οι αλλαγές που είναι απαραίτητο να γίνουν. Όπως και στο µέρος Α βέβαια, υπάρχει εναλλακτικά και σύµφωνα µε την κρίση του καθηγητή, η δυνατότητα να χρησιµοποιηθεί έτοιµο αρχείο πειράµατος, για τους λόγους που προαναφέρθηκαν. Τµήµα 5ο: Πρόβλεψ Αν θερµάνεις τις δύο ποσότητες νερού µε τους λύχνους να έχουν ίση παροχή, ποια από τις δύο θα βράσει γρηγορότερα ; Θα βράσουν γρηγορότερα τα : 100 g 200 g Γιατί ; Όταν το νερό φτάσει στη θερµοκρασία βρασµού, παρατηρείς την αλλαγή κλίσης (σπάσιµο) της γραµµής στη γραφική παράσταση της θερµοκρασίας. στα : Εποµένως, γρηγορότερα θα εµφανίσει «σπάσιµο» η γραµµή που αντιστοιχεί ΚΕΦ. ΙΙΙ Η Ι ΑΚΤΙΚΗ ΣΕΙΡΑ 131

144 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ 100 g 200 g Το «σπάσιµο» της γραµµής που αντιστοιχεί στα 200 g νερού θα εµφανιστεί : σε χαµηλότερη στην ίδια σε υψηλότερη θερµοκρασία σε σχέση µε το «σπάσιµο» της γραµµής των 100g νερού. Σχόλιο 5ο: Το µέρος Β του Φύλλου Εργασίας, όπως είπαµε αποτελεί και το κύριο µέρος της µελέτης του φαινοµένου του βρασµού. Έτσι, ακολουθείται πιο πιστά εδώ το µοντέλο σύνθεση διάταξης -πρόβλεψη - έλεγχος πρόβλεψης - µελέτη γραφικής παράστασης (της εικ. 3.1). Στο τµήµα αυτό λοιπόν, ζητείται από τους µαθητές να καταγράψουν την πρόβλεψή τους για την επίδραση της µάζας του νερού στο χρόνο που απαιτείται για να φτάσει στη θερµοκρασία βρασµού του. Η πρόβλεψη απαιτεί και δικαιολόγηση της άποψης των µαθητών, µε πολλούς τρόπους. Με λεκτικού τύπου απάντηση σε ανοιχτή ερώτηση, αλλά και µε επιλογή από λίστα πολλαπλών απαντήσεων (multiple choice). Οι ερωτήσεις επιλέχθηκαν έτσι ώστε να γίνεται άµεση σύνδεση των απόψεων των µαθητών µε τη µορφή των γραµµών στη γραφική παράσταση. Οι απαιτήσεις για την πρόβλεψη, όπως είναι φανερό, είναι ποιοτικού τύπου. Τµήµα 6ο: Έλεγχος πρόβλεψης Ανάβεις τους δύο λύχνους διαλέγοντας τη χαµηλή παροχή. Ζεσταίνεις τα δοχεία, µέχρι να φτάσουν και τα δυο στη θερµοκρασία βρασµού. Παρατηρείς την άνοδο της θερµοκρασίας του νερού από το θερµόµετρο και αντίστοιχα τη γραµµή στο διάγραµµα των γραφικών παραστάσεων. Σχόλιο 6ο: Μετά από την καταγραφή της πρόβλεψης και των απόψεων των µαθητών τόσο για το φαινόµενο όσο και για τη µορφή των γραφικών παραστάσεων και σε συµφωνία µε τη δοµή των Φύλλων Εργασίας που περιγράψαµε παραπάνω, ακολουθεί το τµήµα του ελέγχου. Οι µαθητές καθοδηγούνται, τόσο στην εκτέλεση του πειράµατος, όσο και στις παρατηρήσεις που πρέπει να κάνουν. Τµήµα 7ο: Η πρόβλεψή σου αν τα 100 ή τα 200 g θα βράσουν γρηγορότερα ήταν : λάθος σωστή Η πρόβλεψή σου ότι γρηγορότερα θα εµφανίσει «σπάσιµο» η γραµµή για τα 100 ή τα 200 g ήταν: λάθος σωστή Η πρόβλεψή σου για τη θερµοκρασία στην οποία εµφανίζεται το «σπάσιµο» της γραµµής που αντιστοιχεί στα 200 g νερού ήταν: λάθος σωστή 132

145 Ι. Λεύκος, 2011 Σχόλιο 7ο: Παρά την καθοδήγηση που έλαβαν στο προηγούµενο τµήµα, οι µαθητές, µε συγκεκριµένες ερωτήσεις, καλούνται να ελέγξουν και να καταγράψουν την ορθότητα της πρόβλεψής τους. Είναι ένα σηµείο που στόχο έχει τον αναστοχασµό των µαθητών και όπου γίνεται για µια ακόµη φορά προσπάθεια για την επίτευξη ορθής νοητικής σύνδεσης του φαινοµένου του βρασµού µε τη µορφή και τα επιµέρους χαρακτηριστικά των αντίστοιχων γραφικών παραστάσεων. Τµήµα 8ο: Να συµπληρώσεις τον παρακάτω πίνακα 1. Θα βρείς τις τιµές που χρειάζεσαι από την γραφική παράσταση "πατώντας" µε το ποντίκι πάνω στη γραµµή της. Πίνακας 1 Χρόνος που απαιτήθηκε Θερµοκρασία Νερό 100 ml Νερό 200 ml 20 ο C 0 s 0 s 40 ο C. s. s 60 ο C. s. s 80 ο C. s. s 100 ο C. s. s Σχόλιο 8ο: Το τµήµα αυτό αφορά την καλλιέργεια δεξιοτήτων ανάγνωσης γραφικών παραστάσεων. Οι µαθητές καλούνται να πάρουν τιµές από το διάγραµµα και να τις καταγράψουν στον πίνακα. Ταυτόχρονα τους προσφέρεται µια ακόµη ευκαιρία να δηµιουργήσουν την επιθυµητή νοητική διασύνδεση µεταξύ του φαινοµένου και της γραφικής παράστασης, αφού θα παρατηρήσουν αυτή τη φορά µε ένα άλλο µέσο τα αριθµητικά δεδοµένα την εξέλιξή του. Τµήµα 9ο: Με τη βοήθεια και του πίνακα 1 να σχεδιάσεις τις γραφικές παραστάσεις που βλέπεις στην οθόνη στο παρακάτω διάγραµµα 1 χρησιµοποιώντας διαφορετικό χρώµα για καθεµιά Θ ( o C) t (sec) ιάγραµµα 1 ΚΕΦ. ΙΙΙ Η Ι ΑΚΤΙΚΗ ΣΕΙΡΑ 133

146 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Σχόλιο 9ο: Μετά από την καθοδήγηση για λήψη τιµών από το διάγραµµα, ακολουθεί το τµήµα αυτό όπου οι µαθητές καλούνται να κατασκευάσουν οι ίδιοι στο χαρτί, από τα δεδοµένα που έχουν στην οθόνη του εικονικού εργαστηρίου, το διάγραµµα που αντιστοιχεί στο φαινόµενο που µελετούν. Καλλιεργούνται εποµένως δεξιότητες ανάγνωσης αλλά και κατασκευής γραφικών παραστάσεων. Επιπλέον όπως και προηγουµένως, εξυπηρετείται ο απώτερος σκοπός της νοητικής διασύνδεσης φαινοµένου γραφικής παράστασης. Τµήµα 10ο: Εποµένως, όταν αλλάξει η µάζα του υγρού, η θερµοκρασία βρασµού του : παραµένει ίδια επίσης αλλάζει Σχόλιο 10ο: Τελευταίο τµήµα του Β µέρους του Φύλλου Εργασίας, είναι η καταγραφή και αποτύπωση του συµπεράσµατος στο οποίο κατέληξε η προηγούµενη πειραµατική εργασία των µαθητών. Στο συµπέρασµα αυτό ο στόχος µετατοπίζεται από την ανάπτυξη των δεξιοτήτων σχετικά µε τις γραφικές παραστάσεις που περιγράψαµε στα προηγούµενα τµήµατα, προς την κατανόηση περιεχοµένου, ολοκληρώνοντας έτσι ένα κύκλο από βήµατα συνεχούς διαπλοκής των δυο αυτών αξόνων πάνω στους οποίους βασίζεται, όπως περιγράψαµε και στην εισαγωγή, η ανάπτυξη των Φύλλων Εργασίας. Τµήµα 11ο: Γ Πρόβλεψ Κάνε µια πρόβλεψη : Αν θερµάνεις µικρότερη ποσότητα νερού (50 g) αρχικής θερµοκρασίας 20 o C µε το λύχνο σε χαµηλή παροχή, θα φτάσει γρηγορότερα από τα 100 g νερού στη θερµοκρασία βρασµού : Θα φθάσουν γρηγορότερα στη θερµοκρασία βρασµού τα : 100 g νερού 50 g νερού Να σχεδιάσεις µε διακεκοµµένη γραµµή στο διάγραµµα 1 τη γραµµή που θα αντιστοιχεί στη θέρµανση των 50 g νερού. Σχόλιο 11ο: Το Φύλλο Εργασίας ολοκληρώνεται µε το τρίτο (Γ ) µέρος. Εδώ ζητείται από τους µαθητές να καταγράψουν την πρόβλεψή τους για διαφορετική ποσότητα νερού, τόσο απαντώντας στην ερώτηση πολλαπλών επιλογών, όσο και αναπαριστώντας την 134

147 Ι. Λεύκος, 2011 άποψή τους γραφικά στο διάγραµµα που είχαν κατασκευάσει πριν (Μέρος Β, τµήµα 9 ο ). Η πρόβλεψη αυτή δρα ενισχυτικά, τόσο ως προς την κατανόηση του φαινοµένου, όσο και ως προς την καλλιέργεια των δεξιοτήτων που αφορούν τις γραφικές παραστάσεις και τη σύνδεσή τους µε το φαινόµενο. εν απαιτείται στο Φύλλο Εργασίας, να γίνει έλεγχος της ορθότητάς της, αλλά αυτό βρίσκεται βέβαια, στη διακριτική ευχέρεια του καθηγητή, να το προτείνει, ανάλογα µε τις απαιτήσει και τις ανάγκες της διδασκαλίας του. Αντίθετα, αν υπάρχει χρονικός περιορισµός, η αυτονοµία του µέρους Γ, δίνει στον καθηγητή τη δυνατότητα, ακόµη και να το παραλείψει εντελώς. ΚΕΦ. ΙΙΙ Η Ι ΑΚΤΙΚΗ ΣΕΙΡΑ 135

148 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Φύλλο Εργασίας 4.2: Εξαρτάται η θερµοκρασία βρασµού ενός υγρού από το είδος του; Στην παράγραφο αυτή θα περιγραφεί συνοπτικά το δεύτερο Φύλλο Εργασίας που αφορά τα πειράµατα µελέτης του βρασµού. Τα γενικά χαρακτηριστικά του βέβαια, είναι όµοια µε αυτά που περιγράφηκαν αναλυτικά στην προηγούµενη παράγραφο. Η περιγραφή περιλαµβάνει αυτούσια τµήµατα που περικλείονται σε διάστικτα παραλληλόγραµµα και συνοπτική περιγραφή των υπόλοιπων τµηµάτων. Έτσι, αρχικά εµφανίζεται ο τίτλος του Φύλλου Εργασίας, η περιγραφή του περιβάλλοντος εργασίας και των απαραίτητων εικονικών υλικών και συσκευών, αλλά και η στοχοθεσία του: Φ.Ε. 4.2 : Εξαρτάται η θερµοκρασία βρασµού ενός υγρού από το είδος του; Περιβάλλον : Εικονικό Εργαστήριο Υλικά : οχεία 250 ml (ιδανικά), Θερµόµετρα, Λύχνοι, Νερό σε θερµοκρασία 20 ο C, Γάλα σε θερµοκρασία 20 ο C Περιγραφή Στην άσκηση αυτή: α) θα µελετήσεις την εξάρτηση της θερµοκρασίας βρασµού ενός σώµατος από το είδος του υλικού του. β) θα ταυτοποιήσεις διάφορα υλικά µε βάση τη θερµοκρασία βρασµού τους. γ) θα διερευνήσεις τη συµπεριφορά της θερµοκρασίας, κατά τη διάρκεια του βρασµού. Για το σκοπό αυτό: δ) θα χρησιµοποιήσεις (εικονικά) µετρητικά όργανα και πειραµατικές συσκευές. ε) θα συνθέσεις (εικονικές) πειραµατικές διατάξεις. στ) θα ερµηνεύσεις και θα κατασκευάσεις γραφικές παραστάσεις θερµοκρασίας (θ-t). Στη συνέχεια του Φύλλου Εργασίας, που αριθµείται ως Α µέρος, οι µαθητές καθοδηγούνται στη σύνθεση της πειραµατικής διάταξης τόσο µέσω ενός στιγµιότυπου από την οθόνη του εργαστηρίου, όσο και λεκτικά, µε αναλυτικότερη περιγραφή των υλικών, των οργάνων και των αρχικών συνθηκών. Έχοντας συνθέσει την πειραµατική διάταξη, καλούνται παρακάτω, να καταγράψουν την πρόβλεψή τους για την εξέλιξη του πειράµατος, συνδέοντάς την ταυτόχρονα µε την µορφή των γραµµών στη γραφική παράσταση: 136

149 Ι. Λεύκος, 2011 Πρόβλεψ Αν θερµάνεις τις δύο ίσες ποσότητες νερού και γάλακτος µε τους λύχνους να έχουν ίση παροχή, θα βράσουν στην ίδια ή σε διαφορετική θερµοκρασία ; στην ίδια σε διαφορετική Γιατί ; Πώς θα µπορέσεις να το διαπιστώσεις αυτό παρατηρώντας τις γραµµές στη γραφική παράσταση ;... Κατόπιν, καλούνται να ελέγξουν την ορθότητα της παραπάνω πρόβλεψης, εκτελώντας το πείραµα και καθοδηγούµενοι σε συγκεκριµένες παρατηρήσεις που αφορούν τόσο φαινοµενολογικά χαρακτηριστικά, όσο και µορφολογικά των γραµµών στη γραφική παράσταση, από την οποία ταυτόχρονα απαιτείται να καταγράψουν αριθµητικά δεδοµένα σε αντίστοιχους πίνακες. Ο ένας πίνακας αφορά τη θερµοκρασία των δυο υγρών σε συγκεκριµένες χρονικές στιγµές, ενώ ο άλλος τις χρονικές στιγµές όπου παρατηρείται η αλλαγή κλίσης στο διάγραµµα, για κάθε υγρό χωριστά. Η ορθότητα ή όχι της πρόβλεψής τους καταγράφεται σε αντίστοιχη ερώτηση: Η πρόβλεψή σου αν το νερό και το γάλα βράζουν στην ίδια ή διαφορετική θερµοκρασία ήταν: λάθος σωστή Έχοντας καταγράψει τα αριθµητικά δεδοµένα από τη γραφική παράσταση, όπως είπαµε παραπάνω, οι µαθητές καλούνται µε τη βοήθεια των πινάκων αλλά και της γραφικής παράστασης που βλέπουν στην οθόνη τους, να κατασκευάσουν στο χαρτί τους ένα αντίστοιχο διάγραµµα χρονικής εξέλιξης της θερµοκρασίας των δυο υγρών. Στο Β µέρος του Φύλλου Εργασίας, υπάρχει µια δραστηριότητα στην οποία οι µαθητές καλούνται να χρησιµοποιήσουν πειραµατικά δεδοµένα που υποτίθεται ότι κατέγραψε µια άλλη οµάδα που µελέτησε το ίδιο φαινόµενο, µε άλλο υγρό (λάδι). Οι µαθητές πρέπει κατ αρχήν να σχεδιάσουν τη γραµµή που αντιστοιχεί στο λάδι πάνω στο ίδιο διάγραµµα και στη συνέχεια να τη χρησιµοποιήσουν για να βρουν ποια είναι η θερµοκρασία βρασµού του. Στη δραστηριότητα αυτή δηλαδή, καλλιεργούνται δεξιότητες εκµετάλλευσης πειραµατικών δεδοµένων, κατασκευής γραφικών παραστάσεων και χρήσης του για την εξαγωγή συµπερασµάτων. Το µέρος αυτό, θα µπορούσε εναλλακτικά να γίνει και µε τη µορφή συνεργατικής δραστηριότητας, κατά την οποία πράγµατι διάφορες οµάδες εργασίας θα µελετήσουν κάθε µια ένα διαφορετικό υγρό, θα ανακοινώσουν τα αποτελέσµατά ΚΕΦ. ΙΙΙ Η Ι ΑΚΤΙΚΗ ΣΕΙΡΑ 137

150 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ τους στις υπόλοιπες (πιθανώς µε χρήση ), ώστε να ακολουθήσει η διαδικασία που περιγράφηκε παραπάνω. Κάποια άλλη οµάδα εργασίας σε άλλη τάξη, µέτρησε τη θερµοκρασία βρασµού του Λαδιού. Συγκεκριµένα ζέστανε 100 g λαδιού αρχικής θερµοκρασίας 20 o C µε χαµηλή παροχή και παρατήρησε τα µεγέθη που καταγράφονται στον παρακάτω πίνακα 3 : Β Αλλαγή κλίσης της γραµµής στη γραφική παράσταση Χρονική στιγµή Θερµοκρασία Λάδι 100 g 135 sec 300 o C Πίνακας 3 Με τη βοήθεια του πίνακα 3 να σχεδιάσεις τη γραµµή, που αντιστοιχεί στη θέρµανση της ποσότητας αυτής του λαδιού, στο ίδιο διάγραµµα 1 χρησιµοποιώντας µολύβι. Με τα δεδοµένα που έχεις, ποια πιστεύεις ότι είναι η θερµοκρασία βρασµού του λαδιού ; Θερµοκρασία βρασµού του λαδιού :.. o C Τέλος, στο µέρος Γ, του Φύλλου Εργασίας, υπάρχει µια δραστηριότητα που αναφέρεται σε µια γνωστή πειραµατική διαδικασία πουα αποτελεί εφαρµογή του συµπεράσµατος ότι κάθε υλικό έχει τη δική του χαρακτηριστική θερµοκρασία βρασµού, την ταυτοποίηση. Έτσι, µετά από µια µικρή θεωρητική εισαγωγή, οι µαθητές καλούνται να αντιστοιχίσουν τις γραµµές θέρµανσης που εµφανίζονται του παρακάτω διαγράµµατος, µε τις θερµοκρασίας βρασµού τριών διαφορετικών άγνωστων υλικών. Οι γραµµές θέρµανσης είναι έξι, ενώ τα υλικά τρία, ώστε να γίνει κατανοητό ότι ασχέτως του τρόπου θέρµανσής του, το ίδιο υλικό φτάνει στο βρασµό πάντα στην ίδια θερµοκρασία. Έτσι οι µαθητές ασκούνται εδώ στην ανάγνωση και την ερµηνεία γραφικών παραστάσεων. 138

151 Ι. Λεύκος, 2011 Θ ( o C) Υγρ ό Α Β Γ Θερµοκρασ 240 ία Βρασµού o C o C o C t (sec) ιάγραµµα 2 Γραµµή θέρµανσης Υγρό Πίνακας 5 ΚΕΦ. ΙΙΙ Η Ι ΑΚΤΙΚΗ ΣΕΙΡΑ 139

152 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ IV. ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 1. Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφεται αρχικά η εξέλιξη της έρευνας χρονικά και η σχέση της τελικής εφαρµογής µε τις πιλοτικές που προηγήθηκαν. Στη συνέχεια περιγράφεται αναλυτικά η µεθοδολογία που ακολουθήσαµε στην τελική εφαρµογή της έρευνας και οι άξονες στους οποίους επικεντρώνεται η έρευνα. 2. Ερευνητική µεθοδολογία και διδακτική σειρά Η εξέλιξη της έρευνας είναι συνυφασµένη µε την εξέλιξη της διδακτικής σειράς. Έτσι, µέσα από την διαδικασία πιλοτικών εφαρµογών, αναπτύχθηκε τόσο η διδακτική σειρά, αλλά και διαµορφώθηκε η ερευνητική µεθοδολογία. Συγκεκριµένα, η διαδικασία αυτή µπορεί να χωριστεί σε 3 φάσεις, δυο πιλοτικές και µια τελική Α Πιλοτική Φάση - Προετοιµασία και υπόβαθρο Προηγούµενες εργασίες (Αντωνιάδου 2002, Πετρίδου 2003), ανέδειξαν σηµαντικά στοιχεία του περιβάλλοντος τα οποία είναι εκµεταλλεύσιµα διδακτικά, όπως η δυνατότητα της αποµόνωσης της επίδρασης του περιβάλλοντος, άρα της µελέτης απλούστερων «αποµονωµένων» συστηµάτων, ή η δυνατότητα προσωρινής παύσης του πειράµατος και κατά συνέπεια η εστίαση της προσοχής των µαθητών σε κρίσιµα σηµεία της εξέλιξης των φαινοµένων. Όµως η εφαρµογή των παραπάνω ερευνών έγινε σε µικρό αριθµό µαθητών και σε συνθήκες θα λέγαµε in vitro, δηλαδή δεν αναφέρονταν σε πραγµατικές συνθήκες τάξης. Έτσι εκκρεµές απέµεινε το ερώτηµα για το κατά πόσο είναι εφικτή η εφαρµογή του σε τυπικές συνθήκες τάξης και κατ επέκταση για τη διδακτική προσέγγιση που πρέπει να ακολουθήσουµε προκειµένου να έχουµε τα καλύτερα δυνατά αποτελέσµατα από τη χρήση του. Η πρόταση για διδασκαλία αναπτύχθηκε σταδιακά όπως γράφτηκε στην εισαγωγή. Στην Α φάση η διδασκαλία είναι περιορισµένη και αφορά ένα µόνο φαινόµενο από το Κεφάλαιο της Θερµότητας Β Γυµνασίου, τη «θερµική ισορροπία». Παρόλα αυτά, αποτελεί ένα πυρήνα της µετέπειτα ανάπτυξης της (Besson, 2010), καθώς αποτελείται από µια εργαστηριακού τύπου διδασκαλία, µε πειράµατα που εκτελούνται από τον καθηγητή και τους µαθητές, ενώ χρησιµοποιούνται και τα 2 εργαλεία ΤΠΕ (το ΣΕΠ και το Coach), όπως ακριβώς και στην τελική ολοκληρωµένη σειρά. 140

153 Ι. Λεύκος, 2011 Από µεθοδολογική άποψη, η διδασκαλία εφαρµόσθηκε σε ένα 2 τµήµατα µαθητών σε 2 σχολεία (δηλ. ένα τµήµα σε κάθε σχολείο) τα οποία δέχθηκαν να συµµετάσχουν στην εφαρµογή και πληρούσε τις απαραίτητες προϋποθέσεις. ιέθετε πλήρες εργαστήριο ΗΥ και όργανα Φυσικής. Πρόκειται δηλαδή για µια περίπτωση «βολικής δειγµατοληψίας», µε έλεγχο αρχικών και τελικών γνώσεων των µαθητών µε κατάλληλα pre- και post- tests. Ποιοτικά δεδοµένα αντλούνται επίσης από τα συµπληρωµένα Φ.Ε. καθώς και βιντεοσκοπήσεις της διδασκαλίας.. - Συνθήκες Η Εφαρµογή έγινε σε µαθητές της Β τάξης του Γυµνασίου, οι οποίοι δεν είχαν προηγούµενη επαφή µε το λογισµικό. Οι τάξεις ήταν δυναµικότητας 12 και 28 µαθητών αντίστοιχα. Η εφαρµογή αφορούσε την εργαστηριακή προσέγγιση του φαινοµένου της Θερµικής Ισορροπίας, Επειδή οι µαθητές δεν είχαν προηγούµενη επαφή µε το ΣΕΠ, κατασκευάστηκε ένα φύλλο εργασίας για την εξοικείωσή τους και αφιερώθηκε µια διδακτική ώρα για το σκοπό αυτό, πριν από την εφαρµογή. Η πιλοτική αυτή εφαρµογή έγινε µε στόχο να απαντηθούν σε πρώτη προσέγγιση γενικά µεθοδολογικά αλλά και διδακτικά θέµατα που αφορούσαν την εφαρµογή, όπως ο ρόλος του πλήθους των µαθητών, η ανταπόκριση των µαθητών στο φύλλο εξοικείωσης, η ανταπόκριση των µαθητών στη δοµή του εργαστηριακού φύλλου εργασίας και τα χρονικά όρια που αντιστοιχούν στο µέγεθός του, η στάση των µαθητών σχετικά µε το λογισµικό και η ανάδειξη των απόψεων των µαθητών σχετικά µε τις έννοιες που µελετούνται. - Μεθοδολογία εργαλεία Προκειµένου να υλοποιηθεί η έρευνα, σχεδιάστηκαν: Το φύλλο εξοικείωσης των µαθητών µε το ΣΕΠ Προ και Μετά τεστ σχετικά µε το υπό µελέτη φαινόµενο Εργαστηριακή προσέγγιση για τη Θερµική Ισορροπία της Β Γυµνασίου Φύλλα εργασίας των µαθητών - οµή της όλης παρέµβασης Πριν από τη διεξαγωγή της παρέµβασης (λίγες µέρες) οι µαθητές συµπλήρωσαν το Προ-τεστ (διάρκεια περίπου 15 ), όπου ρωτήθηκαν για φαινόµενα σχετικά µε την θερµική ισορροπία, µε σκοπό να καταγραφούν οι απόψεις τους πριν από την παρέµβαση. Στη συνέχεια ακολούθησε η εξοικείωση των µαθητών µε το λογισµικό (διάρκεια 1 διδ. ώρα). Μετά, ακολούθησε η κύρια εργαστηριακή παρέµβαση, που περιελάµβανε πραγµατικά πειράµατα, χρήση MBL και φυσικά χρήση του ΣΕΠ. Συγκεκριµένα, για την παρουσίαση του φαινοµένου χρησιµοποιήθηκε η παρακάτω πορεία: Αρχικά έγινε ένα πραγµατικό πείραµα επίδειξης από τον καθηγητή, όπου µέσα σε γυάλινο δοχείο µε νερό που είχαµε ζεστάνει πάνω σε λύχνο (~70 o C), τοποθετήσαµε µεταλλικό δοχείο µε νερό βρύσης (~20 o C), και τα αφήσαµε να αλληλεπιδράσουν, παρατηρώντας τις ενδείξεις εργαστηριακών θερµοµέτρων. Αφού συλλέξαµε τις απόψεις των µαθητών για την εξέλιξη του φαινοµένου, τους παρουσιάσαµε τους αισθητήρες θερµοκρασίας MBL και αντικαταστήσαµε τα εργαστηριακά θερµόµετρα. Στη συνέχεια επιδείξαµε την δυνατότητα γραφικής αναπαράστασης των θερµοκρασιών σε πραγµατικό χρόνο, στην οθόνη του υπολογιστή. Έτσι οι µαθητές απέκτησαν µια σύνδεση µεταξύ του πραγµατικού ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 141

154 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ φαινοµένου, της µέτρησης των µεγεθών, αλλά και της γραφικής τους αναπαράστασης Στη συνέχεια µοιράζονται τα φύλλα εργασίας και οι µαθητές εργάζονται σε οµάδες καθοδηγούµενοι από τις γραπτές οδηγίες, εκτελώντας πειραµατικές δραστηριότητες µε χρήση του εικονικού εργαστηρίου θερµότητας του λογισµικού ΣΕΠ. Μετά την ολοκλήρωση των δραστηριοτήτων του φύλλου εργασίας, ακολουθεί ανακοίνωση των αποτελεσµάτων των µαθητών, των συµπερασµάτων τους και µικρή συζήτηση πάνω σε αυτά. Λίγες µέρες µετά από την παρέµβαση, οι µαθητές απάντησαν στις ερωτήσεις του µετά-τεστ, που ήταν παρόµοιες µε του προ-τεστ. - Σχόλια σχετικά µε την εφαρµογή Από την παρέµβαση που περιγράψαµε πιο πάνω, η ανάλυση των ερωτηµατολογίων προ- και µετά-, σε συνδυασµό µε τις παρατηρήσεις που έκανε ο ερευνητής κατά τη διάρκειά της οδηγούν στα παρακάτω σχόλια - συµπεράσµατα: 1. Η µετάβαση από την πραγµατική εργαστηριακή διάταξη στη χρήση του MBL και στο προσοµοιωµένο εργαστήριο ήταν επιτυχής και οµαλή. 2. Η εξοικείωση µε το εικονικό εργαστήριο ήταν γρήγορη και επιτυχής, µε ελάχιστες δυσκολίες στη χρήση των λειτουργιών των γραφικών παραστάσεων. 3. Η ανταπόκριση των µαθητών στο εικονικό εργαστήριο ήταν ενθουσιώδης. 4. Το µέγεθος του φύλλου εργασίας ήταν ικανοποιητικό ίσως όµως µικρός περιορισµός της έκτασής του να ήταν επιθυµητός (χρειάστηκε λίγο περισσότερο από µια διδακτική ώρα για την ολοκλήρωσή του). 5. Η υλοποίηση της σειράς σε τµήµα των 12 µαθητών (ίσως και 15) είναι εφικτή. Στο τµήµα των 28 µαθητών, υπήρχε πρόβληµα συντονισµού και παρακολούθησης των οµάδων, παρόλο που ο κύριος όγκος της εργασίας τους καθοδηγείται από το φύλλο εργασίας και η απαίτηση για παρέµβαση του εκπαιδευτικού είναι περιορισµένη. 6. Οι κυριότερη δυσκολία που προέκυψε ήταν στην οµογενοποίηση της πορείας των οµάδων, διότι καθώς το φύλλο εργασίας περιελάµβανε 3 πειράµατα, κάθε οµάδα τα ολοκλήρωνε µε το δικό της ρυθµό και έπρεπε να καταβληθεί κάποια προσπάθεια συντονισµού τους. 7. Από τις απαντήσεις στο προ-τεστ φάνηκαν δυσκολίες στο διαχωρισµό των εννοιών θερµότητας-θερµοκρασίας όπως και στην ερµηνεία των διαγραµµάτων 8. Τα ίδια περίπου αποτελέσµατα εµφανίστηκαν και στο µετά-τεστ. 9. Οι µαθητές εµφανίζουν την τάση να συµπληρώνουν «µηχανικά» τα φύλλα εργασίας, χωρίς να αντιλαµβάνονται το φαινόµενο στο οποίο αναφέρεται το πείραµα Μετά από τα παραπάνω, έγινε προφανές ότι πρέπει να ξανασχεδιαστεί η προσέγγιση, µε στόχο να αντιµετωπιστούν τα προβλήµατα που παρατηρήσαµε Β Πιλοτική Φάση - Γενική περιγραφή 142

155 Ι. Λεύκος, 2011 Βασιζόµενη στην εµπειρία και τα ευρήµατα της Α πιλοτικής, σχεδιάστηκε µια ευρύτερη πιλοτική εφαρµογή, για µια πιο διευρυµένη διδασκαλία της ενότητας της Θερµικής Ακτινοβολίας της Β Γυµνασίου. Η διευρυµένη τώρα σειρά έχει ενσωµατώσει νέα χαρακτηριστικά, αλλά διατηρεί τον εργαστηριακό χαρακτήρα και τη χρήση των εργαλείων ΤΠΕ που χρησιµοποιούνται για τις πειραµατικές δραστηριότητες. Από άποψη περιεχοµένου, ουσιαστικά πρόκειται για µια παραµετρική διερεύνηση του φαινοµένου, καθώς εξετάζεται τόσο η παράµετρος του χρώµατος των σωµάτων (όπως και στην 1 η πιλοτική), όσο και η παράµετρος της εξωτερικής τους επιφάνειας, σε σχέση µε την εκποµπή ή απορρόφηση θερµικής ακτινοβολίας. ίνεται επίσης µεγάλη βαρύτητα στα φαινόµενα Θερµικής Ισορροπίας, όπου οι ανταλλαγές θερµότητας γίνονται µέσω ακτινοβολίας, η οποία µε τον τρόπο αυτό αναδεικνύεται σε κύριο πυρήνα διαπραγµάτευσης όλων των φαινοµένων, ενώ από άποψη διδακτικής τεχνικής, ο χρόνος µεταξύ των διαφόρων πειραµάτων διακόπτεται µε συστηµατικό τρόπο από τµήµατα προγραµµατισµένης συζήτησης µέσα στην τάξη σχετικά µε τα ευρήµατα και τα συµπεράσµατα που προκύπτουν από την πειραµατική διαδικασία. Εφαρµόσθηκαν επίσης νέα ερευνητικά εργαλεία. Τα ερωτηµατολόγια έγιναν περισσότερο διευρυµένα, διατηρώντας την λογική πριν και -µετά, ενώ εκτός από την συνολική µαγνητοσκόπηση της τάξης, υπάρχουν και ηµι-δοµηµένες ατοµικές συνεντεύξεις των µισών περίπου µαθητών µετά από την εφαρµογή, βασισµένες πάνω στις απαντήσεις του µετά-τεστ. - Συνθήκες Η 2η Εφαρµογή έγινε σε τµήµα δυναµικότητας 11 µαθητών, σε άλλο τµήµα του ενός από τα σχολεία τα οποία συµµετείχαν και στην πρώτη πιλοτική. Οι µαθητές ήταν από πριν εξοικειωµένοι µε το λογισµικό µε βάση το Φύλλο Εξοικείωσης που χρησιµοποιήθηκε και στην 1 η πιλοτική. Η εφαρµογή αφορούσε την εργαστηριακή προσέγγιση του φαινοµένου της Θερµικής Ακτινοβολίας και καταστάσεων Θερµικής Ισορροπίας µεταξύ σωµάτων και του περιβάλλοντος, ενότητα που οι µαθητές δεν είχαν διδαχθεί από τον καθηγητή του σχολείου τους. Αρχικά υπήρξε µια εισαγωγική παρουσίαση και τοποθέτηση προβληµατισµών µε προβολή διαφανειών και συζήτηση µε τους µαθητές για τις απόψεις τους πάνω στα φαινόµενα θερµικής ακτινοβολίας. Στη συνέχεια ακολούθησε η εργαστηριακή αντιµετώπιση και η παραµετρική διερεύνηση των σχετικών φαινοµένων. Για τη δεύτερη χρησιµοποιήθηκαν φύλλα εργασίας, τα οποία σχεδιάστηκαν µε νέα λογική, ενσωµατώνοντας τις παρατηρήσεις από την πρώτη εφαρµογή, µε κυριότερη διαφορά την πλήρη κατάτµησή τους ανά πείραµα σε εντελώς διακριτά και αυτόνοµα τµήµατα και την συνεργατική τους δοµή. - Ερευνητικά ερωτήµατα Η πιλοτική αυτή εφαρµογή έγινε µε στόχο να διερευνηθούν τα παρακάτω: Ανταπόκριση των µαθητών στη νέα δοµή του φύλλου εργασίας (κατάτµηση, εναλλακτικά πειράµατα, συνεργασία οµάδων) Ανάδειξη των απόψεων των µαθητών σχετικά µε τις έννοιες που µελετούνται Ανταπόκριση των µαθητών και επιτυχία στη συνεργασία µεταξύ των οµάδων Μαθησιακά αποτελέσµατα - Μεθοδολογία εργαλεία ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 143

156 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Προκειµένου να υλοποιηθεί η έρευνα, σχεδιάστηκαν: Προ και Μετά τεστ σχετικά µε το υπό µελέτη φαινόµενο Εισαγωγική παρουσίαση και εργαστηριακή προσέγγιση για την Θερµική Ακτινοβολία Ανακατασκευασµένα φύλλα εργασίας, βασισµένα στις παρατηρήσεις από την πρώτη πιλοτική εφαρµογή και µε προσανατολισµό στη διευρυµένη συνεργασία µεταξύ των οµάδων - Αλλαγές σε σχέση µε την 1 η πιλοτική εφαρµογή Ξεχωριστά φύλλα εργασίας για κάθε πειραµατική δραστηριότητα της εργαστηριακής σειράς. Κάθε φύλλο δίνεται στους µαθητές µόνο την ώρα που πρόκειται να ασχοληθούν µε τη συγκεκριµένη δραστηριότητα και εφόσον όλες οι οµάδες έχουν ολοκληρώσει την προηγούµενη. ίνεται µεγαλύτερη έµφαση στη συζήτηση και στην έκφραση των απόψεων των µαθητών, τόσο κατά τη διάρκεια της φάσης πρόβλεψης, όσο και των συµπερασµάτων. Ιδιαίτερη έµφαση δόθηκε στον αναστοχασµό, από πλευράς των µαθητών, στα αποτελέσµατα και τα συµπεράσµατα των πειραµάτων. - οµή της όλης παρέµβασης Πριν από τη διεξαγωγή της παρέµβασης (λίγες µέρες) οι µαθητές συµπλήρωσαν το Προ-τεστ (διάρκεια περίπου 15 ), όπου ρωτήθηκαν για φαινόµενα σχετικά µε την θερµική ακτινοβολία, µε σκοπό να καταγραφούν οι απόψεις τους πριν από την παρέµβαση. Το προ-τεστ έδειξε µια κυρίαρχη τάση των µαθητών να αναγνωρίζουν τα µαύρα σώµατα ως καλούς απορροφητές ακτινοβολίας και το αντίθετο για τα άσπρα σώµατα. εν αναγνωρίζουν όµως αντίστοιχα τις ιδιότητες αυτές κατά την εκποµπή ακτινοβολίας. Πιθανώς η τάση αυτή οφείλεται στην καθηµερινή εµπειρία των µαθητών που, το καλοκαίρι κυρίως, βιώνουν φαινόµενα απορρόφησης. Η εφαρµογή άρχισε µε την εισαγωγική παρουσίαση των φαινοµένων ακτινοβολίας (1 διδ. ώρα), για την οποία όπως αναφέρθηκε χρησιµοποιήθηκαν ηλεκτρονικές διαφάνειες πάνω στις οποίες οι µαθητές κλήθηκαν να συµµετέχουν ενεργά, εκφράζοντας τις απόψεις τους και να συζητήσουν µε τους συµµαθητές τους που είχαν διαφορετική άποψη. Μετά, ακολούθησε το εργαστηριακό µέρος, που περιελάµβανε πραγµατικά πειράµατα µε χρήση MBL και εικονικά πειράµατα µε χρήση του ΣΕΠ. (βλέπε Εικόνα 51). Συγκεκριµένα, για την παρουσίαση του φαινοµένου χρησιµοποιήθηκε η παρακάτω πορεία: Αρχικά έγινε ένα πραγµατικό πείραµα επίδειξης από τον καθηγητή µε χρήση MBL, όπου γεµίσαµε µε νερό που είχαµε ζεστάνει πάνω σε λύχνο (~70 o C), δυο όµοια µεταλλικά δοχεία εκ των οποίων το ένα ήταν βαµµένο άσπρο ενώ το άλλο ήταν βαµµένο µαύρο. Ζητήσαµε από τους µαθητές να προβλέψουν κατ αρχήν, αν το χρώµα του δοχείου θα επηρεάσει την ψύξη του νερού και συλλέξαµε τις απόψεις τους. Αφήσαµε στη συνέχεια, τα δοχεία να αλληλεπιδράσουν µε το περιβάλλον, παρατηρώντας ταυτόχρονα τις γραφικές παραστάσεις στην οθόνη του υπολογιστή. Κατά τη διάρκεια της ψύξης του νερού, καθώς φάνηκε ήδη ότι τα δοχεία ψύχονται διαφορετικά, οι µαθητές κλήθηκαν να µαντέψουν ποιο ψύχεται γρηγορότερα, µια και επίτηδες οι αισθητήρες ήταν µπερδεµένοι για να µη φαίνεται ποιος αντιστοιχεί σε ποιο δοχείο. Στο τέλος, αντιστοιχήθηκαν οι καµπύλες ψύξης και φάνηκε ότι το µαύρο δοχείο ψύχεται γρηγορότερα. 144

157 Ι. Λεύκος, 2011 Προ-τεστ Εισαγωγή Παρουσίαση του φαινοµένου Πραγµατικό πείραµα - καταγραφή µε MBL γραφική αναπαράσταση Εργαστηριακή διδασκαλία Παραµετρική διερεύνηση φαινοµένου - Εικονικό Εργαστήριο ΣΕΠ Μετά-τεστ Εικόνα 51: Η σχηµατοποιηµένη δοµής της 2 ης Πιλοτικής Εφαρµογής ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ

158 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Πίνακας 5: Στον παρακάτω πίνακα εµφανίζονται ενδεικτικά κάποιες από τις απαντήσεις των µαθητών στα προ- και µετά-τεστ. Παρατηρούµε ότι: Η απόλυτη πλειοψηφία των µαθητών πριν τη διδασκαλία αναγνωρίζει τα άσπρα σώµατα σαν κακούς απορροφητές ακτινοβολίας. Υπάρχει µια πολύ σηµαντική βελτίωση σχετικά µε την ικανότητα εκποµπής των µαύρων σωµάτων, µετά τη διδασκαλία. Αρκετά καλά είναι και τα αποτελέσµατα µετά τη διδασκαλία, για την επίδραση του µεγέθους της επιφάνειας των σωµάτων Ερώτηµα Ερώτηµα άσπρο-όχι-απορ. µαύρο-εκπ. µαύρο-εκπ. επιφαν-εκπ µαθητής pre-test pre-test post-test post-test πολ/πλή ανοιχτή πολ/πλή ανοιχτή πολ/πλή ανοιχτή πολ/πλή ανοιχτή

159 Ι. Λεύκος, 2011 Στη συνέχεια µοιράζονται τα φύλλα εργασίας για το πρώτο πείραµα µε το ΣΕΠ και οι µαθητές εργάζονται σε οµάδες καθοδηγούµενοι από τις γραπτές οδηγίες. Το πείραµα αυτό, είναι ίδιο µε το πείραµα επίδειξης, µε σκοπό να εγκυροποιηθεί το λογισµικό, αφού οι µαθητές ξαναβλέπουν την επίδραση του χρώµατος ενός σώµατος στην ψύξη του. Ακολουθεί συζήτηση για τις παρατηρήσεις τους, που σκοπό έχει να οδηγήσει στο γενικότερο συµπέρασµα ότι «ο καλός απορροφητής είναι και καλός εκποµπός», τουλάχιστο µε τα στοιχεία που µέχρι τώρα έχουν στη διάθεσή τους. Το συµπέρασµα αυτό θα ολοκληρωθεί στην πορεία. Από το σηµείο αυτό και µετά, οι οµάδες χωρίζονται σε δυο µεγάλα group και εργάζονται σε διαφορετικά εικονικά πειράµατα µε στόχο την διερεύνηση περισσοτέρων παραµέτρων του φαινοµένου. Συγκεκριµένα, το ένα group πειραµατίζεται µε ένα µαύρο δοχείο που περιέχει ζεστό νερό και αφήνεται να κρυώσει ελεύθερα στο περιβάλλον, ενώ το δεύτερο µε ένα ίδιο δοχείο και ίση ποσότητα κρύου νερού σε θερµότερο περιβάλλον. Κοινός στόχος και των δυο οµάδων είναι ο υπολογισµός του ποσού θερµότητας που ανταλλάσσει το δοχείο µε το περιβάλλον. Μετά την ολοκλήρωση των πειραµάτων του φύλλου εργασίας, ακολουθεί ανακοίνωση των αποτελεσµάτων των οµάδων των µαθητών σε όλη την τάξη, µια και κάθε group ασχολήθηκε µε διαφορετικό πρόβληµα, και σύγκριση των αποτελεσµάτων τους. Στη συνέχεια έγινε συζήτηση πάνω στα ευρήµατά τους, µε σκοπό να αναδειχθεί ακόµη µια φορά η παρόµοια συµπεριφορά των σωµάτων κατά την εκποµπή και την απορρόφηση ακτινοβολίας. Η παραµετρική διερεύνηση του φαινοµένου συνεχίζεται µε ένα ακόµη εικονικό πείραµα. Κάθε group έχει στη διάθεσή του δυο δοχεία διαφορετικού µεγέθους (άρα και επιφάνειας) που περιέχουν ίδια ποσότητα νερού. Ακολουθώντας τη λογική του προηγούµενου πειράµατος, το πρώτο group ερευνά την ελεύθερη ψύξη θερµού νερού και το δεύτερο τη θέρµανση κρύου νερού από θερµότερο περιβάλλον, δηλαδή το µεν πρώτο την εκποµπή, το δε δεύτερο την απορρόφηση. Μετά την ολοκλήρωση και αυτού του πειράµατος, ακολούθησε επίσης ανακοίνωση των αποτελεσµάτων των δύο group σε όλη την τάξη, καθώς και αρκετή συζήτηση σχετικά µε αυτά, από την οποία αναδείχθηκε η οµοιότητα στη συµπεριφορά των σωµάτων τόσο κατά την εκποµπή όσο και κατά την απορρόφηση ακτινοβολίας. Καταληκτικά, ζητήθηκε από τους µαθητές να επαναλάβουν τα συµπεράσµατα από όλα τα πειράµατα επιβεβαιώνοντας το κεντρικό θέµα της όλης διαδικασίας, ότι δηλαδή ένας καλός απορροφητής είναι και καλός εκποµπός. Λίγες µέρες µετά από την παρέµβαση, οι µαθητές απάντησαν στις ερωτήσεις του µετά-τεστ, που ήταν παρόµοιες µε του προ-τεστ. - Σχόλια - αποτελέσµατα Από την παρέµβαση που περιγράψαµε πιο πάνω, η ανάλυση των ερωτηµατολογίων προ- και µετά-, καθώς και των φύλλων εργασίας που συµπλήρωσαν οι µαθητές, σε συνδυασµό µε τις παρατηρήσεις που έκανε ο ερευνητής κατά τη διάρκειά της, οδηγούν στα παρακάτω σχόλια - συµπεράσµατα: 1. Ο κύριος γνωστικός άξονας της διδακτικής σειράς βασίστηκε στην παρατήρηση από το προ-τεστ, ότι οι µαθητές αναγνωρίζουν τις ιδιότητες των απορροφητών αλλά όχι των εκποµπών, αλλά ούτε και την µεταξύ τους σχέση. ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 147

160 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ 2. Ο συνδυασµός του εισαγωγικού προβληµατισµού και της εργαστηριακής προσέγγισης φαίνεται επιτυχής, µια και τα αποτελέσµατα από το µετά- τεστ φανερώνουν αλλαγή στις απόψεις των µαθητών. 3. Η διδασκαλία κύλησε οµαλά και οι µαθητές ως µια συνολική εικόνα ανταποκρίθηκαν θετικά. 4. Ο ρόλος των συζητήσεων είναι σηµαντικός γιατί δίνει στους µαθητές την ευκαιρία να ξαναδούν τα συµπεράσµατα στα οποία κατέληξε ο πειραµατισµός τους και δρα όχι µόνο ανακεφαλαιωτικά αλλά και αναστοχαστικά. Αυτό φάνηκε πως αντιστάθµισε ως ένα βαθµό την τάση που είχε παρατηρηθεί στην 1 η εφαρµογή, για «µηχανιστική» συµπλήρωση των φύλλων εργασίας. 5. Η κατάτµηση του φύλλου εργασίας ήταν αποδοτική στην οµογεννοποίηση της πορείας των οµάδων και στο καλύτερο συντονισµό της εργασίας τους από τον καθηγητή. 6. Η προσπάθεια για συνεργασία µεταξύ των οµάδων πρέπει ίσως να ξανασχεδιαστεί, διότι η αλληλεπίδραση µεταξύ τους ήταν µικρή. Πάντως ο διαχωρισµός των οµάδων και η ενασχόληση µε διαφορετικό πρόβληµα είχε χρονικό κέρδος για την συνολική διαδικασία. - Σχόλια, από τις συνεντεύξεις πάνω στα ερωτήµατα του µετά - τεστ Ερώτηση 1. Αντιστοίχιση φαινοµένου σε γραφική παράσταση και αντίστροφα. Σχόλιο 1. Το σύνολο των µαθητών απάντησε σωστά στις ερωτήσεις αυτές. Σε κάποιες µόνο περιπτώσεις, οι µαθητές υπέθεσαν και την διαδικασία που θα χρειαζόταν για να πετύχουµε την αρχική θερµοκρασία. π.χ. στην ερώτηση: ζεστό γάλα τοποθετείται στο ψυγείο για να κρυώσει, αντιστοίχιζαν την γραµµή όπου η θερµοκρασία αρχικά ανεβαίνει και µετά κατεβαίνει, αντί να θεωρήσουν την υψηλή θερµοκρασία σαν αρχική συνθήκη. Βέβαια, µε την λογική τους αυτή, η αντιστοίχηση της γραµµής ήταν συνεπής Ερώτηση 2. Ανάκληση εννοιών από τη θεωρία: περιγραφή των τρόπων διάδοσης θερµότητας, Εξίσωση θερµιδοµετρίας. Σχόλιο 2. Στις ερωτήσεις για τη διάδοση της θερµότητας, µόνο οι µισοί περίπου µαθητές ανταποκρίθηκαν επιτυχώς. Παρατηρήθηκαν µάλιστα κάποια ενδιαφέροντα φαινόµενα: α) η σύγχυση από µερικούς µαθητές της αγωγής (θερµότητας) µε την επαφή (µαγνήτιση). Η σύγχυση αυτή ήταν σε επίπεδο ορολογίας, διότι οι πιο πολλοί από αυτούς όταν ζητήθηκαν λεπτοµέρειες και σχετικά φαινόµενα, αναφέρθηκαν πράγµατι στην αγωγή. β) Μεγάλο πρόβληµα διαπιστώθηκε στην εξήγηση της αγωγής σε µικροσκοπικό επίπεδο, όπου λίγοι µόνο µαθητές µπόρεσαν να ανταποκριθούν περιγράφοντας ένα µοντέλο διάδοσης. Ιδίως σε ότι αφορά από ένα σώµα σε ένα άλλο. Για την περίπτωση του ίδιου σώµατος το µοντέλο της διάδοσης της ταλάντωσης των µορίων, εµφανίστηκε σε αρκετούς µαθητές. γ) Η εξίσωση θερµιδοµετρίας απαντήθηκε από ελάχιστους οι περισσότεροι δεν αναγνώριζαν καν την ερώτηση 148

161 Ι. Λεύκος, 2011 Ερώτηση 3. Κατανόηση Θ.Ι. - ιαγραµµατικό µοντέλο ισορροπίας µε θερµόµετρα. Η περίπτωση σώµα-περιβάλλον Σχόλιο 3. Ήταν καθολική η αποδοχή τόσο της ίδιας τελικής θερµοκρασίας, όσο και του ρόλου της µεγάλης µάζας του περιβάλλοντος στο σηµείο ισορροπίας. εν ήταν εύκολο να εξηγηθεί ο µηχανισµός. Ενδιαφέρουσες απόψεις εµφανίστηκαν που έλεγαν ότι τα µόρια του αέρα, µπαίνουν στα µόρια του νερού και τα ζεσταίνουν, γι αυτό αλλάζει η θερµοκρασία του νερού. Ελάχιστοι έδωσαν την «ορθή» εξήγηση. Ερώτηση 4. Κατανόηση Θ.Ι. - Αφαιρετικό διαγραµµατικό µοντέλο ισορροπίας. Η περίπτωση µικρό σώµα µεγάλο σώµα Σχόλιο 4. Ήταν καθολική η αποδοχή τόσο της ίδιας τελικής θερµοκρασίας. Οι περισσότεροι επίσης αναγνωρίζουν το ρόλο της µεγαλύτερης µάζας. Εµφανίστηκαν κάποια φαινόµενα «ισχύος» του ζεστού σώµατος. ηλαδή, ότι και να βάλω δίπλα στο ζεστό θα γίνει ζεστό, χωρίς να χάσει θερµότητα (θερµοκρασία) ή θα χάσει λίγο Τα διαγράµµατα σχεδιάστηκαν από όλους µε συνέπεια στην ταύτιση των τελικών θερµοκρασιών. Ως προς το σηµείο ισορροπίας, επίσης απάντησαν στην πλειοψηφία σωστά, απλά όσοι ήταν στην περίπτωση της «ισχύος» του θερµού, απάντησαν µε συνέπεια προς τις απόψεις τους. Ερώτηση 5. εργαστήριο ΣΕΠ. ιερεύνηση προβλήµατος: ποια σώµατα απορροφούν περισσότερο, τα ανοιχτόχρωµα ή τα σκούρα Σχόλιο 5. Η εργαστηριακή διάταξη που τους ζητήθηκε ήταν πάνω σε ένα φαινόµενο που είχε µεν συζητηθεί, αλλά δεν είχε γίνει εργαστηριακά. Είχε γίνει το αντίστροφο, δηλαδή, το φαινόµενο εκποµπής άσπρου-µαύρου σώµατος. Το φαινόµενο βέβαια έχει διαισθητικά και εµπειρικά ερείσµατα και γι αυτό επιλέχθηκε ώστε να είναι γνωστή η απάντηση και να δοθεί βάρος στο διερευνητικό µέρος! Η πλειοψηφία των µαθητών ανταποκρίνεται άριστα. Εµφανίζονται κάποια προβλήµατα καθορισµού των αρχικών συνθηκών, µόνο στο σηµείο ρύθµισης της θερµοκρασία περιβάλλοντος. Όλοι περιγράφουν σωστά τόσο την σύνθεση, όσο και τη διαδικασία εκτέλεσης και συλλογής αποτελεσµάτων. Ερώτηση 6. εργαστήριο hands-on. ιερεύνηση προβλήµατος: το λάδι ζεσταίνεται σε µισό χρόνο από ότι το νερό Σχόλιο 6. Η εργαστηριακή διάταξη που τους ζητήθηκε ήταν πάνω σε ένα φαινόµενο που δεν είχε ποτέ συζητηθεί κατά τη διάρκεια της χρονιάς. Υπάρχει µια αναφορά βέβαια στο βιβλίο, κατά την συζήτηση περί ειδικής θερµότητας των υλικών, αλλά ήταν απίθανο (και έτσι φάνηκε) να το θυµούνται οι µαθητές. Η ανταπόκρισή τους ήταν εντυπωσιακή, δεδοµένου ότι οι µαθητές δεν είχαν ασχοληθεί σχεδόν καθόλου µε διατάξεις hands-on! Μάλιστα, µε τα πειράµατα MBL ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 149

162 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ µπορεί να ήρθαν σε κάποια επαφή µε τέτοιες διατάξεις, αλλά ποτέ δεν τους ζητήθηκε να «στήσουν» µια διάταξη, πάντα δούλευαν σε έτοιµες «στηµένες». Κρίνεται εδώ ότι το «φορτίο» τους ήταν πολύ µεγάλο. Από τη µια φαινόµενο άγνωστο, από την άλλη χειρισµοί επίσης άγνωστοι! Όλοι κατάφεραν σε µικρό ή µεγάλο βαθµό να σχεδιάσουν και να εξηγήσουν την διάταξη που θα οδηγήσει στη λύση του προβλήµατος. Τα µεγαλύτερα προβλήµατα εµφανίστηκαν κυρίως στον καθορισµό της τελικής συνθήκης που θα οδηγήσει σε συµπέρασµα. Εκεί κάποιοι δυσκολεύτηκαν να αποφασίσουν τόσο για το ποια θα είναι η τελική θερµοκρασία, όσοι και για το τι πρέπει να προσέξουν για να βρουν τη λύση στο πρόβληµα. ηλαδή, θα πάρουν ίδια θερµοκρασία και θα µετρήσουν το διαφορετικό χρόνο ή θα πάρουν ίδιο χρόνο και θα δουν τις διαφορές στις θερµοκρασίες. - Συµπεράσµατα - Επεκτάσεις Μετά από τα παραπάνω, µπορούµε να πούµε ότι η 2η πιλοτική εφαρµογή είχε µεγαλύτερη επιτυχία σε σχέση µε τα ζητήµατα που είχαµε θέσει κατά το σχεδιασµό της, ενώ ταυτόχρονα µας δηµιουργεί επιπλέον κίνητρα για την επέκταση της προσέγγισης που ακολουθήσαµε σε ολόκληρη τη διδακτική σειρά. 150

163 Ι. Λεύκος, 2011 Όλες οι οµάδες Οι µισές οµάδες Οι µισές οµάδες Οι µισές οµάδες Οι µισές οµάδες ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΕΠΙ ΕΙΞΗ MBL Ασπρο Μαύρο δοχείο ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΕΠ Πειρ.1: Ασπρο Μαύρο δοχείο ΣΥΖΗΤΗΣΗ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΕΠ Πειρ2: 1 δοχείο αλληλεπιδρά µε το περιβάλλον Πειρ2α: το δοχείο εκπέµπει στο περιβάλλον Πειρ2β:το δοχείο απορροφά από το περιβάλλον ΣΥΖΗΤΗΣΗ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΕΠ Πειρ3: µικρό και µεγάλο δοχείο αλληλεπιδρούν µε το περιβάλλον Πειρ3α: εκπέµπουν στο περιβάλλον Πειρ3β: απορροφούν από το περιβάλλον Κεντρικός άξονας: Καλός εκποµπός = Καλός απορροφητής Ενίσχυση επιβεβαίωση Κεντρικού άξονα Ενίσχυση Κεντρικού άξονα - Παραµετροποίηση Ενίσχυση Κεντρικού άξονα - Παραµετροποίηση I) ΑΣΚΑΛΟΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΑΘΗΤΟΚΕΝΤΡΙΚΗ ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΤΕΛΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Εικόνα 52: Η δοµή της 2 ης Πιλοτικής εφαρµογής για τη διδασκαλία των φαινοµένων διάδοσης µε ακτινοβολία ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 151

164 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ 2.3. Τελική Φάση Οι παρατηρήσεις και τα συµπεράσµατα των πιλοτικών εφαρµογών, έγιναν η βάση για µια πιο ολοκληρωµένη εφαρµογή. Κυριότερο στοιχείο που διαφοροποιεί την νέα αυτή εφαρµογή είναι ότι αφορά την συνολική διδασκαλία του κεφαλαίου της θερµότητας και όχι µόνο επιµέρους τµήµατός του, πάντα βέβαια µε τον γνώµονα της δυνατότητας ενσωµάτωσης ΤΠΕ που θα εµπλουτίσουν τη χρήση των συµβατικών εργαστηριακών µέσων. Στην τελική φάση, η εξέλιξη της σειράς δεν αφορούσε µόνο την έκτασή της, αλλά την εσωτερική της δοµή. Ενώ αρχικά η σειρά διδασκαλίας των επιµέρους θεµάτων ήταν αυτή που προτείνεται από το σχολικό βιβλίο, στη φάση αυτή γίνεται µια εσωτερική ανακατανοµή, µε σκοπό να ενισχυθεί η εσωτερική συνοχή της σειράς. Παράλληλα, η χρήση των φαινοµένων Θ.Ι. σαν τον κύριο πυρήνα διαπραγµάτευσης και η επικέντρωση σε φαινόµενα αλληλεπίδρασης που ανήκουν στην «περιορισµένη κατηγορία», όπως έχουµε διεξοδικά εξηγήσει κατά την ανάλυση του διδακτικού µετασχηµατισµού που υιοθετήσαµε, ενισχύεται και επεκτείνεται σε όλα (σχεδόν) τα θέµατα, από τα ζητήµατα διάδοσης θερµότητας µέχρι τις αλλαγές φυσικής κατάστασης και τη θερµιδοµετρία. ιαµορφώνονται επίσης κατάλληλα τα Φ.Ε., ώστε να γίνεται συστηµατικότερη καταγραφή των αποτελεσµάτων της πειραµατικής εργασίας των µαθητών και των συµπερασµάτων από τις συζητήσεις που διεξάγονται µέσα στην τάξη, µε σκοπό την σταδιακή οικοδόµηση ενός µοντέλου περιγραφής των θερµικών αλληλεπιδράσεων. Η έρευνα, εµπλουτίστηκε µε ακόµη περισσότερα εργαλεία. Τα ερωτηµατολόγια περιέχουν περισσότερα έργα. Όλες οι οµάδες καταγράφονται ηχητικά, ενώ 2 από αυτές βιντεοσκοπούνται αυτόνοµα, ταυτόχρονα µε την συνολική βιντεοσκόπηση της τάξης. Τέλος, µεγάλο ποσοστό των µαθητών πέρασε από ατοµική συνέντευξη πριν από την έναρξη των µαθηµάτων, ενώ όλοι πέρασαν από συνέντευξη µετά το τέλος των διδασκαλιών. Η τελική σχεδίαση, εφαρµόστηκε σε ένα τµήµα µε πλήθος 14 µαθητών, την επόµενη σχολική χρονιά, στο ίδιο σχολείο που συµµετείχε και στη 2 η πιλοτική εφαρµογή - Μεθοδολογία εργαλεία Προκειµένου να υλοποιηθεί η έρευνα, σχεδιάστηκαν: Εργαστηριακές προσεγγίσεις για την µελέτη φαινοµένων Θερµικής Ισορροπίας µε διαβαθµισµένη συνθετότητα, για την µελέτη της εξίσωσης της Θερµιδοµετρίας της ιάδοσης θερµότητας µε Ακτινοβολία και των Αλλαγών Φυσικής Κατάστασης. Αντίστοιχα φύλλα εργασίας για εργασία σε οµάδες των 2 µαθητών Προ- & µετά- τεστ σχετικά µε τα υπό µελέτη φαινόµενα και τις ικανότητες πειραµατισµού Προκειµένου να συλλεχθούν τα απαραίτητα δεδοµένα, υλοποιήθηκαν: 152

165 Ι. Λεύκος, 2011 Καταγραφή των συζητήσεων των οµάδων ηχητικά µε κασετόφωνο (ένα ανά οµάδα). Βιντεοσκόπηση της συνολικής διδασκαλίας. Βιντεοσκόπηση επιπλέον 2 οµάδων µαθητών. Ατοµικές ηµι-δοµηµένες συνεντεύξεις βασισµένες στο µετά τεστ. - Συνθήκες της εφαρµογής Η έρευνα διεξάχθηκε σε ένα τµήµα της Β Γυµνασίου που αριθµούσε 14 µαθητές. Οι µαθητές ήταν εξοικειωµένοι µε την χρήση γενικά Η/Υ, από σειρά οργανωµένων µαθηµάτων που παρακολουθούν στο σχολείο τους, αλλά δεν είχαν καµιά εξοικείωση µε το λογισµικό ΣΕΠ, ούτε και µε το Coach. Έτσι κρίθηκε απαραίτητη η εξοικείωσή τους µε τα δυο περιβάλλοντα πριν από την έναρξη της εφαρµογής. Επίσης, επειδή κύριο µέρος της εργαστηριακής προσέγγισης αφορά την διαχείριση γραφικών παραστάσεων, προηγήθηκε µια µικρή εξάσκηση των µαθητών σε γενικές αρχές των γραφικών παραστάσεων πάνω σε φαινόµενα που εξελίσσονται χρονικά. Το κεφάλαιο της θερµότητας στη Β Γυµνασίου, αποτελείται από 10 ενότητες και σε τυπικές συνθήκες η διδασκαλία του διαρκεί 6-7 εβδοµάδες (2ώρες / εβδοµάδα). Από δεδοµένα που συλλέχθηκαν από τον ερευνητή µέσω µιας άτυπης έρευνας σε καθηγητές γυµνασίου διαπιστώθηκε ότι η διδασκαλία του σχετικού κεφαλαίου γενικά προσεγγίζεται θεωρητικά και η επαφή των µαθητών µε πειραµατικές καταστάσεις είτε απουσιάζει εντελώς, είτε εξαντλείται σε κάποια πειράµατα επίδειξης από τον καθηγητή (της τάξης των 5 λεπτών). Κατά τον σχεδιασµό της παρούσας έρευνας, επιλέχθηκε ο εµπλουτισµός της διδασκαλίας µε ανεξάρτητες ώρες πειραµατικής διδασκαλίας όπου οι µαθητές είχαν άµεση εµπλοκή µε τα φαινόµενα. Έτσι, υπάρχει ένα εύρος πειραµατικών δράσεων, που ξεκινάει από την απλή παρακολούθηση πειραµάτων επίδειξης, την εκτέλεση από τους µαθητές συµβατικών πειραµάτων και φτάνει στην χρήση ΤΠΕ µε τους µαθητές να χρησιµοποιούν αισθητήρες θερµοκρασίας (Coach) ή να εκτελούν προσοµοιωµένα πειράµατα µέσα στο «εικονικό» εργαστήριο (ΣΕΠ). Το εύρος όµως των πειραµατικών δράσεων δεν αφορά µόνο τα µέσα που χρησιµοποιούνται. Οι µαθητές καλούνται να εµπλακούν σε δράσεις που εκτείνονται από την απλή παρατήρηση, στην άµεση χρήση έτοιµων πειραµατικών διατάξεων και φτάνουν µέχρι τον σχεδιασµό και την υλοποίηση πειραµατικών διατάξεων που µόνοι τους κατασκευάζουν προκειµένου να λύσουν κάποιο πρόβληµα που τίθεται. - Πρώτα αποτελέσµατα από την παρατήρηση της τάξης (παρατήρηση πεδίου) Η εξαγωγή συµπερασµάτων από την όλη διδασκαλία της πειραµατικής σειράς είναι αρκετά σύνθετη, διότι θα περιλαµβάνει ανάλυση βιντεοταινιών, ηχογραφήσεων και γραπτών των µαθητών και εκ των πραγµάτων χρονοβόρα διαδικασία. Προς το παρόν όµως, µπορούµε να βασιστούµε στις παρατηρήσεις που έγιναν µέσα στην τάξη και κατά την διάρκεια της διδασκαλίας, που είναι περισσότερο ποιοτικού βέβαια χαρακτήρα και πολύ γενικές. Παρόλα αυτά µπορούµε να έχουµε µια πρώτη αίσθηση για την πιθανή αποτελεσµατικότητα του όλου εγχειρήµατος. Σαν πρώτο άξονα των παρατηρήσεων µπορούµε να αναφέρουµε την λειτουργικότητα της πειραµατικής σειράς και την ένταξή της µέσα στο γενικότερο ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 153

166 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Α.Π. της Φυσικής της Β Γυµνασίου, µε δεδοµένο ότι υπήρξε αναδιάρθρωση του τυπικού προγράµµατος και εµπλουτισµός της διδασκαλίας µε νέα µέσα. Σαν δεύτερο άξονα παρατηρήσεων αναφέρουµε την υποδοχή- αποδοχή της πειραµατικής σειράς από µέρους των µαθητών. Στον τοµέα αυτό πρέπει να αναφέρουµε ότι αρχικά υπήρχαν από µέρους του ερευνητή κάποιοι ενδοιασµοί για το κατά πόσο ήταν αποδεκτή η σειρά. Υπήρχε µια αίσθηση ότι κάτι δεν πήγαινε καλά. Μετά όµως από συζήτηση µε τον καθηγητή και µε τους ίδιους τους µαθητές, διαπιστώθηκε ότι η βάση για την αίσθηση µη αποδοχής, ήταν η εκτεταµένη απαίτηση για γραπτή έκφραση απόψεων και συµπερασµάτων στα φύλλα εργασίας. Στη συνέχεια και µετά από προσαρµογή του ερευνητή στις πιο πάνω παρατηρήσεις, το κλίµα ήταν παραπάνω από θετικό και οι µαθητές το εξέφραζαν αυτό µε κάθε τρόπο. Πάντως, σε όλη την διάρκεια της διδακτικής σειράς, η συµµετοχή των µαθητών ήταν καθολική και η ενεργοποίησή τους πλήρης. Τεχνικά ζητήµατα. Μικρής κλίµακας τεχνικά προβλήµατα παρατηρήθηκαν από το γεγονός ότι οι Η/Υ του σχολείου είναι σε δίκτυο και υπήρξε ζήτηµα εγκατάστασης των λογισµικών, χρήση των κατάλληλων κωδικών πρόσβασης από τους µαθητές κ.λ.π. Η βοήθεια του τεχνικού της αίθουσας ήταν απαραίτητη. Τα προβλήµατα αυτά δεν ήταν σοβαρά, αλλά στα πρώτα εργαστήρια στάθηκαν κρίσιµα από άποψη χρόνου απασχόλησης των µαθητών, αφού οδήγησαν σε κάποια καθυστέρηση έναρξης και κατ επέκταση λήξης - της διδασκαλίας. Στον τρίτο άξονα παρατηρήσεων, αναφέρουµε τα µαθησιακά αποτελέσµατα από την πειραµατική σειρά, σαν µια πρώτη αίσθηση που αποκόµισε ο ερευνητής, κατά την διάρκεια των διδασκαλιών. Κυριότερος γνωστικός στόχος για την διδασκαλία του κεφαλαίου της Θερµότητας µε την πειραµατική µας σειρά και λαµβάνοντας υπόψη τις καταγεγραµµένες δυσκολίες κατανόησης που εµφανίζουν οι µαθητές, είναι η διάκριση των δυο βασικότερων εννοιών θερµότητα-θερµοκρασία. Στη βάση αυτή, η αίσθηση που υπάρχει είναι ότι οι µαθητές έκαναν αρκετή πρόοδο κατά τη διάρκεια της διδασκαλίας. Η αίσθηση αυτή προέρχεται τόσο από τις συζητήσεις που έγιναν µέσα στην τάξη, όσο και από τις γραπτές περιγραφές των φαινοµένων που ανέπτυξαν στα φύλλα εργασίας οι µαθητές. Κύρια ένδειξη προς την κατεύθυνση αυτή είναι η χρήση του όρου θερµότητα κατά την περιγραφή των αλληλεπιδράσεων και µάλιστα µε ορθό τρόπο, από το σύνολο των µαθητών. Στην πρόοδο αυτή πιστεύουµε ότι συνέβαλε θετικά τόσο η χρήση των φαινοµένων θερµικής ισορροπίας σαν κυρίαρχο θέµα της όλης πειραµατικής σειράς, όσο και η χρήση του σχηµατικού µοντέλου που εξηγήσαµε σε προηγούµενο κεφάλαιο για την παραστατική περιγραφή των θερµικών αλληλεπιδράσεων. Τέλος, πολύ σπουδαία συνιστώσας της διδακτικής σειράς, είναι και η εµπλοκή των µαθητών σε πειραµατική εργασία µε πολλαπλούς τρόπους και σε διάφορα επίπεδα όπως αναφέρθηκε σε προηγούµενη ενότητα. Η εµπλοκή των µαθητών ξεκίνησε από την εκτέλεση συγκεκριµένων πειραµάτων σε δεδοµένες πειραµατικές διατάξεις και κατέληξε σταδιακά στον σχεδιασµό από µέρους τους πειραµατικών διατάξεων από µηδενική βάση, προκειµένου να απαντήσουν σε ένα γενικό πρόβληµα που τους τέθηκε. Οι µαθητές έπρεπε να επιλέξουν µόνοι τους τόσο τις συσκευές και τα όργανα που θα 154

167 Ι. Λεύκος, 2011 χρησιµοποιήσουν, όσο και τις αρχικές συνθήκες της διάταξης, έτσι ώστε να ανταποκρίνονται στο πρόβληµα που έπρεπε να επιλύσουν, αλλά και τις µεταβλητές που πρέπει να µετρήσουν προκειµένου να εξάγουν συµπεράσµατα. Το σταδιακό πέρασµα αυτό σε ένα ανοιχτό µαθησιακό περιβάλλον πειραµατισµού, πιστεύουµε ότι είναι ένα πολύ βασικό σηµείο επιτυχίας της διδακτικής σειράς που οδήγησε τους µαθητές στην ανάπτυξη διερευνητικών δεξιοτήτων πειραµατισµού και επιστηµονικής σκέψης. ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 155

168 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ 3. Μελέτη περίπτωσης: Η ιδασκαλία της Θερµικής Ακτινοβολίας - µια εργαστηριακή προσέγγιση εµπλουτισµένη µε ΤΠΕ 3.1. Εισαγωγή Ειδικότερα για τα φαινόµενα διάδοσης της θερµότητας, παρατηρούνται δυσκολίες των µαθητών όπως οι απόψεις για την ύπαρξη «ζεστών» µορίων που ταξιδεύουν µέσα σε µια ράβδο, ή για την ύπαρξη θερµικού «ρευστού» που ρέει από το ένα σώµα στο άλλο ή που µπαίνει στο δωµάτιο και το ζεσταίνει. Οι έρευνες όµως και οι διδακτικές προτάσεις επικεντρώνονται κύρια στην αγωγή ή τα ρεύµατα µεταφοράς (Driver, 1994; Erickson, 1980; Tiberghien, 1983) αλλά όχι στην ακτινοβολία η οποία αποτελεί ένα εξίσου σηµαντικό θέµα. Για το λόγο αυτό και µέσα στο πλαίσιο της παρούσας έρευνας και της ανάπτυξης της διδακτικής σειράς εξετάσαµε ιδιαίτερα το ζήτηµα της διάδοσης µε ακτινοβολία ξεκινώντας από τη 2 η πιλοτική εφαρµογή και διευρύνοντάς το στην τελική εφαρµογή. Στις παραγράφους που ακολουθούν, περιγράφουµε ως µελέτη περίπτωσης τη διδασκαλία των φαινοµένων διάδοσης µε ακτινοβολία, προκειµένου να λειτουργήσει ως παράδειγµα για την κατανόηση ολόκληρης της διδακτικής µας πρότασης και του τρόπου µε τον οποίο σχεδιάστηκε και εφαρµόστηκε και διερευνήθηκε η αποτελεσµατικότητά της Αντιλήψεις των µαθητών για τα φαινόµενα διάδοσης - Ακτινοβολία Στο τρέχον ( την εποχή της έρευνας) σχολικό εγχειρίδιο της Β Γυµνασίου (Αντωνίου κ.α., 2000), όσο και στο προηγούµενο (Καραπαναγιώτης κ.α., 1998), σε επίπεδο θεωρίας, αναφέρονται σαν παράγοντες που επηρεάζουν το ποσό θερµότητας που ακτινοβολεί ένα σώµα, η θερµοκρασία στην οποία βρίσκεται, το είδος της επιφάνειάς του (χρώµα, τραχύτητα) και το µέγεθος αυτής. Επίσης αναφέρεται ότι όταν ένα σώµα ακτινοβολεί έντονα, απορροφά επίσης έντονα. Αυτοί θεωρούνται εξάλλου και οι διδακτικοί στόχοι της ενότητας. Οι αντίστοιχοι εργαστηριακοί οδηγοί, προτείνουν την πειραµατική διερεύνηση αυτών των φαινοµένων, µε πειράµατα εκποµπής ακτινοβολίας από θερµά σώµατα προς το περιβάλλον, όπου µελετάται η επίδραση της αρχικής θερµοκρασίας και του χρώµατος των σωµάτων, στο ποσό θερµότητας που εκπέµπεται ανά µονάδα χρόνου. εν προτείνονται καθόλου δηλαδή πειράµατα απορρόφησης. Εικόνα 53: Απόσπασµα από το ερωτηµατολόγιο της πιλοτικής εφαρµογής 156

169 Ι. Λεύκος, 2011 Όπως γράφτηκε στην εισαγωγή, οι έρευνες και οι προτάσεις για τα φαινόµενα διάδοσης µε ακτινοβολία είναι περιορισµένες. Στο Π.Τ..Ε. του Α.Π.Θ. στο πλαίσιο της ανάπτυξης υλικού για τη διδασκαλία των θερµικών φαινοµένων διενεργήθηκε πιλοτική έρευνα σχετικά µε τις απόψεις των µαθητών για την διάδοση της θερµότητας µε ακτινοβολία. Η έρευνα αφορούσε µαθητές της Β Γυµνασίου (11 µαθητές) και έγινε µε την µορφή ερωτηµατολογίων προ και µετά τη διδασκαλία. Απόσπασµα του ερωτηµατολογίου-προ παρουσιάζεται στο σχήµα 1, όπου φαίνεται ότι περιέχει ερωτήµατα ποιοτικού χαρακτήρα, ανοιχτού και κλειστού τύπου. Το ερωτηµατολόγιο χορηγήθηκε πριν τη διδασκαλία για να ανιχνεύσουµε τις επόψεις των µαθητών για τις διάφορες παραµέτρους του φαινοµένου όπως το χρώµα και το µέγεθος της επιφάνειας των σωµάτων, τόσο κατά την απορρόφηση όσο και κατά την εκποµπή ακτινοβολίας. Ακολούθησε η διδασκαλία η οποία αποτελείται από ένα θεωρητικό και δυο εργαστηριακά µέρη, όπως περιγράφεται αναλυτικότερα παρακάτω. Στη συνέχεια, λίγες ηµέρες µετά από την διδασκαλία, ελέγξαµε πάλι τις απόψεις των µαθητών µε ένα άλλο ερωτηµατολόγιο-µετά, αντίστοιχο στη φιλοσοφία και την δοµή µε το αρχικό. Στον Πίνακα 1, παρουσιάζονται µερικά από τα δεδοµένα της πιλοτικής έρευνας αυτής που αναφέρονται στο προ-τεστ. Οι ερωτήσεις στις πρώτες 2 στήλες (Ερ. A1, A2) αφορούν τη δυσκολία απορρόφησης των άσπρων σωµάτων σε σχέση µε τα µαύρα. Αντίστοιχα, στις επόµενες 2 στήλες του πίνακα 1 (Ερ. B1, B2) αφορούν ερωτήµατα για την ευκολία των µαύρων σωµάτων σε σχέση µε τα άσπρα, στην εκποµπή της ακτινοβολίας. Στον πίνακα παρουσιάζονται οι αριθµοί των σωστών απαντήσεων. Όπως φαίνεται στις 2 πρώτες στήλες υπάρχει καθολική ανταπόκριση των µαθητών. Αντίθετα στις επόµενες στήλες, φαίνεται ότι κανένας σχεδόν µαθητής δεν αναγνωρίζει την ευκολία των µαύρων σωµάτων σε σχέση µε τα άσπρα, στην εκποµπή της ακτινοβολίας. Από την πιλοτική έρευνα λοιπόν φαίνεται, ότι πριν από την διδασκαλία οι µαθητές έχουν σχηµατισµένες αντιλήψεις κοντά στις επιστηµονικές για την επίδραση του χρώµατος των σωµάτων στην απορρόφηση, αλλά όχι και για την επίδρασή του, στην εκποµπή ακτινοβολίας Από άλλα ερωτήµατα επίσης διαφαίνεται ότι ούτε και για τον ρόλο του µεγέθους της επιφάνειας των σωµάτων στην εκποµπή / απορρόφηση ακτινοβολίας οι αντιλήψεις τους συµβαδίζουν µε τις επιστηµονικές. pre-test (Ν=11) Σωστές απαντήσεις Το άσπρο απορροφά πιο δύσκολα Το µαύρο εκπέµπει πιο εύκολα Ερ. A1 Ερ. A2 Ερ. B1 Ερ. B Πίνακας 6: Πλήθος σωστών απαντήσεων ανά κατηγορία, σε σύνολο 11 µαθητών. Οι µαθητές έχουν άποψη συµβατή µε την επιστηµονική για την απορρόφηση θερµικής ακτινοβολίας από τα σώµατα, όχι όµως και για την εκποµπή. (έρευνα Π.Τ..Ε. Α.Π.Θ.) Η διερεύνηση του θέµατος αυτού, επαναλήφθηκε και κατά τη διάρκεια της τελικής εφαρµογής, καθώς τα ευρήµατα από τις πιλοτικές ήταν πολύ ενδιαφέροντα. Όπως φαίνεται παρακάτω (σχήµα 2), οι µαθητές απάντησαν αντίστοιχες ερωτήσεις σχετικά µε τον ρόλο του χρώµατος, τόσο στην απορρόφηση όσο και την εκποµπή θερµότητας. Το δείγµα αυτή τη φορά ήταν Ν=14 µαθητές και τα αποτελέσµατα ήταν εντελώς αντίστοιχα. Συγκεκριµένα: ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 157

170 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Στο ερωτηµατολόγιο πριν από τη διδασκαλία, όλοι οι µαθητές αναγνωρίζουν την ευκολία απορρόφησης των µαύρων σωµάτων (Ερ. 3α), ενώ µόνο 2 από τους 14 απαντούν σωστά σχετικά µε την ευκολία εκποµπής των µαύρων σωµάτων (Ερ. 3β). Εικόνα 54: Απόσπασµα από το αρχικό ερωτηµατολόγιο της τελικής εφαρµογής Από την άλλη, σε παρόµοια ερώτηση µετά από τη διδασκαλία όλοι οι µαθητές σχεδόν (εκτός από 2), αναγνωρίζουν την ευκολία εκποµπής των µαύρων σωµάτων. Η µεταβολή δηλαδή των απόψεων, είναι σηµαντική. Η ερώτηση σχετικά µε την απορρόφηση δεν επαναλήφθηκε στο τελικό ερωτηµατολόγιο, διότι ήταν φανερό και από την πιλοτική ακόµα διερεύνηση, ότι αυτή τη διάσταση του φαινοµένου οι µαθητές την κατανοούν πλήρως, προφανώς βασιζόµενοι στην αισθητηριακή τους εµπειρία (που εδώ είναι συµβατή µε την επιστηµονική άποψη). Πίνακας 7: Οι µαθητές έχουν σηµαντική αλλαγή στις απόψεις τους για την εκποµπή θερµικής ακτινοβολίας µετά την διδασκαλία (έρευνα Π.Τ..Ε. Α.Π.Θ.) Το μαύρο σώμα εκπέμπει πιο εύκολα από το άσπρο Pre test (N=14) Post test (N=13) Σωστό Λάθος Σωστό Λάθος

171 Ι. Λεύκος, Σχεδιασµός στόχοι της διδασκαλίας Η διδασκαλία της Θερµικής Ακτινοβολίας που περιγράφουµε εδώ, αποτελεί τµήµα µιας ευρύτερης διδακτικής σειράς που αφορά την συνολική εργαστηριακή διδασκαλία των θερµικών φαινοµένων µε την χρήση ΤΠΕ και περιλαµβάνει θεωρητικά και εργαστηριακά µαθήµατα που εντάσσονται στο ευρύτερο πλαίσιο των απαιτήσεων του Αναλυτικού Προγράµµατος (Lefkos, 2005). Στα θεωρητικά µαθήµατα, εισάγονται οι έννοιες και οι ορισµοί των µεγεθών τα οποία πρόκειται να µελετηθούν, προκειµένου να αποκτηθεί µια κοινή βάση επικοινωνίας. Στα εργαστηριακά µαθήµατα, οι µαθητές εισάγονται στο υπό µελέτη φαινόµενο µε σχετικά προβλήµατα / ερωτήµατα της καθηµερινότητας, που καλούνται να διερευνήσουν. Η διερεύνηση αυτή ακολουθεί ανοιχτές µαθησιακές διαδικασίες που ακολουθούν το σχήµα Πρόβλεψη Παρατήρηση Εξήγηση (P.O.E.) (Sassi, 2001; Λεύκος, 2001) και κατευθύνεται µε την χρήση ενός Φύλου Εργασίας (που περιγράφεται σε άλλο σηµείο). Έτσι οι µαθητές σχεδιάζουν και εκτελούν τα πειράµατα, συγκρίνουν τα αποτελέσµατα µε τις προβλέψεις τους και εξάγουν συµπεράσµατα Τα εργαλεία πειραµατισµού, συµβατικά ή ΤΠΕ που χρησιµοποιούνται σε κάθε εργαστήριο, καθώς και οι συνδυασµοί τους ποικίλουν στις διάφορες ενότητες. Στη συνέχεια γίνεται µια αναλυτικότερη περιγραφή του τρόπου µε τον οποίο προσεγγίσαµε την διδασκαλία της θερµικής ακτινοβολίας και των εργαλείων ΤΠΕ που χρησιµοποιήθηκαν. Κύριος άξονας της προσέγγισης είναι η διερεύνηση των φαινοµένων ακτινοβολίας µε µια πιο ολοκληρωµένη οπτική, όπου οι µαθητές θα έρχονται αντιµέτωποι µε καταστάσεις τόσο εκποµπής όσο και απορρόφησης. Κύριοι στόχοι της θεωρητικής διδασκαλίας και σύµφωνα µε το πνεύµα του Α.Π. είναι οι µαθητές: Να αναγνωρίσουν την ακτινοβολία σαν ένα ακόµη τρόπο διάδοσης της Θερµότητας Να διαπιστώσουν πως η ακτινοβολία µπορεί να διαδίδεται ακόµη και στο κενό Να µπορούν να αναφέρουν παραδείγµατα από την καθηµερινή ζωή, όπου εµφανίζεται η θερµική ακτινοβολία Να γνωρίσουν ότι σε οποιαδήποτε θερµοκρασία τα σώµατα απορροφούν ή εκπέµπουν ακτινοβολία ανάλογα µε το περιβάλλον στο οποίο βρίσκονται, µε συνέπεια να αλλάζει η θερµοκρασία τους Να διακρίνουν τις πηγές θερµότητας, ως µετατροπείς ενέργειας και ως σώµατα που ενώ ακτινοβολούν η θερµοκρασία τους παραµένει σταθερή Στο εργαστηριακό µάθηµα εξάλλου, οι στόχοι που τίθενται, είναι οι µαθητές: Να γνωρίσουν τους παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται το ποσό θερµότητας που ακτινοβολεί ένα σώµα (θερµοκρασία, είδος επιφάνειας, µέγεθος επιφάνειας) Να διαπιστώσουν πειραµατικά την εξάρτηση από το χρώµα του σώµατος Να διαπιστώσουν πειραµατικά την εξάρτηση από το µέγεθος της επιφάνειας Να διαπιστώσουν πειραµατικά ότι όταν ένα σώµα είναι καλός εκποµπός ακτινοβολίας, είναι και καλός απορροφητής Να υπολογίσουν το ποσό θερµότητας που εκπέµπει / απορροφά ένα σώµα προς / από το περιβάλλον κάνοντας χρήση της εξίσωσης θερµιδοµετρίας ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 159

172 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ 3.4. Τα εργαλεία ΤΠΕ Σηµαντικό στοιχείο στο σχεδιασµό των εργαστηριακών µαθηµάτων είναι ότι η χρήση των εργαλείων ΤΠΕ αποφορτίζει σηµαντικά τον χρόνο εµπλοκής των µαθητών µε την πειραµατική διαδικασία αυτή καθ αυτή, δίνοντας στον καθηγητή την δυνατότητα να συζητήσει µε τους µαθητές εκτενέστερα τόσο τις απόψεις τους, όσο και τα ευρήµατά τους και να επικεντρωθεί στην εξαγωγή των συµπερασµάτων. Το «Coach» που είναι µια πλατφόρµα MBL και το «Εργαστήριο Θερµότητας του ΣΕΠ» που είναι ένα εικονικό προσοµοιωµένο εργαστήριο, περιγράφονται εδώ συνοπτικά ως προς τα βασικότερα χαρακτηριστικά τους, σε σχέση µε τον σχεδιασµό και την υλοποίηση της διδασκαλίας της θερµικής ακτινοβολίας Η εφαρµογή της διδασκαλίας Η ενότητα αποτελείται όπως αναφέραµε και πιο πάνω, από ένα θεωρητικό και δυο εργαστηριακά µαθήµατα που αναλύονται παρακάτω. ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΟ ΜΑΘΗΜΑ Στο εισαγωγικό µάθηµα γίνεται σύνδεση της ακτινοβολίας µε την θερµοκρασία των σωµάτων και το βασικό σηµείο είναι η διαπίστωση ότι σε οποιαδήποτε θερµοκρασία ένα σώµα µπορεί να ακτινοβολεί, αρκεί να είναι σε ψηλότερη θερµοκρασία από το περιβάλλον του (αντίστοιχα δε, να λαµβάνει θερµότητα µε ακτινοβολία). Γίνεται λόγος επίσης για το ισοζύγιο µεταξύ απορροφούµενης και εκπεµπόµενης ακτινοβολίας προκειµένου να διαπιστωθεί αν η θερµοκρασία του σώµατος θα αυξάνει ή θα µειώνεται. Μελετώνται επίσης πηγές και οι µετατροπές ενέργειας που λαµβάνουν χώρα κάθε φορά σε αυτές, προκειµένου να έχουν σταθερή θερµοκρασία. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 1 Το πρώτο εργαστηριακό µάθηµα περιλαµβάνει 2 πειράµατα. Πείραµα επίδειξης Κατά την εκκίνηση, γίνεται εκτεταµένη συζήτηση και συλλογή απόψεων, σχετικά µε το πώς επηρεάζει το χρώµα των σωµάτων την απορρόφηση ακτινοβολίας που στηρίζεται στην καθηµερινή εµπειρία των µαθητών από τα ρούχα που φορούν τους καλοκαιρινούς µήνες. Το πρώτο πείραµα γίνεται από τον καθηγητή σε µορφή επίδειξης και αφορά στη σύγκριση της ακτινοβολούµενης θερµότητας µεταξύ ενός µαύρου και ενός λευκού δοχείου. Το πείραµα έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον διότι οι µαθητές στις προβλέψεις τους εκφράζουν κυρίως την άποψη ότι το άσπρο κρυώνει γρηγορότερα (βλέπε και Πίνακα 1). Έτσι το πείραµα αυτό που γίνεται από τον καθηγητή µε τη χρήση MBL τους φέρνει αντιµέτωπους µε τις απόψεις τους και αποτελεί µια πολύ 160

173 Ι. Λεύκος, 2011 καλή εισαγωγή για το κυρίαρχο ζήτηµα που διαπραγµατευόµαστε στην ενότητα αυτή: «ο καλός απορροφητής είναι και καλός εκποµπός». Πείραµα από τους µαθητές Το δεύτερο πείραµα γίνεται στο ΣΕΠ από τους µαθητές, που ακολουθούν τις οδηγίες του αντίστοιχου Φ.Ε. και αφορά την µελέτη της εκποµπής ακτινοβολίας ενός µαύρου δοχείου σε θερµοκρασία ψηλότερη από του περιβάλλοντος. Π.1 : Θερµική αλληλεπίδραση νερού περιβάλλοντος λόγω ακτινοβολίας. α) θα µελετήσεις πώς το χρώµα των σωµάτων, επηρεάζει την εκποµπή θερµικής ακτινοβολίας. β) θα διερευνήσεις αν για ένα σώµα, η ευκολία απορρόφησης σηµαίνει ταυτόχρονα ευκολία εκποµπής θερµικής ακτινοβολίας. Εικόνα 55: Η διάταξη του εικονικού πειράµατος 1 Το πείραµα αυτό παρόλο που έχει οµοιότητες µε το προηγούµενο (MBL), εκτός του ότι εκτελείται από τους ίδιους τους µαθητές, διαφέρει για τους εξής λόγους: α) Ζητείται πρόβλεψη για την τελική θερµοκρασία του δοχείου και του δωµατίου. Καθώς στο ΣΕΠ έχουµε δυνατότητα (όχι µόνο ρύθµισης, αλλά και) θερµοµέτρησης της θερµοκρασίας δωµατίου, µπορεί να γίνει σαφές και το ζήτηµα του ρόλου του περιβάλλοντος (ως ένα σώµα που δεν αλλάζει θερµοκρασία, παρά τις ανταλλαγές θερµότητας, λόγω τεράστιας µάζας (θερµοχωρητικότητας)). β) Ζητείται από τους µαθητές να παρακολουθήσουν από την γραφική παράσταση το πείραµα µέχρι µια χρονική στιγµή (όπου ακόµη δεν έχουµε φτάσει σε Θ.Ι., αλλά η τάση των γραµµών έχει γίνει φανερή), να «παγώσουν» την εξέλιξη του πειράµατος και να γράψουν την εκτίµησή τους για τις τελικές θερµοκρασίες δοχείου/ περιβάλλοντος (Petridou, 2005) γ) Χρησιµοποιώντας την εξίσωση θερµιδοµετρίας, οι µαθητές καλούνται να υπολογίσουν το ποσό θερµότητας που ακτινοβολήθηκε προς το περιβάλλον, λαµβάνοντας δεδοµένα από την γραφική παράσταση και τους πίνακες που έχουν συµπληρώσει. ΣΥΝΟΠΤΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ 1 ΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ Στόχοι: Να διαπιστώσουν οι µαθητές την επίδραση του χρώµατος των σωµάτων στην εκποµπή ακτινοβολίας και ειδικότερα την µεγαλύτερη ικανότητα εκποµπής των µαύρων σωµάτων. ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 161

174 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Να συνδέσουν την ικανότητα απορρόφησης ενός σώµατος, µε την ικανότητα εκποµπής του. Να διαπιστώσουν ότι το περιβάλλον δεν επηρεάζεται θερµοκρασιακά και να αποδώσουν αυτή την παρατήρηση στην τεράστια µάζα του. Να υπολογίσουν την εκπεµπόµενη θερµότητα από την εξίσωση θερµιδοµετρίας. Ανάλυση δοµής Φάσεις διδασκαλίας ΦΑΣΗ 1 Εισαγωγή Προβληµατισµός των µαθητών για το αν τα άσπρα ή µαύρα σώµατα έχουν µεγαλύτερη ικανότητα εκποµπής. Συλλογή προβλέψεων. ΦΑΣΗ 2 Πείραµα 1 (επίδειξη MBL) Εκτέλεση πειράµατος από τον καθηγητή, σχετικό µε το παραπάνω πρόβληµα. ΦΑΣΗ 3 Συζήτηση στην τάξη έµφαση συµπερασµάτων Συσχετίζει το προηγούµενο πείραµα εκποµπής µε τα φαινόµενα απορρόφησης. Καταλήγει στο συµπέρασµα ότι οι καλοί απορροφητές είναι και καλοί εκποµποί. ΦΑΣΗ 4 Πείραµα 2 (ΣΕΠ) Πειραµατισµός των µαθητών µε δεδοµένη διάταξη σε φαινόµενο εκποµπής µαύρου σώµατος. Συλλογή δεδοµένων κατασκευή γραφικής παράστασης. ΦΑΣΗ 5 Συζήτηση στην τάξη έµφαση συµπερασµάτων Συζήτηση για την µη-αλλαγή της θερµοκρασίας του περιβάλλοντος. Απόδοση του γεγονότος στην µεγάλη του µάζα. ΦΑΣΗ 6 Υπολογισµός Q από την εξίσωση θερµιδοµετρίας Προβληµατισµός των µαθητών για τον υπολογισµό της θερµότητας που εκπέµφθηκε από το σώµα. Χρήση της εξίσωσης θερµιδοµετρίας. ιευκρινίσεις σχετικά µε το θ και το c. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 2 Εικόνα 56: Οι διατάξεις στα εικονικά πειράµατα 2Α, 2Β Το δεύτερο εργαστηριακό µάθηµα περιλαµβάνει 2 πειράµατα, που όµως γίνονται ταυτόχρονα. Ουσιαστικά πρόκειται για το ίδιο πείραµα όπου µελετάται η 162

175 Ι. Λεύκος, 2011 επίδραση της εξωτερικής επιφάνειας των σωµάτων στο ποσό θερµότητας που ακτινοβολούν ή απορροφούν. Απλά κάποιες οµάδες διερευνούν την περίπτωση της εκποµπής και οι υπόλοιπες την απορρόφηση. Ο διαµοιρασµός των οµάδων µας έδωσε δυνατότητα να εκτελέσουµε δυο πειράµατα στο χρόνο του ενός, αλλά και ταυτόχρονα να προκαλέσουµε την συζήτηση µεταξύ των οµάδων, µια και µετά την εκτέλεση των πειραµάτων, καλούνται να ανακοινώσουν σε όλη την τάξη τα αποτελέσµατά τους και από κοινού να εξάγουν ένα συνολικό συµπέρασµα. Παράλληλα, επιτυγχάνεται έτσι η ολιστική οπτική στην διερεύνηση του φαινοµένου και ενισχύεται η άποψη «καλός εκποµπός = καλός απορροφητής», µια και οι µαθητές βλέπουν πως επεκτείνεται εκτός από τον παράγοντα του χρώµατος, και στο µέγεθος της επιφάνειας των σωµάτων και εποµένως θεωρούµε ότι γενικεύεται. Πειράµατα από τους µαθητές Π. 2A : Απορρόφηση θερµικής ακτινοβολίας σωµάτων διαφορετικής επιφάνειας Στην άσκηση αυτή: θα µελετήσεις πώς το µέγεθος (εξωτερική επιφάνεια) των σωµάτων, επηρεάζει την απορρόφηση θερµικής ακτινοβολίας. Π. 2Β : Εκποµπή ακτινοβολίας σωµάτων διαφορετικής επιφάνειας Στην άσκηση αυτή: θα µελετήσεις πώς το µέγεθος (εξωτερική επιφάνεια) των σωµάτων, επηρεάζει την εκποµπή θερµικής ακτινοβολίας Στα πειράµατα αυτά ακολουθήσαµε µια πιο ελεύθερη προσέγγιση στην κατασκευή της πειραµατικής διάταξης. Έτσι, οι µαθητές λαµβάνουν µόνο γενικές οδηγίες και επιλέγουν µόνοι τους τα υλικά και τις συνθήκες που χρειάζονται για την έρευνά τους. Στο σχήµα 5, φαίνεται διαγραµµατικά η διάρθρωση της ενότητας και η ολιστική της οπτική, µέσα από την πολλαπλότητα των πειραµάτων εκποµπής και απορρόφησης που εκτελούνται και των παραµέτρων που διερευνώνται. ΣΥΝΟΠΤΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ 2 ΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ Στόχοι: Να διαπιστώσουν οι µαθητές την επίδραση της επιφάνειας των σωµάτων στην εκποµπή ακτινοβολίας και ειδικότερα την µεγαλύτερη ικανότητα εκποµπής των σωµάτων µε µεγαλύτερη επιφάνεια. Να ενισχύσουν την σύνδεση της ικανότητα απορρόφησης ενός σώµατος, µε την ικανότητα εκποµπής του. Να ενισχύσουν την διαπίστωση ότι το περιβάλλον δεν επηρεάζεται θερµοκρασιακά και να αποδώσουν αυτή την παρατήρηση στην τεράστια µάζα του. Να υπολογίσουν την εκπεµπόµενη θερµότητα από την εξίσωση θερµιδοµετρίας. ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 163

176 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Ανάλυση δοµής Φάσεις διδασκαλίας ΦΑΣΗ 1 Εισαγωγή Επανάληψη των διαπιστώσεων των µαθητών από το προηγούµενο µάθηµα, για το αν τα άσπρα ή µαύρα σώµατα έχουν µεγαλύτερη ικανότητα εκποµπής / απορρόφησης. Παρουσίαση µιας νέας παραµέτρου σχετικά µε την ακτινοβολία. Το µέγεθος της επιφάνειας. Συλλογή προβλέψεων, αρχικά προφορικά και µετά πάνω στο Φύλλο Εργασίας. Οι µαθητές χωρίζονται σε 2 µεγάλα γκρουπ, οι µεν εξετάζουν το ζήτηµα της εκποµπής και οι δε µε το ζήτηµα της απορρόφησης, σε σχέση µε την επιφάνεια. ΦΑΣΗ 2 Πείραµα (ΣΕΠ) Πειραµατισµός των µαθητών µε διάταξη που σχεδιάζουν και υλοποιούν οι ίδιοι, βασισµένοι πάνω στην ερώτηση που τους τέθηκε προηγουµένως, καθορίζοντας τις αρχικές συνθήκες και τις ποσότητες των υλικών. Η ερώτηση είναι, αν το µέγεθος της επιφάνειας ενός σώµατος, επηρεάζει την ευκολία εκποµπής / απορρόφησης ακτινοβολίας. Έτσι, οι οµάδες στο ένα γκρουπ εξετάζουν το φαινόµενο εκποµπής, ενώ στο άλλο το φαινόµενο απορρόφησης. Συλλογή δεδοµένων κατασκευή γραφικής παράστασης. ΦΑΣΗ 3 Συζήτηση στην τάξη έµφαση συµπερασµάτων Συζήτηση σχετικά µε την θερµοκρασία στην οποία θα καταλήξουν τα δοχεία που θερµαίνονται / ψύχονται ελεύθερα στο περιβάλλον (Έµφαση- επανάληψη του ζητήµατος της Θ.Ι.) Συζήτηση για την µη-αλλαγή της θερµοκρασίας του περιβάλλοντος (Έµφαση επανάληψη). ΦΑΣΗ 4 Υπολογισµός Q από την εξίσωση θερµιδοµετρίας Προβληµατισµός των µαθητών για τον υπολογισµό της θερµότητας που αντάλλαξαν τα σώµατα µε το περιβάλλον. Συµπλήρωση διαγράµµατος στο Φ.Ε. για την περιγραφή του φαινοµένου γραφικά. Χρήση της εξίσωσης θερµιδοµετρίας, µε τα δεδοµένα του ενός από τα δυο δοχεία. ιευκρινίσεις σχετικά µε το θ και το c. ΦΑΣΗ 5 ιαγραµµατική αναπαράσταση του φαινοµένου στον πίνακα - Συζήτηση Τέσσερεις µαθητές σχεδιάζουν διαδοχικά στον πίνακα διαγράµµατα όπου αναπαρίσταται γραφικά τα αντίστοιχα προβλήµατα απορρόφησης και εκποµπής θερµικής ακτινοβολίας. Η συζήτηση που γίνεται στην τάξη σχετικά µε τα διαγράµµατα που σχεδιάζουν οι µαθητές, είναι µια ευκαιρία για µια συνολική επαναληπτική θεώρηση της ενότητας αυτής που αφορούσε την θερµική ακτινοβολία. 164

177 Ι. Λεύκος, 2011 Εικόνα 57: ιαγραµµατική αναπαράσταση διδασκαλίας της ενότητας της Ακτινοβολίας στην τελική εφαρµογή ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 165

178 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ 3.6. Απαντήσεις των µαθητών σε έργα σχετικά µε την ακτινοβολίας Αρχικό Ερωτηµατολόγιο Στο ερωτηµατολόγιο αυτό, υπάρχουν 4 ερωτήσεις σχετικά µε την θερµική ακτινοβολία. Μπορούµε να τα διακρίνουµε δε, σε δυο κατηγορίες. ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ Α ηλαδή, στις ερωτήσεις αυτές εξετάζεται ο ρόλος του χρώµατος στην απορρόφηση θερµικής ακτινοβολίας. Απαντήσεις µαθητών: Τα άσπρα απορροφούν περισσότερο Τα µαύρα απορροφούν περισσότερο Ερ. 3 α Ερ. 4 α Ερ. 3 α Ερ. 4 α

179 Ι. Λεύκος, 2011 ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ Β ηλαδή, στις ερωτήσεις αυτές εξετάζεται ο ρόλος του χρώµατος στην εκποµπή θερµικής ακτινοβολίας. Απαντήσεις µαθητών: Τα άσπρα εκπέµπουν περισσότερο Τα µαύρα εκπέµπουν περισσότερο Άσπρα και µαύρα σώµατα εκπέµπουν το ίδιο Ερ. 3 β Ερ. 4 β Ερ. 3 β Ερ. 4 β Ερ. 3 β Ερ. 4 β ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 167

180 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Τελικό Ερωτηµατολόγιο Στο ερωτηµατολόγιο αυτό, υπάρχουν 2 ερωτήσεις σχετικά µε την θερµική ακτινοβολία. Μπορούµε να τα διακρίνουµε δε, σε δυο κατηγορίες. ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ Α ηλαδή, στην ερώτηση αυτή εξετάζεται ο ρόλος του χρώµατος στην εκποµπή θερµικής ακτινοβολίας. Απαντήσεις µαθητών: Τα άσπρα εκπέµπουν περισσότερο Τα µαύρα εκπέµπουν περισσότερο 2 11 ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ Β ηλαδή, στην ερώτηση αυτή εξετάζεται ο ρόλος της επιφάνειας ενός σώµατος στην εκποµπή θερµικής ακτινοβολίας. Απαντήσεις µαθητών: Οι µικρές επιφάνειες εκπέµπουν Οι µεγάλες επιφάνειες εκπέµπουν περισσότερο περισσότερο

181 Ι. Λεύκος, 2011 Βλέπουµε δηλαδή µια καθολική αποδοχή της επιστηµονικά αποδεκτής άποψης. Θα ήταν ακόµη πιο ενδιαφέρον δε, αν συσχετίζαµε το αποτέλεσµα αυτό µε τις απόψεις των µαθητών όπως τις είχαµε καταγράψει σε ερωτήσεις πρόβλεψης, πριν από την αντίστοιχη εργαστηριακή διδασκαλία. Στον πίνακα που ακολουθεί, καταγράφονται οι προβλέψεις των µαθητών για τον ρόλο της επιφάνειας των σωµάτων, σε ερώτηµα εκποµπής ή απορρόφηση θερµικής ακτινοβολίας. Οι µικρές επιφάνειες απορροφούν / εκπέµπουν ευκολότερα Οι µεγάλες επιφάνειες απορροφούν / εκπέµπουν ευκολότερα Μικρές / µεγάλες επιφάνειες απορροφούν / εκπέµπουν το ίδιο Χαρακτηριστικές απαντήσεις: Υπέρ της µικρής επιφάνειας: Η θερµική ακτινοβολία, θα διαφεύγει ευκολότερα από την µικρή επιφάνεια (εκποµπή). Υπέρ της µεγάλης επιφάνειας: Το µεγάλο δοχείο θα δέχεται µεγαλύτερο ποσό θερµότητας (απορρόφηση). Υπέρ της ανεξαρτησίας από την επιφάνεια: εν έχει σηµασία το µέγεθος του ποτηριού, αλλά η µάζα του νερού που έχει µέσα Συγκριτικός σχολιασµός των απαντήσεων στα ερωτηµατολόγια, πριν και µετά την εφαρµογή. 1. Σχετικά µε την παράµετρο του χρώµατος. Τα προβλήµατα κατανόησης εστιάζονται κυρίως στο θέµα της εκποµπής της ακτινοβολίας. Είναι προφανές από τις απαντήσεις που δίνουν οι µαθητές, ότι πολύ µικρό ποσοστό θεωρεί τα µαύρα σώµατα καλούς εκποµπούς. Η άποψή τους, αντίθετα, είναι κυρίως υπέρ του άσπρου, ενώ υπάρχουν και κάποιοι που θεωρούν πως το χρώµα δεν παίζει ρόλο στην εκποµπή ακτινοβολίας. Μετά από την διδασκαλία, η µεταστροφή των απόψεων είναι σηµαντική. Σχεδόν όλοι θεωρούν ότι το χρώµα πράγµατι παίζει ρόλο στην εκποµπή ακτινοβολίας και επιπλέον, ότι τα µαύρα σώµατα εκπέµπουν ευκολότερα. 2. Σχετικά µε την παράµετρο της επιφάνειας. Στα ερωτήµατα σχετικά µε την επίδραση του µεγέθους της επιφάνειας, οι µαθητές εµφανίστηκαν αρχικά µοιρασµένοι περίπου στη µέση. Αρκετοί ήταν αυτοί που υποστήριζαν την επιστηµονικά αποδεκτή άποψη, αλλά οι υπόλοιποι (περίπου 43%) είτε θεωρούσαν ότι τα σώµατα µε µικρότερη επιφάνεια είναι καλύτεροι εκποµποί (απορροφητές) θερµικής ακτινοβολίας, είτε ότι η επιφάνεια δεν παίζει κάποιο ρόλο. Μετά από την διδασκαλία, η αποδοχή της επιστηµονικής άποψης ήταν καθολική. Όλοι οι µαθητές απάντησαν υπέρ της ευκολίας στην εκποµπή (απορρόφηση) των µεγαλύτερων επιφανειών. Σηµειώνουµε εδώ επίσης, ότι ήδη από το πρώτο µέρος της ενότητας, όπου συζητήθηκε ο ρόλος του χρώµατος, έγινε αποδεκτό από τους µαθητές (και ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 169

182 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ αποτελούσε βέβαια έναν από τους στόχους µας) ότι τα σώµατα συµπεριφέρνονται κατά τον ίδιο τρόπο σε φαινόµενα εκποµπής είτε απορρόφησης, θερµικής ακτινοβολίας, οπότε και µπορέσαµε στο δεύτερο µέρος (σχετικά µε την επιφάνεια) να µιλάµε συνολικά για τα φαινόµενα ακτινοβολίας, ασχέτως αν εξετάζαµε επιµέρους περιπτώσεις εκποµπής ή απορρόφησης Συµπεράσµατα Η διδασκαλία της ενότητας της ακτινοβολίας, που περιγράψαµε πιο πάνω, έγινε σε µια τάξη 14 µαθητών της Β Γυµνασίου. Για την διδασκαλία χρησιµοποιήθηκε το εργαστήριο Η/Υ του σχολείου. Αποτελεί µέρος µιας ευρύτερης διδακτικής σειράς για την διδασκαλία των θερµικών φαινοµένων, αναλυτική παρουσίαση της οποίας γίνεται αλλού (Lefkos, 2005). Για την αξιολόγηση της διδασκαλίας χρησιµοποιήθηκαν ατοµικά προ- και µετά-τεστ, τα φύλλα εργασίας από τις οµάδες ανάλυση των βιντεοσκοπήσεων και ατοµικές συνεντεύξεις. Τα αποτελέσµατα έδειξαν στο εννοιολογικό επίπεδο σηµαντική εξέλιξη στις αντιλήψεις των µαθητών. Στο πλαίσιο αυτής της εφαρµογής εκτιµούµε ότι σηµαντικό ρόλο έπαιξαν τα εργαλεία ΤΠΕ που χρησιµοποιήσαµε και η συνδυασµένη τους χρήση. Ιδιαίτερα σηµαντική ήταν η συγχρονική γραφική αναπαράσταση των φαινοµένων, που επέτρεψε στους µαθητές να παρακολουθούν σε πραγµατικό χρόνο την εξέλιξη των φαινοµένων και να έχουν µια άµεση εποπτεία της εξέλιξής τους. Επίσης, η δυνατότητα χρονικής επιτάχυνσης των πειραµάτων έδωσε την ευκαιρία να εκτελεστούν περισσότερα πειράµατα στον χρόνο µιας διδακτικής ώρας. Επιπλέον, ο έλεγχος της θερµοκρασίας του περιβάλλοντος, επέτρεψε τον σχεδιασµό και την υλοποίηση πειραµάτων τόσο εκποµπής όσο και απορρόφησης, δίνοντας έτσι άµεσα την σύνδεση των δυο όψεων του ίδιου φαινοµένου. Τέλος, η δυνατότητα διακοπής και επανάληψης της εξέλιξης του εικονικού πειράµατος, µπορεί να επικεντρώσει την προσοχή των µαθητών σε δεδοµένες χρονικές στιγµές που θεωρούνται κρίσιµες για την κατανόησή του, όπως έχουµε αναφέρει και αλλού. (Lefkos, 2005; Petridou, 2005). Γενικά θεωρούµε στην προσέγγισή µας αυτή, και το υιοθετούµε σε ολόκληρη τη διδακτική µας σειρά, ότι από την µια µεριά, τα πειράµατα µε συµβατικά µέσα είναι πολύ χρήσιµα για την φάση εισαγωγής των µαθητών σε κάποιο φαινόµενο, ενώ από την άλλη µεριά στο ΣΕΠ έχουµε την δυνατότητα να σχεδιάζουµε εύκολα και να εκτελούµε γρήγορα πειράµατα, άρα να διερευνούµε παραµετρικά τα φαινόµενα και µάλιστα τις πιο πολλές φορές χρησιµοποιώντας συνθήκες που δεν θα µπορούσαµε να επιτύχουµε σε ένα πραγµατικό εργαστήριο. Ταυτόχρονα, η χρήση του MBL προσφέρει ένα καλό σύνδεσµο µεταξύ πραγµατικού και εικονικού κόσµου µε κυρίαρχο µέσο την γραφική αναπαράσταση των φαινοµένων. Κύριο λοιπόν χαρακτηριστικό της πρότασής µας είναι η ολιστική οπτική στη διδακτική προσέγγιση, που µεταφράζεται αφ ενός στην ολοκληρωµένη διερεύνηση πολύπαραµετρικών φαινοµένων (όπως αυτό της θερµικής ακτινοβολίας) και αφ ετέρου στην συνδυασµένη χρήση διαφορετικών τεχνολογιών για τις πειραµατικές ασκήσεις των µαθητών. 170

183 Ι. Λεύκος, Οι άξονες µελέτης της εργαστηριακής διδασκαλίας Εδώ και αρκετές δεκαετίες, υπάρχει µια διαρκής συζήτηση σχετικά µε το ρόλο της εργαστηριακής διδασκαλίας (labwork) στην εκπαίδευση των Φυσικών Επιστηµών (Φ.Ε). H συζήτηση αυτή φανερώνει το ενδιαφέρον αλλά και τη σπουδαιότητα που θεωρείται ότι έχει η εργαστηριακή διδασκαλία σε παγκόσµιο επίπεδο, τόσο από την πλευρά των εκπαιδευτικών όσο από την πλευρά των ερευνητών, αλλά και της πολιτείας, (Woolnough & Alsop, 1985; Wellington, 2000). Στο πλαίσιο αυτό, πολλοί ερευνητές έχουν εκφράσεις τις ανησυχίες τους σχετικά µε την αποτελεσµατικότητα της εργαστηριακής διδασκαλίας στη βελτίωση της κατανόησης των µαθητών των διαφόρων όψεων της επιστηµονικής διερεύνησης. Κατά συνέπεια, προτείνουν µια αναθεώρηση των στόχων της εργαστηριακής διδασκαλίας και περεταίρω διερεύνηση της µάθησης που συντελείται σε διαφορετικά περιεχόµενα (Lazarowitz & Tamir, 1994; Tobin et al., 1994; Lunetta, 1998). Επιπλέον προτείνεται περισσότερη διερεύνηση της σχέσης µεταξύ των εργαστηριακών δραστηριοτήτων και της µάθησης που συντελείται στο εργαστήριο, από ότι µέχρι τώρα έχει ερευνηθεί στην εκπαίδευση των Φ.Ε. (Leach & Paulsen, 1999). Η σπουδαιότητά της εδράζεται στο γεγονός ότι η κατανόηση της επιστήµης που προωθείται κατά την εργαστηριακή διδασκαλία, εµπεριέχει την µάθηση εννοιών και µοντέλων της επιστήµης καθώς και την ανάπτυξη δεξιοτήτων που αφορούν στην επιστηµονική διερεύνηση των αντίστοιχων περιεχοµένων. Οι µαθητές έρχονται σε επαφή µε τον κόσµο των ιδεών που αναπαριστά τον κόσµο των αντικειµένων και εµπλέκονται σε παρατηρήσεις και αλληλεπιδράσεις µε τον κόσµο, χρησιµοποιώντας ειδικά κατασκευασµένα ή καθηµερινά αντικείµενα και συσκευές. (Psillos & Niedderer, 2002). Θεωρείται λοιπόν ότι κατά τη διάρκεια του εργαστηρίου η δηλωτική και η διαδικαστική γνώση διαπλέκονται και οι µαθητές πρέπει να τις χρησιµοποιούν ταυτόχρονα προκειµένου να εµπλακούν σε αποτελεσµατικές πειραµατικές δραστηριότητες (Sere, 1999). Η αποτελεσµατικότητα των διαφόρων µορφών εργαστηρίου έχει γίνει αντικείµενο έρευνας από διάφορες οπτικές (Ganiel & Hofstein 1982; Lazarowitz & Tamir 1994; Tobin, Tippins & Gallard 1994; White 1996; Lunetta 1998). Σύµφωνα δε µε την άποψη των Psillos & Niedderer (2002), η συζήτηση για το θέµα αυτό πρέπει να εστιαστεί όχι µόνο στην διερεύνηση της µάθησης σχετικά µε τις έννοιες ή τις επιστηµονικές διαδικασίες, αλλά και στο πώς οι µαθητές παρεµβαίνουν στον κόσµο του εργαστηρίου και πώς διαχειρίζονται τις οντότητες του κόσµου αυτού. Η άποψη βασίζεται στο γεγονός ότι ενώ η πρόθεση των καθηγητών ή των σχεδιαστών των Α.Π. είναι να εµπλέξουν τους µαθητές σε διάφορες δραστηριότητες όπου µαθαίνουν τον χειρισµό συσκευών ή ερµηνεύουν προσοµοιωµένα µοντέλα χρησιµοποιώντας τις ΤΠΕ και οι δραστηριότητές τους αφορούν αντικείµενα, ιδέες ή πειραµατικά δεδοµένα, η έρευνα φανερώνει ότι οι µαθητές έχουν τις δικές τους απόψεις για την εργαστηριακή διδασκαλία, όπως για παράδειγµα να βρουν ποια είναι η σωστή απάντηση ή να ολοκληρώσουν απλά τα φύλλα εργασίας. Και αυτό οδηγεί σε ασυνέπεια µεταξύ των στόχων του εργαστηρίου και των πραγµατικών δραστηριοτήτων των µαθητών (Lunetta, 1998). Είναι σηµαντικό λοιπόν, σύµφωνα µε τους παραπάνω ερευνητές, αυτή η ασυνέπεια να διερευνηθεί, καθώς η κατανόηση της επιστήµης υποθέτει την εµπλοκή των µαθητών σε συγκεκριµένους τρόπους παρέµβασης στον κόσµο και διασύνδεσης των δράσεών τους µε τον κόσµο των ιδεών µε ένα βάσιµο και αξιόπιστο τρόπο. Προτείνουν έτσι, την αποτίµηση της ποιότητας µιας εργαστηριακής δραστηριότητας ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 171

184 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ αντιστοιχίζοντάς την σε ένα τύπο αποτελεσµατικότητας που ονοµάζεται «Αποτελεσµατικότητα 1» (Psillos et al. 1998, 1999; Millar, Le Maréchal & Tiberghien 1999), και θεωρούν ότι µπορεί να λειτουργήσει σαν µια προσέγγιση διπλής όψης, αποκαλύπτοντας την πολύπλοκη σχέση µεταξύ των θεωρητικών αναπαραστάσεων και των πρακτικών δράσεων και τη σύνδεση που συντελείται µεταξύ τους κατά τη διάρκεια της διεξαγωγής του εργαστηρίου. Από τη µια δηλαδή σχετίζεται µε τον προσδιορισµό των προτιθέµενων δράσεων των µαθητών και από την άλλη διαπραγµατεύεται την δοµή και το νόηµα των πράξεών τους. Η αποτελεσµατικότητα που παραδοσιακά έχει διερευνηθεί κατ επανάληψη συνδέεται µε τα αποτελέσµατα των µαθητών σε τεστ, συνεντεύξεις, εννοιολογικούς χάρτες κλπ που αναλύονται µετά το τέλος των εργαστηρίων. Αυτό ονοµάζεται «Αποτελεσµατικότητα-2» και αφορά στις γνώσεις που εποικοδοµούν οι µαθητές µετά από µια δεδοµένη εργαστηριακή διδασκαλία. Στη δική µας έρευνα προσπαθήσαµε να συνδυάσουµε την διερεύνηση και των δυο τύπων αποτελεσµατικότητας. Συγκεκριµένα σχετικά µε την Αποτελεσµατικότητα-2, έχουµε δυο άξονες µελέτης της επίδοσης των µαθητών µας. Στον πρώτο άξονα µελετάµε την γνωστική βελτίωση των µαθητών σε βασικές έννοιες των θερµικών φαινοµένων, µετά το πέρας της διδασκαλίας. Στον δεύτερο άξονα, αξιολογούµε την ανάπτυξη των ικανοτήτων των µαθητών µας στο σχεδιασµό πειραµάτων, µετά το πέρας της εργαστηριακής διδασκαλίας. Σχετικά µε την Αποτελεσµατικότητα-1 εστιαζόµαστε στη διασύνδεση της θεωρίας µε την εργαστηριακή πρακτική κατά τη διάρκεια του εργαστηρίου η οποία συγκεντρώνει τα τελευταία χρόνια το ενδιαφέρον πολλών ερευνητών, όπως προαναφέραµε Τα ερευνητικά ερωτήµατα Αντίστοιχα µε τους τρείς άξονες διερεύνησης της αποτελεσµατικότητας που περιγράψαµε προηγουµένως, είναι και τα ερευνητικά µας ερωτήµατα. Κατά συνέπεια, τα ερωτήµατα είναι τρία: Άξονας 1 ος Ερώτηµα: «Επηρεάζει η συµµετοχή των µαθητών µας στη διδακτική σειρά τη γνωστική τους βελτίωση και την κατανόηση των βασικών εννοιών των θερµικών φαινοµένων που διαπραγµατευόµαστε;» Άξονας 2 ος Ερώτηµα: «Επηρεάζει η εµπλοκή των µαθητών µας σε δραστηριότητες διερεύνησης στο εικονικό εργαστήριο, την ικανότητά τους να σχεδιάζουν πειράµατα που αφορούν θερµικές αλληλεπιδράσεις πραγµατικών αντικειµένων σε καταστάσεις της καθηµερινής ζωής;» Άξονας 3 ος Ερώτηµα: «Επηρεάζει η εµπλοκή των µαθητών µας σε δραστηριότητες διερεύνησης στο εικονικό εργαστήριο, την δηµιουργία συνδέσεων µεταξύ θεωρίας και πρακτικής;» 172

185 Ι. Λεύκος, Άξονας 1ος: Γνωστική βελτίωση των µαθητών σε βασικές έννοιες των θερµικών φαινοµένων (Αποτελεσµατικότητα-2α) Προκειµένου να ελέγξουµε τους µαθητές µας για την πιθανή γνωστική βελτίωσή τους σε σχέση µε τις βασικές έννοιες των θερµικών φαινοµένων, βασιστήκαµε στην αποτίµηση των απαντήσεων των µαθητών σε ερωτηµατολόγια που δόθηκαν πριν και µετά από την εφαρµογή της διδακτικής σειράς, αλλά και σε ηµιδοµηµένες ατοµικές συνεντεύξεις όπου διευκρινίζονταν οι απαντήσεις των µαθητών στα ερωτηµατολόγια και αναλύονταν το σκεπτικό τους. Στη συνέχεια παρουσιάζεται και αναλύεται το αρχικό αλλά και το τελικό ερωτηµατολόγιο, τόσο σε επίπεδο σχεδιασµού και στόχων, όσο και σε επίπεδο των συγκεκριµένων έργων που περιλαµβάνονται σε αυτά. Για τον σχεδιασµό των ερωτηµατολογίων, λάβαµε υπόψη τους γενικούς & ειδικούς στόχους της διδακτικής µας σειράς. Συνοπτικά µπορούµε να τοποθετήσουµε τους παρακάτω στόχους, που οι µαθητές µας θεωρούµε πως θα είναι σε θέση να ικανοποιήσουν µε την ολοκλήρωση της διδασκαλίας: Η επιλογή των έργων διερεύνησης της γνωστικής βελτίωσης των µαθητών Κατά την τελική εφαρµογή της σειράς, έλεγχος της γνωστικής προόδου των µαθητών ελέγχθηκε µε ερωτηµατολόγια που συµπληρώθηκαν από τους µαθητές τόσο στην αρχή όσο και µετά το τέλος της σειράς. Η κεντρική ιδέα πίσω από όλα τα έργα των ερωτηµατολογίων, όπως εξάλλου και από τα έργα στα φύλλα εργασίας της σειράς, είναι να αντιµετωπίζουν οι µαθητές καταστάσεις θερµικής αλληλεπίδρασης µεταξύ δυο σωµάτων. Η επιλογή αυτή να χρησιµοποιηθούν τέτοιου είδους έργα, που η Viennot (1998) ονοµάζει «περιορισµένα» έχει το πλεονέκτηµα της ελαχιστοποίησης των µεταβλητών του συστήµατος µε αποτέλεσµα να «απαιτούνται απλούστερες προβλέψεις από τους µαθητές, µια και εµφανίζεται µόνο µια θερµική αλληλεπίδραση. Εποµένως µπορούµε να ισχυριστούµε ότι η ενέργεια µεταφέρεται από το θερµό προς το ψυχρό σώµα, µέχρι να αποκτήσουν ίδια θερµοκρασία.» (Viennot, 1998). Με το σκεπτικό αυτό, σχεδιάστηκαν τα έργα της σειράς έτσι ώστε, κατά την άποψή µας, όλη σχεδόν η διδασκαλία του κεφαλαίου της Θερµότητας στη σχολική Φυσική Β Γυµνασίου, µπορεί να παρουσιαστεί µέσα από τέτοιες καταστάσεις αλληλεπίδρασης δυο σωµάτων που φτάνουν κάποια στιγµή σε θερµική ισορροπία. Εξαίρεση αποτελούν τα έργα όπου εξετάζεται η περίπτωση διαφόρων σωµάτων που βρίσκονται σε περιβάλλον γνωστής θερµοκρασίας, µε τα οποία επιδιώκεται τόσο η διάγνωση, όσο και ό έλεγχος των απόψεων των µαθητών στο πεδίο αυτό που σχετίζεται µε την θερµική ισορροπία και για το οποίο είναι καταγεγραµµένες πολλές εναλλακτικές απόψεις των µαθητών (Erickson & Tiberghien, 1985). Από άποψη µορφής, τα έργα είναι ποιοτικού και ηµι-ποσοτικού τύπου και δεν απαιτούνται από τη µεριά των µαθητών κανενός είδους υπολογισµοί, στο µέρος τουλάχιστο που αφορά την πρόβλεψή τους για το αποτέλεσµα των θερµικών αλληλεπιδράσεων. Αυτό επιτυγχάνεται διότι οι µαθητές είτε απαντούν λεκτικά µε ποιοτικούς όρους (η θερµοκρασία θα είναι πιο πάνω/πιο κάτω/στο µέσο, ή το νερό θα είναι πιο ζεστό/πιο κρύο/χλιαρό), είτε απαντούν γραφικά, σηµειώνοντας τις απόψεις τους πάνω σε ένα θερµοµετρικό διάγραµµα ή σχεδιάζοντας µια γραφική παράσταση. ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 173

186 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Η επιλογή των έργων ποιοτικού τύπου στα ερωτηµατολόγια, συνοδεύεται επίσης από αντίστοιχου τύπου ερωτήσεις εναύσµατα στα φύλλα εργασίας των πειραµατικών δραστηριοτήτων των µαθητών, καθώς και µε συµπερασµατικές ερωτήσεις στο τέλος των δραστηριοτήτων αυτών. Οι εργαστηριακές βέβαια δραστηριότητες, είναι «αναγκαστικά» ποσοτικού τύπου, µιας και εµπλέκονται σε διαδικασίες θερµοµέτρησης των σωµάτων που αλληλεπιδρούν, είτε αυτές είναι µε πραγµατικά είτε είναι µε εικονικά θερµόµετρα ή αισθητήρες θερµοκρασίας. Ποιοτικό ερώτηµα έναυσµα / καθηµερινότητα Ποσοτικοποίηση ερωτήµατος / Πειραµατισµός Ποιοτικό ερώτηµα - συµπερασµατικό Εικόνα 58: Συνδυασµός ποσοτικών και ποιοτικών ερωτηµάτων στις εργαστηριακές δραστηριότητες. ηλαδή, οι µαθητές αντιµετωπίζουν ένα σχήµα ποιοτικό ποσοτικό - ποιοτικό (Εικόνα 58) σε κάθε εργαστηριακή τους δραστηριότητα. Ταυτόχρονα το περιεχόµενο των ποιοτικών έργων από άποψη διατύπωσης είναι κοντά στην καθηµερινότητα των µαθητών, ενώ των ποσοτικών έχει ένα χαρακτήρα εργαστηριακό (πιο επιστηµονικού τύπου), προσπαθώντας έτσι να πετύχουµε ταυτόχρονα δυο στόχους: Να συνδέσουµε την καθηµερινή µε την σχολική (επιστηµονική) Φυσική, επιδίωξη που τίθεται στους σκοπούς των Προγραµµάτων Σπουδών όλων των βαθµίδων και είναι διαπιστωµένο από τις έρευνες το γεγονός ότι οι µαθητές δυσκολεύονται να επιτύχουν (Yeo & Zadnik, 2001). Να συνδέσουµε τις ποιοτικές απόψεις των µαθητών, που συνήθως είναι περισσότερο επιτυχηµένες γιατί είναι διαισθητικές, µε τις ποσοτικές που συνήθως είναι προβληµατικές για τα παιδιά αυτής της ηλικίας (Stavy & Berkovitz, 1980) Οι Οµάδες των έργων Τα έργα, µπορούν να ταξινοµηθούν σε οµάδες, όπως παρακάτω: Α Θερµική αλληλεπίδραση εξ επαφής. ιάδοση µε αγωγή. Αλληλεπίδραση µεταξύ 2 σωµάτων ίσων µαζών Αλληλεπίδραση µεταξύ 2 σωµάτων διαφορετικής µάζας Αλληλεπίδραση µεταξύ 2 σωµάτων από διαφορετικό υλικό Β Θερµική αλληλεπίδραση από απόσταση. ιάδοση µε ακτινοβολία Αλληλεπίδραση µεταξύ διαφόρων σωµάτων και του περιβάλλοντος Αλληλεπίδραση µεταξύ ενός σώµατος και του περιβάλλοντος Αλληλεπίδραση µεταξύ ενός σώµατος και του περιβάλλοντος εξάρτηση από το χρώµα του σώµατος (απορρόφηση εκποµπή) Αλληλεπίδραση µεταξύ ενός σώµατος και του περιβάλλοντος εξάρτηση από την επιφάνεια του σώµατος Γ- Αλλαγές Φυσικής Κατάστασης 174

187 Ι. Λεύκος, 2011 Αλληλεπίδραση µεταξύ ενός σώµατος και του περιβάλλοντος σταθερότητα θερµοκρασίας κατά τις αλλαγές κατάστασης (τήξη - βρασµός) Παρακάτω παρουσιάζονται αναλυτικότερα οι οµάδες των έργων: Οµάδα 1η: Αλληλεπίδραση µεταξύ 2 σωµάτων ίσων µαζών (νερό, m1= m2) Εικόνα 59: Έργο από την έρευνα των Stavy & Berkovitz (1980) Τα έργα αυτά, αποτέλεσαν µάλλον την ευκολότερη οµάδα και αυτό φαίνεται από τις επιδόσεις των µαθητών που ήταν από την αρχή πάρα πολύ ψηλές. Παρότι λοιπόν αναµενόµενο, επιλέξαµε να ελέγξουµε το δείγµα µας. Στη βιβλιογραφία αναφέρεται ότι όταν ζητείται από τους µαθητές να αναµείξουν ποσότητες νερού διαφορετικής θερµοκρασίας, απαντούν συχνά ότι το τελικό µείγµα θα είναι «ζεστό». Όταν επιπλέον τους δίνονται συγκεκριµένες αρχικές θερµοκρασίες, τότε οι σωστές απαντήσεις είναι ακόµη λιγότερες. H έρευνα των Driver & Russell (1981), έδειξε ότι 80% των παιδιών ηλικίας ετών µπορούν να καταλήξουν σε σωστούς ποιοτικούς χαρακτηρισµούς, ενώ όταν τους δίνονται αριθµητικά δεδοµένα το ποσοστό σωστών προβλέψεων πέφτει στο 25%. Το ίδιο εύρηµα υποστηρίζεται και από άλλες έρευνες (Engel, 1981; Stavy & Berkovitz, 1980; Strauss, 1981), όταν οι µαθητές αντιµετωπίζουν ποσοτικά έργα, πολλές φορές προσθέτουν ή αφαιρούν τις αρχικές θερµοκρασίες των σωµάτων. Στην καταγραφή των αρχικών απόψεων των µαθητών µας, πράγµατι επιβεβαιώθηκαν τα παραπάνω αποτελέσµατα Οµάδα 2η: Αλληλεπίδραση µεταξύ 2 σωµάτων διαφορετικών µαζών (νερό, m1 m2) Εικόνα 60: Έργα ανάµειξης άνισων ποσοτήτων νερού (Stavy & Berkovitz, 1980) Με τα έργα αυτού του τύπου, ουσιαστικά µελετούµε µια από τις παραµέτρους της εξίσωσης της Θερµιδοµετρίας. Τα έργα της κατηγορίας αυτής, ήταν αρκετά δυσκολότερα για τους µαθητές. Ο λόγος είναι ότι επειδή πρόκειται για την µελέτη της αλληλεπίδρασης δυο ανεξάρτητων σωµάτων, εµφανίζεται στις απαντήσεις των µαθητών η εναλλακτική άποψη ότι «η θερµική ισορροπία δεν είναι µια αναγκαστική κατάσταση». Έτσι, κάποιοι µαθητές θεωρούν ότι µετά την αλληλεπίδραση, τα σώµατα µπορεί και να έχουν διαφορετική µεταξύ τους θερµοκρασία (Duit & Kesidou, 1988) Παρόµοια έργα έχουν χρησιµοποιηθεί και σε άλλες έρευνες όπως των Stavy & Berkovitz (1980) (Εικόνα 60), καθώς και στην διαλεκτικού τύπου διδακτική παρέµβαση των Harrison, Grayson & Treagust (1999). ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 175

188 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Οµάδα 3η: Αλληλεπίδραση µεταξύ 2 σωµάτων από διαφορετικό υλικό (νερό- γάλα, λάδι, µέταλλα, c1 c2) Στην οµάδα αυτή των έργων, µελετούµε και πάλι µια από τις παραµέτρους της θερµιδοµετρίας. Με απλά λόγια, µελετούµε τον ρόλο του υλικού των σωµάτων που αλληλεπιδρούν, σε σχέση µε την τελική θερµοκρασία ισορροπίας τους. Είναι προφανές ότι για να είναι τα έργα αντιµετωπίσιµα και ποιοτικά, η παράµετρος µάζα διατηρείται σταθερή. Έργα τέτοιου τύπου συναντάµε πολύ συχνά στις έρευνες σχετικά µε θερµότητα, θερµοκρασία και θερµική ισορροπία. Για παράδειγµα στην έρευνα των Duit & Kesidou (1988) (Εικόνα 61), οι οποίοι εξέταζαν τις απόψεις των µαθητών για το αν συνεχίζονται οι αλληλεπιδράσεις µετά την επίτευξη της θερµικής ισορροπίας, ή στων Harrison, Grayson & Εικόνα 61: Αλληλεπίδραση ζεστού µεταλλικού κύβου και κρύου νερού, από Duit & Kesidou (1988) Treagust (1999), οι οποίοι διεξήγαγαν εκτεταµένες συζητήσεις πάνω στον τρόπο υπολογισµού της ειδικής θερµότητας του µετάλλου, χρησιµοποιώντας παρόµοιο πρόβληµα µε σκοπό να παρακολουθήσουν την εννοιολογική αλλαγή των µαθητών. Όλα τα έργα της οµάδας αυτής στην διδακτική µας σειρά, σχεδιάστηκαν µε το σκεπτικό ότι το ένα από τα δυο σώµατα που αλληλεπιδρούν να είναι πάντα το νερό. Η επιλογή αυτή έγινε µε διπλό στόχο. Από την µια µεριά θέλαµε να υπάρχει στα προβλήµατα πάντα ένας παράγοντας σταθερός προκειµένου να διευκολύνονται οι µαθητές στη σκέψη τους και να µπορούν να κάνουν συγκριτικούς συλλογισµούς. Από την άλλη το νερό ήταν το πιο βολικό υλικό για αυτόν το ρόλο, διότι εκτός του ότι είναι ένα καθηµερινό υλικό, µπορέσαµε να αναδείξουµε µέσα από τα προβλήµατα, την ιδιότητα που έχει να βρίσκεται πάνω από όλα τα υπόλοιπα υλικά στη σειρά των ειδικών θερµοτήτων και ότι αυτό συνεπάγεται για τον φυσικό κόσµο γενικά, αλλά και για την καθηµερινότητα των µαθητών µας. Με το παραπάνω σκεπτικό, πρακτικά, το ερώτηµα στο οποίο κλήθηκαν να απαντήσουν είναι κατά πόσο κάποιο υλικό αλλάζει θερµοκρασία ευκολότερα ή δυσκολότερα από το νερό και κατ επέκταση, στην αλληλεπίδραση µεταξύ τους, ποιο θα είναι το σηµείο στο οποίο θα ισορροπήσουν θερµοκρασιακά. ηλαδή αφού το νερό αλλάζει πιο δύσκολα θερµοκρασία (και οι µάζες τους είναι ίσες), η τελική θερµοκρασία της ισορροπίας, θα είναι πιο κοντά στην αρχική του νερού Οµάδα 4η: Αλληλεπίδραση µεταξύ πολλών σωµάτων και του περιβάλλοντος Έργα όπως αυτής της οµάδας, έχουν τη λογική του ελέγχου των απόψεων των µαθητών, σε σχέση µε τις καταγεγραµµένες στη βιβλιογραφία (Clark, 2000; Clark & Jorde, 2004; Engel Clough & Driver, 1985) εναλλακτικές απόψεις µε διαισθητική κυρίως προέλευση, που αφορούν το αίσθηµα του θερµού ή ψυχρού που νιώθουµε όταν ακουµπάµε αντικείµενα από διαφορετικό υλικό. Όταν για παράδειγµα αγγίζουµε 176

189 Ι. Λεύκος, 2011 µε το χέρι µας το ξύλινο θρανίο ή τα µεταλλικά του πόδια, όταν περπατούµε µε γυµνά πόδια σε ξύλινο ή µαρµάρινο πάτωµα. Όταν οι µαθητές ερωτώνται για παράδειγµα τι θερµοκρασία νοµίζουν ότι θα έχει ένα πλαστικό και ένα µεταλλικό αντικείµενο αν τα αφήσουµε µέσα σε ένα δωµάτιο (Engel Clough & Driver, 1985), ή αν βάλουµε σε ένα φουρνάκι 60 ο αντικείµενα από διαφορετικό υλικό (Clark & Jorde, 2004), τότε οι απαντήσεις τους συνήθως φανερώνουν την διαισθητική τους προέλευση, γιατί θεωρούν ότι π.χ. τα µέταλλα είναι πιο θερµά (ή πιο κρύα) από το περιβάλλον, τα ξύλινα, τα πλαστικά ή το Εικόνα 62: " ιάφορα αλεύρι είναι λιγότερο θερµά (ή λιγότερο κρύα), ενώ το αντικείµενα τοποθετούνται νερό παίρνει πάντα τη θερµοκρασία του περιβάλλοντος µέσα στο φούρνο του (Tiberghien, 1985). σχολικού εργαστηρίου. Ποια Οι απόψεις αυτές είναι πολύ δύσκολο να είναι η θερµοκρασία του καθενός?" Έργο από την αλλάξουν, ακόµη και µετά την διδασκαλία, όπως έρευνα των Clark & Jorde φαίνεται από την έρευνα της Tiberghien (1985), όπου 2004) περισσότερο από το 50% των µαθητών συνεχίζουν να θεωρούν ότι η θερµοκρασία ενός σώµατος είναι µια φυσική του ιδιότητα και εποµένως π.χ. κάποιες ουσίες δεν µπορούν να ζεσταθούν Οµάδα 5η: Αλληλεπίδραση µεταξύ ενός σώµατος (νερού) και του περιβάλλοντος Εικόνα 63: Έργο αλληλεπίδρασης µιας ποσότητας νερού µε το περιβάλλον, από τα ερωτηµατολόγια της διδακτικής µας σειράς Η οµάδα αυτή των έργων θεωρούσαµε πως θα είναι µια από τις πιο εύκολα αντιµετωπίσιµες για τους µαθητές µας διότι, όπως αναφέραµε και αλλού, οι έρευνες έχουν δείξει (Tiberghien, 1985) ότι για το νερό εκφράζουν συνήθως την άποψη ότι παίρνει τη θερµοκρασία του περιβάλλοντός του. Εξάλλου η άποψη αυτή είναι και εµπειρικά διαπιστωµένη από την καθηµερινότητα των µαθητών. Όµως τα αποτελέσµατα της έρευνάς µας διέψευσαν αυτή την προσδοκία, όπως θα αναλύσουµε παρακάτω. Τα έργα αυτή της οµάδας αποτελούν την εισαγωγή για την µελέτη των παραµέτρων της διάδοσης µε ακτινοβολία, που ακολούθησε σε µετέπειτα έργα που αντιµετώπισαν οι µαθητές µας, τόσο κατά τη διάρκεια των εργαστηρίων της διδακτικής µας σειράς όσο και σε επίπεδο ελέγχου στα αντίστοιχα ερωτηµατολόγια Οµάδα 6η & 7η: Αλληλεπίδραση µεταξύ ενός σώµατος και του περιβάλλοντος εξάρτηση από το χρώµα του σώµατος (απορρόφηση εκποµπή) Εικόνα 64: Έργο για την διερεύνηση της παραµέτρου του χρώµατος στην απορρόφηση θερµικής ακτινοβολίας από τη διδακτική µας σειρά Τα έργα που αφορούν την διάδοση µε ακτινοβολία και ειδικότερα ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 177

190 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ την µελέτη των παραµέτρων από την οποία εξαρτάται αυτή η αλληλεπίδραση, αποτελούν µια περίπτωση η οποία δεν συναντούµε στην βιβλιογραφία. Αυτό συµβαίνει διότι «οι έρευνες για τις ιδέες των παιδιών γύρω από τη µεταφορά ενέργειας έχουν εστιάσει στην αγωγή θερµότητας» (R. Driver, et al., 1998). Επιπλέον, το ζήτηµα της διάδοσης µε ακτινοβολία, αντιµετωπίζεται διεθνώς σε επίπεδο κυρίως τεχνικών ζητηµάτων σε πολυτεχνικές σχολές. Αποτελεί εποµένως για την διδακτική µας σειρά µια πρωτοτυπία, τόσο η διερεύνηση των απόψεων των µαθητών, όσο και ο σχεδιασµός διδακτικών παρεµβάσεων για την αντιµετώπισή τους. Οι απόψεις των µαθητών µας διερευνήθηκαν τόσο κατά την τελική εφαρµογή της έρευνάς µας, όσο και κατά τις πιλοτικές (Λεύκος, Ψύλλος, Χατζηρανιώτης, & Παπαδόπουλος, 2005). Σε ότι αφορά την µελέτη της παραµέτρου του χρώµατος των σωµάτων, φαίνεται γενικά ότι οι µαθητές αντιµετωπίζουν διαφορετικά τα έργα απορρόφησης ακτινοβολίας, από τα έργα εκποµπής. ηλαδή, ενώ µπορούσαν πολύ εύκολα να προβλέψουν ορθά την εξέλιξη σε καταστάσεις απορρόφησης, δεν είχαν καθόλου επιτυχία σε καταστάσεις εκποµπής ακτινοβολίας. Αυτό είναι πιθανό να οφείλεται στο γεγονός ότι η καθηµερινή εµπειρία σχετίζεται κυρίως µε την απορρόφηση Εικόνα 65: Έργο για την διερεύνηση της παραµέτρου του χρώµατος στην εκποµπή θερµικής ακτινοβολίας από τη διδακτική µας σειρά της θερµικής ακτινοβολίας (π.χ. προτιµούµε ανοιχτόχρωµα ρούχα το καλοκαίρι) και όχι µε την εκποµπή της. Η παρατήρηση αυτή, µας οδήγησε στο να διαχωρίσουµε την µελέτη της ακτινοβολίας σε δυο επιµέρους περιπτώσεις: Οµάδα 6) Έργα απορρόφησης ακτινοβολίας, στα οποία εµφανίζονται σώµατα ψυχρότερα από το περιβάλλον τους, να θερµαίνονται απορροφώντας ακτινοβολία. Οµάδα 7) Έργα εκποµπής ακτινοβολίας, στα οποία εµφανίζονται σώµατα που είναι θερµότερα από το περιβάλλον τους και εποµένως ακτινοβολούν θερµότητα και ψύχονται. και µε αντίστοιχα έργα στα ερωτηµατολόγια να ελέγξουµε τους µαθητές µας Οµάδα 8η: Αλληλεπίδραση µεταξύ ενός σώµατος και του περιβάλλοντος εξάρτηση από την επιφάνεια του σώµατος (εκποµπή) Μια ακόµη παράµετρος για την εκποµπή ή απορρόφηση της θερµικής ακτινοβολίας, είναι και η συνολική εξωτερική επιφάνεια των σωµάτων. Όπως αναφέραµε και στην προηγούµενη παράγραφο, το ζήτηµα αυτό δεν απαντάται στην βιβλιογραφία, στο επίπεδο τουλάχιστον της έρευνα για µαθητές υποχρεωτικής εκπαίδευσης όπως η παρούσα. Αποτελεί δηλαδή ένα ζήτηµα πρωτότυπο από την άποψη αυτή. 178

191 Ι. Λεύκος, 2011 Οι απόψεις των µαθητών µας για την επίδραση της επιφάνειας στην θερµική ακτινοβολία είχαν διερευνηθεί και στις πιλοτικές εφαρµογές όπως παρουσιάστηκε σε σχετική εργασία (Λεύκος, et al., 2005). Ενδιαφέρον αποτελεί το γεγονός ότι παρότι θα θεωρούσε κάποιος πολύ απλοϊκή την απάντηση σε τέτοιου είδους έργα, καθότι η απλοϊκή αναλογική σκέψη Εικόνα 66: Έργο για τη διερεύνηση της παραµέτρου της επιφάνειας στην εκποµπή θερµικής ακτινοβολίας από τη διδακτική µας σειρά του τύπου Περισσότερο Α Περισσότερο Β, είναι κοντά στην επιστηµονική για τα ζητήµατα αυτά. Όµως εµφανίζονται αρκετοί µαθητές (στην έρευνά µας) που είτε πιστεύουν ότι τα σώµατα µικρότερης επιφάνειας απορροφούν ή εκπέµπουν περισσότερη θερµική ακτινοβολία είτε πως η επιφάνεια δεν παίζει ρόλο στα φαινόµενα αυτά. Ειδικότερα, ασχοληθήκαµε µε τα έργα εκποµπής ακτινοβολίας, αφού στις πιλοτικές εφαρµογές εντοπίσαµε πως εκεί υπάρχει κυρίως το πρόβληµα, σε αναλογία όπως αποδείχθηκε και µε τις προηγούµενες παρόµοιες κατηγορίες έργων, όπου εξετάσαµε τον ρόλο του χρώµατος. Φαίνεται δηλαδή ότι ενώ οι µαθητές µας εύκολα µπορούν να κατανοήσουν τα φαινόµενα απορρόφησης και τις παραµέτρους οι οποίες τα επηρεάζουν, δυσκολεύονται αρκετά στα φαινόµενα εκποµπής Λεπτοµερέστερα αποτελέσµατα θα παρουσιάσουµε σε παρακάτω ενότητες Οµάδα 9η: Αλληλεπίδραση µεταξύ ενός σώµατος και του περιβάλλοντος Αλλαγές Φυσικής Κατάστασης Η οµάδα αυτή των έργων, επίσης αποτελεί µια πρωτοτυπία για την έρευνά µας, διότι δεν υπάρχει στη βιβλιογραφία αντίστοιχου τύπου έργο το οποίο να συνδυάζει τη µελέτη των αλλαγών φάσης µε το φαινόµενο της θερµικής ισορροπίας. Στη δική µας προσέγγιση, και καθώς µας το επέτρεπε το εικονικό περιβάλλον του ΣΕΠ, σχεδιάσαµε έργα και πειράµατα αλλαγών φάσης όπως αυτό που παρουσιάζεται στην εικόνα (Εικόνα 67), όπου µπορούµε να έχουµε στο περιβάλλον «εξωπραγµατικές» θερµοκρασίες (- 20 έως 130 ο C), οπότε και να παρακολουθούµε το νερό να Εικόνα 67: Έργο για τη διερεύνηση της σταθερότητας της θερµοκρασίας κατά τις αλλαγές φάσης από τη διδακτική µας σειρά παγώνει, να τήκεται ή να βράζει, χωρίς θερµαντικό σώµα, απλά και µόνο µε την αλληλεπίδρασή του µε το περιβάλλον. ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 179

192 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Οι παραπάνω 9 οµάδες έργων, αποτέλεσαν την πηγή για την κατασκευή του αρχικού και του τελικού ερωτηµατολογίου, όπου τα έργα αυτά λαµβάνουν τη µορφή ερωτηµάτων. Στις παραγράφους που ακολουθούν, περιγράφουµε αναλυτικά τα ερωτήµατα των ερωτηµατολογίων και τους επιµέρους στόχους στους οποίους απευθύνονται Αρχικό ερωτηµατολόγιο Το αρχικό ερωτηµατολόγιο, αποτελείται από 12 ερωτήµατα που µπορούν να ταξινοµηθούν στις παραπάνω 9 οµάδες έργων. Τα ερωτήµατα αυτά καλύπτουν όλο το γνωστικό περιεχόµενο της θεµατικής της διδακτικής µας σειράς (περιλαµβάνονται επίσης και ερωτήµατα ικανοτήτων πειραµατισµού των µαθητών, τα οποία αναλύουµε σε επόµενη ενότητα). Τα ερωτήµατα έχουν διάφορους τύπους, είναι ανοιχτά ή πολλαπλής επιλογής, είναι ποιοτικού/ ηµι-ποσοτικού χαρακτήρα και αφορούν προβλήµατα/καταστάσεις επιλεγµένα κατάλληλα ώστε να είναι κοντά στα καθηµερινά βιώµατα των µαθητών. Οι µαθητές καλούνται να απαντήσουν περιγράφοντας και αιτιολογώντας την άποψη τους γραπτά, να ερµηνεύσουν ή να κατασκευάσουν γραφικές παραστάσεις ή να παρουσιάσουν τις απαντήσεις τους µε γραφικό τρόπο, πάνω σε θερµοµετρικά διαγράµµατα Επιµέρους στόχοι των ερωτηµάτων Όσο αφορά στο γνωστικό περιεχόµενο, προσπαθούµε να ελέγξουµε τις απόψεις των µαθητών µας στα παρακάτω ζητήµατα: Θερµική Ισορροπία Εκτίµηση της τελικής θερµοκρασίας ισορροπίας µετά από ανάµειξη δυο ίσων ποσοτήτων νερού Θερµική Ισορροπία - Εκτίµηση της τελικής θερµοκρασίας ισορροπίας µετά από αλληλεπίδραση δυο άνισων ποσοτήτων νερού Ο ρόλος της µάζας Θερµική Ισορροπία - Εκτίµηση της τελικής θερµοκρασίας ισορροπίας µετά από αλληλεπίδραση δυο διαφορετικών υλικών Ο ρόλος του υλικού Θερµική Ισορροπία - Εκτίµηση της τελικής θερµοκρασίας ισορροπίας διαφόρων σωµάτων σε περιβάλλον σταθερής θερµοκρασίας Θερµική Ισορροπία - Εκτίµηση της τελικής θερµοκρασίας ισορροπίας από την αλληλεπίδραση ενός σώµατος και του περιβάλλοντος ο ρόλος του περιβάλλοντος Θερµική Ισορροπία - Απορρόφηση θερµικής ακτινοβολίας κατά την αλληλεπίδραση ενός σώµατος και του περιβάλλοντος Ο ρόλος του χρώµατος Θερµική Ισορροπία - Εκποµπή θερµικής ακτινοβολίας κατά την αλληλεπίδραση ενός σώµατος και του περιβάλλοντος Ο ρόλος του χρώµατος Θερµική Ισορροπία - Εκποµπή θερµικής ακτινοβολίας κατά την αλληλεπίδραση ενός σώµατος και του περιβάλλοντος Ο ρόλος της επιφάνειας 180

193 Ι. Λεύκος, 2011 Αλλαγή Κατάστασης - Σταθερότητα θερµοκρασίας κατά τη διάρκεια αλλαγής φυσικής κατάστασης Τέλος, σε σχέση µε τον έλεγχο των ικανοτήτων πειραµατισµού των µαθητών, τους καλούµε να κάνουν: Σχεδιασµό και περιγραφή ενός πειράµατος που θα απαντά σε δεδοµένο ερώτηµα στα πλαίσια του οποίου καλούνται: Να εκφράσουν µια υπόθεση. Να προσδιορίσουν ένα κριτήριο επαλήθευσης της υπόθεσης. Να κάνουν κατάλληλη επιλογή των πειραµατικών υλικών, συσκευών και οργάνων. Να προσδιορίσουν τις αρχικές ρυθµίσεις των πειραµατικών συσκευών Να προσδιορίσουν τις µεταβλητές που επηρεάζουν το φαινόµενο Να θέσουν τις κατάλληλες αρχικές συνθήκες Να περιγράψουν τα φαινόµενα που εµπλέκονται στο πείραµα Να περιγράψουν κατάλληλα την πειραµατική διαδικασία Αναλυτική παρουσίαση ερωτηµάτων Στην παράγραφο αυτή αναλύονται τα ερωτήµατα σύµφωνα µε τους παραπάνω στόχους που περιγράψαµε, µε τη σειρά που εµφανίζονται στο αρχικό ερωτηµατολόγιο. Oλες οι ερωτήσεις (εκτός αυτών που αναφέρονται στις ικανότητες πειραµατισµού) αναφέρονται σε καταστάσεις θερµικής ισορροπίας, είτε σωµάτων στο περιβάλλον, είτε µεταξύ δυο σωµάτων σε επαφή ή µετά από ανάµειξη. Η επιλογή δεν είναι τυχαία, αλλά βασίζεται στην ευρύτερη στρατηγική της διδακτικής µας σειράς που θεωρεί τις καταστάσεις ισορροπίας ως το κοµβικό σηµείο για την µελέτη των θερµικών φαινοµένων. Επίσης γίνεται χρήση των γραφικών παραστάσεων και των θερµοµετρικών διαγραµµάτων όπου οι µαθητές καταγράφουν τις απόψεις τους για τα φαινόµενα, ως ένας εναλλακτικός τρόπος έκφρασης για τους µαθητές, ο οποίος χρησιµοποιείται και κατά τη διάρκεια της διδασκαλίας. Στην περιγραφή που ακολουθεί χρησιµοποιούµε την εξής κωδικοποίηση: σηµειώνουµε µε Κ, όταν ζητούµε από τους µαθητές να εκφραστούν γραπτά, µε G. όταν τους ζητούµε να χρησιµοποιήσουν γραφικές παραστάσεις ή σχηµατικά διαγράµµατα και µε E, αν το ερώτηµα σχετίζεται µε τον έλεγχο πειραµατικών ικανοτήτων. G1. Είναι αρκετά στοιχειώδης ερώτηση πρόβλεψης της γραφικής παράστασης που αντιστοιχεί σε δεδοµένο φαινόµενο και αναµένονταν γενικά σωστές απαντήσεις. Θεωρήθηκε ως ανίχνευση της βασικής «αναγνωστικής» ικανότητας γραφικών παραστάσεων. ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 181

194 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Η αναπαράσταση των γραµµών κρίθηκε καλό να γίνει µε ευθύγραµµα τµήµατα, διότι αφ ενός οι µαθητές της ηλικίας αυτής, είναι κυρίως εξοικειωµένοι µε τέτοιου είδους γραµµές, αφ ετέρου, τα πιλοτικά έδειξαν ότι και οι ίδιοι όταν καλούνται να σχεδιάσουν γραφικές παραστάσεις κατά κόρον χρησιµοποιούν ευθύγραµµα τµήµατα. Οι µαθητές θα πρέπει να αντιστοιχίσουν την φθίνουσα γραµµή, ως την καταλληλότερη να περιγράψει το φαινόµενο της ψύξης του νερού. Κ5. Αποτελεί από άποψη περιεχοµένου µια ενιαία οµάδα µαζί µε το επόµενο ερώτηµα G2 και αναφέρεται σε ένα καθηµερινό φαινόµενο της θέρµανσης µιας ποσότητας νερού σε ένα ποτήρι. µε στόχο την ανίχνευση των δεξιοτήτων περιγραφής ενός φαινοµένου και κατασκευής της αντίστοιχης γραφικής παράστασης. Αποτελείται από δυο σκέλη. Το σκέλος (α) ζητά µια λεκτική περιγραφή της άποψης των µαθητών, ώστε να δούµε µε ποιόν τρόπο και κατά πόσο µπορούν να εκφράζονται οι µαθητές, αλλά και να συγκρίνουµε την λεκτική περιγραφή αυτή µε την γραφική παράσταση που καλούνται να κατασκευάσουν στο επόµενο ερώτηµα. Στο (β) σκέλος τους ζητείται να παραστήσουν µε ένα απλό γραφικό τρόπο την άποψή τους, χρησιµοποιώντας το σχήµα µε τα θερµόµετρα. Οι µαθητές πρέπει να θεωρήσουν ότι η θερµοκρασία που θα φτάσει το κρύο νερό είναι ίδια µε αυτή του περιβάλλοντος (του οποίου η θερµοκρασία δε θα αλλάξει), αποδίδοντας την αλλαγή στη µεταφορά θερµότητας από το περιβάλλον προς το νερό. G2. Οι µαθητές καλούνται να αναπαραστήσουν την άποψη που διατύπωσαν στο προηγούµενο ερώτηµα, κατασκευάζοντας µια γραφική παράσταση. Σηµαντικό σηµείο θεωρείται εδώ κατ αρχήν η κατασκευή των αξόνων, ιδίως του χρόνου για τον οποίο δεν υπάρχει κάποια εύκολη αναφορά (το φαινόµενο εξάλλου περιγράφεται ποιοτικά), ενώ για την θερµοκρασία είναι κάπως ευκολότερο να θεωρήσουν π.χ. 30 ή 35 ο C σαν θερµοκρασία περιβάλλοντος και να βασίσουν την κατασκευή τους εκεί. Επιπλέον σηµαντική θεωρείται και η µορφή της γραµµής που θα επιλέξουν οι µαθητές, µε αναµενόµενη κυρίως την ευθεία γραµµή. Επιµέρους στόχοι είναι επίσης να διερευνήσουµε: (α) κατά πόσο θα εµφανιστούν απόψεις που θεωρούν ότι όσο περνά η ώρα, η θερµοκρασία του νερού θα ανέρχεται συνεχώς, ανεξαρτήτως της θερµοκρασίας του περιβάλλοντος. (β) ποιες θερµοκρασίες θα επιλέξουν οι µαθητές για να αντιστοιχήσουν στο «κρύο» νερό και στη «ζεστή» καλοκαιρινή µέρα. 182

195 Ι. Λεύκος, 2011 Κ1. Η ερώτηση αυτή επίσης αναµένεται να έχει πολύ µεγάλα ποσοστά επιτυχίας. Προσπαθούµε να ανιχνεύσουµε τις βασικές απόψεις των µαθητών για τις καταστάσεις (στιγµιαίας) θερµικής ισορροπίας, µε ένα φαινόµενο που τους είναι πολύ οικείο και ίσως το απλούστερο από όσα εξετάζουµε. Μας ενδιαφέρει όµως αφενός να καταγράψουµε την έκφραση των απόψεων των µαθητών στην λεκτική περιγραφή του φαινοµένου όπως απαιτείται στο πρώτο σκέλος και αφετέρου να δούµε και την αντίστοιχη πρόβλεψη που θα σηµειώσουν πάνω στο «θερµοµετρικό» διάγραµµα, στο δεύτερο σκέλος. Η ερώτηση αναµένεται να απαντηθεί µε επιτυχία. Από την άλλη, βάζουµε τα θεµέλια για ένα προβληµατισµό που θα αναπτυχθεί στην επόµενη (δυσκολότερη) ερώτηση, όπου περιγράφεται µια «δυναµικότερη» κατάσταση ισορροπίας. Οι µαθητές πρέπει να προβλέψουν µια τελική θερµοκρασία στο Μέσο Όρο των αρχικών, καθώς οι µάζες στα δύο δοχεία είναι ίσες. Κ2. Εδώ πρόκειται για µια κατάσταση που αφορά «δυναµική» ισορροπία, µπαίνει εποµένως και ο παράγοντας χρόνος. Με την ερώτηση αυτή στόχο έχουµε κυρίως να ανιχνεύσουµε αν οι µαθητές αναγνωρίζουν στο φαινόµενο αυτό τον ρόλο που παίζει η διαφορά µαζών των σωµάτων στην πρόβλεψή τους για την τελική θερµοκρασία και επιπλέον να καταγράψουµε αν θεωρούν ως αίτιο την ανταλλαγή θερµότητας και το δηλώνουν στις λεκτικές εξηγήσεις τους. Επιπλέον, στο δεύτερο σκέλος, ζητείται από τους µαθητές να καταγράψουν την άποψή τους χρησιµοποιώντας το «θερµοµετρικό» διάγραµµα, το οποίο εµφανίζεται εδώ στην µορφή (µε τα 4 θερµόµετρα) που θα κυριαρχεί αργότερα στα Φ.Ε. των µαθητών σε όλη τη διάρκεια της εφαρµογής. Οι µαθητές, λαµβάνοντας υπόψη την διαφορά στις µάζες των σωµάτων, πρέπει να απαντήσουν ότι η τελική θερµοκρασία ισορροπίας θα βρίσκεται πλησιέστερα στην αρχική του κρύου νερού (καθώς αυτό ήταν το περισσότερο). Κ3-Ε1. Σε δυο διαφορετικά σηµεία ενδιαφέροντος εστιάζεται η ερώτηση αυτή. Πρώτος στόχος είναι να καταγράψουµε τι πιστεύουν οι µαθητές µας σχετικά µε τη διαφορετική θερµική συµπεριφορά των διαφορετικών υλικών. Ο δεύτερος στόχος αφορά την ανίχνευση των πειραµατικών ικανοτήτων των µαθητών. Προσπαθούµε να καταγράψουµε ικανότητες σχεδιασµού του πειράµατος, δηλαδή να ορίσουν τα υλικά, να καθορίσουν τις µεταβλητές τους και τον τρόπο που θα τις µετρήσουν και να αποφασίσουν για το κρίσιµο σηµείο, στο οποίο θα βασίσουν την απάντησή τους. Οι µαθητές θα πρέπει να απαντήσουν ότι τα διαφορετικά υλικά θερµαίνονται µε διαφορετικό τρόπο και ακόµη ότι το νερό έχει την µεγαλύτερη θερµοχωρητικότητα (µεταξύ των γνωστών υλικών), άρα και δυσκολότερα ζεσταίνεται από ότι το γάλα. Σε ότι αφορά τον πειραµατισµό, πρέπει να αναφέρουν τις ποσότητες που θα κρατήσουν σταθερές, όπως τη µάζα των υγρών, την αρχική τους θερµοκρασία και την ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 183

196 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ παροχή θερµότητας και να καθορίσουν την κρίσιµη µεταβλητή δηλαδή τη θερµοκρασία που θα φτάσουν τα σώµατα, στον ίδιο χρόνο θέρµανσης ή εναλλακτικά να µετρήσουν το χρόνο που θα κάνει το κάθε υλικό για να φτάσει σε µια δεδοµένη θερµοκρασία. Κ4. Η ερώτηση αυτή αφορά την διερεύνηση των πιθανών εναλλακτικών απόψεων των µαθητών σχετικά µε αυτό που συνήθως ονοµάζουµε «υποκειµενική αίσθηση της θερµοκρασίας», το οποίο οδηγεί στο να αποδίδουν οι µαθητές θερµικές ιδιότητες σε διάφορα αντικείµενα. ίνονται λοιπόν διάφορα αντικείµενα που είναι φτιαγµένα από διαφορετικό υλικό (έπιπλα, ρούχα, κλειδιά) σε ένα δωµάτιο µε δοσµένη θερµοκρασία και ζητείται από τους µαθητές να καταγράψουν την θερµοκρασία που θεωρούν πως θα έχει κάθε ένα από τα αυτά. Οι µαθητές πρέπει να απαντήσουν ότι όλα τα αντικείµενα ανεξάρτητα από το υλικό που είναι φτιαγµένα, θα βρίσκονται στη θερµοκρασία του δωµατίου. Κ6α. Η ερώτηση αυτή έχει σαν στόχο την καταγραφή των απόψεων των µαθητών σχετικά µε φαινόµενα απορρόφησης και κατά πόσο κατανοούν τη διαφορετική συµπεριφορά των διαφόρων χρωµάτων σε σχέση µε την απορρόφηση θερµικής ακτινοβολίας. Θεωρούµε ότι είναι πολύ κοντά στις εµπειρίες των παιδιών και ότι θα απαντηθεί µε µεγάλα ποσοστά επιτυχίας. Οι µαθητές θα πρέπει να απαντήσουν πως το άσπρο χρώµα είναι καταλληλότερο για το ψυγείο καθώς απορροφά δυσκολότερα τη θερµική ακτινοβολία. Κ6β. Η ερώτηση αυτή έχει σαν στόχο την καταγραφή των απόψεων των µαθητών σχετικά µε την εκποµπή θερµικής ακτινοβολίας και συγκεκριµένα κατά πόσο κατανοούν τη διαφορετική συµπεριφορά των διαφόρων χρωµάτων σε σχέση µε αυτό. Η ερώτηση αυτή έχει µεγαλύτερη δυσκολία σε σχέση µε την προηγούµενη, διότι η εµπειρία των µαθητών δεν περιλαµβάνει φαινόµενα εκποµπής. Οι µαθητές θα πρέπει να απαντήσουν πως το µαύρο χρώµα είναι καταλληλότερο για το καλοριφέρ καθώς εκπέµπει ευκολότερα τη θερµική ακτινοβολία Τελικό ερωτηµατολόγιο: Το τελικό ερωτηµατολόγιο, αποτελείται από 13 ερωτήµατα. Τα ερωτήµατα αυτά καλύπτουν οµοίως µε το αρχικό τις ίδιες οµάδες έργων και είναι παρόµοια - αλλά όχι ίδια ακριβώς - στην µορφή και το περιεχόµενο µε αυτά του αρχικού ερωτηµατολογίου. Για παράδειγµα, στο αρχικό ερωτηµατολόγιο υπάρχει ένα έργο για την πειραµατική διερεύνηση και τη σύγκριση της θερµικής συµπεριφοράς µεταξύ νερού και γάλακτος, ενώ σε αντίστοιχο έργο του τελικού ερωτηµατολογίου, ζητείται η σύγκριση µεταξύ νερού και λαδιού. Τα ερωτήµατα έχουν διάφορους τύπους, είναι ανοιχτά ή πολλαπλής επιλογής, είναι ποιοτικού/ ηµι-ποσοτικού χαρακτήρα και αφορούν προβλήµατα/καταστάσεις επιλεγµένα κατάλληλα ώστε να είναι κοντά στα καθηµερινά βιώµατα των µαθητών. 184

197 Ι. Λεύκος, 2011 Οι µαθητές καλούνται να απαντήσουν περιγράφοντας και αιτιολογώντας την άποψη τους γραπτά, να ερµηνεύσουν ή να κατασκευάσουν γραφικές παραστάσεις ή να παρουσιάσουν τις απαντήσεις τους µε γραφικό τρόπο, πάνω σε θερµοµετρικά διαγράµµατα. Σε σχέση µε το αρχικό ερωτηµατολόγιο, είναι διευρυµένο το πλήθος των ερωτηµάτων, διότι οι µαθητές ελέγχονται και στον σχεδιασµό εικονικού πειράµατος µε τη χρήση του ΣΕΠ, το οποίο προφανώς δεν ήταν δυνατό να ελεγχθεί πριν από την εφαρµογή και την εξοικείωση των µαθητών µε το εικονικό αυτό περιβάλλον πειραµατισµού Επιµέρους στόχοι των ερωτηµάτων Όσο αφορά στο γνωστικό περιεχόµενο, προσπαθούµε να ελέγξουµε τις απόψεις των µαθητών µας στα παρακάτω ζητήµατα: Θερµική Ισορροπία - Εκτίµηση της τελικής θερµοκρασίας ισορροπίας µετά από αλληλεπίδραση δυο άνισων ποσοτήτων νερού Ο ρόλος της µάζας Θερµική Ισορροπία - Εκτίµηση της τελικής θερµοκρασίας ισορροπίας µετά από αλληλεπίδραση δυο διαφορετικών υλικών Ο ρόλος του υλικού Θερµική Ισορροπία - Εκτίµηση της τελικής θερµοκρασίας ισορροπίας διαφόρων σωµάτων σε περιβάλλον σταθερής θερµοκρασίας Θερµική Ισορροπία - Εκτίµηση της τελικής θερµοκρασίας ισορροπίας από την αλληλεπίδραση ενός σώµατος και του περιβάλλοντος ο ρόλος του περιβάλλοντος Θερµική Ισορροπία - Απορρόφηση θερµικής ακτινοβολίας κατά την αλληλεπίδραση ενός σώµατος και του περιβάλλοντος Ο ρόλος του χρώµατος Θερµική Ισορροπία - Εκποµπή θερµικής ακτινοβολίας κατά την αλληλεπίδραση ενός σώµατος και του περιβάλλοντος Ο ρόλος του χρώµατος Θερµική Ισορροπία - Εκποµπή θερµικής ακτινοβολίας κατά την αλληλεπίδραση ενός σώµατος και του περιβάλλοντος ο ρόλος της εξωτερικής επιφάνειας Αλλαγή Κατάστασης - Σταθερότητα θερµοκρασίας κατά τη διάρκεια αλλαγής φυσικής κατάστασης Τέλος, σε σχέση µε τον έλεγχο των ικανοτήτων πειραµατισµού των µαθητών, τους καλούµε να κάνουν: Σχεδιασµό και περιγραφή ενός πειράµατος που θα απαντά σε δεδοµένο ερώτηµα µε χρήση πραγµατικών αντικειµένων (E1) ή µε χρήση εικονικών αντικειµένων (E2), στα πλαίσια των οποίων καλούνται: Να εκφράσουν µια υπόθεση. Να προσδιορίσουν ένα κριτήριο επαλήθευσης της υπόθεσης. Να κάνουν κατάλληλη επιλογή των πειραµατικών υλικών, συσκευών και οργάνων. Να προσδιορίσουν τις αρχικές ρυθµίσεις των πειραµατικών συσκευών Να προσδιορίσουν τις µεταβλητές που επηρεάζουν το φαινόµενο Να θέσουν τις κατάλληλες αρχικές συνθήκες ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 185

198 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Να περιγράψουν τα φαινόµενα που εµπλέκονται στο πείραµα Να περιγράψουν κατάλληλα την πειραµατική διαδικασία Αναλυτική παρουσίαση ερωτηµάτων Στην παράγραφο αυτή αναλύονται τα ερωτήµατα σύµφωνα µε τους παραπάνω στόχους που περιγράψαµε, µε τη σειρά που εµφανίζονται στο τελικό ερωτηµατολόγιο. Oλες οι ερωτήσεις (εκτός αυτών που αναφέρονται στις ικανότητες πειραµατισµού) αναφέρονται σε καταστάσεις θερµικής ισορροπίας, είτε σωµάτων στο περιβάλλον, είτε µεταξύ δυο σωµάτων σε επαφή. Η επιλογή όπως έχουµε εξηγήσει βασίζεται στην ευρύτερη στρατηγική της διδακτικής µας σειράς που θεωρεί τις καταστάσεις ισορροπίας ως το κοµβικό σηµείο για την µελέτη των θερµικών φαινοµένων. Επίσης γίνεται χρήση των γραφικών παραστάσεων και των θερµοµετρικών διαγραµµάτων, τα οποία πλέον έχουν αποκτήσει µια περισσότερο αφηρηµένη οπτική καθώς οι µαθητές έχουν πλέον, µετά τη διδακτική παρέµβαση, µεγάλη εξοικείωση στη χρήση τους όπου οι µαθητές καταγράφουν τις απόψεις τους για τα φαινόµενα, ως ένας εναλλακτικός τρόπος έκφρασης αντί της χρήσης κειµένου. Στην περιγραφή που ακολουθεί χρησιµοποιούµε την εξής κωδικοποίηση: σηµειώνουµε µε Κ, όταν ζητούµε από τους µαθητές να εκφραστούν γραπτά, µε G. όταν τους ζητούµε να χρησιµοποιήσουν γραφικές παραστάσεις ή σχηµατικά διαγράµµατα και µε E, αν το ερώτηµα σχετίζεται µε τον έλεγχο πειραµατικών ικανοτήτων. T1. Πρόκειται για µια ερώτηση µε θεωρητικό περιεχόµενο που σκοπό έχει να ελέγξει τις γνώσεις που αποκόµισαν οι µαθητές από τη διδασκαλία και συγκεκριµένα το κατά πόσο µπορούν να αναφερθούν σε φαινόµενα της καθηµερινότητας ή και γενικότερα, συνδέοντάς τα µε τους δυο αυτούς τρόπους διάδοσης θερµότητας που εξετάσαµε διεξοδικά στη διάρκεια των µαθηµάτων. Τ2. Επίσης µια θεωρητική ερώτηση που αποσκοπεί στον έλεγχο της κατανόησης της εξίσωσης της θερµιδοµετρίας και των µεταβλητών που εµφανίζονται σε αυτή. Η ερώτηση αυτή θεωρείται αρκετά δύσκολη, γιατί η εµπειρία κατά τη διάρκεια της διδασκαλίας έδειξε πώς οι µαθητές δεν µπορούν να αφοµοιώσουν αυτή την πολύπαραµετρική εξίσωση. Κ4. Η ερώτηση αποσκοπεί στην αξιολόγηση των απόψεων των µαθητών περί θερµικής ισορροπίας διαφόρων αντικειµένων και περιβάλλοντος, που τόσο πολύ τους είχε προβληµατίσει στο αρχικό ερωτηµατολόγιο. 186

199 Ι. Λεύκος, 2011 ίνονται λοιπόν διάφορα αντικείµενα που είναι φτιαγµένα από διαφορετικό υλικό (καπέλο, παντόφλες, κλειδιά) σε ένα δωµάτιο µε δοσµένη θερµοκρασία και ζητείται από τους µαθητές να καταγράψουν την θερµοκρασία που θεωρούν πως θα έχει κάθε ένα από τα αυτά. Οι µαθητές πρέπει να απαντήσουν ότι όλα τα αντικείµενα ανεξάρτητα από το υλικό που είναι φτιαγµένα, θα βρίσκονται στη θερµοκρασία του δωµατίου. K8-G2.5. Η ερώτηση αυτή έχει διπλό ρόλο. Από άποψη γνωστικού περιεχοµένου, αναφέρεται στην αλλαγή φυσικής κατάστασης και συγκεκριµένα στη σταθερότητα της θερµοκρασίας κατά τη διάρκεια της αλλαγής. Η ερώτηση είναι αρκετά δύσκολη διότι οι µαθητές µπορεί να µην προσέξουν ότι η θερµοκρασία είναι πάνω από το σηµείο βρασµού του νερού και να απαντήσουν απλά θεωρώντας ότι είναι µια κοινή θερµοκρασία του δωµατίου. Οι µαθητές πρέπει να απαντήσουν λαµβάνοντας υπόψη ότι αναφερόµαστε σε θερµοκρασία >100 ο C, ότι το νερό θα φτάσει µέχρι το σηµείο βρασµού και σταδιακά θα εξαερωθεί. Σε ότι αφορά τη γραφική αναπαράσταση του φαινοµένου, και µε δεδοµένη την γνωστική δυσκολία του έργου, αναµένονται απαντήσεις που γενικά θα βρίσκονται σε δυο κατηγορίες. Στην κατηγορία όπου γίνεται αντιληπτή η θερµοκρασία του φούρνου σαν µεγαλύτερη του σηµείου βρασµού και στην κατηγορία που η θερµοκρασία των 130 ο C αντιµετωπίζεται σαν µια κοινή θερµοκρασία όπου θα φτάσει το νερό και θα ισορροπήσει. Και στις δυο περιπτώσεις όµως, ενδιαφέρον αποτελεί για µας (α) η αποτύπωση στη γραφική παράσταση, της άποψης για σταθερότητα της θερµοκρασίας και (β) ο συσχετισµός της θερµοκρασίας αυτής µε τη θερµοκρασία του δωµατίου. Οι µαθητές για να απαντήσουν σωστά, θα πρέπει να σχεδιάσουν µια ανοδική γραµµή που φτάνει µέχρι το σηµείο βρασµού και σχηµατίζει πλατό. Κ2. Εδώ πρόκειται για µια κατάσταση που αφορά «δυναµική» ισορροπία, µε στόχο να αξιολογήσουµε αν οι µαθητές αναγνωρίζουν στο φαινόµενο αυτό τον ρόλο που παίζει η διαφορά µαζών των σωµάτων στην πρόβλεψή τους για την τελική θερµοκρασία και το κατά πόσο το αποδίδουν αυτό στην ανταλλαγή θερµότητας και το δηλώνουν στις εξηγήσεις τους. Η απάντηση των µαθητών καταγράφεται χρησιµοποιώντας το «θερµοµετρικό» διάγραµµα. ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 187

200 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Οι µαθητές, λαµβάνοντας υπόψη την διαφορά στις µάζες των σωµάτων, πρέπει να απαντήσουν ότι η τελική θερµοκρασία ισορροπίας θα βρίσκεται πλησιέστερα στην αρχική του κρύου νερού (καθώς αυτό ήταν το περισσότερο). G2.2. Οι µαθητές καλούνται να αναπαραστήσουν την άποψη που διατύπωσαν στο προηγούµενο ερώτηµα, κατασκευάζοντας µια γραφική παράσταση. Σηµαντικό σηµείο θεωρείται εδώ κατ αρχήν η µορφή των γραµµών που θα σχεδιάσουν οι µαθητές και επιπλέον, το σηµείο που θα επιλέξουν για να παραστήσουν την κοινή θερµοκρασία ισορροπίας. Η ερώτηση αυτή σε συνδυασµό µε την προηγούµενη αποτελεί δίπολο αλληλοεπιβεβαίωσης των απόψεων των µαθητών Οι µαθητές θα πρέπει να σχεδιάσουν δυο καµπύλες που συναντώνται σε κοινή τελική θερµοκρασία πλησιέστερα στην αρχική του κρύου νερού και σε συνέπεια µε την απάντησή τους στο Κ2. Κ3. Πρόκειται και πάλι για µια κατάσταση που αφορά «δυναµική» θερµική ισορροπία, µε στόχο να αξιολογήσουµε αν οι µαθητές αναγνωρίζουν στο φαινόµενο αυτό τον ρόλο που παίζει το διαφορετικό υλικό των σωµάτων στην πρόβλεψή τους για την τελική θερµοκρασία ισορροπίας. Η απάντηση των µαθητών καταγράφεται χρησιµοποιώντας το «θερµοµετρικό» διάγραµµα. Οι µαθητές, λαµβάνοντας υπόψη την διαφορά στο υλικό των σωµάτων και γνωρίζοντας ότι το νερό έχει την µεγαλύτερη θερµοχωρητικότητα (µεταξύ των γνωστών υλικών), πρέπει να απαντήσουν ότι η τελική θερµοκρασία ισορροπίας θα βρίσκεται πλησιέστερα στην αρχική του νερού (καθώς αυτό µεταβάλλεται δυσκολότερα). G2.3. Οι µαθητές καλούνται να αναπαραστήσουν την άποψη που διατύπωσαν στο προηγούµενο ερώτηµα, κατασκευάζοντας µια γραφική παράσταση. Σηµαντικό σηµείο θεωρείται εδώ κατ αρχήν η µορφή των γραµµών που θα σχεδιάσουν οι µαθητές και επιπλέον, το σηµείο που θα επιλέξουν για να παραστήσουν την κοινή θερµοκρασία ισορροπίας. Η ερώτηση αυτή σε συνδυασµό µε την προηγούµενη αποτελεί δίπολο αλληλοεπιβεβαίωσης των απόψεων των µαθητών Οι µαθητές θα πρέπει να σχεδιάσουν δυο καµπύλες που συναντώνται σε κοινή τελική θερµοκρασία πλησιέστερα στην αρχική του νερού και σε συνέπεια µε την απάντησή τους στο Κ3. Κ5. Είναι ένα ερώτηµα µε το οποίο θέλουµε να αξιολογήσουµε την κατανόηση των µαθητών στα θέµατα αλληλεπίδρασης των σωµάτων µε το περιβάλλον, χρησιµοποιώντας όµως εδώ την περίπτωση ενός σώµατος που είναι θερµότερο από το 188

201 Ι. Λεύκος, 2011 περιβάλλον. Η απάντηση των µαθητών καταγράφεται χρησιµοποιώντας το «θερµοµετρικό» διάγραµµα. Οι µαθητές πρέπει να θεωρήσουν ότι η θερµοκρασία που θα φτάσει ο µεταλλικός κύβος είναι ίδια µε αυτή του περιβάλλοντος (του οποίου η θερµοκρασία δε θα αλλάξει), αποδίδοντας την αλλαγή στη µεταφορά θερµότητας από τον κύβο προς το περιβάλλον. Κ6β. Η ερώτηση αυτή έχει σαν στόχο την αξιολόγηση της κατανόησης των µαθητών για την εκποµπή θερµικής ακτινοβολίας και συγκεκριµένα σχετικά µε τη διαφορετική συµπεριφορά των διαφόρων χρωµάτων. Η αντίστοιχη ερώτηση φάνηκε να έχει αρκετή δυσκολία στο pre-test, διότι η εµπειρία των µαθητών δεν περιλαµβάνει φαινόµενα εκποµπής. Οι µαθητές θα πρέπει να απαντήσουν πως στην κατσαρόλα µε το µαύρο χρώµα η σούπα κρυώνει γρηγορότερα, καθώς εκπέµπει ευκολότερα τη θερµική ακτινοβολία. Κ7. Η ερώτηση αυτή έχει σαν στόχο την αξιολόγηση της κατανόησης των µαθητών σχετικά µε την εκποµπή θερµικής ακτινοβολίας αναφορικά µε τον ρόλο της επιφάνειας των σωµάτων. Οι µαθητές θα πρέπει να απαντήσουν πως τα καλοριφέρ είναι προτιµότερο να έχουν µεγάλη επιφάνεια, καθώς εκπέµπει ευκολότερα τη θερµική ακτινοβολία. Κ6α-Ε2. Σε δυο διαφορετικά σηµεία ενδιαφέροντος εστιάζεται η ερώτηση αυτή. Πρώτος στόχος είναι να ελέγξουµε την κατανόηση των µαθητών µας σχετικά µε την απορρόφηση της θερµικής ακτινοβολίας και πώς αυτή εξαρτάται από το χρώµα των σωµάτων. Οι µαθητές θα πρέπει να απαντήσουν ότι τα σώµατα µε διαφορετικό χρώµα απορροφούν διαφορετικά την ακτινοβολία και συγκεκριµένα ότι τα άσπρα σώµατα απορροφούν δυσκολότερα, άρα και περισσότερη ώρα διατηρείται κρύο το αναψυκτικό µας. Ο δεύτερος στόχος αφορά τον έλεγχο των πειραµατικών δεξιοτήτων των µαθητών. Προσπαθούµε να ελέγξουµε τις επιµέρους δεξιότητες όπως, να σχεδιάσουν ένα πείραµα που να ανταποκρίνεται στα ζητούµενα του προβλήµατος, να ορίσουν τα υλικά, να καθορίσουν τις µεταβλητές τους και τον τρόπο που θα τις µετρήσουν και να αποφασίσουν για το κρίσιµο σηµείο, στο οποίο θα βασίσουν την απάντησή τους. Οι µαθητές για να απαντήσουν σωστά πρέπει να αναφέρουν τις ποσότητες που θα κρατήσουν σταθερές, όπως τη µάζα των υγρών και την αρχική θερµοκρασία τους, όπως και τη θερµοκρασία του περιβάλλοντος. Τέλος θα πρέπει να καθορίσουν την κρίσιµη µεταβλητή δηλαδή να µετρήσουν το χρόνο που θα κάνει το κάθε υλικό για να φτάσει σε µια δεδοµένη θερµοκρασία. Κ3-Ε1. Σε δυο διαφορετικά σηµεία ενδιαφέροντος εστιάζεται και αυτή η ερώτηση. ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 189

202 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Πρώτος στόχος είναι να καταγράψουµε τι πιστεύουν οι µαθητές µας σχετικά µε τη διαφορετική θερµική συµπεριφορά των διαφορετικών υλικών. Οι µαθητές θα πρέπει να απαντήσουν ότι τα διαφορετικά υλικά θερµαίνονται µε διαφορετικό τρόπο και ακόµη ότι το νερό έχει την µεγαλύτερη θερµοχωρητικότητα (µεταξύ των γνωστών υλικών), άρα και δυσκολότερα ζεσταίνεται από ότι το λάδι. Ο δεύτερος στόχος αφορά την ανίχνευση των πειραµατικών δεξιοτήτων των µαθητών. Προσπαθούµε να καταγράψουµε επιµέρους δεξιότητες όπως, να σχεδιάσουν το πείραµα, να ορίσουν τα υλικά, να καθορίσουν τις µεταβλητές τους και τον τρόπο που θα τις µετρήσουν και να αποφασίσουν για το κρίσιµο σηµείο, στο οποίο θα βασίσουν την απάντησή τους. Σε ότι αφορά τον πειραµατισµό, πρέπει να αναφέρουν τις ποσότητες που θα κρατήσουν σταθερές, όπως τη µάζα των υγρών, την αρχική τους θερµοκρασία και την παροχή θερµότητας και να καθορίσουν την κρίσιµη µεταβλητή δηλαδή να µετρήσουν το χρόνο που θα κάνει το κάθε υλικό για να φτάσει σε µια δεδοµένη θερµοκρασία ή εναλλακτικά τη θερµοκρασία που θα φτάσουν τα δυο σώµατα, αν θερµανθούν στον ίδιο χρόνο. 190

203 Ι. Λεύκος, Άξονας 2ος: Ανάπτυξη ικανοτήτων σχεδιασµού πειραµάτων (Αποτελεσµατικότητα-2β) Η αξιολόγηση της µάθησης σε σχέση µε τους µαθησιακούς στόχους, είναι ο πλέον διαδεδοµένος τρόπος για τη διερεύνηση της ποιότητας µιας εργαστηριακής διδασκαλίας. Τα δεδοµένα συλλέγονται συνήθως µε διαδικασίες ειδικά σχεδιασµένες για το λόγο αυτό και παρέχουν στοιχεία για την αποτελεσµατικότητα του εργαστηρίου. Η αξιολόγηση µπορεί να αφορά συγκεκριµένες φάσεις του εργαστηρίου ή ένα ολόκληρο µάθηµα ή ακόµη και µια ολόκληρη διδακτική σειρά. Αυτός ο τύπος της αξιολόγησης που αφορά τα µαθησιακά αποτελέσµατα µετά από την ολοκλήρωση του εργαστηρίου, αντιστοιχεί σε ένα τύπο αποτελεσµατικότητας που σύµφωνα µε την ανάλυση των Psillos & Niedderer (2002), ονοµάζεται «Αποτελεσµατικότητα-2». Έχει παρατηρηθεί ότι στις περισσότερες έρευνες, η αξιολόγηση των µαθητών περιορίζεται στην µέτρηση των γνωστικών αποτελεσµάτων της εργαστηριακής διδασκαλίας (Lazarowitz & Tamir, 1994), όµως µε την παραπάνω προσέγγιση, η «Αποτελεσµατικότητα-2» δεν αντιστοιχεί µόνο µε την µάθηση σχετικά µε τις έννοιες και τα µοντέλα της επιστήµης. Θα ήταν περιοριστικό να αναφερόµαστε µόνο στα γνωστικά αποτελέσµατα της εργαστηριακής διδασκαλίας, διότι θα της στερούσαµε µέρος από τον µεγάλο πλούτο µαθησιακών δυνατοτήτων που θεωρούµε ότι προσφέρει. ιάφοροι ερευνητές έχουν εκφράσει απόψεις υπέρ µιας διευρυµένης οπτικής στην µέτρηση της αποτελεσµατικότητας, όπως ο Hodson (1992) που υποστηρίζει για παράδειγµα, την αξιολόγηση της κατανόησης των επιστηµονικών διαδικασιών, όπως επίσης και η επίδραση του εργαστηρίου στις επιστηµολογικές απόψεις των µαθητών, θα πρέπει να αξιολογηθεί και να αντιστοιχηθεί µε την «Αποτελεσµατικότητα-2». Για την διαπίστωση των µαθησιακών αποτελεσµάτων του εργαστηρίου χρησιµοποιούνται διάφορες τεχνικές, όπως η pre-post ανάλυση των test ή άλλων εργαλείων µέτρησης όπως οι νοητικοί χάρτες (concept maps), τα ερωτηµατολόγια κ.ά., κάθε ένα από τα οποία έχει τα υπέρ και τα κατά. Σε πολλές έρευνες, τα δεδοµένα για την πρόοδος των µαθητών διασταυρώνονται και τριγωνοποιούνται µε περισσότερες από µια µεθόδους. Για παράδειγµα στην έρευνα των Guillon & Sere (2002), χρησιµοποιείται ο συνδυασµός των αρχικών σχεδιασµών και των τελικών αναφορών των µαθητών που ασχολούνται µε ανοιχτού-τύπου project και επιπροσθέτως ερωτηµατολόγια, που αναδεικνύουν τις επιστηµολογικές τους απόψεις καθώς συµπληρώνουν τις αναφορές. Άλλη ενδιαφέρουσα τεχνική στην αξιολόγηση, αποτελούν οι στροβοσκοπικού τύπου καταγραφές της µαθησιακής πορείας των µαθητών, για παράδειγµα µε την χρήση αρχικής, ενδιάµεσης και τελικής συνέντευξης. Την προσέγγιση αυτή ακολουθεί η έρευνα των Bisdikian & Psillos (2002), σε µαθητές που εµπλέκονται σε µια διδακτική σειρά σχετική µε τα θερµικά φαινόµενα., κατά την οποία µε την χρήση της παραπάνω τεχνικής συλλέγονται δεδοµένα που αφορούν τόσο στην νοητική τους εξέλιξη, όσο και στην ικανότητά τους να κατασκευάζουν και να ερµηνεύουν γραφικές παραστάσεις. Στη δική µας εργασία, η «Αποτελεσµατικότητα-2» έχει δυο συνιστώσες και συγκεκριµένα αντιστοιχεί τόσο σε αξιολόγηση της γνωστικής βελτίωσης των µαθητών µας, όσο και σε αξιολόγηση της ανάπτυξης από µέρους τους, ικανοτήτων σχεδιασµού πειραµάτων. Για µεν την πρώτη συνιστώσα, δηλαδή την αξιολόγηση που αφορά γνωστικά ζητήµατα, έχουµε χρησιµοποιήσει ειδικά κατασκευασµένα ερωτηµατολόγια µε τα οποία ελέγχουµε λεπτοµερώς διάφορες πτυχές του υπό διδασκαλία περιεχοµένου, ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 191

204 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ακολουθώντας µια µεθοδολογία τύπου pre post. Για δε τη δεύτερη συνιστώσα, δηλαδή την αξιολόγηση των δεξιοτήτων πειραµατισµού, αναπτύχθηκε ένα ειδικό εργαλείο τύπου matrix, το οποίο και θα παρουσιάσουµε διεξοδικά παρακάτω, ενώ και πάλι χρησιµοποιήθηκε µια pre- post ανάλυση. Σε κάθε µια από τις δύο περιπτώσεις, έγινε διασταύρωση και τριγωνοποίηση των δεδοµένων µε ατοµικές συνεντεύξεις των µαθητών Η ανάπτυξη δεξιοτήτων πειραµατισµού Από τις δεξιότητες που σχετίζονται µε την εργαστηριακή ενασχόληση των µαθητών, πολύ σηµαντική θεωρείται αυτή που σχετίζεται µε τον σχεδιασµό ενός πειράµατος (Johnstone & Al-Shuaili (2001). Κατά πόσο δηλαδή οι µαθητές είναι σε θέση να αντιµετωπίσουν ένα πρόβληµα, προτείνοντας την εκτέλεση ενός πειράµατος, τα αποτελέσµατα του οποίου θα οδηγήσουν στη λύση του προβλήµατος. Η δεξιότητα αυτή θεωρείται τόσο σηµαντική από τους Garratt & Tomlinson (2001) που την τοποθετούν σε θέση ανώτερη από αυτή καθαυτή την εκτέλεση του πειράµατος, αφού σχετίζεται άµεσα τόσο µε την κατανόηση των εννοιών της θεµατικής περιοχής υπό µελέτη, όσο και µε την µεθοδολογία της επιστήµης γενικά. Σε αυτή τη διάσταση της µάθησης αναφερόµαστε στην εργασία αυτή, δηλαδή που αφορά στην ανάπτυξη δεξιοτήτων σχεδιασµού πειραµάτων. εν υπάρχει όµως µια κοινά αποδεκτή λίστα από δεξιότητες σχεδιασµού που θεωρούνται απαραίτητο να αναπτύξουν οι µαθητές. ιάφορες εκφάνσεις του σχεδιασµού προτείνονται στη βιβλιογραφία µε παρεµφερή λογική κυρίως ως κλίµακες ή πίνακες είτε αυτόνοµα είτε ως συνιστώσες της συνολικότερης αξιολόγησης του πειραµατισµού και διερευνήσεων (inquiry) των µαθητών. Μεταξύ άλλων, ο Hodson (1992) και οι Doran κ.ά. (1993), αναφέρονται σε πτυχές του σχεδιασµού, ενώ οι Anagnos κ.ά. (2007), παρέχουν µια πολύ λεπτοµερή και εκτεταµένη λίστα µε βαθµολογηµένα κριτήρια αξιολόγησης του σχεδιασµού πειραµάτων. Σε σχέση µε τη µάθηση σε εικονικά περιβάλλοντα, στη διεθνή βιβλιογραφία υπάρχουν πολλές έρευνες που συγκρίνουν τις επιδόσεις στην εννοιολογική κατανόηση φυσικών εννοιών µαθητών που ασχολούνται µε φυσικά ή εικονικά υλικά ή και µε το συνδυασµό τους (Finkelstein et al., 2005; Zacharia, Olympiou, & Papaevripidou, 2008). εν υπάρχουν όµως παρά µόνο ελάχιστες έρευνες σε σχέση µε τη χρήση εικονικών έναντι των φυσικών αντικειµένων και την ανάπτυξη πειραµατικών δεξιοτήτων. Οι έρευνες αυτές χρησιµοποιούν πειραµατικές οµάδες που ασκούνται σε εικονικά πειράµατα και οµάδες ελέγχου που ασκούνται σε πειράµατα µε φυσικά αντικείµενα, ενώ για να διαπιστώσουν τις πιθανές διαφορές µεταξύ τους στο τέλος, µετρούν τις επιδόσεις κάθε οµάδας σε πειραµατισµό µε φυσικά αντικείµενα, ελέγχουν ένα είδος δηλαδή µεταφερσιµότητας των δεξιοτήτων. Οι Klahr et al. (2007) για παράδειγµα ζήτησαν από µαθητές γυµνασίου να κατασκευάσουν ένα αµαξίδιο µε έλασµα, αφού διερευνήσουν τις πιθανές παραµέτρους στα πλαίσια συγκεκριµένων προδιαγραφών, µε σκοπό να µπορεί να ταξιδέψει την µεγαλύτερη δυνατή απόσταση. Οι µαθητές οι οποίοι πρώτα ασκήθηκαν σε παρόµοιο έργο σε ένα εικονικό περιβάλλον µε εικονικά αντικείµενα, είχαν την ίδια επιτυχία µε τους µαθητές που ασκήθηκαν µε φυσικά αντικείµενα. Σε παρόµοια έρευνα οι Triona & Klahr (2003) διαπίστωσαν ότι οι µαθητές δηµοτικού µπορούν µε αντίστοιχη επιτυχία 192

205 Ι. Λεύκος, 2011 να µάθουν να σχεδιάζουν απλά πειράµατα, είτε ασκηθούν µε εικονικά είτε µε φυσικά αντικείµενα. Το ίδιο αποτέλεσµα αναφέρει και ο Marshall (2005), από έρευνα σε φοιτητές. Από την άλλη µεριά οι Finkelstein et al. (2005), υποστηρίζουν ότι οι φοιτητές που ασκήθηκαν µε προσοµοιωµένα πειράµατα και υλικά, είχαν καλύτερες επιδόσεις από αυτούς που ασκήθηκαν µε τα φυσικά υλικά και µπορούσαν µε µεγαλύτερη επιτυχία να κατασκευάζουν ηλεκτρικά κυκλώµατα. Οι παραπάνω έρευνες κινούνται στο χώρο της µηχανικής και του ηλεκτρισµού, ενώ η δική µας αφορά τα Θερµικά φαινόµενα Αξιολόγηση δεξιοτήτων πειραµατισµού: Απόψεις και προτάσεις από τη βιβλιογραφία. Είναι κοινότυπο να αναφέρουµε την µεγάλη αξία που αποδίδεται στην εργαστηριακή διδασκαλία. Όµως όπως παρατηρεί και ο Lynch (1986): «Όταν µια οµάδα καθηγητών κουνά το κεφάλι καταφατικά, σχετικά µε την σηµασία του εργαστηρίου, το πιθανότερο είναι ότι έχουν διαφορετικό λόγο ο καθένας στο νου του», εποµένως αν προσπαθήσουµε να φτιάξουµε µια λίστα από πιθανά πλεονεκτήµατα, αυτή θα είναι πολύ µακροσκελής. Εποµένως, δεν είναι τόσο ξεκάθαρο το τι «πρέπει» να κάνουν οι µαθητές στο εργαστήριο και κατ επέκταση, δεν είναι τόσο ξεκάθαρο τι θα πρέπει να αξιολογηθεί. Παρακάτω ακολουθεί µια επισκόπηση των απόψεων και προτάσεων διαφόρων ερευνητών για το θέµα αυτό Hodson, D. (1992). Assessment of practical work: Some considerations in philosophy of science. Ο Hodson (1992) στο άρθρο του αυτό, κάνει µια επισκόπηση διαφόρων απόψεων σχετικά µε την αξιολόγηση της εργαστηριακής διδασκαλίας και δίνει την οπτική της Φιλοσοφίας της Επιστήµης. Η άποψή του είναι ότι αξιολογώντας τους µαθητές µόνο σε επίπεδο πρακτικών πειραµατικών δεξιοτήτων, αποτελεί µια ελλειµµατική προσέγγιση και αντιπροτείνει µια πιο ολιστική µατιά πιο κοντά στην ευρύτερη επιστηµονική πρακτική. Σύµφωνα µε την άποψη του Hodson, µπορούµε να αναφερόµαστε σε µια ολιστική έκφραση: οι µαθητές στο εργαστήριο «κάνουν επιστήµη» (doing science), δηλαδή χρησιµοποιούν τις µεθόδους και διαδικασίες των επιστηµών για να διερευνήσουν φαινόµενα ή για να λύσουν προβλήµατα, σε ένα πεδίο ενδιαφέροντος που επέλεξαν ή συνεννοήθηκαν µε τον καθηγητή τους. Αυτό συνεπάγεται ότι ένας µαθητής χρειάζεται να ξέρει (α) τι να κάνει (και γιατί το κάνει), (β) έχει τις απαραίτητες δεξιότητες για να το κάνει και (γ) να το κάνει. Εποµένως, η αξιολόγηση µπορεί να εστιαστεί στο κατά πόσο τα τρία αυτά συστατικά του «κάνω επιστήµη», γίνονται µε µικρότερη ή µεγαλύτερη επιτυχία. Ο Kempa (1986) 3, αναλύει περισσότερο τα συστατικά του «κάνω επιστήµη» και προτείνει ένα µοντέλο πέντε (5) βηµάτων, τα οποία µπορούν άµεσα να συνδεθούν και µε την αξιολόγηση των µαθητών: 3 Σύµφωνα µε τον Hodson (1992) ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 193

206 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Αναγνώριση και διαµόρφωση του προβλήµατος Σχεδιασµός της πειραµατικής διαδικασίας Σύνθεση της πειραµατικής διάταξης και εκτέλεση του πειράµατος (χειρισµοί) Παρατηρησιακές και µετρητικές δεξιότητες (καταγραφή δεδοµένων και παρατηρήσεων) Επεξήγηση και αποτίµηση των πειραµατικών δεδοµένων και παρατηρήσεων Παρατηρεί εδώ, ότι κάποιες από τις παραπάνω συνιστώσες έχουν αισθησιοκινητικό προσανατολισµό και κάποιες άλλες γνωστικό προσανατολισµό. Ποιες άραγε να έχουν προτεραιότητα στην αξιολόγηση; Αυτό σίγουρα δεν είναι εύκολο να απαντηθεί και αποτελεί αντικείµενο της Φιλοσοφίας της Επιστήµης. Ένα ερώτηµα που θα µπορούσε κάποιος να θέσει επιπλέον σε σχέση µε την αξιολόγηση των εργαστηριακών ασκήσεων των µαθητών, είναι κατά πόσο χρειάζεται να δώσουµε σηµασία στη διαδικασία, εφόσον αν το τελικό αποτέλεσµα είναι ικανοποιητικό, αυτό θα σηµαίνει ταυτόχρονα ότι και η διαδικασία ήταν επιτυχής. Η άποψη αυτή βρίσκει αντίθετο τον Hodson, καθώς θεωρεί ότι υπάρχει µικρή συνάφεια µεταξύ των διαφόρων συστατικών µιας εργαστηριακής διαδικασίας και του τελικού αποτελέσµατος. Αυτό εξάλλου υποστηρίζεται και από διάφορες άλλες έρευνες (π.χ. Kreiger, 1982), όπου αναφέρεται ότι ο συντελεστής συσχέτισης µεταξύ της βαθµολογίας των µαθητών από τις τελικές εργαστηριακές αναφορές τους και της βαθµολογίας από την διάρκεια της εκτέλεσης των πειραµάτων, ήταν πολύ µικρός. Κατά την άποψη του Hodson, ένα πολύ σηµαντικό στοιχείο του «κάνω επιστήµη», είναι ότι περιέχει στοιχεία άρρητης γνώσης. Οι επιστήµονες πολύ συχνά δεν µπορούν να αναλύσουν και να περιγράψουν ή να εξηγήσουν τι κάνουν. Απλά το κάνουν διαισθητικά. Αυτό το στοιχείο βέβαια είναι διαφορετικό από τις συγκεκριµένες εργαστηριακές δεξιότητες που κατέχουν και επίσης διαφορετικό από την εννοιολογική κατανόηση του αντικειµένου που µελετούν. ιαπλέκονται εποµένως η χρήση δηλωτικής και διαδικαστικής γνώσης, µε σκοπό την επίτευξη ενός συγκεκριµένου στόχου. Επιχειρώντας µια ανάλυση των παραπάνω στοιχείων, για να «κάνει επιστήµη» ένας µαθητής, θεωρεί ότι ένα από τα τρία (3) απαραίτητα συστατικά είναι: «η ικανότητά του να σχεδιάζει (plan and design) ισχυρά πειράµατα όπου δοκιµάζει ή εφαρµόζει την θεωρία». (Λόγω της ταυτόσηµης µετάφρασης στα ελληνικά, χρησιµοποιούµε την αγγλική ορολογία για µεγαλύτερη σαφήνεια). Συγκεκριµένα «planning» θεωρεί ως το τµήµα του πειραµατισµού όπου ο µαθητής σκέφτεται (thinking part), και περιλαµβάνει: Προσδιορισµό του προβλήµατος Σχηµατισµό υπόθεσης Προσδιορισµό των εξαρτηµένων και ανεξάρτητων µεταβλητών Σε διαφορετική κατηγορία βάζει το «designing» και το προσδιορίζει ως τη διαδικασία επιλογής µιας κατάλληλης πειραµατικής διαδικασίας που ταιριάζει στη συγκεκριµένη περίπτωση. Συγκεκριµένα περιλαµβάνει: Λήψη αποφάσεων σχετικά µε την µεθοδολογία Σχετικά µε τις συνθήκες Σχετικά µε τους ελέγχους Προσδιορισµό των µετρήσεων που θα ληφθούν Προσδιορισµό των τεχνικών και των οργάνων που θα χρησιµοποιηθούν 194

207 Ι. Λεύκος, 2011 Τα συστατικά αυτά, µπορούν να αναπτυχθούν µόνο µέσα από την εµπλοκή των µαθητών µε τις επιστηµονικές διερευνήσεις που θα κάνουν µόνοι τους, και για τον εαυτό τους. εν είναι δυνατό να αποκτηθούν διαβάζοντας ένα εγχειρίδιο Josephy, R. (1986). Assessment of practical and experimental work in Physics trough OCEA. Κατά την άποψη του συγγραφέα, σκοπός της αξιολόγησης για την εργαστηριακή διδασκαλία είναι κατά πόσο οι µαθητές µαθαίνουν να «κάνουν φυσική» και όχι να µαθαίνουν «περί» της Φυσικής. ηλαδή να αξιολογείται αυτή καθ αυτή η πειραµατική εργασία, χωρίς αναγκαστικά να συνδέεται µε την θεωρητική κατανόηση. Σύµφωνα µε την τοποθέτηση αυτή, θεωρεί ότι µια κοινώς αποδεκτή λίστα κριτηρίων είναι η παρακάτω, όπου οι µαθητές αξιολογούνται στην ικανότητά τους να: 1. Χειρίζονται συσκευές 2. Κάνουν µετρήσεις 3. Κάνουν παρατηρήσεις 4. ιαχειρίζονται δεδοµένα 5. Καταγράφουν αποτελέσµατα 6. Κάνουν συνεπαγωγές, αναγνωρίζουν µοτίβα και καταλήγουν σε συµπεράσµατα 7. Σχηµατοποιούν προβλήµατα 8. Σχεδιάζουν πειράµατα και διερευνήσεις 9. Επιλέγουν και προτείνουν τα κατάλληλα όργανα και συσκευές 10. Τροποποιούν τον σχεδιασµό αν κρίνουν το απαραίτητο, και 11. Εργάζονται αποτελεσµατικά, ατοµικά ή σε οµάδες Ο προβληµατισµός που τοποθετεί εδώ είναι ότι ενώ τα έξι (6) πρώτα στοιχεία µπορούν να αξιολογηθούν αυτόνοµα σε µια οποιαδήποτε πειραµατική δραστηριότητα, τα υπόλοιπα έχουν µια πιο γενικευµένη οπτική και µπορούν µόνο να έχουν αναφορά σε µια ολόκληρη εργαστηριακή σειρά µαθηµάτων. Επιπλέον, τα γενικευµένα αυτά κριτήρια, είναι άµεσα εξαρτώµενα από το συγκεκριµένο περιεχόµενο στο οποίο αναφέρονται. Πίνακας 8: Το τεστ OCEA (Oxford Certificate of Educational Achievement) ιαδικασία Σχεδιασµός Εκτέλεση Επεξήγηση Επικοινωνία εξιότητα Σχεδιασµός πειραµάτων ιατύπωση & διευκρίνιση προβληµάτων Παρατήρηση Χειρισµός Συλλογή δεδοµένων ιαχείριση δεδοµένων Εξαγωγή συµπερασµάτων Προβλέψεις & επεξηγήσεις Συγγραφή αναφοράς Λήψη πληροφοριών ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 195

208 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Η αντιπρόταση του ερευνητή αναφέρεται σε ένα εργαλείο αξιολόγησης που αποτελεί µέρος ενός ευρύτερου test που ονοµάζεται OCEA (Oxford Certificate of Educational Achievement), και ένα µέρος του σχετίζεται µε την αξιολόγηση στην Επιστήµη (Science assessment). Το εργαλείο αυτό αναπτύχθηκε µε τη σύµπραξη διαφόρων πανεπιστηµίων της Μ. Βρετανίας και υιοθετεί µια πιο διευρυµένη λογική αξιολόγησης, όπως φαίνεται και από τον πίνακα (Πίνακας 8) αντιστοιχίας πειραµατικών διαδικασιών και δεξιοτήτων. Ο συγγραφέας τονίζει ότι η σειρά των στοιχείων του παραπάνω πίνακα δεν έχει καµία σηµασία και δεν είναι ιεραρχηµένη. Σηµαντικά στοιχεία που πρέπει να παρατηρήσουµε µεταξύ άλλων είναι ότι, επικεντρώνεται στη διαδικασία της επιστήµης και όχι στο περιεχόµενο, µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε µια πληθώρα θεµάτων, έχει διαµορφωτικό χαρακτήρα και ενθαρρύνει τις προσεγγίσεις για διδασκαλία της φυσικής µέσω λύσης προβληµάτων. Πρακτικά, η αξιολόγηση των µαθητών µε τη χρήση του OCEA, γίνεται µέσω ενός λεπτοµερέστερου πλέγµατος ανάλυσης, όπου κάθε µια από τις παραπάνω διαδικασίες αναλύεται σε τέσσερα (4) επίπεδα επιτυχίας, αποτελούµενα από ένα συγκεκριµένο συνδυασµό αντίστοιχων δεξιοτήτων. Παράδειγµα για τη διαδικασία του σχεδιασµού, τα αντίστοιχα επίπεδα επιτυχίας αναλύονται ως εξής: Πίνακας 9: Το πλέγµα ανάλυσης του OCEA για τη διαδικασία του σχεδιασµού σε επίπεδα επιτυχίας Επίπεδο επιτυχίας 1α Ο µαθητής µπορεί να Σχεδιάζει ένα πείραµα που σχετίζεται µε το υπό µελέτη πρόβληµα 2α.1 Επιλέγει τις κατάλληλες πειραµατικές συσκευές & όργανα, από τα διαθέσιµα 2α.2 Σχεδιάζει ένα πείραµα που αν εκτελεστεί µπορεί να επιλύσει ένα απλό πρόβληµα 2β Προτείνει µια υπόθεση που µπορεί να ελεγχθεί 3α.1 Προτείνει µια πειραµατική συσκευή κατάλληλη για το υπό µελέτη πρόβληµα 3α.2 Αναπτύσσει µια διερευνητική προσέγγιση σε ένα πρόβληµα, λαµβάνοντας υπόψη του τις µεταβλητές και σταθερές 3β Προτείνει περισσότερες από µια υποθέσεις που µπορούν να ελεγχθούν, για το ίδιο πρόβληµα 4α.1 Αναπτύσσει µια διερευνητική προσέγγιση σε ένα πρόβληµα, για την οποία προσδιορίζει τις µεταβλητές και σταθερές 4α.2 Αναγνωρίζει τις πιθανές πηγές σφαλµάτων και προτείνει κατάλληλες µεταβολές στην πειραµατική διαδικασία Doran et al. (1993). Alternative assessment of high school laboratory skills. Η έρευνα αυτή αφορά την ανάπτυξη και εφαρµογή ενός εργαλείου αξιολόγησης εργαστηριακών δεξιοτήτων µαθητών γυµνασίου και αναφέρεται σε όλο το φάσµα των φυσικών επιστηµών (Φυσική, Βιολογία, Χηµεία) του σχολικού προγράµµατος. 196

209 Ι. Λεύκος, 2011 Για την ανάπτυξη του εργαλείου, οι ερευνητές υιοθετούν το µοντέλο εργαστηριακών δραστηριοτήτων των Lunetta & Tamir (1979), που αποτελείται από αρκετά στάδια και επιλέγουν τρία (3) συγκεκριµένα από αυτά, τις κατηγορίες που ονοµάζονται: Σχεδιασµός, Εκτέλεση & Συλλογισµός (Planning, Performing, Reasoning). Οι κατηγορίες αυτές παρουσιάζονται αναλυτικότερα στον παρακάτω πίνακα (Πίνακας 10). Πίνακας 10: Εργαλείο αξιολόγησης εργαστηριακών δεξιοτήτων στις Φ.Ε. (από Doran et al, 1993) Σχεδιασµός Προσδιορισµός ερωτηµάτων προς διερεύνηση Περιγραφή στρατηγικής της διερεύνησης Περιγραφή του τρόπου µέτρησης ή/και παρατήρησης των µεταβλητών Σχεδιασµός της καταγραφής των δεδοµένων Εκτέλεση Συλλογή του εργαστηριακού εξοπλισµού και υλικών ιαχείριση του εξοπλισµού µε προσοχή και ασφάλεια Πραγµατοποίηση των παρατηρήσεων ή/και µετρήσεων Καταγραφή των κατάλληλων δεδοµένων µε τις σωστές µονάδες µέτρησης Συλλογισµός Εκτέλεση υπολογισµών (π.χ. Μ.Ο.) Προετοιµασία γραφήµατος κατάλληλου για τα δεδοµένα που συλλέχθηκαν Εισαγωγή των δεδοµένων στο γράφηµα Αναγνώριση συσχετισµών ή εξαγωγή γενικεύσεων από τα δεδοµένα ιατύπωση συµπεράσµατος συνεπούς µε τα δεδοµένα Αναφορά των προϋποθέσεων, των περιορισµών και των πιθανών σφαλµάτων της διερεύνησης Προκειµένου να αξιολογηθούν οι µαθητές µε τη χρήση του εργαλείου αυτού, πήραν µέρος σε ένα test που αποτελούνταν από δυο µέρη. Στο Α µέρος δίνονταν ένα πρόβληµα προς επίλυση και τους ζητούνταν να κάνουν µια υπόθεση, να αναπτύξουν µια κατάλληλη διαδικασία συλλογής δεδοµένων και να προτείνουν µια µέθοδο οργάνωσης των πληροφοριών που συνέλεξαν. Στο µέρος Β, τους δίνονταν λεπτοµερείς οδηγίες για τη συλλογή των δεδοµένων που θα οδηγούσαν στη λύση του προβλήµατος. Οι µαθητές εκτελούν τις οδηγίες και συλλέγουν τα δεδοµένα, τα καταγράφουν σε πίνακες που τους δίνονται, σχεδιάζουν γραφήµατα, κάνουν υπολογισµούς και συνθέτουν ένα σχετικό συµπέρασµα. Παρά το γεγονός ότι κάθε µαθητής αξιολογείται χωριστά µέσα από τη διαδικασία αυτή, οι ερευνητές προτείνουν το εργαλείο για αξιολόγηση κυρίως του προγράµµατος σπουδών στις Φυσικές Επιστήµες Hofstein & Lunetta (2004). Laboratory in Science Education: Foundations for the Twenty-First Century. Οι Hofstein & Lunetta, επανέρχονται περίπου 20 χρόνια µετά από το αρχικό τους άρθρο (Hofstein & Lunetta, 1982), ξανα-επιχειρώντας να σκιαγραφήσουν την κατάσταση που επικρατεί σήµερα στην εργαστηριακή διδασκαλία των Φυσικών Επιστηµών. Η κριτική που άσκησαν στο αρχικό τους άρθρο σχετικά µε την αξιολόγηση του εργαστηρίου, ήταν ότι µε τον δεδοµένο τρόπο που διεξάγονταν ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 197

210 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ συνήθως, δεν µπορούσε να καλύψει όλα τα πιθανά µαθησιακά αποτελέσµατα µιας εργαστηριακής διδασκαλίας. ηλαδή να εξετάσει τις διερευνητικές ικανότητες των µαθητών, τις απόψεις τους για την επιστηµονική διερεύνηση (inquiry), και τις σχετικές φυσικές έννοιες & εφαρµογές που θεωρούνται ως απαραίτητα µαθησιακά αποτελέσµατα του εργαστηρίου. Οι ερευνητές, καταγράφοντας την κατάσταση που επικρατεί στις τελευταίες δεκαετίες, αναφέρονται σε διάφορους τρόπους και µεθοδολογίες αξιολόγησης, είτε µε εµπλοκή τρων µαθητών σε γραπτά test, είτε µε καταγραφή παρατηρήσεων από τους καθηγητές την ώρα των εργαστηριακών ασκήσεων, είτε σε πιο πρόσφατες περιπτώσεις εργαλείων αξιολόγησης µε τη χρήση Η/Υ. Θεωρούν δε, ως θετική εξέλιξη την σύγχρονη τάση για την «αυθεντική» αξιολόγηση του εργαστηριού. Να γίνεται δηλαδή µέσα στις υπόλοιπες δραστηριότητες, ως ένα αναπόσπαστο µέρος της εργαστηριακής διδασκαλίας. Παρότι, όπως αναφέρουν εµφανίζεται µια στροφή στην φιλοσοφία της εργαστηριακής διδασκαλίας, από την παλαιότερη άποψη για πρακτική άσκηση απλά των µαθητών σε µια νεότερη άποψη που θεωρεί ότι οι µαθητές πρέπει να εµπλέκονται σε επιστηµονική διερεύνηση (inquiry), υπάρχουν ακόµη αρκετές περιπτώσεις όπου οι καθηγητές ξοδεύουν τον περισσότερο χρόνο για διαχειριστικές διαδικασίες αντί για διάλογο και διερεύνηση των ιδεών των µαθητών ή πρόκληση των απόψεών τους ή προτροπή για έκφραση υποθέσεων και συµπερασµάτων. Για το λόγο αυτό και η αξιολόγηση των µαθησιακών αποτελεσµάτων ακόµη είναι επικεντρωµένη στην παραδοσιακή λογική των πρακτικών ασκήσεων και δεξιοτήτων. Θεωρούν λοιπόν ότι η αλλαγή στην φιλοσοφία της αξιολόγησης, µε µια διευρυµένη οπτική που εκτός των πρακτικών δεξιοτήτων των µαθητών, θα περιλαµβάνει και τις απόψεις τους για την επιστηµονική µεθοδολογία, την έκφραση υποθέσεων και ερωτηµάτων που σχετίζονται µε την εµπειρία τους από το εργαστήριο, θα επιφέρει και αλλαγή στην φιλοσοφία της ίδιας της εργαστηριακής διδασκαλίας, προς την κατεύθυνση της επιστηµονικής διερεύνησης Η ανάπτυξη ικανοτήτων σχεδιασµού πειραµάτων στην παρούσα έρευνα Συνοψίζοντας τις παραπάνω απόψεις, διακρίνουµε µια κοινή τοποθέτηση σχετικά µε τη σηµασία που αποδίδεται από τους ερευνητές σε µια διευρυµένη λογική αξιολόγησης των µαθησιακών αποτελεσµάτων του εργαστηρίου, έτσι ώστε να περιλαµβάνει εκτός από τις καθαρά πρακτικές δεξιότητες, όπως η σύνθεση µιας πειραµατικής διάταξης και η λήψη µετρήσεων, στοιχεία από την επιστηµονική µεθοδολογία, την έκφραση υποθέσεων και την εξαγωγή συµπερασµάτων. Στοιχεία της επιστηµονικής διερεύνησης, τα οποία ίσως να θεωρούνται και ακόµη πιο σηµαντικά από την ίδια την πρακτική πειραµατική δεξιότητα. Υιοθετώντας την άποψη αυτή, κατασκευάσαµε ένα εργαλείο αξιολόγησης των δεξιοτήτων πειραµατισµού, το οποίο και εφαρµόσαµε στην δική µας έρευνα και το οποίο περιγράφουµε αναλυτικότερα στη συνέχεια. Η θεωρητική µας τοποθέτηση έχει πολλά κοινά στοιχεία µε την άποψη των Doran et al. (1993), αλλά κυρίως µε του Hodson (1992), ο οποίος αναφέρεται στις δεξιότητες σχεδιασµού (planning & designing). Καθώς οι µαθητές µας εργάζονται κυρίως σε ένα περιβάλλον προσοµοιωµένου εργαστηρίου, δεν µπορούµε να µιλούµε για τις πρακτικές πειραµατικές δεξιότητες, καθώς αυτές έχουν υποκατασταθεί από δεξιότητες 198

211 Ι. Λεύκος, 2011 χειρισµού του Η/Υ (Couture, 2004). εν µπορούµε λοιπόν να αξιολογήσουµε τους µαθητές µας για δεξιότητες όπως αν µπορούν να ρυθµίσουν σωστά τη φλόγα ενός λύχνου, ή αν µπορούν να τοποθετήσουν στη σωστή θέση ένα θερµόµετρο µέσα στο δοχείο ή αν µπορούν να µετρήσουν µε ακρίβεια τη στάθµη ενός υγρού. Όλες αυτές οι ενέργειες γίνονται αυτόµατα από το εικονικό περιβάλλον (τουλάχιστο έτσι λειτουργεί το ΣΕΠ), µε απλές κινήσεις του ποντικιού. Εικονικός Κόσµος Εικονικά Αντικείµενα Αισθησιοκινητι κό Υπόβαθρο Φυσικός Κόσµος Φυσικά Αντικείµενα Εικονικοί Χειρισµοί ιαδικαστικό Υπόβαθρο Φυσικοί Χειρισµοί Εικόνα 68: Αντιστοιχίες χειρισµών & διαδικασιών µεταξύ Φυσικού και Εικονικού κόσµου Ένα περιβάλλον εικονικού εργαστηρίου όπως το ΣΕΠ, διαθέτει όλα εκείνα τα στοιχεία που είναι απαραίτητα για την ανάπτυξη δεξιοτήτων πειραµατισµού, κατά την άποψή µας, εκτός από την ίδια την επαφή και χρήση των φυσικών αντικειµένων. Σε ένα τέτοιο περιβάλλον, ο µαθητής µπορεί να χρησιµοποιήσει όλες τις διαδικασίες που αφορούν την σύνθεση διατάξεων, τη λήψη µετρήσεων, την παρατήρηση των φαινοµένων. Μπορεί να χρησιµοποιεί τα εικονικά αντικείµενα µε τον ίδιο ακριβώς άµεσο και αληθοφανή τρόπο, και να τα βλέπει να συµπεριφέρονται (στα όρια της προσοµοίωσης), ακριβώς όπως και τα πραγµατικά αντικείµενα. Το µόνο που διαφέρει είναι ότι για τους χειρισµούς του χρησιµοποιεί το ποντίκι. Αυτό είναι που ονοµάζουµε «Αισθησιοκινητικό υπόβαθρο» στο σχήµα (Εικόνα 68). Υποστηρίζουµε δηλαδή ότι µπορεί το αισθησιοκινητικό υπόβαθρο των δράσεων µέσα στο εικονικό εργαστήριο να είναι διαφορετικό σε σχέση µε τον κόσµο των φυσικών αντικειµένων, όµως το διαδικαστικό υπόβαθρο (De Jong & Van Joolingen, 1998; Harms, 2000) είναι εντελώς αντίστοιχο. Μπορεί εποµένως αντί να γεµίζει ένα πραγµατικό δοχείο µε 50g νερό από ένα πραγµατικό µπουκάλι, να το κάνει στο εικονικό εργαστήριο χρησιµοποιώντας µερικά «κλικ» του ποντικιού, όµως η σκέψη του και η απόφασή του να βάλει 50g νερό στο συγκεκριµένο δοχείο, είναι εντελώς αντίστοιχη, είτε εργάζεται σε πραγµατικό, είτε σε εικονικό εργαστήριο. Οι σκέψεις λοιπόν και οι αποφάσεις που λαµβάνει µέσα στο εικονικό περιβάλλον, είναι εντελώς αντίστοιχες µε αυτές που θα έκανε στο πραγµατικό περιβάλλον. Αυτό είναι που συµβολίζουµε σαν «διαδικαστικό υπόβαθρο» και σχηµατοποιείται στην παραπάνω εικόνα (Εικόνα 68). Μπορούµε κατά συνέπεια να θεωρήσουµε - και αυτό εξετάζουµε ως υπόθεση ότι οι µαθητές µας µπορούν να αναπτύξουν διαφορετικές δεξιότητες πειραµατισµού, όπως αυτέ που σχετίζονται µε την µεθοδολογία της επιστήµης, µε την έκφραση υποθέσεων, την έκφραση συµπερασµάτων, τον προγραµµατισµό της παρατήρησης και καταγραφής των δεδοµένων. Όλα αυτά που εµείς ονοµάζουµε «Σχεδιασµό Πειραµάτων» και στην αντίστοιχη αγγλική ορολογία θα ονοµάζονταν Planning & Designing of Experiments (σύµφωνα και µε τον Hodson). ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 199

212 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ 6.4. Ορισµός των διαστάσεων των δεξιοτήτων σχεδιασµού πειραµάτων. Προκειµένου να απαντήσουµε στο ερευνητικό µας ερώτηµα που σχετίζεται µε τον άξονα αυτό της διερεύνησης, πρέπει πρώτα να ορίσουµε µε µεγαλύτερη λεπτοµέρεια σε τι αναφερόµαστε όταν µιλούµε για ικανότητα σχεδιασµού πειραµάτων και στη συνέχεια να ορίσουµε τον τρόπο µε τον οποίο θα αξιολογήσουµε την ικανότητα αυτή των µαθητών µας, εφόσον θέλουµε να µελετήσουµε την πιθανή βελτίωσή τους µετά από την εφαρµογή της διδακτικής µας σειράς. Στις ενότητες που ακολουθούν, προσδιορίζουµε τις «διαστάσεις» του σχεδιασµού πειραµάτων, το εργαλείο που αναπτύξαµε προκειµένου να τις αξιολογήσουµε και την µεθοδολογία που ακολουθήσαµε στην έρευνά µας. 8: Περιγραφή ιαδικασίας 1: Έκφραση υπόθεσης 2: Κριτήριο επαλήθευσης 7: Περιγραφή Φαινοµένων Σχεδιασµός Πειραµάτων 3: Συσκευές, όργανα & υλικά 6: Αρχικές Συνθήκες 5: Έλεγχος µεταβλητών 4: Αρχικές ρυθµίσεις Εικόνα 69: ιαγραµµατική αναπαράσταση των «διαστάσεων» του Σχεδιασµού Πειραµάτων Σύµφωνα µε την οπτική που εξηγήσαµε στην προηγούµενη παράγραφο, ο Σχεδιασµός Πειραµάτων, αναφέρεται σε όλα εκείνα τα ζητήµατα που είναι απαραίτητο να προηγηθούν σε µια πειραµατική διαδικασία, µέχρι να ξεκινήσει η εκτέλεση του πειράµατος. Λαµβάνοντας υπόψη και τη σχετική βιβλιογραφία που προαναφέραµε, και µε σκοπό να βάλουµε µια βάση για την αξιολόγηση όλης αυτής της διαδικασίας, θεωρούµε ότι µπορεί ο Σχεδιασµός να αναλυθεί σε επιµέρους τµήµατα, που ονοµάζουµε «διαστάσεις», οι οποίες είναι οι εξής: Έκφραση υπόθεσης. Κριτήριο επαλήθευσης της υπόθεσης. 200

213 Ι. Λεύκος, 2011 Επιλογή των πειραµατικών υλικών, συσκευών και οργάνων. Αρχικές ρυθµίσεις συσκευών Έλεγχος των µεταβλητών που επηρεάζουν το φαινόµενο Αρχικές συνθήκες Περιγραφή των φαινοµένων που εµπλέκονται Περιγραφή της πειραµατικής διαδικασίας Οι διαστάσεις αυτές δεν έχουν ούτε χρονική αλληλουχία, ούτε αξιολογική ιεράρχηση και θεωρούνται ισοδύναµες. Σχηµατικά, µπορούµε να παραστήσουµε την τοποθέτηση µας αυτή, µε το παραπάνω διάγραµµα (Εικόνα 69) Ένα εργαλείο για την αξιολόγηση πολλαπλών διαστάσεων των δεξιοτήτων σχεδιασµού πειραµάτων. Προκειµένου λοιπόν για τη χρήση των διαστάσεων ως εργαλείου αξιολόγησης, έπρεπε να τεθούν κάποια κριτήρια επιτυχίας των µαθητών σε κάθε διάσταση. Πότε δηλαδή ένας µαθητής π.χ. θα θεωρείται ότι µπορεί να εκφράσει µια υπόθεση; Για τον καθορισµό των κριτηρίων ακολουθήσαµε µια λογική που είναι κοντά στην πρόταση του Josephy (1986) και το εργαλείο αξιολόγησης OCEA. Έτσι, υιοθετήσαµε µεν την λογική των επιπέδων επιτυχίας, όµως σε αντίθεση µε το OCEA, κρίναµε σκόπιµο να έχουµε ένα σταθερό αριθµό επιπέδων για κάθε διάσταση. Έτσι, η αξιολόγηση της επιτυχίας ενός µαθητή γίνεται µε αντιστοίχιση των απαντήσεών του σε ένα από τα 3 επίπεδα για κάθε διάσταση, δηλαδή πρακτικά, µε τη χρήση ενός λεπτοµερέστερου πίνακα όπου κάθε διάσταση αναλύεται σε τρία (3) επιµέρους επίπεδα επιτυχίας. Με τον τρόπο αυτό, καταλήγουµε σε ένα πλέγµα είκοσι τεσσάρων (24) κελιών για την αξιολόγηση κάθε µαθητή, όπως φαίνεται αναλυτικά παρακάτω (Πίνακας 11). Ένας µαθητής π.χ. µπορεί να αξιολογηθεί από τις απαντήσεις για το σχεδιασµό του στα επίπεδα Υ2-Ε3-Ο1-Ρ3-Μ3-Α1-Φ2-Π3, ενώ κάποιος άλλος αντίστοιχα στα επίπεδα Υ1-Ε2-Ο2-Ρ2-Μ2-Α3-Φ2-Π1. Τα επίπεδα κάθε διάστασης είναι µεταξύ τους αµοιβαίως αποκλειόµενα, δηλαδή για κάθε διάσταση, κάθε µαθητής µπορεί να αξιολογηθεί σε ένα µόνο από τα 3 επίπεδα. Πίνακας 11: Λεπτοµερής παρουσίαση των επιπέδων επιτυχίας που αντιστοιχούν σε κάθε διάσταση που αξιολογείται στον σχεδιασµό των πειραµάτων των µαθητών µας Υπόθεση Επίπεδο Υ1 Επίπεδο Υ2 Επίπεδο Υ3 Επαλήθευση Επίπεδο Ε1 Ο µαθητής εκφράζει υποθέσεις ελλιπώς / καθόλου / χωρίς αιτιολόγηση Ο µαθητής εκφράζει υποθέσεις µε βάση διαισθητικά κριτήρια ή εναλλακτικές απόψεις Ο µαθητής εκφράζει υποθέσεις µε βάση επιστηµονικώς αποδεκτά κριτήρια Ο µαθητής µπορεί να προσδιορίσει το κριτήριο επαλήθευσης της υπόθεσής του ελλιπώς / καθόλου ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 201

214 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Επίπεδο Ε2 Επίπεδο Ε3 Υλικά, Όργανα & Συσκευές Επίπεδο Ο1 Επίπεδο Ο2 Επίπεδο Ο3 Ρυθµίσεις Συσκευών Επίπεδο Ρ1 Επίπεδο Ρ2 Επίπεδο Ρ3 Προσδιορισµός µεταβλητών Επίπεδο Μ1 Επίπεδο Μ2 Επίπεδο Μ3 Καθορισµός αρχικών συνθηκών Επίπεδο Α1 Επίπεδο Α2 Επίπεδο Α3 Φαινόµενα Επίπεδο Φ1 Επίπεδο Φ2 Επίπεδο Φ3 Πειραµατική διαδικασία Επίπεδο Π1 Επίπεδο Π2 Επίπεδο Π3 Ο µαθητής µπορεί να προσδιορίσει ξεκάθαρα το κριτήριο επαλήθευσης της υπόθεσής του Ο µαθητής µπορεί να προσδιορίσει περισσότερα από ένα κριτήρια επαλήθευσης της υπόθεσής του Ο µαθητής αναφέρει λίγα από τα απαραίτητα όργανα & συσκευές Ο µαθητής αναφέρει τα περισσότερα από τα απαραίτητα όργανα & συσκευές O µαθητής αναφέρει όλα τα απαραίτητα όργανα & συσκευές Ο µαθητής αναφέρει κάποιες από τις απαραίτητες αρχικές συνθήκες/ρυθµίσεις των συσκευών Ο µαθητής αναφέρει τις περισσότερες από τις απαραίτητες αρχικές συνθήκες/ρυθµίσεις των συσκευών Ο µαθητής αναφέρει όλες τις απαραίτητες αρχικές συνθήκες/ρυθµίσεις των συσκευών Ο µαθητής δεν προσδιορίζει τις εξαρτηµένες & ανεξάρτητες µεταβλητές Ο µαθητής προσδιορίζει ελλιπώς τις εξαρτηµένες & ανεξάρτητες µεταβλητές Ο µαθητής προσδιορίζει πλήρως τις εξαρτηµένες & ανεξάρτητες µεταβλητές Ο µαθητής δεν προσδιορίζει τις αρχικές συνθήκες Ο µαθητής προσδιορίζει ελλιπώς τις αρχικές συνθήκες Ο µαθητής προσδιορίζει πλήρως τις αρχικές συνθήκες Ο µαθητής περιγράφει ελλιπώς /καθόλου τα φαινόµενα που εµπλέκονται στο πείραµα Ο µαθητής περιγράφει τα φαινόµενα που εµπλέκονται στο πείραµα εκφράζοντας εναλλακτικές απόψεις Ο µαθητής περιγράφει τα φαινόµενα που εµπλέκονται στο πείραµα µε επιστηµονικά συµβατό τρόπο Ο µαθητής δεν µπορεί να περιγράψει τη διαδικασία µέτρησης και καταγραφής των δεδοµένων Ο µαθητής περιγράφει ασαφώς τη διαδικασία µέτρησης και καταγραφής των δεδοµένων Ο µαθητής περιγράφει µε σαφήνεια τη διαδικασία µέτρησης και καταγραφής των δεδοµένων 202

215 Ι. Λεύκος, 2011 Η βαθµολόγηση του µαθητή γίνεται µε την απόδοση µιας (1) µονάδας εάν τοποθετείται στο πρώτο επίπεδο µιας διάστασης, και αντίστοιχα δυο (2) ή τριών (3) µονάδων, αν τοποθετείται στο δεύτερο ή τρίτο επίπεδο. Για παράδειγµα σχετικά µε την έκφραση υποθέσεων, αν ένας µαθητής εκφράζει υποθέσεις ελλιπώς ή καθόλου ή χωρίς αιτιολόγηση βαθµολογείται µε 1, αν εκφράζει υποθέσεις µε βάση διαισθητικά κριτήρια ή εναλλακτικές απόψεις βαθµολογείται µε 2 και αν εκφράζει υποθέσεις µε βάση επιστηµονικώς αποδεκτά κριτήρια βαθµολογείται µε 3. Κάθε µαθητής λοιπόν µπορεί να έχει ένα σύνολο µονάδων από οκτώ (8) το λιγότερο, µέχρι είκοσι τέσσερεις (24) το ανώτερο. Χρησιµοποιώντας τα δυο παραδείγµατα που δώσαµε λίγο πριν, ο πρώτος µαθητής (Υ2-Ε3-Ο1-Ρ3-Μ3-Α1-Φ2- Π3) θα είχε βαθµολογία =21 µονάδες και ο δεύτερος (Υ1-Ε2- Ο2-Ρ2-Μ2-Α3-Φ2-Π1) θα είχε βαθµολογία =15 µονάδες. Πριν από την τελική αξιολόγηση, δυο κριτές µελέτησαν τις απαντήσεις και κατέληξαν σε συµφωνία τόσο σχετικά µε τα επιµέρους στοιχεία που εντάσσονται σε κάθε διάσταση, όσο και σχετικά µε την κλίµακα της βαθµολογίας. Ο πίνακας 1, ήταν το προϊόν της διαδικασίας αυτής Μεθοδολογία της αξιολόγησης Οι µετρήσεις σχετικά µε τις παραπάνω διαστάσεις, έγιναν µε τη µορφή γραπτών ερωτηµατολογίων και συνεντεύξεων pre-post, πριν και µετά από την υλοποίηση της διδακτικής σειράς που περιγράψαµε σε προηγούµενο κεφάλαιο, σε ένα τµήµα 14 µαθητών της Β Γυµνασίου. Οι µαθητές αρχικά συµπληρώνουν γραπτώς τα ερωτηµατολόγια, ενώ κατά τη διάρκεια της συνέντευξης τους ζητούνται διευκρινήσεις για τις επιλογές τους. ιευκρινίζεται ότι το περιεχόµενο των συνεντεύξεων ήταν τέτοιο ώστε να διατηρούνται οι αυθόρµητες επιλογές των µαθητών στα ερωτηµατολόγια. Για παράδειγµα αν κάποιος µαθητής δεν είχε αναφερθεί στη συνθήκη για ίδιες αρχικές µάζες των υλικών που χρησιµοποιούµε, δε γίνεται κάποια προτροπή ώστε να το προσδιορίσει εκ των υστέρων. Από την άλλη µεριά, αν κάποιος µαθητής είχε αναφερθεί στη συνθήκη αυτή, του ζητούνται διευκρινήσεις για το λόγο που έκανε την επιλογή αυτή. Εικόνα 70: Παράδειγµα προβλήµατος, για την ορθότητα του οποίου οι µαθητές καλούνται να εκφράσουν µια υπόθεση και να σχεδιάσουν ένα σχετικό πείραµα προκειµένου να την ελέγξουν Τα έργα στα pre και post ερωτηµατολόγια ήταν αντίστοιχα (Εικόνα 70), αλλά όχι ίδια, ενώ δεν είχαν συζητηθεί παρόµοια κατά τη διάρκεια της διδακτικής σειράς. Επίσης τονίζεται ότι οι µαθητές ασκούνται πειραµατικά σε ένα εικονικό περιβάλλον, ενώ τα έργα του ερωτηµατολογίου αφορούν το σχεδιασµό και την περιγραφή πειραµάτων µε χρήση φυσικών (πραγµατικών) υλικών και συσκευών. Τα έργα τίθενται υπό την µορφή προβληµάτων, είναι ανοιχτού τύπου και αποτελούνται από διαδοχικές ερωτήσεις, στις οποίες οι µαθητές καλούνται να καταγράψουν τόσο την ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 203

216 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ άποψή/υπόθεσή τους, όσο και να σχεδιάσουν την πειραµατική διαδικασία µέσα από την οποία θα την επαληθεύσουν. Υπενθυµίζουµε εδώ ότι, µια από τις σχεδιαστικές επιλογές της σειράς ήταν η σύνδεση των πειραµατικών διερευνήσεων στο σχολείο µε καθηµερινά φαινόµενα του πραγµατικού κόσµου. Σύµφωνα µε την προσέγγιση αυτή και σε συµφωνία µε την θεωρητική µας τοποθέτηση που αναλύσαµε στην προηγούµενη παράγραφο, κατά το µεγαλύτερο µέρος της διδακτικής σειράς, οι µαθητές εκτελούν δραστηριότητες διερευνητικού χαρακτήρα, όπου καλούνται να επιλύσουν καθηµερινά προβλήµατα που αφορούν θερµικά φαινόµενα, σχεδιάζοντας πειράµατα και υλοποιώντας τα σχέδιά τους µέσα στο εικονικό εργαστήριο. Εικονικός Κόσµος Εικονικά Αντικείµενα Σχεδιασµός ιδασκαλίας Φυσικός Κόσµος Φυσικά Αντικείµενα Εικονικοί Χειρισµοί Σχεδιασµός Λογισµικού Φυσικοί Χειρισµοί Εικόνα 71: ιασυνδέσεις µεταξύ Εικονικού και Φυσικού κόσµου Καταφέραµε λοιπόν, κατά την άποψή µας, να παρέχουµε στους µαθητές µας µια διαρκή διασύνδεση µεταξύ του εικονικού και του φυσικού κόσµου, αφ ενός λόγω της ίδιας της φύσης του λογισµικού που διαθέταµε και αφ ετέρου, λόγω της προσέγγισης που ακολουθήσαµε στο διδακτικό µας σχεδιασµό (Εικόνα 71). Έτσι, θεωρούµε βάσιµη την επιλογή να ελέγξουµε τις πειραµατικές δεξιότητες που αναπτύσσουν οι µαθητές µας από την εµπλοκή µε το εικονικό εργαστήριο, µε ένα ερωτηµατολόγιο που αναφέρεται όχι σε εικονικά, αλλά σε φυσικά αντικείµενα διαδικασίες και φαινόµενα. Αντίστοιχα ερωτήµατα εµφανίζονται τόσο στο αρχικό, όσο και στο τελικό ερωτηµατολόγιο. Υπενθυµίζουµε δε ότι, τα ερωτηµατολόγια αποτέλεσαν την βάση για τη διεξαγωγή ατοµικών ηµι-δοµηµένων συνεντεύξεων, από τις οποίες αντλήσαµε ουσιαστικά τα δεδοµένα για τη διερεύνηση της βελτίωσης των πειραµατικών ικανοτήτων των µαθητών µας. Αυτό κρίθηκε απαραίτητο, διότι οι µαθητές συνηθίζουν να είναι πολύ λιτοί στις απαντήσεις τους, ιδίως όταν απαιτείται από αυτούς να γράψουν κάποιο κείµενο. Μπορέσαµε έτσι να πάρουµε τις απαραίτητες διευκρινίσεις σχετικά µε τις απόψεις που κατέγραψαν στα ερωτηµατολόγια και κατά συνέπεια να έχουµε µια περισσότερο σαφή και λεπτοµερή εικόνα τους. 204

217 Ι. Λεύκος, Άξονας 3 ος : Σύνδεση µεταξύ θεωρίας και πρακτικής κατά τη διάρκεια του εργαστηρίου - Η µέθοδος C.B.A.V. (Αποτελεσµατικότητα-1) Σε σχέση µε την Αποτελεσµατικότητα-1, οι διάφορες έρευνες πάνω στο θέµα αυτό, ακολουθούν διαφορετικές µεθοδολογικές προσεγγίσεις. Για παράδειγµα η Becu-Robinault (2002), αναλύει τις αποµαγνητοφωνήσεις από το εργαστήριο σε σχέση µε τις διασυνδέσεις που κάνουν οι µαθητές µεταξύ του κόσµου της θεωρίας & µοντέλων από την µια µεριά, και του κόσµου των γεγονότων & αντικειµένων από την άλλη. Βασική θεωρητική της παραδοχή πίσω από αυτή την ανάλυση είναι ότι «οι διασυνδέσεις µεταξύ του κόσµου των αντικειµένων & γεγονότων και του κόσµου της θεωρίας & µοντέλων είναι απαραίτητο στοιχείο για την µάθηση στις Φυσικές Επιστήµες». Αντίστοιχες έρευνες χρησιµοποιούν µια διαφορετική µέθοδο ανάλυσης των Niedderer et al. (2002), που ονοµάζεται CBAV (Category Based Analysis of Videotapes Κατηγορική Ανάλυση Βιντεοταινιών). Σύµφωνα µε τη µέθοδο αυτή, αναλύεται το πόσο συχνά και σε ποιο αντίστοιχα εργαστηριακό περιεχόµενο οι µαθητές συζητούν σχετικά µε έννοιες φυσικής (Theyßen et al., 2002; Hucke et al.,2002; Sander et al., 2002; Buty, 2002). Με αυτή τη µέθοδο η αξιολόγηση της Αποτελεσµατικότητας-1 επιτυγχάνεται µε τον συσχετισµό της ποσότητας των εκφράσεων εννοιών των µαθητών, µε το συγκεκριµένο εργαστηριακό πλαίσιο όπου εµφανίζονται, όπως καθώς «συζητούν µε τον διδάσκοντα» ή κατά τη διάρκεια «λήψης µετρήσεων». Μια κοινή διαπίστωση που προκύπτει από τις έρευνες αυτές είναι ότι κατά τη διάρκεια του εργαστηρίου οι µαθητές σε µεγάλο βαθµό, δεν ανακαλούν τις αναµενόµενες θεωρητικές εξηγήσεις που τους παρέχουν τα βιβλία τους ή οι διδασκαλίες, ακόµη και αν το πείραµα που µελετούν θεωρείται από τα εύκολα. Επιπροσθέτως, ένα άλλο πολύ σηµαντικό συµπέρασµα είναι ότι, διάφορες δραστηριότητες που καταλαµβάνουν αρκετό χρόνο στην εργαστηριακή διδασκαλία, όπως η χρήση & διαχείριση συσκευών ή η λήψη µετρήσεων, παρουσιάζουν πολύ µικρή συνεισφορά στην επιθυµητή διασύνδεση µεταξύ της θεωρίας και του πειραµατισµού. Πιο κάτω θα γίνει µια αναλυτικότερη παρουσίαση της µεθοδολογίας και των εργαλείων CBAV, καθώς είναι και αυτή που υιοθετείται στην παρούσα εργασία καθώς και τη µεθοδολογία µελέτης του πειραµατικού σχεδιασµού αφού πρώτα παρουσιαστούν τα εργαλεία που κατασκευάσθηκαν για τη διερεύνηση των γνώσεων των µαθητών. Σύµφωνα µε τους εισηγητές της µεθόδου (Niedderer et al., 1998), η εργαστηριακή διδασκαλία στις Φυσικές Επιστήµες είναι µια πολύπλοκη κατάσταση όπου εµπλέκονται πολλών ειδών δραστηριότητες, όπως η χρήση συσκευών, η λήψη µετρήσεων, η συζήτηση για φυσικές έννοιες και η έκφραση προβλέψεων. Η βασική ιδέα λοιπόν για την ανάπτυξη του CBAV, είναι να µπορεί να γίνει ένα είδος ανάλυσης από την βιντεοσκόπηση των πολύπλοκων αυτών καταστάσεων µε την οποία να επιτρέπεται, µε σχετική ευκολία, η διαχείριση µεγάλου όγκου δεδοµένων, προκειµένου να εντοπίζονται κάποιες συνθήκες για τη βελτίωση της διδασκαλίας. Σκοπός δηλαδή είναι η διερεύνηση των συσχετισµών µεταξύ διαφόρων χαρακτηριστικών πλαισίων της εργαστηριακής διδασκαλίας από τη µια µεριά που ορίζονται κυρίως µε βάση τα υλικά & πηγές που χρησιµοποιούν κάθε φορά οι µαθητές και από την άλλη, των εκφράσεων των µαθητών που σχετίζονται µε βασικές έννοιες φυσικής. ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 205

218 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Η µέθοδος CBAV βασίζεται σε κατηγορίες που αφορούν σε διάφορα εργαστηριακά πλαίσια αλλά και δραστηριότητες που σχετίζονται µε την µάθηση στις Φυσικές Επιστήµες, που µπορεί κάποιος να τις εφαρµόσει παρακολουθώντας βιντεοσκοπηµένες εργαστηριακές διδασκαλίες, σχεδόν σε πραγµατικό χρόνο. Οι κατηγορίες αντιπροσωπεύουν από τη µια µεριά το εργαστηριακό πλαίσιο και θεωρούνται ανεξάρτητες µεταβλητές και από την άλλη οι κατηγορίες από τις εκφράσεις φυσικής ως ένδειξη της µάθησης. Οι σχετικές µε το εργαστηριακό πλαίσιο κατηγορίες είναι λίγο ως πολύ προφανείς. Καθορίζονται από τις πηγές που κυρίως χρησιµοποιούν κάθε φορά οι µαθητές όπως, διάφορες διατάξεις ή µετρητικά όργανα, εργαστηριακοί οδηγοί ή αλληλεπίδραση µε τον διδάσκοντα. Παρόµοιες κατηγορίες έχουν χρησιµοποιηθεί και από άλλες σχετικές έρευνες (Kyle, Penick, & Shymansky, 1979; Okebukola, 1985; Tamir & Lunetta, 1981). Σύµφωνα µε την παραπάνω υπόθεση, σκοπός είναι να βρεθεί πώς κάθε διαφορετική φάση του εργαστηρίου όπως ο χειρισµός των συσκευών, ή η λήψη µετρήσεων, συνεισφέρει στην ποσότητα της έκφρασης από µέρους των µαθητών της γνώσης της φυσικής. Ποσοτικοποιείται δηλαδή η «συζήτηση περί φυσικής» µε τον «χρόνο συζήτησης», καθώς ο «χρόνος» θεωρείται µια σηµαντική µεταβλητή για την µαθησιακή διαδικασία. Εικόνα 72: Παράδειγµα εφαρµογής της µεθόδου CBAV, όπου γίνεται η χρονική καταγραφή (οριζόντιες γραµµές ανά 0,5 sec) του εργαστηριακού πλαισίου στο οποίο εργάζονται οι µαθητές (στήλη Resource) και της αντίστοιχης κατηγορίας γνώσεων (στήλη Knowledge) όπου (και όταν) εκφράζουν οι µαθητές. Για τον υπολογισµό της αποτελεσµατικότητας, ορίζεται µια νέα µεταβλητή, την «πυκνότητα της έκφρασης γνώσεων, σε ένα συγκεκριµένο εργαστηριακό πλαίσιο», προκειµένου να υπάρξει µια ένδειξη της αποτελεσµατικότητας ενός συγκεκριµένου εργαστηριακού πλαισίου στην προώθηση της έκφρασης των γνώσεων. Ερευνητικά ερωτήµατα µπορούν να απαντηθούν µε τη µέθοδο CBAV είναι ενδεικτικά τα ακόλουθα - Πόσος χρόνος κατά τη διάρκεια του εργαστηρίου αφιερώνεται σε διαφορετικά πλαίσια και πηγές? 206

219 Ι. Λεύκος, Πόσος χρόνος κατά τη διάρκεια του εργαστηρίου αφιερώνεται στην έκφραση διαφόρων ειδών γνώσης? - Ποια από τα εργαστηριακά πλαίσια / πηγές είναι περισσότερο ή λιγότερο αποτελεσµατικά µε την έννοια ότι προωθούν την έκφραση γνώσεων φυσικής από τους µαθητές κατά τη διάρκεια του εργαστηρίου? Για τον υπολογισµό π.χ. της πυκνότητας έκφρασης γνώσεων φυσικής (Φ), σε κάποιο εργαστηριακό πλαίσιο Χ, αρχικά καταµετρούνται όλες τις µονάδες χρόνου που ασχολούνται οι µαθητές στο πλαίσιο αυτό, π.χ. µε τον οδηγό δραστηριοτήτων (Ο ). Στη συνέχεια, καταµετρούνται οι µονάδες χρόνου όπου εµφανίζεται έκφραση γνώσεων φυσικής (Φ), κατά τη διάρκεια του πλαισίου αυτού. Ο λόγος του αριθµού των χρονικών µονάδων µε Φ, προς το συνολικό αριθµό των χρονικών µονάδων στο πλαίσια Χ, πολλαπλασιαζόµενος επί 100, δίνει την πυκνότητα έκφρασης των γνώσεων φυσικής, αυτού του πλαισίου: Πυκν ότητα(φ / X ) = 100 Χ ρονικές _ µονάδες _Φ_ στο _ X Χρονικές _ µονάδες _ στο _Χ 7.1. Σχετικές έρευνες Αρκετές έρευνες τα τελευταία χρόνια χρησιµοποιούν την µέθοδο ανάλυσης του CBAV και η πρώτη διαπίστωση που θα µπορούσε κάποιος να κάνει, είναι ότι παρέχει στους ερευνητές µεγάλη ευελιξία για να το χρησιµοποιήσουν σύµφωνα µε τις συγκεκριµένες απαιτήσεις της έρευνάς τους. Έτσι: Οι κατηγορίες έκφρασης γνώσεων που χρησιµοποιούνται κάθε φορά είναι περισσότερες ή λιγότερες µε διατήρηση όµως συνήθως των 2-3 κύριων (KP, KT, KTP) που αναφέρονται στην αρχική εισήγηση της µεθόδου Οι κατηγορίες εργαστηριακού πλαισίου είναι επίσης κάθε φορά και διαφορετικές, διότι ανάλογα µε τα ερωτήµατα της κάθε έρευνας, κάποιες µπορούν να καταργηθούν, κάποιες ή και να εµφανιστούν νέες. Το χρονικό βήµα καταγραφής των δεδοµένων, επίσης κάθε φορά προσαρµόζεται στην περίπτωση ώστε, ανάλογα µε την υπό παρατήρηση εργαστηριακό πλαίσιο, άλλες φορά να χρησιµοποιούνται µικρότερα και άλλες φορά µεγαλύτερα χρονικά διαστήµατα. Το συντοµότερο όµως διάστηµα παραµένει το µισό λεπτό (30 sec), όπως αρχικά προτείνεται από τους εισηγητές της µεθόδου. Η ανάλυση των δεδοµένων επίσης είναι διαφορετική σε κάθε έρευνα, και οι ερευνητές εστιάζουν ανάλογα στα δικά τους ερευνητικά ερωτήµατα. Όλες οι έρευνες εστιάζονται στην «εις βάθος» µελέτη µικρών οµάδων µαθητών, χαρακτηριστικό που όπως φαίνεται είναι σύµφυτο µε την µέθοδο. Τα παραπάνω θα γίνουν φανερά από την σύντοµη περιγραφή αντιπροσωπευτικών ερευνών που ακολουθεί Buty (2002). Modeling in geometrical optics using a microcomputer Βασική υπόθεση τη έρευνας αυτής είναι ότι µια δυναµική αναπαράσταση ενός φυσικού φαινοµένου στον υπολογιστή (µε το λογισµικό Cabri Geometry), θα µπορούσε να βοηθήσει τους µαθητές να αναπτύξουν διασυνδέσεις µεταξύ του ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 207

220 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ κόσµου της θεωρίας & µοντέλου και του κόσµου των γεγονότων & αντικειµένων. Έχουµε αναφέρει και σε άλλο σηµείο δε, ότι η παραπάνω διασύνδεση θεωρείται ένας από τους βασικούς στόχους της εργαστηριακής διδασκαλίας των Φ.Ε. Υπό το πρίσµα αυτής της λογικής, ο ερευνητής ονοµάζει την αναπαράσταση αυτή ως «υλοποιηµένο µοντέλο» (materialized model) και θεωρεί ότι αποτελεί ένα σύνολο από αντιστοιχήσεις µεταξύ στοιχείων από τη µια µεριά του θεωρητικού κόσµου, ο οποίος στην προκειµένη περίπτωση είναι το µοντέλο της Γεωµετρικής Οπτικής, και από την άλλη µεριά πραγµατικών αντικειµένων που προσλαµβάνονται από τους µαθητές κοιτώντας στην οθόνη του υπολογιστή. ηλαδή θεωρεί ότι αποτελεί ένα µονοπάτι µεταξύ του κόσµου της θεωρίας & µοντέλου και του κόσµου των γεγονότων & αντικειµένων. Το ερευνητικό ερώτηµα που διατυπώνει είναι το εξής: «είναι η χρήση του υλοποιηµένου µοντέλου υποβοηθητική στο να δηµιουργήσουν συνδέσεις οι µαθητές µεταξύ του κόσµου της θεωρίας & µοντέλων και του κόσµου των γεγονότων & αντικειµένων;» Η έρευνα αναφέρεται στη Γεωµετρική Οπτική που διδάσκεται στην τελευταία τάξη του λυκείου στη Γαλλία. Το τµήµα της εφαρµογής αποτελούταν από 14 µαθητές οι οποίοι εργάζονταν σε ζεύγη έχοντας στη διάθεσή τους από έναν υπολογιστή και διάφορες πειραµατικές διατάξεις. Η διάρκεια των µαθηµάτων ήταν 15 ώρες και περιλάµβαναν τόσο πειραµατισµό, όσο και θεωρητική υποστήριξη ταυτόχρονα. Τα ερευνητικά δεδοµένα που παρουσιάζονται στην εργασία αυτή συλλέχθηκαν µε την βιντεοσκόπηση ενός ζευγαριού µαθητών, καταγράφοντας τις δράσεις τους καθώς χρησιµοποιούν τις πειραµατικές διατάξεις, συζητούν µεταξύ τους ή χειρίζονται τον υπολογιστή, σε όλη τη διάρκεια της διδακτικής σειράς. Η ανάλυση των δεδοµένων αφορά για την ακρίβεια ένα συγκεκριµένο µαθητή, του οποίου καταγράφεται η εξέλιξη συγχρόνως των δραστηριοτήτων του στη µοντελοποίηση και στην κατανόηση των φυσικών εννοιών που εµπλέκονται. Για την ανάλυση των δεδοµένων χρησιµοποιήθηκε η µέθοδος CBAV, κατά την οποία δόθηκε έµφαση στο συσχετισµό µεταξύ των διαφορετικών ειδών πηγών & υλικών που χρησιµοποιούσαν οι µαθητές κατά την διάρκεια των πειραµατικών δραστηριοτήτων τους και τη χρήση της θεωρίας. Μέσα από αυτό τον συσχετισµό διερευνάται η αποτελεσµατικότητα των διαφορετικών ειδών δραστηριοτήτων στην κατανόηση της φυσικής. Η µέθοδος CBAV εφαρµόζεται µε κάποιες διαφοροποιήσεις σε σχέση µε την αρχική. Όσο αφορά στις κατηγορίες του εργαστηριακού πλαισίου, επειδή το µοντέλο στον υπολογιστή δεν κατασκευάζεται από τους µαθητές, απλά αυτοί το χρησιµοποιούν µετακινώντας αντικείµενα στην οθόνη, δεν υπάρχει διαφορετική κωδικοποίηση για την «κατασκευή µοντέλου στον Η/Υ» και την «χρήση µοντέλου στον Η/Υ», αλλά αντιµετωπίζονται µαζί σαν ενιαία κατηγορία. (που ονοµάζεται ΜΜ). Όσο αφορά στις κατηγορίες των εκφράσεων που κωδικοποιούνται, επίσης η αρχική µέθοδος προσαρµόστηκε στο θεωρητικό πλαίσιο της δεδοµένης έρευνας, το οποίο όµως είναι συµβατό µε το αντίστοιχο πλαίσιο του CBAV. Έτσι χρησιµοποιούνται για την κωδικοποίηση, διάφορες νέες κατηγορίες εκφράσεων που αφορούν τις διάφορες διασυνδέσεις π.χ. µεταξύ του κόσµου της θεωρίας και του υλοποιηµένου µοντέλου ή του πραγµατικού κόσµου και του υλοποιηµένου µοντέλου ή που αναφέρονται στα χαρακτηριστικά του υλοποιηµένου µοντέλου. 208

221 Ι. Λεύκος, Theyβen et al. (2002). Development and Evaluation of a Laboratory Course in Physics for Medical Students Η έρευνα αφορά στην ανάπτυξη και αξιολόγηση µιας εργαστηριακής διδακτικής σειράς. Οι θεωρητικές παραδοχές των ερευνητών για τη µάθηση, προέρχονται από µια (ριζική) εποικοδοµητικού τύπου προσέγγιση των νοητικών διεργασιών (v. Aufschnaiter & Welzel, 1999), που βασίζονται σε αποτελέσµατα από εµπειρικές µελέτες πάνω στην οικοδόµηση και εξέλιξη των νοηµάτων των µαθητών, σε εργαστηριακές καταστάσεις. Σύµφωνα µε αυτές τις απόψεις, η οικοδόµηση νοηµάτων πάντοτε ξεκινά µε ένα χαµηλό επίπεδο πολυπλοκότητας (καθώς έρχονται αντιµέτωποι µε συγκεκριµένα αντικείµενα & καταστάσεις ) και έπειτα εξελίσσεται σε υψηλότερα επίπεδα (καθώς έρχονται αντιµέτωποι µε αφηρηµένες επιστηµονικές έννοιες). Κάτω από αυτό το θεωρητικό πλαίσιο οι ερευνητές τροποποίησαν µια διδακτική εργαστηριακή σειρά Φυσικής για φοιτητές ιατρικής και προσπάθησαν να αξιολογήσουν τα µαθησιακά αποτελέσµατά της, σε σύγκριση µε την παλαιότερη σειρά. Συγκεκριµένα διερευνούν τα αποτελέσµατα που επιτεύχθηκαν από την διδασκαλία, σε σχέση µε το κατά πόσο οι φοιτητές συζητούν για τα πειραµατικά τους δεδοµένα και κάνουν συσχετισµούς µεταξύ της φυσικής και της ιατρικής. Ένα σχετικό ερευνητικό υπο-ερώτηµα ήταν: «πόσο συχνά οι φοιτητές χρησιµοποιούν εκφράσεις Φυσικής και Ιατρικού περιεχοµένου και σε ποιο αντίστοιχο εργαστηριακό περιεχόµενο (λήψη µετρήσεων, επεξηγήσεις των πειραµάτων κ.λ.π.) Τα ερευνητικά δεδοµένα λήφθηκαν µε βιντεοσκόπηση ενός εργαστηριακού µαθήµατος, για 3 οµάδες που παρακολουθούσαν την παλαιά διδακτική σειρά και για 4 οµάδες που παρακολουθούσαν την νέα σειρά. Το περιεχόµενου του µαθήµατος ήταν σχετικό µε την Γεωµετρική Οπτική και τη λειτουργία του ανθρώπινου µατιού ως διοπτρική διάταξη. Η ανάλυση έγινε σε δυο επίπεδα. Αρχικά µε την µέθοδο CBAV για το σύνολο του µαθήµατος και στη συνέχεια µε λεπτοµερέστερη ανάλυση από τις αποµαγνητοφωνήσεις, επιλεγµένων φάσεων µικρής διάρκειας. Η µέθοδος CBAV που χρησιµοποιήθηκε από τους ερευνητές είναι µια προσαρµογή που βασίζεται στην αρχική µέθοδο την οποία έχουµε περιγράψει νωρίτερα. ιατηρώντας τον χρονισµό των 30 δευτερολέπτων, γίνεται µια καταγραφή για κάθε φοιτητή, σε τουλάχιστο µια από τις κατηγορίες εργαστηριακού πλαισίου. Ταυτόχρονα για κάθε φοιτητή γίνονται και οι καταγραφές που αφορούν τις κατηγορίες των εκφράσεων. Εδώ υπάρχει µια διαφοροποίηση από την αρχική µέθοδο, διότι οι καταγραφές γίνονται για κάθε φοιτητή χωριστά και όχι για το σύνολο της οµάδας. Επίσης, οι κατηγορίες έχουν τροποποιηθεί και προσαρµοστεί στο περιεχόµενο και τις συγκεκριµένες απαιτήσεις της έρευνας (π.χ. κωδικοποιούνται οι εκφράσεις φυσικής, οι εκφράσεις ιατρικής, αλλά και αυτές που αφορούν την σύνδεση περιεχοµένων φυσικής και ιατρικής) Έτσι η κωδικοποίηση γίνεται σε 5 κατηγορίες εργαστηριακού πλαισίου και σε 5 κατηγορίες εκφράσεων. Μια άλλη διαφοροποίηση που υιοθέτησαν οι ερευνητές εδώ, είναι ότι σε περίπτωση που η κατηγοριοποίηση µιας καταγραφής στο διάστηµα των 30 sec δεν ήταν ξεκάθαρη, την σηµείωναν σε δύο διαφορετικές κατηγορίες ως «µισή». Αυτό είχε σαν αποτέλεσµα, το άθροισµα όλων των καταγραφών από όλες τις κατηγορίες πλαισίου, πολλαπλασιαζόµενο επί 30 sec, να ταυτίζεται τελικά µε τον συνολικό χρόνο της διδασκαλίας, οπότε µπορούν να γίνουν και στατιστικές αναλύσεις και συγκρίσεις µεταξύ του διαφορετικού χρόνου διάρκειας κάθε εργαστηριακού πλαισίου σε σχέση µε τη συνολική διάρκεια της διδασκαλίας. Από την άλλη µεριά ( και όµοια µε την αρχική µέθοδο CBAV), σε κάθε χρονική περίοδο των 30 sec, γίνονται από 0 ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 209

222 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ έως 5 καταγραφές που αφορούν τις κατηγορίες εκφράσεων και δεν γίνεται διαχωρισµός µεταξύ «ολόκληρων» και «µισών». Καθώς µια έκφραση συνήθως καταλαµβάνει χρόνο µικρότερο από 30 sec, αντιµετωπίζονται ως «γεγονότα», οπότε µόνο η συχνότητα των εκφράσεων σε διαφορετικές κατηγορίες υπολογίζεται και χρησιµοποιείται για συγκρίσεις. «Συχνότητα εκφράσεων» εδώ, σηµαίνει ο αριθµός των «γεγονότων», σχετικά µε τον αριθµό των χρονικών περιόδων που αναλύονται (για το συγκεκριµένο µαθητή). Από αυτή την καταγραφή, ο συνολικός χρόνος της διδασκαλίας που καταλαµβάνουν οι εκφράσεις, δεν µπορεί να υπολογιστεί Kirstein, J. & Nordmeier, V. (2007). Multimedia representation of experiments in Physics Η έρευνα αυτή περιγράφει µια νέα πρόταση για χρήση των ΤΠΕ στην πειραµατική διδασκαλία της φυσικής. Πρόκειται για µια νέα τεχνολογία που ανέπτυξε ο συγγραφέας και ονοµάζεται ISE - Interactive Screen Experiment. Με την τεχνολογία αυτή, οι µαθητές µπορούν να αλληλεπιδρούν µέσω διαδικτύου µε µια πειραµατική διάταξη (για την ακρίβεια µε την ψηφιακή της αναπαράσταση), εξαποστάσεως και σε µη-πραγµατικό χρόνο, όµως µέσα στα πλαίσια δεδοµένων συνθηκών & αρχικών ρυθµίσεων που έχει κάνει ο κατασκευαστής-προγραµµατιστής του συστήµατος. Πλεονεκτήµατα για τα συστήµατα ISE θεωρείται κατ αρχήν το γεγονός ότι οι µαθητές έρχονται αντιµέτωποι µε µια «αυθεντική» κατάσταση, καθώς η πειραµατική διάταξη προβάλλεται στην οθόνη του Η/Υ µέσω ψηφιακών φωτογραφιών ή video και επιπλέον η δυνατότητα που δίνεται για ενεργητική µάθηση, αφού υπάρχει άµεση ανταπόκριση του συστήµατος στις επιλογές του χρήστη. Έτσι κατά µια έννοια, οι µετρήσεις που λαµβάνονται από το πείραµα είναι πραγµατικές, µε ότι αυτό συνεπάγεται από άποψη διαχείρισης των πειραµατικών σφαλµάτων από τους µαθητές και την διδακτική τους εκµετάλλευση από το διδάσκοντα. Μάλιστα σε κάποιες εφαρµογές της µεθόδου (π.χ. µελέτη ιδιοτήτων του ήχου µιας γεννήτριας συχνοτήτων), οι πειραµατικές µετρήσεις είναι δυνατό να λαµβάνονται απευθείας από περιφερειακές συσκευές συνδεµένες στον Η/Υ των µαθητών. Επίσης µπορεί να χρησιµοποιηθεί και στην περίπτωση ακριβών διατάξεων ή επικίνδυνων πειραµάτων, µε τα οποία δεν έχουµε τη δυνατότητα άµεσης εµπλοκής των µαθητών. Ενδιαφέρον παρουσιάζουν επίσης κάποιες πιο σύγχρονες εφαρµογές της τεχνολογίας αυτής που αναφέρονται από τους συγγραφείς, όπου στην οθόνη των µαθητών εκτός από το παράθυρο ελέγχου του πειράµατος, υπάρχουν και πολλές άλλες πληροφορίες, όπως για παράδειγµα διαγραµµατικές αναπαραστάσεις της πειραµατικής διάταξης ή θεωρητικές επεξηγήσεις για την αρχή λειτουργίας της διάταξης ή του φαινοµένου. Οι ερευνητές θεωρούν ότι ένα τέτοιο σύστηµα υπερέχει πολύ έναντι των συµβατικών βιντεοσκοπηµένων πειραµάτων που χρησιµοποιούνταν παλιότερα, καθώς εκείνα δεν ήταν αλληλεπιδραστικά. Από την άλλη µεριά, συγκρίνοντας την τεχνολογία αυτή µε τον συµβατικό χειρισµό εξ-αποστάσεως πειραµάτων µέσω internet (Remote Experiments), πιστεύουν ότι στην περίπτωση των ISE υπερέχει η δυνατότητα ότι πολλοί χρήστες ξεχωριστά και ταυτόχρονα µπορούν να χειρίζονται το σύστηµα. Επίσης, σε σχέση µε τις προσοµοιώσεις στον Η/Υ, η βασική διαφορά του συστήµατος ISE είναι πρόκειται για µια ακριβή αναπαράσταση της πραγµατικότητας, χωρίς να µεσολαβεί ένα µαθηµατικό µοντέλο το οποίο ανταποκρίνεται στους 210

223 Ι. Λεύκος, 2011 χειρισµούς του χρήστη, όπως γίνεται στις προσοµοιώσεις. Από την άλλη όµως τονίζουν το γεγονός της περιορισµένης ελευθερίας κινήσεων που έχουν οι µαθητές στο ISE για τον χειρισµό των διατάξεων, σε αντίθεση µε την µεγάλη ελευθερία που µπορεί να προσφέρει µια προσοµοίωση. Για τους παραπάνω λόγους, έχουν ήδη γίνει κάποιες προσπάθειες συνδυασµού των δυο τεχνολογιών.. Η έρευνά που περιγράφεται εδώ, είχε σκοπό να διαπιστώσει την επίδραση από τη χρήση ενός συστήµατος ISE στη φάση προετοιµασίας για το εργαστήριο, πρωτοετών φοιτητών φυσικής, µε την κατασκευή ενός ια-δραστικού Εργαστηριακού Οδηγού Χρήσης (Interactive students lab instruction manual). Οι ερευνητές βασίζονται σε προηγούµενες έρευνες όπου διαπιστώθηκε ή ελλιπής προετοιµασία των φοιτητών και τα προβλήµατα που αντιµετωπίζουν στη χρήση των εργαστηριακών οργάνων & συσκευών, π.χ. (Niedderer, et al., 1998) και κάνουν µια πρόταση βελτίωσης. Συγκεκριµένα οι φοιτητές µελετούν την λειτουργία του Παλµογράφου, µε χρήση ενός συστήµατος ISE κατά την φάση προετοιµασίας τους για το εργαστήριο, αντί να χρησιµοποιήσουν ένα πιο κλασσικό έντυπο Οδηγό Χρήσης. Η υπόθεση που διατυπώνουν είναι ότι οι φοιτητές που χρησιµοποίησαν το ISE µπορούν να χρησιµοποιήσουν την πραγµατική συσκευή πιο αποτελεσµατικά, σε σχέση µε αυτούς που χρησιµοποίησαν τον έντυπο Οδηγό Χρήσης, καθώς στην πρώτη περίπτωση έχουν εµπλακεί σε µια «ασφαλή» µαθησιακή κατάσταση, πολύ κοντά σε αυτή που αντιµετωπίζουν αργότερα στο εργαστήριο. Για την έρευνα χρησιµοποιήθηκαν 58 πρωτοετείς φοιτητές που χωρίστηκαν σε δυο ισοδύναµες οµάδες. Η οµάδα ελέγχου, χρησιµοποίησε τον έντυπο Οδηγό Χρήσης και η πειραµατική οµάδα το σύστηµα ISE. Όλοι οι χειρισµοί στην οθόνη του Η/Υ, της πειραµατικής οµάδας καταγράφονταν µε αυτοµατοποιηµένο τρόπο µε ένα ειδικό σύστηµα, «καταγραφής δράσεων» (action tracking). Οι καταγραφές αφορούν τόσο τη θέση του ποντικιού σε τακτά χρονικά διαστήµατα, όσο και διάφορες µεταβλητές που χαρακτηρίζουν την εκάστοτε κατάσταση του συστήµατος ISE. Τα δεδοµένα που συλλέγονται µε τον τρόπο αυτό, µπορούν να χρησιµοποιηθούν είτε για στατιστικές αναλύσεις, είτε για µια ειδική έκδοση του συστήµατος όπου προβάλλονται όλες οι κινήσεις του χρήστη. Επιπλέον, οι φοιτητές βιντεοσκοπούνται κατά τη διάρκεια του εργαστηρίου και ακολουθεί ανάλυση µε την µέθοδο CBAV. Οι ερευνητές χρησιµοποιούν πέντε (5) κατηγορίες εργαστηριακού πλαισίου και τρείς (3) κατηγορίες εκφράσεων, για να κωδικοποιήσουν τις δράσεις και τις εκφράσεις των φοιτητών. Οι κατηγορίες πλαισίου ήταν ένα υποσύνολο της αρχικής µεθόδου και συγκεκριµένα πέντε (5), οι: Σύνθεση - ιδασκαλία - Λήψη µετρήσεων - Ανάλυση - Άλλο. Επίσης οι κατηγορίες εκφράσεων ήταν τρείς (3), οι: Τεχνικές - Φυσικής & Τεχνικές Φυσικής. Τα αποτελέσµατα που αναφέρουν οι ερευνητές, υποστηρίζουν την ορθότητα της υπόθεσής τους. Η πειραµατική οµάδα χρειάστηκε λιγότερο χρόνο για να διαβάσει τις οδηγίες για το πείραµα και για να συνθέσει την πειραµατική διάταξη, σε σχέση µ την οµάδα ελέγχου. Επιπλέον, η πειραµατική οµάδα εµφανίζει περισσότερες εκφράσεις σχετικές µε φυσική, σε αντίθεση µε την οµάδα ελέγχου της οποίας οι εκφράσεις επικεντρώνονται στα τεχνικά ζητήµατα. Έτσι καταλήγουν στο συµπέρασµα ότι η χρήση της τεχνικής ISE, αποβαίνει χρήσιµη για την µαθησιακή διαδικασία, και ότι ο ια-δραστικός Εργαστηριακός Οδηγός Χρήσης, βοήθησε τους φοιτητές να διαχειριστούν τις συσκευές του εργαστηρίου Φυσικής, πιο αποτελεσµατικά. ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 211

224 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ 7.2. Εφαρµογή της µεθόδου CBAV στην παρούσα έρευνα Βασική θεωρητική υπόθεση στην παρούσα έρευνα είναι ότι η εµπλοκή των µαθητών µας σε εργαστηριακές δραστηριότητες διερευνητικού τύπου µε χρήση ενός κατάλληλου υπολογιστικού περιβάλλοντος προσοµοιώσεων θερµικών φαινοµένων (το «εικονικό εργαστήριο θερµότητας» του λογισµικό ΣΕΠ), µπορούν να συνεισφέρουν στην ανάπτυξη - από µέρους των µαθητών - διασυνδέσεων µεταξύ του κόσµου της θεωρίας και του κόσµου των γεγονότων & αντικειµένων. Θεωρούµε επίσης ότι ο διερευνητικός χαρακτήρας είναι συνυφασµένος αφενός µεν µε την κατανόηση και εφαρµογή επιστηµονικών µοντέλων, αφετέρου δε µε τη χρήση εργαστηριακών πρακτικών µέσα από τις οποίες οι µαθητές εµπλέκονται σε µια ουσιαστική παρατήρηση και παρέµβαση στον υλικό κόσµο, συνδέοντας τα υπό µελέτη φαινόµενα µε τις θεωρητικές τους αναπαραστάσεις (Ψύλλος, 2007). Στο σηµείο αυτό διευκρινίζουµε ότι µε την έκφραση κόσµος των αντικειµένων αναφερόµαστε τόσο στον κόσµο των πραγµατικών - φυσικών αντικειµένων, όσο και στον προσοµοιωµένο κόσµο, τα εικονικά αντικείµενα και τα γεγονότα µέσα στην οθόνη του υπολογιστή, µε τον οποίο αλληλεπιδρούν οι µαθητές. Η άποψη αυτή νοµιµοποιείται στο συγκεκριµένο «εικονικό εργαστήριο» του ΣΕΠ, καθώς ένα από τα βασικότερα στοιχεία που το χαρακτηρίζει είναι η αληθοφάνεια τόσο του χώρου και των οργάνων όσο και των χειρισµών και διαδικασιών δια µέσου των οποίων αλληλεπιδρούν οι µαθητές παρεµβαίνοντας σε αυτό τον κόσµο. Την σπουδαιότητα αυτής της δυνατότητας παρέµβασης που έχουν οι µαθητές για την µάθηση στις Φ.Ε. και την επιδιωκόµενη διασύνδεση θεωρίας και πρακτικών δράσεων, υποστηρίζει και ο Τσελφές (2002), λέγοντας: «Η επιστήµη όµως δε συγκροτείται µόνο από τις αναπαραστάσεις του υλικού κόσµου αλλά εµπεριέχει και µεθόδους παρέµβασης στον υλικό κόσµο, ειδικά στο εργαστήριο όπου επιδιώκεται από τους επιστήµονες η διερεύνηση και η συµφωνία των πειραµατικών δεδοµένων µε τα αντίστοιχα θεωρητικά µοντέλα. Αυτή η παρεµβατική πρακτική στο εργαστήριο αποτελεί µέρος της επιστηµονικής παράδοσης και ένα ιδιαίτερο γνώρισµα της εσωτερικής λογικής των εργαστηριακών επιστηµών, το οποίο επιτρέπει την αλληλεπίδραση των υλικών οντοτήτων µε τις θεωρητικές προτάσεις και τις διακρίνει από άλλους τοµείς του επιστητού». Προκειµένου να απαντήσουµε στο ερευνητικό µας ερώτηµα που σχετίζεται µε τον 3 ο Άξονα, δηλαδή τη διερεύνηση της διασύνδεσης µεταξύ θεωρίας και πρακτικής κατά τη διάρκεια των εργαστηριακών δραστηριοτήτων, χρησιµοποιούµε την µέθοδο CBAV, για να καταγράψουµε και στη συνέχεια να συγκρίνουµε, τη συχνότητα των εκφράσεων φυσικής, από τη µια µεριά σε δραστηριότητες όπου στους µαθητές προσφέρεται περιορισµένη δυνατότητα αλληλεπίδρασης και παρέµβασης στο εικονικό περιβάλλον, και από την άλλη µεριά σε δραστηριότητες διερευνητικού τύπου, όπου οι µαθητές έχουν µεγάλη δυνατότητα παρέµβασης. Πιο συγκεκριµένα, επιδιώκεται η σύγκριση µεταξύ πειραµατικών διδακτικών καταστάσεων όπου οι µαθητές εργάζονται πάνω σε µια δεδοµένη και στηµένη (αποθηκευµένη στον υπολογιστή) εργαστηριακή διάταξη, και καταστάσεων όπου απαιτείται από τους µαθητές να συνθέσουν µόνοι τους την κατάλληλη διάταξη, προφανώς παρέχοντας έναν περισσότερο διερευνητικό χαρακτήρα. Προκειµένου να εφαρµόσουµε την ανάλυση CBAV στην έρευνά µας, διατηρήσαµε σε πολύ µεγάλο µέρος την αρχική µέθοδο αναλλοίωτη. Οι µαθητές βιντεοσκοπούνται καθώς εργάζονται σε ζευγάρια και επιπλέον για την καταγραφή του ήχου χρησιµοποιήθηκαν κασετόφωνα. Η διπλή αυτή καταγραφή θεωρήθηκε 212

225 Ι. Λεύκος, 2011 επιβεβληµένη διότι καθώς η διδασκαλία λαµβάνει χώρα σε πραγµατικές συνθήκες τάξης και υπάρχουν ταυτόχρονα 7 ζευγάρια µαθητών που εργάζονται και συνοµιλούν σε µικρή σχετικά απόσταση µεταξύ τους, η καταγραφή από τα κασετόφωνα δίνει καλύτερα ηχητικά αποτελέσµατα, ενώ η εικόνα δίνει τις απαραίτητες πληροφορίες σχετικά µε τις δράσεις που κάνουν κάθε φορά οι µαθητές Οι κατηγορίες για το εργαστηριακό πλαίσιο και οι κατηγορίες για τις εκφράσεις Για την καταγραφή στον άξονα των δράσεων, επιλέχθηκε η χρήση των εξής κατηγοριών ανάλογα µε το πλαίσιο µέσα στο οποίο εργάζονται οι µαθητές στο εργαστήριο: Χρήση φύλλων εργασίας για καταγραφή προβλέψεων (ΠΡΒ) Χρήση φύλλων εργασίας για καταγραφή αποτελεσµάτων(απο) Χρήση φύλλων εργασίας για καταγραφή συµπερασµάτων (ΣΥΜ) Χρήση προσοµοίωσης για τη σύνθεση πειραµατικών διατάξεων ( ΙΑ) Χρήση προσοµοίωσης για λήψη µετρήσεων (ΜΕΤ) Αλληλεπίδραση µε τον διδάσκοντα ( Ι ) Άλλο, όταν δεν αναφέρεται σε κανένα από τα παραπάνω (ΑΛ) Αντίστοιχα, προκειµένου να κωδικοποιηθούν οι εκφράσεις των µαθητών, χρησιµοποιήθηκαν οι παρακάτω κατηγορίες: Αντικείµενα του πραγµατικού κόσµου (ΑΠΚ) Αντικείµενα του πραγµατικού κόσµου & φυσική (ΠΚΦ) Αντικείµενα της προσοµοίωσης (ΑΠΡ) Αντικείµενα της προσοµοίωσης & φυσική (ΠΡΦ) Θεωρία φυσικής (ΘΕΦ) 7.5. Παραδοχές & επιλογές εφαρµογής της µεθόδου CBAV Για την εφαρµογή της µεθόδου στην παρούσα εργασία έχουν γίνει οι κάποιες παραδοχές και επιλογές, που είναι σηµαντικό να αναφέρουµε. Α) Η πρώτη παραδοχή που κάναµε στην εφαρµογή της µεθόδου, είναι να διατηρήσουµε την χρονική περίοδο της καταγραφής σε βήµατα των 30 sec., όπως και στην αρχική πρόταση της µεθόδου (Niedderer, et al., 1998). Β) Ένα σηµαντικό µεθοδολογικό πρόβληµα που έπρεπε να λύσουµε προέρχεται από το γεγονός ότι επειδή οι µαθητές δουλεύουν σε οµάδες µε κάποια αυτονοµία, υπάρχει διαφορά στους χρόνους ολοκλήρωσης των δραστηριοτήτων της κάθε οµάδας. Κατά συνέπεια, αν κάποια οµάδα τελείωνε γρηγορότερα µια δραστηριότητα, έπρεπε να περιµένει µέχρι να τελειώσουν και οι υπόλοιπες. Εποµένως ο χρόνος αυτός για την οµάδα ήταν «νεκρός». Αυτό µας οδήγησε σε ένα προβληµατισµό σε σχέση µε τον τρόπο οµογενοποίησης των οµάδων προκειµένου να µπορέσουµε να κάνουµε µεταξύ τους συγκρίσεις. Η επιλογή που κάναµε ήταν να θεωρήσουµε ως κοινή αφετηρία για την µέτρηση του χρόνου, τη στιγµή που ο καθηγητής µοιράζει στις οµάδες τα φύλλα εργασίας για την κάθε δραστηριότητα, ενώ ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 213

226 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ως χρονική στιγµή περάτωσης θεωρείτε εκείνη που οι µαθητές παραδίδουν συµπληρωµένο το φύλλο. Έτσι, για κάθε οµάδα ο χρόνος είναι διαφορετικός. Κάνοντας όµως αναγωγή των µετρήσεων για τις εκφράσεις στον σχετικό αυτό χρόνο κάθε οµάδας, µπορούµε να κάνουµε συγκρίσεις µεταξύ τους, χρησιµοποιώντας δηλαδή αντί των απόλυτων τιµών, σχετικές τιµές επί τοις εκατό (%). Για το λόγο αυτό δεν αναφερόµαστε σε συχνότητες εκφράσεων, αλλά σε «πυκνότητες», δηλώνοντας έτσι ότι πρόκειται για αναγόµενες τιµές. Παρόµοια λογική αναγωγής ακολουθείται και στην αρχική πρόταση της µεθόδου, προκειµένου να µπορούν να γίνουν συγκρίσεις στη συνεισφορά των εκφράσεων µεταξύ των διαφορετικών εργαστηριακών πλαισίων µιας διδασκαλίας, τα οποία όπως είναι φυσικό έχουν το καθένα διαφορετική διάρκεια. Γ) Ένας άλλος προβληµατισµός αφορούσε την καταγραφή των εκφράσεων από τα δυο µέλη της οµάδας. Κατά πόσο δηλαδή θα θεωρείται και θα καταγράφεται σαν ξεχωριστό γεγονός κάθε έκφραση από τον ένα ή τον άλλο µαθητή όταν εµφανίζονται στην ίδια χρονική περίοδο των 30 sec. Στην αρχική πρόταση της µεθόδου, γίνεται µόνο µια καταγραφή σε κάθε χρονική περίοδο, θεωρώντας την οµάδα σαν ένα σύνολο. Αντίθετα στην εργασία των Theyßen, et al. (2002), ακολουθήθηκε µια παραλλαγή της µεθόδου, όπου καταγράφονται χωριστά τα γεγονότα από κάθε µέλος της οµάδας. Αυτή τη δεύτερη προσέγγιση χρησιµοποιήσαµε κι εµείς στην εργασία µας. ) Επίσης, ακολουθώντας την αρχική µέθοδο, επιλέξαµε να κάνουµε καταγραφές σε διαφορετικές κατηγορίες εκφράσεων, ακόµη και αν αυτές εµφανίζονται κατά την ίδια χρονική περίοδο (30 sec). Έτσι, την ίδια στιγµή, θα µπορούσαµε να έχουµε εν δυνάµει, ακόµη και 6 γεγονότα καταγεγραµµένα στις αντίστοιχες κατηγορίες εκφράσεων (πρακτικά βέβαια είναι απίθανο να συµβεί). Επιπλέον, και σε συµφωνία µε µια αντίστοιχη επιλογή που ακολούθησε στην έρευνά του και ο Buty (2002), µπορούµε να κάνουµε οµαδοποιήσεις (αθροίσεις) των καταγραφών κατά την ανάλυση των δεδοµένων µας, σε όσες κατηγορίες θεωρούµε συναφείς. Για παράδειγµα µπορούµε να αναφερόµαστε στο σύνολο των εκφράσεων φυσικής που αντιστοιχούν σε ένα δεδοµένο εργαστηριακό πλαίσιο, υπολογίζοντας το άθροισµα των καταγραφών από όλες τις κατηγορίες που εµπλέκουν εκφράσεις φυσικής, µέσα βέβαια στο ίδιο συγκεκριµένο εργαστηριακό πλαίσιο (ΠΚΦ + ΠΡΦ + ΘΕΦ), προκειµένου να καταλήξουµε στα συµπεράσµατά µας. Αυτό βέβαια έχει σαν συνέπεια να εµφανίζονται κάποιες φορές πυκνότητες εκφράσεων που ξεπερνούν το 100% (θεωρητικά µπορεί να φτάσει µέχρι και 300%), αλλά αιτιολογείται στη βάση της προηγούµενης παραδοχής. Ε) Τέλος, είναι απαραίτητο να διευκρινίσουµε ότι για λόγους πληρότητας και κατά το δυνατόν πιστότερης εφαρµογής της µεθόδου, κωδικοποιήθηκαν όλες οι παραπάνω (επτά) κατηγορίες, χωρίς αυτό να σηµαίνει ότι απαραίτητα θα χρησιµοποιηθούν στην έρευνά µας. Ενώ δηλαδή όλες οι παραπάνω κατηγορίες που αναφέραµε εµφανίζονται στο σύνολο της διδακτικής µας σειράς, χρησιµοποιούµε µόνο ένα υποσύνολό τους για την παρούσα ανάλυση. Για την ακρίβεια, στην παρούσα εργασία, όσο αφορά στην εφαρµογή της µεθόδου CBAV, αναφερόµαστε µόνο στις δραστηριότητες των µαθητών κατά τη διάρκεια χρήσης του εικονικού εργαστηρίου, εφόσον το ερευνητικό ερώτηµα που θέσαµε εδώ, εντοπίζεται στις δραστηριότητες διερεύνησης µε τη χρήση του εικονικού εργαστηρίου και την επίδρασή τους στις εκφράσεις των µαθητών. Εποµένως από πλευράς εργαστηριακού πλαισίου και πηγών, την παρούσα ανάλυση, αφορούν µόνο οι παρακάτω κατηγορίες: Χρήση προσοµοίωσης για τη σύνθεση πειραµατικών διατάξεων (ΠΡΟ) Χρήση προσοµοίωσης για λήψη µετρήσεων (ΠΡΟ) 214

227 Ι. Λεύκος, 2011 Χρήση φύλλων εργασίας για καταγραφή αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης (ΠΡΟ) Αλληλεπίδραση µε τον διδάσκοντα ( Ι ) Άλλο πλαίσιο, όταν δεν αναφέρεται σε κανένα από τα παραπάνω (ΑΛΠ) ηλαδή, καθώς το ενδιαφέρον της παρούσας έρευνας εστιάζεται στην διερεύνηση µεταξύ των διαφόρων ειδών δραστηριοτήτων µε χρήση της προσοµοίωσης, δεν έγινε λεπτοµερέστερη ταξινόµηση των κατηγοριών του εργαστηριακού πλαισίου και όλα όσα σχετίζονται µε τη χρήση των προσοµοιώσεων κωδικοποιούνται στην ίδια κατηγορία (ΠΡΟ). Ταυτοχρόνως, και ως συνέπεια της προηγούµενης διευκρίνισης, από πλευράς κατηγοριών «έκφρασης γνώσεων», ενώ στο σύνολο της διδακτικής µας σειράς κωδικοποιήθηκαν όλες οι (πέντε) κατηγορίες που αναφέρθηκαν στην προηγούµενη ενότητα, όπως θα φανεί και από την ανάλυση που ακολουθεί παρακάτω, στην έρευνά µας εµφανίζονται µόνο όσες αφορούν στη χρήση του εικονικού εργαστηρίου, δηλαδή οι: Αντικείµενα της προσοµοίωσης (ΑΠΡ) Αντικείµενα της προσοµοίωσης & Φυσική (ΠΡΦ) Θεωρία Φυσικής (ΘΕΦ) Έτσι, όταν αναφερόµαστε στη συνέχεια σε «συνολική πυκνότητα εκφράσεων φυσικής», σύµφωνα και µε την παραπάνω παραδοχή ( ), ουσιαστικά αναφερόµαστε στο άθροισµα δυο συνιστωσών εκφράσεων (ΠΡΦ + ΘΕΦ), δηλαδή των κατηγοριών ΠΡΦ (Αντικείµενα της προσοµοίωσης & Φυσική) και ΘΕΦ (Θεωρία Φυσικής) Αναλυτική περιγραφή των κατηγοριών για το Εργαστηριακό Πλαίσιο Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζεται µια αναλυτικότερη περιγραφή για τον τρόπο που έγινε η κωδικοποίηση των κατηγορών σε ότι αφορά το εργαστηριακό πλαίσιο στο οποίοι εργάζονται οι µαθητές. Η βασική παράµετρος που διαφοροποιεί τις κατηγορίες είναι τα µέσα και τα υλικά που χρησιµοποιούν οι µαθητές, σε συνδυασµό µε τη συγκεκριµένη κάθε φορά χρήση τους. Όπως έχουµε αναφέρει, στη δική µας εργασία, οι µαθητές εργάζονται είτε µε φύλλα εργασίας είτε µε την προσοµοίωση, ενώ µια ξεχωριστή περίπτωση αποτελεί και η αλληλεπίδραση µε τον διδάσκοντα. Κατηγορία Κωδικός Περιγραφή Παράδειγµα Σύνθεση ΠΡ- ΙΑ Χρήση προσοµοίωσης Οι µαθητές κάνουν τους διάταξης (ΠΡΟ) για σύνθεση διάταξης απαιτούµενους χειρισµούς για να αποκτήσουν τα υλικά τις Μέτρηση Αποτελέσµατα ΠΡ- ΜΕΤ (ΠΡΟ) ΠΡ- ΑΠΟ (ΠΡΟ) Χρήση προσοµοίωσης για λήψη µετρήσεων Χρήση Φ.Ε για καταγραφή αποτελεσµάτων της κατάλληλες αρχικές θερµοκρασίες Οι µαθητές παρακολουθούν στην οθόνη την εξέλιξη του πειράµατος Οι µαθητές καταγράφουν σε ένα πίνακα τις µετρήσεις από την οθόνη ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 215

228 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ προσοµοίωσης ιδάσκοντας Ι Αλληλεπίδραση µε τον διδάσκοντα Άλλο πλαίσιο ΑΛΠ ράσεις που δεν σχετίζονται µε το εργαστήριο Ο καθηγητής βοηθά τους µαθητές να ανοίξουν το κατάλληλο αρχείο στον Η/Υ Οι µαθητές συζητούν για το µάθηµα της επόµενης ώρας 7.7. Αναλυτική περιγραφή των κατηγοριών για τις εκφράσεις των µαθητών Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζεται µια αναλυτικότερη περιγραφή για τον τρόπο που έγινε η κωδικοποίηση των κατηγορών σε ότι αφορά τις εκφράσεις που χρησιµοποιούν οι µαθητές κατά τη διάρκεια των δραστηριοτήτων. Όπως αναφέρθηκε και προηγουµένως, στην παρούσα ανάλυση οι εκφράσεις που µας ενδιαφέρουν σχετίζονται είτε µε τα αντικείµενα της προσοµοίωσης, είτε µε εκφράσεις φυσικής. Κατηγορία Κωδικός Περιγραφή Παράδειγµα Αντικείµενα ΑΠΡ προσοµοίωσης Αντικείµενα προσοµοίωσης και φυσική Θεωρία Φυσικής ΠΡΦ ΘΕΦ Εκφράσεις που αφορούν τον χειρισµό του εικονικού περιβάλλοντος ή των αντικειµένων στην οθόνη Εκφράσεις που αφορούν τις φυσικές ιδιότητες των αντικειµένων του εικονικού περιβάλλοντος Εκφράσεις που αφορούν σε έννοιες φυσικής και σχετικές απόψεις των µαθητών Οι µαθητές συζητούν για την χρονική επιτάχυνση που θα χρησιµοποιήσουν ή για το πώς να αδειάσουν ένα δοχείο Οι µαθητές συζητούν για την ποσότητα νερού µε την οποία θα γεµίσουν ένα δοχείο Οι µαθητές συζητούν για την τελική θερµοκρασία στην οποία θα καταλήξει µια αλληλεπίδραση 7.8. Παραδείγµατα εφαρµογής της κωδικοποίησης Προκειµένου να γίνει κατανοητό µε ένα παράδειγµα ότι στη συνολική διδακτική σειρά εµφανίζονται όλες οι κατηγορίες εκφράσεων, ενώ ένα υποσύνολό τους µόνο κατά τη διάρκεια χρήσης του εικονικού εργαστηρίου, επιλέχθηκαν παρακάτω δυο αποσπάσµατα από διαφορετικά εργαστηριακά πλαίσια. Ένα από µια φάση της διδασκαλίας όπου οι µαθητές συµπληρώνουν στο χαρτί τους µια πρόβλεψη χρησιµοποιώντας ένα Φύλλο Εργασίας, και ένα άλλο από µια δραστηριότητα όπου χρησιµοποιούν το «Εικονικό Εργαστήριο Θερµότητας» του ΣΕΠ. Α. Παρακάτω παρατίθεται ένα µικρό απόσπασµα από τη συνοµιλία ενός ζευγαριού µαθητών οι οποίοι συµπληρώνουν µία πρόβλεψη στο φύλλο εργασίας. Εποµένως όσο αφορά στο εργαστηριακό πλαίσιο καταγράφονται στην κατηγορία (ΠΡΒ). Στον πίνακα που ακολουθεί, αριστερά φαίνονται οι συνοµιλίες και δεξιά οι καταγραφές που γίνονται σε αντίστοιχες κατηγορίες εκφράσεων. 216

229 Ι. Λεύκος, 2011 Συζήτηση για καταγραφή προβλέψεων (ΠΡΒ) - Οι τελικές θερµοκρασίες είναι διαφορετικές ε είναι ίσες.τι λέω - (διαβάζει) Ποια θα είναι η τελική θερµοκρασία του δοχείου? - Όχι!! (διαφωνεί).. (θερµοκρασία του δοχείου) θα είναι πολύ κοντά στη θερµοκρασία περιβάλλοντος Κατηγορία Εκφράσεων (ΘΕΦ) (ΠΚΦ) - Σχεδόν στη θερµοκρασία του περιβάλλοντος (ΠΚΦ) - Ε, ναι! - (µαλώνουν για λίγο, για το ποιος θα συµπληρώσει το επόµενο φύλλο - εργασίας) - Όχι θερµότητα (διορθώνει).α, ναι θερµότητα! Από το δοχείο (ΘΕΦ) στο περιβάλλον! - Γιατί το περιβάλλον είναι πολύ πιο πάρα πολύ (πολύ µεγαλύτερο (ΠΚΦ) εννοεί) Β. Το δεύτερο απόσπασµα αφορά µια δραστηριότητα στο εικονικό εργαστήριο, την ώρα που οι µαθητές συνθέτουν την πειραµατική διάταξη, δηλαδή αναφορικά µε το πλαίσιο κωδικοποιείται στην κατηγορία (ΠΡ- ΙΑ). Συζήτηση κατά τη διάρκεια σύνθεσης της πειραµατικής διάταξης (ΠΡ- ΙΑ) Κατηγορία Εκφράσεων - Πόσα λίτρα να βάλω? (ΠΡΦ) - (διαφωνεί) τι πόσα λίτρα αφού χωράει µέχρι 250 ml. (ΠΡΦ) - Ε, άρα είναι 0,25 lit. (ΘΕΦ) (αστειευόµενοι, κάνουν κάποιους χειρισµούς που δεν έχουν σχέση µε - το πείραµα) - (επανέρχεται στα δεδοµένα του Φ.Ε.) 100 γρ. νερό στους 85 βαθµούς.εδώ στο φουρνάκι (ΠΡΦ) (ΑΠΡ) - Πραγµατικά µαύρισε το δοχείο κοίτα.βάλτο µέσα στο φούρνο. (ΑΠΡ) Υπενθυµίζουµε και πάλι ότι στην έρευνα αυτή µελετούµε µόνο τις κατηγορίες εκφράσεων ΠΡΦ, ΑΠΡ και ΘΕΦ και µόνο την κατηγορία ΠΡΟ, αναφορικά µε το εργαστηριακό πλαίσιο, καθώς περιοριστήκαµε στη διερεύνηση των πειραµατικών δραστηριοτήτων των µαθητών µε το εικονικό εργαστήριο (όπως εµφανίζεται και στο δεύτερο απόσπασµα, παραπάνω) Προκειµένου λοιπόν να διερευνήσουµε εάν οι µαθητές µας δηµιουργούν διασυνδέσεις µεταξύ θεωρίας και πρακτικής κατά τη διάρκεια των πειραµατικών δραστηριοτήτων, αναλύσαµε µε την µεθοδολογία του CBAV, τους διαλόγους 2 ζευγαριών µαθητών, τους οποίους ηχογραφήσαµε και µαγνητοσκοπήσαµε. Η καταγραφή και ανάλυση των διαλόγων αφορά πέντε (5) διαφορετικές πειραµατικές δραστηριότητες, οι οποίες διεξάγονται στο ίδιο εργαστηριακό πλαίσιο (δηλ. µε χρήση του εικονικού εργαστηρίου), διαφέρουν όµως ως προς τον διερευνητικό τους χαρακτήρα. Κάποιες δηλαδή από τις δραστηριότητες αυτές είναι «κλειστού» τύπου και κάποιες είναι «ανοιχτού» τύπου, όπως θα εξηγήσουµε σε επόµενο κεφάλαιο. Απώτερος σκοπός της διερεύνησής µας λοιπόν, είναι να διαπιστώσουµε κατά πόσο οι µαθητές µας δηµιουργούν διασυνδέσεις µεταξύ θεωρίας και πρακτικής κατά ΚΕΦ. ΙV ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 217

230 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ τη διάρκεια χρήσης του εικονικού εργαστηρίου και κατά πόσο αυτές οι διασυνδέσεις επηρεάζονται από τον τύπο της εργαστηριακής δραστηριότητας. 8. Συµπεράσµατα Στο κεφάλαιο αυτό, περιγράψαµε τον τρόπο µε τον οποίο εξελίχθηκε η διδακτική µας σειρά µέσα από µια διαδικασία πιλοτικών εφαρµογών, οι οποίες βοήθησαν στο να σχεδιάσουµε την τελική µας εφαρµογή και να καθορίσουµε τόσο το περιεχόµενο όσο και τη διδακτική µας προσέγγιση. Ταυτόχρονα µέσα από τη διαδικασία αυτή, προσδιορίστηκαν τα ερευνητικά µας ερωτήµατα και η µεθοδολογία µε την οποία αυτά θα διερευνηθούν. Καταλήξαµε εποµένως σε τρείς άξονες διερεύνησης, µε αντίστοιχα τρία ερευνητικά ερωτήµατα, οι οποίοι οµαδοποιούνται ακολουθώντας το µοντέλο µελέτης των εργαστηριακών διδασκαλιών, στις κατηγορίες «Αποτελεσµατικότητα-1» και «Αποτελεσµατικότητα-2». Συγκεκριµένα, οι δυο πρώτοι άξονες που αφορούν την γνωστική βελτίωση των µαθητών και την ανάπτυξη των ικανοτήτων τους για πειραµατισµό, αντιστοιχούν στην Αποτελεσµατικότητα-2, καθώς αναφέρονται σε διερεύνηση µετά από την ολοκλήρωση της διδασκαλίας. Προκειµένου να ελέγξουµε την γνωστική βελτίωση των µαθητών, επιλέξαµε τη χρήση 9 διαφορετικών οµάδων έργων, πάνω στα οποία βασίσαµε την κατασκευή των ερωτηµατολογίων µας. Κάποια από τα έργα αυτά ήταν αποτέλεσµα βιβλιογραφικής µελέτης και χρησιµοποιήθηκαν και σε άλλες έρευνες, ενώ κάποια άλλα ήταν πρωτότυπα και κατασκευάστηκαν µε βάση την διδακτική προσέγγιση που ακολουθήσαµε. Προκειµένου να ελέγξουµε την ικανότητα πειραµατισµού των µαθητών µας, και συγκεκριµένα την ικανότητά τους να σχεδιάζουν πειράµατα, κατασκευάσαµε ένα πλαίσιο αξιολόγησης, υιοθετώντας κάποια στοιχεία από προτάσεις άλλων ερευνητών και ταυτόχρονα καθορίζοντας οκτώ διαστάσεις για την αξιολόγηση του σχεδιασµού των µαθητών µας. Ο τρίτος άξονας που αφορά την ανάπτυξη διασυνδέσεων µεταξύ θεωρίας και πρακτικής, αντιστοιχεί στην Αποτελεσµατικότητα-1, καθώς αναφέρεται σε διερεύνηση κατά τη διάρκεια των πειραµατικών δραστηριοτήτων. Προκειµένου να ελέγξουµε την ανάπτυξη τέτοιων διασυνδέσεων, χρησιµοποιήσαµε την µεθοδολογική προσέγγιση του εργαλείου CBAV, επικεντρώνοντας την ανάλυσή µας σε πέντε διαφορετικές πειραµατικές δραστηριότητες, όπως αυτές εκτελούνται από δυο ζεύγη µαθητών, καθώς χρησιµοποιούν το εικονικό εργαστήριο θερµότητας του ΣΕΠ. Στο επόµενο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα αποτελέσµατά µας από τη διερεύνηση των τριών παραπάνω αξόνων και των αντίστοιχων ερευνητικών ερωτηµάτων. 218

231 Ι. Λεύκος 2011 ΚΕΦΑΛΑΙΟ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα της έρευνάς µας. Η παρουσίαση των αποτελεσµάτων γίνεται σε τρείς άξονες, οι οποίοι και αντιστοιχούν στους τρεις άξονες της έρευνας, όπως τους περιγράψαµε στο προηγούµενο κεφάλαιο. Έτσι, ακλουθώντας την κατηγοριοποίηση της αποτελεσµατικότητας, παρουσιάζουµε τα αποτελέσµατα ως εξής: Άξονας 1 ος : γνωστική βελτίωση στις βασικές έννοιες των θερµικών φαινοµένων (Αποτελεσµατικότητα-2α). Άξονας 2 ος : Ανάπτυξη ικανότητας σχεδιασµού πειραµάτων (Αποτελεσµατικότητα-2β). Άξονας 3 ος : σύνδεση µεταξύ θεωρίας και πρακτικής κατά τη διάρκεια του εργαστηρίου (Αποτελεσµατικότητα-1). 1. Άξονας 1ος: Γνωστική βελτίωση των µαθητών σε βασικές έννοιες των θερµικών φαινοµένων (Αποτελεσµατικότητα-2α) 1.1. Η µεθοδολογία αξιολόγησης των απαντήσεων των µαθητών Για την αξιολόγηση των µαθητών, αναπτύξαµε ένα πλαίσιο ανάλυσης βασισµένο σε µια κλίµακα τριών βαθµίδων, όπου οι απαντήσεις των µαθητών κατηγοριοποιήθηκαν ανάλογα µε το περιεχόµενο τους στις παρακάτω κατηγορίες. Η «ΚΑΤΗΓΟΡΊΑ-3» είναι εκείνη η κατηγορία απαντήσεων που ταυτίζεται µε το επιστηµονικό πρότυπο (ή το προσεγγίζει). Η «ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ-1», είναι η οµάδα απαντήσεων που χαρακτηρίζονται από τη βιβλιογραφία (όπου υπάρχει) σαν εναλλακτικές ή αυτές που απέχουν πιο πολύ από το επιστηµονικό µοντέλο. Οι υπόλοιπες απαντήσεις, που βρίσκονται σε µια ενδιάµεση κατάσταση, χαρακτηρίζονται ως «ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ-2». Στη συνέχεια, για λόγους συντοµίας οι παραπάνω κατηγορίες θα σηµειώνονται αντίστοιχα ως Κ-1, Κ-2 & Κ-3. Παράδειγµα ακολουθεί παρακάτω (Πίνακας 12), όπως και στους πίνακες µε τις αναλυτικές απαντήσεις ανά οµάδα έργων, όπου περιγράφεται ακριβώς η ταξινόµηση στα µοντέλα. Η τελική ταξινόµηση των απαντήσεων των µαθητών, προέκυψε κατόπιν µελέτης των απαντήσεων από δυο κριτές, ερευνητές µε ειδίκευση στη ιδακτική των Φ.Ε. Αυτοί κατέληξαν σε συµφωνία (>85%), κατ αρχήν σχετικά µε τις κατηγορίες σε κάθε οµάδα έργων και στη συνέχεια, σχετικά µε τις απαντήσεις που θα ενταχθούν σε αυτές. Πίνακας 12: Παράδειγµα ταξινόµησης απαντήσεων σε µοντέλα, για µια συγκεκριµένη κατηγορία έργων Κατηγορίες Πρόβλεψη για την τελική θερµοκρασία µετά από απαντήσεων αλληλεπίδραση δυο ίσων ποσοτήτων νερού διαφορετικών αρχικών θερµοκρασιών Κατηγορία 3 Τελική θερµοκρασία στο Μ.Ο. των αρχικών Κατηγορία 2 Τελική θερµοκρασία διαφορετική του Μ.Ο. Κατηγορία 1 Τελική θερµοκρασία ίδια µε την αρχική του ζεστού νερού ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 219

232 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Στον παρακάτω πίνακα (Πίνακας 15) παρουσιάζουµε το πλέγµα ταξινόµησης όλων των κατηγοριών για όλες τις οµάδες έργων Συνολική αποτίµηση των γνωστικών αποτελεσµάτων Στα διαγράµµατα ( ιάγραµµα 2 & ιάγραµµα 3), παρουσιάζονται γραφικά τα αποτελέσµατα από το αρχικό και τελικό ερωτηµατολόγιο αντίστοιχα. Με το κίτρινο χρώµα σηµειώνονται οι απαντήσεις που κατηγοριοποιούνται στην Κ-1, µε κόκκινο οι απαντήσεις στην Κ-2 και µε µπλε οι απαντήσεις στην Κ-3. Παρατηρούµε ότι στο αρχικό ερωτηµατολόγιο υπάρχουν απαντήσεις που ανήκουν και στις τρεις κατηγορίες για όλες τις οµάδες ερωτηµάτων. Αντίθετα, στο τελικό ερωτηµατολόγιο, οι απαντήσεις των µαθητών σε ποσοστό µεγαλύτερο του 85%, κατατάσσονται στην Κ-3 σε όλες τις οµάδες έργων, ενώ σε κάποιες φτάνουν το 100%. Επιπλέον στατιστική ανάλυση των αποτελεσµάτων έγινε µε το τεστ Wilcoxon (signed-rank test), το οποίο είναι κατάλληλο για το είδος και το µέγεθος του δείγµατος. Για την ανάλυση αυτή, αφού αξιολογήθηκε η επίδοση κάθε µαθητή σε κάθε οµάδα έργων στην τριβάθµια κλίµακα, κάθε απάντηση ανάλογα µε την κατηγορία στην οποία κατηγοριοποιήθηκε, βαθµολογήθηκε από 1-3 αντίστοιχα (Κ-1 = 1, Κ-2 = 2, Κ-3 = 3). Στη συνέχεια, το άθροισµα κάθε µαθητή από τη βαθµολογία σε όλες τις οµάδες των έργων, τόσο στο αρχικό όσο και στο τελικό ερωτηµατολόγιο, αποτέλεσε αντίστοιχα το αρχικό και το τελικό σκορ του. Με τον τρόπο αυτό, εφαρµόστηκε το τεστ Wilcoxon για τον έλεγχο της µηδενικής υπόθεσης, ότι δηλαδή τα τελικά σκορ των µαθητών, είναι ισοδύναµα µε τα αρχικά. Η ανάλυση (z= -3,28, P(1) = < 0.001), υποστηρίζει την άποψή ότι υπήρξε σηµαντική διαφοροποίηση των επιδόσεων των µαθητών µας µεταξύ του αρχικού και του τελικού ερωτηµατολογίου, µε ποσοστό στατιστικής σηµαντικότητας µικρότερο του 0.1%, απορρίπτοντας κατά συνέπεια την µηδενική υπόθεση. 220

233 Ι. Λεύκος 2011 ιάγραµµα 2: Συγκεντρωτικά αποτελέσµατα από το αρχικό ερωτηµατολόγιο. Πλήθος απαντήσεων σε κάθε κατηγορία ανά οµάδα έργων Πίνακας 13: Η ταξινόµηση των απαντήσεων σε κατηγορίες, για όλες τις οµάδες έργων στο αρχικό ερωτηµατολόγιο. Αρχικό ερωτηµατολόγιο Κ-1 Κ-2 Κ-3 2 σώµατα ίσων µαζών σώµατα διαφορετικών µαζών σώµατα διαφορετικών υλικών ιάφορα σώµατα µε το περιβάλλον Ένα σώµα µε το περιβάλλον Ένα σώµα µε το περιβάλλον εξάρτηση ακτινοβολίας από το χρώµα (εκποµπή) Ένα σώµα µε το περιβάλλον εξάρτηση ακτινοβολίας από το χρώµα (απορρόφηση) Ένα σώµα µε το περιβάλλον εξάρτηση ακτινοβολίας από την επιφάνεια (εκποµπή) Ένα σώµα µε το περιβάλλον - Αλλαγές Φάσης ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 221

234 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ιάγραµµα 3: Συγκεντρωτικά αποτελέσµατα από το τελικό ερωτηµατολόγιο. Πλήθος απαντήσεων σε κάθε κατηγορία ανά οµάδα έργων Πίνακας 14: Η ταξινόµηση των απαντήσεων σε κατηγορίες, για όλες τις οµάδες έργων στο τελικό ερωτηµατολόγιο. Τελικό ερωτηµατολόγιο Κ-1 Κ-2 Κ-3 2 σώµατα ίσων µαζών σώµατα διαφορετικών µαζών σώµατα διαφορετικών υλικών ιάφορα σώµατα µε το περιβάλλον Ένα σώµα µε το περιβάλλον Ένα σώµα µε το περιβάλλον εξάρτηση ακτινοβολίας από το χρώµα (εκποµπή) Ένα σώµα µε το περιβάλλον εξάρτηση ακτινοβολίας από το χρώµα (απορρόφηση) Ένα σώµα µε το περιβάλλον εξάρτηση ακτινοβολίας από την επιφάνεια (εκποµπή) Ένα σώµα µε το περιβάλλον - Αλλαγές Φάσης

235 Ι. Λεύκος 2011 Πίνακας 15: Η ταξινόµηση των απαντήσεων σε κατηγορίες, για όλες τις οµάδες έργων Κ-3 2 σώµατα ίσων µαζών Τελική θερµοκρασία στο Μ.Ο. των αρχικών 2 σώµατα διαφορετικών µαζών Ίδια τελική θερµοκρασία προς το µέρος της µεγαλύτερης µάζας 2 σώµατα διαφορετικών υλικών Το νερό πιο δύσκολα αλλάζει θερµοκρασία ιάφορα σώµατα µε το περιβάλλον Στη θερµοκρασία περιβάλλοντος Οµάδες Έργων Ένα σώµα µε το περιβάλλον Στη θερµοκρασία περιβάλλοντος Ένα σώµα µε το περιβάλλον εξάρτηση ακτινοβολίας από το χρώµα (εκποµπή) Τα σκουρόχρωµα εκπέµπουν ευκολότερα Ένα σώµα µε το περιβάλλον εξάρτηση ακτινοβολίας από το χρώµα (απορρόφηση) Τα σκουρόχρωµα απορροφούν ευκολότερα Ένα σώµα µε το περιβάλλον εξάρτηση ακτινοβολίας από την επιφάνεια (εκποµπή) Τα σώµατα µεγαλύτερης επιφάνειας εκπέµπουν ευκολότερα Ένα σώµα µε το περιβάλλον - αλλαγές Φυσικής Κατάστασης Η θερµοκρασία παραµένει σταθερή κατά τη διάρκεια των αλλαγών φάσης Κ-2 Τελική θερµοκρασία διαφορετική του Μ.Ο. Ίδια τελική θερµοκρασία στο Μ.Ο. των αρχικών ή πιο κοντά στο ζεστό σώµα Το νερό πιο εύκολα αλλάζει θερµοκρασία Οµάδες διαφόρων θερµοκρασιών Στο µέσο όρο των θερµοκρασιών Το χρώµα δεν έχει σηµασία ή αµφίσηµες απαντήσεις Το χρώµα δεν έχει σηµασία Το µέγεθος δεν έχει σηµασία Η θερµοκρασία παραµένει σταθερή κατά τη διάρκεια κάποιων αλλαγών φάσης Κ-1 Τελική θερµοκρασία ίδια µε την αρχική του ζεστού νερού ιαφορετική τελική θερµοκρασία στα δυο σώµατα Το υλικό δεν έχει σηµασία/δε ξέρω Τα µεταλλικά πιο ψυχρά από τα υπόλοιπα ιαφορετική θερµοκρασία από τις παραπάνω Τα ανοιχτόχρωµα εκπέµπουν ευκολότερα Τα ανοιχτόχρωµα απορροφούν ευκολότερα Τα σώµατα µικρότερης επιφάνειας εκπέµπουν ευκολότερα Η θερµοκρασία αλλάζει συνεχώς (δεν υπολογίζονται αλλαγές φάσης) ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 223

236 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ 1.3. Αναλυτική παρουσίαση των αποτελεσµάτων Παρακάτω θα παρουσιαστούν τα αποτελέσµατα αναλυτικά για κάθε µια από τις οµάδες των έργων, µε συγκριτική αποτίµηση των αποτελεσµάτων µεταξύ αρχικού και τελικού ερωτηµατολογίου Οµάδα 1η: Αλληλεπίδραση µεταξύ 2 σωµάτων ίσων µαζών (νερό, m1= m2) Στην καταγραφή των αρχικών απόψεων των µαθητών µας, πράγµατι επιβεβαιώθηκαν τα αποτελέσµατα της βιβλιογραφίας, γιατί οι µαθητές µας απάντησαν µε µεγάλη επιτυχία. Σε έργα όπως της εικόνας (Εικόνα 73), όπου απαιτείται η πρόβλεψη της τελικής θερµοκρασίας από την ανάµειξη ίσων ποσοτήτων νερού ποιοτικά (µε γραφικό τρόπο, σηµειώνοντας πάνω στο θερµόµετρο) οι µαθητές απάντησαν µε επιτυχία σε ποσοστό περίπου 70% (9 από 14). Στο παρακάτω διάγραµµα ( ιάγραµµα 4) παρουσιάζονται οµαδοποιηµένες οι απαντήσεις ανά κατηγορία για την οµάδα αυτή των έργων. Εικόνα 73: Έργο ανάµειξης ίσων ποσοτήτων νερού από τη διδακτική σειρά µας Παρατηρούµε στο διάγραµµα την µεγάλη επιτυχία των µαθητών, όπως αναφέραµε και πιο πάνω στα έργα αυτής της οµάδας. Έτσι η πλειονότητα των µαθητών απαντά σωστά ότι η τελική θερµοκρασία θα είναι στον Μέσο Όρο των αρχικών (Κ-3), ενώ οι υπόλοιποι την τοποθετούσαν σε διαφορετικό σηµείο (Κ-2). ιάγραµµα 4: Αρχικές απόψεις των µαθητών για τα έργα της οµάδας «Θ.Ι. ίσων µαζών» Πίνακας 16: Κατανοµή των αρχικών απαντήσεων των µαθητών στις 3 κατηγορίες που αντιστοιχούν σ αυτή την οµάδα έργων Κατηγορία 3: τελική θερµοκρασία στο Μ.Ο. των αρχικών 9 Κατηγορία 2: τελική θερµοκρασία διαφορετική του Μ.Ο. 4 Κατηγορία 1: τελική θερµοκρασία ίδια µε την αρχική του ζεστού νερού 1 224

237 Ι. Λεύκος 2011 Στο τελικό ερωτηµατολόγιο, η επιτυχία των µαθητών µας αυξάνει ακόµη περισσότερο. Στο παρακάτω διάγραµµα ( ιάγραµµα 5) παρουσιάζονται οµαδοποιηµένες οι απαντήσεις ανά κατηγορία για την οµάδα αυτή των έργων. ιάγραµµα 5: Τελικές απόψεις των µαθητών για τα έργα της οµάδας «Θ.Ι. ίσων µαζών» Παρατηρούµε στο διάγραµµα των τελικών απόψεων, την µεγάλη επιτυχία των µαθητών, όπως αναφέραµε και πιο πάνω στα έργα αυτής της οµάδας. Έτσι, στο τελικό ερωτηµατολόγιο, το σύνολο σχεδόν των µαθητών απαντά σωστά ότι η τελική θερµοκρασία θα είναι στον Μέσο Όρο των αρχικών (Κ-3) και ένας µόνο την τοποθέτησε σε διαφορετικό σηµείο (Κ-2). Πίνακας 17: Κατανοµή των τελικών απαντήσεων των µαθητών στις 3 κατηγορίες που αντιστοιχούν σ αυτή την οµάδα έργων Κατηγορία 3: τελική θερµοκρασία στο Μ.Ο. των αρχικών 13 Κατηγορία 2: τελική θερµοκρασία διαφορετική του Μ.Ο. 1 Κατηγορία 1: τελική θερµοκρασία ίδια µε την αρχική του ζεστού νερού 0 Συνοπτικά, µπορούµε να σχολιάσουµε ότι: Τα έργα ίσων µαζών, αναµένονταν να είναι από τις ευκολότερες οµάδες. Πράγµατι, οι µαθητές µας σε ποσοστό µεγαλύτερο του 60%, κατατάσσονται στην Κ- 3 ήδη από το αρχικό ερωτηµατολόγιο (9/14). Ενδιαφέρον είναι να σηµειώσουµε ότι στους υπόλοιπους µαθητές εµφανίζεται η εναλλακτική άποψη σύµφωνα µε την οποία το ζεστό νερό, ακόµη και αν αναµειχθεί µε κρύο, δεν πρόκειται να αλλάξει τη θερµοκρασία του. Στο τελικό ερωτηµατολόγιο παρατηρείται βέβαια αρκετή βελτίωση, αφού οι απαντήσεις στην κατηγορία Κ-3 ξεπερνούν το 90% (δηλαδή 13/14). Όπως είναι φανερό από την παραπάνω ανάλυση, οι µαθητές µας εµφάνισαν κάποια µικρή βελτίωση, καθώς ήδη οι αρχικές απόψεις των περισσοτέρων ήταν πολύ κοντά στις επιστηµονικές, σε σχέση µε τα έργα της οµάδας αυτής. Τα έργα αυτά σίγουρα ήταν από τα ευκολότερα αντιµετωπίσιµα από τους µαθητές µας, παρόλα αυτά, υπήρχαν κάποιοι οι οποίοι δεν µπορούσαν να τοποθετήσουν τη θερµοκρασία ισορροπίας στον Μ.Ο. των αρχικών, κατά πάσα πιθανότητα διότι θεωρούσαν ότι το πιο ζεστό σώµα έχει µια περίεργη δύναµη να συνεχίζει να παραµένει ζεστό ή έστω να αλλάζει λιγότερο τη θερµοκρασία του σε σχέση µε το πιο κρύο σώµα. Στο τελικό ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 225

238 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ερωτηµατολόγιο βέβαια, µετά από τη διδασκαλία, οι µαθητές µας κατά µεγάλη πλειοψηφία έχουν την επιστηµονικά αποδεκτή άποψη, εκτός από έναν που συνεχίζει να διατηρεί την εναλλακτική και δεν µπορεί να αναγνωρίσει ότι όταν όλοι οι άλλοι παράγοντες (µάζα, υλικό) είναι όµοιοι, τότε η θερµοκρασία των σωµάτων µετά από την αλληλεπίδραση θα ισορροπήσει στον Μ.Ο. των αρχικών θερµοκρασιών Οµάδα 2η: Αλληλεπίδραση µεταξύ 2 σωµάτων διαφορετικών µαζών (νερό, m1 m2) Είναι επίσης ενδιαφέρον να τονίσουµε ότι οι µαθητές µας εµφανίζουν διαφορετική άποψη όταν πρόκειται για έργα στα οποία είναι µεγαλύτερη η ποσότητα του κρύου νερού, από τα έργα όπου είναι µεγαλύτερη η ποσότητα του ζεστού νερού. Συγκεκριµένα, ευκολότερα κατέληγαν οι µαθητές σε ορθή πρόβλεψη όταν το ζεστό νερό ήταν περισσότερο από το κρύο, παρά στην αντίθετη περίπτωση. Η ενδιαφέρουσα αυτή παρατήρηση, δεν φαίνεται να είναι καταγεγραµµένη στη βιβλιογραφία µεταξύ των εναλλακτικών απόψεων των µαθητών, παρά το γεγονός ότι παρόµοια έργα έχουν χρησιµοποιηθεί και σε άλλες έρευνες (βλέπε παρουσίαση έργων). Μπορεί όµως να συσχετιστεί µε το προφίλ των µαθητών του Μοντέλου Ι κατά τους Σκουµιό & Χατζηνικήτα (2000), όπως αυτό καθορίζεται στην έρευνα/ επισκόπηση τους, της διεθνούς βιβλιογραφίας. Μεταξύ των άλλων απόψεων, οι µαθητές που ανήκουν στο προφίλ αυτό θεωρούν αφενός ότι η συνολική «θερµότητα» σε ένα σύστηµα µπορεί να µεταβάλλεται και αφετέρου εξηγούν τις διαδικασίες µε όρους δράσης και όχι αλληλεπίδρασης. Μπορούµε εµείς να ορίσουµε εποµένως την εναλλακτική αυτή άποψη στα πλαίσια της εργασίας µας ως: «Ισχυρό ζεστό». Θεωρούµε δε πως πρόκειται για µια άποψη που δεν εµφανίζεται τυχαία ή αποσπασµατικά, διότι υποστηρίζεται από τους µαθητές µας και στις συνεντεύξεις, ενώ επιπλέον παρατηρήθηκε και σε άλλο δείγµα µαθητών, κατά τη διάρκεια των πιλοτικών ερευνών. Με την οπτική των παραπάνω διαπιστώσεων, κατασκευάσαµε έργα για τα ερωτηµατολόγια των µαθητών µας που εστιάζονταν κυρίως σε καταστάσεις αυξηµένης Εικόνα 74: Έργο αλληλεπίδρασης διαφορετικών ποσοτήτων νερού από τη διδακτική σειρά µας δυσκολίας, δηλαδή όπου το κρύο νερό ήταν περισσότερο από το ζεστό (Εικόνα 74). Από την άλλη µεριά, κατά τη διάρκεια των διδασκαλιών, προσπαθήσαµε να αναδείξουµε τον ρόλο που παίζει η µάζα στις θερµικές αλληλεπιδράσεις και ειδικότερα πώς επηρεάζεται η τελική θερµοκρασία ισορροπίας των σωµάτων, από τον συσχετισµό των µαζών τους. Στο παρακάτω διάγραµµα ( ιάγραµµα 6) παρουσιάζονται οµαδοποιηµένες οι απαντήσεις ανά κατηγορία για την οµάδα αυτή των έργων. 226

239 Ι. Λεύκος 2011 ιάγραµµα 6: Αρχικές απόψεις των µαθητών για τα έργα της κατηγορίας «Θ.Ι. διαφορετικών µαζών» Είναι φανερό και από το διάγραµµα, ότι οι µαθητές µας δυσκολεύτηκαν πάρα πολύ να απαντήσουν στα έργα αυτά, διότι δεν µπορούσαν να λάβουν υπόψη τους τον ρόλο που παίζει η διαφορετική µάζα των σωµάτων. Οι απαντήσεις των περισσοτέρων ήταν στον Μέσο όρο των αρχικών θερµοκρασιών (Κ-2), ενώ αρκετοί ακόµη θεωρούσαν ότι δεν είναι απαραίτητο να αποκτήσουν τα σώµατα ίδια τελική θερµοκρασία (Κ-1). Πίνακας 18: Κατανοµή των αρχικών απαντήσεων των µαθητών στις 3 κατηγορίες που αντιστοιχούν σ αυτή την οµάδα έργων Κατηγορία 3: ίδια τελική θερµοκρασία προς το µέρος της µεγαλύτερης µάζας 3 Κατηγορία 2: ίδια τελική θερµοκρασία στο Μ.Ο. των αρχικών ή πιο κοντά στο ζεστό σώµα 8 Κατηγορία 1: διαφορετική τελική θερµοκρασία στα δυο σώµατα 5 Στο τελικό ερωτηµατολόγιο, όπως φαίνεται και στο διάγραµµα ( ιάγραµµα 7) η εικόνα των µαθητών είναι αρκετά βελτιωµένη, καθώς στο σύνολό τους σχεδόν οι µαθητές απαντούν σύµφωνα µε την επιστηµονικά αποδεκτή άποψη (Κ-3), δηλαδή λαµβάνουν υπόψη την παράµετρο της µάζας στον προσδιορισµό του σηµείου θερµικής ισορροπίας µεταξύ των δυο σωµάτων. Μόνο 2 από τους µαθητές εµφανίζουν την εναλλακτική άποψη της δεύτερης κατηγορίας Κ-2, δηλαδή το «Ισχυρό ζεστό», ενώ η πρώτη Κ-1 δεν εµφανίζεται καθόλου στις τελικές απαντήσεις των µαθητών. ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 227

240 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ιάγραµµα 7: : Τελικές απόψεις των µαθητών για τα έργα της κατηγορίας «Θ.Ι. διαφορετικών µαζών» Πίνακας 19: Κατανοµή των τελικών απαντήσεων των µαθητών στις 3 κατηγορίες που αντιστοιχούν σ αυτή την οµάδα έργων Κατηγορία 3: ίδια τελική θερµοκρασία προς το µέρος της µεγαλύτερης µάζας 12 Κατηγορία 2: ίδια τελική θερµοκρασία στο Μ.Ο. των αρχικών ή πιο κοντά στο ζεστό σώµα 2 Κατηγορία 1: διαφορετική τελική θερµοκρασία στα δυο σώµατα 0 Συνοπτικά, µπορούµε να σχολιάσουµε ότι: Τα έργα ισορροπίας σωµάτων από το ίδιο υλικό αλλά διαφορετικής µάζας, αποδείχτηκαν µεγάλης δυσκολίας για τους µαθητές. Στο αρχικό ερωτηµατολόγιο, µόνο ένας µαθητής (1/14), απαντά σύµφωνα µε την κατηγορία Κ-3. Η πλειοψηφία των µαθητών, δεν µπορεί να αναγνωρίσει το ρόλο της µάζας στο σηµείο της θερµικής ισορροπίας. Εµφανίζεται και εδώ σε πολλούς µαθητές η εναλλακτική άποψη πως το ζεστό νερό διατηρεί τη θερµοκρασία του αναλλοίωτη όταν αναµειχθεί µε κάποια ποσότητα κρύου νερού, όπως είχαµε σηµειώσει και στα έργα της πρώτης οµάδας. Στο τελικό ερωτηµατολόγιο η εικόνα διαφοροποιείται εντελώς, αφού η πλειοψηφία των µαθητών (12/14) σε ποσοστό 85% απαντούν σύµφωνα µε την επιστηµονικά αποδεκτή Κ-3. Έτσι, µπορούµε να θεωρήσουµε ότι παρότι τα έργα της κατηγορίας αυτής αποδείχθηκαν από τα δυσκολότερα της διδακτικής σειράς, οι µαθητές µας εµφάνισαν σηµαντική βελτίωση µετά από την διδασκαλία. Στην αρχή λοιπόν, υπήρχε µεγάλη δυσκολία να αναγνωρίσουν το ρόλο που παίζει η µάζα ενός σώµατος στις θερµικές του αλληλεπιδράσεις. Οι περισσότεροι µάλιστα από τους µαθητές εµφάνιζαν την εναλλακτική άποψη που ονοµάσαµε «Ισχυρό ζεστό», διότι θεωρούσαν ότι το πιο ζεστό σώµα, δύσκολα αλλάζει θερµοκρασία γιατί έχει κάποιου είδους εσωτερική «δύναµη» που το συντηρεί, επιτρέποντάς του να δρά απέναντι στο κρύο σώµα (και όχι να αλληλεπιδρά), το οποίο µπορεί να συσχετιστεί µε το προφίλ των µαθητών του Μοντέλου Ι κατά τους Σκουµιό & Χατζηνικήτα (2000). Αντίθετα, στο τελικό ερωτηµατολόγιο η εικόνα των µαθητών είναι πολύ βελτιωµένη. Όλοι σχεδόν αναγνωρίζουν το ρόλο της µάζας στις θερµικές αλληλεπιδράσεις, αν και δυο από τους µαθητές φαίνεται πως συνεχίζουν να διατηρούν τις εναλλακτικές τους απόψεις. 228

241 Ι. Λεύκος Οµάδα 3η: Αλληλεπίδραση µεταξύ 2 σωµάτων από διαφορετικό υλικό (νερόγάλα, λάδι, µέταλλα, c1 c2) Η οµάδα αυτή των έργων αποδείχθηκε επίσης πολύ δύσκολη για τους µαθητές µας, διότι εκτός του ότι δεν µπορούσαν να εκτιµήσουν σωστά τη διαφορετική θερµική συµπεριφορά των υλικών, υπήρχαν και µαθητές που θεωρούσαν πως όλα τα υλικά θερµαίνονται µε τον ίδιο τρόπο. Συγκεκριµένα, οι 4 από τους 14 µαθητές είχαν αυτή την άποψη αρχικά, όπως φαίνεται και στο αντίστοιχο διάγραµµα παρακάτω ( ιάγραµµα 8). Παρατηρούµε λοιπόν στο διάγραµµα ότι κυρίαρχη άποψη των µαθητών µας ήταν πως το νερό αλλάζει θερµοκρασία ευκολότερα από τα άλλα Εικόνα 75: Έργο αλληλεπίδρασης διαφορετικών υλικών (νερό - µέταλλο), από τη διδακτική µας σειρά υλικά (Κ-2), ενώ αρκετοί όπως προαναφέραµε δεν θεωρούσαν ότι το υλικό ενός σώµατος έχει σχέση µε την θερµική συµπεριφορά του (K-1). ιάγραµµα 8: Αρχικές απόψεις των µαθητών για τα έργα της κατηγορίας «Θ.Ι. διαφορετικών υλικών» Πίνακας 20: Κατανοµή των αρχικών απαντήσεων των µαθητών στις 3 κατηγορίες που αντιστοιχούν σ αυτή την οµάδα έργων Κατηγορία 3: Το νερό πιο δύσκολα αλλάζει θερµοκρασία 2 Κατηγορία 2: Το νερό πιο εύκολα αλλάζει θερµοκρασία 8 Κατηγορία 1: Το υλικό δεν έχει σηµασία/ δεν ξέρω 4 Στο τελικό ερωτηµατολόγιο η εικόνα είναι πολύ διαφορετική. Όπως φαίνεται και παρακάτω στο διάγραµµα ( ιάγραµµα 9), όλοι οι µαθητές χωρίς εξαίρεση, απαντούν σύµφωνα µε την επιστηµονική άποψη και κατατάσσονται στην κατηγορία Κ-3, αφού δηλώνουν ότι το υλικό των σωµάτων (ειδική θερµότητα) επηρεάζει το σηµείο θερµοκρασιακής ισορροπίας και επιπλέον αναγνωρίζουν ότι το νερό είναι το υλικό το οποίο εµφανίζει την µεγαλύτερη µεταξύ των υπολοίπων υλικών, ειδική ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 229

242 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ θερµότητα, άρα πρακτικά είναι το υλικό που δυσκολότερα από τα άλλα θα αλλάζει θερµοκρασία. ιάγραµµα 9: Τελικές απόψεις των µαθητών για τα έργα της κατηγορίας «Θ.Ι. διαφορετικών υλικών» Πίνακας 21: Κατανοµή των τελικών απαντήσεων των µαθητών στις 3 κατηγορίες που αντιστοιχούν σ αυτή την οµάδα έργων Κατηγορία 3: Το νερό πιο δύσκολα αλλάζει θερµοκρασία 14 Κατηγορία 2: Το νερό πιο εύκολα αλλάζει θερµοκρασία 0 Κατηγορία 1: Το υλικό δεν έχει σηµασία/ δεν ξέρω 0 Συνοπτικά, µπορούµε να σχολιάσουµε ότι: Μεγάλη ήταν επίσης η δυσκολία των µαθητών στην αντιµετώπιση των έργων ισορροπίας µεταξύ διαφορετικών υλικών (ίσης όµως µάζας). Στο αρχικό ερωτηµατολόγιο µόνο 2 από τους µαθητές (2/14), δηλαδή ποσοστό 14%, απαντούν σύµφωνα µε την κατηγορία Κ-3. Η δυσκολία εστιάζεται στο γεγονός ότι αρχικά δεν µπορούσαν να αναγνωρίσουν την µεγάλη θερµοχωρητικότητα του νερού, θεωρώντας είτε ότι το νερό έχει µικρή θερµοχωρητικότητα, είτε γενικότερα ότι το υλικό δεν παίζει ρόλο στο σηµείο της θερµικής ισορροπίας. Αντιθέτως, στο τελικό ερωτηµατολόγιο, όλοι οι µαθητές (100%), κατατάσσονται στην Κ-3, αναγνωρίζοντας ότι το νερό έχει την µεγαλύτερη θερµοχωρητικότητα µεταξύ των υπόλοιπων υλικών. Με βάση τα αποτελέσµατα που παρουσιάσαµε πιο πάνω, µπορούµε να ισχυριστούµε ότι η γνωστική βελτίωση των µαθητών µας σε σχέση µε τα φαινόµενα της οµάδας αυτής ήταν πολύ σηµαντική. Οι µαθητές µας πριν από τη διδασκαλία, εµφάνισαν µεγάλα προβλήµατα στην κατανόηση του ρόλου που παίζει το υλικό (ειδική θερµότητα) ενός σώµατος, στις θερµικές αλληλεπιδράσεις του και συγκεκριµένα στο πώς µπορεί να επηρεαστεί το σηµείο θερµοκρασιακής ισορροπίας, ανάλογα µε το υλικό από το οποίο είναι φτιαγµένα τα σώµατα, όταν όλοι οι άλλοι παράγοντες (π.χ. µάζα) διατηρούνται σταθεροί. Από την άλλη µεριά, µετά από τη διδασκαλία, η εικόνα των µαθητών είναι τελείως διαφορετική. Όλοι µπορούν να αναγνωρίσουν τον ρόλο που έχει ο παράγοντας υλικό στις θερµικές αλληλεπιδράσεις και επιπλέον να προσδιορίζουν το νερό σαν το υλικό που έχει την µεγαλύτερη ειδική θερµότητα και κατά συνέπεια έχει την ιδιότητα να αλλάζει µε πιο αργό ρυθµό τη θερµοκρασία του σε σχέση µε τα υπόλοιπα υλικά. 230

243 Ι. Λεύκος Οµάδα 4η: Αλληλεπίδραση µεταξύ πολλών σωµάτων και του περιβάλλοντος Έργα σαν αυτά της 4 ης οµάδας, όπως αναφέραµε ήδη στην εισαγωγή, συναντούµε πολύ συχνά στη βιβλιογραφία και εποµένως υπάρχει χαρτογράφηση των απόψεων των µαθητών. Η καταγραφή που κάναµε εµείς λοιπόν, επίσης επιβεβαίωσε τα ευρήµατα των ερευνών για την ύπαρξη εναλλακτικών απόψεων. Στο αντίστοιχο ερώτηµα που θέσαµε εµείς στους µαθητές µας (Εικόνα 76), στο αρχικό ερωτηµατολόγιο µόνο 2 από τους 14, απαντούν ότι όλα τα σώµατα θα έχουν την ίδια θερµοκρασία του δωµατίου, ενώ άλλοι 5 υιοθετούν την εναλλακτική άποψη ότι τα µεταλλικά σώµατα θα είναι σε Εικόνα 76: Έργο από τα ερωτηµατολόγιά µας. ιάφορα αντικείµενα, ξύλινα, µεταλλικά, υφασµάτινα, βρίσκονται σε δωµάτιο δεδοµένης θερµοκρασίας χαµηλότερη θερµοκρασία. Οι περισσότεροι δε, εµφανίζουν µια τάση οµαδοποίησης των αντικειµένων σε διάφορες περιοχές θερµοκρασιών. Στον παρακάτω διάγραµµα ( ιάγραµµα 10), προβάλλονται οι απαντήσεις των µαθητών µας σε έργα αλληλεπίδρασης διαφόρων αντικειµένων σε ένα περιβάλλον δεδοµένης θερµοκρασίας. ιάγραµµα 10: Αρχικές απόψεις των µαθητών για τα έργα της κατηγορίας «Θ.Ι. ιάφορα σώµατα στο περιβάλλον» Είναι φανερό και από το διάγραµµα ότι η οµάδα αυτή έργων παρουσιάζει µεγάλη δυσκολία για τους µαθητές µας, αφού µόνο 2 απάντησαν σωστά (Κ-3), ενώ αρκετοί εµφανίζουν την εναλλακτική άποψη (Κ-1) ότι τα µέταλλα είναι πιο κρύα. Η µεγάλη πλειοψηφία δε (Κ-2) εµφανίζει µια ενδιάµεση άποψη, τοποθετώντας τα υλικά σε διάφορες περιοχές θερµοκρασιών. Πίνακας 22: Κατανοµή των αρχικών απαντήσεων των µαθητών στις 3 κατηγορίες που αντιστοιχούν σ αυτή την οµάδα έργων Κατηγορία 3: Στη θερµοκρασία περιβάλλοντος 2 Κατηγορία 2: Οµάδες διαφόρων θερµοκρασιών 7 Κατηγορία 1: Τα µεταλλικά πιο ψυχρά από τα υπόλοιπα 5 ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 231

244 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Πολύ διαφορετική εικόνα εµφανίζουν οι µαθητές µας στο τελικό ερωτηµατολόγιο, όπως παρουσιάζεται και στο παρακάτω διάγραµµα ( ιάγραµµα 11). Όλοι οι µαθητές χωρίς εξαίρεση, απαντούν σύµφωνα µε την επιστηµονική άποψη σχετικά µε την ταύτιση της θερµοκρασίας όλων των σωµάτων που βρίσκονται στον ίδιο χώρο, µε τη θερµοκρασία του περιβάλλοντος. Κατά συνέπεια, κατατάσσονται όλοι στην κατηγορία Κ-3. Θα ήταν ίσως ενδιαφέρον να συµπληρώσουµε την καλή αυτή εικόνα των µαθητών µας στο τελικό ερωτηµατολόγιο, καταθέτοντας τις απόψεις που εξέφρασαν κατά τη συνέντευξη. Σε πολλούς µαθητές ρωτήθηκε επιπλέον και µε την ευκαιρία των έργων αυτής της οµάδας, τι θερµοκρασία πιστεύουν ότι θα έχει µια γάτα που βρίσκεται στο ίδιο περιβάλλον µε τα υπόλοιπα άψυχα αντικείµενα. Θεωρούµε πώς είναι αξιοσηµείωτο το γεγονός ότι όλοι οι ερωτηθέντες απάντησαν σωστά πως η γάτα θα έχει την δική της θερµοκρασία, καθώς είναι ένα σώµα που έχει µια ενεργειακή αυτοτέλεια και λειτουργεί ουσιαστικά σαν πηγή θερµότητας. ιάγραµµα 11: Τελικές απόψεις των µαθητών για τα έργα της κατηγορίας «Θ.Ι. ιάφορα σώµατα στο περιβάλλον» Πίνακας 23: Κατανοµή των τελικών απαντήσεων των µαθητών στις 3 κατηγορίες που αντιστοιχούν σ αυτή την οµάδα έργων Κατηγορία 3: Στη θερµοκρασία περιβάλλοντος 14 Κατηγορία 2: Οµάδες διαφόρων θερµοκρασιών 0 Κατηγορία 1: Τα µεταλλικά πιο ψυχρά από τα υπόλοιπα 0 Συνοπτικά, µπορούµε να σχολιάσουµε ότι: Τα έργα ισορροπίας διαφόρων σωµάτων στο ίδιο περιβάλλον, ήταν αναµενόµενο να φέρουν δυσκολίες στους µαθητές, καθώς είναι γνωστές από την έρευνα οι εναλλακτικές απόψεις που συνδέονται µε το φαινόµενο αυτό και έχουν να κάνουν µε την υποκειµενική αίσθηση της θερµοκρασίας που αποκοµίζουµε ακουµπώντας κάθε διαφορετικό υλικό. Πολύ λίγοι µαθητές (2/14), σε ποσοστό 14%, δίνουν απαντήσεις αντίστοιχες της Κ-3 στο αρχικό ερωτηµατολόγιο. Η πλειοψηφία των µαθητών θεωρεί ότι τα διάφορα σώµατα ανάλογα µε το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασµένα, θα έχουν διαφορετική θερµοκρασία στο ίδιο περιβάλλον. 232

245 Ι. Λεύκος 2011 Από την άλλη µεριά, στο τελικό ερωτηµατολόγιο όλοι οι µαθητές (14/14) απαντούν σύµφωνα µε το επιστηµονικό µοντέλο και κατατάσσονται στην Κ-3, δηλαδή σε ποσοστό 100%. Μπορούµε δηλαδή να θεωρήσουµε ότι στην οµάδα αυτή των έργων, η γνωστική βελτίωση των µαθητών µας ήταν πολύ σηµαντική, καθώς οι αρχικές απόψεις των µαθητών µας απείχαν σε µεγάλο ποσοστό από τις επιστηµονικά αποδεκτές. Οι περισσότεροι από τους µαθητές, πριν από τη διδασκαλία, δεν µπορούσαν να αναγνωρίσουν την θερµοκρασιακή εξισορρόπηση όλων των αντικειµένων ενός δωµατίου, καθώς εµφανίζουν διαισθητικές αντιλήψεις που τους οδηγούν σε εναλλακτικές απόψεις, όπου η θερµοκρασία ενός αντικειµένου σχετίζεται µε το υλικό του και όχι µε το περιβάλλον του, όπως είναι γνωστό εξάλλου και από τη σχετική βιβλιογραφία (π.χ. (Clark & Jorde, 2004). Μετά όµως από τη διδασκαλία, οι απόψεις των µαθητών µας εµφανίζουν πολύ µεγάλη διαφοροποίηση και είναι σε συµφωνία µε τις επιστηµονικά αποδεκτές, ότι δηλαδή όλα τα αντικείµενα στον ίδιο χώρο βρίσκονται σε θερµική ισορροπία, ανεξάρτητα από το υλικό από το οποίο είναι φτιαγµένα Οµάδα 5η: Αλληλεπίδραση µεταξύ ενός σώµατος (νερού) και του περιβάλλοντος Παρότι θεωρούσαµε κατά το σχεδιασµό της έρευνας ότι τα έργα αυτής της κατηγορίας θα ήταν εύκολα αντιµετωπίσιµα από τους µαθητές µας, τα αποτελέσµατα µας έδειξαν διαφορετική εικόνα. Λιγότεροι από τους µαθητές µας απάντησαν σύµφωνα µε την επιστηµονική άποψη, ενώ οι περισσότεροι υιοθέτησαν όπως φαίνεται την εναλλακτική άποψη ότι η θερµική ισορροπία δεν είναι µια υποχρεωτική κατάσταση (π.χ. Μοντέλα Ι & ΙΙ των Σκουµιός & Χατζηνικήτα,(2000). Στο διάγραµµα που ακολουθεί ( ιάγραµµα 12), καταγράφεται η εικόνα των απαντήσεων των µαθητών σε έργα αλληλεπίδρασης µεταξύ ενός σώµατος και του περιβάλλον δεδοµένης θερµοκρασίας. Εικόνα 77: Έργο αλληλεπίδρασης µιας ποσότητας νερού µε το περιβάλλον, από τα ερωτηµατολόγια της διδακτικής µας σειράς Από το διάγραµµα γίνεται φανερό ότι η κυρίαρχη άποψη είναι αυτή του Μέσου Όρου των αρχικών θερµοκρασιών (Κ-2), ενώ λιγότεροι είναι αυτοί που απαντούν σύµφωνα µε την επιστηµονική άποψη (Κ-3). Πίνακας 24: Κατανοµή των αρχικών απαντήσεων των µαθητών στις 3 κατηγορίες που αντιστοιχούν σ αυτή την οµάδα έργων Κατηγορία 3: Στη θερµοκρασία περιβάλλοντος 5 Κατηγορία 2: Στο µέσο όρο των θερµοκρασιών 7 Κατηγορία 1: ιαφορετική θερµοκρασία από τις παραπάνω 2 ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 233

246 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ιάγραµµα 12: Αρχικές απόψεις των µαθητών για τα έργα της κατηγορίας «Θ.Ι. Ένα σώµα µε το περιβάλλον» Στο τελικό ερωτηµατολόγιο, η εικόνα των µαθητών µας είναι εντελώς αλλαγµένη και βελτιωµένη. Όπως γίνεται φανερό και από το διάγραµµα ( ιάγραµµα 13), όλοι σχεδόν οι µαθητές µας, κατηγοριοποιούνται στην κατηγορία Κ-3, δηλαδή οι απόψεις τους είναι επιστηµονικά αποδεκτές. Ένας µόνο µαθητής, απαντά σύµφωνα µε το Κ-2, θεωρώντας ότι το νερό θα ισορροπήσει σε κάποια ενδιάµεση θερµοκρασία µεταξύ της αρχικής του και του περιβάλλοντος. ιάγραµµα 13: Τελικές απόψεις των µαθητών για τα έργα της κατηγορίας «Θ.Ι. Ένα σώµα µε το περιβάλλον» Πίνακας 25: Κατανοµή των αρχικών απαντήσεων των µαθητών στις 3 κατηγορίες που αντιστοιχούν σ αυτή την οµάδα έργων Κατηγορία 3: Στη θερµοκρασία περιβάλλοντος 13 Κατηγορία 2: Στο µέσο όρο των θερµοκρασιών 1 Κατηγορία 1: ιαφορετική θερµοκρασία από τις παραπάνω 0 Συνοπτικά, µπορούµε να σχολιάσουµε ότι: 234

247 Ι. Λεύκος 2011 Τα έργα ισορροπίας ενός σώµατος µε το περιβάλλον, παρότι βρίσκονται κοντά στην καθηµερινή εµπειρία των µαθητών, αποδείχθηκε πως αρχικά εµφάνισαν δυσκολία. Πολλοί µαθητές δεν αναγνώριζαν ότι µετά την αποκατάσταση της θερµοκρασιακής ισορροπίας οι θερµοκρασία του σώµατος παραµένει σταθερή. Έτσι, στο αρχικό ερωτηµατολόγιο ούτε οι µισοί από τους µαθητές (5/14), δηλαδή σε ποσοστό 35%, κατατάχθηκαν στην Κ-3. Αντίθετα, στο τελικό ερωτηµατολόγιο όλοι σχεδόν οι µαθητές (13/14), δίνουν απαντήσεις που ανήκουν στην Κ-3. Μπορούµε δηλαδή να υποστηρίξουµε πως στην οµάδα αυτή των έργων αποδείχθηκε στην πράξη ότι υπήρξαν αρκετές δυσκολίες. Η αρχική εικόνα των µαθητών δεν ήταν καθόλου καλή, καθώς µόνο το 1/3 περίπου αναγνώριζε ότι όταν ένα σώµα αφήνεται ελεύθερο στο περιβάλλον, θα αποκτήσει κάποια στιγµή τη θερµοκρασία του περιβάλλοντος και από κει και πέρα η θερµοκρασία του θα µείνει σταθερή. Αυτό το γεγονός βέβαια ήταν σχετικά αναµενόµενο, καθώς η µελέτη της σχετικής βιβλιογραφίας ανέδειξε τις παρανοήσεις των µαθητών στα αντίστοιχα φαινόµενα (π.χ. Μοντέλα Ι & ΙΙ των Σκουµιός & Χατζηνικήτα,(2000). Με την λογική αυτή, θεωρούµε πολύ σηµαντική τη βελτίωση των µαθητών µας, καθώς µετά από τη διδασκαλία φαίνεται να ξεπέρασαν τα γνωστικά εµπόδια και οι απόψεις τους έγιναν ισοδύναµες µε τις επιστηµονικά. Είναι ιδιαίτερα σηµαντικό αυτό το γεγονός, αφού αυτή η οµάδα έργων αποτέλεσε µια από τις δυσκολότερες της διδακτικής σειράς Οµάδα 6η: Αλληλεπίδραση µεταξύ ενός σώµατος και του περιβάλλοντος εξάρτηση από το χρώµα του σώµατος (απορρόφηση) Η οµάδα αυτή των έργων, παρουσιάζει µεγάλο ενδιαφέρον για την έρευνά µας, διότι όπως αναφέραµε και στην εισαγωγή, η βιβλιογραφική µας επισκόπηση έδειξε ότι δεν υπάρχουν αντίστοιχες έρευνες στο πεδίο αυτό των θερµικών φαινοµένων διάδοσης µε ακτινοβολία. Επειδή δε, διαπιστώσαµε από τις πιλοτικές µας ακόµη έρευνες ότι οι µαθητές εµφανίζουν διαφορετική άποψη για τα φαινόµενα απορρόφησης από ότι για τα φαινόµενα εκποµπής, αποφασίσαµε να διαχωρίσουµε την µελέτη µας σε αυτές τις δυο περιπτώσεις. Η οµάδα αυτή έργων ήταν όπως αναφέραµε παραπάνω, αρκετά εύκολο να αντιµετωπιστεί από τους µαθητές µας. Πράγµατι, µόνο 3 από τους µαθητές απαντούν διαφορετικά από το επιστηµονικό µοντέλο, ήδη από την αρχή. Στη συνέχεια, επίσης πριν από τη διδασκαλία, σε κάποιο διαφορετικό Εικόνα 78: Έργο για την διερεύνηση της παραµέτρου του χρώµατος στην απορρόφηση θερµικής ακτινοβολίας από τη διδακτική µας σειρά ερώτηµα του ίδιου ερωτηµατολογίου, το ποσοστό επιτυχίας φτάνει στο 100%. Όλοι οι µαθητές απάντησαν ότι τα σκούρα χρώµατα απορροφούν ευκολότερα την ακτινοβολία, σε σχέση µε τα ανοιχτόχρωµα. Το αποτέλεσµα αυτό, αλλά και οι συζητήσεις που ακολούθησαν µε τους µαθητές στη διάρκεια των εργαστηρίων και ενίσχυαν την διαπίστωση αυτή, µας ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 235

248 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ οδήγησε στην απόφαση να µην ελέγξουµε παρακάτω την περίπτωση της απορρόφησης, αλλά να επικεντρωθούµε στα έργα εκποµπής όπου είχαµε διαπιστώσει πως υπήρχε πρόβληµα. ιάγραµµα 14: Αρχικές απόψεις των µαθητών για τα έργα της κατηγορίας «Θ.Ι. Ψυχρό σώµα µε το περιβάλλον Απορρόφηση ακτινοβολίας εξάρτηση από το χρώµα» Πίνακας 26: Κατανοµή των αρχικών απαντήσεων των µαθητών στις 3 κατηγορίες που αντιστοιχούν σ αυτή την οµάδα έργων Κατηγορία 3: Τα σκουρόχρωµα απορροφούν ευκολότερα 11 Κατηγορία 2: Το χρώµα δεν έχει σηµασία 0 Κατηγορία 1: Τα ανοιχτόχρωµα απορροφούν ευκολότερα 3 Στο αντίστοιχο διάγραµµα ( ιάγραµµα 14) φαίνεται η αρχική καταγραφή των απόψεων των µαθητών µας για την οµάδα αυτή των έργων. Είναι φανερό ότι βρίσκονται, αν όχι όλες, κατά πλειοψηφία στην κατεύθυνση της επιστηµονικής άποψης (Κ-3), όπως αναφέραµε και προηγουµένως. ιάγραµµα 15: Τελικές απόψεις των µαθητών για τα έργα της κατηγορίας «Θ.Ι. Ψυχρό σώµα µε το περιβάλλον Απορρόφηση ακτινοβολίας εξάρτηση από το χρώµα» 236

249 Ι. Λεύκος 2011 Στο τελικό ερωτηµατολόγιο, η ήδη καλή εικόνα των µαθητών βελτιώνεται φτάνοντας το 100%, όπως φαίνεται και στο αντίστοιχο διάγραµµα ( ιάγραµµα 15). Παρατηρούµε ότι όλοι οι µαθητές απαντούν σύµφωνα µε την επιστηµονική άποψη και κατά συνέπεια κατατάσσονται στην Τρίτη κατηγορία (Κ-3). Πίνακας 27: Κατανοµή των τελικών απαντήσεων των µαθητών στις 3 κατηγορίες που αντιστοιχούν σ αυτή την οµάδα έργων Κατηγορία 3: Τα σκουρόχρωµα απορροφούν ευκολότερα 14 Κατηγορία 2: Το χρώµα δεν έχει σηµασία 0 Κατηγορία 1: Τα ανοιχτόχρωµα απορροφούν ευκολότερα 0 Συνοπτικά, µπορούµε να σχολιάσουµε ότι: Σε αντίθεση µε την οµάδα έργων εκποµπής που συζητούµε σε άλλη παράγραφο, τα έργα απορρόφησης θερµικής ακτινοβολίας αποδείχθηκαν από τα ευκολότερα για τους µαθητές, όπως εξάλλου ήταν αναµενόµενο. Τα έργα αυτού του τύπου αναφέρονται σε φαινόµενα που άπτονται της καθηµερινής εµπειρίας των µαθητών και µάλιστα η αισθητηριακή αντίληψη είναι εδώ σύµφωνη µε την επιστηµονική άποψη. Έτσι, στο αρχικό ερωτηµατολόγιο οι περισσότερες (11/14) από τις απαντήσεις κατηγοριοποιούνται στην Κ-3, συγκεκριµένα σε ποσοστό περίπου 80%. Στο τελικό ερωτηµατολόγιο δε, το ποσοστό των απαντήσεων στην Κ-3 φτάνει το 100%, καθώς όλοι οι µαθητές (14/14) απαντούν σύµφωνα µε την επιστηµονική άποψη. Μπορούµε δηλαδή να ισχυριστούµε ότι υπήρξε µια µικρή βελτίωση στις απόψεις των µαθητών µας, καθώς ήδη και πριν από τη διδασκαλία όλοι σχεδόν αναγνώριζαν το ρόλο του χρώµατος στις καταστάσεις απορρόφησης θερµικής ακτινοβολίας. Γεγονός αναµφισβήτητα αναµενόµενο καθώς αποτελεί κοινή καθηµερινή εµπειρία τω µαθητών και επιπλέον αποτελεί µια περίπτωση φαινοµένων, όπου η αισθητηριακή αντίληψη συµπίπτει µε την επιστηµονική Οµάδα 7η: Αλληλεπίδραση µεταξύ ενός σώµατος και του περιβάλλοντος εξάρτηση από το χρώµα του σώµατος (εκποµπή) Εικόνα 79: Έργο για την διερεύνηση της παραµέτρου του χρώµατος στην εκποµπή θερµικής ακτινοβολίας από τη διδακτική µας σειρά Η οµάδα αυτή έργων, όπως αναφέραµε παραπάνω, αποδείχθηκε δύσκολο να αντιµετωπιστεί από τους µαθητές µας. Οι απαντήσεις που συνήθως παίρναµε στις πιλοτικές µας έρευνες όταν διερευνούσαµε τις απόψεις για τον ρόλο του χρώµατος σε καταστάσεις εκποµπής ακτινοβολίας, ήταν στην λογική της αντίθεσης σε σχέση µε την απορρόφηση. ηλαδή φαίνεται ότι οι µαθητές ακολουθούν το παρακάτω σκεπτικό: «αφού τα µαύρα απορροφούν πιο εύκολα, τότε τα άσπρα θα εκπέµπουν πιο εύκολα». Όµως αυτή η άποψη, που κατά κάποιο τρόπο µπορούµε να χαρακτηρίσουµε διαισθητική, δεν είναι συµβατή µε την επιστηµονική ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 237

250 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ιάγραµµα 16: Αρχικές απόψεις των µαθητών για τα έργα της κατηγορίας «Θ.Ι. Θερµό σώµα µε το περιβάλλον Εκποµπή ακτινοβολίας εξάρτηση από το χρώµα» Πίνακας 28: Κατανοµή των αρχικών απαντήσεων των µαθητών στις 3 κατηγορίες που αντιστοιχούν σ αυτή την οµάδα έργων Κατηγορία 3 = Τα σκουρόχρωµα εκπέµπουν ευκολότερα 2 Κατηγορία 2 = το χρώµα δεν έχει σηµασία ή αµφίσηµες απαντήσεις 4 Κατηγορία 1 = Τα ανοιχτόχρωµα εκπέµπουν ευκολότερα 8 Στο αντίστοιχο διάγραµµα ( ιάγραµµα 16) εµφανίζονται οι αρχικές απόψεις των µαθητών µας στα έργα της οµάδας αυτής. Είναι προφανές ότι η εικόνα των µαθητών φανερώνει µια πολύ µεγάλη δυσκολία στην αντιµετώπιση των έργων εκποµπής θερµικής ακτινοβολίας, µε την άποψη ότι τα ανοιχτόχρωµα σώµατα εκπέµπουν ευκολότερα (Κ-1) να κυριαρχεί σε πολύ µεγάλο ποσοστό (57%) των απαντήσεων. ιάγραµµα 17: Τελικές απόψεις των µαθητών για τα έργα της κατηγορίας «Θ.Ι. Θερµό σώµα µε το περιβάλλον Εκποµπή ακτινοβολίας εξάρτηση από το χρώµα» 238

251 Ι. Λεύκος 2011 Αντίθετα, στο τελικό ερωτηµατολόγιο η εικόνα των µαθητών µας είναι πολύ διαφορετική, όπως παρουσιάζεται και στο σχετικό διάγραµµα ( ιάγραµµα 17). Παρατηρούµε ότι σχεδόν όλοι οι µαθητές µας πλην ενός εµφανίζουν απόψεις σύµφωνες µε την επιστηµονική και εποµένως κατατάσσονται στην Τρίτη κατηγορία απαντήσεων (Κ-3). Πίνακας 29: Κατανοµή των τελικών απαντήσεων των µαθητών στις 3 κατηγορίες που αντιστοιχούν σ αυτή την οµάδα έργων Κατηγορία 3 = Τα σκουρόχρωµα εκπέµπουν ευκολότερα 13 Κατηγορία 2 = το χρώµα δεν έχει σηµασία ή αµφίσηµες απαντήσεις 0 Κατηγορία 1 = Τα ανοιχτόχρωµα εκπέµπουν ευκολότερα 1 Συνοπτικά, µπορούµε να σχολιάσουµε ότι: Τα έργα εκποµπής θερµικής ακτινοβολίας, ήταν αναµενόµενο να αποτελέσουν µια από τις πιο δύσκολες κατηγορίες, καθώς από τη µια µεριά τα φαινόµενα εκποµπής δεν βρίσκονται στην άµεση εµπειρία των µαθητών, από την άλλη δε η εµπειρία τους από τα φαινόµενα απορρόφησης τους οδηγεί συνήθως σε λανθασµένα συµπεράσµατα. Κατά συνέπεια µόνο 2 µαθητές (2/14) στο αρχικό ερωτηµατολόγιο, δηλαδή ποσοστό 14%, απαντούν σύµφωνα µε την επιστηµονικά αποδεκτή άποψη Κ- 3, ενώ οι υπόλοιποι θεωρούν είτε πως το χρώµα των σωµάτων δεν επηρεάζει τη θερµική ακτινοβολία, είτε πως τα ανοιχτόχρωµα σώµατα εκπέµπουν ευκολότερα από τα σκούρα. Αντίθετα, στο τελικό ερωτηµατολόγιο όλοι οι µαθητές σχεδόν (13/14), δηλαδή σε ποσοστό 92%, κατηγοριοποιούνται στην κατηγορία Κ-3. Μπορούµε δηλαδή να υποστηρίξουµε ότι υπήρχε πολύ µεγάλη γνωστική βελτίωση των µαθητών στην οµάδα των έργων αυτών, καθώς ενώ αρχικά δεν ήταν σε θέση να αναγνωρίζουν την συµπεριφορά των σωµάτων στην εκποµπή της θερµικής ακτινοβολίας σε σχέση µε το χρώµα τους, µετά από τη διδασκαλία, σχεδόν σε απόλυτη πλειοψηφία αναγνωρίζουν το ρόλο του χρώµατος στα φαινόµενα εκποµπής. Είναι ιδιαίτερα σηµαντικό αυτό το γεγονός, καθώς αυτή η οµάδα έργων αποτέλεσε µια από τις δυσκολότερες όλης της διδακτικής σειράς Οµάδα 8η: Αλληλεπίδραση µεταξύ ενός σώµατος και του περιβάλλοντος εξάρτηση από την επιφάνεια του σώµατος (εκποµπή) Η οµάδα αυτή των έργων, όπως αναφέραµε και στην αρχική παρουσίασή τους σε προηγούµενη ενότητα, αποτελεί µια πρωτοτυπία, διότι δεν υπάρχει στη βιβλιογραφία αντίστοιχη έρευνα στο επίπεδο τουλάχιστον της έρευνα για µαθητές υποχρεωτικής εκπαίδευσης όπως η παρούσα. Το ερευνητικό ενδιαφέρον µας για τα έργα του τύπου αυτού ήδη αναπτύχθηκε από τις πιλοτικές έρευνες που διεξήγαµε και έχουν παρουσιαστεί αλλού (Λεύκος, et al., 2005). Οι απόψεις που εµφάνισαν οι µαθητές µας πριν από τη διδασκαλία, ήταν για µας απρόσµενες, καθώς θεωρούσαµε κατά κάποιο τρόπο αυτονόητο να απαντήσουν σύµφωνα µε την επιστηµονική άποψη. Ότι δηλαδή, τα σώµατα µεγαλύτερης επιφάνειας απορροφούν και εκπέµπουν Εικόνα 80: Έργο για τη διερεύνηση της παραµέτρου της επιφάνειας στην εκποµπή θερµικής ακτινοβολίας από τη διδακτική µας σειρά ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 239

252 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ µε µεγαλύτερη ευκολία τη θερµική ακτινοβολία. Όµως εµφανίστηκαν αρκετοί µαθητές (στην έρευνά µας) που είτε πίστευαν ότι τα σώµατα µικρότερης επιφάνειας εκπέµπουν περισσότερη θερµική ακτινοβολία είτε πως η επιφάνεια δεν παίζει ρόλο στα φαινόµενα αυτά. Έτσι, προκειµένου να µελετήσουµε το ρόλο της επιφάνειας των σωµάτων, εστιαστήκαµε στα φαινόµενα εκποµπής ακτινοβολίας, καθώς όπως εξηγήσαµε και στην ενότητα της παρουσίασης των έργων, διαπιστώσαµε πως οι µαθητές έχουν ιδιαίτερη δυσκολία στην κατανόησή τους. Ενώ δηλαδή εύκολα αναγνωρίζουν και εξηγούν τα φαινόµενα απορρόφησης και τους σχετικούς παράγοντες που τα επηρεάζουν, δεν ισχύει το ίδιο και για τα φαινόµενα εκποµπής της θερµικής ακτινοβολίας. Στο παρακάτω διάγραµµα ( ιάγραµµα 18), εµφανίζεται η αρχική εικόνα των µαθητών µας σε σχέση µε τις απόψεις που εκφράζουν σχετικά µε το ρόλο της επιφάνειας των σωµάτων στα φαινόµενα εκποµπής ακτινοβολίας. ιάγραµµα 18: Αρχικές απόψεις των µαθητών για τα έργα της κατηγορίας «Θ.Ι. Θερµό σώµα µε το περιβάλλον Εκποµπή ακτινοβολίας εξάρτηση από την επιφάνεια» Από το διάγραµµα γίνεται φανερό ότι παρά το γεγονός ότι η κυρίαρχη άποψη είναι κοντά στην επιστηµονική (Κ-3), ότι δηλαδή οι µεγαλύτερες επιφάνειες εκπέµπουν ευκολότερα ακτινοβολία, σχεδόν οι µισοί από τους µαθητές µας εκφράζουν διαφορετικές απόψεις, θεωρώντας κάποιοι πως η επιφάνεια δεν επηρεάζει την εκποµπή θερµικής ακτινοβολίας, είτε πως οι µικρότερες επιφάνειες εκπέµπουν ευκολότερα. Πίνακας 30: Κατανοµή των αρχικών απαντήσεων των µαθητών στις 3 κατηγορίες που αντιστοιχούν σ αυτή την οµάδα έργων Κατηγορία 3: Οι µεγάλες επιφάνειες εκπέµπουν ευκολότερα 9 Κατηγορία 2: Η επιφάνεια δεν έχει σηµασία 3 Κατηγορία 1: Οι µικρές επιφάνειες εκπέµπουν ευκολότερα 2 Στο τελικό ερωτηµατολόγιο, η εικόνα των µαθητών µας είναι πολύ διαφορετική, όπως παρουσιάζεται και στο παρακάτω διάγραµµα ( ιάγραµµα 19). Παρατηρούµε ότι στο σύνολό τους οι µαθητές µας, απαντούν σύµφωνα µε την 240

253 Ι. Λεύκος 2011 επιστηµονική άποψη ότι όσο µεγαλύτερη είναι η επιφάνεια ενός σώµατος, τόσο ευκολότερα εκπέµπει τη θερµική ακτινοβολία. ιάγραµµα 19: Τελικές απόψεις των µαθητών για τα έργα της κατηγορίας «Θ.Ι. Θερµό σώµα µε το περιβάλλον Εκποµπή ακτινοβολίας εξάρτηση από την επιφάνεια» Πίνακας 31: Κατανοµή των αρχικών απαντήσεων των µαθητών στις 3 κατηγορίες που αντιστοιχούν σ αυτή την οµάδα έργων Κατηγορία 3: Οι µεγάλες επιφάνειες εκπέµπουν ευκολότερα 14 Κατηγορία 2: Η επιφάνεια δεν έχει σηµασία 0 Κατηγορία 1: Οι µικρές επιφάνειες εκπέµπουν ευκολότερα 0 Συνοπτικά, µπορούµε να σχολιάσουµε ότι: Τα έργα εκποµπής θερµικής ακτινοβολίας και ο ρόλος που παίζει η επιφάνεια των σωµάτων, ενώ εκ προοιµίου θεωρήθηκαν σχετικά απλά για τους µαθητές, αποδείχθηκε ότι εµφάνισαν σχετική δυσκολία στην αντιµετώπισή τους. Έτσι, ενώ αρκετοί µαθητές (9/14) απαντούν σύµφωνα µε την επιστηµονική άποψη Κ-3, δηλαδή σε ποσοστό περίπου 65%, στο αρχικό ερωτηµατολόγιο, οι υπόλοιποι εµφανίζουν διαφορετικές απόψεις και κατατάσσονται στις δυο άλλες κατηγορίες. Από την άλλη µεριά, στο τελικό ερωτηµατολόγιο, όλοι ανεξαιρέτως οι µαθητές µας (14/14), απαντούν σύµφωνα µε την επιστηµονική άποψη, δηλαδή σε ποσοστό 100%. Μπορούµε δηλαδή να θεωρήσουµε ότι υπήρχε αρκετά σηµαντική γνωστική βελτίωση των µαθητών µας, στα ζητήµατα που εξετάσαµε µε τα έργα της οµάδας αυτής, µετά το πέρας της διδασκαλίας. Ενώ δηλαδή αρχικά, αρκετοί από τους µαθητές µας εµφάνιζαν προβλήµατα στην κατανόηση του ρόλου που παίζει η συνολική επιφάνεια ενός σώµατος στην εκποµπή της θερµικής ακτινοβολίας, µετά από τη διδασκαλία, όλοι οι µαθητές αναγνωρίζουν το ρόλο της εξωτερικής επιφάνειας στα φαινόµενα του τύπου αυτού. Όλοι δηλαδή οι µαθητές στο τελικό ερωτηµατολόγιο, εµφανίζουν την άποψη ότι όσο µεγαλύτερη είναι η εξωτερική επιφάνεια ενός σώµατος, τόσο ευκολότερα εκπέµπει θερµική ακτινοβολία. ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 241

254 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Οµάδα 9η: Αλληλεπίδραση µεταξύ ενός σώµατος και του περιβάλλοντος Αλλαγές Φυσικής Κατάστασης Η οµάδα αυτή των έργων, επίσης αποτελεί µια πρωτοτυπία για την έρευνά µας, διότι δεν υπάρχει στη βιβλιογραφία αντίστοιχου τύπου έργο το οποίο να συνδυάζει τη µελέτη των αλλαγών φάσης µε το φαινόµενο της θερµικής ισορροπίας. Εικόνα 81: Έργο για τη διερεύνηση της σταθερότητας της θερµοκρασίας κατά τις αλλαγές φάσης από τη διδακτική µας σειρά ιάγραµµα 20: Αρχικές απόψεις των µαθητών για τα έργα της κατηγορίας «Θ.Ι. Ένα σώµα - περιβάλλον Αλλαγές Φάσης» 242

255 Ι. Λεύκος 2011 ιάγραµµα 21: Τελικές απόψεις των µαθητών για τα έργα της κατηγορίας «Θ.Ι. Ένα σώµα - περιβάλλον Αλλαγές Φάσης» 1.4. Μικροανάλυση των απαντήσεων των µαθητών στις ανοιχτές ερωτήσεις Επιπλέον ανάλυση έγινε στις απαντήσεις των µαθητών µας σε ορισµένες από τις παραπάνω οµάδες έργων, οι οποίες περιείχαν ανοιχτού τύπου ερωτήσεις. Παρακάτω παρουσιάζουµε την ανάλυση αυτή στην οποία επιχειρήθηκε να γίνει οµαδοποίηση των απαντήσεων σε επί µέρους κατηγορίες. ιατηρώντας λοιπόν την ταξινόµηση που παρουσιάσαµε στις προηγούµενες παραγράφους, στις κατηγορίες των απαντήσεων, ανάλογα µε την αιτιολόγηση που δίνουν οι µαθητές µας στις ανοιχτές ερωτήσεις, προχωρήσαµε σε µια επιπλέον µικρο-ανάλυση σε υποκατηγορίες απαντήσεων. Στις επόµενες παραγράφους παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα από την µικροανάλυση στις οµάδες έργων που σχετίζονται µε την αλληλεπίδραση ίσων ποσοτήτων νερού (οµάδα έργων 1), την αλληλεπίδραση διαφορετικών ποσοτήτων νερού (οµάδα έργων 2) και την αλληλεπίδραση ενός σώµατος µε το περιβάλλον (οµάδα έργων 5). Οµάδα έργων 1 η : Επίδραση µεταξύ δύο ίσων ποσοτήτων νερού Η 1 η οµάδα αφορά έργα της παρακάτω µορφής (Εικόνα 82), όπου δύο όµοια σώµατα (νερό) διαφορετικής θερµοκρασίας αλληλεπιδρούν µεταξύ τους. Οι µαθητές καλούνται να προβλέψουν την τελική θερµοκρασία µετά την αλληλεπίδραση µε ποιοτικό τρόπο, σηµειώνοντας επάνω στο διάγραµµα των θερµοµέτρων και επιπλέον να εξηγήσουν τι συµβαίνει. Ο παράγοντας που πρέπει να ληφθεί υπόψη δηλαδή από τους µαθητές προκειµένου να απαντήσουν είναι µόνο η διαφορά θερµοκρασίας τους, εφόσον η µάζα και το υλικό είναι το ίδιο. ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 243

256 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Η ερώτηση θεωρήθηκε σχετικά απλή για την ηλικία των µαθητών µας, αλλά παρόλα αυτά κάποιοι εµφάνισαν αδυναµία να απαντήσουν σωστά. Εµφανίστηκαν δηλαδή µαθητές που δεν θεωρούσαν ότι οι θερµοκρασίες θα καταλήξουν στο µέσο όρο, ακόµη και κάποιοι που πιστεύουν ότι το ζεστό νερό δεν θα αλλάξει καθόλου θερµοκρασία. Εικόνα 82: Παράδειγµα έργου από την 1η οµάδα έργων Αρχική κατάσταση (pre-test) Η ερώτηση στο αρχικό ερωτηµατολόγιο είχε να κάνει µε τον προσδιορισµό της τελικής θερµοκρασίας από την ανάµειξη δυο ίσων ποσοτήτων νερού και την αιτιολόγηση της επιλογής. Εποµένως µια απάντηση όπως: «Η τελική θερµοκρασία του νερού θα είναι στον Μέσο Όρο των αρχικών θερµοκρασιών, διότι οι µάζες των δυο σωµάτων είναι ίσες», θεωρείται ικανοποιητική. Η ανάλυση των απαντήσεων των µαθητών, που ακολουθεί παρακάτω, βασίζεται στην προηγούµενη διατύπωση, η οποία έχει ένα βασικό σηµείο, τον προσδιορισµό του µέσου όρου και ένα δεύτερο, την αιτιολόγηση µε βάση την ισότητα των µαζών. Ιδίως το θέµα της µάζας είναι κάτι που µας απασχολεί σαν παράµετρος σε µεγάλο µέρος της διδακτικής σειράς. Η κατηγοριοποίηση των απαντήσεων έγινε πρώτα µε βάση την σκίαση στο διάγραµµα ποια θεωρούν δηλαδή ότι είναι η τελική θερµοκρασία του νερού, και στη συνέχεια σε επιµέρους υπο-κατηγορίες µε βάση την αιτιολόγηση. Α. Τελική θερµοκρασία στο Μέσο Όρο των αρχικών (Κατηγορία-3) Η επιλογή αυτή έγινε από περισσότερους των 2/3 των µαθητών και ήταν η επικρατέστερη (9/14). Όσο αφορά δε την αιτιολόγηση, διακρίνουµε τις παρακάτω υποκατηγορίες: Υποκατηγορία 3.1. «Ρητός προσδιορισµός του Μέσου Όρου ως τελική θερµοκρασία». Στις απαντήσεις των µαθητών προσδιορίζεται σαφώς ο Μέσος Όρος ως η τελική θερµοκρασία. Υπάρχει µια (1) απάντηση στην υποκατηγορία αυτή: 244

257 Ι. Λεύκος Αν ανακατέψουµε τις δυο αυτές ποσότητες νερού σε ένα µεγαλύτερο δοχείο, τότε το νερό που θα προκύψει, θα έχει τον µέσο όρο της θερµοκρασίας του νερού των δοχείων Α και Β (s11) Υποκατηγορία 3.2. «Έµµεσος προσδιορισµός του Μέσου Όρου ως τελική θερµοκρασία». Οι µαθητές αυτοί παρότι καθορίζουν στο διάγραµµα την τελική θερµοκρασία σαν Μέσο Όρο, δεν το αναφέρουν ρητά στις εξηγήσεις τους. Χρησιµοποιούν πιο καθηµερινή ορολογία, όπως «µέση θερµοκρασία» ή «χλιαρό νερό» Υπάρχουν επτά (7) απαντήσεις στην υποκατηγορία αυτή: - Το νερό θα είναι χλιαρό, διότι το ενδιάµεσο µεταξύ κρύου και ζεστού είναι το χλιαρό (s2) - Θα συµβεί µια µέση θερµοκρασία νερού, ούτε πολύ ζεστό, ούτε πολύ κρύο νερό (s5) - Το νερό θα έχει τη µέση θερµοκρασία από το κρύο και το ζεστό νερό (s6) - Θα έχουµε νερό µε θερµοκρασία µέση. Θα γίνει χλιαρό (s7) - Το νερό θα γίνει χλιαρό, αλλά θα κρυώσει ή θα ζεσταθεί πιο πολύ ανάλογα µε το πόσο κρύο θα ήταν το δοχείο Α και πόσο ζεστό ήταν το δοχείο Β (s9) - Το νερό του δοχείου θα είναι χλιαρό (s10) - Αν ανακατέψουµε το νερό που βρίσκεται και στα δυο δοχεία, το νερό θα είναι χλιαρό (s14) Υποκατηγορία 3.3. «Ρητός προσδιορισµός του Μέσου Όρου & επιστηµονικοφανής». Στην περίπτωση αυτή προσδιορίζεται σαφώς ο Μέσος Όρος ως η τελική θερµοκρασία και επιπλέον γίνεται µια λανθασµένη προσπάθεια περιγραφής µέσω του µοριακού µοντέλου Υπάρχει µια (1) απάντηση στην υποκατηγορία αυτή: - Και µε τη λογική µπορούµε να καταλάβουµε ότι αν προσθέσουµε περίπου ίση ποσότητα νερού σε ένα ποτήρια από τα άλλα δυο ποτήρια που το ένα περιέχει ζεστό νερό και το άλλο περιέχει κρύο, τότε τα µόρια του ζεστού νερού θα ψυχθούν από τα µόρια του κρύου νερού και έτσι θα έχουµε το µέσο όρο της θερµοκρασίας του ζεστού νερού µε τη θερµοκρασία του κρύου νερού. π.χ. Α=25 ο - Β=12 ο -> Γ=18 ο περίπου (s1) Β. Τελική θερµοκρασία νερού διαφορετική από το Μέσο Όρο των αρχικών (Κατηγορία-2) Η επιλογή αυτή έγινε από το ένα τρίτο περίπου των µαθητών (4/14) και όσο αφορά την αιτιολόγηση, διακρίνουµε τις παρακάτω κατηγορίες: Υποκατηγορία 2.1. «Έµµεση αναφορά στο Μέσου Όρο αλλά τελική θερµοκρασία σε άλλο σηµείο». Οι µαθητές αυτοί καθορίζουν στο διάγραµµα την τελική θερµοκρασία ως διαφορετική από το Μέσο Όρο και µάλιστα συνήθως πλησιέστερα στην αρχική του ζεστού νερού. Όµως στις εξηγήσεις τους χρησιµοποιούν ορολογία, όπως «µέση θερµοκρασία» ή «χλιαρό νερό», που παραπέµπει έµµεσα στο µέσο Όρο. Υπάρχουν τρεις (3) απαντήσεις στην υποκατηγορία αυτή: - Το νερό θα πάρει µια µέση θερµοκρασία από τα δυο δοχεία (s3) ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 245

258 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ - Εγώ πιστεύω αν αυτά τα δυο τα ποτήρια τα βάλουµε σε ένα τότε θα δηµιουργηθεί χλιαρό νερό (s4) - Το νερό θα γίνει χλιαρό, γιατί θα ανακατευτεί το ζεστό µε το κρύο (s13) Υποκατηγορία 2.2. «Έµµεση αναφορά στο Μέσου Όρο αλλά τελική θερµοκρασία σε άλλο σηµείο & επιστηµονικοφανής». Οι µαθητές εδώ προσδιορίζουν την τελική θερµοκρασία ως διαφορετική από το Μέσο Όρο όµως στις εξηγήσεις τους χρησιµοποιούν ορολογία, όπως «χλιαρό νερό», που παραπέµπει έµµεσα στο µέσο Όρο. Επιπλέον γίνεται αποτυχηµένη προσπάθεια αιτιολόγησης µε βάση το µοριακό µοντέλο. Υπάρχει µια (1) απάντηση στην υποκατηγορία αυτή: - Τα κρύα µόρια, µόλις θα συνδυαστούν µε τα ζεστά, το νερό θα αποκτήσει µια ίση θερµοκρασία. Με λίγα λόγια το νερό θα γίνει χλιαρό (s12) Γ. Τελική θερµοκρασία νερού ίδια µε την αρχική του ζεστού (Κατηγορία-1) Η επιλογή αυτή έγινε µόνο από ένα µαθητή (1/14) και είναι η πιο σπάνια. Η τελική θερµοκρασία των δύο σωµάτων σηµειώνεται στην ίδια στάθµη µε την αρχική του ζεστού νερού. Όσο αφορά δε την αιτιολόγηση, διακρίνουµε µία κατηγορία Υποκατηγορία 1.1. «Το ισχυρό ζεστό». Στην περίπτωση αυτή, εµφανίζεται η πεποίθηση ότι µόνο το κρύο νερό αλλάζει θερµοκρασία. Το ζεστό θεωρείται ο ισχυρός δότης. Υπάρχει µια (1) απάντηση στην υποκατηγορία αυτή: - Επειδή όταν ενώνουµε κάτι κρύο µε κάτι ζεστό η θερµοκρασία του αρχίζει να ανεβαίνει, γι αυτό το νερό που είναι κρύο θα ζεσταθεί (s8) Σχολιασµός pre-test 1 ης οµάδας έργων Από τις απαντήσεις των µαθητών µας παρατηρούµε ότι: Η πλησιέστερη στην επιστηµονική απάντηση είναι του µαθητή (s11) της υποκατηγορίας 3.1 Αυτό που κυρίως λείπει από τις εξηγήσεις των µαθητών είναι η αιτιολόγηση του τελικού σηµείου θερµοκρασίας µε βάση την ισότητα των µαζών. Μόνο ένας µαθητής (s1) κάνει σαφή αναφορά στην ισότητα των µαζών. υο µαθητές (s1, s12) προσπαθούν να χρησιµοποιήσουν το µικροσκοπικό µοντέλο για να εξηγήσουν το φαινόµενο, χωρίς επιτυχία. Μεγαλύτερη απόσταση από την επιστηµονική έχει η υποκατηγορία 1.1, όπου ο µαθητής (s8) δεν αναγνωρίζει καθόλου την αµφίδροµη αλληλεπίδραση και θεωρεί το ζεστό νερό σαν ένα ανεπηρέαστο «δότη». Τελική κατάσταση (post-test) 246

259 Ι. Λεύκος 2011 Στο τελικό ερωτηµατολόγιο, η αντίστοιχη ερώτηση της οµάδας αυτής έργων, αφορούσε την αλληλεπίδραση δύο ίδιων ποσοτήτων νερού, σε δυο δοχεία όπου το ένα ήταν εµβαπτισµένο µέσα στο άλλο (εικ. 1). Η ανάλυση των απαντήσεων των µαθητών, που ακολουθεί παρακάτω, βασίζεται σε µια αποδεκτή επιστηµονικά διατύπωση, όπως: «Οι θερµοκρασίες των 2 δοχείων θα είναι στο τέλος ίσες, στον Μέσο Όρο των αρχικών, αφού και οι µάζες τους είναι ίσες, γιατί θερµότητα µεταφέρεται από το θερµό προς το ψυχρό σώµα µέχρι την αποκατάσταση της θερµικής ισορροπίας». Ουσιαστικά δηλαδή βασίζεται στα 4 σηµεία, που σηµειώσαµε µε έντονα γράµµατα. Υπάρχει δηλαδή αυξηµένη πολυπλοκότητα σε σχέση µε το αρχικό ερωτηµατολόγιο, µιας και έχει δοθεί έµφαση κατά τη διάρκεια της διδασκαλίας τόσο στο ρόλο της µάζας των σωµάτων, όσο και στην τελική ισότητα των θερµοκρασιών και φυσικά στην αιτιολόγηση µέσω της µεταφοράς θερµότητας. Επιπλέον η απάντηση συνοδεύεται και από την γραφική απεικόνιση πάνω σε ένα θερµοµετρικό διάγραµµα των τελικών θερµοκρασιών των δύο δοχείων Η κατηγοριοποίηση των απαντήσεων όπως και στο αρχικό ερωτηµατολόγιο, έγινε πρώτα µε βάση την απεικόνιση στο διάγραµµα ποια θεωρούν δηλαδή ότι είναι η τελική θερµοκρασία του νερού, και στη συνέχεια σε υποκατηγορίες µε βάση την περιγραφή και αιτιολόγηση του φαινοµένου. Α. Τελική θερµοκρασία ίδια, στο Μέσο Όρο των αρχικών (Κατηγορία-3) Η επιλογή αυτή έγινε από το σύνολο σχεδόν των µαθητών (13/14). Όσο αφορά δε την αιτιολόγηση, διακρίνουµε τις παρακάτω υποκατηγορίες: Υποκατηγορία 3.1. «Ίδιες τελικές θερµοκρασίες, σαφή αναφορά στο Μ.Ο. και σε θερµότητα». Στις απαντήσεις των µαθητών αναφέρεται ρητά η ισότητα των τελικών θερµοκρασιών, ενώ προσδιορίζεται επίσης και το σηµείο ισορροπίας που είναι ο Μέσος Όρος των αρχικών. Αποδίδεται επιπλέον το φαινόµενο στην µεταφορά θερµότητας από το ζεστό προς το ψυχρό σώµα. Υπάρχει µία (1) απάντηση στην υποκατηγορία αυτή: - Στο τέλος οι θερµοκρασίες του Α και του Β θα είναι ίσες. Οι θερµοκρασίες θα βρίσκονται στο µέσο όρο µεταξύ των αρχικών. Η θερµότητα µεταδίδεται από το Α στο Β µε αποτέλεσµα τη σταδιακή αύξηση της θερµοκρασίας του Β και την µείωση ης θερµοκρασίας του Α. (s14) Υποκατηγορία 3.2. «Ίδιες τελικές θερµοκρασίες, σαφή αναφορά στη θερµότητα αλλά έµµεσα στο Μ.Ο.». Η κατηγορία αυτή είναι πολυπληθής. Στις απαντήσεις των µαθητών αναφέρεται ρητά η ισότητα των τελικών θερµοκρασιών, ενώ επιπλέον το φαινόµενο αποδίδεται στην µεταφορά θερµότητας από το ζεστό προς το ψυχρό σώµα. Το σηµείο ισορροπίας όµως, προσδιορίζεται έµµεσα µε εκφράσεις όπως «στη µέση» ή «ενδιάµεσα» Υπάρχουν πέντε (5) απαντήσεις στην υποκατηγορία αυτή: - Φτάνουν σε µια µέση θερµοκρασία και τα δυο. Μεταξύ κρύου και ζεστού (στη µέση). Από το ζεστό σώµα µεταφέρεται στο κρύο σώµα και φεύγει από το ζεστό σώµα η θερµότητα και σε κάποια στιγµή φτάνουν στην ίδια θερµοκρασία. (s2) ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 247

260 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ - Οι θερµοκρασίες στο τέλος θα είναι ίσες. Θα βρίσκονται σε µια µέση θερµοκρασία. Έχουµε µεταφορά θερµότητας από το ζεστό στο κρύο και όταν τελειώσει αυτό θα έχουµε µια µέση και ίση (εννοεί ίδια µεταξύ τους) θερµοκρασία. (s5) - οι θερµοκρασίες θα είναι ίσες. Θα έχουν αλλάξει όσο στο Α τόσο και στο Β. Μεταφέρεται θερµότητα από το δοχείο Α στο Β. (s6) - Θα έχουν τις ίδιες θερµοκρασίες. Σε ένα ενδιάµεσο επίπεδο. Μεταφέρεται θερµότητα από το θερµό στο ψυχρό. (s7) - Οι θερµοκρασίες θα είναι ίσες. Θα βρίσκονται και οι δυο µαζί στη µέση. Η θερµότητα µεταδίδεται από το ζεστό στο κρύο σώµα µέχρι να φτάσουν και τα δυο σε ίσες θερµοκρασίες. (s9) Υποκατηγορία 3.3. «Ίδιες τελικές θερµοκρασίες, σαφή αναφορά στη θερµότητα αλλά καµία αναφορά στη τελική θερµοκρασία». Η κατηγορία αυτή είναι πολυπληθής. Στις απαντήσεις των µαθητών αναφέρεται ρητά η ισότητα των τελικών θερµοκρασιών, ενώ επιπλέον το φαινόµενο αποδίδεται στην µεταφορά θερµότητας από το ζεστό προς το ψυχρό σώµα. εν γίνεται όµως καµία αναφορά στην τελική θερµοκρασία ισορροπίας. Υπάρχουν τέσσερεις (4) απαντήσεις στην υποκατηγορία αυτή. - Οι θερµοκρασίες θα είναι ίδιες. Το θερµό νερό θα είναι πιο κρύο και το κρύο πιο θερµό. Οι θερµοκρασίες τους θα αρχίσουν να αλλάζουν όταν έρθουν σε επαφή τα δυο δοχεία. Η θερµότητα από το θερµό νερό θα αρχίσει να µεταφέρεται στο κρύο, ώσπου να είναι ίσες οι θερµοκρασίες και να µη µεταφέρεται άλλη (s8). - Οι θερµοκρασίες στο τέλος είναι ίσες. Στο Α δοχείο θα έχει πέσει η θερµοκρασία ενώ στο Β θα έχει ανέβει. Η θερµότητα µεταφέρεται από το ζεστό στο κρύο µέχρι που φτάνουν στην ίδια θερµοκρασία. (s10) - Οι θερµοκρασίες στο τέλος είναι ίσες. Στο Α η θερµοκρασία θα ελαττωθεί και στο Β θα αυξηθεί. Όταν φέρουµε σε επαφή δυο σώµατα διαφορετικής θερµοκρασίας (στο παράδειγµα νερό Α και νερό Β), η θερµότητα µεταφέρεται από το ζεστό σώµα στο κρύο. Μετά από λίγη ώρα τα δυο σώµατα θα έρθουν σε θερµική ισορροπία. (s11) - Στο τέλος οι θερµοκρασίες έχουν γίνει ίσες. Στο τέλος η θερµοκρασία θα είναι ίση ενώ στην αρχή το ένα ήταν κρύο και το άλλο ζεστό. Αλληλεπιδρούν τα δοχεία και µεταφέρεται θερµότητα από το ζεστό στο κρύο και έτσι φτάνουν σε ίδια θερµοκρασία. (s13) Υποκατηγορία 3.4. «Ίδιες τελικές θερµοκρασίες, αλλά αναφορά σε όρους θερµοκρασίας και όχι σε όρους θερµότητας». Στις απαντήσεις των µαθητών αναφέρεται ρητά η ισότητα των τελικών θερµοκρασιών, αλλά υπάρχει πρόβληµα διαχωρισµού εννοιών, µε εκφράσεις όπως «..η θερµοκρασία του Β θα επιδράσει στο Α». Υπάρχουν δυο (2) απαντήσεις στην υποκατηγορία αυτή: - Θα έχουν φτάσει στις ίδιες θερµοκρασίες. Θα βρίσκονται στον µέσο όρο των δυο θερµοκρασιών. Όταν βάλουµε το Β δοχείο µέσα στο Α, η θερµοκρασία του Β θα επιδράσει στο Α και έτσι µε το πέρασµα της ώρας θα βρεθούν σε µια µέση θερµοκρασία. (s3) - Θα είναι ίσες. Θα βρίσκονται σε µια ίση θερµοκρασία, το Α θα κατέβει και το Β θα ανέβει η θερµοκρασία. Γιατί ενδιάµεσα το ζεστό µεταφέρεται στο κρύο και στο τέλος η µια θερµοκρασία θα επηρεάσει την άλλη. (s4) 248

261 Ι. Λεύκος 2011 Υποκατηγορία 3.5. «Επιστηµονικοφανής, µε ίδιες τελικές θερµοκρασίες, σαφή αναφορά στη θερµότητα αλλά καµία αναφορά στη τελική θερµοκρασία». Στις απαντήσεις των µαθητών αναφέρεται ρητά η ισότητα των τελικών θερµοκρασιών, ενώ επιπλέον το φαινόµενο αποδίδεται στην µεταφορά θερµότητας από το ζεστό προς το ψυχρό σώµα. εν γίνεται όµως καµία αναφορά στην τελική θερµοκρασία ισορροπίας, ενώ επιπλέον η εξήγηση του φαινοµένου επιχειρείται µε αναφορά στο µοριακό µοντέλο. Υπάρχει µία (1) απάντηση στην υποκατηγορία αυτή: - Οι θερµοκρασίες των δύο αυτών σωµάτων στο τέλος θα είναι ίδιες. Η θερµοκρασία από το θερµό σώµα θα µειωθεί και απ' το ψυχρό θα αυξηθεί. Αφού τα θερµά αλλά και τα ψυχρά µόρια των υγρών αυτών βρίσκονται στο ίδιο µέρος αλληλεπιδρούν µεταξύ τους µε αποτέλεσµα να µεταφερθεί θερµότητα απ' το θερµότερο στο ψυχρότερο σώµα. µε αυτόν τον τρόπο οι θερµοκρασίες των σωµάτων αλλάζουν. (s1) Β. Τελική θερµοκρασία νερού διαφορετική από τον Μέσο Όρο των αρχικών (Κατηγορία-2) Η επιλογή αυτή έγινε µόνο από ένα (1/14) µαθητή. Όσο αφορά δε την αιτιολόγηση, η απάντηση χαρακτηρίζεται ως εξής: Κατηγορία 2.1. «Ίδιες τελικές θερµοκρασίες, αλλά πρόβληµα στο διαχωρισµό θερµότητας θερµοκρασίας & επιστηµονικοφανής». Στην απάντηση αναφέρεται ρητά η ισότητα των τελικών θερµοκρασιών, αλλά υπάρχει πρόβληµα διαχωρισµού εννοιών, λέγοντας «..η θερµοκρασία µεταδίδεται από το ζεστό προς το κρύο». Επιπλέον επιχειρείται λανθασµένα η εξήγηση του φαινοµένου µε όρους µικροσκοπικού µοντέλου. Υπάρχει µία (1) απάντηση στην υποκατηγορία αυτή: - Οι θερµοκρασίες στο τέλος θα είναι ίσες. Στην αρχή οι θερµοκρασίες δεν ήταν ίσες, ενώ στο τέλος θα έχουν µια ίση θερµοκρασία πάνω στο θερµόµετρο. Όπως ξέρουµε η θερµοκρασία µεταδίδεται από το ζεστό προς το κρύο. Αυτό λοιπόν συνέβη στα δοχεία. Τα ζεστά µόρια µεταδόθηκαν στα κρύα και έτσι το νερό σε λίγη ώρα θα είναι ίση (εννοεί η θερµοκρασία του). (s12) Γ. Τελική θερµοκρασία νερού ίση µε την αρχική του ζεστού (Κατηγορία-1) Η επιλογή αυτή δεν έγινε από κανένα (0/14) µαθητή. Σχολιασµός post-test - 1ης οµάδας έργων Υπάρχει µια απάντηση την οποία µπορούµε να θεωρήσουµε ότι πλησιάζει περισσότερο στην επιστηµονική, η Κατηγορία 3.1, καθώς ο µαθητής (s14) αναφέρεται ρητά, τόσο στην µεταφορά θερµότητας ως αιτία αλλαγής των ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 249

262 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ θερµοκρασιών, όσο και στην ισότητα των τελικών θερµοκρασιών, τις οποίες επιπλέον τοποθετεί στον Μέσο Όρο των αρχικών. Εµφανίζονται από την άλλη µεριά δυο µαθητές (s1, s12) οι οποίοι προσπαθούν να χρησιµοποιήσουν το µικροσκοπικό µοντέλο για να εξηγήσουν το φαινόµενο, χωρίς επιτυχία. Επίσης θεωρούµε πολύ σηµαντικό το γεγονός ότι η πλειοψηφία των µαθητών (11/14) αναφέρει την µεταφορά θερµότητας ως αιτία αλλαγής των θερµοκρασιών, καθώς αποτελούσε σηµαντικό στόχο της διδασκαλίας µας. Η τοποθέτηση εξάλλου της τελικής θερµοκρασίας στον Μέσο Όρο των αρχικών, που θεωρείται κεντρικό σηµείο της διδασκαλίας, επίσης φαίνεται να έχει υιοθετηθεί από την πλειοψηφία των µαθητών (13/14), παρόλο που οι περισσότεροι αναφέρονται σε αυτή ως «µέση» ή «ενδιάµεση». Πρέπει όµως να αναφέρουµε ότι κανένας µαθητής δεν αιτιολογεί ρητά την επιλογή του Μέσου Όρου αναφερόµενος στην ισότητα των µαζών, γεγονός αρνητικό. Πάντως, όλοι οι µαθητές χωρίς εξαίρεση, απαντούν ότι οι θερµοκρασίες των δυο σωµάτων θα είναι µετά την αλληλεπίδραση ίσες µεταξύ τους. Τέλος, δεν εµφανίζεται κανένας µαθητής στο Μοντέλο-1. Συγκριτικός σχολιασµός pre & post-test 1 ης οµάδας έργων Κυριότερα σηµεία που πρέπει να τονίσουµε συγκρίνοντας την αρχική και τελική κατάσταση των µαθητών µας, µέσα από τις απαντήσεις τους είναι τα παρακάτω: Από άποψη αριθµών κατ αρχήν, στο τελικό τεστ υπάρχει µια επιπλέον µετακίνηση περίπου του 1/3 των µαθητών προς την Κατηγορία-3, που είναι η επιστηµονικά αποδεκτή, φτάνοντας σχεδόν στην καθολική πλειοψηφία. Επίσης, κανένας µαθητής δεν βρέθηκε στην «εναλλακτική» Κατηγορία-1 Ένα δεύτερο θετικό σηµείο είναι η αναφορά από µεγάλο αριθµό µαθητών, στην µεταφορά θερµότητας ως αίτιο για την αλλαγή των θερµοκρασιών. Πολύ σηµαντικό θεωρούµε επίσης ότι όλοι οι µαθητές και στο τελικό τεστ, τοποθετούν την τελική θερµοκρασία των δοχείων στην ίδια στάθµη. Τέλος πρέπει να επισηµάνουµε την επιµονή των δυο µαθητών να χρησιµοποιήσουν το µικροσκοπικό µοντέλο για την ερµηνεία του φαινοµένου, πλην όµως µε λανθασµένο τρόπο. Οµάδα έργων 2η: Επίδραση µεταξύ διαφορετικών ποσοτήτων νερού 250

263 Ι. Λεύκος 2011 Η 2 η οµάδα αφορά έργα της παρακάτω µορφής (Εικόνα 83), όπου δύο σώµατα (νερό) διαφορετικής θερµοκρασίας και διαφορετικής µάζας αλληλεπιδρούν µεταξύ τους. Εικόνα 83: Παράδειγµα έργου από την 2η οµάδα έργων Οι µαθητές καλούνται να προβλέψουν την τελική θερµοκρασία µετά την αλληλεπίδραση µε ποιοτικό τρόπο, σηµειώνοντας επάνω στο διάγραµµα των θερµοµέτρων και επιπλέον να εξηγήσουν τι συµβαίνει. Ο παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη από τους µαθητές προκειµένου να απαντήσουν είναι η διαφορά θερµοκρασίας τους και κυρίως η διαφορετική µάζα, καθώς το υλικό είναι το ίδιο. Η ερώτηση αποδείχθηκε πολύ δύσκολη, αφού στην πλειοψηφία τους οι µαθητές εµφάνισαν αδυναµία να απαντήσουν σωστά. Έτσι, υπήρχαν µαθητές που θεωρούσαν ότι οι θερµοκρασίες θα καταλήξουν στο Μέσο Όρο ή σε άλλο σηµείο προς την αρχική θερµοκρασία του ζεστού σώµατος, παρόλη τη διαφορά µαζών, ενώ ακόµη υπήρχαν κάποιοι που δεν θεωρούν ότι τα δυο σώµατα θα καταλήξουν σε κοινή τελική θερµοκρασία. Αρχική κατάσταση (pre-test) Η ερώτηση στο αρχικό ερωτηµατολόγιο είχε να κάνει µε τον προσδιορισµό της τελικής θερµοκρασίας από την αλληλεπίδραση δυο ποσοτήτων νερού όπου το κρύο ήταν πολύ περισσότερο από το ζεστό και την αιτιολόγηση της επιλογής. Εποµένως µια απάντηση όπως: «Από το ζεστό νερό µεταφέρεται θερµότητα προς το κρύο, µε αποτέλεσµα να αλλάζουν οι θερµοκρασίες τους. Η τελική θερµοκρασία των δοχείων θα είναι ίδια και πιο κοντά στην αρχική θερµοκρασία του κρύου νερού, διότι η µάζα του κρύου νερού είναι µεγαλύτερη», θεωρείται ικανοποιητική. Η ανάλυση των απαντήσεων των µαθητών, που ακολουθεί παρακάτω, βασίζεται στην προηγούµενη διατύπωση, η οποία έχει ένα βασικό σηµείο, την µεταφορά θερµότητας σαν αιτία αλλαγής της θερµοκρασίας των δοχείων, ένα δεύτερο την ισότητα των τελικών θερµοκρασιών και ένα τρίτο την αιτιολόγηση του σηµείου ισορροπίας µε βάση την διαφορά µαζών. Φυσικά η τοποθέτηση του σηµείου ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 251

264 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ισορροπίας πιο κοντά στην αρχική θερµοκρασία του κρύου νερού είναι επίσης σηµαντικό. Η κατηγοριοποίηση των απαντήσεων έγινε πρώτα µε βάση την σκίαση στο διάγραµµα ποια θεωρούν δηλαδή ότι είναι η τελική θερµοκρασία του νερού, και στη συνέχεια σε υποκατηγορίες µε βάση την αιτιολόγηση. Α. Τελική θερµοκρασία στο κοντά στην αρχική του σώµατος µε τη µεγαλύτερη µάζα (Κατηγορία-3) Η επιλογή αυτή έγινε ένα (1/14) µόνο µαθητή: Κατηγορία 3.1. «Αναφορά σε µεταφορά θερµότητας και στον προσδιορισµό της τελικής θερµοκρασίας». Ο µαθητής εκτός του ότι σχεδιάζει σωστά το θερµοµετρικό διάγραµµα, αναφέρει τόσο την µεταφορά θερµότητας, όσο και την µικρότερη διαφοροποίηση του κρύου νερού (λόγω µεγαλύτερης µάζας). Υπάρχει µια (1) απάντηση στην κατηγορία αυτή: - Το ζεστό νερό θα κρυώσει και το κρύο θα ζεσταθεί λίγο. Γιατί το ζεστό νερό µεταδίδει θερµότητα στο κρύο νερό (s7) Β. Τελική θερµοκρασία στο Μ.Ο. των αρχικών ή πιο κοντά στο σώµα µε τη µικρότερη µάζα (Κατηγορία-2) Η επιλογή αυτή έγινε από τα δυο τρίτα περίπου των µαθητών (8/14) και όσο αφορά την αιτιολόγηση, διακρίνουµε τις παρακάτω υποκατηγορίες: Υποκατηγορία 2.1. «Τελικές θερµοκρασίες ίδιες, στο Μ.Ο. χωρίς αναφορά στον παράγοντα µάζα». Οι µαθητές στην υποκατηγορία αυτή τοποθετούν την τελική θερµοκρασία λανθασµένα στον Μ.Ο. των αρχικών, ενώ δεν γίνεται καµία αναφορά στον πιθανό ρόλο της διαφορετικής µάζας των δυο σωµάτων. Υπάρχουν τρεις (3) απαντήσεις στην υποκατηγορία αυτή: - και τα δυο θα έχουν ίδια θερµοκρασία, δηλαδή το νερό και στα δύο δοχεία θα είναι χλιαρό. Γιατί µεταξύ κρύου και ζεστού είναι το χλιαρό. Είναι σαν να ρίχνεις το ζεστό νερό µέσα στο κρύο (s2) - το νερό στο δοχείο Β θα ζεσταθεί επειδή το νερό στο δοχείο Α είναι ζεστό ενώ το νερό στο δοχείο Β θα αρχίσει να ζεσταίνεται (s11) - η θερµοκρασία του νερού θα αλλάξει και θα αποκτήσει τη µέση θερµοκρασία µεταξύ του νερού που βρίσκεται στα δυο δοχεία. Αυτό συµβαίνει γιατί το κρύο νερό που βρίσκεται στο δοχείο Α θα ζεσταθεί και το ζεστό νερό του δοχείου Β θα κρυώσει. (s14) Υποκατηγορία 2.2. «Τελικές θερµοκρασίες ίδιες, στο Μ.Ο. χωρίς αναφορά στον παράγοντα µάζα & επιστηµονικοφανής». Στην περίπτωση αυτή η τελική θερµοκρασία τοποθετείται λανθασµένα στον Μ.Ο. των αρχικών, δεν γίνεται καµία αναφορά στον πιθανό ρόλο της διαφορετικής µάζας των δυο σωµάτων και γίνεται µια 252

265 Ι. Λεύκος 2011 προσπάθεια για εξήγηση µε χρήση του µικροσκοπικού µοντέλου, χωρίς όµως επιτυχία. Υπάρχει µία (1) απάντηση στην υποκατηγορία αυτή: - Γιατί τα µόρια του ζεστού νερού θα ζεστάνουν το γυαλί και το γυαλί αφού είναι ζεστό θα θερµάνει και τα µόρια από το Α δοχείο και έτσι θα µεταβληθεί λίγο η θερµοκρασία των υγρών αυτών, γιατί θα συµβεί αυτό και στο Β δοχείο, γιατί τα µόρια του νερού του θα ψυχθούν λίγο από τα κρύα µόρια του δοχείου Α (s1) Υποκατηγορία 2.3. «Τελικές θερµοκρασίες ίδιες, στο Μ.Ο. χωρίς αναφορά στον παράγοντα µάζα & αναφορά σε όρους θερµοκρασίας αντί για όρους θερµότητας». Οι µαθητές στην υποκατηγορία αυτή, τοποθετούν λανθασµένα την τελική θερµοκρασία στον Μ.Ο. των αρχικών, δεν κάνουν καµία αναφορά στον πιθανό ρόλο της διαφορετικής µάζας των δυο σωµάτων και παράλληλα φαίνεται να χρησιµοποιούν εκφράσεις µε τον όρο θερµοκρασία αντί για τον όρο θερµότητα που θα ήταν περισσότερο ακριβής. Υπάρχουν δυο (2) απαντήσεις στην υποκατηγορία αυτή: - µετά από αρκετή ώρα θα έχει αλλάξει η θερµοκρασία τους. Γιατί το δοχείο Α βρίσκεται σε µια ατµόσφαιρα ζεστή και το δοχείο Β επηρεάζεται από την κρύα θερµοκρασία (s3) - θα γίνει µια µέτρια θερµοκρασία. Γιατί όταν το δοχείο Α µπει µέσα στο δοχείο Β, το Β παίρνει τη ζεστή θερµοκρασία από το Α και γίνεται και το αντίθετο (s5) Υποκατηγορία 2.4. «Τελικές θερµοκρασίες ίδιες, περίπου στο Μ.Ο., µε σαφή αναφορά στον παράγοντα µάζα, χωρίς όµως τελικά να υπολογίζεται, λόγω Ισχυρού Ζεστού». Στην περίπτωση αυτή οι µαθητές τοποθετούν την τις τελικές θερµοκρασίες περίπου στον Μ.Ο. αλλά πιο κοντά στο ζεστό νερό (που ήταν και λιγότερο). Παρότι κάνουν αναφορά στην διαφορετική µάζα µεταξύ των δυο σωµάτων, φαίνεται να θεωρούν πως το ζεστό νερό, παρότι είναι λιγότερο, δεν µπορεί να αλλάξει εύκολα θερµοκρασία, διότι είναι «Ισχυρό». Υπάρχουν δυο (2) απαντήσεις στην υποκατηγορία αυτή: - θα έχουν ίση θερµοκρασία. Το κρύο νερό είναι πιο πολύ από το ζεστό και θα ανέβει η θερµοκρασία του και από το ζεστό θα κατέβει. Γιατί το ζεστό ζεσταίνει το κρύο, όταν είναι ίσα (s8) - το κρύο νερό ήταν πιο πολύ από το ζεστό και η µίξη τους προκαλεί την αλλαγή θερµοκρασία στο δοχείο µε το ζεστό νερό (s9) Γ. Τελική θερµοκρασία διαφορετική στα δυο σώµατα (Κατηγορία-1) Η επιλογή αυτή έγινε από πέντε µαθητές (5/14). Η τελική θερµοκρασία των δύο σωµάτων σηµειώνεται διαφορετική στα δυο σώµατα. Όσο αφορά δε την αιτιολόγηση, διακρίνουµε τιις παρακάτω υποκατηγορίες: Υποκατηγορία 1.1. «ιαφορετικές τελικές θερµοκρασίες, χωρίς αναφορά στον παράγοντα µάζα». Στην περίπτωση αυτή, οι µαθητές τοποθετούν τις τελικές θερµοκρασίες των σωµάτων σε διαφορετικό σηµείο την κάθε µια. Επιπλέον, δεν φαίνεται να λαµβάνουν καθόλου υπόψη τους το γεγονός ότι τα δυο σώµατα έχουν ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 253

266 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ διαφορετική µάζα. Υπάρχουν τρεις (3) απαντήσεις στην υποκατηγορία αυτή: - Μετά από αρκετή ώρα θα αλλάξει και από τα δυο η θερµοκρασία. Γιατί αν θα τα βάλουµε µέσα τα δοχεία Α στο Β, θα αλλάξουν και στα δυο οι θερµοκρασίες, επειδή δεν είναι ίδιες (s4) - το νερό του δοχείου Α θα αρχίσει να ζεσταίνεται και το δοχείο Β θα κρυώσει λίγο, µε αποτέλεσµα το νερό να είναι χλιαρό (s10) - Μετά από αρκετή ώρα το µέσα νερό θα κρυώσει γιατί το εξωτερικό θα το επηρεάσει (s13) Υποκατηγορία 1.2. «ιαφορετικές τελικές θερµοκρασίες, µε σαφή αναφορά στον παράγοντα µάζα». Στην περίπτωση αυτή, οι µαθητές τοποθετούν τις τελικές θερµοκρασίες των σωµάτων σε διαφορετικό σηµείο την κάθε µια. Όµως, φαίνεται να αναγνωρίζουν πως κάποιο ρόλο παίζει το γεγονός ότι τα δυο σώµατα έχουν διαφορετική µάζα, παρόλο που δεν µπορούν να το ενσωµατώσουν στην απάντησή τους. Υπάρχει µία (1) απάντηση στην υποκατηγορία αυτή: - Η θερµοκρασία από το λίγο νερό θα κρυώσει. Επειδή το Β µπουκάλι έχει πιο πολύ νερό (s6) Υποκατηγορία 1.3. «ιαφορετικές τελικές θερµοκρασίες, µε σαφή αναφορά στον παράγοντα µάζα & επιστηµονικοφανής». Στην περίπτωση αυτή, οι µαθητές τοποθετούν τις τελικές θερµοκρασίες των σωµάτων σε διαφορετικό σηµείο την κάθε µια. Όµως, φαίνεται να αναγνωρίζουν πως κάποιο ρόλο παίζει το γεγονός ότι τα δυο σώµατα έχουν διαφορετική µάζα µεταξύ τους και γίνεται µια προσπάθεια να χρησιµοποιηθούν όροι του µικροσκοπικού µοντέλου. Υπάρχει µία (1) απάντηση στην υποκατηγορία αυτή: - η θερµοκρασία θα αλλάξει κατά λίγο. Γιατί στο δοχείο Α µε το ζεστό νερό έχει λιγότερη ποσότητα θερµών µορίων από το Β γι αυτό το νερό θα έχει µέτρια θερµοκρασία (s12) Σχολιασµός pre-test 2 ης οµάδας έργων Από τις απαντήσεις των µαθητών µας παρατηρούµε ότι: Η πλησιέστερη στην επιστηµονική απάντηση είναι του µαθητή (s7) της υποκατηγορίας 3.1. Αυτό που κυρίως λείπει από τις εξηγήσεις των µαθητών είναι η αιτιολόγηση του τελικού σηµείου θερµοκρασίας µε βάση την ανισότητα των µαζών. Μόνο ένας µαθητής (s1) κάνει σαφή αναφορά στην ανισότητα των µαζών. υο µαθητές (s1, s12) προσπαθούν να χρησιµοποιήσουν το µικροσκοπικό µοντέλο για να εξηγήσουν το φαινόµενο, χωρίς ιδιαίτερη επιτυχία. Υπάρχει επίσης κάποια σύγχυση µεταξύ των όρων θερµοκρασία και θερµότητα, όπως φαίνεται και από τις απαντήσεις δυο µαθητών (s3, s5). Μεγαλύτερη απόσταση από την επιστηµονική θεωρούµε πως έχουν η υποκατηγορία 2.4, όπου οι µαθητές (s8,s9) δεν αναγνωρίζουν καθόλου την αµφίδροµη αλληλεπίδραση και θεωρούν το ζεστό νερό σαν ένα ανεπηρέαστο 254

267 Ι. Λεύκος 2011 «δότη», καθώς και η υποκατηγορία 1.1, όπου οι µαθητές (s4,s10,s13), φαίνεται πως όχι µόνο δεν αντιλαµβάνονται την τελική εξισορρόπηση των θερµοκρασιών, αλλά εκτός αυτού δεν µπορούν κα να αναγνωρίσουν τον πιθανό ρόλο που µπορεί να έχει η διαφορετική µάζα των σωµάτων στην αλληλεπίδραση µεταξύ τους. Τελική κατάσταση (post-test) Στο τελικό ερωτηµατολόγιο, η αντίστοιχη ερώτηση της οµάδας αυτής έργων, αφορούσε την αλληλεπίδραση δύο διαφορετικών ποσοτήτων νερού, σε δυο δοχεία όπου το ένα ήταν εµβαπτισµένο µέσα στο άλλο (εικ. 1). Η ανάλυση των απαντήσεων των µαθητών, που ακολουθεί παρακάτω, βασίζεται σε µια αποδεκτή επιστηµονικά διατύπωση, όπως: «Οι θερµοκρασίες των 2 δοχείων θα είναι στο τέλος ίσες, και πιο κοντά στην αρχική θερµοκρασία του κρύου νερού, αφού η µάζα του κρύου νερού είναι µεγαλύτερη, καθώς θερµότητα µεταφέρεται από το θερµό προς το ψυχρό σώµα µέχρι την αποκατάσταση της θερµικής ισορροπίας». Ουσιαστικά δηλαδή βασίζεται στα 4 σηµεία, που σηµειώσαµε µε έντονα γράµµατα. Υπάρχει δηλαδή αυξηµένη πολυπλοκότητα σε σχέση µε το αρχικό ερωτηµατολόγιο, µιας και έχει δοθεί έµφαση κατά τη διάρκεια της διδασκαλίας τόσο στο ρόλο της µάζας των σωµάτων, όσο και στην τελική ισότητα των θερµοκρασιών και φυσικά στην αιτιολόγηση µέσω της µεταφοράς θερµότητας. Επιπλέον η απάντηση συνοδεύεται και από την γραφική απεικόνιση πάνω σε ένα θερµοµετρικό διάγραµµα των τελικών θερµοκρασιών των δύο σωµάτων Η κατηγοριοποίηση των απαντήσεων όπως και στο αρχικό ερωτηµατολόγιο, έγινε πρώτα µε βάση την απεικόνιση στο διάγραµµα ποια θεωρούν δηλαδή ότι είναι η τελική θερµοκρασία του νερού, και στη συνέχεια σε υποκατηγορίες µε βάση την περιγραφή και αιτιολόγηση του φαινοµένου. Α. Τελική θερµοκρασία στο κοντά στην αρχική του σώµατος µε τη µεγαλύτερη µάζα (Κατηγορία-3) Η επιλογή αυτή έγινε από το σύνολο σχεδόν των µαθητών (12/14). Όσο αφορά δε την αιτιολόγηση, διακρίνουµε τις παρακάτω υποκατηγορίες: Υποκατηγορία 3.1. «Ίδιες τελικές θερµοκρασίες, σαφή αναφορά στον παράγοντα µάζα και συνυπολογισµός του στην απάντηση, χωρίς αναφορά στη θερµότητα». Στις απαντήσεις των µαθητών της υποκατηγορίας αυτής, προσδιορίζεται σωστά το σηµείο της θερµικής ισορροπίας των δυο σωµάτων, καθώς αναφέρεται ρητά αλλά και λαµβάνεται υπόψη ο ρόλος της διαφοράς µάζας που έχουν µεταξύ τους. Υπάρχουν έντεκα (11) απαντήσεις στην υποκατηγορία αυτή: - η θερµοκρασία του ζεστού νερού θα επηρεαστεί (µεταβληθεί) περισσότερο απ' τη θερµοκρασία της µεγάλης ποσότητας νερού (s1) - η ποσότητα του κρύου νερού είναι µεγαλύτερη από ότι του ζεστού (s2) - η θερµοκρασία (σ.σ. τελική) θα έρθει προς τη µεγαλύτερη µάζα και στο δοχείο Α (σ.σ. ζεστό) θα πέσει πολύ η θερµοκρασία (s3) - επειδή η µεγαλύτερη ποσότητα θα επηρεάσει τη λίγη (s4) ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 255

268 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ - γιατί το κρύο νερό έχει πιο µεγάλη µάζα και όγκο (s5) - οι ποσότητες του νερού δεν είναι ίδιες (s6) - το ζεστό θα επηρεαστεί πιο πολύ (s9) - το κρύο θα επηρεαστεί λίγο...(s10) - επειδή έχουν διαφορετικές µάζες(s11) - γιατί το κρύο είναι πολύ ενώ το ζεστό λίγο (s13) - το κρύο νερό είναι περισσότερο από το ζεστό, έτσι η θερµοκρασία του θα αλλάξει λιγότερο (s14) Υποκατηγορία 3.2. «Ίδιες τελικές θερµοκρασίες, σαφή αναφορά στον παράγοντα µάζα και συνυπολογισµός του στην απάντηση, µε αναφορά στη θερµότητα». Στις απαντήσεις των µαθητών της υποκατηγορίας αυτής, προσδιορίζεται σωστά το σηµείο της θερµικής ισορροπίας των δυο σωµάτων, καθώς αναφέρεται και λαµβάνεται υπόψη ο ρόλος της διαφοράς µάζας που έχουν µεταξύ τους. Επιπλέον γίνεται αναφορά στον όρο της Θερµότητας ως η αιτία αλλαγής των θερµοκρασιών των σωµάτων που αλληλεπιδρούν. Υπάρχει µία (1) απάντηση στην υποκατηγορία αυτή: - το πολύ νερό χρειάζεται µεγαλύτερο ποσό θερµότητας για να θερµανθεί από ότι το λίγο (s7) Β. Τελική θερµοκρασία πιο κοντά στο σώµα µε τη µικρότερη µάζα (Κατηγορία- 2) Η επιλογή αυτή έγινε µόνο από ένα (1/14) µαθητή. Όσο αφορά δε την αιτιολόγηση, η απάντηση χαρακτηρίζεται ως εξής: Υποκατηγορία 2.1. «Τελικές θερµοκρασίες ίδιες, χωρίς αναφορά στη µάζα, προς τη µεριά του λιγότερου, λόγω Ισχυρού Ζεστού, µε αναφορά στη θερµότητα». Στην περίπτωση αυτή οι τελικές θερµοκρασίες τοποθετούνται ίδιες, αλλά κοντά στο ζεστό νερό (παρότι ήταν λιγότερο). Φαίνεται λοιπόν να θεωρούν πως το ζεστό νερό, παρότι είναι λιγότερο, δεν µπορεί να αλλάξει εύκολα θερµοκρασία, διότι είναι «Ισχυρό». Ο µαθητής, από την άλλη µεριά, κάνει αναφορά στον όρο της θερµότητας. Υπάρχει µία (1) απάντηση στην υποκατηγορία αυτή: - πάντα µεταφέρεται θερµότητα από το ζεστό στο ψυχρότερο (s8) Γ. Τελική θερµοκρασία διαφορετική στα δυο σώµατα (Κατηγορία-1) Η επιλογή αυτή έγινε από ένα µαθητή (1/14). Η τελική θερµοκρασία των δύο σωµάτων σηµειώνεται διαφορετική στα δυο σώµατα. Όσο αφορά δε την αιτιολόγηση, η απάντηση χαρακτηρίζεται ως εξής: Υποκατηγορία 1.1. «ιαφορετικές τελικές θερµοκρασίες, µε σαφή αναφορά στον παράγοντα µάζα». Στην περίπτωση αυτή, οι τελικές θερµοκρασίες των σωµάτων τοποθετούνται σε διαφορετικό σηµείο η κάθε µια. Όµως, φαίνεται να αναγνωρίζεται πως κάποιο ρόλο παίζει το γεγονός ότι τα δυο σώµατα έχουν διαφορετική µάζα, 256

269 Ι. Λεύκος 2011 παρόλο που δεν εµφανίζεται τελικά στην απάντηση. Υπάρχει µία (1) απάντηση στην υποκατηγορία αυτή: - γιατί το κρύο νερό έχει περισσότερη µάζα από το ζεστό (s12) Σχολιασµός post-test 2 ης οµάδας έργων Υπάρχει µια απάντηση την οποία µπορούµε να θεωρήσουµε ότι πλησιάζει περισσότερο στην επιστηµονική, στην υποκατηγορία 3.1, καθώς ο µαθητής (s7) αναφέρεται ρητά, τόσο στην µεταφορά θερµότητας ως αιτία αλλαγής των θερµοκρασιών, όσο και στην ισότητα των τελικών θερµοκρασιών, τις οποίες επιπλέον τοποθετεί πλησιέστερα στην αρχική του σώµατος µε την µεγαλύτερη µάζα. Υπάρχει επίσης ένας µαθητής (s8) που διατηρεί την εναλλακτική άποψη του «Ισχυρού Ζεστού», θεωρώντας ότι ακόµη και αν η ποσότητα του ζεστού νερού είναι πιο µικρή από ότι του κρύου, αυτό έχει την ισχύ να διατηρεί τη θερµοκρασία του αµετάβλητη. Η αναφορά σε όρους θερµότητας δεν είναι ικανοποιητική, καθώς αναφέρεται σε δυο (2/14) µόνο απαντήσεις. Σχετικά µε τον παράγοντα της µάζας, θεωρούµε ότι υπήρξε µεγάλη επιτυχία από την µεριά των µαθητών µας, καθώς σχεδόν όλοι (12/14), µπορούν να υπολογίσουν ορθά την τελική θερµοκρασία της ισορροπίας µεταξύ δυο σωµάτων διαφορετικής µάζας, λαµβάνοντας υπόψη τον παράγοντα αυτό. Συγκριτικός σχολιασµός pre & post-test 2 ης οµάδας έργων Κυριότερα σηµεία που πρέπει να τονίσουµε συγκρίνοντας την αρχική και τελική κατάσταση των µαθητών µας, µέσα από τις απαντήσεις τους είναι τα παρακάτω: Παρατηρείται µια σαφής µετακίνηση των µαθητών µας από απαντήσεις της κατηγορίας 2 & 1 στο αρχικό ερωτηµατολόγιο, προς απαντήσεις της κατηγορίας 3 στο τελικό. Από την άλλη µεριά, κάποιος µαθητής φαίνεται να διατηρεί ακόµη την εναλλακτική άποψη του «Ισχυρού Ζεστού», ενώ ένας ακόµη δεν τοποθετεί τις τελικές θερµοκρασίες των αλληλεπιδρώντων σωµάτων στο ίδιο σηµείο. Ακόµη, αρνητικό θεωρούµε το γεγονός ότι δεν γίνεται από πολλούς µαθητές, ακόµη και στο τελικό ερωτηµατολόγιο, αναφορά σε όρους θερµότητας, ως την αιτία αλλαγής της θερµοκρασίας. Να επισηµάνουµε όµως ότι συµβαίνει το αντίθετο σε άλλη οµάδα έργων του τελικού ερωτηµατολογίου, όπου οι περισσότεροι από τους µαθητές αναφέρονται στη θερµότητα. Οµάδα έργων 5η: Επίδραση µεταξύ ενός σώµατος και του περιβάλλοντος ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 257

270 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Η 5 η οµάδα αφορά έργα της παρακάτω µορφής (Εικόνα 82), όπου ένα σώµα αλληλεπιδρά µε το περιβάλλον. Η ερώτηση στοχεύει στη διάγνωση της ικανότητας των µαθητών να διακρίνουν το ρόλο του περιβάλλοντος στην αλληλεπίδραση µε το σώµα και στην αιτιολόγηση της αλλαγής της θερµοκρασίας του µε βάση τις ανταλλαγές θερµότητας. Επιπλέον µε το δεύτερο σκέλος (θερµοµετρικό διάγραµµα) επιδιώκεται η καταγραφή της άποψής τους σχετικά µε την τελική θερµοκρασία του νερού, σε σχέση µε αυτή του περιβάλλοντος, ζήτηµα που βρίσκεται στον πυρήνα της διαπραγµάτευσης που κάνουµε για τα θερµικά φαινόµενα. Εικόνα 84: Παράδειγµα έργου από την 5η κατηγορία Αρχική κατάσταση (pre-test) Η ανάλυση των απαντήσεων των µαθητών, που ακολουθεί παρακάτω, βασίζεται σε µια αποδεκτή επιστηµονικά διατύπωση, όπως: «Η θερµοκρασία του νερού θα αυξάνει σταδιακά, διότι ποσά θερµότητας µεταφέρονται από τον θερµό αέρα του περιβάλλοντος προς το κρύο νερό, µέχρι να φτάσει στην ίδια θερµοκρασία µε το περιβάλλον». Ουσιαστικά δηλαδή βασίζεται στα 4 σηµεία, που σηµειώσαµε µε έντονα γράµµατα. Επιπλέον η απάντηση συνοδεύεται και από την σκίαση πάνω στο θερµόµετρο του νερού (δεξιά στην Εικόνα 82) µέχρι την ανώτερη διακεκοµµένη γραµµή που αντιστοιχεί σε θερµοκρασία ίση µε του περιβάλλοντος. Η κατηγοριοποίηση των απαντήσεων έγιναν πρώτα µε βάση την σκίαση στο διάγραµµα ποια θεωρούν δηλαδή ότι είναι η τελική θερµοκρασία του νερού, και στη συνέχεια µε βάση την αιτιολόγηση του φαινοµένου. Α. Τελική θερµοκρασία ίση µε του περιβάλλοντος (Κατηγορία-3) Η επιλογή αυτή έγινε από το 1/3 περίπου των µαθητών (5/14). Όσο αφορά δε την αιτιολόγηση, διακρίνουµε τις παρακάτω κατηγορίες: 258

271 Ι. Λεύκος 2011 Υποκατηγορία 3.1. «Το περιβάλλον ως αίτιο». Στις απαντήσεις των µαθητών αναγνωρίζεται ο ρόλος του αέρα ή του περιβάλλοντος σαν αίτιο για την αλλαγή της θερµοκρασίας του νερού. Υπάρχουν δυο (2) απαντήσεις στην υποκατηγορία αυτή: - Θα ζεσταθεί γιατί το περιβάλλον θα επηρεάσει τη θερµοκρασία και θα την ανεβάσει - Το νερό θα πάρει τη θερµοκρασία του περιβάλλοντος Υποκατηγορία 3.2. «Φαινοµενολογικές δευτερεύοντα φαινόµενα». Στις απαντήσεις των µαθητών αναφέρονται δευτερεύοντα φαινόµενα όπως η διαστολή ή η εξάτµιση χωρις καµία αναφορά σε αίτιο. Υπάρχουν τρεις (3) απαντήσεις στην υποκατηγορία αυτή: - Το νερό θα ζεσταθεί µετά από ώρα αλλά και µια µικρή ποσότητα θα εξατµιστεί - Θα ζεσταθεί. Και αν η αλλαγή θερµοκρασίας είναι πολύ µεγάλη υπάρχει πιθανότητα να σπάσει - Θα ζεσταθεί πολύ και µετά από λίγη ώρα εφόσον θα έχει ζεσταθεί θα αρχίσει να εξατµίζεται Β. Τελική θερµοκρασία νερού στον Μέσο Όρο των αρχικών (Κατηγορία-2) Η επιλογή αυτή έγινε από τους µισούς µαθητές (7/14) και είναι η πιο δηµοφιλής. Όσο αφορά δε την αιτιολόγηση, διακρίνουµε τις παρακάτω υποκατηγορίες: Υποκατηγορία 2.1. «Το περιβάλλον ως αίτιο». Στις απαντήσεις των µαθητών αναγνωρίζεται ο ρόλος του αέρα ή του περιβάλλοντος σαν αίτιο για την αλλαγή της θερµοκρασίας του νερού. Υπάρχουν δυο (2) απαντήσεις στην υποκατηγορία αυτή: - Το νερό θα αρχίσει να ζεσταίνεται από τον ζεστό αέρα που υπάρχει. Μετά το νερό θα έχει πιο µεγάλη θερµοκρασία από την αρχική του - Το περιβάλλον είναι ζεστό και το νερό θα πάρει τη θερµοκρασία του περιβάλλοντος που είναι ζεστό, άρα το νερό θα γίνει ζεστό Υποκατηγορία 2.2. «Το περιβάλλον ως αίτιο & δευτερεύοντα φαινόµενα». Στις απαντήσεις των µαθητών εκτός από το περιβάλλον, αναφέρονται και δευτερεύοντα φαινόµενα όπως η διαστολή ή η εξάτµιση. Υπάρχει µια (1) απάντηση στην υποκατηγορία αυτή: - Επειδή είναι διαφορετικές οι θερµοκρασίες το ποτήρι θα σπάσει Υποκατηγορία 2.3. «Επιστηµονικοφανής». Στις απαντήσεις των µαθητών υπάρχει µια πολυπλοκότητα και αναφορά σε επιστηµονικούς όρους, χωρίς όµως να είναι επιστηµονικά ορθές. Υπάρχει µια (1) απάντηση στην υποκατηγορία αυτή: ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 259

272 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ - Το νερό όταν βγει από το ψυγείο θα είναι κρύο επειδή τα µόριά του ψύχονται όση ώρα είναι στο ψυγείο. Από την ώρα που το νερό βγει από το ψυγείο τότε τα µόριά του θα αρχίσουν να θερµαίνονται λόγω των ήδη θερµαινόµενων µορίων από τον ήλιο Υποκατηγορία 2.4. «Φαινοµενολογικές δευτερεύοντα φαινόµενα». Στις απαντήσεις των µαθητών γίνεται απλά αναφορά στο φαινόµενο ή σε δευτερεύοντα φαινόµενα χωρίς όµως να αναφέρεται κάποιο αίτιο. Υπάρχουν τρεις (3) απαντήσεις στην υποκατηγορία αυτή: - Αν αφήσουµε το ποτήρι πάνω στο τραπέζι πολύ ώρα το νερό θα ζεσταθεί και θα ανέβει η θερµοκρασία του - Το νερό που περιέχει το ποτήρι θα ζεσταθεί, άρα θα αυξηθεί η θερµοκρασία του και θα πάθει διαστολή - Το ποτήρι θα πάει διαστολή αι σπάσει. Τελική θερµοκρασία νερού σε κάποιο σηµείο διαφορετικό των προηγούµενων (Κατηγορία-1) Η επιλογή αυτή έγινε µόνο από ελάχιστους (2/14) και είναι η πιο σπάνια. Όσο αφορά δε την αιτιολόγηση, διακρίνουµε τις παρακάτω υποκατηγορίες: Υποκατηγορία 1.1. «Το περιβάλλον ως αίτιο». Στις απαντήσεις των µαθητών αναγνωρίζεται ο ρόλος του αέρα ή του περιβάλλοντος σαν αίτιο για την αλλαγή της θερµοκρασίας του νερού. Υπάρχει µια (1) απάντηση στην υποκατηγορία αυτή: - Το ποτήρι µε το κρύο νερό θα αρχίσει σιγά- σιγά να κρυώνει (εννοεί να ζεσταίνεται) γιατί τώρα η ατµόσφαιρα που υπάρχει γύρω του είναι ζεστή και όχι κρύα όπως ήταν στο ψυγείο Υποκατηγορία 1.2. «Το περιβάλλον ως αίτιο & δευτερεύοντα φαινόµενα». Στις απαντήσεις των µαθητών αναφέρονται δευτερεύοντα φαινόµενα όπως η διαστολή ή η εξάτµιση. Υπάρχει µια (1) απάντηση στην κατηγορία αυτή: - Το ποτήρι θα θολώσει γιατί το νερό είναι κρύο και το περιβάλλον ζεστό Σχολιασµός pre-test 5 ης οµάδας έργων Από τις απαντήσεις των µαθητών µας παρατηρούµε ότι: Κανείς δεν αναφέρει την µεταφορά θερµότητας σαν αίτιο αλλαγής της θερµοκρασίας του νερού, άρα ουσιαστικά καµία απάντηση δεν µπορεί να θεωρηθεί πλήρης επιστηµονικά. Η πλησιέστερη στην επιστηµονική απάντηση είναι της υποκατηγορίας

273 Ι. Λεύκος 2011 Μεγαλύτερη απόσταση από την επιστηµονική έχει η υποκατηγορία των φαινοµενολογικών απαντήσεων, όπου δεν αναφέρεται καθόλου κάποιο αίτιο για την αλλαγή της θερµοκρασίας του νερού. Τελική κατάσταση (post-test) Στο τελικό ερωτηµατολόγιο, η αντίστοιχη ερώτηση της κατηγορίας αυτής έργων, αφορούσε την αλληλεπίδραση ενός θερµού µεταλλικού κύβου µε το ψυχρότερο περιβάλλον. Η ανάλυση των απαντήσεων των µαθητών, που ακολουθεί παρακάτω, βασίζεται σε µια αποδεκτή επιστηµονικά διατύπωση, όπως: «Η θερµοκρασία του κύβου θα µειώνεται σταδιακά, διότι ποσά θερµότητας µεταφέρονται από τον θερµό κύβο προς τον κρύο αέρα του περιβάλλοντος, µέχρι να φτάσει στην ίδια θερµοκρασία µε το περιβάλλον, η θερµοκρασία του οποίου δε θα µεταβληθεί (πρακτικά καθόλου) λόγω της µεγάλης του θερµοχωρητικότητας (ή της πολύ µεγάλης του µάζας)». Ουσιαστικά δηλαδή βασίζεται στα 5 σηµεία, που σηµειώσαµε µε έντονα γράµµατα. Υπάρχει δηλαδή αυξηµένη πολυπλοκότητα σε σχέση µε το αρχικό ερωτηµατολόγιο, µιας και έχει δοθεί έµφαση κατά τη διάρκεια της διδασκαλίας στο ρόλο του περιβάλλοντος. Επιπλέον η απάντηση συνοδεύεται και από την γραφική απεικόνιση πάνω σε ένα θερµοµετρικό διάγραµµα των τελικών θερµοκρασιών του κύβου και του περιβάλλοντος. Η κατηγοριοποίηση των απαντήσεων όπως και στο αρχικό ερωτηµατολόγιο, έγιναν πρώτα µε βάση την απεικόνιση στο διάγραµµα ποια θεωρούν δηλαδή ότι είναι η τελική θερµοκρασία του νερού, και στη συνέχεια µε βάση την αιτιολόγηση του φαινοµένου. Α. Τελική θερµοκρασία ίση µε του περιβάλλοντος (Κατηγορία-3) Η επιλογή αυτή έγινε από το σύνολο σχεδόν των µαθητών (12/13). Όσο αφορά δε την αιτιολόγηση, διακρίνουµε τις παρακάτω κατηγορίες: Υποκατηγορία 3.1. «Το περιβάλλον και ο ρόλος της µάζας, χωρίς αναφορά σε θερµότητα». Στις απαντήσεις των µαθητών αναγνωρίζεται ο ρόλος του αέρα ή του περιβάλλοντος σαν το σώµα που προκαλεί την αλλαγή της θερµοκρασίας του µεταλλικού κύβου και γίνεται συγκεκριµένη αναφορά στη µεγάλη µάζα του (σε σχέση µε αυτή του κύβου) ως παράµετρος που καθορίζει την τελική θερµοκρασία. εν αναφέρεται καθόλου όµως η µεταφορά θερµότητας σαν το αίτιο που προκαλεί την αλλαγή θερµοκρασίας. Υπάρχουν τέσσερεις (4) απαντήσεις στην κατηγορία αυτή: - Η θερµοκρασία του δωµατίου θα επηρεαστεί ελαχιστότατα, σχεδόν καθόλου ενώ ο κύβος θα πάρει τη θερµοκρασία δωµατίου. Ο αέρας του δωµατίου είναι αµέτρητος, δεν επηρεάζεται σχεδόν καθόλου από τον κύβο, γιατί έχει µικρή µάζα (s2) - Η τελική θερµοκρασία θα είναι ότι ο κύβος θα πάρει τη θερµοκρασία του δωµατίου. Το δωµάτιο έχει µεγαλύτερη µάζα από ότι ο κύβος (s4) ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 261

274 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ - Η τελική θερµοκρασία θα βρίσκεται κοντά στην αρχική θερµοκρασία του δωµατίου. Tο δωµάτιο είναι ένας µεγάλος χώρος ενώ ο κύβος είναι µικρός, έτσι το δωµάτιο επηρεάζεται ελάχιστα (s11) - Η θερµοκρασία του περιβάλλοντος δεν έχει αλλάξει, η θερµοκρασία του κύβου θα φτάσει στη θερµοκρασία δωµατίου. Το περιβάλλον έχει πολύ µεγαλύτερη µάζα από ότι ο κύβος, γι αυτό δεν επηρεάζεται σχεδόν καθόλου (s14) Υποκατηγορία 3.2. «Το περιβάλλον και ο ρόλος της µάζας, αίτιο η µεταφορά θερµότητας». Στις απαντήσεις των µαθητών αναγνωρίζεται ο ρόλος του αέρα ή του περιβάλλοντος σαν το σώµα που προκαλεί την αλλαγή της θερµοκρασίας του µεταλλικού κύβου, γίνεται συγκεκριµένη αναφορά στη µεγάλη µάζα του (σε σχέση µε αυτή του κύβου) ως παράµετρος που καθορίζει την τελική θερµοκρασία και επιπλέον προσδιορίζεται η µεταφορά θερµότητας σαν το αίτιο που προκαλεί την αλλαγή της θερµοκρασίας. Υπάρχουν δυο (2) απαντήσεις στην κατηγορία αυτή: - Η θερµοκρασία του κύβου θα µεταβληθεί πολύ περισσότερο λόγω της µάζας και της χωρητικότητας των δυο σωµάτων. Η θερµότητα διαδίδεται µέσω θερµικής ακτινοβολίας και έτσι η θερµοκρασία των σωµάτων µεταβάλλεται (s1). - Θα υπάρχει θερµική ισορροπία. Μεταφέρεται θερµότητα από τον κύβο στο περιβάλλον αλλά επειδή η µάζα του περιβάλλοντος είναι τεράστια δεν αλλάζει καθόλου (s6). Υποκατηγορία 3.3. «Το περιβάλλον και έµµεσα ο ρόλος της µάζας, χωρίς αναφορά σε θερµότητα». Στις απαντήσεις των µαθητών αναγνωρίζεται ο ρόλος του αέρα ή του περιβάλλοντος σαν το σώµα που προκαλεί την αλλαγή της θερµοκρασίας του µεταλλικού κύβου αλλά γίνεται έµµεση και όχι ξεκάθαρη αναφορά στη µεγάλη µάζα του (σε σχέση µε αυτή του κύβου) ως παράµετρος που καθορίζει την τελική θερµοκρασία. εν αναφέρεται καθόλου όµως η µεταφορά θερµότητας σαν το αίτιο που προκαλεί την αλλαγή θερµοκρασίας Υπάρχουν πέντε (5) απαντήσεις στην υποκατηγορία αυτή: - Είναι και οι δύο θερµοκρασίες, στη θερµοκρασία περιβάλλοντος. εν αλλάζει (εννοεί το περιβάλλον). Η θερµοκρασία του περιβάλλοντος δεν µπορεί να µεταβληθεί από ένα ζεστό κύβο (s3). - Θα υπάρχει θερµική ισορροπία, στην αρχική θερµοκρασία περιβάλλοντος. Το περιβάλλον δεν επηρεάζεται εύκολα.(s5). - Θα είναι σαν τη θερµοκρασία του κρύου δωµατίου. Η θερµοκρασία του περιβάλλοντος αλλάζει πάρα πολύ δύσκολα, και όχι από ένα κύβο. (s8) - Η θερµοκρασία του κύβου θα πέσει πάρα πολύ ενώ του δωµατίου απειροελάχιστα. Η θερµοκρασία του περιβάλλοντος επηρεάζεται πιο δύσκολα (s9) - Θα είναι ίσες (εννοεί µεταξύ τους). Ο κύβος θα επηρεαστεί πολύ από το δωµάτιο ενώ το δωµάτιο ελάχιστα από τον κύβο (s10) Υποκατηγορία 3.4. «Το περιβάλλον αλλά καµία αναφορά στο ρόλο της µάζας. Αίτιο η µεταφορά θερµότητας». Στις απαντήσεις των µαθητών αναγνωρίζεται ο 262

275 Ι. Λεύκος 2011 ρόλος του αέρα ή του περιβάλλοντος σαν το σώµα που προκαλεί την αλλαγή της θερµοκρασίας του µεταλλικού κύβου όµως δεν γίνεται καµία αναφορά στη µεγάλη µάζα του (σε σχέση µε αυτή του κύβου) ως παράµετρος που καθορίζει την τελική θερµοκρασία. Από την άλλη µεριά όµως προσδιορίζεται η µεταφορά θερµότητας σαν το αίτιο που προκαλεί την αλλαγή της θερµοκρασίας. Υπάρχει µία (1) απάντηση στην υποκατηγορία αυτή: - Θα είναι διαφορετική (εννοεί η θερµοκρασία του κύβου). Μεταφέρεται θερµότητα από τον κύβο στο περιβάλλον (s7) Β. Τελική θερµοκρασία νερού στον Μέσο Όρο των αρχικών (Κατηγορία-2) Η επιλογή αυτή δεν έγινε από κανένα µαθητή (0), παρόλο που στο pre-test ήταν η πλέον δηµοφιλής Γ. Τελική θερµοκρασία νερού σε κάποιο σηµείο διαφορετικό των προηγούµενων (Κατηγορία-1) Η επιλογή αυτή έγινε µόνο από ένα (1/13) µαθητή. Όσο αφορά δε την αιτιολόγηση, η απάντηση εντάσσεται στην εξής υποκατηγορία: Υποκατηγορία 1.1. «Το περιβάλλον αλλά καµία αναφορά στο ρόλο της µάζας. Αίτιο η µεταφορά θερµότητας». Στις απαντήσεις των µαθητών αναγνωρίζεται ο ρόλος του αέρα ή του περιβάλλοντος σαν το σώµα που προκαλεί την αλλαγή της θερµοκρασίας του µεταλλικού κύβου όµως δεν γίνεται καµία αναφορά στη µεγάλη µάζα του (σε σχέση µε αυτή του κύβου) ως παράµετρος που καθορίζει την τελική θερµοκρασία. Από την άλλη µεριά όµως προσδιορίζεται η µεταφορά θερµότητας σαν το αίτιο που προκαλεί την αλλαγή της θερµοκρασίας. Υπάρχει µία (1) απάντηση στην υποκατηγορία αυτή: - Ο κύβος θα δώσει θερµότητα στο δωµάτιο, αλλά η θερµοκρασία του περιβάλλοντος θα µειωθεί (εννοεί θα αυξηθεί) λίγο. Η θερµότητα µεταδίδεται από το ζεστό στο κρύο. (s12) Σχολιασµός post-test 5 ης οµάδας έργων Υπάρχουν 2 απαντήσεις τις οποίες µπορούµε να θεωρήσουµε πλήρεις επιστηµονικά, δηλαδή η υποκατηγορία 3.2, διότι αναγνωρίζουν ξεκάθαρα το ρόλο της µάζας του περιβάλλοντος, αλλά και προσδιορίζουν τη µεταφορά θερµότητας ως αιτία αλλαγής της θερµοκρασίας. Σηµαντικό θεωρούµε επίσης το γεγονός ότι ακόµη 2 µαθητές κάνουν αναφορά στην µεταφορά θερµότητας ως αίτιο. εν µπορούµε επίσης να παραβλέπουµε το γεγονός ότι η συντριπτική πλειοψηφία των µαθητών απαντά σύµφωνα µε το επιστηµονικό πρότυπο (κατηγορία-3) όσο αφορά στο καθορισµό της τελικής θερµοκρασίας των σωµάτων. ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 263

276 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Τέλος, είναι λίγο δύσκολο να καθορίσουµε ποια κατηγορία απαντήσεων είναι η πιο αποµακρυσµένη από την επιστηµονική ή αυτή που παρουσιάζει τις περισσότερες ελλείψεις. Θεωρούµε όµως ότι η µια (1) και µοναδική απάντηση που ανήκει στην κατηγορία 1.1, είναι αυτή που αρµόζει να τοποθετήσουµε στη θέση αυτή. Συγκριτικός σχολιασµός pre & post-test 5 ης οµάδας έργων Τρία είναι τα κυριότερα σηµεία που πρέπει να τονίσουµε συγκρίνοντας την αρχική και τελική κατάσταση των µαθητών µας, µέσα από τις απαντήσεις τους: Υπάρχει κατ αρχήν, µια ποιοτική διαφορά στον τρόπο που αντιµετωπίζεται το περιβάλλον στις απαντήσεις των µαθητών. Συγκεκριµένα, ενώ στο pre-test, αντιµετωπίζεται σαν το αίτιο που προκαλεί τις αλλαγές θερµοκρασίας, θα µπορούσαµε να πούµε κάπως «υπερτιµηµένο», στο post-test, βλέπουµε να τοποθετείται στη σωστή του διάσταση. ηλαδή, το περιβάλλον αντιµετωπίζεται απλά σαν ένα σώµα, σαν ένας παράγοντας που συνεισφέρει στην αλληλεπίδραση συµβάλλοντας (βέβαια) µε την µεγάλη του µάζα στο να καθοριστεί η τελική θερµοκρασία. Επιπλέον από αρκετούς µαθητές τώρα (4/13) αναγνωρίζεται η µεταφορά θερµότητας σαν το αίτιο αλλαγής της θερµοκρασίας. Αυτό το τελευταίο, αποτελεί και το δεύτερο σηµαντικό στοιχείο στο post-test, µια και αρχικά κανένας µαθητής µας δεν είχε κάνει την παραµικρή αναφορά στη θερµότητα. Τέλος αξιόλογη είναι και η συνολική (πλην ενός) µετατόπιση των απόψεων των µαθητών προς το επιστηµονικά ορθότερο (Κατηγορία-3), συγκρινόµενη µε την αρχική κατάσταση, όπου µόνο το 1/3 περίπου κατατάσσονταν στην κατηγορία αυτή. Υπάρχει εποµένως µια συνολική βελτίωση της εικόνας των µαθητών, τόσο ποσοτικά, όσο και ποιοτικά. Τόσο σε σαφήνεια και πληρότητα στους συλλογισµούς, όσο και σε πυκνότητα και ορθή χρήση επιστηµονικής ορολογίας. 264

277 Ι. Λεύκος Άξονας 2ος: Ανάπτυξη ικανοτήτων σχεδιασµού πειραµάτων (Αποτελεσµατικότητα-2β) Στους Πίνακες (Πίνακας 32, Πίνακας 33) που ακολουθούν, παρουσιάζονται οι αρχικές µετρήσεις πριν από την υλοποίηση της διδακτικής σειράς και στη συνέχεια οι τελικές µετρήσεις, µετά την υλοποίηση. Πίνακας 32: Η κατηγοριοποίηση των απαντήσεων των µαθητών από το αρχικό ερωτηµατολόγιο, σε επίπεδα επιτυχίας. Αρχικό Ερωτηµατολόγιο Μαθητές Κ Ν Σ ΓΦ ΓΑ Α ΓΜ Ε ΕΧ Γ ΓΒ Α ΑΝ Υπόθεση Επίπεδο Υ Επίπεδο Υ Επίπεδο Υ3 3 Επαλήθευση Επίπεδο Ε Επίπεδο Ε Επίπεδο Ε3 Υλικά, Όργανα & Συσκευές Επίπεδο Ο Επίπεδο Ο Επίπεδο Ο3 3 3 Ρυθµίσεις Συσκευών Επίπεδο Ρ Επίπεδο Ρ Επίπεδο Ρ3 Προσδιορισµός µεταβλητών Επίπεδο Μ Επίπεδο Μ Επίπεδο Μ3 Καθορισµός αρχικών συνθηκών Επίπεδο Α Επίπεδο Α Επίπεδο Α3 3 Φαινόµενα Επίπεδο Φ1 Επίπεδο Φ Επίπεδο Φ Πειραµατική διαδικασία Επίπεδο Π1 Επίπεδο Π Επίπεδο Π ΣΥΝΟΛΟ Στον Πίνακα, κάθε κατακόρυφη στήλη αντιστοιχεί σε ένα µαθητή, του οποίου οι απαντήσεις, στο αρχικό ερωτηµατολόγιο, αξιολογήθηκαν µε τον τρόπο που περιγράψαµε σε προηγούµενη παράγραφο και κατηγοριοποιήθηκαν στα αντίστοιχα επίπεδα επιτυχίας (που αναλύονται στον Πίνακας 32). Με την λογική που έχουµε ήδη εξηγήσει, για κάθε µια διάσταση, όταν η απάντηση ενός µαθητή κατηγοριοποιείται στο επίπεδο-1 τότε βαθµολογείται µε 1, ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 265

278 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ στο επίπεδο-2 βαθµολογείται µε 2 και στο επίπεδο-3 βαθµολογείται µε 3. Με τον τρόπο αυτό κάθε µαθητής συγκεντρώνει ένα σύνολο βαθµολογίας. Στην τελευταία γραµµή του Πίνακα 2, µπορούµε να δούµε τις συνολικές βαθµολογίες όλων των µαθητών από το αρχικό ερωτηµατολόγιο. Πίνακας 33: Η κατηγοριοποίηση των απαντήσεων των µαθητών από το τελικό ερωτηµατολόγιο, σε επίπεδα επιτυχίας. Τελικό Ερωτηµατολόγιο Μαθητές Κ Ν Σ ΓΦ ΓΑ Α ΓΜ Ε ΕΧ Γ ΓΒ Α ΑΝ Υπόθεση Επίπεδο Υ1 1 1 Επίπεδο Υ2 2 Επίπεδο Υ Επαλήθευση Επίπεδο Ε1 Επίπεδο Ε Επίπεδο Ε3 3 3 Υλικά, Όργανα & Συσκευές Επίπεδο Ο1 1 1 Επίπεδο Ο Επίπεδο Ο Ρυθµίσεις Συσκευών Επίπεδο Ρ1 Επίπεδο Ρ Επίπεδο Ρ3 3 Προσδιορισµός µεταβλητών Επίπεδο Μ1 Επίπεδο Μ Επίπεδο Μ Καθορισµός αρχικών συνθηκών Επίπεδο Α1 Επίπεδο Α Επίπεδο Α Φαινόµενα Επίπεδο Φ1 Επίπεδο Φ2 2 2 Επίπεδο Φ Πειραµατική διαδικασία Επίπεδο Π1 Επίπεδο Π2 2 Επίπεδο Π ΣΥΝΟΛΟ Στον Πίνακας 33, κάθε κατακόρυφη στήλη αντιστοιχεί σε ένα µαθητή, του οποίου οι απαντήσεις στο τελικό ερωτηµατολόγιο αξιολογήθηκαν και κατηγοριοποιήθηκαν στα αντίστοιχα επίπεδα επιτυχίας. Στην τελευταία γραµµή του Πίνακα 3, µπορούµε και πάλι να δούµε τις συνολικές βαθµολογίες όλων των µαθητών από το τελικό ερωτηµατολόγιο. Για να γίνεται πιο εύκολα η σύγκριση µεταξύ των βαθµολογιών στο αρχικό ερωτηµατολόγιο και των βαθµολογιών στο τελικό ερωτηµατολόγιο, η σειρά καταγραφής των µαθητών στους Πίνακες (Πίνακας 32, Πίνακας 33), διατηρήθηκε ίδια. 266

279 Ι. Λεύκος 2011 Από τους παραπάνω πίνακες είναι φανερό ότι οι συνολικές βαθµολογίες των µαθητών πριν και µετά από τις διδασκαλίες διαφέρουν αισθητά, παρουσιάζοντας αρχικώς ένα µέσο όρο, Μ.Ο. = 1.93 και στο τέλος Μ.Ο. = Η τυπική απόκλιση στο µέσο όρο είναι SDV=0.48 και 0.37 για το προ-τεστ και το µετά-τεστ αντίστοιχα. Προκειµένου να διαπιστώσουµε αν η διαφορά αυτή που παρατηρήσαµε είναι στατιστικώς σηµαντική, χρησιµοποιήθηκε για τις βαθµολογίες των µαθητών µας, το µη παραµετρικό τεστ Wilcoxon signed-rank. Το τεστ προσφέρεται για την περίπτωση των διαφορετικών µετρήσεων του ίδιου πληθυσµού και ενδείκνυται ιδίως για έρευνες όπου το δείγµα είναι µεγέθους αντίστοιχου της έρευνας αυτής. Για την εφαρµογή του τεστ, δεν είναι απαραίτητος ό έλεγχος της κανονικότητας των δειγµάτων µας, καθώς ακολουθείται µια διαδικασία επεξεργασίας και ταξινόµησής τους όπως φαίνεται στον πίνακα 4. Καθορίζοντας ένα - αρκετά αυστηρό - επίπεδο στατιστικής σηµαντικότητας 1% (0.01), η µηδενική υπόθεση που θέλουµε να ελέγξουµε µε το τεστ είναι ότι: Η 0 : εν υπάρχει διαφορά κατά Μέσο Όρο στην επίδοση των µαθητών µεταξύ αρχικού και τελικού ερωτηµατολογίου. Ενώ η εναλλακτική υπόθεση, δηλαδή που ταυτίζεται µε την ερευνητική µας υπόθεση είναι ότι: Η 1 : Στο τελικό ερωτηµατολόγιο, η επίδοση των µαθητών έχει αυξηθεί κατά Μέσο Όρο Από το τεστ προκύπτει: z = -3.22, P (1) =0.0006, P (2) =0.0013, εποµένως εφόσον η τιµή του P είναι < 0.01, µπορούµε να απορρίψουµε την µηδενική υπόθεση Η 0, σε επίπεδο στατιστικής σηµαντικότητας 1%. Εποµένως ισχύει η εναλλακτική υπόθεση Η 1. Άρα πράγµατι έχουµε βελτίωση στις βαθµολογίες των µαθητών µας κατά Μέσο Όρο στο δεδοµένο αυτό επίπεδο στατιστικής σηµαντικότητας Αναλυτική παρουσίαση της αξιολόγησης των επιµέρους διαστάσεων Στη συνέχεια παραθέτουµε αναλυτικά τα στοιχεία από κάθε διάσταση του σχεδιασµού πειραµάτων, προκειµένου να γίνει σύγκριση µεταξύ της αρχικής και τελικής κατάστασης των µαθητών µας Έκφραση υπόθεσης Στο ιάγραµµα ( ιάγραµµα 22) παρουσιάζεται ο αριθµός των µαθητών ως προς το επίπεδο επιτυχίας στο οποίο κατηγοριοποιήθηκαν οι απαντήσεις τους (σύµφωνα µε την ανάλυση του Πίνακας 32), αναφορικά µε την κατηγορία «Έκφραση υπόθεσης». Με ανοιχτό µπλε χρώµα παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα στο προ-τεστ (pre) και µε σκούρο µοβ τα αντίστοιχα αποτελέσµατα στο µετά-τεστ (post). ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 267

280 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Υπόθεση Μαθητές Επίπεδο pre post ιάγραµµα 22: Έκφραση υπόθεσης Είναι φανερό από το διάγραµµα ( ιάγραµµα 22) ότι υπάρχει µια πολύ ξεκάθαρη µετακίνηση των µαθητών µας από το επίπεδο Υ1 & Υ2, όπου βρίσκονταν αρχικά οι περισσότεροι (13 / 14 µαθητές), προς το επίπεδο Υ3, που σχεδόν µονοπωλεί τις απαντήσεις τους (11 / 14 µαθητές) στο τελικό ερωτηµατολόγιο. ηλαδή, ενώ αρχικά οι µαθητές µας κυρίως εξέφραζαν υποθέσεις ελλιπώς ή βασισµένοι σε διαισθητικά κριτήρια, στο τέλος χρησιµοποιούν οι περισσότεροι επιστηµονικά κριτήρια για την έκφραση των υποθέσεών τους Κριτήριο επαλήθευσης Στο ιάγραµµα 23, παρουσιάζεται ο αριθµός των µαθητών ως προς το επίπεδο επιτυχίας στο οποίο κατηγοριοποιήθηκαν οι απαντήσεις τους (σύµφωνα µε την ανάλυση), αναφορικά µε την κατηγορία «Κριτήριο επαλήθευσης». Με ανοιχτό µπλε χρώµα παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα στο προ-τεστ (pre) και µε σκούρο µοβ τα αντίστοιχα αποτελέσµατα στο µετά-τεστ (post). Κριτήριο Επαλήθευσης Μαθητές Επίπεδο pre post ιάγραµµα 23: Κριτήριο επαλήθευσης Στο ιάγραµµα 23, φαίνεται ότι υπάρχει µια µετακίνηση των µαθητών µας από το επίπεδο Ε1 & Ε2, όπου βρίσκονταν αρχικά όλοι (6 & 8 αντίστοιχα µαθητές), προς το επίπεδο Ε2 & Ε3 (12 & 2 αντίστοιχα µαθητές) στο τελικό ερωτηµατολόγιο. ηλαδή, ενώ αρχικά σχεδόν οι µισοί µαθητές µας (6 / 14 µαθητές) προσδιόριζαν ελλιπώς ή καθόλου το κριτήριο επαλήθευσης της υπόθεσής τους, στο τέλος όλοι σχεδόν (12 / 14 µαθητές) µπορούν να το προσδιορίσουν ξεκάθαρα. Επιπλέον 268

281 Ι. Λεύκος 2011 υπάρχουν και 2 µαθητές οι οποίοι µπορούν να προσδιορίσουν και εναλλακτικό κριτήριο επαλήθευσης Υλικά, όργανα & συσκευές Στο ιάγραµµα 24παρουσιάζεται ο αριθµός των µαθητών ως προς το επίπεδο επιτυχίας στο οποίο κατηγοριοποιήθηκαν οι απαντήσεις τους (σύµφωνα µε την ανάλυση), αναφορικά µε την κατηγορία «Υλικά, Όργανα & Συσκευές». Με ανοιχτό µπλε χρώµα παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα στο προ-τεστ (pre) και µε σκούρο µοβ τα αντίστοιχα αποτελέσµατα στο µετά-τεστ (post). Υλικά, Όργανα & Συσκευές Μαθητές Επίπεδο pre post ιάγραµµα 24: Υλικά, όργανα & συσκευές Στο ιάγραµµα 24, παρατηρούµε ότι υπάρχει µια µικρή, αλλά φανερή βελτίωση της εικόνας των µαθητών µας στο τελικό ερωτηµατολόγιο, σε σχέση µε το αρχικό. Έτσι βλέπουµε ότι ενώ στην αρχή ο κύριος όγκος των απαντήσεων ήταν στα επίπεδα Ο1 & Ο2 (12 / 14 µαθητές), στο τέλος οι περισσότεροι βρίσκονται στα επίπεδα Ο2 & Ο3 (12 / 14 µαθητές). Έτσι, ενώ στην αρχή περίπου οι µισοί (6 / 14 µαθητές), ανέφεραν λίγα µόνο από τα απαραίτητα στοιχεία, στο τέλος ο αριθµός αυτών περιορίζεται αρκετά (2 / 14 µαθητές). Αντίθετης φοράς µετακίνηση παρατηρούµε στο επίπεδο Ο3, όπου ενώ αρχικά πολύ λίγοι µόνο (2 / 14 µαθητές) κατάφεραν να αναφέρουν όλα τα απαραίτητα στοιχεία του προβλήµατος, στο τέλος ο αριθµός τους αυξάνει (4 / 14 µαθητές) Ρυθµίσεις Συσκευών Στο ιάγραµµα 25παρουσιάζεται ο αριθµός των µαθητών ως προς το επίπεδο επιτυχίας στο οποίο κατηγοριοποιήθηκαν οι απαντήσεις τους (σύµφωνα µε την ανάλυση του Πίν. 1), αναφορικά µε την κατηγορία «Ρυθµίσεις συσκευών». Με ανοιχτό µπλε χρώµα παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα στο προ-τεστ (pre) και µε σκούρο µοβ τα αντίστοιχα αποτελέσµατα στο µετά-τεστ (post). ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 269

282 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Ρυθµίσεις Συσκευών Μαθητές Επίπεδο pre post ιάγραµµα 25: Ρυθµίσεις συσκευών Στο ιάγραµµα 25 είναι προφανής η µετακίνηση των µαθητών µας από το επίπεδο Ρ1 & Ρ2, όπου βρίσκονταν αρχικά όλοι (10 & 4 αντίστοιχα µαθητές), προς το επίπεδο Ρ2 & Ρ3 (13 & 1 αντίστοιχα µαθητές) στο τελικό ερωτηµατολόγιο. ηλαδή, ενώ αρχικά οι περισσότεροι µαθητές µας (10 / 14 µαθητές) προσδιόριζαν λίγες µόνο από τις απαραίτητες αρχικές ρυθµίσεις των συσκευών, στο τέλος όλοι σχεδόν (13 / 14 µαθητές) µπορούν να προσδιορίσουν τις περισσότερες από τις αρχικές ρυθµίσεις Προσδιορισµός µεταβλητών Στο ιάγραµµα 26παρουσιάζεται ο αριθµός των µαθητών ως προς το επίπεδο επιτυχίας στο οποίο κατηγοριοποιήθηκαν οι απαντήσεις τους (σύµφωνα µε την ανάλυση του Πίν. 1), αναφορικά µε την κατηγορία «Προσδιορισµός µεταβλητών». Με ανοιχτό µπλε χρώµα παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα στο προ-τεστ (pre) και µε σκούρο µοβ τα αντίστοιχα αποτελέσµατα στο µετά-τεστ (post). Προσδιορισµός µεταβλητών Μαθητές Επίπεδο pre post ιάγραµµα 26: Προσδιορισµός µεταβλητών Στο ιάγραµµα 26, παρατηρείται µια µετακίνηση των µαθητών µας από το επίπεδο Μ1 & Μ2, όπου βρίσκονταν αρχικά όλοι (6 & 8 αντίστοιχα µαθητές), προς το επίπεδο Μ2 & Μ3 (10 & 4 αντίστοιχα µαθητές) στο τελικό ερωτηµατολόγιο. 270

283 Ι. Λεύκος 2011 ηλαδή, ενώ αρχικά σχεδόν οι µισοί µαθητές µας (6 / 14 µαθητές) δε µπορούσαν να προσδιορίσουν τις εξαρτηµένες & ανεξάρτητες µεταβλητές, στο τέλος οι περισσότεροι (10 / 14 µαθητές) µπορούν να τις προσδιορίσουν σε ικανοποιητικό βαθµό. Επιπλέον υπάρχουν και 4 µαθητές οι οποίοι µπορούν να προσδιορίσουν πλήρως τις εξαρτηµένες & ανεξάρτητες µεταβλητές Καθορισµός αρχικών συνθηκών Στο ιάγραµµα 27, παρουσιάζεται ο αριθµός των µαθητών ως προς το επίπεδο επιτυχίας στο οποίο κατηγοριοποιήθηκαν οι απαντήσεις τους (σύµφωνα µε την ανάλυση), αναφορικά µε την κατηγορία «Καθορισµός Αρχικών Συνθηκών». Με ανοιχτό µπλε χρώµα παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα στο προ-τεστ (pre) και µε σκούρο µοβ τα αντίστοιχα αποτελέσµατα στο µετά-τεστ (post). Καθορισµός αρχικών συνθηκών Μαθητές Επίπεδο pre post ιάγραµµα 27: Καθορισµός αρχικών συνθηκών Στο ιάγραµµα 27, παρατηρούµε ότι υπάρχει φανερή βελτίωση της εικόνας των µαθητών µας στο τελικό ερωτηµατολόγιο, σε σχέση µε το αρχικό. Έτσι βλέπουµε ότι ενώ στην αρχή ο κύριος όγκος των απαντήσεων ήταν στα επίπεδα Α1 & Α2 (13 / 14 µαθητές), στο τέλος όλοι βρίσκονται στα επίπεδα Α2 & Α3 (14 / 14 µαθητές). Έτσι, ενώ στην αρχή περίπου οι µισοί (6 / 14 µαθητές), δεν µπορούσαν να προσδιορίσουν τις απαραίτητες αρχικές συνθήκες, στο τέλος κανένας µαθητής δεν υπάρχει στην κατηγορία αυτή. Αντιθέτως, στο επίπεδο Α3, ενώ αρχικά υπάρχει µία µόνο εγγραφή (1 / 14 µαθητές), στο τέλος ο αριθµός αυξάνει (4 / 14 µαθητές). Υπάρχουν δηλαδή 4 µαθητές οι οποίοι µπορούν να προσδιορίσουν πλήρως τις αρχικές συνθήκες Περιγραφή φαινοµένων Στο ιάγραµµα 28, παρουσιάζεται ο αριθµός των µαθητών ως προς το επίπεδο επιτυχίας στο οποίο κατηγοριοποιήθηκαν οι απαντήσεις τους (σύµφωνα µε την ανάλυση), αναφορικά µε την κατηγορία «Περιγραφή Φαινοµένων». Με ανοιχτό µπλε χρώµα παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα στο προ-τεστ (pre) και µε σκούρο µοβ τα αντίστοιχα αποτελέσµατα στο µετά-τεστ (post). ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 271

284 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Φαινόµενα Μαθητές Επίπεδο pre post ιάγραµµα 28: Περιγραφή φαινοµένων Στο ιάγραµµα 28, βλέπουµε ότι ήδη από την αρχή η εικόνα των µαθητών µας ήταν σχετικά καλή, αλλά και πάλι παρατηρείται βελτίωση. Αρχικώς, περισσότεροι από τους µισούς µαθητές (8 / 14 µαθητές) βρίσκονται στο επίπεδο Φ2, δηλαδή περιγράφουν τα φαινόµενα που σχετίζονται µε το πείραµα, εκφράζοντας εναλλακτικές απόψεις. Στο τέλος ο αριθµός αυτός περιορίζεται αρκετά (2 / 14 µαθητές). Από την άλλη µεριά, στο τελικό ερωτηµατολόγιο, ο αριθµός των µαθητών που βρίσκεται στο επίπεδο Φ3 διπλασιάζεται σε σχέση µε τον αρχικό (12 / 14 µαθητές, έναντι 6 / 14 αρχικά) Περιγραφή πειραµατικής διαδικασίας Στο ιάγραµµα 29 παρουσιάζεται ο αριθµός των µαθητών ως προς το επίπεδο επιτυχίας στο οποίο κατηγοριοποιήθηκαν οι απαντήσεις τους (σύµφωνα µε την ανάλυση), αναφορικά µε την κατηγορία «Περιγραφή Πειραµατικής ιαδικασίας». Με ανοιχτό µπλε χρώµα παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα στο προ-τεστ (pre) και µε σκούρο µοβ τα αντίστοιχα αποτελέσµατα στο µετά-τεστ (post). Πειραµατική διαδικασία Μαθητές Επίπεδο pre post ιάγραµµα 29: Περιγραφή πειραµατικής διαδικασίας Αντίστοιχη µε το προηγούµενο είναι η εικόνα στο ιάγραµµα 29. Η αρχική εικόνα των µαθητών µας ήταν σχετικά καλή, αλλά παρατηρείται σηµαντική βελτίωση. Αρχικώς, περισσότεροι από τους µισούς µαθητές (8 / 14 µαθητές) βρίσκονται στο επίπεδο Π2, δηλαδή περιγράφουν µε ασάφεια τη διαδικασία 272

285 Ι. Λεύκος 2011 µέτρησης και καταγραφής των δεδοµένων, ενώ οι υπόλοιποι είναι στο επίπεδο Π3. Στο τέλος όλοι σχεδόν οι µαθητές (13 / 14 µαθητές) βρίσκονται στο επίπεδο Π3, µπορούν δηλαδή να περιγράφουν µε σαφήνεια τη διαδικασία µέτρησης και καταγραφής των δεδοµένων του πειράµατος Ανάλυση Για τη διάσταση Έκφραση Υπόθεσης, ( ιάγραµµα 22), υπήρχαν 4 µαθητές στο pre-test οι οποίοι εξέφρασαν την υπόθεσή τους χωρίς καµία αιτιολόγηση (Επίπεδο Υ1), 8 οι οποίοι εξέφρασαν ελλιπή αιτιολόγηση ή βασισµένη σε εναλλακτικές απόψεις (Υ2), και µόνο ένας (1) µαθητής που κατάφερε να εκφράσει µια επιστηµονικά αποδεκτή υπόθεση (Υ3). Μια τυπική απάντηση από τη συνέντευξη που είναι βασισµένη σε εναλλακτικές απόψεις ήταν: νοµίζω πως το νερό ζεσταίνεται πιο εύκολα από ότι το λάδι διότι είναι πιο αραιό. Στο post-test, η αντίστοιχη κατανοµή ήταν 2 µαθητές στο επίπεδο 1 (Υ1), ένας στο επίπεδο 2 (Υ2) και 11 στο επίπεδο 3 (Υ3). Μια τυπική απάντηση για µια πλήρως (επιστηµονικά) αιτιολογηµένη υπόθεση είναι: Το λάδι ζεσταίνεται γρηγορότερα από το νερό χρειάζεται περίπου το µισό χρόνο. το νερό έχει διπλάσια ειδική θερµότητα. Όπως φαίνεται και στο ιάγραµµα 22, υπάρχει µια ξεκάθαρη µετακίνηση των απαντήσεων από τα επίπεδα 1 & 2 στα επίπεδα 2 & 3 στο post-test (από ένα µέσο σκορ 1.79 στο pre-test σε 2.64 στο post-test). Αυτό σηµαίνει ότι ενώ αρχικά όλοι σχεδόν οι µαθητές µας (13/14) εξέφραζαν υποθέσεις χωρίς αιτιολόγηση ή βασισµένοι σε εναλλακτικές απόψεις, µετά από τη διδασκαλία οι περισσότεροι των µαθητών µας (11/14) χρησιµοποιούν επιστηµονικά κριτήρια για το σχηµατισµό των υποθέσεών τους (Πίνακας 34). Ακολουθώντας την ίδια αναπαράσταση και για τα υπόλοιπα διαγράµµατα, µπορούµε να σχολιάσουµε τα ακόλουθα: Για τη διάσταση Κριτήριο Επαλήθευσης ( ιάγραµµα 23), στο pre-test υπήρχαν 6 µαθητές που δεν ήταν σε θέση να εκφράσουν ξεκάθαρα κριτήρια (επίπεδο Ε2) και 8 µαθητές που µπορούσαν να εκφράσουν ένα κριτήριο (επίπεδο Ε3). Μια τυπική απάντηση από τη συνέντευξη για το επίπεδο Ε2 είναι: αν ένα από τα υγρά βράζει σε χαµηλότερη θερµοκρασία, θα βράσει γρηγορότερα, όπου οι µαθητές θέτουν συγκεχυµένα κριτήρια για το χρόνο και τη θερµοκρασία. Στο post-test, όλοι οι µαθητές (14/14) βρίσκονταν στο επίπεδο Ε3. Επιπροσθέτως, µερικοί µαθητές (2/14) κατάφεραν να εκφράσουν πολλαπλά κριτήρια. Μια ενδεικτική βελτιωµένη απάντηση από τη συνέντευξη, για µαθητή στο επίπεδο Ε3 που εκφράζει πολλαπλά κριτήρια, είναι: µπορούµε να παρατηρούµε για κάποια ώρα, θα ορίσουµε µια συγκεκριµένη ώρα. Θα ζεστάνουµε το λάδι πρώτα, θα σηµειώσουµε τη θερµοκρασία του και µετά θα ξεκινήσουµε να µετράµε από την αρχή καθώς θα ζεστάνουµε το νερό µπορούµε να θέσουµε µια συγκεκριµένη θερµοκρασία π.χ. 40 βαθµούς και να χρησιµοποιήσουµε το ρολόι µας. Όταν το νερό ή το λάδι φτάσει στη θερµοκρασία αυτή θα σταµατήσουµε και µετά θα συγκρίνουµε το χρόνο που χρειάστηκε η δεύτερη ουσία. Όπως φαίνεται στο ιάγραµµα 23, υπάρχει µια µετακίνηση των απαντήσεων από τα επίπεδα 2 & 3 (µέσο σκορ 2.57) προς το επίπεδο 3 στο post-test (µέσο σκορ 3.00). Αυτό σηµαίνει ότι ενώ αρχικά µόνο οι µισοί σχεδόν από τους µαθητές µας (8/14) µπορούσαν να ορίσουν ξεκάθαρα ένα κριτήριο επαλήθευσης, µετά από τη ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 273

286 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ διδασκαλία όλοι οι µαθητές µας (14/14) είναι σε θέση να το κάνουν, επιπλέον δε, κάποιοι (2/14) µπορούν εκτός από αυτό, να καθορίσουν και ένα δεύτερο εναλλακτικό κριτήριο. Για τη διάσταση Προσδιορισµός Μεταβλητών ( ιάγραµµα 26),, υπήρχαν 6 µαθητές στο pre-test που δεν ήταν σε θέση να προσδιορίσουν τις µεταβλητές που επηρεάζουν το πείραµα (επίπεδο 1) και 8 µαθητές που µπορούσαν να τις αναγνωρίσουν µόνο µερικώς (επίπεδο 2). Μια απάντηση για το επίπεδο 1 είναι: µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε ένα µπολ και να το θερµάνουµε στην εστία. Μετά θα κάνουµε το ίδιο για το γάλα και για το επίπεδο 2: θα πρέπει να χρησιµοποιήσουµε την ίδια ποσότητα νερού και γάλατος στα δύο µπολ, επειδή αν το νερό είναι περισσότερο θα ζεσταθεί δυσκολότερα. Θα βάλουµε το κάθε µπολ στην εστία για το ίδιο χρονικό διάστηµα και στην ίδια θερµοκρασία (ένταση). Στο posttest, η αντίστοιχη κατανοµή ήταν 10 µαθητές στο επίπεδο 2 και 4 στο επίπεδο 3. Μια λεπτοµερής απάντηση από τις συνεντεύξεις για καλό προσδιορισµό των µεταβλητών στο επίπεδο 3 είναι: σε δύο δοχεία από το ίδιο υλικό, π.χ. από γυαλί και τα δύο, θα ρίξουµε την ίδια ποσότητα νερού και ελαιόλαδου, έτσι ώστε να µπορούµε να συγκρίνουµε Θα χρησιµοποιήσουµε δύο θερµαντικές εστίες και θα τις ανάψουµε στην ίδια ένταση Στην αρχή θα πρέπει να βρίσκονται στην ίδια θερµοκρασία θα τα ζεστάνουµε για το ίδιο χρονικό διάστηµα. Όπως µπορούµε να δούµε καθαρά στο ιάγραµµα 26 υπάρχει µια µετακίνηση των απαντήσεων από τα επίπεδα 1 και 2 (6/14 και 8/14, µέσο σκορ 1,57) στα επίπεδα 2 και 3 (10/14 και 4/14) στο post-test (µέσο σκορ 2,29). Αυτό σηµαίνει ότι ενώ αρχικά σχεδόν οι µισοί µαθητές µας δεν µπορούσαν να προσδιορίσουν τις µεταβλητές του υπό µελέτη προβλήµατος, µετά τη διδασκαλία, οι περισσότεροι από αυτούς µπορούσαν να τις προσδιορίσουν επαρκώς και επιπλέον λίγοι από αυτούς πλήρως. Για τη διάσταση Υλικά, Όργανα & Συσκευές ( ιάγραµµα 24), στο pre-test υπήρχαν 6 µαθητές που µπορούσαν να αναφέρουν µόνο λίγα από τα στοιχεία που ήταν απαραίτητα για τη διεξαγωγή του πειράµατος (επίπεδο 1), 6 µαθητές που µπορούσαν να ονοµάσουν τα περισσότερα από τα στοιχεία (επίπεδο 2) και 2 µαθητές που µπορούσαν να αναφέρουν πλήρως τη λίστα µε τα απαραίτητα στοιχεία (επίπεδο 3). Μια ενδεικτική απάντηση από τις συνεντεύξεις για το επίπεδο 1 είναι: θα χρειαστούµε δύο µπολ και δύο µπουκάλια. και για το επίπεδο 2: θα χρειαστούµε 2 θερµαντικές εστίες, δύο µπολ και θα βάλουµε ένα θερµόµετρο σε κάθε µπολ. Μια ενδεικτική απάντηση για το επίπεδο 3 είναι: θα χρησιµοποιήσουµε δύο δοχεία, γάλα, νερό και δύο γκαζάκια. Θα χρησιµοποιήσουµε ένα χρονόµετρο και επίσης δύο θερµόµετρα. Στο post-test, η αντίστοιχη κατανοµή ήταν 2 µαθητές στο επίπεδο1, 8 στο επίπεδο 2 και 4 στο επίπεδο 3. Όπως παρουσιάστηκε στο ιάγραµµα 24, για τη διάσταση Υλικά, Όργανα & Συσκευές υπήρξε µια µικρή µόνο βελτίωση. Οι απαντήσεις των µαθητών κατηγοριοποιούνταν κυρίως στα επίπεδα 1 και 2 (6/14 και 6/14, µέσο σκορ 1,71) στο pre-test, ενώ στο post-test οι περισσότερες απαντήσεις βρίσκονταν στα επίπεδα 2 και 3 (8/14 και 4/14, µέσο σκορ 2,14). Αυτό σηµαίνει ότι αρχικά η πλειοψηφία των µαθητών µπορούσε να αναφέρει λίγα από τα απαραίτητα στοιχεία για τη διεξαγωγή του πειράµατος, ενώ µετά τη διδασκαλία η πλειοψηφία των µαθητών µας ήταν σε θέση να αναφέρουν τα περισσότερα ή όλα τα απαραίτητα στοιχεία. Για τη διάσταση Ρυθµίσεις Συσκευών ( ιάγραµµα 25), στο pre-test υπήρχαν 10 µαθητές που δεν µπορούσαν να αναφέρουν καµιά από τις απαραίτητες ρυθµίσεις (επίπεδο 1) και 4 που µπορούσαν να αναφέρουν µερικές από αυτές (επίπεδο 2). Μια ενδεικτική απάντηση για το επίπεδο 1 είναι: θα χρησιµοποιήσουµε 2 µπολ και δύο θερµαντικές εστίες (όπου οι µαθητές απλώς αναφέρουν τις συσκευές 274

287 Ι. Λεύκος 2011 αλλά καθόλου ρυθµίσεις) και για το επίπεδο 2: θα χρειαστούµε 2 θερµαντικές εστίες και δύο δοχεία.. όµοια δοχεία. Στο post-test, η αντίστοιχη κατανοµή ήταν 13 µαθητές στο επίπεδο 2 και 1 στο επίπεδο 3. Μια απάντηση που αντιστοιχεί στο επίπεδο 3 είναι: σε δυο όµοια δοχεία θα ρίξουµε νερό και λάδι Θα θέσουµε τα γκαζάκια στην ίδια παροχή. Συνεπώς, για τη διάσταση Ρυθµίσεις Συσκευών, η βελτίωση που παρουσιάζεται στο ιάγραµµα 25 είναι εύκολα παρατηρήσιµη. Οι απαντήσεις στο pre-test κατηγοριοποιούνταν κυρίως στο επίπεδο 1 (10/14, µέσο σκορ 1,29) ενώ στο post-test η πλειοψηφία των απαντήσεων (13/14) ήταν στο επίπεδο 2 (µέσο σκορ 2,07). Αυτό σηµαίνει ότι αρχικά οι περισσότεροι από τους µαθητές µας δεν µπορούσαν να αναφέρουν καµία από τις απαραίτητες ρυθµίσεις των συσκευών, αλλά µετά τη διδασκαλία η πλειοψηφία των µαθητών µπορούσε επιτυχώς να ορίσει τις απαραίτητες για τη διεξαγωγή του πειράµατος ρυθµίσεις. Για τη διάσταση Αρχικές Συνθήκες ( ιάγραµµα 27), στο pre-test υπήρχαν 6 µαθητές που δεν µπορούσαν να αναφέρουν ούτε µία από τις απαραίτητες αρχικές συνθήκες (επίπεδο 1), 7 µαθητές που µπορούσαν να αναφέρουν κάποιες από αυτές (επίπεδο 2) και 1 µαθητής που µπορούσε να αναφέρει όλες τις απαραίτητες συνθήκες (επίπεδο 3). Μια ενδεικτική απάντηση από τις συνεντεύξεις για το επίπεδο 2 είναι: αν αρχικά βρίσκονται στην ίδια θερµοκρασία µε το περιβάλλον π.χ. 25 ο C και για το επίπεδο 3: θα χρησιµοποιήσουµε την ίδια ποσότητα υγρού και στα δύο δοχεία. πρέπει, επίσης, να βρίσκονται στην ίδια αρχική θερµοκρασία. Στο post-test, η αντίστοιχη κατανοµή ήταν 2 µαθητές στο επίπεδο 1, 8 στο επίπεδο 2 και 4 στο επίπεδο 3. Όπως παρουσιάζεται και στο ιάγραµµα 27, υπάρχει µια µικρή βελτίωση για τη διάσταση Αρχικές Συνθήκες. Αρχικά, περίπου οι µισοί µαθητές (6/14) δεν µπορούσαν να αναφέρουν καµία από τις απαραίτητες αρχικές συνθήκες, ενώ µετά τη διδασκαλία πολλοί µαθητές (10/14) µπορούσαν να αναφέρουν πολλές από τις απαραίτητες συνθήκες και κάποιοι από αυτές (4/14) µπορούσαν να τις κατονοµάσουν όλες. Το µέσο σκορ µεταβάλλεται από 1,64 στο pre-test σε 2,29 στο post-test. Για τη διάσταση Περιγραφή Πειραµατικής ιαδικασίας ( ιάγραµµα 29 στο pre-test υπήρχαν 8 µαθητές ικανοί να περιγράψουν µερικώς την πειραµατική διαδικασία (επίπεδο 2) και 6 µαθητές ικανοί να δώσουν σαφή περιγραφή της διαδικασίας (επίπεδο 3). Μια ενδεικτική απάντηση για το επίπεδο 2 είναι: θα το βάλουµε πάνω στη θερµαντική εστία.. για όσο πάρει, 2-3 λεπτά, απλώς για να δούµε πότε θα ζεσταθεί µέχρι η θερµοκρασία να αρχίσει να ανεβαίνει γρήγορα. Στο post-test, η αντίστοιχη κατανοµή ήταν 1 µαθητής στο επίπεδο 2 και 13 στο επίπεδο 3. Οι απαντήσεις στο επίπεδο 3 ήταν λεπτοµερείς, όπως αυτή που ακολουθεί από µια συνέντευξη: Θα χρησιµοποιήσουµε δύο θερµαντικές εστίες και θα τις ρυθµίσουµε στην ίδια παροχή θερµότητας. στην αρχή (οι ουσίες) θα πρέπει να βρίσκονται στην ίδια θερµοκρασία θα τις θερµάνουµε για το ίδιο χρονικό διάστηµα.. θα παρατηρήσουµε τη θερµοκρασία να ανεβαίνει στα θερµόµετρα θα ορίσουµε µια συγκεκριµένη θερµοκρασία, π.χ. 40 ο C και θα περιµένουµε µέχρι ένα από τα υγρά φτάσει πρώτο σε αυτήν την θερµοκρασία. Παρόλο που υπήρξε ένα αρκετά καλό επίπεδο επιτυχίας στη διάσταση Περιγραφή Πειραµατικής ιαδικασίας ακόµα και στο pre-test, στο ιάγραµµα 29 µπορούµε πάλι να παρατηρήσουµε κάποια βελτίωση. Αρχικά, περίπου οι µισοί από τους µαθητές (8/14) δεν ήταν σε θέση να περιγράψουν την πειραµατική διαδικασία επαρκώς αλλά οι υπόλοιποι (6/14) µπορούσαν. Από την άλλη, µετά τη διδασκαλία, σχεδόν όλοι οι µαθητές µας (13/14) ήταν σε θέση να δώσουν µια σαφή περιγραφή της ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 275

288 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ διαδικασίας. Το µέσο σκορ µετακινήθηκε από ένα ήδη ψηλό 2,43 στο pre-test σε 2,93 στο post-test. Σχεδόν η ίδια κατάσταση ισχύει και για τη διάσταση Περιγραφή Φαινοµένων ( ιάγραµµα 28). Στο pre-test υπήρχαν 8 µαθητές που περιέγραψαν τα φαινόµενα που λαµβάνουν χώρα στο πείραµα εκφράζοντας εναλλακτικές αντιλήψεις -π.χ. εµφάνισαν δυσκολία στον διαχωρισµό µεταξύ θέρµανσης και βρασµού- (επίπεδο 2) και 6 µαθητές που χρησιµοποίησαν µια επιστηµονικά αποδεκτή περιγραφή (επίπεδο 3). Μια ενδεικτική απάντηση από µια συνέντευξη για το επίπεδο 2 είναι: θα παρατηρήσουµε τη θερµοκρασία στην οποία το νερό θα αρχίσει να θερµαίνεται. εννοώ να βράζει. Στο post-test, η αντίστοιχη κατανοµή ήταν 2 µαθητές στο επίπεδο 2 και 12 στο επίπεδο 3. Μια ενδεικτική απάντηση για το επίπεδο 3 είναι: θα τα θερµάνουµε, µέχρι να φτάσουν π.χ. τους 60 ο. Όπως παρουσιάζεται στο αντίστοιχο ιάγραµµα 28, υπήρξε επίσης µια µικρή βελτίωση µεταξύ pre-test και post-test. Οι απαντήσεις των µαθητών κατηγοριοποιήθηκαν στα επίπεδα 2 και 3 τόσο στο pre-test όσο και στο post-test, αλλά τα ποσοστά ήταν διαφορετικά. Ενώ αρχικά περίπου οι µισοί µαθητές (8/14) περιέγραψαν τα φαινόµενα που λαµβάνουν χώρα στο πείραµα εκφράζοντας εναλλακτικές αντιλήψεις, το άλλο µισό (6/14) χρησιµοποίησε µια περιγραφή κοντά στο επιστηµονικώς αποδεκτό. Μετά τη διδασκαλία, περίπου όλοι οι µαθητές (12/14) περιέγραψαν τα φαινόµενα µε επιστηµονικώς αποδεκτό τρόπο και µόνο 2 από αυτούς δεν ήταν ακόµα σε θέση να ξεχωρίσουν τη θερµότητα από το βρασµό. Το µέσο σκορ µεταβλήθηκε από ένα ήδη ψηλό 2,43 στο pre-test σε 2,86 στο post-test. Τα αποτελέσµατα για τους µέσους όρους pre-post test συνοψίζονται στον Πίνακας 34. Τα αποτελέσµατα αναλύθηκαν επιπλέον µε σύγκριση των βαθµολογιών των µαθητών στο αρχικό και τελικό ερωτηµατολόγιο, κάνοντας χρήση του παράγοντα βελτίωσης Hake : g H (Hake gain or Hake factor). O Hake (1998), όρισε την κανονικοποιηµένη βελτίωση (normalized gain), ως το λόγο της βελτίωσης µεταξύ των βαθµολογιών των ερωτηµατολογίων προς τη µέγιστη δυνατή βελτίωση: παρατηρούµενη _ βελτίωση τελικό αρχικό g Η = = µέγιστη _ δυνατή _ βελτίωση µέγιστο αρχικό όπου «τελικό» και «αρχικό» είναι αντίστοιχα οι Μ.Ο της βαθµολογίας στο αρχικό και τελικό ερωτηµατολόγιο και «µέγιστο» είναι το µέγιστο της βαθµολογίας που µπορεί να λάβει κάποιος µαθητής (στην περίπτωσή µας το 3). Ο παράγοντας Hake, είναι ένα ισχυρό µέτρο της επιτυχίας µιας διδακτικής παρέµβασης, διότι απαλείφει την επίδραση της διαφορετικής αρχικής κατάστασης των µαθητών, καθώς εξισώνει τη µέγιστη δυνατή βελτίωση που µπορούν να επιτύχουν (Lenaerts, Wieme, & Van Zele, 2003). Η εφαρµογή του παράγοντα Hake στα αποτελέσµατά µας παρουσιάζεται στον πίνακα Πίνακας 34: Οι µέσοι όροι των βαθµολογιών στο αρχικό και τελικό ερωτηµατολόγιο και ο υπολογιζόµενος παράγοντας βελτίωσης του Hake για κάθε µια από τις διαστάσεις ιάσταση Αρχικό Τελικό Ερωτηµατολόγιο Ερωτηµατολόγιο A Έκφραση Υπόθεσης B Κριτήριο Επαλήθευσης C Προσδιορισµός Μεταβλητών D Υλικά, Όργανα & Συσκευές Παράγοντας Hake (g H ) 276

289 Ι. Λεύκος 2011 E Ρυθµίσεις Συσκευών F Αρχικές Συνθήκες G Περιγραφή ιαδικασίας H Περιγραφή Φαινοµένων Παρατηρούµε ότι σε όλες σχεδόν τις διαστάσεις, υπάρχει σηµαντική βελτίωση. Οι διαστάσεις που εµφανίζουν την µεγαλύτερη βελτίωση (κατά Hake) είναι η «Έκφραση Υπόθεσης», το «Κριτήριο Επαλήθευσης», η «Περιγραφή ιαδικασίας» και η «Περιγραφή Φαινοµένων». Αυτές οι διαστάσεις έχουν παράγοντα βελτίωσης g H µεγαλύτερο του 0.7. Είναι δηλαδή προφανές ότι παρότι οι µαθητές µας είχαν υψηλές βαθµολογίες στο αρχικό ερωτηµατολόγιο, µετακινήθηκαν προς ακόµη µεγαλύτερες βαθµολογίες στο τελικό ερωτηµατολόγιο. Η δεύτερη οµάδα διαστάσεων που εµφανίζουν λίγο χαµηλότερη (σχετικά µε τις προηγούµενες) βελτίωση είναι ο «Προσδιορισµός Μεταβλητών», οι «Ρυθµίσεις Συσκευών» και οι «Αρχικές Συνθήκες». Σε αυτές ο παράγοντας βελτίωσης g H κυµαίνεται κοντά στο 0.5, ο οποίος θεωρείται επίσης υψηλός 4. Τέλος, η διάσταση µε την πιο χαµηλή βελτίωση είναι τα «Υλικά, Όργανα & Συσκευές», στην οποία αντιστοιχεί ένας παράγοντας βελτίωσης g H ίσος µε ιάγραµµα 30: (α) Συσχετισµός Μ.Ο. βαθµολογίας στο αρχικό και τελικό ερωτηµατολόγιο και (β) Ο παράγοντας βελτίωσης Hake σε σχέση µε τους Μ.Ο. βαθµολογίας στο αρχικό ερωτηµατολόγιο (τα γράµµατα αντιστοιχούν στις διαστάσεις του σχετικού πίνακα (Πίνακας 34)) 4 Στο αρχικό άρθρο του o Ηake (1998) µελέτησε τη µέση βελτίωση διαφόρων τµηµάτων επί συνόλου προπτυχιακών φοιτητών Φυσικής και όρισε ως υψηλή βελτίωση έναν παράγοντα g H περίπου στο 0.48, ενώ ως χαµηλή βελτίωση, έναν παράγοντα g H κοντά στο ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 277

290 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Λαµβάνοντας υπόψη τους περιορισµούς που επιβάλλει το µικρό δείγµα της έρευνάς µας, θεωρούµε ότι τα ευρήµατά µας υποστηρίζουν την άποψη πως παρατηρήθηκε βελτίωση στην ικανότητα των µαθητών µας να σχεδιάζουν πειράµατα. Η ύπαρξη υψηλού παράγοντα βελτίωσης g H, σε όλες πλην µιας διαστάσεις, δείχνει ότι η βελτίωση αυτή ήταν σχεδόν συνολική. Θεωρούµε ότι η χρήση του ΣΕΠ είχε µια πολυδιάστατη επίδραση στην ικανότητα των µαθητών µας να σχεδιάζουν πειράµατα, για τρείς λόγους: Πρώτον, το λογισµικό αυτό µας επέτρεψε (ως ερευνητές) να σχεδιάσουµε, να αναπτύξουµε και να εφαρµόσουµε τις κατάλληλες κατευθυνόµενες διερευνήσεις σε ένα τόσο πλούσιο γνωστικό πεδίο όπως αυτό των θερµικών φαινοµένων. εύτερον, οι µαθητές από την πλευρά τους, είχαν τη δυνατότητα να εκφράζουν υποθέσεις για διάφορες καταστάσεις που τους δίνονταν υπό την µορφή προβληµάτων, να σχεδιάζουν τα αντίστοιχα πειράµατα προκειµένου να τις επαληθεύσουν και στη συνέχεια µε µεγάλη ευκολία να δοκιµάζουν τα σχέδια αυτά υλοποιώντας τα µε την µορφή εικονικών πειραµάτων τα οποία συνέθεταν µε αληθοφανείς χειρισµούς των εικονικών αντικειµένων του ΣΕΠ. Τέλος, οι µαθητές είχαν την ευκαιρία να βιώσουν τι σηµαίνει «κάνω επιστήµη», καθώς ενεπλάκησαν ενεργά στη διαχείριση ενός εµπλουτισµένου τεχνολογικά µαθησιακού περιβάλλοντος, προκειµένου να κατασκευάσουν νοητικές οντότητες και να αναπτύξουν τις ικανότητές τους για πειραµατισµό. Μέσα από τη χρήση του ΣΕΠ, οι µαθητές µας είχαν το πλεονέκτηµα της αλληλεπίδρασης µε ένα φιλικό µαθησιακό περιβάλλον, όπου µπορούσαν εύκολα και γρήγορα να διεξάγουν πειραµατικές διερευνήσεις, να δοκιµάζουν τις υποθέσεις τους και να διαχειρίζονται τις µεταβλητές των φαινοµένων, ευκολότερα από ότι θα µπορούσαν µέσα σε ένα συµβατικό εργαστήριο. Για παράδειγµα, η καλή επίδοσή τους στο τελικό ερωτηµατολόγιο σε σχέση µε τις διαστάσεις της «Έκφρασης Υποθέσεων», του «Κριτηρίου Επαλήθευσης» και της «Περιγραφής Φαινοµένων», οι οποίες είναι άµεσα σχετιζόµενες µε το γνωστικό περιεχόµενο, θεωρούµε ότι ενισχύθηκαν τόσο από την εννοιολογική συνεκτικότητα της διδακτικής ακολουθίας, όσο και από την εµπλοκή τους σε διερευνητικές δραστηριότητες µέσα στο εικονικό περιβάλλον του ΣΕΠ. Θεωρούµε επίσης ότι τα αποτελέσµατα αυτά είναι ενδεικτικά της βελτίωσης των µαθητών µας αναφορικά µε τις έννοιες που σχετίζονται µε τα υπό µελέτη φαινόµενα, εφόσον η διδακτική ακολουθία που σχεδιάσαµε δεν εστιάζονταν µόνο στον πειραµατισµό, αλλά και στην εννοιολογική κατανόηση των θερµικών φαινοµένων. 278

291 Ι. Λεύκος Άξονας 3ος: Σύνδεση µεταξύ θεωρίας και πρακτικής κατά τη διάρκεια του εργαστηρίου (Αποτελεσµατικότητα-1) Τα αποτελέσµατα που παρουσιάζονται εδώ, αφορούν την εφαρµογή της µεθόδου CBAV σε ένα ζεύγος µαθητών που βιντεοσκοπήθηκε και µαγνητοφωνήθηκε σε όλη τη διάρκεια των διδασκαλιών της εργαστηριακής σειράς. Συγκεκριµένα, έχουν χρησιµοποιηθεί για την ανάλυση τα αποσπάσµατα 2 ζευγαριών µαθητών, όπου καταγράφονται πέντε (5) διαφορετικές πειραµατικές δραστηριότητες των µαθητών αυτών, που αφορούν τη χρήση του εικονικού εργαστηρίου του ΣΕΠ. Οι δραστηριότητες που αναλύονται παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα, όπου φαίνεται το περιεχόµενό τους, αλλά και ένας χαρακτηρισµός του τύπου κλειστό - ανοιχτό, που υποδηλώνει αντίστοιχα εάν οι µαθητές χρησιµοποιούσαν µια έτοιµη πειραµατική διάταξη, ή την συνέθεταν µόνοι τους. Υπενθυµίζουµε ότι ο διαχωρισµός αυτός των δραστηριοτήτων είναι βασικός για την διερεύνηση του ερευνητικού µας ερωτήµατος. Η επιλογή των δραστηριοτήτων έγινε µε γνώµονα την παραπάνω διάκριση, ώστε να µπορούµε να κάνουµε σύγκριση µεταξύ των πυκνοτήτων εκφράσεων φυσικής που καταγράφονται στις «ανοιχτού» τύπου δραστηριότητες, λαµβάνοντας ως βάση για τη σύγκριση, την πυκνότητα που καταγράφεται στην «κλειστού» τύπου δραστηριότητα. ΡΑΣΤ. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΘΜ.1.1 Θερµιδοµετρία αλληλεπίδραση 2 Ανοιχτό διαφορετικών υγρών σωµάτων ΘΜ.1.2 Θερµιδοµετρία αλληλεπίδραση µεταξύ Ανοιχτό στερεού και υγρού ΑΚΤ.1 Θερµική ακτινοβολία ο ρόλος του Κλειστό χρώµατος των σωµάτων ΑΚΤ.2 Θερµική ακτινοβολία ο ρόλος του Ανοιχτό µεγέθους της επιφάνειας των σωµάτων ΑΛΦ Αλλαγές φάσεων αλληλεπίδραση µεταξύ νερού και πάγου Ανοιχτό Τα αποτελέσµατα που ακολουθούν παρουσιάζονται σε τρεις διαστάσεις. (α) παρουσιάζονται συγκριτικά οι συνολικές πυκνότητες εκφράσεων φυσικής για κάθε διαφορετική πειραµατική δραστηριότητα (ΠΡΦ + ΘΕΦ) 5 (β) παρουσιάζονται αναλυτικά για όλες τις δραστηριότητες οι ξεχωριστές συνιστώσες εκφράσεων που σχετίζονται µε τη φυσική (ΠΡΦ, ΘΕΦ) (γ) παρουσιάζονται αναλυτικά, οι εκφράσεις που αφορούν στα αντικείµενα της προσοµοίωσης, σε σχέση µε τις συνολικές εκφράσεις φυσικής, για όλες τις δραστηριότητες (ΑΠΡ vs. ΠΡΦ+ΘΕΦ) Επίσης, παρουσιάζονται παραδειγµατικά για κάποιες δραστηριότητες παρακάτω σε συνδυασµό µε τα διαγράµµατα, αντίστοιχα αποσπάσµατα από τη συζήτηση των µαθητών κατά τη διάρκεια εκτέλεσης των δραστηριοτήτων, τα οποία 5 Στην περίπτωση που µελετούµε τις εκφράσεις φυσικής κατά τη διάρκεια χρήσης της προσοµοίωσης, όπως έχουµε εξηγήσει, δεν εµφανίζεται η κατηγορία ΠΚΦ που σχετίζεται µε τον πραγµατικό κόσµο, παρά µόνο σε ελάχιστες περιπτώσεις, οπότε και δεν λαµβάνονται υπόψη στο άθροισµα ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 279

292 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ συνοδεύονται από την κωδικοποίηση των εκφράσεων στις κατηγορίες που αναφέραµε παραπάνω, προκειµένου να γίνει κατανοητός ο τρόπος ανάλυσης µε τη µέθοδο CBAV Οι συνολικές πυκνότητες εκφράσεων φυσικής ΡΑΣΤΗΡΙ ΟΤΗΤΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙ ΣΜΟΣ Ζευγάρι Α ΣΥΝΟΛΙΚΕΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΕΣ ΦΥΣΙΚΗΣ (%) Ζευγάρι Β ΣΥΝΟΛΙΚΕΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΕΣ ΦΥΣΙΚΗΣ (%) ΘΜ.1.1 Ανοιχτό 75,0 65,8 ΘΜ.1.2 Ανοιχτό 73,9 72,7 ΑΚΤ.1 Κλειστό 36,1 44,7 ΑΚΤ.2 Ανοιχτό 62,5 57,7 ΑΛ.ΦΑΣ. Ανοιχτό 80,8 56,7 ΣΥΝΟΛΙΚΕΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΕΣ ΦΥΣΙΚΗΣ (ΖΕΥΓΑΡΙ Α) ,0 73,9 62,5 80,8 ΘΜ.1.1 % ,1 ΘΜ.1.2 ΑΚΤ.1 ΑΚΤ.2 ΑΛ.ΦΑΣ. 0 ιάγραµµα 31: Ποσοστά συνολικής πυκνότητας εκφράσεων φυσικής, ανά δραστηριότητα για το ζευγάρι Α Στο διάγραµµα ( ιάγραµµα 31), παρουσιάζονται οι συνολικές πυκνότητες εκφράσεων φυσικής του ζευγαριού Α, για κάθε µια από τις δραστηριότητες που µελετούµε. ηλαδή παρουσιάζεται ανά δραστηριότητα, το άθροισµα των κατηγοριών ΠΡΦ που αντιστοιχεί στις εκφράσεις «Αντικείµενα της προσοµοίωσης & Φυσική» και ΘΕΦ, που αντιστοιχεί στις εκφράσεις «Θεωρία Φυσικής». Είναι πολύ εµφανές στο παραπάνω διάγραµµα ότι υπάρχει µεγάλη σχεδόν υπερδιπλάσια διαφορά στις συνολικές πυκνότητες εκφράσεων φυσικής (ΠΡΦ + ΘΕΦ) µεταξύ της κλειστής δραστηριότητας (36,1 %) και των ανοιχτών διερευνητικών δραστηριοτήτων (75,0%, 73,9%, 62,5%, 80,8%). 280

293 Ι. Λεύκος 2011 ΣΥΝΟΛΙΚΕΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΕΣ ΦΥΣΙΚΗΣ (ΖΕΥΓΑΡΙ Β) % ,8 72,7 44,7 57,7 56,7 ΘΜ.1.1 ΘΜ.1.2 ΑΚΤ.1 ΑΚΤ.2 ΑΛ.ΦΑΣ. ιάγραµµα 32: Ποσοστά συνολικής πυκνότητας εκφράσεων φυσικής, ανά δραστηριότητα για το ζευγάρι Β Στο διάγραµµα ( ιάγραµµα 32), παρουσιάζονται οι συνολικές πυκνότητες εκφράσεων φυσικής του ζευγαριού Β, για κάθε µια από τις δραστηριότητες που µελετούµε. ηλαδή παρουσιάζεται ανά δραστηριότητα, το άθροισµα των κατηγοριών ΠΡΦ που αντιστοιχεί στις εκφράσεις «Αντικείµενα της προσοµοίωσης & Φυσική» και ΘΕΦ, που αντιστοιχεί στις εκφράσεις «Θεωρία Φυσικής». Είναι πολύ εµφανές στο παραπάνω διάγραµµα ότι υπάρχει αρκετά µεγάλη περισσότερο από 25% διαφορά στις συνολικές πυκνότητες εκφράσεων φυσικής (ΠΡΦ + ΘΕΦ) µεταξύ της κλειστής δραστηριότητας (44,7%) και των ανοιχτών διερευνητικών δραστηριοτήτων (65,8%, 72,7%, 57,7%, 56,7%) Οι διαφορετικές συνιστώσες της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής κατά τη διάρκεια χρήσης του εικονικού εργαστηρίου ραστηριότητα: Θερµιδοµετρία 1.1 Ζευγάρι Α Ζευγάρι Β ΠΡΦ ΘΕΦ ΠΡΦ ΘΕΦ ΘΜ ,4 28,6 53,5 10,5 ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 281

294 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΘΜ.1.1 (ΖΕΥΓ. Α) 100 % ,4 28, ΠΡΦ ΘΕΦ ιάγραµµα 33: Οι συνιστώσες της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής (ΠΡΦ, ΘΕΦ), στη δραστηριότητα Θερµιδοµετρία 1.1 για το ζευγάρι Α Στο διάγραµµα ( ιάγραµµα 33), παρουσιάζονται αναλυτικά οι συνιστώσες της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής του ζευγαριού Α, που αφορούν τη δραστηριότητα Θερµιδοµετρία 1.1. Παρατηρούµε ότι τα ποσοστά για την κατηγορία ΠΡΦ που αντιστοιχεί στις εκφράσεις της κατηγορίας «Αντικείµενα της προσοµοίωσης & Φυσική» είναι κοντά στο 46%, και για την κατηγορία ΘΕΦ, που αντιστοιχεί στις εκφράσεις «Θεωρία Φυσικής», είναι περίπου 29%. ΘΜ.1.1 (ΖΕΥΓ. Β) 100 % ,3 10, ΠΡΦ ΘΕ Φ ιάγραµµα 34: Οι συνιστώσες της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής (ΠΡΦ, ΘΕΦ), στη δραστηριότητα Θερµιδοµετρία 1.1 για το ζευγάρι Β Στο διάγραµµα ( ιάγραµµα 33), παρουσιάζονται αναλυτικά οι συνιστώσες της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής του ζευγαριού Β, που αφορούν τη δραστηριότητα Θερµιδοµετρία 1.1. Παρατηρούµε ότι τα ποσοστά για την κατηγορία ΠΡΦ που αντιστοιχεί στις εκφράσεις της κατηγορίας «Αντικείµενα της προσοµοίωσης & Φυσική» είναι κοντά στο 55%, και για την κατηγορία ΘΕΦ, που αντιστοιχεί στις εκφράσεις «Θεωρία Φυσικής», είναι περίπου 11% Αποσπάσµατα της συζήτησης των µαθητών στην Θερµιδοµετρία 1.1. Στο παρακάτω απόσπασµα παραθέτουµε την συζήτηση των µαθητών της οµάδας Α, του µαθητή Γ. και του µαθητή., κατά τη διάρκεια χρήσης του εικονικού εργαστηρίου. Στ απόσπασµα αυτό οι µαθητές συνθέτουν την πειραµατική διάταξη και 282

295 Ι. Λεύκος 2011 στη συνέχεια παρακολουθούν την εξέλιξη του πειράµατος. Στη δεξιά στήλη, σηµειώνεται η κωδικοποίηση των εκφράσεων στις αντίστοιχες κατηγορίες. Πίνακας 35: Αποσπάσµατα από τη συνοµιλία των µαθητών Γ. και., κατά της δραστηριότητας Θερµοδοµετρία 1.1 Ποιο αρχείο να ανοίξουµε; Γ Calor-1. Γ (διαβάζει..επιλέξτε µόνοι σας τις ποσότητες). ΠΡΦ 50 γρ. θα βάλεις. Ε; Γ Βάλε 50 γρ. λάδι εδώ ΠΡΦ Εδώ; Γ 50.κι άλλο κι άλλο (ο κλικάρει για να πέσει το λάδι) σταµάτα 54 γρ. λέει τώρα (µπερδεύεται µε τα ml) ΠΡΦ Ωχ 54 λέει Γ Άδειασέ το στο νιπτήρα. ΑΠΡ Γιατί;.πόσο να βάλω; Γ 100 γρ..όχι βάλε 50 γρ. ΠΡΦ Α.. Γ Πρέπει να είναι ίσες ποσότητες ΘΕΦ γρ ΠΡΦ Γ Στο 54,47 πήγε τώρα ΠΡΦ.(κάνει τους χειρισµούς) Γ..δίπλα κοίτα.άδειασέ το (αστειευόµενος) πετάµε το λάδι σπάταλε άνθρωπε άλλοι πεινάνε, κι εµείς γρ..ωραία..βάλε και νερό..50 γρ.. Βάλε τα θερµόµετρα στα δυο δοχεία.. ΠΡΦ ΑΠΡ Ποιο στο ένα και ποιό στο άλλο; ΑΠΡ Γ Περίµενε να τα ζεστάνουµε πρώτα.περιμενε! Ποιο να βάλω στο ένα. ΑΠΡ Γ Βάλε το λάδι εδώ 90 γρ ΠΡΦ Καθ Ακούστε µε λίγο εδώ ρώτησε κάτι ο Αργύρης πριν κάνετε το πείραµα ποιος θα µου απαντήσει ρωτάει πώς θα βάλω την ίδια ποσότητα το βάζω ίδιο και το λάδι βγαίνει διαφορετικό έχει κάποιος καµιά απάντηση γιαυτό; Γ Κύριε λέει ο πίνακας Καθ Τι λέει ο πίνακας; Ποιο νούµερο θα προσέξω Γιώργο; Γ Κύριε στη παρένθεση, τα γραµµάρια ΠΡΦ Το g ΠΡΦ Καθ Τα γραµµάρια έτσι; Το g να είναι ίδιο Γ Βγάλτο (από το θερµοθάλαµο) ΑΠΡ (δυνατά για όλη την τάξη) Απ το υγρό τα γραµµάρια να είναι ίδιο. ΘΕΦ Γ Βάλτο µέσα και κάντο 15 βαθµούς..10 κάντο Ωραία και τώρα βγάλτο βάλε θερµόµετρα ΠΡΦ ΑΠΡ Ποιο στο ένα και ποιο στο άλλο.. ΑΠΡ Γ εν έχει σηµασία βάλε το µπλε στο κρύο.. µπράβο..και το κόκκινο στο θερµό.. ΠΡΦ ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 283

296 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ (κάνει τους χειρισµούς) Γ Ωραία βάλε τώρα το ένα µέσα στο άλλο.και άνοιξε τη γραφική ΑΠΡ παράσταση Ναι.τώρα; Γ Πάτα ξεκίνηµα πειράµατος ΑΠΡ Πες µου τι λέει να κάνουµε Γ Θα περιµένουµε µέχρι να µη µεταβάλλεται η θερµοκρασία ΘΕΦ (βλέπει την εξέλιξη) ούχ! (παραξενεύεται µε όσα παρατηρεί).λάθος το κάναµε Γ Πιο γρήγορα κατεβαίνει το λάδι..αποκλειεται ΘΕΦ Κύριε Γ Κύριε, πώς είναι δυνατόν να κατεβαίνει το λάδι πιο γρήγορα; ΠΡΦ Κύριε.κύριε το λάδι γιατί κατεβαίνει πιο γρήγορα; ΠΡΦ Γ Περίµενε µέχρι να γίνουν ίσα (οι τελικές θερµοκρασίες) ΠΡΦ Κύριε..κύριε Γ Πάτα στόπ ΑΠΡ εν τελείωσε ακόµη. Γ ΣΤΟΠ ΑΠΡ Κύριε, γιατί κατεβαίνει πιο γρήγορα το λάδι; ΠΡΦ Γ Πώς είναι δυνατόν κύριε; Τι έχει το λάδι; ΘΕΦ Καθ Τώρα σε λίγο θα το συζητήσουµε αυτό Γ. είναι εντάξει τώρα σταµάτα το. ΑΠΡ ραστηριότητα: Θερµιδοµετρία 1.2 Ζευγάρι Α Ζευγάρι Β ΠΡΦ ΘΕΦ ΠΡΦ ΘΕΦ ΘΜ ,0 10, ,7 ΘΜ.1.2 (ΖΕΥΓ. A) % ,0 ΠΡΦ 10,9 ΘΕΦ ιάγραµµα 35: Οι συνιστώσες της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής (ΠΡΦ, ΘΕΦ), στη δραστηριότητα Θερµιδοµετρία 1.2 για το ζευγάρι Α Στο διάγραµµα ( ιάγραµµα 35), παρουσιάζονται αναλυτικά οι συνιστώσες της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής του ζευγαριού Α, που αφορούν τη δραστηριότητα Θερµιδοµετρία 1.2. Όπως φαίνεται και από τον αντίστοιχο πίνακα 284

297 Ι. Λεύκος 2011 τιµών, τα ποσοστά για την κατηγορία ΠΡΦ που αντιστοιχεί στις εκφράσεις της κατηγορίας «Αντικείµενα της προσοµοίωσης & Φυσική» είναι στο 63%, και για την κατηγορία ΘΕΦ, που αντιστοιχεί στις εκφράσεις «Θεωρία Φυσικής», είναι περίπου 11%. ΘΜ.1.2 (ΖΕΥΓ. B) 100 % ,0 ΠΡΦ 22,7 ΘΕΦ ιάγραµµα 36: Οι συνιστώσες της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής (ΠΡΦ, ΘΕΦ), στη δραστηριότητα Θερµιδοµετρία 1.2 για το ζευγάρι Β Στο διάγραµµα ( ιάγραµµα 37), παρουσιάζονται αναλυτικά οι συνιστώσες της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής του ζευγαριού Β, που αφορούν τη δραστηριότητα Θερµιδοµετρία 1.2. Όπως φαίνεται και από τον αντίστοιχο πίνακα τιµών, τα ποσοστά για την κατηγορία ΠΡΦ που αντιστοιχεί στις εκφράσεις της κατηγορίας «Αντικείµενα της προσοµοίωσης & Φυσική» είναι στο 50%, και για την κατηγορία ΘΕΦ, που αντιστοιχεί στις εκφράσεις «Θεωρία Φυσικής», είναι περίπου 23% ραστηριότητα: Ακτινοβολία 1 Ζευγάρι Α Ζευγάρι Β ΠΡΦ ΘΕΦ ΠΡΦ ΘΕΦ ΑΚΤ.1 19,4 16,7 27,5 17,2 ΑΚΤ.1 (ΖΕΥΓ. Α) % ,4 16,7 0 ΠΡΦ ΘΕΦ ιάγραµµα 37: Οι συνιστώσες της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής (ΠΡΦ, ΘΕΦ), στη δραστηριότητα Ακτινοβολία 1, για το ζευγάρι Α ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 285

298 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Στο παραπάνω διάγραµµα ( ιάγραµµα 38), παρουσιάζονται αναλυτικά οι συνιστώσες της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής του ζευγαριού Α, που αφορούν τη δραστηριότητα Ακτινοβολία 1. Είναι φανερό ότι τα ποσοστά και συγκεκριµένα για την κατηγορία ΠΡΦ που αντιστοιχεί στις εκφράσεις της κατηγορίας «Αντικείµενα της προσοµοίωσης & Φυσική», βρίσκονται αρκετά χαµηλά, κοντά στο 19%. Η άλλη κατηγορία ΘΕΦ, που αντιστοιχεί στις εκφράσεις «Θεωρία Φυσικής», είναι περίπου 17% και είναι συγκρίσιµη µε αυτή των υπολοίπων δραστηριοτήτων. ΑΚΤ.1 (ΖΕΥΓ. B) % ,5 17, ΠΡΦ ΘΕΦ ιάγραµµα 38: Οι συνιστώσες της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής (ΠΡΦ, ΘΕΦ), στη δραστηριότητα Ακτινοβολία 1, για το ζευγάρι Β Στο παραπάνω διάγραµµα ( ιάγραµµα 38), παρουσιάζονται αναλυτικά οι συνιστώσες της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής του ζευγαριού Β, που αφορούν τη δραστηριότητα Ακτινοβολία 1. Είναι φανερό ότι τα ποσοστά και συγκεκριµένα για την κατηγορία ΠΡΦ που αντιστοιχεί στις εκφράσεις της κατηγορίας «Αντικείµενα της προσοµοίωσης & Φυσική», βρίσκονται επίσης χαµηλά, κοντά στο 28%. Η άλλη κατηγορία ΘΕΦ, που αντιστοιχεί στις εκφράσεις «Θεωρία Φυσικής», είναι περίπου 17% και είναι συγκρίσιµη µε αυτή των υπολοίπων δραστηριοτήτων Αποσπάσµατα της συζήτησης των µαθητών στην Ακτινοβολία 1. Στο παρακάτω απόσπασµα παραθέτουµε την συζήτηση των µαθητών της οµάδας Α, του µαθητή Γ. και του µαθητή., κατά τη διάρκεια χρήσης του εικονικού εργαστηρίου. Στ απόσπασµα αυτό οι µαθητές συνθέτουν την πειραµατική διάταξη και στη συνέχεια παρακολουθούν την εξέλιξη του πειράµατος. Στη δεξιά στήλη, σηµειώνεται η κωδικοποίηση των εκφράσεων στις αντίστοιχες κατηγορίες. Πίνακας 36: Αποσπάσµατα από τη συνοµιλία των µαθητών Γ. και., κατά της δραστηριότητας Ακτινοβολία 1 Καθ Για να δούµε τώρα ποιος είχε δίκαιο στην πρόβλεψή του. Ανοίξτε το ΣΕΠ. Θα βρείτε στο φάκελό σας το αρχείο radiation-1 Κύριε, πώς µπορείτε να χρωµατίσετε τα δοχεία; ΑΠΡ Πόσα λίτρα νερό θα βάλουµε? ΠΡΦ Καθ Θα το διαβάσετε στις οδηγίες Γ (διαφωνεί) τι πόσα λίτρα αφού χωράει µέχρι 250 ml. ΠΡΦ Εεεε, δηλαδή 0,25 lit.` ΠΡΦ 286

299 Ι. Λεύκος 2011 Γ Εσύ θα εκτελείς (λέει στον. και αρχίζει να διαβάζει τις οδηγίες.).ανοίξτε το αρχείο. το δοχείο έχει χωρητικότητα 250 ml και περιέχει.. ΠΡΦ (αστειευόµενοι, κάνουν κάποιους χειρισµούς που δεν έχουν σχέση µε το πείραµα, ρυθµίζοντας π.χ. το περιβάλλον σε πολύ χαµηλές ή πολύ ψηλές θερµοκρασίες.. Γ (επανέρχεται στα δεδοµένα του Φ.Ε.) 100 γρ. νερό στους 85 βαθµούς.εδώ στο φουρνάκι ΠΡΦ ΑΠΡ Τι 100 γρ.? ΠΡΦ Γ Πραγµατικά µαύρισε.βάλτο µέσα. ΑΠΡ Καθ Από το ρολογάκι, µπορείτε να ρυθµίσετε και την ταχύτητα του πειράµατος να τρέχει γρήγορα.. Πόσο να το βάλουµε? Γ Βάλε θερµόµετρο µέσα στο δοχείο και βάλε το άλλο πάνω στον πάγκο. ΑΠΡ Ποιο θερµόµετρο να βάλω από τα 2? ΑΠΡ Γ Ένα..βάλε το καφέ επί 100 ΑΠΡ Τόβαλα Γιώρ Ναι? Πάτα εκτέλεση ΑΠΡ Σε δευτερόλεπτα είναι να το βάζουµε (αναφέρεται στον πίνακα του Φ.Ε) Γ Μέχρι τα 5000 δευτ ΠΡΦ Καθ (περνάει πάνω από την οµάδα και βλέπει πώς έστησαν την διάταξη).τι είναι αυτό που βάλατε? 20 βαθµούς? Αυτός µου είπε να το βάλω (δηλ. ο Γ.) Γ 85 βαθµούς σου είπα, δεν το βαλες στο φουρνάκι? ΠΡΦ Καθ Πάτα επαναφορά βγάλε το θερµόµετρο πρώτα.. ΑΠΡ εν το χα βάλει? Γ Το βαλες. Α..πάτησα επαναφορά. ΑΠΡ Καθ Ξεκίνα ναι.αυτό γιατί το πειράξατε? (διορθώνει κάτι στο Φ.Ε.) Γ Βάλτο 100 βαθµούς ή µάλλον βάλτο στους 90 ΠΡΦ (αστειεύονται πάλι µε κάποιες ρυθµίσεις του ΣΕΠ) Καθ (απευθυνόµενος σε όλη την τάξη) Λοιπόν, όπως καταλάβατε, το πείραµα εξελίσσεται πολύ αργά. Και µάλιστα το έχουµε βάλει να γίνεται 100 φορές γρηγορότερα από την πραγµατικότητα. ηλαδή, αν το είχα βάλει στα δοχεία αυτά (δείχνει τα πραγµατικά δοχεία στο τραπέζι) τότε θα χρειαζόταν πάρα πολύ ώρα. Κύριε γρήγορα δεν είναι? Γ Ε, αφού το έχεις βάλει Χ100 και έφτασε στα 2000 δευτ..είναι περίπου 400 λεπτά.δια 50 αν το κάνουµε περίπου..(κάνει λάθος, θα πρεπε να πει 40 λεπτά) Καθ (σε όλους) ΠΡΦ Στα 5000 δευτ. θα το σταµατήσετε, αλλά θα έχετε καταλάβει περίπου τι γίνεται..καταλάβατε περίπου τι γίνεται? Καθ Το περιβάλλον δεν αλλάζει καθόλου? Γ Θα αλλάξει κατά 0, βαθµούς ΘΕΦ Καθ Το είδες αυτό στο πείραµα? Γ Ε, δεν τόχει. ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 287

300 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Καθ Αν δεν τόχει πώς αλλάζει? (γελώντας) άκου να αλλάξει το περιβάλλον.. ΘΕΦ Γ (γελώντας) φαντάσου θα πιάσουµε 50 βαθµούς ΘΕΦ (οι µαθητές ασχολούνται πάλι µε κάποιους χειρισµούς του ΣΕΠ, αστειευόµενοι και περιµένουν να φτάσει ο χρόνος 5000 δευτ..). Ακριβώς θα το σταµατήσω τώρα, είναι εύκολο! ΑΠΡ (δεν προλαβαίνει τα 5000 δευτ.) το πάτησα και µετά ΑΠΡ σταµάτησε.αλήθεια. Γ (αστειεύεται) να πατήσουµε επαναφορά! ΑΠΡ ραστηριότητα: Ακτινοβολία 2 Ζευγάρι Α Ζευγάρι Β ΠΡΦ ΘΕΦ ΠΡΦ ΘΕΦ ΑΚΤ.2 50,0 12,5 44,2 13,5 ΑΚΤ.2 (ΖΕΥΓ. Α) 100 % ,0 12, ΠΡΦ ΘΕΦ ιάγραµµα 39: Οι συνιστώσες της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής (ΠΡΦ, ΘΕΦ), στη δραστηριότητα Ακτινοβολία 2, του ζευγαριού Α Στο διάγραµµα ( ιάγραµµα 39), παρουσιάζονται αναλυτικά οι συνιστώσες της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής του ζευγαριού Α, που αφορούν τη δραστηριότητα Ακτινοβολία 2. Τα ποσοστά είναι 50% για την κατηγορία ΠΡΦ που αντιστοιχεί στις εκφράσεις της κατηγορίας «Αντικείµενα της προσοµοίωσης & Φυσική», και 12,5% για την κατηγορία ΘΕΦ, που αντιστοιχεί στις εκφράσεις «Θεωρία Φυσικής». 288

301 Ι. Λεύκος 2011 ΑΚΤ.2 (ΖΕΥΓ. B) % ,2 13,5 0 ΠΡΦ ΘΕΦ ιάγραµµα 40: Οι συνιστώσες της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής (ΠΡΦ, ΘΕΦ), στη δραστηριότητα Ακτινοβολία 2, του ζευγαριού Β Στο διάγραµµα ( ιάγραµµα 40), παρουσιάζονται αναλυτικά οι συνιστώσες της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής που αφορούν τη δραστηριότητα Ακτινοβολία 2. Τα ποσοστά είναι περίπου 44% για την κατηγορία ΠΡΦ που αντιστοιχεί στις εκφράσεις της κατηγορίας «Αντικείµενα της προσοµοίωσης & Φυσική», και 13,5% για την κατηγορία ΘΕΦ, που αντιστοιχεί στις εκφράσεις «Θεωρία Φυσικής» ραστηριότητα: Αλλαγές Φάσης Ζευγάρι Α Ζευγάρι Β ΠΡΦ ΘΕΦ ΠΡΦ ΘΕΦ ΑΛ.ΦΑΣ. 53,9 26,9 36,7 20,0 ΑΛΛΑΓΕΣ ΦΑΣΗΣ (ΖΕΥΓ. Α) ,9 ΠΡΦ 26,9 ΘΕΦ ιάγραµµα 41: Οι συνιστώσες της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής (ΠΡΦ, ΘΕΦ), στη δραστηριότητα Αλλαγές Φάσης, για το ζευγάρι Α Στο διάγραµµα ( ιάγραµµα 41), παρουσιάζονται αναλυτικά οι συνιστώσες της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής του ζευγαριού Α, που αφορούν τη δραστηριότητα Θερµιδοµετρία 1.2. Όπως φαίνεται, τα ποσοστά για την κατηγορία ΠΡΦ που αντιστοιχεί στις εκφράσεις της κατηγορίας «Αντικείµενα της προσοµοίωσης & Φυσική» είναι κοντά στο 54%, και για την κατηγορία ΘΕΦ, που αντιστοιχεί στις εκφράσεις «Θεωρία Φυσικής», είναι περίπου 27%. ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 289

302 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΑΛΛΑΓΕΣ ΦΑΣΗΣ (ΖΕΥΓ. Β) ,7 ΠΡΦ 20,0 ΘΕΦ ιάγραµµα 42: Οι συνιστώσες της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής (ΠΡΦ, ΘΕΦ), στη δραστηριότητα Αλλαγές Φάσης, για το ζευγάρι Β Στο διάγραµµα ( ιάγραµµα 42), παρουσιάζονται αναλυτικά οι συνιστώσες της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής του ζευγαριού Β, που αφορούν τη δραστηριότητα Θερµιδοµετρία 1.2. Όπως φαίνεται, τα ποσοστά για την κατηγορία ΠΡΦ που αντιστοιχεί στις εκφράσεις της κατηγορίας «Αντικείµενα της προσοµοίωσης & Φυσική» είναι κοντά στο 37%, και για την κατηγορία ΘΕΦ, που αντιστοιχεί στις εκφράσεις «Θεωρία Φυσικής», είναι 20% Αποσπάσµατα της συζήτησης των µαθητών στις Αλλαγές Φάσης Στο παρακάτω απόσπασµα παραθέτουµε την συζήτηση των µαθητών της οµάδας Α, του µαθητή Γ. και του µαθητή., κατά τη διάρκεια χρήσης του εικονικού εργαστηρίου. Στ απόσπασµα αυτό οι µαθητές συνθέτουν την πειραµατική διάταξη και στη συνέχεια παρακολουθούν την εξέλιξη του πειράµατος. Στη δεξιά στήλη, σηµειώνεται η κωδικοποίηση των εκφράσεων στις αντίστοιχες κατηγορίες. Πίνακας 37: Αποσπάσµατα από τη συνοµιλία των µαθητών Γ. και., κατά της δραστηριότητας Αλλαγές Φάσης Γ Κύριε ποιο αρχείο να ανοίξουµε; Καθ Το state.lab Άνοιξε το, το άνοιξες? Γ Τώρα το ένα είπε να το βάλουµε στους 40 βαθµούς? ΠΡΦ Το ένα στους 40 βαθµούς και το άλλο στους -20 βαθµούς ΠΡΦ Καθ Θα κάνετε το πειραµατάκι που συζητήσαµε τώρα στην πρόβλεψη δηλαδή θα βάλετε παγωµένο νερό Τα δοχεία έχουν χωρητικότητα 100 και 250 ml ΠΡΦ Γ Κοίτα πόσα πράγµατα έχει (κάνει διάφορους χειρισµούς) ΑΠΡ Σβήστα όλα και ξανά άνοιξε το αρχείο ΑΠΡ Γ Τι λέει, δεν είναι δυνατό σε περιβάλλον µαθητή. ΑΠΡ Βάλε -10 βαθµούς το παγωµένο -10 βαθµούς ΠΡΦ Γ Εγώ θέλω να κάνω πρώτα αυτό στον πίνακα Καθ Ε, το ίδιο είναι κι αυτό (στο φύλλο εργασίας) 290

303 Ι. Λεύκος 2011 Γ Έ εκείνο έχει αρχικές θερµοκρασίες -20 βαθµούς και 40 βαθµούς ΠΡΦ Εντάξει έχει απλά άλλες θερµοκρασίες σιγά ΠΡΦ Γ Ε, να δούµε τι θα γίνει κι εσύ δεν έχεις περιέργεια? (συγκρίνουν τα αποτελέσµατα στην οθόνη µε όσα είχαν γράψει στην πρόβλεψη) Γ Στους µηδέν ισορρόπησαν πάγωσε και το άλλο, όπως είχα προβλέψει ΘΕΦ Εσύ δεν είπες στους µηδέν είπες Γ είχα πει από τους 0 βαθµούς ως τους 5 βαθµούς..ε µέσα έπεσα ΘΕΦ Εντάξει κι εγώ είπα εκεί που θα λειώσει έλειωσε. ΘΕΦ Καθ (επικριτικά, γιατί δεν ασχολούνται µε το σωστό πρόβληµα) Γιώργο! Γ Ναι κύριε το σβήνω!...τι λέει τώρα για πες µου.. Καθ Ξανά φόρτωσε από την αρχή το αρχείο ΑΠΡ θα µείνει πάγος τώρα αυτό? Και θα παγώσει και το άλλο? ΘΕΦ Καθ Γιατί ( δεν ακούγεται) Γ Πόσο λέει η θερµοκρασία στο ένα το µπουκαλάκι? 50 βαθµούς? ΠΡΦ ε λέει! Στο ζεστό η θερµοκρασία είναι. ΠΡΦ Γ Το ζεστό πόσο είναι? ΠΡΦ Το ζεστό είναι 90 βαθµούς το ζεστό είναι το µεγάλο! ΠΡΦ Γ εν πειράζει Και το άλλο 90 βαθµούς (διαβάζει) µπορείτε ακόµη να καθορίσετε τις θερµοκρασίες από το θερµοθάλαµο ενεργοποιήστε την προβολή της γρ. παράστασης ΠΡΦ Βάλτο εδώ δε λέει να το βάλεις έτσι (διαφωνεί µε κάποιο χειρισµό). ΑΠΡ Κανονική ώρα λέει να το βάλουµε (για την χρονική επιτάχυνση µάλλον) ΑΠΡ (συνεχίζει να διαβάζει) αφήνετε τα δοχεία να αλληλεπιδράσουν.. Πάτα ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΑΠΡ.περίµενε α ναι εντάξει (διαβάζει) Παρατηρείστε την αλλαγή θερµοκρασίας..συνεχίστε να παρακολουθείτε το φαινόµενο µέχρι η θερµοκρασία. Γ Μέχρι να λειώσει όλο στους µηδέν θα ισορροπήσει στοίχηµα ΘΕΦ ε ξέρεις.. Γ Τι λες δεν το ήξερα? Γιώργο (..διαπληκτίζονται) ΑΧ! Κοίτα (βλέπει κάτι στην οθόνη). ΑΠΡ Γ Στους 2 βαθµούς ισορρόπησαν! ΠΡΦ Εγώ σου είπα, θα ισορροπήσουν εκεί που θα λειώσει ο πάγος! ΘΕΦ Γ Από 0 βαθµούς µέχρι 5 σου είπα εγώ ΘΕΦ Κύριε σωστό δεν είναι, εγώ είπα εκεί που θα λειώσει ο πάγος..στη ΘΕΦ θερµοκρασία που θα λειώσει ο πάγος Καθ Τι? Τι λες? Στους 2 βαθµούς λειώνει ο πάγος? ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 291

304 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Εκεί έλειωσε ο πάγος όµως! Εδώ αρχίζει να λειώνει ο πάγος ΘΕΦ Γ Στους 2 βαθµούς έλειωσε τελείως ο πάγος κύριε! Στους 0 βαθµούς ΘΕΦ αρχίζει να λειώνει Στους 1 βαθµούς έλειωσε όλο. ΠΡΦ Καθ Μπορείτε όσο τρέχει το πείραµα να βάλετε το χεράκι του ποντικιού στο δοχείο, να διαβάσετε στον πίνακα Γ εν έχει πάγο κύριε µέσα! Όλο έχει λειώσει ΠΡΦ Κ Σας λέει πόσο νερό και πόσο πάγο έχει κάθε φορά! Κλείστο τώρα!...α δεν έφτασε ακόµη ΑΠΡ Κ Τρέξτο από την αρχή για να δείς ΑΠΡ Σύγκριση µεταξύ των εκφράσεων που αφορούν τα αντικείµενα και των συνολικών εκφράσεων φυσικής, κατά τη χρήση του εικονικού εργαστηρίου, σε κάθε δραστηριότητα ραστηριότητα: Θερµιδοµετρία 1.1 Ζευγάρι Α Ζευγάρι Β ΑΠΡ ΠΡΦ + ΘΕΦ ΑΠΡ ΠΡΦ + ΘΕΦ ΘΜ ,4 75,0 26,3 72,7 ΘΜ.1.1 (ΖΕΥΓ. Α) ,0 % ,4 0 ΑΠΡ ΠΡΦ + ΘΕΦ ιάγραµµα 43: Σύγκριση µεταξύ των πυκνοτήτων εκφράσεων για τα αντικείµενα της προσοµοίωσης (ΑΠΡ) και του αθροίσµατος πυκνοτήτων εκφράσεων φυσικής (ΠΡΦ + ΘΕΦ), για τη δραστηριότητα Θερµιδοµετρία 1.1, στο ζευγάρι Α Στο διάγραµµα ( ιάγραµµα 43), παρουσιάζονται συγκριτικά η πυκνότητα των εκφράσεων που σχετίζονται µε τα αντικείµενα της προσοµοίωσης και το συνολικό άθροισµα της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής του ζευγαριού Α, στη δραστηριότητα Θερµιδοµετρία 1.1. Παρατηρούµε ότι τα ποσοστά για την κατηγορία ΑΠΡ που αντιστοιχεί στις εκφράσεις «Αντικείµενα της προσοµοίωσης» είναι κοντά στο 21%. Από την άλλη µεριά το άθροισµα ΠΡΦ + ΘΕΦ, που αντιστοιχεί συνολικά στις εκφράσεις «Αντικείµενα της προσοµοίωσης & Φυσική» και «Θεωρία Φυσικής», είναι 75%, δηλαδή πολύ µεγαλύτερο. 292

305 Ι. Λεύκος 2011 ΘΜ.1.1 (ΖΕΥΓ. B) ,8 % ,3 0 ΑΠΡ ΠΡΦ + ΘΕΦ ιάγραµµα 44: Σύγκριση µεταξύ των πυκνοτήτων εκφράσεων για τα αντικείµενα της προσοµοίωσης (ΑΠΡ) και του αθροίσµατος πυκνοτήτων εκφράσεων φυσικής (ΠΡΦ + ΘΕΦ), για τη δραστηριότητα Θερµιδοµετρία 1.1, στο ζευγάρι Β Στο διάγραµµα ( ιάγραµµα 44), παρουσιάζονται συγκριτικά η πυκνότητα των εκφράσεων που σχετίζονται µε τα αντικείµενα της προσοµοίωσης και το συνολικό άθροισµα της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής του ζευγαριού Β, στη δραστηριότητα Θερµιδοµετρία 1.1. Παρατηρούµε ότι τα ποσοστά για την κατηγορία ΑΠΡ που αντιστοιχεί στις εκφράσεις «Αντικείµενα της προσοµοίωσης» είναι κοντά στο 26%. Από την άλλη µεριά το άθροισµα ΠΡΦ + ΘΕΦ, που αντιστοιχεί συνολικά στις εκφράσεις «Αντικείµενα της προσοµοίωσης & Φυσική» και «Θεωρία Φυσικής», είναι 66%, δηλαδή πολύ µεγαλύτερο ραστηριότητα: Θερµιδοµετρία 1.2 Ζευγάρι Α Ζευγάρι Β AΠΡ ΠΡΦ + ΘΕΦ AΠΡ ΠΡΦ + ΘΕΦ ΘΜ ,6 73,9 20,5 72,7 ΘΜ.1.2 (ΖΕΥΓ. Α) ,9 % ,6 0 ΑΠΡ ΠΡΦ + ΘΕΦ ιάγραµµα 45: Σύγκριση µεταξύ των πυκνοτήτων εκφράσεων για τα αντικείµενα της προσοµοίωσης (ΑΠΡ) και του αθροίσµατος πυκνοτήτων εκφράσεων φυσικής (ΠΡΦ + ΘΕΦ), για τη δραστηριότητα Θερµιδοµετρία 1.2, του ζευγαριού Α ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 293

306 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Στο διάγραµµα ( ιάγραµµα 45), µπορούµε να συγκρίνουµε την πυκνότητα των εκφράσεων που σχετίζονται µε τα αντικείµενα της προσοµοίωσης, µε το συνολικό άθροισµα της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής, στη δραστηριότητα Θερµιδοµετρία 1.2, για το ζευγάρι Α. Έτσι φαίνεται ότι τα ποσοστά για την κατηγορία ΑΠΡ που αντιστοιχεί στις εκφράσεις «Αντικείµενα της προσοµοίωσης» είναι κοντά στο 20%, ενώ το άθροισµα ΠΡΦ + ΘΕΦ, που αντιστοιχεί συνολικά στις εκφράσεις «Αντικείµενα της προσοµοίωσης & Φυσική» και «Θεωρία Φυσικής», είναι σηµαντικά µεγαλύτερο και φτάνει περίπου στο 74%. ΘΜ.1.2 (ΖΕΥΓ. B) ,7 % ,5 0 ΑΠΡ ΠΡΦ + ΘΕΦ ιάγραµµα 46: Σύγκριση µεταξύ των πυκνοτήτων εκφράσεων για τα αντικείµενα της προσοµοίωσης (ΑΠΡ) και του αθροίσµατος πυκνοτήτων εκφράσεων φυσικής (ΠΡΦ + ΘΕΦ), για τη δραστηριότητα Θερµιδοµετρία 1.2, του ζευγαριού Β Στο διάγραµµα ( ιάγραµµα 46), µπορούµε να συγκρίνουµε την πυκνότητα των εκφράσεων που σχετίζονται µε τα αντικείµενα της προσοµοίωσης, µε το συνολικό άθροισµα της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής, στη δραστηριότητα Θερµιδοµετρία 1.2, για το ζευγάρι Β. Έτσι φαίνεται ότι τα ποσοστά για την κατηγορία ΑΠΡ που αντιστοιχεί στις εκφράσεις «Αντικείµενα της προσοµοίωσης» είναι στο 20,5%, ενώ το άθροισµα ΠΡΦ + ΘΕΦ, που αντιστοιχεί συνολικά στις εκφράσεις «Αντικείµενα της προσοµοίωσης & Φυσική» και «Θεωρία Φυσικής», είναι και πάλι σηµαντικά µεγαλύτερο και φτάνει περίπου στο 73% ραστηριότητα: Ακτινοβολία 1 Ζευγάρι Α Ζευγάρι Β AΠΡ ΠΡΦ + ΘΕΦ AΠΡ ΠΡΦ + ΘΕΦ ΑΚΤ.1 38,9 36,1 17,5 44,7 294

307 Ι. Λεύκος 2011 AKT.1 (ΖΕΥΓ. Α) % ,9 36,1 0 ΑΠΡ ΠΡΦ + ΘΕΦ ιάγραµµα 47: Σύγκριση µεταξύ των πυκνοτήτων εκφράσεων για τα αντικείµενα της προσοµοίωσης (ΑΠΡ) και του αθροίσµατος πυκνοτήτων εκφράσεων φυσικής (ΠΡΦ + ΘΕΦ), για τη δραστηριότητα Ακτινοβολία 1, του ζευγαριού Α Στο διάγραµµα ( ιάγραµµα 47), παρουσιάζονται συγκριτικά η πυκνότητα των εκφράσεων που σχετίζονται µε τα αντικείµενα της προσοµοίωσης και το συνολικό άθροισµα της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής των µαθητών του ζευγαριού Α, κατά τη διάρκεια της δραστηριότητας Ακτινοβολία 1. Παρατηρούµε ότι τα ποσοστά για την κατηγορία ΑΠΡ που αντιστοιχεί στις εκφράσεις «Αντικείµενα της προσοµοίωσης» είναι κοντά στο 39%, ενώ το άθροισµα ΠΡΦ + ΘΕΦ, που αντιστοιχεί συνολικά στις εκφράσεις «Αντικείµενα της προσοµοίωσης & Φυσική» και «Θεωρία Φυσικής», είναι περίπου 36%. AKT.1 (ΖΕΥΓ. B) % ,5 44, ΑΠΡ ΠΡΦ + ΘΕΦ ιάγραµµα 48: Σύγκριση µεταξύ των πυκνοτήτων εκφράσεων για τα αντικείµενα της προσοµοίωσης (ΑΠΡ) και του αθροίσµατος πυκνοτήτων εκφράσεων φυσικής (ΠΡΦ + ΘΕΦ), για τη δραστηριότητα Ακτινοβολία 1, του ζευγαριού Α Στο διάγραµµα ( ιάγραµµα 48), παρουσιάζονται συγκριτικά η πυκνότητα των εκφράσεων που σχετίζονται µε τα αντικείµενα της προσοµοίωσης και το συνολικό άθροισµα της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής των µαθητών του ζευγαριού Β, κατά τη διάρκεια της δραστηριότητας Ακτινοβολία 1. Παρατηρούµε ότι τα ποσοστά για την κατηγορία ΑΠΡ που αντιστοιχεί στις εκφράσεις «Αντικείµενα της προσοµοίωσης» είναι κοντά στο 18%, ενώ το άθροισµα ΠΡΦ + ΘΕΦ, που αντιστοιχεί συνολικά στις εκφράσεις «Αντικείµενα της προσοµοίωσης & Φυσική» και «Θεωρία Φυσικής», είναι περίπου 45%. ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 295

308 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ραστηριότητα: Ακτινοβολία 2 Ζευγάρι Α Ζευγάρι Β AΠΡ ΠΡΦ + ΘΕΦ AΠΡ ΠΡΦ + ΘΕΦ ΑΚΤ.2 22,5 62,5 15,4 57,7 ΑΚΤ.2 (ΖΕΥΓ. Α) ,5 % ,5 0 AΠΡ ΠΡΦ + ΘΕΦ ιάγραµµα 49: Σύγκριση µεταξύ των πυκνοτήτων εκφράσεων για τα αντικείµενα της προσοµοίωσης (ΑΠΡ) και του αθροίσµατος πυκνοτήτων εκφράσεων φυσικής (ΠΡΦ + ΘΕΦ), για τη δραστηριότητα Ακτινοβολία 2, για το ζευγάρι Α Στο διάγραµµα ( ιάγραµµα 49), παρουσιάζονται συγκριτικά η πυκνότητα των εκφράσεων που σχετίζονται µε τα αντικείµενα της προσοµοίωσης και το συνολικό άθροισµα της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής του ζευγαριού Α, για τη δραστηριότητα Ακτινοβολία 2. Είναι φανερό ότι τα ποσοστά για την κατηγορία ΑΠΡ που αντιστοιχεί στις εκφράσεις «Αντικείµενα της προσοµοίωσης» είναι κοντά στο 23% και υστερούν σηµαντικά σε σχέση µε το άθροισµα ΠΡΦ + ΘΕΦ, που αντιστοιχεί συνολικά στις εκφράσεις «Αντικείµενα της προσοµοίωσης & Φυσική» και «Θεωρία Φυσικής», και είναι περίπου 63%. ΑΚΤ.2 (ΖΕΥΓ. B) 100 % ,4 AΠΡ 57,7 ΠΡΦ + ΘΕΦ ιάγραµµα 50: Σύγκριση µεταξύ των πυκνοτήτων εκφράσεων για τα αντικείµενα της προσοµοίωσης (ΑΠΡ) και του αθροίσµατος πυκνοτήτων εκφράσεων φυσικής (ΠΡΦ + ΘΕΦ), για τη δραστηριότητα Ακτινοβολία 2, για το ζευγάρι Β 296

309 Ι. Λεύκος 2011 Στο διάγραµµα ( ιάγραµµα 50), παρουσιάζονται συγκριτικά η πυκνότητα των εκφράσεων που σχετίζονται µε τα αντικείµενα της προσοµοίωσης και το συνολικό άθροισµα της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής του ζευγαριού Α, για τη δραστηριότητα Ακτινοβολία 2. Είναι φανερό ότι τα ποσοστά για την κατηγορία ΑΠΡ που αντιστοιχεί στις εκφράσεις «Αντικείµενα της προσοµοίωσης» είναι κοντά στο 15% και υστερούν σηµαντικά σε σχέση µε το άθροισµα ΠΡΦ + ΘΕΦ, που αντιστοιχεί συνολικά στις εκφράσεις «Αντικείµενα της προσοµοίωσης & Φυσική» και «Θεωρία Φυσικής», τα οποία είναι περίπου 58% ραστηριότητα: Αλλαγές Φάσης Ζευγάρι Α Ζευγάρι Β AΠΡ ΠΡΦ + ΘΕΦ AΠΡ ΠΡΦ + ΘΕΦ ΑΛ.ΦΑΣ. 34,6 80,8 33,3 56,7 ΑΛΛΑΓΕΣ ΦΑΣΗΣ (ΖΕΥΓ. Α) % ,6 AΠΡ 80,8 ΠΡΦ + ΘΕΦ ιάγραµµα 51: Σύγκριση µεταξύ των πυκνοτήτων εκφράσεων για τα αντικείµενα της προσοµοίωσης (ΑΠΡ) και του αθροίσµατος πυκνοτήτων εκφράσεων φυσικής (ΠΡΦ + ΘΕΦ), για τη δραστηριότητα Αλλαγές Φάσης. Στο διάγραµµα ( ιάγραµµα 51), παρουσιάζεται η πυκνότητα των εκφράσεων που σχετίζονται µε τα αντικείµενα της προσοµοίωσης, σε σύγκριση µε το συνολικό άθροισµα της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής, κατά τη διάρκεια της δραστηριότητας «Αλλαγές Φάσης», του ζευγαριού Α. Παρατηρούµε ότι τα ποσοστά για την κατηγορία ΑΠΡ που αντιστοιχεί στις εκφράσεις «Αντικείµενα της προσοµοίωσης» είναι κοντά στο 35%, ενώ αντιθέτως το άθροισµα ΠΡΦ + ΘΕΦ, που αντιστοιχεί συνολικά στις εκφράσεις «Αντικείµενα της προσοµοίωσης & Φυσική» και «Θεωρία Φυσικής», είναι πολύ µεγαλύτερο και φτάνει περίπου το 81%. ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 297

310 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΑΛΛΑΓΕΣ ΦΑΣΗΣ (ΖΕΥΓ. Β) 100 % ,3 AΠΡ 56,7 ΠΡΦ + ΘΕΦ ιάγραµµα 52: Σύγκριση µεταξύ των πυκνοτήτων εκφράσεων για τα αντικείµενα της προσοµοίωσης (ΑΠΡ) και του αθροίσµατος πυκνοτήτων εκφράσεων φυσικής (ΠΡΦ + ΘΕΦ), για τη δραστηριότητα Αλλαγές Φάσης. Στο διάγραµµα ( ιάγραµµα 52), παρουσιάζεται η πυκνότητα των εκφράσεων που σχετίζονται µε τα αντικείµενα της προσοµοίωσης, σε σύγκριση µε το συνολικό άθροισµα της πυκνότητας των εκφράσεων φυσικής, κατά τη διάρκεια της δραστηριότητας «Αλλαγές Φάσης», του ζευγαριού Β. Παρατηρούµε ότι τα ποσοστά για την κατηγορία ΑΠΡ που αντιστοιχεί στις εκφράσεις «Αντικείµενα της προσοµοίωσης» είναι κοντά στο 34%, ενώ αντιθέτως το άθροισµα ΠΡΦ + ΘΕΦ, που αντιστοιχεί συνολικά στις εκφράσεις «Αντικείµενα της προσοµοίωσης & Φυσική» και «Θεωρία Φυσικής», είναι πολύ µεγαλύτερο και φτάνει περίπου το 57% Σχολιασµός Α. Από τα συνολικά διαγράµµατα ( ιάγραµµα 31-32), είναι φανερό ότι υπάρχει αρκετά µεγάλη διαφορά στις πυκνότητες εκφράσεων µεταξύ της κλειστής δραστηριότητας (ΑΚΤ-1) και των υπολοίπων που είχαν διερευνητικό χαρακτήρα και αυτό συνδέεται άµεσα µε το ερευνητικό µας ερώτηµα. ότι: Από τα επιµέρους αναλυτικά διαγράµµατα ( ιάγραµµα 33-52) παρατηρούµε Β. Οι πυκνότητες εκφράσεων που συσχετίζουν τα αντικείµενα και τη φυσική κατά τη διάρκεια της προσοµοίωσης (κατηγορία ΠΡΦ), είναι πολύ µεγαλύτερες σε κάθε περίπτωση στις διερευνητικές δραστηριότητες (για το ζευγάρι Α αντίστοιχα: 46,4%, 63,0%, 50,0%, 53,9% και γα το ζευγάρι Β αντίστοιχα: 55,3%, 50,0%, 44,2%, 36,7%), από ότι στην κλειστή δραστηριότητα (19,4% και 27,5 για το ζευγάρι Α και Β αντίστοιχα), και συνδέεται άµεσα και µε το προηγούµενο σχόλιο. Γ. Σε όλες τις περιπτώσεις δραστηριοτήτων παρατηρούνται συνεισφορές εκφράσεων που αφορούν την θεωρία της φυσικής (ΘΕΦ), ακόµη και στην κλειστού τύπου δραστηριότητα «Ακτινοβολία 1». Αυτή είναι µια πολύ σηµαντική ένδειξη για τη χρησιµότητα που έχει το προσοµοιωµένο εργαστήριο στη διασύνδεση µε την θεωρία, σε ένα δεύτερο βαθµό αφαίρεσης, πάνω δηλαδή από την προφανή διασύνδεση µε τα αντικείµενα του κόσµου. 298

311 Ι. Λεύκος 2011 Εξάλλου, από τα επιµέρους αναλυτικά διαγράµµατα ( ιάγραµµα 33-52) παρατηρούµε ότι:. Γενικά, παρατηρούµε ότι υπάρχουν κάποιες διαφορές µεταξύ των διαφόρων δραστηριοτήτων σε σχέση µε τα ποσοστά εκφράσεων που εµφανίζονται τόσο µεταξύ τους, όσο και µεταξύ των δυο ζευγαριών στην ίδια δραστηριότητα. Αυτό το γεγονός θεωρούµε πως είναι αναµενόµενο, αν λάβουµε υπόψη µας τη διαφορετικότητα στο περιεχόµενο κάθε δραστηριότητας. Θεωρούµε δηλαδή ότι σηµαντικός παράγοντας για τις αναλύσεις µας είναι και το εννοιολογικό περιεχόµενο, αλλά και η δοµή αυτή καθ εαυτή της κάθε δραστηριότητας και σε αυτό αποδίδουµε τις διαφορές που εµφανίζονται. Βέβαια, από την άλλη µεριά, η διαφορά που παρατηρήσαµε µεταξύ των διερευνητικών δραστηριοτήτων και της κλειστής δραστηριότητας είναι τόσο ξεκάθαρη και στα δυο ζευγάρια, που µας επιτρέπει να ισχυριστούµε ότι πράγµατι ο παράγοντας αυτός είναι καθοριστικός. Ε. Αν συγκρίνουµε µεταξύ τους τις δραστηριότητες Ακτινοβολία-1 (κλειστού τύπου) και Ακτινοβολία-2 (ανοιχτού τύπου), οι οποίες έχουν το ίδιο εννοιολογικό περιεχόµενο, θα παρατηρήσουµε ότι οι πυκνότητες εκφράσεων ΑΠΡ που αφορούν τα αντικείµενα και µόνο της προσοµοίωσης (δηλαδή αφορούν καθαρά σε χειρισµούς του εικονικού περιβάλλοντος), φαίνεται να έχουν κάποια υπεροχή στην κλειστή δραστηριότητα (38,9 % για το ζευγάρι Α και 17,5% για το ζευγάρι Β), έναντι των αντίστοιχων πυκνοτήτων που εµφανίζονται στην διερευνητική δραστηριότητα (22,5 % για το ζευγάρι Α και 15,4% για το ζευγάρι Β). Το γεγονός αυτό ενώ εκ πρώτης όψεως φαίνεται οξύµωρο, δηλαδή σε µια δραστηριότητα διερευνητικού τύπου µε δυνατότητα παρέµβασης των µαθητών στα αντικείµενα του κόσµου, να εµφανίζονται χαµηλότερα ποσοστά έναντι µιας κλειστής δραστηριότητας. Πρέπει όµως εδώ να θυµίσουµε ότι τα ποσοστά που εµφανίζονται εδώ είναι οι σχετικές πυκνότητες και η βάση για την σύγκρισή τους είναι το ποσοστό επί του συνολικού χρόνου της κάθε δραστηριότητας. ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 299

312 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΚΕΦ. 6. : ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 1. Εισαγωγή Η εργασία που παρουσιάστηκε εδώ, αφορά την διδασκαλία των Θερµικών φαινοµένων στη Β Γυµνασίου και αποτελεί µια εναλλακτική διδακτική σειρά για την προσέγγιση των φαινοµένων αυτών, σε συνθήκες πραγµατικής τάξης. ύο είναι τα κύρια χαρακτηριστικά της σειράς (Lefkos et al. 2005), τα οποία την διαφοροποιούν από τις συµβατικές: ο εργαστηριακός της χαρακτήρας και η εκτεταµένη χρήση εργαλείων Τ.Π.Ε. Τα δυο αυτά χαρακτηριστικά συνδυάστηκαν µε την κατάλληλη επιλογή εργαστηριακών λογισµικών και µέσων και συγκεκριµένα µε τη χρήση ενός εικονικού εργαστηρίου µελέτης των θερµικών φαινόµενων (Λεύκος κ.ά., 2000) και µιας πλατφόρµας διασύνδεσης του Η/Υ µε αισθητήρες καταγραφής των σχετικών φυσικών µεγεθών, επιπλέων των συµβατικών εργαστηριακών υλικών. Στη διδακτική πρόταση αυτή, θεωρήσαµε ότι τα παραδοσιακά εργαστηριακά πειράµατα είναι κατάλληλα για την εισαγωγή στα θερµικά φαινόµενα, ενώ τα προσοµοιωµένα πειράµατα προσφέρονται για την εκτενέστερη παραµετρική διερεύνησή τους, χρησιµοποιώντας σαν µέσο γεφύρωσης µεταξύ τους, ψηφιακούς αισθητήρες και συγχρονικές διατάξεεις MBL. Έτσι, προχωρώντας από το παραδοσιακό πείραµα στο προσοµοιωµένο, αυξάνουµε σταδιακά το επίπεδο της αφαίρεσης και ταυτόχρονα µετατοπίζουµε το φορτίο από την χειρωνακτική διαχείριση των αντικειµένων, στη νοητική διαχείριση των εννοιών. Η πρόταση λοιπόν που διαµορφώσαµε βασίζεται στην υπόθεση ότι ο εµπλουτισµός µιας διδακτικής σειράς µε ΤΠΕ που έχουν εργαστηριακό χαρακτήρα θα µπορούσε από τη µια να ενισχύσει την εννοιολογική κατανόηση των φαινοµένων και από την άλλη να εµπλέξει τους µαθητές σε πειραµατικές δραστηριότητες µε σκοπό να ενισχύσει τις ικανότητές τους για πειραµατισµό και να τους φέρει πιο κοντά στην µεθοδολογία των Φυσικών Επιστηµών. Ο σχεδιασµός των έργων επίσης, όπως και ολόκληρης της διδακτικής σειράς εξάλλου, βασίστηκε στα ερευνητικά δεδοµένα σχετικά µε τις εναλλακτικές απόψεις των µαθητών που εµφανίζονται στα αντίστοιχα φαινόµενα. Η πρότασή µας εστιάστηκε στην κατασκευή επεξηγήσεων και περιγραφών των θερµικών αλληλεπιδράσεων και φαινοµένων από τους µαθητές, κυρίως πάνω στη βάση του µοντέλου «ροής θερµότητας», το οποίο όπως η έρευνα έχει αποδείξει, βρίσκεται κοντά στις απόψεις των µαθητών (Linn & Songer, 1991; Arnold & Millar, 1996; Μπισδικιάν, 2000), οπότε µπορούν εύκολα να το υιοθετήσουν και να το χρησιµοποιήσουν στις περιγραφές τους. Η παραπάνω παραδοχή µας οδήγησε στην υιοθέτηση ενός διδακτικού µετασχηµατισµού, που βασίζεται στη χρήση της Θερµικής Ισορροπίας ως φαινόµενο και έννοια «κλειδί», προτείνοντας, όπως και άλλοι ερευνητές (Arnold & Millar, 1998; Carlton, 2000; Clark & Jorde, 2004), µια ολιστική οπτική της διδασκαλίας των θερµικών φαινοµένων, διότι στη θερµική ισορροπία διαπλέκονται οι έννοιες της θερµοκρασίας και της θερµότητας, οι βασικότερες δηλαδή για την περιγραφή και κατανόηση των θερµικών φαινοµένων. Η έρευνα αυτή περιλαµβάνει αρκετά στοιχεία πρωτοτυπίας τόσο στο σχεδιασµό, όσο και στην διερεύνηση των αποτελεσµάτων της διδακτικής µας πρότασης. 300

313 Ι. Λεύκος 2011 Ο σχεδιασµός της διδακτικής πρότασης από την άποψη του περιεχοµένου βασίστηκε όπως αναφέραµε στα ερευνητικά δεδοµένα που σχετίζονται µε τη διδασκαλία των Θερµικών φαινοµένων και τις γνωστικές δυσκολίες των µαθητών. Παρότι όµως υπάρχει αναγνώριση από µεριάς των ερευνητών του φαινοµένου της «Θερµικής Ισορροπίας», ως βασικό ζήτηµα «κλειδί» για την κατανόηση των Θερµικών φαινοµένων και τη διάκριση των σχετικών εννοιών και αντίστοιχες προτάσεις για τη διδασκαλία του φαινοµένου (όπως προηγουµένως), η οπτική µε την οποία αντιµετωπίζεται στην παρούσα εργασία είναι διαφορετική. Η διαφορά βρίσκεται στο γεγονός ότι ολόκληρη η διδακτική µας σειρά βασίζεται σε φαινόµενα Θερµικής Ισορροπίας. εν το αντιµετωπίζουµε απλά σαν το ζήτηµα «κλειδί» αλλά σαν το κυρίαρχο ζήτηµα το οποίο διατρέχει ολόκληρη τη διδασκαλία των θερµικών φαινοµένων. Αυτή η διευρυµένη οπτική για τη Θερµική Ισορροπία βρίσκεται στον πυρήνα του διδακτικού µετασχηµατισµού που ακολουθούµε και ταυτόχρονα αποτελεί ένα σηµείο πρωτοτυπίας στο σχεδιασµό της διδακτικής µας πρότασης, καθώς δε φαίνεται να προτείνεται κάπου αλλού στη διεθνή βιβλιογραφία. Άλλο σηµείο στο σχεδιασµό της διδακτικής µας σειράς το οποίο έχει στοιχεία πρωτοτυπίας είναι ο τρόπος µε τον οποίο επιλέξαµε να υλοποιήσουµε τον παραπάνω µετασχηµατισµό, µέσα από τον εργαστηριακό χαρακτήρα της προσέγγισης και τον εµπλουτισµό µε ΤΠΕ. Ακολουθώντας µια συγκεκριµένη διδακτική άποψη, εντάσσουµε τις ΤΠΕ µε συγκεκριµένη αλληλουχία µετάβασης από το πραγµατικό πείραµα προς το εικονικό, µε ενδιάµεση χρήση αισθητήρων MBL (Lefkos et al, 2005). Έτσι, υιοθετούµε µια λογική συµπλήρωσης και επέκτασης των συµβατικών εργαστηριακών µέσων (και όχι αντικατάστασης και ανταγωνισµού), αποκοµίζοντας έτσι, αντίστοιχα πλεονεκτήµατα σε κάθε διαφορετική φάση της διδασκαλίας µας. ιάφορες άλλες προτάσεις που έχουν κατατεθεί συνήθως διερευνούν την αντικατάσταση του ενός µέσου µε ένα άλλο, ή την συµπληρωµατική χρήση των δυο από τα µέσα αυτά. Η δική µας πρόταση αφορά την συµπληρωµατική χρήση τριών διαφορετικών µέσων πειραµατισµού και εδώ είναι το σηµείο πρωτοτυπίας της. Άλλο σηµείο πρωτοτυπίας της έρευνας, υπάρχει και στα ερευνητικά ερωτήµατα που τίθενται, και συγκεκριµένα στη διερεύνηση της Αποτελεσµατικότητας-1. Αυτού του είδους η αποτελεσµατικότητα δε διερευνάται συχνά, καθώς αφορά την αποτίµηση ενός εργαστηριακού µαθήµατος κατά τη διάρκεια διεξαγωγής του, ενώ η συνήθης πρακτική, είναι να αποτιµώνται τα αποτελέσµατα µετά από το πέρας του εργαστηρίου (Αποτελεσµατικότητα-2). Η πρωτοτυπία λοιπόν της έρευνάς µας, βρίσκεται στο γεγονός ότι όχι µόνο αξιολογούµε την Αποτελεσµατικότητα-1, αλλά και στο ότι ταυτόχρονα αξιολογούµε και την Αποτελεσµατικότητα-2. Στις ενότητες που ακολουθούν παρουσιάζονται τα συµπεράσµατα που προκύπτουν από την έρευνά µας και αφορούν τους τρείς άξονες που αντιστοιχούν στα ερευνητικά µας ερωτήµατα, τα οποία ήταν: Άξονας 1 ος Ερώτηµα: «Επηρεάζει η συµµετοχή των µαθητών µας στη διδακτική σειρά τη γνωστική τους βελτίωση και την κατανόηση των βασικών εννοιών των θερµικών φαινοµένων που διαπραγµατευόµαστε;» ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 301

314 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Άξονας 2 ος Ερώτηµα: «Επηρεάζει η εµπλοκή των µαθητών µας σε δραστηριότητες διερεύνησης στο εικονικό εργαστήριο, την ικανότητά τους να σχεδιάζουν πειράµατα που αφορούν θερµικές αλληλεπιδράσεις πραγµατικών αντικειµένων σε καταστάσεις της καθηµερινής ζωής;» Άξονας 3 ος Ερώτηµα: «Επηρεάζει η εµπλοκή των µαθητών µας σε δραστηριότητες διερεύνησης στο εικονικό εργαστήριο, την δηµιουργία συνδέσεων µεταξύ θεωρίας και πρακτικής;» 2. Άξονας 1ος: Γνωστική βελτίωση των µαθητών σε βασικές έννοιες των θερµικών φαινοµένων (Αποτελεσµατικότητα-2α) Στα προηγούµενα κεφάλαια, παρουσιάστηκε η µεθοδολογία και τα αποτελέσµατα από τον έλεγχο για την γνωστική βελτίωση των µαθητών µας. Ο έλεγχος αυτός έγινε µε την χρήση ερωτηµατολογίων και ηµι-δοµηµένων ατοµικών συνεντεύξεων βασισµένων πάνω σε αυτά, τα οποία περιείχαν µια σειρά από έργα που µπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε 9 οµάδες έργων που αφορούν φαινόµενα διάδοσης µε αγωγή, σε έργα που αφορούν φαινόµενα διάδοσης µε ακτινοβολία, καθώς και αυτά που αφορούν τις αλλαγές φυσικής κατάστασης (Λεύκος κ.ά., 2011). Όλα τα έργα είχαν σαν επίκεντρο επιλεγµένες καταστάσεις θερµικής ισορροπίας ως φαινόµενο και έννοια «κλειδί» προκειµένου να διαµορφώσουν οι µαθητές µας επεξηγηµατικά µοντέλα για τις θερµικές αλληλεπιδράσεις και σχεδιάστηκαν µε γνώµονα τα φαινόµενα της «περιορισµένης κατηγορίας» (Viennot, 1998), για τα οποία υπάρχει µια ξεκάθαρη κατάσταση αλληλεπίδρασης µεταξύ δυο σωµάτων που βρίσκονται σε θερµική επαφή. Η αρχική εικόνα των µαθητών µας ήταν αντίστοιχη µε αυτήν που θα περιµέναµε βασιζόµενοι στη βιβλιογραφία, τουλάχιστο για τα φαινόµενα όπου υπάρχουν καταγεγραµµένες σχετικές έρευνες, οι οποίες συνηγορούν στη διαπίστωση πως δεν είναι εύκολο να ξεπεραστούν οι γνωστικές δυσκολίες των µαθητών (Erickson & Tiberghien, 1985; Kessidou & Duit, 1993; Arnold & Millar, 1994; Thomaz, 1997; Σκουµιός & Χ"Νικήτα, 2000). Έτσι, εµφανίστηκαν σε αρκετούς µαθητές οι αναµενόµενες εναλλακτικές απόψεις, αλλά και κάποιες επιπλέον ακόµη. Συνοπτικά µπορούµε να αναφέρουµε την άποψη για το «ισχυρό ζεστό», όπου οι µαθητές θεωρούν µονόδροµες τις θερµικές αλληλεπιδράσεις, αντιµετωπίζοντας το θερµότερο σώµα ως «άφθαρτο δότη» ενέργειας. Άλλη χαρακτηριστική εναλλακτική άποψη είναι αυτή που εµφανίζεται στις καταστάσεις θερµικής ισορροπίας µεταξύ του περιβάλλοντος και διαφόρων σωµάτων από διαφορετικά υλικά. Οι µαθητές πριν από την έναρξη της διδασκαλίας, τοποθετούσαν διάφορες θερµοκρασίες στα σώµατα, ανάλογα µε το υλικό από το οποίο αποτελούνταν. Εναλλακτικές απόψεις επίσης εµφανίστηκαν σχετικά µε την κατάσταση θερµικής ισορροπίας του νερού µε το περιβάλλον. Στα φαινόµενα αυτά, αρκετοί µαθητές δεν αναγνώριζαν πως η θερµοκρασιακή ισορροπία είναι µια κατάσταση σταθερή και δεν ανατρέπεται εφόσον τα σώµατα αφήνονται ελεύθερα. Τέλος, εναλλακτικές απόψεις για τις οποίες δεν υπάρχουν σχετικές αντίστοιχες βιβλιογραφικές αναφορές, εµφανίστηκαν και στη διερεύνηση των παραµέτρων που επηρεάζουν τα φαινόµενα διάδοσης µε ακτινοβολία και συγκεκριµένα το χρώµα και η επιφάνεια. Στο ζήτηµα του χρώµατος φάνηκε πως οι µαθητές µας πριν από τη διδασκαλία αντιµετώπιζαν διαφορετικά τα φαινόµενα της 302

315 Ι. Λεύκος 2011 εκποµπής από τα φαινόµενα της απορρόφησης, και µε αντίστροφη σχεδόν λογική από την επιστηµονικά αποδεκτή, θεωρούσαν ότι ενώ τα µαύρα σώµατα απορροφούν ευκολότερα τη θερµότητα, τα άσπρα σώµατα την εκπέµπουν ευκολότερα. εν είχαν δηλαδή την άποψη ότι ένας καλός απορροφητής είναι εξίσου καλός εκποµπός. Επιπλέον, σχετικά µε την παράµετρο της επιφάνειας, αρκετοί ήταν οι µαθητές οι οποίοι αρχικά θεωρούσαν ότι η επιφάνεια ενός σώµατος δεν παίζει ρόλο στην εκποµπή ή απορρόφηση της θερµικής ακτινοβολίας, και κάποιο ακόµη θεωρούσαν ότι υπάρχει µια αντίστροφη σχέση µεταξύ του µεγέθους της επιφάνειας και της θερµικής ακτινοβολίας. Τέλος, η σταθερότητα της θερµοκρασίας κατά τη διάρκεια των αλλαγών φάσης, φαίνεται πως ήταν µια άποψη που την είχαν πολλοί από τους µαθητές, αλλά µόνο για το βρασµό, χωρίς να µπορούν να την γενικεύσουν και σε άλλες αντίστοιχες περιπτώσεις. Από τα αποτελέσµατα φαίνεται πως υπήρξε αλλαγή των απόψεων των µαθητών µας από εναλλακτικές και µη αποδεκτές επιστηµονικά απόψεις προς τις επιστηµονικές. Μετά από την παρέµβαση, οι µαθητές µπορούν να καθορίσουν µε επιτυχία το σηµείο θερµικής ισορροπίας µεταξύ των σωµάτων που αλληλεπιδρούν είτε µε αγωγή είτε µε ακτινοβολία, λαµβάνοντας υπόψη τις διάφορες παραµέτρους που επηρεάζουν τα φαινόµενα. ηλαδή, αναγνωρίζουν στην συντριπτική τους πλειοψηφία την επίδραση του παράγοντα της µάζας στις θερµικές αλληλεπιδράσεις. Παρόλα αυτά υπάρχει µια περίπτωση µαθητή όπου η εναλλακτική άποψη «ισχυρό ζεστό», που αναφέραµε παραπάνω, διατηρείται ακόµη και µετά την παρέµβαση. Οµοίως φαίνεται να µπορούν να προσδιορίσουν το ρόλο που παίζει το περιβάλλον, ως ένα σώµα το οποίο αλληλεπιδρά µεν µε τα υπόλοιπα, δεν αλλάζει όµως (πρακτικά) τη θερµοκρασία του κατά την αλληλεπίδραση, λόγω της µεγάλης θερµοχωρητικότητάς του. Οµοίως, µετά από την παρέµβαση, αναγνωρίζουν τη διαφορετική συµπεριφορά των σωµάτων όταν αυτά αποτελούνται από διαφορετικό υλικό. Όµως, φαίνεται να αντιλαµβάνονται ότι ανεξάρτητα από το υλικό των σωµάτων, όταν αυτά βρίσκονται στο ίδιο περιβάλλον, αποκτούν αργά ή γρήγορα την ίδια θερµοκρασία, εγκαταλείποντας έτσι τις σχετικές εναλλακτικές απόψεις που είχαν στην αρχή. Σχετικά µε τα φαινόµενα διάδοσης µε ακτινοβολία, οι µαθητές επίσης φαίνεται να αναγνωρίζουν το ρόλο που παίζει το χρώµα στην εκποµπή ή απορρόφηση της θερµικής ακτινοβολίας, παρότι στην αρχή είχαν εµφανίσει αρκετές εναλλακτικές απόψεις αναφορικά µε τα φαινόµενα εκποµπής, όπου κυριαρχούσε η άποψη ότι τα άσπρα σώµατα εκπέµπουν ευκολότερα από τα µαύρα. Επίσης βελτιωµένη είναι και η εικόνα τους µετά από την παρέµβαση, σε ότι αφορά το ρόλο της επιφάνειας των σωµάτων στα φαινόµενα ακτινοβολίας, καθώς πολλοί µαθητές αρχικά δεν αντιλαµβάνονταν το ρόλο αυτό. Τέλος, αναφορικά µε τα φαινόµενα αλλαγών φάσης, η βελτίωσή τους επίσης φαίνεται να είναι σηµαντική, καθώς όλοι οι µαθητές πλέον µπορούν να αναγνωρίσουν τη σταθερότητα της θερµοκρασίας των σωµάτων κατά τη διάρκεια των αλλαγών φάσης. Εποµένως, µπορούµε να ισχυριστούµε ότι η διδακτική σειρά και τα έργα τα οποία ειδικά σχεδιάστηκαν για τη διαπραγµάτευση των φαινοµένων και οι σχετικές δραστηριότητες στις οποίες ενεπλάκησαν οι µαθητές ενίσχυσαν την εννοιολογική τους κατανόηση σχετικά µε τα φαινόµενα που διαπραγµατευτήκαµε στη διδακτική ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 303

316 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ µας σειρά, µετατοπίζοντας τις απόψεις τους κατά πλειοψηφία (πλην ελαχίστων εξαιρέσεων) προς τις επιστηµονικά αποδεκτές. Θεωρούµε πως τα εργαλεία ΤΠΕ που περιγράψαµε παραπάνω και ο κατάλληλος συνδυασµός τους µέσα στα πλαίσια µιας ολοκληρωµένης διδακτικής πρότασης µε συγκεκριµένη παιδαγωγική άποψη, µας παρείχαν τη δυνατότητα του σχεδιασµού κατάλληλων δραστηριοτήτων και της άµεσης εµπλοκής των µαθητών σε έργα όπου τους δόθηκε η ευκαιρία εύκολης και γρήγορης διερεύνησης των παραµέτρων που επηρεάζουν τα υπό µελέτη φυσικά συστήµατα µε ταυτόχρονη παρατήρηση πολλαπλών αναπαραστάσεων της εξέλιξης των φαινοµένων. Ειδικότερα θεωρούµε ότι συγκεκριµένα χαρακτηριστικά του ΣΕΠ αποδείχθηκαν πολύ χρήσιµα στον σχεδιασµό δραστηριοτήτων που εκτελούνται σε «µη-πραγµατικές» συνθήκες, όπως η θερµική µόνωση (ή όχι) των σωµάτων από το περιβάλλον (Αντωνιάδου κ.α., 2002), η επιτάχυνση του χρόνου (µέχρι και 100 φορές του πραγµατικού), η ρύθµιση της θερµοκρασίας περιβάλλοντος του εργαστηρίου (από -20 µέχρι 130 ο C) και η δυνατότητα διακοπής & συνέχισης των πειραµάτων (Petridou et al, 2005), που δίνει τη δυνατότητα στους µαθητές να εστιάσουν σε κρίσιµα σηµεία την ώρα διεξαγωγής του πειράµατος και φυσικά η συγχρονική προβολή των γραφικών παραστάσεων και η πολλαπλότητα των αναπαραστάσεων των φαινοµένων. Κατά συνέπεια η γνωστική βελτίωση που παρατηρήθηκε στους µαθητές µας, φαίνεται να προωθήθηκε µέσα από τη διαρκή τους ενασχόληση µε κατάλληλα σχεδιασµένα έργα που περιστρέφονταν γύρω από φαινόµενα και καταστάσεις θερµικής αλληλεπίδρασης. Έτσι, µέσα από τον πειραµατισµό και τις διερευνητικές δραστηριότητες της διδακτικής µας πρότασης, κατάφεραν να αντιληφθούν και να κατανοήσουν τις παραµέτρους και τις έννοιες που συµµετέχουν σε αυτά και εποµένως να συγκροτήσουν επεξηγηµατικές δοµές, τόσο για την επίλυση των σχετικών προβληµάτων, όσο και για την περιγραφή τους, ξεπερνώντας τις αρχικές δυσκολίες που πολλές φορές σχετίζονταν µε εναλλακτικές αντιλήψεις και υιοθετώντας απόψεις που πλησιάζουν ή ταυτίζονται µε τις επιστηµονικά αποδεκτές. 3. Άξονας 2ος: Ανάπτυξη ικανοτήτων σχεδιασµού πειραµάτων (Αποτελεσµατικότητα-2β) Όπως φαίνεται από τα αποτελέσµατα, τα δεδοµένα υποστηρίζουν ότι η εµπλοκή των µαθητών σε χειρισµούς εικονικών αντικειµένων & συσκευών µέσα σε ένα λογισµικό προσοµοιωµένου εργαστηρίου, µπορεί να οδηγήσει σε ανάπτυξη δεξιοτήτων σχεδιασµού πειραµάτων, που αφορούν καταστάσεις της καθηµερινής ζωής σχετικά µε θερµικές αλληλεπιδράσεις πραγµατικών αντικειµένων (Lefkos et al, 2009; 2011) Πριν από τη διδακτική µας παρέµβαση, ο έλεγχος των απόψεων των µαθητών µας, ανέδειξε ότι η ικανότητά τους για σχεδιασµό πειραµάτων ήταν περιορισµένη. Στους αρχικούς σχεδιασµούς οι µαθητές µας: Εµφανίζουν δυσκολία στο να διατυπώσουν υποθέσεις ή ακολουθούν διαισθητικά κριτήρια πάνω στα οποία βασίζουν τις υποθέσεις τους υσκολεύονται να προσδιορίσουν κριτήρια για την επαλήθευση των υποθέσεών τους ή τα προσδιορίζουν ελλιπώς Στη µεγάλη τους πλειοψηφία αναφέρουν λίγα από τα απαραίτητα για τη διεξαγωγή του πειράµατος στοιχεία 304

317 Ι. Λεύκος 2011 Εµφανίζουν µεγάλη δυσκολία στον προσδιορισµό των απαραίτητων ρυθµίσεων των συσκευών που χρησιµοποιούν στα πειράµατα υσκολεύονται να προσδιορίσουν τις εξαρτηµένες & ανεξάρτητες µεταβλητές του προβλήµατος Προσδιορίζουν ελλιπώς τις απαραίτητες αρχικές συνθήκες Εµφανίζουν αρκετές εναλλακτικές απόψεις στην περιγραφή των σχετικών φαινοµένων Περιγράφουν µε ασάφεια την πειραµατική διαδικασία, τον τρόπο µέτρησης και καταγραφής των δεδοµένων Η βελτίωση που παρατηρήθηκε αφορά πολλαπλές διαστάσεις του σχεδιασµού πειραµάτων για τις οποίες διαπιστώθηκε ότι, µετά το τέλος της διδακτικής σειράς οι µαθητές: Εκφράζουν υποθέσεις µε κριτήρια που σχετίζονται µε την γνώση περιεχοµένου και όχι διαισθητικά Προσδιορίζουν µε µεγαλύτερη επιτυχία τα κριτήρια µε βάση τα οποία µπορούν να επαληθεύσουν ή να απορρίψουν τις υποθέσεις τους Επιλέγουν τα κατάλληλα όργανα και υλικά µε µεγαλύτερη πληρότητα, για τα οποία όπως φάνηκε υπάρχει αρκετή δυσκολία, µιας και αρκετές φορές τα υπονοούν χωρίς να τα αναφέρουν ρητά. Προσδιορίζουν τις απαραίτητες αρχικές ρυθµίσεις των συσκευών µε µεγαλύτερη επιτυχία Προσδιορίζουν µε περισσότερο ικανοποιητικό βαθµό τις µεταβλητές του προβλήµατος Καθορίζουν τις αρχικές συνθήκες, µε µεγαλύτερη επιτυχία από πριν Περιγράφουν τα φαινόµενα που σχετίζονται µε το πείραµα εµφανίζοντας λιγότερες εναλλακτικές απόψεις Περιγράφουν µε καλύτερη σαφήνεια την πειραµατική διαδικασία µέτρησης και καταγραφής των δεδοµένων του προβλήµατος. Θεωρούµε ότι η χρήση του ΣΕΠ επέτρεψε στους µαθητές µε εύκολους και γρήγορους χειρισµούς να συνθέτουν διατάξεις, να δοκιµάζουν τις προβλέψεις τους και αν χρειαστεί να αλλάξουν τις συνθήκες και να ξαναδοκιµάσουν. Επιπλέον, η ίδια η δοµή και η λειτουργία του λογισµικού, «επιβάλλει» στους µαθητές να ακολουθήσουν µια σειρά από «εικονικές δράσεις». Για παράδειγµα, προκειµένου να ξεκινήσουν τη διεξαγωγή ενός πειράµατος πρέπει να κάνουν ορισµένες βασικές επιλογές όπως να διαλέξουν τα δοχεία, τις αρχικές θερµοκρασίες ή τις ποσότητες των υλικών. Τους οδηγεί εποµένως µέσα από τους εικονικούς χειρισµούς τους, να προβούν σε επιλογές σχεδιασµού της πειραµατικής διάταξης (όργανα, αρχικές συνθήκες). Η συγκεκριµένη διδακτική ακολουθία που υιοθετήσαµε, όπου, αντί να προσφέρουµε στους µαθητές µας έτοιµες πειραµατικές διατάξεις, τους τοποθετούσαµε συνήθως αντιµέτωπους µε την επίλυση ενός προβλήµατος µε καθηµερινούς όρους, το οποίο έπρεπε να µετασχηµατίσουν σε πειραµατική διάταξη, εποµένως οι µαθητές µας ενεπλάκησαν σε µια διαδικασία επιστηµονικής διερεύνησης, θεωρούµε ότι συνέβαλε θετικά στην διατύπωση υποθέσεων και κριτηρίων ελέγχου ενώ συνετέλεσε στην επιτυχή περιγραφή των πειραµάτων. ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 305

318 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Καθώς οι µαθητές µας εκτελούσαν τις δραστηριότητες στο ΣΕΠ, δεν χειρίζονταν απλά τα εικονικά αντικείµενα, αλλά στην πραγµατικότητα καλούνταν να λάβουν αποφάσεις σχετικά µε «τι» και «πώς» πρέπει να χειριστούν και να αναστοχαστούν πάνω στην ανατροφοδότηση που λαµβάνουν από το λογισµικό, προκειµένου να οικοδοµήσουν τα αντίστοιχα νοήµατα. Παρότι το χειριστικό υπόβαθρο των διερευνήσεων αυτών διαφοροποιείται από το αντίστοιχο ενός συµβατικού «φυσικού» εργαστηρίου, οι χειρισµοί των εικονικών οντοτήτων έχουν το ίδιο διαδικαστικό υπόβαθρο, γεγονός που είναι κρίσιµο και σηµαντικό για τον σχεδιασµό των πειραµάτων (De Jong & Van Joolingen, 1998). Επιπλέον, ένα προσοµοιωµένο περιβάλλον, όπως αυτό του ΣΕΠ, παριστάνει µια απλοποιηµένη οπτική του πραγµατικού κόσµου. Κατά συνέπεια, παρά το γεγονός ότι πρόκειται για ένα ανοιχτό µαθησιακό περιβάλλον, το λογισµικό περιορίζει τους πιθανούς χειρισµούς των µαθητών και τους προσανατολίζει την προσοχή στα άµεσα σχετιζόµενα αντικείµενα και τις ιδιότητές τους. Αυτή η λειτουργία της εστίασης της προσοχής των µαθητών έχει σαν αποτέλεσµα την απαλλαγή τους από τις πολύπλοκες και χρονοβόρες διαδικασίες ενός συµβατικού εργαστηρίου (Psillos & Niedderer, 2002). Καθώς λοιπόν η προσοχή τους και η προσπάθειά τους δεν αναλώνεται στη διαχείριση των πραγµατικών αντικειµένων (Redish, Saul, & Steinberg, 1997), οι µαθητές µπορούν να εστιάζονται περισσότερο στην λήψη αποφάσεων σχετικά µε τις διερευνήσεις τους, δηλαδή αποφάσεων που σχετίζονται µε τον σχεδιασµό των πειραµάτων (Doran, et al., 1993; Hodson, 1992) και όχι τόσο µε την εκτέλεσή τους, και κατά συνέπεια στην εφαρµογή των «στρατηγικών διερεύνησης» που θα ακολουθήσουν (R. Millar, 1990). Το λογισµικό µπορεί να θεωρηθεί ότι παρέχει ένα είδος «σκαλωσιάς» στους µαθητές η οποία τους βοηθά να εκτελέσουν τέτοιου είδους κατευθυνόµενες διερευνήσεις και εποµένως να αναπτύξουν τις ικανότητές τους για τον σχεδιασµό πειραµάτων (Finkelstein, et al., 2005). Έτσι για παράδειγµα, η µεγάλη βελτίωση που εµφανίζουν οι µαθητές στο τελικό ερωτηµατολόγιο στις διαστάσεις της «Περιγραφής ιαδικασίας» και του «Προσδιορισµού Μεταβλητών», θεωρούµε ότι ενισχύθηκε από τον συγκεκριµένο διερευνητικό χαρακτήρα του λογισµικού ΣΕΠ, το οποίο από κατασκευής του διαθέτει ένα υπόβαθρο υποστηρικτικής δοµής για την κατασκευή των πειραµατικών διατάξεων, παρέχοντας ένα είδος «καθοδήγησης» για τις ενέργειες των µαθητών και κατά συνέπεια υποβοηθά και προσδιορίζει την διαδικασία που χρειάζεται κάποιος να ακολουθήσει προκειµένου να συνθέσει µια πειραµατική διάταξη και να εκτελέσει ένα πείραµα, σύµφωνα µε τις απαιτήσεις των δραστηριοτήτων της διδακτικής µας σειράς. Επιπλέον, ακολουθώντας τις δραστηριότητες αυτές, οι µαθητές καθώς αλληλεπιδρούν µε το εικονικό περιβάλλον χειριζόµενοι τις εικονικές οντότητες, στην πραγµατικότητα διαχειρίζονται τις τιµές των µεταβλητών εισόδου των σχετικών φαινοµένων και παρατηρούν τα αποτελέσµατα των χειρισµών τους µέσα από τις τιµές των µεταβλητών εξόδου (de Jong, 1991). Τέλος, υπάρχουν κάποιες ενδείξεις ότι υπάρχουν συγκεκριµένα σχεδιαστικά χαρακτηριστικά του λογισµικού ΣΕΠ, τα οποία φαίνεται να έχουν συγκεκριµένες επιπτώσεις στις απαντήσεις των µαθητών µας. Για παράδειγµα, αναλύοντας τα δεδοµένα από τους σχεδιασµούς πειραµάτων των µαθητών, παρατηρήσαµε ότι οι περισσότεροι από αυτούς, τόσο στο αρχικό όσο και στο τελικό ερωτηµατολόγιο, δεν κάνουν στον σχεδιασµό τους αναφορά στην χρήση χρονοµέτρου, ως ένα από τα απαραίτητα όργανα µέτρησης (παρά το γεγονός ότι αναγνωρίζουν την µεταβλητή του χρόνου και ότι τα σχετικά φαινόµενα έχουν χρονική εξέλιξη), µε αποτέλεσµα η βαθµολογία τους στην αντίστοιχη διάσταση να µην είναι υψηλή. Μια πιθανή εξήγηση 306

319 Ι. Λεύκος 2011 για την µη αναφορά του χρονοµέτρου, µπορεί να είναι ότι στο λογισµικό, για λόγους απλοποίησης των χειρισµών, η χρονική καταγραφή των φαινοµένων ξεκινά αυτόµατα µε την πίεση του πλήκτρου της «έναρξης» και κατά συνέπεια οι µαθητές µας δεν «ασκούνται» στην χρήση χρονοµέτρων (εποµένως δεν τα θεωρούν απαραίτητα, αλλά δεδοµένα). ηλαδή, καθώς οι µαθητές µας έχουν πολύ µικρή εµπειρία από συµβατικό εργαστήριο, µπορεί να επηρεάστηκαν από τον τρόπο λειτουργίας αυτού του εικονικού οργάνου και από τον τρόπο που αυτό υλοποιήθηκε σχεδιαστικά στην κατασκευή του λογισµικού ΣΕΠ. Αυτό είναι ένα γεγονός το οποίο απαιτεί µελέτη, καθώς στα εικονικά περιβάλλοντα (και στα εικονικά εργαστήρια) υπάρχει ο κίνδυνος, εάν δεν γίνει ρητή προειδοποίηση, οι µαθητές να προσλάβουν µια υπεραπλουστευµένη οπτική της πραγµατικότητας και να αποσυνδεθούν τελείως από τον πραγµατικό κόσµο (Papadouris & Constantinou, 2009). Επιπλέον, θεωρούµε ότι συγκεκριµένα σχεδιαστικά χαρακτηριστικά των δραστηριοτήτων, που αφορούν τη χρήση των εικονικών αντικειµένων και γενικότερα τον τρόπο αξιοποίησης των χαρακτηριστικών του εικονικού περιβάλλοντος, ίσως είχαν επίσης επίπτωση στις απαντήσεις των µαθητών µας. Για παράδειγµα, τα δεδοµένα µας από την αξιολόγηση της διάστασης «Ρυθµίσεις Συσκευών» του σχεδιασµού των πειραµάτων, φανέρωσαν ότι οι περισσότεροι από τους µαθητές µας δεν έκαναν τις ανάλογες αναφορές στην ισχύ των λύχνων, ως µια από τις απαραίτητες αρχικές ρυθµίσεις των συσκευών, γεγονός που οδήγησε την κατάταξή τους σε χαµηλότερη βαθµολογία στη διάσταση αυτή. Όµως, η αιτία πίσω από µια τέτοια ελλιπή αναφορά συνθηκών µπορεί να εδράζεται στο γεγονός ότι κατά τη διάρκεια της διδακτικής σειράς στην οποία ενεπλάκησαν οι µαθητές, ελάχιστες ήταν οι δραστηριότητες που αφορούσαν τη χρήση λύχνων. Στη µεγάλη τους πλειοψηφία, οι δραστηριότητες αφορούσαν καταστάσεις αλληλεπίδρασης µεταξύ δυο σωµάτων διαφορετικής θερµοκρασίας ή αλληλεπίδρασης µε το περιβάλλον, χωρίς την ύπαρξη θερµαντικής πηγής. Με λίγα λόγια, οι µαθητές µας δεν ήταν ασκηµένοι στη χρήση των λύχνων και κατά συνέπεια στις απαραίτητες ρυθµίσεις τους. Μέσα στο πλαίσιο της µακροχρόνιας συζήτησης µεταξύ των ερευνητών, σχετικά µε τα οφέλη των εικονικών εργαστηρίων, οι Ma & Nickerson (2006) σε µια πρόσφατη επισκόπησή τους, διερωτώνται κατά πόσο τα εικονικά εργαστήρια είναι αποτελεσµατικά προς την κατεύθυνση της ανάπτυξης ικανοτήτων σχεδιασµού πειραµάτων και θεωρούν ότι απαιτείται περισσότερη έρευνα πάνω στο θέµα αυτό. Από την άλλη µεριά η Wofford (2009), µετά από διεξοδική επισκόπηση άρθρων της τελευταίας δεκαετίας, συµπεραίνει πως µέσα από τις τεχνολογικές αυτές κατασκευές, οι µαθητές µπορούν να έρθουν σε επαφή µε «αυθεντικές» µαθησιακές καταστάσεις µέσα από τις οποίες ασκούνται στις επιστηµονικές πρακτικές (doing science). Στην περίπτωση της έρευνάς µας, οι παροχές και δυνατότητες του λογισµικού ΣΕΠ, φαίνεται ότι είχαν επίδραση πάνω στην ανάπτυξη των ικανοτήτων των µαθητών στο σχεδιασµό πειραµάτων, στα πλαίσια τουλάχιστον του πεδίου που διερευνούµε. Τα ευρήµατά µας αυτά για την περιοχή των θερµικών φαινοµένων, είναι σε συµφωνία και µε άλλα παρόµοια, σε άλλες γνωστικές περιοχές (Klahr, et al., 2007). Κατά συνέπεια, θεωρούµε ότι τα ευρήµατα αυτά αποτελούν µια νέα προσθήκη σε όσα µέχρι τώρα έχουν αναφερθεί σχετικά µε την παιδαγωγική αξία των εικονικών εργαστηρίων και στην εν δυνάµει αξία τους σε σχέση µε την προώθηση των επιστηµονικών πρακτικών των µαθητών, σε διαφορετικά µεταξύ τους γνωστικά πεδία. ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 307

320 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ 4. Άξονας 3ος: Σύνδεση µεταξύ θεωρίας και πρακτικής κατά τη διάρκεια του εργαστηρίου (Αποτελεσµατικότητα-1) Σκοπός της έρευνάς µας, ως προς τον άξονα αυτό, ήταν να διερευνήσουµε όψεις της «αποτελεσµατικότητας 1» της εργαστηριακής πρακτικής, η οποία αφορά τη διασύνδεση µεταξύ θεωρίας και πρακτικής κατά τη διάρκεια του εργαστηρίου. Αυτό επιτεύχθηκε µε µια λεπτοµερή και σε βάθος εξέταση και εφαρµογή της µεθόδου CBAV για τις λεκτικές εκφράσεις των µαθητών κατά τη διάρκεια διαφορετικών τύπων δραστηριότητας µε τη χρήση εικονικού εργαστηρίου (Lefkos et al, 2010). Η διερεύνησή µας αυτή αφορούσε πέντε (5) διαφορετικές εργαστηριακές δραστηριότητες, όπως αυτές υλοποιήθηκαν από δυο ζεύγη µαθητών. Κατά συνέπεια τα συµπεράσµατά µας υπόκεινται στους περιορισµούς που συνεπάγονται από το µικρό αυτό σχετικά δείγµα, είναι όµως ενδεικτικές µιας τάσης που αφορά στη χρήση του εικονικού εργαστηρίου ως περιβάλλοντος πειραµατισµού. Με λίγα λόγια µπορούµε να συνοψίσουµε ότι οι αναλυτικές κατανοµές πυκνοτήτων εκφράσεων που παρουσιάστηκαν στο προηγούµενο κεφάλαιο (Κεφ. 5), µας φανερώνουν ότι σε µια κλειστού τύπου δραστηριότητα µεγαλύτερο ποσοστό διατίθεται από τους µαθητές για εκφράσεις που αφορούν τα αντικείµενα και τον χειρισµό τους και λιγότερο για εκφράσεις που αφορούν έννοιες φυσικής, σε σχέση µε µια αντίστοιχη (η οποία έχει το ίδιο εννοιολογικό περιεχόµενο) δραστηριότητα διερευνητικού τύπου. Γενικεύοντας κατά συνέπεια την παραπάνω παρατήρηση, θεωρούµε ότι στις διερευνητικές δραστηριότητες, δίνονται στους µαθητές περισσότερες ευκαιρίες για εκφράσεις σχετικές µε τη φυσική, παρότι απαιτείται συνήθως περισσότερος χρόνος (σε σχέση µε µια κλειστού τύπου δραστηριότητα) για χειρισµό των αντικειµένων. Επιπλέον όταν συγκρίνουµε τις συνολικές πυκνότητες εκφράσεων που αφορούν τη φυσική εντοπίζουµε γενικότερα µεγάλη διαφορά στη συνεισφορά που έχουν οι ανοιχτού τύπου διερευνητικές δραστηριότητες, έναντι των δραστηριοτήτων του κλειστού τύπου και στα δυο ζευγάρια µαθητών. Θεωρούµε επίσης πολύ σηµαντικό το γεγονός ότι υπάρχουν σε κάθε περίπτωση σηµαντικά ποσοστά εκφράσεων που αφορούν τη θεωρία της φυσικής σε όλες τις δραστηριότητες. Προφανώς όλα τα προηγούµενα τα συζητούµε κάτω από το πρίσµα της επιθυµητής διασύνδεσης µεταξύ του κόσµου της θεωρίας µε τον κόσµο των γεγονότων & αντικειµένων, που πιστεύουµε - και µετά από τα προηγούµενα αποτελέσµατα φαίνεται να υποστηρίζεται - ότι συντελείται κατά τη διάρκεια της εργαστηριακής µας διδακτικής σειράς. Ξεκινώντας λοιπόν µε βάση το ερευνητικό µας ερώτηµα, διερευνήσαµε αν υπάρχει συνεισφορά από την εµπλοκή των µαθητών µας µε διερευνητικές δραστηριότητες στο «εικονικό εργαστήριο» του ΣΕΠ, στις εκφράσεις που αφορούν γνώσεις φυσικής και πώς αυτό επηρεάζεται από το είδος της δραστηριότητας στην οποία εµπλέκονται οι µαθητές. Τα δεδοµένα µας από την εφαρµογή της µεθόδου CBAV και η ανάλυση που ακολούθησε, µας επιτρέπουν να καταλήξουµε στο συµπέρασµα ότι: Όταν οι µαθητές εµπλέκονται σε δραστηριότητες µε τη χρήση του «εικονικού εργαστηρίου», σε κάθε περίπτωση εµφανίζονται διασυνδέσεις µεταξύ του κόσµου της θεωρίας και του κόσµου των αντικειµένων & γεγονότων. 308

321 Ι. Λεύκος 2011 Η παραπάνω διασύνδεση είναι σηµαντικά µεγαλύτερη όταν οι µαθητές εµπλέκονται σε δραστηριότητες ανοιχτού διερευνητικού τύπου, σε σχέση µε τις δραστηριότητες κλειστού τύπου. Θα ήταν ίσως ενδιαφέρον να συγκρίνουµε τα αποτελέσµατα αυτά µε τα όσα αναφέρονται και από τους Niedderer et al.(2002), σε µια σύνοψη αποτελεσµάτων από αντίστοιχες εργασίες (Buty, 2002; Hucke & Fischer, 2002; Sander, Schecker, & Niedderer, 2002; Theyßen, et al., 2002), που µελέτησαν περιπτώσεις εργαστηριακών δραστηριοτήτων που αφορούσαν πειραµατισµό µε πραγµατικά αντικείµενα και χρήση µοντέλων σε υπολογιστή. Τυπικά αποτελέσµατα από τις έρευνες αυτές ανέδειξαν ότι σε ένα συµβατικό εργαστήριο µε πραγµατικά πειράµατα, ο χειρισµός των συσκευών και η διαδικασία λήψης των µετρήσεων, καταλάµβανε τον περισσότερο από το χρόνο του εργαστηριακού µαθήµατος (περίπου 50% - 80%), ενώ ταυτόχρονα η συµβολή των εργαστηριακών αυτών φάσεων σε λεκτικές εκφράσεις Φυσικής των µαθητών ήταν πολύ χαµηλή (µικρότερη του 10%). Λαµβάνοντας υπόψη τους περιορισµούς της παρούσας έρευνας, τα αποτελέσµατά µας φανερώνουν ότι οι λεκτικές εκφράσεις Φυσικής σε ένα περιβάλλον εικονικού εργαστηρίου εµφανίζονται σχετικά αυξηµένα (36% και 45% για τις 2 οµάδες αντίστοιχα στις κλειστές δοµηµένες δραστηριότητες και κοντά στο 63% και 58% για τις δραστηριότητες ανοιχτού διερευνητικού τύπου). Επιπλέον, ο χρόνος ενασχόλησης των µαθητών µε τον πειραµατισµό στο εικονικό περιβάλλον ήταν πολύ µικρότερος από το 50%, καθώς όλες δραστηριότητες δεν ξεπερνούσαν τα λεπτά µέσα σε µια διδακτική ώρα. Γίνεται φανερό λοιπόν ότι η ένταξη τέτοιου είδους δραστηριοτήτων µπορεί να αποτελέσει ένα ισχυρό διδακτικό εργαλείο στα χέρια των εκπαιδευτικών, καθώς φαίνεται να προσφέρουν ενισχυµένα µαθησιακά αποτελέσµατα απαιτώντας λιγότερο διδακτικό χρόνο και κατά συνέπεια επιτρέποντας την ένταξη περισσοτέρων δραστηριοτήτων ή φάσεων εµπέδωσης ή αναστοχασµού, οι οποίες πολλές φορές λόγω έλλειψης χρόνου παραλείπονται από την πειραµατική διαδικασία. 5. Σύνοψη Συνοψίζοντας τα συµπεράσµατα που παραθέσαµε παραπάνω, µπορούµε να σηµειώσουµε τα εξής: Η παρούσα έρευνα αφορούσε µια διδακτική σειρά σχετικά µε την διδασκαλία των θερµικών φαινοµένων στη Β Γυµνασίου. Ειδικότερα διερευνήθηκαν τα οφέλη που µπορούν να προκύψουν από τον εµπλουτισµό µε ΤΠΕ µιας διδακτικής σειράς η οποία έχει κατ εξοχήν εργαστηριακό χαρακτήρα. Η διδακτική σειρά ακολούθησε µια εξελικτική πορεία ανάπτυξης µέσα από δυο πιλοτικές εφαρµογές και στη συνέχεια σχεδιάστηκε και εφαρµόστηκε σε ένα τµήµα µαθητών της Β Γυµνασίου, µέσα σε πραγµατικές συνθήκες τάξης, όπως αυτές απαντώνται σε ένα τυπικό εργαστήριο πληροφορικής ή φυσικών επιστηµών και κατά συνέπεια θεωρούµε πως θα ήταν εφικτό να υλοποιηθεί µε ισοδύναµο τρόπο, από οποιονδήποτε εκπαιδευτικό. Βασικό σχεδιαστικό χαρακτηριστικό της σειράς ήταν ο διδακτικός µετασχηµατισµός που υιοθετήσαµε, ο οποίος είχε δυο κεντρικές συνιστώσες. ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 309

322 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Η µία ήταν ότι επιλέξαµε την έννοια και τα φαινόµενα θερµικής ισορροπίας, ως «έννοια κλειδί» για τη διαπραγµάτευση όλων των θερµικών αλληλεπιδράσεων (Kesidou & Duit, 1993; Arnold & Millar, 1996; Carlton, 2000; Clark & Jorde, 2004). Η δεύτερη ήταν ότι επιλέξαµε τόσο για την παρουσίαση των θερµικών αλληλεπιδράσεων, όσο και για την πειραµατική άσκηση των µαθητών, έργα τα οποία χαρακτηρίζονται από µια απλότητα και όπως εξηγήσαµε σε προηγούµενα κεφάλαια, ανήκουν σε µια κατηγορία που ονοµάζεται «περιορισµένη» (Viennot, 1998). Οι δύο αυτές συνιστώσες συνδέονται µεταξύ τους µε την υιοθέτηση ενός επεξηγηµατικού σχήµατος που ονοµάζεται «καλορικό» (Arnold & Millar, 1994, 1996b; Linn & Songer, 1991) και το οποίο, όπως οι σχετικές έρευνες έχουν δείξει, είναι πιο κοντά στον τρόπο σκέψης των µαθητών και κατά συνέπεια µπορεί να τους οδηγήσει ευκολότερα στην οικοδόµηση περιγραφών και επεξηγήσεων των θερµικών αλληλεπιδράσεων. Επιπλέον χαρακτηριστικό ήταν ο εµπλουτισµός της διδακτικής σειράς µε ΤΠΕ µε τρόπο ώστε να υποστηρίζεται µια εργαστηριακού τύπου διδακτική προσέγγιση. Ο εµπλουτισµός αυτός ακολούθησε µια συγκεκριµένη φιλοσοφία ένταξης (πραγµατικό- MBL-εικονικό), την οποία έχουµε αναλύσει και αιτιολογήσει διεξοδικά. Σύµφωνα µε αυτήν, η εισαγωγή των µαθητών στα φαινόµενα γίνεται µε δραστηριότητες πάνω σε πραγµατικά (φυσικά) υλικά, στη συνέχεια γίνεται µια γεφύρωση µέσα από τη χρήση αισθητήρων MBL, ενώ τελικά όλη η πειραµατική διερεύνηση των παραµέτρων που επηρεάζουν τις θερµικές αλληλεπιδράσεις διεξάγεται µέσα στο περιβάλλον του εικονικού εργαστηρίου. Η διερεύνηση των αποτελεσµάτων έγινε µε την ανάλυση ερωτηµατολογίων που συµπληρώθηκαν από τους µαθητές πριν και µετά από την εφαρµογή, καθώς και ηµι-δοµηµένων ατοµικών συνεντεύξεων βασισµένων πάνω σε αυτά. Επίσης έγινε σε βάθος ανάλυση των διαλόγων των µαθητών µέσα στις οµάδες, κατά τη διάρκεια των πειραµατικών τους διερευνήσεων. Η µελέτη των αποτελεσµάτων της διδακτικής σειράς ακολούθησε τρείς άξονες, αντίστοιχους µε τα ερευνητικά µας ερωτήµατα, όπως ακριβώς καθορίστηκαν στην ερευνητική µας µεθοδολογία. Ο πρώτος άξονας αφορούσε τη γνωστική βελτίωση των µαθητών στις βασικές έννοιες και φαινόµενα που σχετίζονται µε τις θερµικές αλληλεπιδράσεις. Τα αποτελέσµατα, µας επιτρέπουν να ισχυριστούµε ότι οι µαθητές µας µετά την εφαρµογή της διδακτικής σειράς, κατανοούν καλύτερα τις θερµικές αλληλεπιδράσεις, τουλάχιστο στο πλαίσιο που εµείς θέσαµε στην εργασία αυτή, όπως για παράδειγµα τον ρόλο που διαδραµατίζουν η µάζα και το υλικό των σωµάτων, το χρώµα και η επιφάνειά τους ή την σταθερότητα που παρουσιάζει η θερµοκρασία κατά τη διάρκεια των αλλαγών φάσης. Αποδίδουµε την βελτίωση που παρατηρήθηκε στον τοµέα αυτό, στον κατάλληλο σχεδιασµό της διδακτικής µας σειράς, τόσο από την άποψη του διδακτικού µετασχηµατισµού του περιεχοµένου, όπως παραπάνω εξηγήσαµε, όσο και από τον συγκεκριµένο σχεδιασµό των δραστηριοτήτων µε τις οποίες ενεπλάκησαν οι µαθητές µας. Οι δραστηριότητες αυτές που είχαν εργαστηριακό χαρακτήρα και υλοποιήθηκαν µέσα σε ένα µαθησιακό περιβάλλον εµπλουτισµένο µε ΤΠΕ, σχεδιάστηκαν µε βάση συγκεκριµένα χαρακτηριστικά τα οποία παρείχαν οι τεχνολογίες αυτές και είτε είναι αδύνατο, είτε είναι δύσκολο να υλοποιηθούν µέσα σε ένα πραγµατικό εργαστήριο. Εκµεταλλευόµενοι τα χαρακτηριστικά αυτά, καταφέραµε να παρουσιάσουµε στους µαθητές µας τα φαινόµενα µε πολλαπλούς τρόπους αναπαράστασης και να τους οδηγήσουµε στη διερεύνηση των πολλαπλών 310

323 Ι. Λεύκος 2011 παραµέτρων που επηρεάζουν τα φαινόµενα, άλλοτε µέσα σε πραγµατικές και άλλοτε µέσα σε εικονικές συνθήκες αλληλεπίδρασης. Ο δεύτερος άξονας αφορούσε την βελτίωση της ικανότητας των µαθητών µας να σχεδιάζουν πειράµατα που σχετίζονται µε θερµικές αλληλεπιδράσεις. Τα αποτελέσµατά µας υποστηρίζουν την άποψη ότι οι µαθητές µας µετά από την εφαρµογή της διδακτικής σειράς, κατάφεραν να σχεδιάζουν καλύτερα και πιο ολοκληρωµένα πειράµατα, µετασχηµατίζοντας δεδοµένα προβλήµατα θερµικών αλληλεπιδράσεων µε καθηµερινούς όρους σε πειραµατικές διερευνήσεις, οι οποίες βασίζονται σε συγκεκριµένες υποθέσεις, προτείνοντας κατάλληλες διαδικασίες ελέγχου και υλοποίησης, µετρήσεων και λήψης δεδοµένων, ώστε τα συµπεράσµατα που θα προκύψουν να δίνουν λύση στο αρχικό πρόβληµα. Θεωρούµε ότι η βελτίωση αυτή οφείλεται στην εργαστηριακή προσέγγιση που ακολουθήσαµε στη διδασκαλία µας και ειδικότερα στον τρόπο µε τον οποίο δοµήσαµε τις εργαστηριακές δραστηριότητες της σειράς. ηλαδή στην άποψη την οποία υιοθετήσαµε για την σταδιακή εµπλοκή των µαθητών σε δραστηριότητες αυξανόµενης ελευθερίας επιλογών και µετάβασης από τις αρχικά δοµηµένες σε περισσότερο ελεύθερες διερευνήσεις. Βασικό εργαλείο στην υλοποίηση της άποψής µας αυτής αποτέλεσε το εικονικό εργαστήριο, το οποίο είχε τα χαρακτηριστικά αυτά τα οποία επέτρεψαν την εµπλοκή των µαθητών στους διάφορους αυτούς τύπους δραστηριοτήτων, αλλά και σύµφωνα µε όσα αναφέρουµε αναλυτικότερα σε προηγούµενη παράγραφο, θεωρούµε ότι επέδρασε θετικά µε δοµές οι οποίες δρουν υποστηρικτικά (scaffold) και υποβοηθούν τους µαθητές στην εξάσκησή τους στον πειραµατισµό και τον σχεδιασµό των πειραµατικών τους διερευνήσεων. Ο τρίτος άξονας αφορούσε την διερεύνηση των συνδέσεων µεταξύ της θεωρίας και της εργαστηριακής πρακτικής που κάνουν οι µαθητές, κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης των πειραµατικών δραστηριοτήτων. Τα αποτελέσµατα από τη διερεύνηση αυτή µας επιτρέπουν να υποστηρίξουµε ότι οι µαθητές µας κατά τη διάρκεια των δραστηριοτήτων µέσα στο περιβάλλον του εικονικού εργαστηρίου δηµιουργούν διασυνδέσεις µεταξύ θεωρίας και πρακτικής, όπως αυτό φανερώνεται µέσα από τις λεκτικές τους εκφράσεις. Επιπλέον, οι διασυνδέσεις αυτές είναι περισσότερο συχνές όταν εµπλέκονται σε δραστηριότητες ανοιχτού τύπου, δηλαδή περισσότερο διερευνητικές, από ότι στις δραστηριότητες κλειστού τύπου. Επίσης, σε ότι αφορά τις δραστηριότητες των µαθητών µέσα στο εικονικό εργαστήριο, φαίνεται να έχουν ιδιαίτερα υψηλή συνεισφορά στη δηµιουργία συνδέσεων µεταξύ θεωρίας και εργαστηριακής πρακτικής, όπως προκύπτει από τη σύγκριση µε άλλες αντίστοιχες ερευνητικές εργασίες που µελέτησαν διαφορετικές εργαστηριακές καταστάσεις, γεγονός που µας επιτρέπει εκτός των άλλων, να το θεωρήσουµε σαν ένα πολύ κατάλληλο µαθησιακό περιβάλλον για την επίτευξη ενός τέτοιου στόχου. Σε κάθε περίπτωση όµως, τα αποτελέσµατά µας έδειξαν ότι οι εκφράσεις των µαθητών µας κατά τη διάρκεια των δραστηριοτήτων, αφορούν τόσο τη θεωρία της φυσικής, όσο και αντίστοιχες φυσικές έννοιες που σχετίζονται άµεσα µε τα αντικείµενα του πειραµατισµού. Αυτό κατά την άποψή µας, αποτελεί ένα στοιχείο που επικυρώνει, ενισχύει και αιτιολογεί τα αποτελέσµατα που προέκυψαν για την βελτίωση που παρατηρήθηκε µετά από την συνολική εφαρµογή της διδακτικής µας σειράς, όπως τα έχουµε περιγράψει στους δυο προηγούµενους άξονες, παραπάνω. Μετά από τα παραπάνω, µπορούµε να ισχυριστούµε ότι τα αποτελέσµατά µας υποστηρίζουν την αποτελεσµατικότητα της διδακτικής µας σειράς σε σχέση µε τους τρείς άξονες ερωτηµάτων που διερευνήσαµε και αυτό αποδίδεται τόσο στη διδακτική ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 311

324 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ άποψη που υιοθετήσαµε για τον σχεδιασµό του περιεχοµένου της σειράς και των επιµέρους έργων, όσο και στην ένταξη των ΤΠΕ, τα πλεονεκτήµατα των οποίων καταφέραµε να εκµεταλλευθούµε διδακτικά και να υποστηρίξουµε τις πειραµατικές δραστηριότητες των µαθητών. 6. Περιορισµοί, παραδοχές & συνέπειες Σε ότι αφορά τους περιορισµούς αυτής της έρευνας, θα µπορούσαµε να αναφερθούµε από τη µια σε θέµατα περιεχοµένου και από την άλλη σε θέµατα µεθοδολογικά. Από άποψη περιεχοµένου, η διδακτική σειρά που αναπτύχθηκε και µελετήθηκε στην παρούσα εργασία, αφορά το σύνολο σχεδόν των θερµικών φαινοµένων, όπως αυτά αντιµετωπίζονται στη γυµνασιακή φυσική, µε εξαίρεση τα φαινόµενα διάδοσης µε ρεύµατα. Το γεγονός αυτό οφείλεται σε περιορισµούς που τέθηκαν µετά από την επιλογή των συγκεκριµένων εργαλείων και λογισµικών που χρησιµοποιήσαµε για τον εµπλουτισµό της διδακτικής µας σειράς µε ΤΠΕ, τα οποία δε διέθεταν τη δυνατότητα κάλυψης των φαινοµένων αυτών. Βέβαια, για λόγους πληρότητας τα εν λόγω φαινόµενα διδάχθηκαν στους µαθητές που συµµετείχαν στην έρευνα, αλλά µε ένα πιο συµβατικό τρόπο. Έτσι, δεν αποτελούν µέρος της διδακτικής σειράς και κατά συνέπεια δεν αποτελούν µέρος της έρευνας αυτής. Από άποψη µεθοδολογίας, θα πρέπει να επισηµάνουµε ότι οι µαθητές που χρησιµοποιήθηκαν ως δείγµα για την έρευνα, αποτελούσαν ένα ολιγάριθµο τµήµα της Β γυµνασίου. Το τµήµα αυτό είχε ένα τυπικό προφίλ από άποψη επιδόσεων στη Φυσική όσο και στα υπόλοιπα µαθήµατα, όµως δεδοµένου ότι το σχολείο διέθετε εργαστήριο υπολογιστών, οι µαθητές είχαν µια σχετική άνεση στη χρήση των λογισµικών. Εποµένως, τα αποτελέσµατα και τα συµπεράσµατα της έρευνάς µας αναφέρονται στη διερεύνηση της εφαρµογής της διδακτικής σειράς στο συγκεκριµένο δείγµα µε τα συγκεκριµένα χαρακτηριστικά. Θεωρούµε όµως ότι, από τα στοιχεία που έχουµε συλλέξει τόσο από την κύρια εφαρµογή της διδακτικής σειράς, όσο και από τις πιλοτικές που προηγήθηκαν, µπορούµε να γενικεύσουµε τα συµπεράσµατά µας, υποστηρίζοντας πώς παρόµοια αποτελέσµατα θα µπορούσε να έχει µια αντίστοιχη εφαρµογή της διδακτικής σειράς, µε παρόµοιες συνθήκες, σε οποιοδήποτε άλλο τµήµα µαθητών. Από τα αποτελέσµατα της έρευνάς µας αναδεικνύεται ο βασικός ρόλος που έπαιξε ο τρόπος προσέγγισης του γνωστικού περιεχοµένου, αλλά και η υποστήριξη που παρείχαν στη µάθηση, ο συνδυασµός των εργαλείων ΤΠΕ και ειδικότερα οι µαθησιακές δραστηριότητες που καταφέραµε να αναπτύξουµε κάνοντας χρήση των εργαλείων αυτών. Ο σχεδιασµός µιας διδακτικής σειράς, ο οποίος βασίζεται σε ερευνητικά δεδοµένα για τις απόψεις των µαθητών στα υπό µελέτη φαινόµενα και η επιλογή ενός τρόπου προσέγγισης, τον οποίο µπορούν εύκολα να υιοθετήσουν και µέσα από την εµπλοκή σε κατάλληλες δραστηριότητες να οδηγηθούν προς την επιστηµονική άποψη, φαίνεται να έχει θετικές επιπτώσεις στη µάθηση. Οι εκπαιδευτικοί µπορούν µε πολλούς και διαφορετικούς τρόπους να ενσωµατώσουν τα εικονικά εργαστήρια στη διδασκαλία τους, όχι µόνο για την ευκολία της χρήσης τους από τους µαθητές ή για την συχνά αναφερόµενη από τις σχετικές έρευνες γνωστική τους βελτίωση, αλλά και διότι, ακολουθώντας µια 312

325 Ι. Λεύκος 2011 στρατηγική άµεσης εµπλοκής των µαθητών, να προσπαθήσουν να ενισχύσουν τις ικανότητές τους στον σχεδιασµό πειραµάτων. Τα αποτελέσµατα αυτά θα µπορούσαν βέβαια να διευρυνθούν µε έρευνα σε µεγαλύτερα δείγµατα µαθητών ή σε άλλες γνωστικές περιοχές, προκειµένου να ερευνηθεί η άποψη για την αξία των εικονικών εργαστηρίων, όπως το ΣΕΠ, σε άλλες θεµατικές περιοχές και περιεχόµενα. ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 313

326 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Ainsworth, S. E., Bibby, P. A. and Wood, D. J., (1997). Information Technology and Multiple Representations: new opportunities - new problems. Journal of Information Technology for Teacher Education, 6(1), Anagnos, T., McMullin, K., Komives, C., Mourtos, N.J. (2007). Evaluating Student Mastery of Design of Experiment. In Proceedings: Frontiers in Education Conference, Oct Arnold, M., & Millar, R. (1994). Children's and lay adults' views about thermal equilibrium. International Journal of Science Education, 16(4), Arnold, M., & Millar, R. (1996). Exploring the use of analogy of heat, temperature and thermal equilibrium. In G. Welford, J. Osborne & P. Scott (Eds.), Research in Science Education in Europe: Current issues and themes (pp ). London: The Falmer Press. Arnold, M., Millar, R., (1998). Learning the scientific story: A case study in the teaching and learning of elementary thermodynamics. Science Education, Volume 80 Issue 3, Pages Aufschnaiter, S. v. & Welzel, M. (1999). Individual Learning Processes - a Research Program with Focus on the Complexity of Situated Cognition. In: Bandiera, M., Caravita, S., Torracca, E., Vicentini, M., (Eds.). Research in Science Education in Europe. Dordrecht: Kluwer, Baggott la Velle, L. M., McFarlane, A., & Brawn, R. (2003). Knowledge transformation through ICT in science education: a case study in teacher driven curriculum development. British Journal of Educational Technology, 34, Baggott, L. & Nichol, J (1998). Multimedia simulation: a threat to or enhancement of practical work in science education?, in: J Wellington (Ed) Practical Work in School Science. London, New York: Routledge Barman, C. (1990). An expanded view of the Learning Cycle: New ideas about an effective, teaching strategy. Monograph and Occasional Paper Series, No. 4. Council for Elementary Science International, Washington, D.C. Barnea, N., & Dori, Y. J. (1999). High-school chemistry students performance and gender differences in a computerized molecular modelling learning environment. Journal of Science Education and Technology, 8(4), Barton, R (1997). Computer-aided graphing: a comparative study. Journal of Information Technology for Teacher Education, 6(1), Barton, R (1998). IT in practical work: assessing and increasing the value-added, in: J Wellington (Ed) Practical Work in School Science. London, New York: Routledge Bauman, R. P. (1992a). Physics that Textbook Writers Usually Get Wrong. Physics Teacher, 30(5),

327 Ι. Λεύκος 2011 Bauman, R. P. (1992b). Physics That Textbook Writers Usually Get Wrong: II. Heat and Energy. Physics Teacher, 30(6), Bauman, R. P. (1992c). Physics that Textbook Writers Usually Get Wrong: III. Physics Teacher, 30(7), Baxter, G. P. (1995), Using computer simulations to assess hands-on science learning, Journal of Science Education and Technology, 4, Bécu-Robinault, K. (2002). Modelling activities of students during a traditional labwork. In D. Psillos & H. Niedderer (Eds.), Teaching and learning in the science laboratory (pp ). Dordrecht, NL: Kluwer. Berry, D. C., & Broadbent, D. E. (1987). Explanation and verbalization in a computer assisted search task. The Quarterly Journal of Experimental Psychology, 39A, Bisdikian, G. & Psillos, D. (2002). Enhancing the Linking of Theoretical Knowledge to Physical Phenomena by Real-Time Graphing. In D. Psillos and H. Niedderer, (Eds.), Teaching and Learning in the Science Laboratory. Kluwer Academic, pp Bisdikian, G. (2000). A study of the multimedia applications on the teaching of graphs and physical concepts, unpublished Doctoral dissertation, Aristotle University of Thessaloniki. Besson, U., Borghi, L., De Ambrosis, A., Mascheretti, P. (2010): A Three- Dimensional Approach and Open Source Structure for the Design and Experimentation of Teaching-Learning Sequences: The case of friction. International Journal of Science Education, 32:10, Blissett, G. & Atkins, M. (1993) Are they thinking? Are they learning? A study of the use of Interactive Video, Computers and Education, 21, Buty, C., (2002). Modelling in geometrical optics using a microcomputer. In D. Psillos and H. Niedderer, (Eds.), Teaching and Learning in the Science Laboratory. Kluwer Academic, pp Campbell, J.O., Bourne, R.J., Mosterman, P.J., Brodersen, J.A., (2002). The Effectiveness of Learning Simulators in Electronic Laboratories. Journal of Engineering Education, Vol.91, No.1, pp Carlton K., (2000). Teaching about heat and temperature, Physics Education 35(2), March Carlton, K. (2000). Teaching about heat and temperature. Physics Education, 35, Clark D., Jorde D., (2004). Helping Students Revise Disruptive Experientially Supported Ideas about Thermodynamics: Computer Visualizations and Tactile Models, JRST, v. 41, 1, pp Clements, D. (1999). Concrete manipulatives, concrete ideas. Contemporary Issues in Early Childhood, 1, Clements, D.H. & Sarama, J. (2003), Strip mining for gold: Research and policy in educational technology - A response to Fool s Gold., Educational ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 315

328 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Technology Review, 11. Ανακτήθηκε στις 16/10/06 από URL: /issue4/clements.cfm Corter, J. E., Nickerson, J. V., Esche, S. K. and Chassapis C. (2004), Remote versus hands-on labs: A comparative study, 34th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference,Savannah, GA. Couture, M Realism in the design process and credibility of a simulation-based virtual laboratory. Journal of Computer Assisted Learning 20, no. 1: Cox, MJ (2000). Information and Communications Technologies: their role and value for science education, in: M Monk & J Osborne (Eds) Good Practice in Science Teaching: What Research has to Say. Buckingham: Open University Press de Jong, T. (1991). Learning and instruction with computer simulations. Education & Computing, 6, de Jong, T., & Van Joolingen, W. R. (1998). Scientific Discovery Learning with Computer Simulations of Conceptual Domains. Review of Educational Research, 68(2), de Jong, T., Ainsworth, S., Dobson, M., van der Hulst, A., Levonen, J., & Reimann, P., et al. (1998). Acquiring knowledge in science and mathematics: the use of multiple representations in technology based learning environments. In M. van Someren, P. Reimann, H. Boshuizen, & T. de Jong (Eds.), Learning with multiple representations (pp. 9e41). Oxford: Elsevier Science. de Jong, T., Martin, E., Zamarro, J.-M., Esquembre, F., Swaak, J. and Van Joolingen, W. R. (1999) The integration of computer simulations and learning support: an example from the physics domain of collisions. Journal of Research in Science Teaching, 36(5), Deaney, R, Ruthven, K & Hennessy, S (2003). Pupil perspectives on the contribution of information and communication technology to teaching and learning in the secondary school. Research Papers in Education, 18 (2), Doran, R. L., Boorman, J., Chan, F., & Hejaily, N. (1993). Alternative assessment of high school laboratory skills. Journal of Research in Science Teaching, 30, Dori, Y. J., & Barak, M. (2001). Virtual and physical molecular modeling: fostering model perception and spatial understanding. Educational Technology & Society, 4(1), Downes, T. (2002). Blending play, practice and performance: children s use of the computer at home. Journal of Educational Enquiry, 3(2), Draper, S.W. (1998). Niche-based success in CAL. Computers & Education, 30(1 2), 5 8. Draper, S.W., Mohamed, R., Byard, M., Driver, R., Hartley, R., Mallen, C., et al. (1992).Conceptual Change in Science: Final Report to ESRC, No Buckingham: CITE, Open University. Driver, R., Guesne, E., & Tiberghien, A. (1985). Children's ideas in science. Milton Keynes: Open University Press. 316

329 Ι. Λεύκος 2011 Driver, R., Squires, A., Rushworth, P., & Wood-Robinson, V. (1998). Οικο-δοµώντας τις Έννοιες των Φυσικών Επιστηµών - Μια παγκόσµια σύνοψη των ιδεών των µαθητών. Αθήνα: Τυπωθήτω - αρδάνος. Duit, R., & Kesidou, S. (1988). Students' understanding of basic ideas of the second law of thermodynamics. Research in Science Education, 18, Dwyer, W.M. & Lopez, V.E. (2001). Simulations in the Learning Cycle: A Case Study Involving Exploring the Nardoo. In National Educational Computing Conference Proceedings. Chicago, Edward, N. S. (1996). Evaluation of computer based laboratory simulation. Computers & Education, 26(1-3), Elshout, J. J., & Veenman, M. V. J. (1992). Relation between intellectual ability and working method as predictors of learning. Journal of Educational Research, 85, Engel Clough, E., & Driver, R. (1985). Secondary students' conceptions of the conduction of heat: bringing together scientific and personal views. Physics Education, 20, Erickson, G. L. (1979). Children's conceptions of heat and temperature. Science Education, 63(2), Erickson, G. L. (1980). Children's viewpoints of heat: A second look. Science Education, 64, Erickson, G. L., & Tiberghien, A. (1985). Heat and temperature. In R. Driver, Guesne, E., Tiberghien, A. (Ed.), Children's ideas in science. Milton Keynes: Open University Press. Finkelstein, D., N., Adams, K., W., Keller, J., C., Kohl, B., P., Perkins, K., K., Podolefsky, S., N., Reid, S., Le Master, R. (2005).When learning about the real world is better done virtually: A study of substituting computer simulations for labour equipment. Physical Review Special Topics - Physics Education Research, V1(1). Finkelstein, N.D., Perkins, K. K., Adams, W., Kohl, P. and Podolefsky, N.(2004), Can Computer Simulations Replace Real Equipment in Undergraduate Laboratories?, Physics Education Research Conference. Sacramento CA Finkelstein, N.D., Perkins,K., Adams, W., Keller, K., Kohl,P., Podolefsky, N., Reid,S. and LeMaster,R.(2005),When learning about the real world is better done virtually: a study of substituting computer simulations for laboratory equipment, Physical Review, Special Topics: Physics Education Research, 1, 1-8 Finlayson, H & Rogers, L (2003). Does ICT in science really work in the classroom? Part 1: The individual teacher experience. School Science Review, 84 (309), Flick, L. B. (1993). The meanings of hands-on science. Journal of Science Teacher Education, 4, 1-8. Fourlari, S., Psillos, D., & Hatzikraniotis, E. (2004). Study of simulations characteristics for teaching Science. Proceedings of the 4th National ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 317

330 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Conference on Didactics in Science and New Technologies in Education, Athens (in Greek). Ganiel U., and Hofstein A., (1982). Objective and continuous assessment of students' performance in the physics laboratory. Science Education, 66, (4), Garratt, J., Tomlinson, J. (2001). Experimental design can it be learned? University Chemistry Education, V5(2). Gaver, W.W. (1991). Technology affordances. Paper presented at the CHI 91 (Conference on Human Factors in Computing Systems), New Orleans, 28 April 2 May, Gibson, J.J. (1979). The Ecological Approach to Visual Perception. Boston, MA: Houghton Mifflin. Giere, R. (2002). Models as parts of distributed cognitive systems. In: L. Magnani and N. Nersessian, Editors, Model based reasoning: Science, technology, values, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht. Glaser, R., Schauble, L., Raghavan, K., & Zeitz, C. (1992). Scientific reasoning across different domains. In E. de Corte, M. Linn, H. Mandl, & L. Verschaffel (Eds.), Computer-based learning environments and problem solving (pp ). Berlin, Germany: Springer-Verlag Goldberg, F. (1997) The CPU [Constructing Physics Understanding in a Computer- Supported Learning Environment] Project: students in control of inventing physics ideas. Forum on Education, December, American Physical Society. Available online at: accessed 6 November Gooding, D. (1990). Experiment and the making of meaning?, Human agency in scientific observation and experiment, Kluwer, Dordrecht. Guillon, A. & Séré, M. (2002). The role of epistemological information in open-ended investigative labwork. In D. Psillos and H. Niedderer, (Eds.), Teaching and Learning in the Science Laboratory. Kluwer Academic, pp Harms, U. (2000). Virtual and remote labs in physics education. Paper presented at the 2nd European Conference on Physics Teaching in Engineering Education, Budapest. Harrison, A. G., Grayson, D. J., & Treagust, D. F. (1999). Investigating a grade 11 students evolving conceptions of heat and temperature. Journal of Research in Science Teaching, 36(1), Hatzikraniotis, E., Lefkos, J., Bisdikian, G., Psillos, D., Refanidis, J., Vlahavas, J., (2001). An open learning environment for thermal phenomena. Proceedings of the 5th International Conference on Computer Based Learning in Science (CBLIS 2001), Brno, Czech Republic. Hennessy, S & Murphy, P (1999). The potential for collaborative problem solving. D&T, International Journal of Technology and Design Education, 9(1), pp1-36 Hennessy, S (1999). The potential of portable technologies for supporting graphing investigations. British Journal of Educational Technology, 30(1), pp

331 Ι. Λεύκος 2011 Full article available at cssme/graphcalc.htm Hennessy, S., Twigger, D., Driver, R., O Shea, T., O Malley, C. E., Byard, M., Draper, S., Hartley, R., Mohamed, R. and Scanlon, E. (1995) A classroom intervention using a computer-augmented curriculum for mechanics. International Journal of Science Education, 17(2), Hennessy, S., Wishart, J., Whitelock, D., Deaney, R., Brawn, R., la Velle, L., McFarlane, A., Ruthven, K., Winterbottom, M. (2007). Pedagogical approaches for technology-integrated science teaching, Computers & Education, Volume 48, Issue 1, Hewitt, P., G. (2002). Οι έννοιες της Φυσικής. Ηράκλειο Κρήτης: Πανεπιστηµιακές Εκδόσεις Κρήτης. Hewson, M. G., Hamlyn, D. (1984). The influence of intellectual environment on conceptions of heat. European Journal of Science Education, 6, Hinton, T. (1978). Computer assisted learning in physics. Computers & Education, 2, Hollow, R. P. (2000). The student as scientist: secondary student research projects in astronomy. Publications of the Astronomical Society of Australia, 17(2), Hirtel, H. (1994). COLOS: Conceptual learning of science. In T. de Jong & L. Sarti (Eds.), Design andproduction of multimedia and simulation based learning material (pp ). Dordrecht, The Netherlands: Kluwer Academic Publishers. Hitch, M (2000). Another dimension: introducing ICT into science lessons is easy, time-saving and enjoyable. Times Educational Supplement Curriculum Special, Spring 2000, pp18-19 Hmelo, C., Day, R. (1999). Contextualized questioning to scaffold learning from simulations, Computers & Education Volume 32 (2). Hoadley, C., Hsi, S., & Berman, B. P. (1995). Networked multimedia for communication and collaboration. Presented at American Educational Research Association Annual Meeting, San Francisco, CA Hodson, D. (1992). Assessment of practical work: Some considerations in philosophy of science. Science & Education, 1, Hodson, D. (1993). Re-thinking Old Ways: Towards A More Critical Approach To Practical Work In School Science. Studies in Science Education, 22, Hofstein, A. & Lunetta, V. N. (2004). The laboratory in science education: Foundations for the Twenty-First Century. Science Education, 88, 1, Hofstein, A. and Lunetta, V. (1982). The role of the laboratory in science teaching: Neglected aspects of research. Review of Education Research, 52, Hofstein, A. and Lunetta, V.N. (2004), The laboratory in science education: Foundations for the Twenty-First Century, Science Education, 88 (1), Hucke, L., & Fischer, H. E. (2002). The link of theory and practice in traditional and in computer-based university laboratory experiments. In D. Psillos and H. ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 319

332 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Niedderer, (Eds.), Teaching and Learning in the Science Laboratory. Kluwer Academic, pp Jaakkola, T., & Nurmi, S. (2004). Academic Impact of Learning Objects: The Case of Electric Circuits, 16, Jimoyiannis, A. and Komis, V. (2001) Computer simulations in physics teaching and learning: a case study on students understanding of trajectory motion. Computers and Education, 36(2), Johnstone, A., H., Al-Shuaili, A. (2001). Learning in the laboratory; some thoughts from the literature. University Chemistry Education, V.5(2). Jonassen, D. H. (2000) Computers as Mindtools for Schools: Engaging Critical Thinking, 2 nd edn (Upper Saddle River, NJ: Merrill/Prentice Hall). Jones, M. G., Carter, G., & Rua, M. J. (2000). Exploring the Development of Conceptual Ecologies: Communities of Concepts Related to Convection and Heat. Journal of Research in Science Teaching, 37(2), Josephy, R. (1986). Assessment of practical and experimental work in Physics through O.C.E.A. Physics Education,, 21, pp Karmiloff-Smith, A. & Inhelder, B. (1975), If you want to get ahead, get a theory, Cognition, 3, Keller, C.(2004), Substituting Traditional Hands-On Laboratories with Computer Simulations: What s gained and what s lost?, Department of Physics, University of Colorado at Boulder Kempa, R. F. (1986). Assessment in Science. Cambridge University Press, Cambridge. Kennewell, S. (2001). Using affordances and constraints to evaluate the use of information and communications technology in teaching and learning. Journal of Information Technology for Teacher Education, 10(1/2), Kesidou, S., & Duit, R. (1993). Student's conceptions of the second law of thermodynamics - an interpretive study. Journal of Research in Science Teaching, 30(1), Kesidou, S., Duit, R., & Glynn, S. M. (1995). Conceptual development in physics: Students' understanding of heat. In S. M. Glynn & R. Duit (Eds.), Learning science in the schools: Research reforming practice (pp ). Mahwah, New Jersey: Lawrence Erlbaum Associates. Kesidou, S., Duit, R., (1993). Students conceptions of the second law of thermodynamics An interpretive study, Journal of Research in Science Teaching, vol. 30 (1), Kirstein, J., Nordmeier, V. (2007) Multimedia representation of experiments in physics. European Journal of Physics, 28, pp Klahr, D., Triona, L., Williams, C. (2007). Hands On What: The Relative Effectiveness of Physical vs. Virtual Materials in an Engineering Design Project by Middle School Children. Journal of Research in Science Teaching. V.44 (1),

333 Ι. Λεύκος 2011 Kocijancic, S. (2002), Online Experiments in Physics and Technology Teaching,IEEE transactions on education,45(1), Kozma, R. B., Russell, J., Jones, T., Marx, N., & Davis, J. (1996). The use of multiple, linked representations to facilitate science understanding. In S. Vosniadou, E. De Corte, R. Glaser, & H. Mandl (Eds.), International perspectives on the design of technology supported learning environments (pp ). Hillsdale, NJ: Erlbaum. Kreiger A. G. (1982). Written Tests of Laboratory Skills. Journal of Chemical Educatio, 59(3), Kuhn, D., Black, J., Keselman, A. and Kaplan, D. (2000) The development of cognitive skills to support inquiry learning. Cognition and Instruction, 18(4), Kyle, W.C., Penick, J.E. & Shymansky, J.A. (1979). Assessing and analyzing the performance of students in college science laboratories. Journal of research in Science Teaching, 16(6), la Velle Baggott, L., Wishart, J., McFarlane, A., Brawn, R. & John, P. (2007). Teaching and learning with ICT within the subject culture of secondary school science. Research in Science & Technological Education, 25(3), la Velle Baggott, L.M., McFarlane, A. & Brawn, R. (2003). Knowledge transformation through ICT in science education: a case study in teacher driven curriculum development. British Journal of Educational Technology (in press), 34(2) Laburu, C. E., & Niaz, M. (2002). A Lakatosian framework to analyze situations of cognitive conflict and controversy in students' understanding of heat energy and temperature. Journal of Science Education and Technology, 11(3), Laurillard, D., Stratford, M., Luckin, R., Plowman, L., & Taylor, J. (2000). Affordances for learn- ing in a non-linear narrative medium. Journal of Interactive Media in Education, 2. Available online at: (accessed 4 March 2005). Lazarowitz, R., & Tamir, P. (1994). Research on using laboratory instruction in science, In D. L. Gabel (Ed.), Handbook of research on science teaching and learning. New York: Macmillan. (pp ) Leach, J., & Paulsen, A. (Eds.). (1999). Practical Work in Science Education: Recent Research Studies. Frederiksberg: Roskilde University Press. Lefkos I., Psillos D., Hatzikraniotis E. (2011). Designing experiments about thermal interactions by secondary students in a simulated laboratory environment, Research in Science & Technological Education,Vol 29 (2). Lefkos I., Psillos D., Hatzikraniotis E. (2010). Talking Physics in inquiry Based Virtual laboratory Activities, πρακτικά του 9th International Conference on "Computer Based Learning in Science (CBLIS)", Warsaw, Poland. Lefkos I., Psillos D., Hatzikraniotis E. (2005). Integrating ICT tools in a laboratory teaching sequence of thermal phenomena, πρακτικά του 7th International ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 321

334 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Conference on "Computer Based Learning in Science (CBLIS)", Zilina, Slovakia. Leutner, D. (1993). Guided discovery learning with computer-based simulation games: Effects of adaptive and non-adaptive instructional support. Learning and Instruction, 3, Lewis, E. L., & Linn, M. C. (1994). Heat energy and temperature concepts of adolecents, adults, and experts: Implications for curricular improvements. Journal of Research in Science Teaching, 31(6), Lewis, E. L., Ster, J. L., & Linn, M. C. (1993). The effect of computer simulations on introductory thermodynamics understanding. Educational Technology, 33, Lijnse, P. (1995). Developmental Research as a way to an empirically based didactical structure of science. Science Education, 79(2), Lijnse, P. (2002). Developmental research: its aims, methods and outcomes. Paper presented at 6th ESERA Summerschool, August 25-31, Slovenia.Limon, M. (2001) On the cognitive conflict as an instructional strategy for conceptual change: a critical appraisal. Learning and Instruction, 11(4), Lijnse, P. (2004): Didactical structures as an outcome of research on teaching learning sequences? International Journal of Science Education, 26(5), Linn, M. C. and Eylon, B.-S. (2000) Knowledge integration and displaced volume. Journal of Science Education and Technology, 9(4), Linn, M. C., & Songer, N. B. (1991). Teaching thermodynamics to middle school students: What are appropriate cognitive demands? Journal of Research in Science Teaching, 28, Linn, M. C., (1999). The impact of technology on science instruction: historical trends and current opportunities, in: Fraser & K Tobin (Eds) International Handbook of Science Education. Kluwer Academic Publishers Linn, M. C., Creating lifelong science learners: What models for a firm foundation. Educational Researcher 25, pp Linn, M. C., Layman, J., & Nachmias, R. (1987). Cognitive consequences of microcomputer- based laboratories: Graphing skills development. Journal of Contemporary Educational Psychology, 12, Linn, M. C., Songer, N. B., & Eylon, B. (1996). Shifts and convergences in science learning and instruction. In D. C. Berliner and R. Calfee (Eds.), Handbook of educational psychology, pp NY: MacMillan Linn, M., & Songer, N. (1991). Teaching thermodynamics to middle school students: What are appropriate cognitive demands? Journal of Research in Science Teaching, 28(10), Linn, M.C., & Hsi, S. (2000). Computers, Teachers, Peers: Science Learning Partners. London: Lawrence Erlbaum Associates. 322

335 Ι. Λεύκος 2011 Linn, X. and Lehman, J. (1999) Supporting learning of variable control in a computerbased biology environment: effects of prompting college students to reflect on their own thinking. Journal of Research in Science Teaching, 36(7), Lunetta, V. N. (1998). The school science laboratory: Historical perspectives and contexts for contemporary teaching. In B. J. Fraser & K. G. Tobin (Eds.), International handbook of science education. Dordrecht: Kluwer. (pp ) Lunetta, V., & Tamir, P. (1979). Matching lab activities with teaching goals. The Science Teacher, 46(5), Lynch, P. P. (1987). Laboratory Work in Schools and Universities: Structures and Strategies Still Largely Unexplored. The Australian Science Teachers Journal 32(4), Ma, J., Nickerson, J. V. (2006), Hands-on, Simulated and Remote Laboratories: A Comparative Literature Review, ACM Computing Surveys,38(3) Magin, D. J., & Reizes, J. A. (1990). Computer simulation of laboratory experiments: An unrealized potential. Computers & Education, 14(3), Marshall, J., Young, E.S. (2006), Pre-service teacher's theory development in physical and simulated environments, Journal of Research in Science Teaching, 43 (9), McDermott, L.C. and Shaffer, P. (1992), Research as a guide for curriculum development: an example from introductory electricity, Part I: investigation of student understanding, American Journal of Physics, 60, McDermott, L.C. and The Physics Education Group (1996), Physics by Inquiry, Wiley, NewYork. McFarlane, A & Friedler, Y (1998). Where you want IT when you want IT - the role of portable computers in science education, in: K Tobin (Ed) International Handbook of Science Education. Amsterdam: Kluwer McFarlane, A., Sakelariou, S., (2002). The role of ICT in science education, Cambridge journal of Education, 32(2). McGrenere, J., & Ho, W. (2000). Affordances: clarifying and evolving a concept. Paper presented at the Graphics Interface 2000, Montreal, May. Meheut, M., & Psillos, D. (2004). Teaching-learning sequences: aims and tools for science education research. International Journal of Science Education, 26(5), Mellar, H, Bliss, J, Boohan, R, Ogborn, J & Tompsett, C (1994). Learning with Artificial Worlds: Computer-based Modelling in the Curriculum. London: Falmer Press Millar, R. (1998). Comments on C3: Experimental facts and ways of reasoning in thermodynamics: Learners' common approach (L. Viennot). In A. Tiberghien, Jossem, E., Barojas, J. (Eds.), Connecting research in physics education with teacher education. Available from jossem/icpe/books.html ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 323

336 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Millar, R., & Osborne, J.F. (1998). Beyond 2000: Science Education for the Future. London: King s College London. Millar, R., Tiberghien, A., Le Maréchal, J.F. (2002). Varieties of Labwork: A Way of Profiling Labwork Tasks. In D. Psillos and H. Niedderer, (Eds.), Teaching and Learning in the Science Laboratory. Kluwer Academic, pp Minstrell, J. (2001). The role of the teacher in making sense of classroom experiences and effecting better learning. In S.M. Carver and K.D. (Eds.) Cognition and Instruction: 25 Years of Progress (pp ). Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum. Mokros, J. R., & Tinker, R. F. (1987). The impact of microcomputer based labs on children's ability to interpret graphs. Journal of Research in Science Teaching, 24, Monaghan, J.M., & Clement, J. (1999). Use of a computer simulation to develop mental simulations for understanding relative motion concepts. International Journal of Science Education,21(9), Murnane, J. (2002). Simulation: The Visible and the Invisible. In S. Rodrigues (Ed.), Opportunistic challenges: teaching and learning with ICT (pp ): Nova Science Pub Inc., N.Y. Nachmias, R., Stavy, R., Avrams, R. (1990). A microcomputer-based diagnostic system for identifying students' conception of heat and temperature. International Journal of Science Education, 12(2), National Science Teachers Association of Virginia (1999), Position statement on the use of computers in science education, Ανακτήθηκε στις 20/12/06 από URL: Newton, LR (2000). Data logging in practical science: research and reality. International Journal of Science Education, 22(12), pp Niedderer, H., Tiberghien, A., Buty, C., Haller, K., Hucke, L., Sander, F., Fischer, H.E., Schecker, H., v. Aufschnaiter, S., Welzel, M. (1998). Category Based Analysis of Videotapes from labwork (CBAV) the method and results from four case studies. Working Paper 9 from the European project Labwork in Science Education (Targeted Socio-Economic Research Programme, Project PL ), 41 pages, ( Niedderer, H., Von Aufschnaiter, S., Tiberghien, A., Buty, C., Haller, K., Hucke, L., Sander F., Fischer, H. (2002). Talking Physics in Labwork Contexts - A Category Based Analysis of Videotapes. In D. Psillos and H. Niedderer, (Eds.), Teaching and Learning in the Science Laboratory. Kluwer Academic, pp Norman, D.A. (1988). The Psychology of Everyday Things. New York: Basic Books. Norman, D.A. (2002). Affordances and design. Available online at: (accessed 4 March 2005). 324

337 Ι. Λεύκος 2011 Okebukola, P.A. (1985). Science laboratory behaviour strategies of students relative to performance in and attitude to laboratory work. Journal of Research in Science Education, 22(3), O'Malley, C (1995). Computer Supported Collaborative Learning. New York: Springer-Verlag Osborne, J., & Hennessy, S. (2003). Literature Review in Science Education and the Role of ICT: Promise, Problems and Future Directions (NESTA Futurelab). Available online at: nce_review.pdf (πρόσβαση 30 Σεπτ 2010). Papadouris, N., & Constantinou, C. P. (2009). A methodology for integrating computer-based learning tools in science curricula. Journal of Curriculum Studies, 41(4), Petridou, E., Psillos, D., Lefkos, I., Fourlari, S., Hatzikraniotis, E., (2005). Investigating the use of simulated laboratory for teaching aspects of calorimetry to secondary education students, CBLIS 2005, Slovakia. Posner, G. J., Strike, K. A., Hewson, P. W. and Gerzog, W. A. (1982) Accommodation of a scientific conception: toward a theory of conceptual change. Science Education, 66(2), Psillos, D., & Kariotoglou, P. (1999). Teaching fluids: intended knowledge and students actual conceptual evolution. International Journal of Science Education, 21(1), Psillos, D., & Meheut, M. (2001). Teaching-learning sequences as a means for linking research to development. In D. Psillos, P. Kariotoglou, V. Tselfes, G. Bisdikian, G. Fassoulopoulos, E. Hatzikraniotis and M. Kallery (Eds.), Proceedings of the Third International Conference on Science Education Research in the Knowledge Based Society. Thessaloniki, Art of Text, Psillos, D. and Niedderer, H. (2002). Issues and questions regarding the effectiveness of labwork. In D. Psillos and H. Niedderer, (Eds.), Teaching and Learning in the Science Laboratory. Kluwer Academic, pp Psillos, D., Niedderer, H., Séré, M.G. (1998). Effectiveness of labwork as defined from case studies of different types of labwork. Working Paper 8 from the European project Labwork in Science Education (Targeted Socio-Economic Research Programme, Project PL ). Psillos, D., Niedderer, H., Vicentini, M. (1999). Case Studies on Innovative Types of Labwork in Science Education. In: M. Bandiera, S. Caravitta, E. Torracca and M. Vicentini (eds.): Research in Science Education in Europe. Dordrecht: Kluwer, Raghavan, K., Sartoris, M. L. and Glaser, R. (1998) Why does it go up? The impact of the MARS [Model Assisted Learning in Science] curriculum as revealed through changes in student explanations of a helium balloon. Journal of Research in Science Teaching, 35(5), ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 325

338 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Redish, E. (1993α), Is the Computer Appropriate for Teaching Physics?, Computers in Physics, 7(6), 613 Redish, E. (1993β), What can a physics teacher do with a computer? Invited talk presented at Robert Resnick Symposium RPI, Troy NY Reigeluth, C. M., & Schwartz, E. (1989). An instructional theory for the design of computer-based simulations. Journal of Computer-Based Instruction, 16, Reiner, M. and Gilbert, J. (2004), The symbiotic roles of empirical experimentation and thought experimentation in the learning of physics, International Journal of Science Education, 26, Resnick, M. (1998). Technologies for lifelong kindergarten. Educational Technology Research and Development, 46, Riverdeep Interactive Learning (2003), Virtual Laboratories Electricity, Ανακτήθηκε από URL: (ανακτήθηκε στις 16/10/2006) Rogers, L (2002). Physics in new fields and modern applications. Groupe nternational de Recherch sur l'enseignment de la Physique (GIREP), Lund Rogers, L (2004). Integrating ICT into Science Education & the future (ch9), in: R Barton (Ed) Teaching Secondary Science with ICT. Cambridge: Hill McGraw Rogers, LT & Wild, P (1996). Datalogging: effects on practical science. Journal of Computer Assisted Learning, 12, pp Romer, R. H. (2001). Heat is not a noun. American Journal of Physics, 69, 107. Ronen, E. and Eliahu, M. (2000) Simulation a bridge between theory and reality: the case of electric circuits. Journal of Computer Assisted Learning, 16(1), Rosenquist, A., Shavelson, R. J. & Ruiz-Primo, M. A. (2000). On The Exchangeability of hands-on and computer simulated science performance assessments (CSE Tech. Rep. No 531), Los Angeles:University of California, National Center for Research on Evaluation, Standards, and Student Testing. Ruthven, K, Hennessy, S & Brindley, S (2004). Teacher Representations of the Successful Use of Computer-based Tools and Resources in Teaching and Learning Secondary English, Mathematics and Science. Teaching and Teacher Education, 20 (3), Sander, F., Schecker, H., Niedderer, H. (2002). Computer tools in the lab-their effect on linking theory and experiment. In D. Psillos and H. Niedderer, (Eds.), Teaching and Learning in the Science Laboratory. Kluwer Academic, pp Sassi, E., (2001). Computer supported lab-work in physics education:advantages and problems, in R. Pinto & S. Surinach (eds): Proceedings of the International Conference Physics Teacher Education Beyond 2000, CD Production Calidos, Barcelona. Scaife, J. & Wellington, J. (1993). IT in science and technology education. Milton Keynes, UK: Open University Press. 326

339 Ι. Λεύκος 2011 Schauble, L., Glaser, R., Raghavan, K., & Reiner, M. (1991). Causal models and experimentation strategies in scientific reasoning. The Journal of the Learning Sciences, 1, Scrimshaw, P (1997). Computers and the teacher's role, in: B Somekh & N Davis (Eds) Using Information Technology Effectively in Teaching and Learning. London: Routledge Shavelson, R. J., Baxter, G. P. and Pine, J. (1991), Performance assessment in science, Applied Measurement in Education, 4, Sozbilir, M. (2003). A review of selected literature on students misconceptions of heat and temperature. Bo azi i University Journal of Education, 20(1), Squires, D., & Preece, J. (1999). Predicting quality in educational software: Evaluating for learning, usability and the synergy between them. Interacting with computers, 11, Swaak, J., Van Joolingen, W. and De Jong, T. (1998) Supporting simulation-based learning: the effects of model progression and assignments on definitional and intuitive knowledge. Learning and Instruction, 8(3), Taber, K. (2000). Finding the optimum level of simplification: the case of teaching about heat and temperature. Physics Education, 35, Tamir, P. & Lunetta, V.N. (1981). Inquiry related tasks in high school science laboratory handbooks. Science Education, 65(5), Tao, P.-K. & Gunstone, R.F. (1999). Conceptual change in science through collaborative learning at the computer. International Journal of Science Education, 21(1), Teodoro, V. D. (1992). Direct manipulation of physical concepts in a computerized exploratory laboratory. In E. de Corte, M. Linn, H. Mandl, & L. Verschaffel (Eds.), Computer-based learning environments and problem solving (pp ). Berlin, Germany: Springer-Verlag. Theyßen, H., Schumacher, D., von Aufschnaiter. S. (2002). Development and evaluation of a laboratory course in physics for medical students. In D. Psillos and H. Niedderer, (Eds.), Teaching and Learning in the Science Laboratory. Kluwer Academic, pp Thomaz, M. F., Malaquias, I. M., Valente, M. C., & Antunes, M. J. (1995). An attempt to overcome alternative conceptions related to heat and temperature. Physics Education, 30(1), Thornton, R. K., (1999). Using the results of research in Science Education to improve Science Learning. Keynote address to the International Conference on Science Education, Nicosia, Cyprus. Thurman, R. A., & Mattoon, J. S. (1994). Virtual reality: Towards fundamental improvements in simulation-based training. Educational Technology, 34, Tiberghien, A. (1980). Modes and conditions of learning - an example: The learning of some aspects of the concept of heat. In W. F. Archenhold, Driver, R., Orton, A., Wood-Robinson, C. (Ed.), Cognitive development research in ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 327

340 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ science and mathematics. Proceedings of an international seminar (pp ). Leeds: University of Leeds. Tiberghien, A. (1983). Critical review on the research aimed at elucidating the sense that notions of temperature and heat have for the students aged 10 to 16 years. Research on Physics Education. Proceedings of the first international workshop. La Londe les Maures, Tobin, K., Tippins, D.J., & Gallard, A.J. (1994). Research on instructional strategies for teaching science. In D.L. Gabel (Ed.), Handbook of research on science teaching and learning. New York: Macmillan. (pp ) Triona, Klahr (2003). Point and click or grab and heft: comparing the influence of physical and virtual instr. materials in elementary school students ability to design experiments. Cognition & Instruction, 21(2), van der Meij, J., & de Jong, T. (2006). Supporting students' learning with multiple representations in a dynamic simulation-based learning environment. Learning and Instruction, 16(3), Viennot, L. (1998). Experimental facts and ways of reasoning in thermodynamics: Learners' common approach. In A. Tiberghien, Jossem, E., Barojas, J. (Eds.), Connecting research in physics education with teacher education. Available from (ανακτήθηκε στις 16/1/2010) Vygotsky, L. S. (1978) Mind and society (Cambridge, MA, Harvard University Press). Wardle, J (2004). Handling and interpreting data in school science (ch7), in: R Barton (Ed) Teaching Science with ICT. Cambridge: Hill McGraw Watson, K. & Baggott, L. M. (1997) An evaluation of pupils responses to a protoytpe microscope simulation on a CD ROM the Interactive Microscope Laboratory. CAL97 International Conference Superhighways, Super CAL, Super Learning? Conference Proceedings Abstract No. 1, pp Watts, M., Gilbert, J. K. (1985). Appraising the understanding of science concepts: "Heat". Guildford: Educational Studies. Webb, M,E. (2005). Affordances of ICT in science learning: implications for an integrated pedagogy. International Journal of Science Education. 27(6): Weller, H. G. (1995) Diagnosing and altering three Aristotelian alternative conceptions in dynamics: microcomputer simulations of scientific models. Journal of Research in Science Teaching, 32(3), Weller, H. G. (1996) Assessing the impact of computer-based learning in science. Journal of Research on Computing in Education, 28(4), Wellington, J (2004). Multimedia in science teaching (ch6), in: R Barton (Ed) Teaching Secondary Science with ICT,87-104, Cambridge: Hill McGraw Wellington, J. (2000) (Ed): Practical work in school science Which way now? London: Routledge 328

341 Ι. Λεύκος 2011 Welzel, M., Haller, K., Bandiera, M., Hammelev, D., Koumaras, P., Niedderer, H., Paulsen, A. C., Robinault, K., von Aufschnaiter, S. (1998) Teachers' objectives for labwork. Research tool and cross country results. Working Paper 6 from the European project Labwork in Science Education (Targeted Socio- Economic Research Programme, Project PL ), 109 pages, ( White, B. Y. (1993). ThinkerTools: Causal models, conceptual change, and science education. Cognition and Instruction, 10, White, B. Y. and Frederiksen, J. R. (1998) Inquiry, modeling and meta-cognition: making science accessible to all students. Cognition and Instruction, 16(1), White, R. T. (1996). The link between the laboratory and learning. International Journal of Science Education, 18, (7), Whitelock, D., Taylor, J., O Shea, T., Scanlon, E., Clark, P., & O Malley, C. (1991). How students construct a shared understanding of collisions in Newtonian mechanics. Proceedings of the 1991 International Conference on the Learning Sciences, Illinois, August Wilson, S. (2005). Computer Assisted Fluid Power Instruction: A Comparison of Hands-On and Computer-Simulated Laboratory Experiences for Post- Secondary Students. Journal of Technology Studies, 31(1), 5. Windschitl, M. & Andre, T. (1998). Using Computer Simulations to Enhance Conceptual Change: The Roles of Constructivist Instruction and Student Epistemological Beliefs. Journal of Research in Science Teaching, 35, (2), Wiser, M., Kipman, D. (1988). The differentation of heat and temperature: An evaluation on the effect of microcomputer models on students' misconceptions. Paper presented at the annual meeting of the American Educational Research Association, New Orleans. Wood, E. & Attfield, J. (1996) Play, learning and the early childhood curriculum (London, Paul Chapman Educational Publishing). Woolnough B., (1989). The Role of the Laboratory in Physics Education, Physics Education, 14, 70. Woolnough, B. & Allsop, T. (1985). Practical Work in Science. Cambridge: Cambridge University Press. Zacharia, C. Z., Olympiou, G., Papaevripidou, M. (2008). Effects of experimenting with physical and virtual manipulatives on students' conceptual understanding in heat and temperature. Journal of Research in Science Teaching, 45(9), Zacharia, Z. (2007). Comparing and combining real and virtual experimentation: an effort to enhance students' conceptual understanding of electric circuits. Journal of Computer Assisted Learning, 23(2), Zacharia, Z. and Anderson, O. R., (2003). The effects of an interactive computerbased simulation prior to performing a laboratory inquiry-based experiment on ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 329

342 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ students conceptual understanding of physics. American Journal of Physics, 71(6), Zacharia, Z. C. (2003). Beliefs, attitudes, and intentions of science teachers regarding the educational use of computer simulations and inquiry-based experiments in physics. Journal of Research in Science Teaching, 40, Zacharia, Z. C. (2005). The impact of interactive computer simulations on the nature and quality of postgraduate science teachers explanations in physics. International Journal of Science Education, 27, Zacharia, Z. C., & Olympiou, G. (2010). Physical versus virtual manipulative experimentation in physics learning. Learning and Instruction, 21(3), Zacharia, Z. C., Olympiou, G., & Papaevripidou, M. (2008). Effects of experimenting with physical and virtual manipulatives on students conceptual understanding in heat and temperature. Journal of Research in Science Teaching, 45, Zacharia, Z., & Constantinou, C. (2008). Comparing the influence of physical and virtual manipulatives in the context of the Physics by Inquiry curriculum: The case of undergraduate students' conceptual understanding of heat and temperature. American Journal of Physics, 76, 425. Zhou, G.Q., Brouwer, W., Martin, B.E. (2003). Enhancing Conceptual Learning in Physics Through Computer Based Applets. Alberta Science Education Journal, 35 (2). Αντωνιάδου, Π., Λεύκος, Ι., Χατζηκρανιώτης, Ε., Ψύλλος,. (2002). Η διδασκαλία της θερµικής ισορροπίας µε τη χρήση εικονικού εργαστηρίου, πρακτικά 3ου Παννελήνιου Συνεδρίου: «Τεχνολογίες της Πληροφορίας και της Επικοινωνίας στην Εκπαίδευση», που διοργάνωσε η Επιστηµονική Ένωση των Τεχνολογιών της Πληροφορίας και των Επικοινωνιών στην Εκπαίδευση (ΕΤΠΕ), σε συνεργασία µε το Πανεπιστήµιο Αιγαίου, Ρόδος. Αντωνίου, Ν., ηµητριάδης, Π., Παπαµιχάλης, Κ., & Παπατσίµπα, Λ. (2000). Φυσική Β Γυµνασίου. Αθήνα: ΟΕ Β. Ζαχαρίας, Ζ. & Ευαγόρου, Μ.(2004), Η επίδραση του εργαστηριακού πειραµατισµού και του πειραµατισµού µέσω αλληλεπιδραστικών προσοµοιώσεων στην εννοιολογική κατανόηση των φοιτητών στα ηλεκτρικά κυκλώµατα, στο Β. Τσελφές, Π. Καριώτογλου, Μ. Πατσαδάκης (επιµ.) Πρακτικά 4ου Πανελληνίου Συνεδρίου για τη ιδακτική των Φυσικών Επιστηµών και τις Νέες Τεχνολογίες στην Εκπαίδευση, ,ΕΚΠΑ, ΤΠΕΑΠΗ. Καραπαναγιώτης, Β., Παπασταµατίου, Ν., Φέρτης, Α., & Χαλέτσος, Χ. (1998). Φυσική Β Γυµνασίου. Αθήνα: ΟΕ Β. Κώτσης, Κ. & Ευαγγέλου, Φ. (2007). Εικονικό ή πραγµατικό πείραµα στη διδασκαλία της Φυσικής για την αλλαγή των εναλλακτικών ιδεών των µαθητών και φοιτητών: Μια βιβλιογραφική ανασκόπηση. Επιστηµονική επετηρίδα ΠΤ Ε Πανεπιστηµίου Ιωαννίνων, τχ 20, 57-90, Ιωάννινα. Λεύκος, Ι., Ψύλλος,., Χατζηκρανιώτης, Ε. (2011). Ενισχύοντας την εννοιολογική κατανόηση των µαθητών Γυµνασίου στην περιοχή των θερµικών φαινοµένων µε µια διδακτική σειρά εµπλουτισµένη µε ΤΠΕ, πρακτικά του 7ου 330

343 Ι. Λεύκος 2011 Πανελλήνιου Συνεδρίου ιδακτικής των Φυσικών Επιστηµών & Νέων Τεχνολογιών στην Εκπαίδευση, Αλεξανδρούπολη, Απρίλιος Λεύκος Ι., Ψύλλος., Χατζηκρανιώτης Ε. (2009). Ανάπτυξη πειραµατικών δεξιοτήτων µέσα από ένα εικονικό περιβάλλον στην περιοχή των θερµικών φαινοµένων, πρακτικά του 6ου Πανελληνίου Συνεδρίου ιδακτικής των Φυσικών Επιστηµών και Νέων Τεχνολογιών στην Εκπαίδευση, 7-10 Μαΐου 2009, Φλώρινα Λεύκος, Ι., Ψύλλος,., Χ"Κρανιώτης, Ε., Παπαδόπουλος, Α. (2005). Μια πρόταση για την εργαστηριακή υποστήριξη της διδασκαλίας της Θερµικής Ακτινοβολίας µε συνδυασµένη χρήση εργαλείων ΤΠΕ, πρακτικά του 3ου Πανελλήνιου συνεδρίου των Εκπαιδευτικών για τις ΤΠΕ «Αξιοποίηση των Τεχνολογιών της Πληροφορίας και της Επικοινωνίας στη ιδακτική Πράξη», Σύρος Λεύκος, Ι., Ρεφανίδης, Ι., Γάλλος, Λ., Μπισδικιάν, Γ., Πετρίδου, Ε., Χατζηκρανιώτης, Ε., Βλαχάβας, Ι., Αργυράκης, Π., Ψύλλος,. (2000). Εικονικό Εργαστήριο Θερµότητας, Ι., πρακτικά του Πανελλήνιου Συνεδρίου "Πληροφορικής και Εκπαίδευσης", Θεσσαλονίκη. Μικρόπουλος, Τ.Α. (2003), Οι Τεχνολογίες Πληροφορίας και Επικοινωνιών στη διδασκαλία των Φυσικών Επιστηµών: κριτική θεώρηση και προτάσεις, Πρακτικά 8ου Κοινού συνεδρίου Ένωσης Ελλήνων και Κυπρίων Φυσικών: «Προοπτικές, εξελίξεις και διδασκαλία των Φυσικών Επιστηµών»,τ. Α, 22 28, Προσκεκληµένη Οµιλία, Καλαµάτα Μιχαηλίδης,Π. (2007), Νέες Τεχνολογίες και ιδακτική των Φυσικών Επιστηµών, Πρακτικά 5ου Πανελληνίου Συνεδρίου: «ιδακτική των Φυσικών Επιστηµών και Νέες Τεχνολογίες στην Εκπαίδευση»,55-72, Πανεπιστήµιο Ιωαννίνων. Ολυµπίου, Γ., Ζαχαρίας, Χ.Ζ., Παπαευριπίδου, Μ. (2007). ιερεύνηση της βελτίωσης της εννοιολογικής κατανόησης προπτυχιακών φοιτητών για τη θερµότητα και τη θερµοκρασία µέσα από εικονικά και πραγµατικά περιβάλλοντα πειραµατισµού, Πρακτικά 5ου Πανελληνίου Συνεδρίου «ιδακτική των Φυσικών Επιστηµών και Νέες Τεχνολογίες στην Εκπαίδευση», , Πανεπιστήµιο Ιωαννίνων. Π.Ι., Σ. Ο. (1999). Προγράµµατα Σπουδών Πρωτοβάθµιας και ευτεροβάθµιας Εκπαίδευσης - Φυσικές Επιστήµες. Σκουµιός, Μ., & Χ"Νικήτα, Β. (2000). Μοντέλα µαθητών για Θερµότητα, Θερµοκρασία και Θερµικά Φαινόµενα. Επιθεώρηση Φυσικής, περ. Γ' τοµ.η'(31), Σκουµιός, Μ., & Χ"Νικήτα, Β. (2002). Μοντέλα µαθητών για Θερµότητα και Θερµοκρασία. Paper presented at the 3ο Πανελλήνιο Συνέδριο " ιδακτική των Φ.Ε & Εφαρµογή Ν.Τ στην Εκπαίδευση, Ρέθυµνο. Τζιµογιάννης, Α (2004), Οι προσοµοιώσεις στη ιδασκαλία της Φυσικής, στο Ι. Βλαχάβας, Β. αγδιλέλης, Γ. Ευαγγελίδης, Γ. Παπαδόπουλος, Μ. Σατρατζέµη,. Ψύλλος (επιµ.) Οι τεχνολογίες της πληροφορίας και των επικοινωνιών στην ελληνική εκπαίδευση: απολογισµός και προοπτικές, , Θεσσαλονίκη ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 331

344 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Τζιµογιάννης, Α και Μικρόπουλος, Τ.Α. (2000), Η χρήση των προσοµοιώσεων πειραµάτων στη διδασκαλία της Φυσικής: η έννοια της επιτάχυνσης, Σύγχρονη Εκπαίδευση, 112, Τζιµογιάννης, Α. και Μικρόπουλος, Τ. Α. (1998), Η συµβολή των προσοµοιώσεων στη διδασκαλία της κινηµατικής, στο Π. Κουµαράς, Π. Καριώτογλου, Β. Τσελφές,. Ψύλλος (επιµ.) Πρακτικά 1ου Πανελλήνιου Συνεδρίου ιδακτικής Φυσικών Επιστηµών και Εφαρµογής Νέων Τεχνολογιών στην Εκπαίδευση, , Θεσσαλονίκη. Τσελφές, Β. (2002). οκιµή και πλάνη: Το εργαστήριο στη διδασκαλία των ΦΕ, Αθήνα:Νήσος. Ψύλλος,., Μπισδικιάν, Γ. (2004). Τεχνολογίες Πληροφόρησης στο διερευνητικό εργαστήριο Φυσικών Επιστηµών. Στο Βλαχάβας Ι. κ.ά. (επιµ.) Οι Τεχνολογίες Πληροφορίας και Επικοινωνιών στην Ελληνική Εκπαίδευση: Απολογισµός και Προοπτικές, Θεσσαλονίκη: Εκδόσεις Πανεπιστηµίου Μακεδονίας. Ψύλλος,. (2007). Μοντέλα και κόσµοι στους εικονικούς χώρους. Πρακτικά 5ου Συνεδρίου: ιδακτική Φυσικών Επιστηµών και Νέες Τεχνολογίες στην Εκπαίδευση, 5 (Α), [ 332

345 Ι. Λεύκος 2011 Παράρτηµα Ι: Αρχικό ερωτηµατολόγιο ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 333

346 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ G1. Ένα ζεστό µπουκάλι νερό, τοποθετείται µέσα σε ψυγείο για να κρυώσει. Ποια πιστεύεις ότι είναι η γραφική παράσταση που αντιστοιχεί στην αλλαγή της θερµοκρασίας του σε σχέση µε το χρόνο; ιάλεξε µια από τις παρακάτω, βάζοντάς την σε κύκλο: i) θ ii) θ iii) θ iv) θ t t t t Κ5. Βάζω µια ποσότητα κρύου νερού από το ψυγείο, σε ένα ποτήρι. - Τι πιστεύεις ότι θα συµβεί αν µια ζεστή καλοκαιρινή µέρα αφήσουµε το ποτήρι πάνω στο τραπέζι της κουζίνας; - Ποια θα είναι η θερµοκρασία του νερού µετά από αρκετή ώρα; (Σηµείωσέ την στο παρακάτω σχήµα χρωµατίζοντας το θερµόµετρο) Στην αρχή Μετά από αρκετή ώρα.. Περιβάλλον Νερό Νερό 334

347 Ι. Λεύκος 2011 G2. Μπορείς να σχεδιάσεις την γραφική παράσταση της µεταβολής της 0 θερµοκρασίας του νερού που αφήσαµε έξω από το ψυγείο µε το χρόνο; K1. Έστω δυο ίσες ποσότητες νερού σε δύο µικρά δοχεία Α και Β. Στο ένα δοχείο το νερό είναι κρύο και στο άλλο δοχείο, ζεστό. Τι πιστεύεις ότι θα συµβεί αν ανακατέψουµε τις δυο αυτές ποσότητες νερού, σε ένα µεγαλύτερο δοχείο Γ; Β ; Α A B Γ Γ ; ζεστό κρύο άδειο - Ποια θα είναι η θερµοκρασία του νερού στο δοχείο Γ; (Σηµείωσέ την στο παρακάτω σχήµα χρωµατίζοντας το θερµόµετρο) ; οχείο Α οχείο Β οχείο Γ ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 335

348 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ K2. Έστω δυο ποσότητες νερού σε δύο δοχεία που τοποθετήσαµε το ένα µέσα στο άλλο. Στο εξωτερικό δοχείο Β το νερό είναι κρύο και πολύ περισσότερο από ότι στο εσωτερικό δοχείο Α, που έχει ζεστό νερό. B A ; ζεστό κρύο - Τι πιστεύεις ότι θα συµβεί µετά από αρκετή ώρα, οι θερµοκρασίες τους θα έχουν αλλάξει; - Γιατί ; - Ποια θα είναι η θερµοκρασία του νερού στα δοχεία Α και Β µετά από αρκετή ώρα αφότου τα τοποθέτησα το ένα µέσα στο άλλο; (Σηµείωσέ την στο παρακάτω σχήµα χρωµατίζοντας τα θερµόµετρα) Στην αρχή Μετά από αρκετή ώρα.. ; οχείο Α οχείο Β οχείο Α οχείο Β K3-E1. Ο Βασίλης ισχυρίζεται ότι το γάλα ζεσταίνεται στο «µατάκι» της κουζίνας πιο εύκολα από ότι το νερό. - Εσείς τι νοµίζετε; Το νερό πιο εύκολα Το ίδιο Το γάλα πιο εύκολα - Πώς θα βρείτε ποιο είναι το σωστό; Μπορείτε να κάνετε ένα πείραµα ; Τι θα χρειαστείτε για το πείραµά σας; Τι ακριβώς θα κάνετε; Πώς θα αποφασίσετε αν ο Βασίλης έχει δίκαιο ή όχι; 336

349 Ι. Λεύκος 2011 K4. Ο Κώστας αποφάσισε να γίνει ένας µικρός επιστήµονας. Πήρε λοιπόν ένα θερµόµετρο και άρχισε να µετράει τη θερµοκρασία διαφόρων αντικειµένων. Στο σαλόνι τους µέτρησε τα παρακάτω αντικείµενα. Τι θερµοκρασίες πιστεύεις ότι βρήκε, ένα πρωί που το θερµόµετρο στον τοίχο δείχνει 25 ο C ;. o C. o C. o C. o C. o C. o C K6a. Στο µάθηµα της Τεχνολογίας οι µαθητές έφτιαξαν σε µικρογραφία ένα αυτοκίνητο-ψυγείο σαν αυτά που µεταφέρουν κρέατα ή ψάρια. εν µπορούν να αποφασίσουν όµως τι χρώµα να το βάψουν. Ποια είναι η δική σας πρόταση: Α. Να το βάψουν άσπρο Β. Να το βάψουν ότι χρώµα νοµίζουν πως του πάει. Γ. Να το βάψουν µαύρο Γιατί K6b. Μια άλλη οµάδα, έφτιαξε για το µάθηµα της Τεχνολογίας, ένα σύστηµα κεντρικής θέρµανσης σε µικρογραφία. εν µπορούν να αποφασίσουν επίσης τι χρώµα να βάψουν τα σώµατα (καλοριφέρ). Ποια είναι η δική σας πρόταση: Α. Να τα βάψουν άσπρα Β. Να τα βάψουν ότι χρώµα νοµίζουν πως ταιριάζει µε τα έπιπλα. Γ. Να τα βάψουν µαύρα Γιατί ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 337

350 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ 338

351 Ι. Λεύκος 2011 Παράρτηµα ΙΙ: Τελικό ερωτηµατολόγιο ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 339

352 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΤΕΛΙΚΟ ΕΡΩΤΗΜΑΤΟΛΟΓΙΟ Επιτέλους τέλος!!!!!!!! ΟΝΟΜΑ: Τ1. Τι γνωρίζεις για τη διάδοση θερµότητας µε αγωγή, µε ακτινοβολία; Τ2. Ποια είναι η εξίσωση θερµιδοµετρίας; Κ4. Ο Αντώνης, πήρε ένα θερµόµετρο και άρχισε να µετράει τη θερµοκρασία διαφόρων αντικειµένων. Στο σαλόνι τους µέτρησε τα παρακάτω αντικείµενα: Ένα υφασµάτινο καπέλο Ένα µεταλλικό κλειδί Ένα ζευγάρι γούνινες παντόφλες Τι θερµοκρασίες πιστεύεις ότι βρήκε, ένα πρωί που το θερµόµετρο στον τοίχο δείχνει 25 ο C ;. o C. o C. o C K8-G25. Υπάρχουν φούρνοι µεγάλοι σαν δωµάτια, που χρησιµοποιούνται για την βαφή µεταλλικών αντικειµένων. Σε ένα τέτοιο δωµάτιο η θερµοκρασία µπορεί να φτάσει τους 130 o C. Τι θα συµβεί αν µέσα σε ένα τέτοιο «δωµάτιο» ξεχάσουµε ένα ποτήρι µε νερό; Σχεδίασε την γραφική παράσταση

353 Ι. Λεύκος 2011 K2. Έστω δυο ποσότητες νερού σε δύο δοχεία. Στο δοχείο Α το νερό είναι κρύο και πολύ περισσότερο από το δοχείο Β, που έχει ζεστό νερό. Τι πιστεύεις ότι θα συµβεί αν τοποθετήσουµε το ένα δοχείο µέσα στο άλλο και τα αφήσουµε να αλληλεπιδράσουν; Ποιες θα είναι στο τέλος οι θερµοκρασίες του νερού στα δοχεία; Σχηµατοποίησε την άποψή σου στο παρακάτω διάγραµµα: Στην αρχή Ενδιάµεσα Στο τέλος.. Πότε; Συµπλήρωσε τον πίνακα: Μεταφέρεται Θερµότητα Προς τα πού; Πώς; Πόσο; G22. Αν κάνουµε το πείραµα της προηγούµενης ερώτησης, πώς πιστεύεις ότι θα είναι το διάγραµµα θερµοκρασίας-χρόνου, από την αλληλεπίδραση των δυο σωµάτων Α και Β; Σχεδίασέ το στο παρακάτω σχήµα ΚΕΦ V: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 341

354 Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ K3. Έστω µια ποσότητα κρύου νερού σε ένα δοχείο Α και ένας ζεστός σιδερένιος κύβος Β. που έχει την ίδια µάζα µε το νερό. Τι πιστεύεις ότι θα συµβεί αν ρίξουµε το νερό και τον σιδερένιο κύβο µέσα σε ένα άλλο δοχείο και τα αφήσουµε να αλληλεπιδράσουν; Σχηµατοποίησε την άποψή σου για το φαινόµενο στο παρακάτω διάγραµµα: Στην αρχή Ενδιάµεσα Στο τέλος.. Πού θα βρίσκεται η τελική θερµοκρασία σε σχέση µε τις αρχικές;. Γιατί; G2.3. Αν κάνουµε το πείραµα της προηγούµενης ερώτησης πώς πιστεύεις ότι θα είναι το διάγραµµα θερµοκρασίας-χρόνου, από την αλληλεπίδραση των δυο σωµάτων; Σχεδίασέ το στο παρακάτω σχήµα.... K5. Έστω ένας πολύ ζεστός µεταλλικός κύβος που αφήνουµε σε ένα πιο κρύο δωµάτιο. Τι πιστεύεις ότι θα συµβεί; Σχηµατοποίησε την άποψή σου στο παρακάτω διάγραµµα: 342