ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΟΛΟΓΙΚΕΣ ΥΣΚΟΛΙΕΣ ΠΟΥ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΖΟΥΝ ΠΡΟΥΠΗΡΕΣΙΑΚΟΙ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟΙ ΟΤΑΝ ΑΝΑΠΤΥΣΣΟΥΝ ΜΟΝΤΕΛΑ ΓΙΑ ΤΙΣ ΦΑΣΕΙΣ ΤΗΣ ΣΕΛΗΝΗΣ

Επιστηµολογικές υσκολίες Προϋπηρεσιακών Εκπαιδευτικών ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΟΛΟΓΙΚΕΣ ΥΣΚΟΛΙΕΣ ΠΟΥ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΖΟΥΝ ΠΡΟΥΠΗΡΕΣΙΑΚΟΙ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟΙ ΟΤΑΝ ΑΝΑΠΤΥΣΣΟΥΝ ΜΟΝΤΕΛΑ ΓΙΑ ΤΙΣ ΦΑΣΕΙΣ ΤΗΣ ΣΕΛΗΝΗΣ Χριστιάνα Θ. Νικολάου, Κωνσταντίνος Π. Κωνσταντίνου Ερευνητική Οµάδα Μάθησης στις Φυσικές και Περιβαλλοντικές Επιστήµες Πανεπιστήµιο Κύπρου ΠΕΡΙΛΗΨΗ Το παρόν άρθρο αποτελεί µέρος µιας συνεχιζόµενης έρευνας µε την οποία αποσκοπούµε στη διερεύνηση των δυσκολιών που αντιµετωπίζουν οι προπτυχιακοί εκπαιδευτικοί στην προσπάθειά τους να οικοδοµήσουν µοντέλα για τις φάσεις της σελήνης. Η έρευνα έλαβε χώρα στο πλαίσιο του µαθήµατος ΕΠΑ 477 «Πληροφορική Υποστήριξη για τη ιδασκαλία των Φυσικών Επιστηµών» κατά το εαρινό εξάµηνο 2004 στο Πανεπιστήµιο Κύπρου. Το δείγµα της έρευνας αποτέλεσαν 20 φοιτητές ηµοτικής Εκπαίδευσης. Η συλλογή δεδοµένων έγινε µέσα από µια σειρά ειδικά διαµορφωµένων διαγνωστικών δοκιµίων που δόθηκαν πριν, κατά και µετά τη διδασκαλία αλλά και µέσα από τα στοχαστικά ηµερολόγια που συµπλήρωναν οι φοιτητές µετά από κάθε µάθηµα. Η ανάλυση των αποτελεσµάτων υπέδειξε µία σειρά από δυσκολίες οι οποίες οργανώθηκαν σε επιστηµολογικές, συλλογιστικές και παιδαγωγικές. Υπάρχουν ενδείξεις ότι οι δυσκολίες δυσχεραίνουν τις µαθησιακές προσπάθειες των φοιτητών και η υπέρβασή τους προυποθέτει ειδικές διδακτικές δραστηριότητες ή στρατηγικές. Λόγω περιορισµού στο χώρο στο παρόν άρθρο αναλύονται µόνο οι επιστηµολογικές δυσκολίες που εντοπίστηκαν. 1. Εισαγωγή Η µοντελοποίηση αποτελεί µία από τις βασικές διεργασίες των φυσικών επιστηµών (Boulter, 2000; Gilbert, 1991). Ένα µοντέλο αποτελεί µία αναπαράσταση που ικανοποιεί τρεις προδιαγραφές: (α) προσφέρει µία περιγραφή πτυχών του φαινοµένου που µοντελοποιεί, (β) αποκαλύπτει ένα µηχανισµό που στηρίζει πιθανές εξηγήσεις για το φαινόµενο, και (γ) µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τη διενέργεια προβλέψεων σε σχέση µε ενδεχόµενες µεταβολές στο σύστηµα. Επιπρόσθετα, ένα µοντέλο µπορεί να αποτελεί το αποτέλεσµα της εφαρµογής ενός θεωρητικού πλαισίου για την ανάλυση ενός συγκεκριµένου φαινοµένου. Η µάθηση και η διδασκαλία µέσω διεργασιών µοντελοποίησης πρέπει να στηρίζεται σε και να προωθεί µία σειρά κρίσιµων στοιχείων όπως: (α) την ικανότητα περιγραφής ενός φαινοµένου και δηµιουργίας µίας δυναµικής αναπαράστασης που να ικανοποιεί τις τρεις προδιαγραφές που προαναφέρθηκαν, (β) την ικανότητα σύγκρισης του µοντέλου 299

Χρ. Θ. Νικολάου & Κ. Π. Κωνσταντίνου µε την αντίστοιχη κλάση φαινοµένων, και (γ) την ικανότητα εφαρµογής σταδιακών ρυθµίσεων στο µοντέλο µε σκοπό τη βελτίωση. 2. Θεωρητικό πλαίσιο εξιότητες µοντελοποίησης Η µοντελοποίηση αποτελεί µία δεξιότητα συλλογισµού, η οποία αναφέρεται στην ικανότητα ανάπτυξης και βελτίωσης µοντέλων για ένα φαινόµενο, µία διαδικασία ή ένα γεγονός, κυρίως όταν εφαρµόζονται οι σχεδιαστικές αρχές µίας θεωρίας (Constantinou, 1999; Hestenes, 1987; Papadouris & Constantinou, 2001). H διαδικασία της µοντελοποίησης είναι επαναληπτική σε σχέση µε το ότι περιλαµβάνει συνεχή σύγκριση του µοντέλου µε το αντίστοιχο φυσικό σύστηµα για σκοπούς ανατροφοδότησης για τη βελτίωση του µοντέλου, ώστε αυτό να αναπαριστά µε µεγαλύτερη ακρίβεια όσο το δυνατό περισσότερα στοιχεία του συστήµατος (Stratford et al., 1998). Είναι, επίσης, κυκλική σε σχέση µε το ότι περιλαµβάνει δηµιουργία µοντέλων διαφόρων µορφών και πολυπλοκότητας, µέχρι να βρεθεί αυτό που αποδίδει επιτυχηµένα την παρατηρούµενη συµπεριφορά του συστήµατος. Συνεπώς, η ανάπτυξη της δεξιότητας της µοντελοποίησης επέρχεται µέσα από την εφαρµογή µίας κυκλικής διαδικασίας, που εµπλέκει τον µανθάνοντα στη διαδικασία της κατασκευής και της βελτιωτικής ρύθµισης του υπό κατασκευή µοντέλου. Σε σχέση µε αυτή τη διεργασία έχει κωδικοποιηθεί ο «µαθησιακός κύκλος της µοντελοποίησης» (Constantinou, 1999). Ο κύκλος της µοντελοποίησης οργανώνεται σε δύο κύρια στάδια. Το πρώτο στάδιο περιλαµβάνει τη δηµιουργία ενός εννοιολογικού µοντέλου για το φυσικό φαινόµενο, και τη µελέτη του φυσικού φαινόµενου µέσω συστηµατικών παρατηρήσεων και συλλογής πληροφοριών από τον πραγµατικό κόσµο. Το δεύτερο στάδιο, στηρίζεται στην οικοδόµηση ενός βελτιωµένου µοντέλου που θα αναπαριστά τις πληροφορίες αυτές και θα ερµηνεύει τις παρατηρήσεις. Η επιστηµολογία των µοντέλων συνδέεται µε τη φύση της επιστήµης, και αποτελεί κεντρική συνιστώσα του επιστηµονικού αλφαβητισµού (Bianchini & Colburn, 2002; Sandoval, 2003). Η ανάπτυξη της επιστηµολογικής επάρκειας αποτελεί ένα θέµα το οποίο εξακολουθεί να απασχολεί την έρευνα στη ιδακτική των Φυσικών Επιστηµών. Οι ιδέες των εκπαιδευτικών για τα µοντέλα και τη µοντελοποίηση Οι εκπαιδευτικοί φυσικών επιστηµών, ενδο- και προ-ϋπηρεσιακοί, κατέχουν συνήθως µη επιστηµονική και όχι ισχυρή γνώση για τα µοντέλα και τη µοντελοποίηση στις φυσικές επιστήµες (Crawford, 2004; Gilbert, 1991; Grosslight et al., 1991; Harrison, 2001; Justi & Gilbert, 2002; Van Driel & Verloop, 1999, 2002). Η έρευνα των Van Driel & Verloop (1999) υπέδειξε ότι η γνώση των εκπαιδευτικών για τα µοντέλα και τη µοντελοποίηση περιλαµβάνει ασυνέπειες και προβλήµατα. Για παράδειγµα, όταν ζητήθηκε από τους εκπαιδευτικούς να αναγνωρίσουν τα µοντέλα ανάµεσα σε διαφορετικές αναπαραστάσεις (π.χ. παιχνίδι αυτοκινήτου, φωτογραφία ενός σπιτιού, ο νόµος του Ohm, ένα µόριο νερού) οι περισσότεροι από αυτούς απέρριψαν 300

Επιστηµολογικές υσκολίες Προϋπηρεσιακών Εκπαιδευτικών σχεδόν όλες τις αναπαραστάσεις γιατί δεν φάνηκε να εκτιµούν την ικανότητά τους να εξηγούν το φαινόµενο. Γενικά, φάνηκε ότι οι εκπαιδευτικοί δίνουν έµφαση στην επεξηγηµατική και στην περιγραφική λειτουργία των µοντέλων, και όχι στην προβλεπτική λειτουργία τους ή στη λειτουργία που αφορά στην εξαγωγή πληροφοριών για το φαινόµενο που αυτά αναπαριστούν. Η δουλειά των Grosslight et al. (1991) έχει επηρεάσει την ερευνητική περιοχή που σχετίζεται µε τις ιδέες φοιτητών για τη µοντελοποίηση. Οι ερευνητές προσδιόρισαν τρία γενικά επίπεδα σε σχέση µε τη γνώση για τα µοντέλα, τα οποία διαφέρουν στον τρόπο που το καθένα περιγράφει τη σχέση των µοντέλων µε την πραγµατικότητα και το ρόλο που διαδραµατίζουν οι ιδέες σε σχέση µε τα µοντέλα. Στο πρώτο επίπεδο πιστεύεται ότι τα µοντέλα είναι είτε παιχνίδια είτε ακριβή αντίγραφα της πραγµατικότητας. Κάποια άτοµα αναγνωρίζουν ότι µέρος του φαινοµένου µπορεί να µην αναπαρίσταται από το µοντέλο, αλλά δεν παρέχουν εξήγηση του συλλογισµού τους. Στο δεύτερο επίπεδο τα άτοµα υποστηρίζουν ότι υπάρχει ξεκάθαρος σκοπός για την οικοδόµηση ενός µοντέλου. Πιστεύουν επίσης ότι οι ιδέες του κατασκευαστή του µοντέλου είναι σηµαντικές, µια και αυτός/ή κάνει συνειδητές επιλογές σε σχέση µε τον τρόπο που θα επιτευχθεί ο σκοπός που τέθηκε. Πιστεύεται επίσης ότι το µοντέλο δεν αποτελεί αντίγραφο της πραγµατικότητας. Παρόλα αυτά, τα άτοµα εξακολουθούν να εστιάζουν στο µοντέλο και στην πραγµατικότητα και όχι στις ιδέες που απεικονίζονται. Σε αυτό το επίπεδο, ο έλεγχος του µοντέλου ταυτίζεται µε τον έλεγχο της λειτουργίας του µοντέλου παρά µε τον έλεγχο των συνεπαγόµενων ιδεών. Στο τρίτο επίπεδο πιστεύεται ότι ένα µοντέλο εξυπηρετεί ως εργαλείο ανάπτυξης και ελέγχου ιδεών. Ο κατασκευαστής λαµβάνει ενεργό ρόλο στην οικοδόµηση του µοντέλου και αξιολογεί τη διαδικασία σε σχέση µε το σκοπό του µοντέλου. Τα µοντέλα υπόκεινται σε ελέγχους και αυτός είναι ο λόγος που η µοντελοποίηση αποτελεί µία κυκλική διεργασία. Επιπρόσθετα, ο Gilbert (1991) µελέτησε τις ιδέες των φοιτητών από µία διαφορετική προοπτική. Πρότεινε ένα νέο ορισµό για τις φυσικές επιστήµες, σύµφωνα µε τον οποίο οι φυσικές επιστήµες µπορεί να θεωρηθούν ως µία διαδικασία οικοδόµησης προβλεπτικών εννοιολογικών µοντέλων. Για να υποστηρίξει αυτή την ιδέα διενήργησε συνεντεύξεις µε φοιτητές, τα αποτελέσµατα των οποίων υπέδειξαν την ανάγκη αποδοχής του νέου αυτού ορισµού για τις φυσικές επιστήµες. Για παράδειγµα, στην έρευνά του, φάνηκε ότι οι φοιτητές θεωρούν την επιστηµονική γνώση µη τεχνητή, αλλά αντιλαµβάνονται ένα µοντέλο ως τεχνητή αναπαράσταση. Ο ερευνητής προτείνει όπως ο λειτουργικός ορισµός των φυσικών επιστηµών ως το σύνολο των διεργασιών οικοδόµησης µοντέλων θα βοηθήσει τους φοιτητές να κατανοήσουν ότι η γνώση είναι ανθρώπινο οικοδόµηµα, και συνεπώς τεχνητή. 301

Χρ. Θ. Νικολάου & Κ. Π. Κωνσταντίνου 3. Μεθοδολογία είγµα Το δείγµα της έρευνας αποτέλεσαν 20 τεταρτοετείς προϋπηρεσιακοί εκπαιδευτικοί δηµοτικής εκπαίδευσης του Τµήµατος Επιστηµών της Αγωγής που παρακολούθησαν το µάθηµα ΕΠΑ 477 «Πληροφορική Υποστήριξη για τη ιδασκαλία των Φυσικών Επιστηµών» κατά το εαρινό εξάµηνο 2004 στο Πανεπιστήµιο Κύπρου. Μέσα συλλογής δεδοµένων Τα µέσα συλλογής δεδοµένων για την παρούσα έρευνα αποτέλεσαν: 1) Μία σειρά από ειδικά διαµορφωµένα διαγνωστικά δοκίµια, που χορηγήθηκαν στους εκπαιδευτικούς πριν και µετά τη διδασκαλία. Τα δοκίµια αξιολογούσαν έξι πτυχές της δεξιότητας της µοντελοποίησης: (α) την οικοδόµηση µοντέλου (Hestenes, 1987; Justi & Gilbert, 2002; Van Driel & Verloop, 1999), (β) τη βελτιωτική ρύθµιση µοντέλου (Clement, 1989, 1993; Hestenes, 1987; Justi & Gilbert, 2002; Steward & Hafner, 1991; Van Driel & Verloop, 1999), (γ) την εξαγωγή πληροφοριών από δοσµένο µοντέλο (Van Driel & Verloop, 1999), (δ) τη σύγκριση διαφορετικών µοντέλων του ίδιου φαινοµένου (Stratford et al., 1998; Wu et al., 2001), (ε) την εκτίµηση της χρησιµότητας ενός µοντέλου (Justi & Gilbert, 2002), και (στ) την εξέταση της συνέπειας ενός δοσµένου µοντέλου µε όλα τα σχετικά φαινόµενα (Stratford et al., 1998). Τα δοκίµια σχεδιάστηκαν µε τέτοιο τρόπο ώστε να αποµονώνουν την επίδραση της δεξιότητας της µοντελοποίησης από το συγκεκριµένο συγκείµενο (φάσεις της σελήνης). Έτσι, χρησιµοποιήθηκε µία σειρά από άλλα συστήµατα, εκτός των φάσεων της σελήνης, ώστε να εξεταστεί ο βαθµός στον οποίο οι εκπαιδευτικοί µπορούν να εφαρµόζουν αυτά που µαθαίνουν σε νέα άγνωστα συγκείµενα, όπως το κυκλοφοριακό σύστηµα µιας πόλης, τη ζωή ενός µεταξοσκώληκα, τη λειτουργία του αγκώνα, τη ζωή σε µια µυρµηγκοφωλιά, τη λειτουργία ενός ποδηλάτου κλπ. Τα δεδοµένα που φαίνονται στα αποτελέσµατα της παρούσας εργασίας προέκυψαν από την ανάλυση των προδιαγνωστικών δοκιµίων. 2) Τα ηµερολόγια αναστοχασµού που συµπληρώνονταν ατοµικά από τους φοιτητές µετά από κάθε µάθηµα. Σε αυτά οι εκπαιδευτικοί καλούνταν να σχολιάζουν τις πτυχές του µαθήµατος που θεωρούσαν αξιόλογες και βοηθητικές για τη δική τους µαθησιακή εµπειρία, να σχεδιάσουν τα επόµενα βήµατα της δουλειάς τους και να συσχετίζουν το µάθηµα µε σχετικές θεωρητικές προοπτικές και διδακτικές πρακτικές. Ανάλυση δεδοµένων Για την ανάλυση των δεδοµένων που προέκυψαν από τα διαγνωστικά δοκίµια (προπειραµατικά και µεταπειραµατικά), χρησιµοποιήθηκε η φαινοµενογραφική προσέγγιση (Bowden et al., 1992; Marton, 1981; Smith et al., 1995). Η 302

Επιστηµολογικές υσκολίες Προϋπηρεσιακών Εκπαιδευτικών φαινοµενογραφία εστιάζει στο πώς οι άνθρωποι βιώνουν, κατανοούν και αποδίδουν νόηµα σε µια συγκεκριµένη κατάσταση ή φαινόµενο. Αποτέλεσµα µιας φαινοµενογραφικής ανάλυσης είναι ένα σύνολο λογικά συσχετιζόµενων κατηγοριώναντιλήψεων για το υπό µελέτη φαινόµενο. Συνήθως, οι κατηγορίες δηµιουργούνται σε σχέση µε το περιεχόµενο και το επίπεδο επιστηµονικότητάς τους και διαφοροποιούνται από τις υπόλοιπες κατηγορίες µε ποιοτικά κριτήρια. Για την ανάλυση των στοχαστικών ηµερολόγιων χρησιµοποιήθηκαν διαδικασίες και τεχνικές που περιγράφει η θεωρία των Glaser και Strauss (Grounded Theory Techniques). Αυτή η µεθοδολογία προσφέρει τα ποιοτικά µέσα για κατανόηση και αξιολόγηση της σκέψης των υποκειµένων όπως αυτή γίνεται αντιληπτή από τα ίδια τα υποκείµενα. Στην παρούσα έρευνα αυτό έγινε µέσα από (α) τον «τεµαχισµό» των δεδοµένων, (β) την προσπάθεια εντοπισµού νοήµατος στα κοµµάτια και (γ) τη συναρµολόγησή τους χρησιµοποιώντας νέους τρόπους οµαδοποίησης των ιδεών (Strauss & Corbin, 1998). 4. Αποτελέσµατα Η ποιοτική ανάλυση των δεδοµένων αποκάλυψε διάφορες δυσκολίες που αντιµετωπίζουν οι εκπαιδευτικοί σε σχέση µε τις δεξιότητες µοντελοποίησης. Αυτές οι δυσκολίες οργανώθηκαν σε επιστηµολογικές, συλλογιστικές και παιδαγωγικές. Λόγω περιορισµού στο χώρο, θα παρουσιαστούν µόνο παραδείγµατα επιστηµολογικών δυσκολιών. Μέρος των φοιτητών θεωρεί ότι ο αριθµός των πληροφοριών που παρέχει ένα µοντέλο για το φαινόµενο που περιγράφει καθορίζει τη χρησιµότητά του. Συγκεκριµένα, θεωρούν ότι το µοντέλο αποτελεί µια απλή αναπαράσταση ενός φαινοµένου που περιέχει µεγάλο αριθµό πληροφοριών. Για παράδειγµα, όταν οι φοιτητές κλήθηκαν να συγκρίνουν τέσσερα διαφορετικά µοντέλα (ένα σχέδιο, µια κατασκευή από πλαστελίνη, ένα πρόγραµµα στον ηλεκτρονικό υπολογιστή, µια φωτογραφία) για τη λειτουργία µιας µυρµηγκοφωλιάς, µία φοιτήτρια ανάφερε τα εξής: «Ο ηλεκτρονικός υπολογιστής σου παρουσιάζει πολύ περισσότερες πληροφορίες από ότι αν παρατηρήσεις το φαινόµενο από µια φωτογραφία.» Αυτή η δυσκολία σχετίζεται µε το ότι οι φοιτητές δεν αντιλαµβάνονται ότι η εγκυρότητα ενός µοντέλου κρίνεται από το βαθµό στον οποίο αυτό έχει τη δυνατότητα να αναπαράγει τις παρατηρήσεις, να τις εξηγεί και να προβλέπει νέες παρατηρήσεις. Αντίθετα, θεωρούν ότι η εγκυρότητα ενός µοντέλου καθορίζεται (και) από τον αριθµό των πληροφοριών που αυτό παρουσιάζει σε σχέση µε το φαινόµενο. Επιπλέον, οι φοιτητές τείνουν να πιστεύουν ότι για να µπορέσει κάποιος να αναπτύξει ένα καλό µοντέλο ενός φαινοµένου πρέπει να έχει πλήρη κατανόηση σε σχέση µε αυτό. Μία φοιτήτρια ανάφερε χαρακτηριστικά: «Είµαι πάρα πολύ µπερδεµένη γιατί καλούµαστε να ετοιµάσουµε µοντέλο για ένα φαινόµενο (φάσεις της σελήνης) το οποίο δεν είµαστε σίγουροι πώς ακριβώς γίνεται. Γνωρίζουµε την απλή του όψη.» Η ίδια 303

Χρ. Θ. Νικολάου & Κ. Π. Κωνσταντίνου φοιτήτρια σε επόµενη φάση του µαθήµατος έγραψε στο ηµερολόγιό της τα εξής: «Καλό θα ήταν να υπήρχαν στο υλικό του µαθήµατος αξιόπιστες πηγές για τα θέµατα που µας απασχόλησαν». Επιπλέον, οι φοιτητές θεωρούν ότι η ύπαρξη εξωτερικής επιβεβαίωσης για την ορθότητα ή όχι του µοντέλου, κατά προτίµηση από ειδικούς, ενισχύει την ετοιµότητα του ατόµου να κατασκευάσει ένα µοντέλο: «Πιστεύω ότι για τα θέµατα αυτά που δεν είµαστε σίγουροι για την απάντηση, γιατί υπάρχουν πολλές αµφιβολίες, θα πρέπει να δίνονται οι απαντήσεις, να γίνεται δηλαδή ένα είδος διόρθωσης από την εκπαιδευτικό. Με αυτό τον τρόπο δε θα δηµιουργούνται διάφορες παρανοήσεις και έτσι θα κατασκευάσουµε το σωστό µοντέλο». Αυτή η επιστηµολογική δυσκολία σχετίζεται µε το γεγονός ότι οι φοιτητές δεν αντιλαµβάνονται την ανάπτυξη ενός µοντέλου ως µια διαδικασία οικοδόµησης νοήµατος και γνώσης, αλλά ως του τρόπου εποπτικοποίησης της γνώσης τους για το συγκεκριµένο φαινόµενο (Greca & Moreira, 2000). Αυτή η δυσκολία εµφανίζεται επίσης στα αποτελέσµατα των Howland & Moore (2002), που εντόπισαν ότι πολλοί µαθητές ανάµεναν από τον εκπαιδευτικό να τους «διδάξει» όλο το περιεχόµενο και τις δοµές ενός φαινόµενου ώστε να νιώσουν άνετα µε τη µάθησή τους. Περαιτέρω, σε σχέση µε τη διαδικασία κατασκευής µοντέλου, φαίνεται ότι οι φοιτητές τείνουν να δίνουν περισσότερη έµφαση στη συµπερίληψη αντικειµένων παρά µεταβλητών στα µοντέλα που αναπτύσσουν. Αυτή η δυσκολία πιθανό να οφείλεται στο γεγονός ότι οι φοιτητές δυσκολεύονται να κατανοήσουν ότι ένα µοντέλο αλλάζει στο χρόνο, άρα το θεωρούν ως ένα στιγµιότυπο του φαινοµένου που αναπαριστά. Με αυτή τη δυσκολία φαίνεται να σχετίζεται και η δυσκολία που παρουσιάζουν οι φοιτητές σύµφωνα µε την οποία τείνουν να περιλαµβάνουν σε αυτό αλληλεπιδράσεις µεταξύ αντικειµένων του µοντέλου πολύ συχνότερα σε σχέση µε άλλου είδους αλληλεπιδράσεις, όπως για παράδειγµα αλληλεπιδράσεις µεταξύ µεταβλητών, µεταξύ αντικειµένων και µεταβλητών, διαδικασιών κλπ. Για παράδειγµα, στο διάγραµµα 1 φαίνεται το µοντέλο µιας φοιτήτριας για το κυκλοφοριακό σύστηµα µιας πόλης. Η φοιτήτρια τοποθέτησε στο µοντέλο πολλά αντικείµενα (κτίρια, φώτα τροχαίας, διαβάσεις πεζών, κυκλικό κόµβο, αδιέξοδα) και µόνο µία µεταβλητή, πλατιούς και στενούς δρόµους. 304

Επιστηµολογικές υσκολίες Προϋπηρεσιακών Εκπαιδευτικών ιάγραµµα 1 Μοντέλο κυκλοφοριακού συστήµατος Μια άλλη επιστηµολογική δυσκολία αφορά στο γεγονός ότι οι φοιτητές τείνουν να πιστεύουν ότι η δεξιότητα της παρατήρησης δε σχετίζεται µε τη διαδικασία µοντελοποίησης. Το διδακτικό υλικό, το οποίο στήριζε τους φοιτητές για να αναπτύξουν δεξιότητες µοντελοποίησης, παρείχε στους φοιτητές έτοιµες παρατηρήσεις της σελήνης για µία µέρα, µία βδοµάδα και ένα µήνα. Μετά από αυτό, ένας φοιτητής ανάφερε τα ακόλουθα στο ηµερολόγιό του: «Είναι ενδιαφέρουσα, αλλά κάπως αχρείαστη η ενασχόληση µας µε δεδοµένα αστρονοµίας για τις φάσεις της σελήνης. Ακόµα δεν είµαι σε θέση να κατανοήσω πώς η διαδικασία αυτή θα οδηγήσει στην κατασκευή µοντέλων φυσικών φαινοµένων και σε τι αποσκοπεί η όλη διαδικασία τελικά.» Φαίνεται, λοιπόν, ότι ο φοιτητής δεν κατανοεί ότι το πρώτο στάδιο στη διαδικασία ανάπτυξης ενός µοντέλου είναι η συλλογή δεδοµένων µέσα από άµεσες ή έµµεσες παρατηρήσεις. Αυτή η επιστηµολογική δυσκολία που αντιµετωπίζουν οι φοιτητές όταν αναπτύσσουν ένα µοντέλο, σχετίζεται µε τη φύση του µαθησιακού κύκλου της µοντελοποίησης. Πιο συγκεκριµένα, οι φοιτητές θεωρούν ότι η παρατήρηση δε σχετίζεται µε τη διαδικασία µοντελοποίησης και τείνουν να αντιλαµβάνονται τη διαδικασία αυτή ως ένα µηχανισµό εποπτικοποίησης του φαινοµένου παρά ως µια διαδικασία οικοδόµησης νοήµατος. Τείνουν επίσης να κωδικοποιούν τη µοντελοποίηση ως µια διεργασία αποκλειστικά παραγωγικού συλλογισµού χωρίς επαγωγικές πτυχές. Επιπρόσθετα, σε ένα από τα διαγνωστικά δοκίµια οι φοιτητές κλήθηκαν να συγκρίνουν τέσσερα διαφορετικά µοντέλα (ένα σχέδιο, µία κατασκευή από γύψο και ξυλαράκια, ένα καλαµάκι, και µία κατασκευή µε χαρτόνι και σχοινί) του αγκώνα. Σε αυτό το έργο, το λιγότερο κατάλληλο µοντέλο είναι το σχέδιο. Παρόλα αυτά πριν την παρέµβαση 305

Χρ. Θ. Νικολάου & Κ. Π. Κωνσταντίνου µόνο το 45% των φοιτητών δίνει αυτή την απάντηση. 50% των φοιτητών θεωρεί ότι η κατασκευή από γύψο και ξυλαράκια και 5% το καλαµάκι είναι το λιγότερο κατάλληλο µοντέλο. Η κατασκευή από γύψο και ξυλαράκια δε µοιάζει καθόλου µε το χέρι, αλλά αναπαριστά µε καλύτερο τρόπο τη λειτουργία του χεριού λόγω του ότι είναι τρισδιάστατη κατασκευή (αντίθετα από το σχέδιο), αλλά και γιατί, παρόλο που δεν αναπαριστά την κίνηση του αγκώνα, µπορεί να αναπαραστήσει κίνηση ολόκληρου του χεριού. Οι φοιτητές φαίνεται να παρασύρονται από το γεγονός ότι το σχέδιο θυµίζει µε την πρώτη µατιά το χέρι, ενώ η κατασκευή από γύψο και ξυλαράκια όχι. Φαίνεται, λοιπόν, ότι οι φοιτητές τείνουν να βασίζονται σε επιφανειακά κριτήρια, όπως για παράδειγµα φαινοµενολογικά χαρακτηριστικά ή αισθητικά κριτήρια. Αυτή η αδυναµία των φοιτητών σχετίζεται και πάλι µε το γεγονός ότι δεν κατανοούν τη φύση των µοντέλων, συνεπώς όταν συγκρίνουν µοντέλα δεν εστιάζουν στις διαφορές που πιθανό να υπάρχουν στον τρόπο µε τον οποίο αυτά αναπαριστούν το µηχανισµό λειτουργίας και οργάνωσης των φαινοµένων, αλλά επικεντρώνονται σε επιφανειακά κριτήρια όπως το χρώµα, η γενικότερη εµφάνιση κλπ. Παρόµοια δυσκολία εντοπίστηκε και από τους Van Driel & Verloop (1999), οι οποίοι περιγράφουν ότι, κατά την ενασχόλησή τους µε µοντέλα, οι εκπαιδευτικοί έδιναν έµφαση σε διαφορετικές λειτουργίες των µοντέλων. Ειδικότερα, οι εκπαιδευτικοί σπάνια ανέφεραν κάποιες από τις βασικές λειτουργίες των µοντέλων, όπως τη δυνατότητα πρόβλεψης µε τη χρήση ενός µοντέλου. Mία άλλη επιστηµολογική δυσκολία που παρουσιάζεται όταν οι φοιτητές χειρίζονται µοντέλα αφορά στο ότι δεν αντιλαµβάνονται τη σύγκριση µεταξύ µοντέλου και φαινοµένου ως ένα ουσιαστικό µηχανισµό βελτίωσης του µοντέλου (Van Driel & Verloop, 1999). Αυτή η δυσκολία σχετίζεται µε το ότι οι φοιτητές πιθανό να µην αντιλαµβάνονται ούτε τη φύση των µοντέλων ούτε το γεγονός ότι αυτά βελτιώνονται συνεχώς µετά από σύγκρισή τους µε το φαινόµενο που αναπαριστούν. Τα αποτελέσµατα ενός από τα διαγνωστικά δοκίµια, το οποίο ζητά από τους φοιτητές να εντοπίσουν τι πρέπει να κάνει κάποιος που θέλει να βελτιώσει ένα µοντέλο που αναπτύχθηκε, υποδεικνύουν ότι οι φοιτητές δυσκολεύονται στην αναγνώριση των σταδίων της διαδικασίας βελτίωσης ενός µοντέλου. υσκολεύονται, δηλαδή, να αναγνωρίσουν ότι κατά τη διαδικασία βελτίωσης ενός µοντέλου χρειάζεται να ληφθούν πρόσθετες πληροφορίες, να εντοπιστούν καινούριες σχέσεις και να γίνουν συνεχείς βελτιώσεις. Μόνο 1 από τους 20 φοιτητές ανάφερε ένα από τα στάδια της βελτίωσης του µοντέλου: «χρειάζεται να γίνει λεπτοµερής παρατήρηση της ζωής των µυρµηγκιών µε αναφορά στη χρήση των σπόρων και στον τόπο που τους αποθηκεύουν..». Οι υπόλοιποι φοιτητές είτε ανακαλούν κάποιες από τις γνώσεις που έχουν σε σχέση µε το φαινόµενο (ζωή των µυρµηγκιών) και υποστηρίζουν ότι πρέπει να ενταχθούν στο µοντέλο (14 φοιτητές), είτε δεν αναφέρουν τίποτε σε σχέση µε αυτή την πτυχή (5 φοιτητές). Το 50% των φοιτητών προτείνει καθαρά σχεδιαστικές-προγραµµατιστικές βελτιώσεις του µοντέλου όπως για παράδειγµα «Να βελτιωθούν οι κανόνες του Κώστα σε σχέση µε το µάζεµα των σπόρων» ή «να γίνει η κίνηση των µυρµηγκιών πιο φυσική» Τέλος, κανένας δεν αναφέρεται στο γεγονός ότι η διαδικασία βελτίωσης ενός µοντέλου είναι επαναληπτική µέχρι να προκύψει ένα ικανοποιητικό µοντέλο. 306

Επιστηµολογικές υσκολίες Προϋπηρεσιακών Εκπαιδευτικών Τέλος, ο γραµµικός αιτιακός συλλογισµός τείνει να κυριαρχεί στους συλλογισµούς κάποιων φοιτητών σε βαθµό που αναπαριστούν καταφανώς κυκλικές διεργασίες µε γραµµικά µοντέλα. Αυτή η δυσκολία µπορεί να ενταχθεί είτε στον επιστηµολογικό είτε στο συλλογιστικό τύπο δυσκολιών. Εντάσσεται στον πρώτο τύπο, και συνεπώς σχετίζεται µε την επιστηµολογική επάρκεια των φοιτητών, αν υποθέσουµε ότι αυτοί δεν αντιλαµβάνονται την πολυπλοκότητα που υπάρχει στις αιτιακές σχέσεις, το γεγονός δηλαδή ότι υπάρχουν διαφόρων τύπων αιτιακές σχέσεις (κυκλικές, γραµµικές) (Perkins & Grotzer, 2000). Εντάσσεται στο δεύτερο τύπο, και συνεπώς σχετίζεται µε το επίπεδο ανάπτυξης των συλλογιστικών δεξιοτήτων των φοιτητών, αν υποθέσουµε ότι αυτοί αντιλαµβάνονται την ύπαρξη διαφορετικών τύπων αιτιακών σχέσεων, αλλά δεν µπορούν να εφαρµόσουν στην προκειµένη περίπτωση τον κατάλληλο τύπο συλλογισµού. Εδώ είναι σηµαντικό να αναφερθεί ότι η αποτυχία των φοιτητών σε σχέση µε το γραµµικό συλλογισµό µπορεί να συµβαίνει γιατί πιθανό να µην δόθηκαν στους φοιτητές τα κατάλληλα εργαλεία ή οι τεχνικές ώστε να εκφράσουν κυκλικά τη σκέψη τους. Συγκεκριµένα, σε προπειραµατικό δοκίµιο που αφορά στην κατασκευή ενός σχεδιαστικού µοντέλου της ζωής του µεταξοσκώληκα, το 20% των φοιτητών απέτυχε να αποδώσει το στοιχείο της κυκλικότητας. Το µοντέλο που φαίνεται στο διάγραµµα 2 αποτελεί ένα χαρακτηριστικό παράδειγµα αυτής της κατηγορίας απαντήσεων. 5. Συζήτηση-συµπεράσµατα ιάγραµµα 2 Μοντέλο της ζωής του µεταξοσκώληκα Αυτή η έρευνα υπέδειξε ότι υπάρχουν συγκεκριµένες επιστηµολογικές δυσκολίες σε σχέση µε τη διδακτική αξιοποίηση της προσέγγισης της µοντελοποίησης, τις οποίες αντιµετωπίζουν οι προϋπηρεσιακοί εκπαιδευτικοί, και οι οποίες τείνουν να αποτρέπουν και να εµποδίζουν τη διαδικασία της µάθησης. Αυτές οι δυσκολίες πρέπει να γίνονται ξεκάθαρες και όπου κριθεί αναγκαίο να αντιµετωπίζονται στο µαθησιακό περιβάλλον ώστε να επιτυγχάνεται εννοιολογική αλλαγή. Πολύ συχνά, κατά την εκπαίδευση εκπαιδευτικών οι δυσκολίες γενικότερα και δη οι επιστηµολογικές δυσκολίες δεν εντοπίζονται και συνεπώς παραµένουν στην εννοιολογική οικολογία των µανθάνοντων και επηρεάζουν ή µπορεί και να καθορίσουν τόσο τη µαθησιακή διαδικασία όσο και την επακόλουθη διδακτική πρακτική. Όπως φάνηκε από την ανάλυση των αποτελεσµάτων της παρούσας έρευνας, προκύπτει η ανάγκη αντιµετώπισης των επιστηµολογικών δυσκολιών που αντιµετώπίζουν οι 307

Χρ. Θ. Νικολάου & Κ. Π. Κωνσταντίνου εκπαιδευτικοί. Για να γίνει αυτό θα πρέπει να σχεδιαστεί κατάλληλο διδακτικό υλικό, το οποίο θα στοχεύει στην ανάπτυξη στρατηγικών και δραστηριοτήτων που ενθαρρύνουν τους εκπαιδευτικούς να εκφράζουν τις απόψεις τους. ιαγνωστικά δοκίµια και ηµερολόγια αναστοχασµού µπορούν να συνεισφέρουν στην αποκάλυψη της γνώσης και των δυσκολιών που υπάρχουν. Τα αποτελέσµατα του άρθρου καταδεικνύουν επίσης την ανάγκη της έρευνας για την ανάπτυξη εννοιολογικής κατανόησης και επιστηµονικού συλλογισµού καθώς και άλλες ικανότητες που σχετίζονται στενά µε τη µάθηση στις φυσικές επιστήµες στο πλαίσιο µιας διαδικασίας ενηµέρωσης των προγραµµάτων προετοιµασίας εκπαιδευτικών. Περαιτέρω, στη διδακτική των φυσικών επιστηµών προκύπτει η ανάγκη για έµφαση στις συνδέσεις που χρειάζεται να γίνονται ανάµεσα στις συλλογιστικές δεξιότητες, στις έννοιες και στην επιστηµολογική και διδακτική δοµή του υπό µελέτη θέµατος. Ένα σηµαντικό µέρος της έρευνας στη ιδακτική των Φυσικών Επιστηµών εστίασε παραδοσιακά στον εντοπισµό και στην περιγραφή των εναλλακτικών αντιλήψεων που αναπτύσσουν οι µαθητές τόσο αυθόρµητα όσο και (συχνότερα) ως αποτέλεσµα της παραδοσιακής διδασκαλίας. Είναι σχετικά πρόσφατες οι ερευνητικές προσπάθειες που εστιάζουν στη διερεύνηση της µαθησιακής πορείας και στην εξέλιξη των διεργασιών οικοδόµησης γνώσης. Σε αυτή την κλάση ερευνών η ερµηνεία ποικίλων δυσκολιών που αντιµετωπίζουν οι µανθάνοντες κατά τη µαθησιακή πορεία µας παρέχει χρήσιµη πληροφόρηση σε σχέση µε τη διδακτική επιστήµη και τεχνολογία. Αφενός µας δίνει πρόσβαση στις αιτίες δηµιουργίας εναλλακτικών αντιλήψεων και µας επιτρέπει να δηµιουργήσουµε σχέσεις µεταξύ πτυχών της νόησης και χαρακτηριστικών του µαθησιακού περιβάλλοντος. Αφετέρου µας επιτρέπει να παρεµβάλουµε στην ακολουθία δραστηριοτήτων ειδικά σχεδιασµένες δράσεις µε στόχο την καθοδήγηση των µανθανόντων για υπέρβαση των δυσκολιών που εντοπίζονται. Σε αυτά τα πλαίσια η παρούσα έρευνα φανερώνει χρήσιµες πληροφορίες σε σχέση µε τη διασύνδεση της επιστηµολογικής επάρκειας, των διεργασιών µοντελοποίησης και των προσπαθειών µελλοντικών εκπαιδευτικών να αξιοποιήσουν τη µοντελοποίηση ως ένα πρότυπο διδασκαλίας και µάθησης. 6. Ευχαριστίες Η παρούσα έρευνα έχει τύχει στήριξης στο πλαίσιο του ερευνητικού προγράµµατος ODISEAME το οποίο χρηµατοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή στο πλαίσιο του προγράµµατος EUMEDIS (αριθµός συµβολαίου EUMEDIS B7-4100/2000/2165-79 P546) 308

Επιστηµολογικές υσκολίες Προϋπηρεσιακών Εκπαιδευτικών ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Bianchini, J. A., & Colburn, A. (2002). Teaching the nature of science through inquiry to prospective elementary teachers: A tale of two researchers. Journal of Research in Science Teaching, 37(2), 177-209. Boulter, C. J. (2000). Language, models and modelling in the primary science classroom. In J. Gilbert & C. J. Boulter (Eds.), Developing models in science education (pp. 289 305). Dordrecht/Boston/London: Kluwer Academic Publishers. Bowden, J., Dall Alba, G., Martin, E., Laurillard, D., Marton, F., Masters, G., et al. (1992). Displacement, velocity and frames of reference: Phenomenographic studies of students' understanding and some implications for teaching. American Journal of Physics, 60, 262-269. Clement, J. (1989). Learning via model construction and criticism: Protocol evidence on sources of creativity in science. In J. A. Glover, R. R. Ronning & C. R. Reynolds (Eds.), Handbook of creativity: Assessment, theory and research (pp. 341-381). New York: Plenum Press. Clement, J. (1993). Model construction and criticism cycles in expert reasoning. In The proceedings of the fifteenth annual conference of the cognitive science society. Hillsdale, NJ: Erlbaum. Constantinou, C. P. (1999). The cocoa microworld as an environment for developing modeling skills in physical science. International Journal of Continuing Education and Life-Long Learning., 9(2), 201-213. Crawford, B. (2004). Supporting prospective teachers conceptions of modelling in science. International Journal of Science Education, 26(11), 1379-1401. Gilbert, S. W. (1991). Model building and a definition of science. Journal of Research in Science Teaching, 28(1), 73-79. Greca, I. M., & Moreira, M. A. (2000). Mental models, conceptual models, and modelling. International. Journal of Science Education and Technology, 22(1), 1-11. Grosslight, L., Unger, C., & Jay, E. (1991). Understanding models and their use in science: Conceptions of middle and high school students and experts. Journal of Research in Science Teaching, 28(9), 799-822. Harrison, A. G. (2001). Models and PCK: Their relevance for practicing and pre-service teachers. National Association of Research in Science Teaching. Hestenes, D. (1987). Towards a modelling theory of physics instruction. American Journal of Physics, 55(5), 440-454. Howland, J. L., & Moore, J. L. (2002). Learners in internet-based courses. Distance Education, 23(2), 183-195. 309

Χρ. Θ. Νικολάου & Κ. Π. Κωνσταντίνου Justi, R., & Gilbert, J. (2002). Science teachers knowledge about and attitudes towards the use of models and modelling in learning science. International Journal of Science Education, 24(12), 1273 1292. Marton, F. (1981). Phenomenography-describing conceptions of the world around us. Instructional Science, 10, 177-200. Papadouris, N., & Constantinou, C. P. (2001). Systematic analysis of the potential contribution of communication and information tools to the design and development of research-based curriculum in science. Paper presented at the Computer Based Learning in Sciences, Czech Republic. Perkins, N. D., & Grotzer, A. T. (2000, April 24-28). Models and moves. Paper presented at the American Educational Research Association annual Conference, New Orleans. Sandoval, W. (2003). The inquiry paradox: Why doing science doesn t necessary change ideas about science. Paper presented at the New Technologies and Their Applications in Education. The Proceedings of the Computer Based Learning in Science, Nicosia. Smith, J. A., Harre, R., & Van Langenhove, L. (1995). Rethinking methods in psychology. Thousand Oaks, CA: Sage. Steward, J., & Hafner, R. (1991). Extending the conception of problem in problemsolving research. Science Education, 75(1), 105-120. Stratford, S. J., Krajcik, J., & Soloway, E. (1998). Secondary students' dynamic modeling processes: Analyzing, reasoning about, synthesizing, and testing models of stream ecosystems. Journal of Science Education and Technology, 7(3), 215-234. Strauss, A., & Corbin, J. (1998). Basics of qualitative research. Techniques and procedures for developing grounded theory. Thousand Oaks CA: SAGE Publications. Van Driel, J. H., & Verloop, N. (1999). Teachers' knowledge of models and modelling in science. International Journal of Science Education, 21(11), 1141-1153. Van Driel, J. H., & Verloop, N. (2002). Experienced teachers knowledge of teaching and learning of models and modelling in science education. International Journal of Science Education, 24(12), 1255 1272. Wu, H. K., Krajcik, J., & Soloway, E. (2001). Promoting understanding of chemical representations: Students' use of a visualization tool in the classroom. Journal of Research in Science Teaching, 38(7), 821-842. 310