Ολυμπίου Γιώργος. Ταβέλη Εύη Πανεπιστήμιο Κύπρου. Ζαχαρία Ζαχαρίας

Σύγκριση της επίδρασης του πραγματικού και εικονικού πειραματισμού στις επεξηγήσεις που δίνουν φοιτητές για φαινόμενα που αφορούν στο συγκείμενο «Φως και Χρώμα» μετά τη διατύπωση προβλέψεων και την παρατήρηση των συγκεκριμένων φαινομένων Ταβέλη Εύη Πανεπιστήμιο Κύπρου Ολυμπίου Γιώργος Πανεπιστήμιο Κύπρου Ζαχαρία Ζαχαρίας Πανεπιστήμιο Κύπρου Περίληψη Σκοπός της παρούσας ερευνητικής εργασίας ήταν η σύγκριση της επίδρασης του Εικονικού (ΕΠ) και Πραγματικού Πειραματισμού (ΠΠ) στην εξέλιξη των ιδεών προπτυχιακών φοιτητών στο συγκείμενο «Φως και Χρώμα». Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε διερεύνηση των ιδεών των ατόμων στα τρία στάδια Πρόβλεψη Παρατήρηση Επεξήγηση (Π-Π-Ε) του κάθε πειράματος στο διδακτικό υλικό Φυσική με Διερώτηση που επιλέγηκε (McDermott and the Physics Education Group at the University of Washington, 1996). Το δείγμα της έρευνας αποτέλεσαν 15 προπτυχιακοί μαθητές του τμήματος Επιστημών της Αγωγής. Οι φοιτητές χωρίστηκαν σε 4 Πειραματικές Ομάδες από τις οποίες 2 εργάστηκαν με ΠΠ και 2 με ΕΠ. Η έρευνα διήρκησε ένα ακαδημαϊκό εξάμηνο. Η συλλογή των δεδομένων έγινε μέσω οπτικογραφήσεων και η ανάλυση τους έχει γίνει ποιοτικά. Οι συγκρίσεις μεταξύ των σταδίων της Πρόβλεψης και της Επεξήγησης κατέδειξαν ότι ο ΕΠ, όταν εφαρμόζεται στο διδακτικό πρότυπο της διερώτησης (εφαρμογή της στρατηγικής Π- Π-Ε) επιδρά θετικά στη βελτίωση της ποιότητας των επιστημονικών εξηγήσεων. Ταυτόχρονα, μέσα από την ανάλυση των δεδομένων φάνηκε πως επιτεύχθηκε μεγαλύτερος βαθμός εμβάθυνσης κατά την οικοδόμηση επεξηγήσεων στα άτομα που πειραματίστηκαν στο πλαίσιο του ΕΠ σε σύγκριση με τα άτομα που πειραματίστηκαν με ΠΠ. Παρόλα αυτά, τα τελικά αποτελέσματα των επεξηγήσεων δεν διαφοροποιούνται ιδιαίτερα μετά από τις συζητήσεις με το διδακτικό προσωπικό (ΔΠ), γεγονός που επιδεικνύει την αποτελεσματικότητα της διδακτικής προσέγγισης που εφαρμόστηκε σε συνδυασμό με τα δύο πειραματικά μέσα. Εισαγωγή Η θετική επίδραση των πραγματικών αλλά και εικονικών περιβαλλόντων πειραματισμού στις Φυσικές Επιστήμες (Φ.Ε) έχει αποδειχθεί σε αρκετές έρευνες της διεθνούς κοινότητας (Zacharia and Constantinou, 2008; Zacharia, Olympiou and Papaevripidou, 2008; Klahr, Triona and Williams, 2007; Finkelstein et al., 2005; Triona and Klahr, 2003; De Jong and Van Joolingen, 1998). Έχει αποδειχθεί ότι υπάρχουν πολλά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα στη χρήση κάθε περιβάλλοντος. Παρά τις πολλές έρευνές στη Διδακτική των Φυσικών Επιστημών που αξιολογούν την αποτελεσματικότητα του ΠΠ και του ΕΠ, δεν υπάρχουν έρευνες που να εξετάζουν την εξέλιξη των ιδεών των μανθανόντων κατά τη διεξαγωγή της πειραματικής διαδικασίας. Επομένως, γενικός σκοπός της παρούσας ερευνητικής εργασίας ήταν η σύγκριση της εμβάθυνσης και της επιστημονικής ακρίβειας των ιδεών των ατόμων μετά την εφαρμογή του ΠΠ και μετά την εφαρμογή του ΕΠ στο διδακτικό πρότυπο της διερώτησης. Επίσης σκοπό είχε να διερευνήσει την εμβάθυνση των ιδεών των ατόμων μετά από τις συζητήσεις με το ΔΠ. 79

Θεωρητικό Πλαίσιο Ενσωμάτωση ΕΠ στον ΠΠ Αντικείμενο μελέτης των Φυσικών Επιστημών είναι ο φυσικός κόσμος που μας περιβάλλει, τα φαινόμενα, οι νόμοι και οι αρχές που τον διέπουν. Το εργαστήριο είναι ένας χώρος όπου γίνονται επιστημονικές ανακαλύψεις και πρακτικές εφαρμογές. Συνεπώς μια γκάμα ερευνών ασχολήθηκε με τη διερεύνηση της αποτελεσματικότητας του εργαστηριακού πειραματισμού αποδεικνύοντας τη θετική του επίδραση (Costantinou and Raftopoulos, 2010; Lunetta and Tamir, 1979). Η συνεχής εξέλιξη των εικονικών εργαστηρίων, όπως παρουσιάζεται μέσα από τη διεθνή βιβλιογραφία, καταδεικνύει πως η ενσωμάτωση τους στο πλαίσιο του εργαστηριακού πειραματισμού μπορεί να επεκτείνει τις δυνατότητες του πραγματικού εργαστηρίου. Στοιχεία πρόσφατων ερευνών καταδεικνύουν ότι ο ΕΠ και συγκεκριμένα η χρήση αλληλεπιδραστικών προσομοιώσεων στον Ηλεκτρονικό Υπολογιστή έχουν θετική επίδραση στη μάθηση του συγκείμενου που μελετάται αλλά και στο συναισθηματικό τομέα (Bell and Trundle, 2008; Zacharia et al., 2008). Έτσι λοιπόν, αμφισβητείται η θέση ότι η μάθηση στις Φυσικές Επιστήμες μπορεί να επιτευχθεί μόνο μέσω του ΠΠ. Σύγκριση ΠΠ και ΕΠ Η μάθηση μέσω των πραγματικών εργαστηρίων, επιτυγχάνει τη γνωστική ανάπτυξη αφού αυξάνει το ενδιαφέρον και το κίνητρο για μάθηση των μανθανόντων και επιτρέπει σε περισσότερες πτυχές του εγκεφάλου να ενεργοποιηθούν λόγω του προστιθέμενου κιναισθητικού στοιχείου (Klahr et al., 2007). Από την άλλη πλευρά τα πραγματικά εργαστήρια μπορεί να μειώνουν την αποδοτικότητα και την παραγωγικότητα της μάθησης. Επίσης, επιτρέπουν στους μαθητές να ξοδεύουν αρκετό χρόνο σε δραστηριότητες που παράγουν άσχετες πληροφορίες και έχουν ψηλότερο λογιστικό και οικονομικό κόστος (Klahr et al., 2007). Τα εικονικά εργαστήρια φαίνεται να είναι προνομιούχα αφού βοηθούν τους μαθητές να απεικονίζουν προβλήματα και λύσεις, παρέχουν ένα διαλογικό μαθησιακό περιβάλλον και βοηθούν στην ανάπτυξη αφηρημένων εννοιών που δεν είναι δυνατό να γίνει με πραγματικά υλικά (Zacharia and Anderson, 2003). Οι προσομοιώσεις επιτρέπουν επίσης τη χρήση των δυναμικά μεταβαλλόμενων γραφικών παραστάσεων, (Triona and Klahr, 2003) είναι λιγότερο χρονοβόρες και δεν απαιτούν εξειδικευμένο εξοπλισμό. Αρκετές έρευνες έχουν διεξαχθεί για τη διερεύνηση της αποτελεσματικότητας του ΠΠ και του ΕΠ στις Φυσικές Επιστήμες. Παρά τις πολλές έρευνες στη Διδακτική των Φυσικών Επιστημών που αξιολογούν την αποτελεσματικότητα του ΠΠ και του ΕΠ (π.χ. Zacharia et. al., 2008; Κlahr et.al., 2007; Finkelstein et al., 2005), δεν υπάρχουν έρευνες που να διερευνούν την εξέλιξη των ιδεών των μανθανόντων κατά τη διεξαγωγή της πειραματικής διαδικασίας (πραγματικής ή εικονικής). Κύριος σκοπός της παρούσας έρευνας ήταν η διερεύνηση της εξέλιξης των ιδεών και της επιστημονικής ακρίβειας των επεξηγήσεων που οικοδομούνται στο συγκείμενο «Φως και Χρώμα» από προϋπηρεσιακούς εκπαιδευτικούς κατά τη διεξαγωγή του ΠΠ και του ΕΠ. 80

Επιστημονικές Επεξηγήσεις και εννοιολογική κατανόηση Οι επεξηγήσεις διαδραματίζουν ένα κεντρικό ρόλο στην αναζήτηση για να μάθουμε και να κατανοήσουμε τον κόσμο (Zacharia, 2005). Σύμφωνα με τον Scriven (1998, p. 53) οι επεξηγήσεις πρέπει να είναι σε θέση να καθιστούν σαφές κάτι που προηγουμένως δεν ήταν σαφές, δηλαδή να αυξάνουν ή να παράγουν την κατανόηση. Τύποι επιστημονικών εξηγήσεων Υπάρχουν διάφοροι τύποι εξηγήσεων σε όλη την βιβλιογραφία της επιστήμης (Treagust and Harrison, 2000). Η εξήγηση Deductive-Nomological D-N (παραγωγική-νομολογική) είναι μία από τις χαρακτηριστικές δομές των επεξηγήσεων στη φυσική που ξεχωρίζει στη βιβλιογραφία (Hempel and Oppenheim, 1988;Hempel, 1965). Προκαλείται όταν υποβάλλονται ερωτήσεις του τύπου «γιατί», οι οποίες απαιτούν τον προσδιορισμό και την εφαρμογή των κανόνων και αρχών για να εξηγηθεί ένα συγκεκριμένο φυσικό φαινόμενο (Zuzovsky and Tamir, 1999). Μια άλλη μορφή ερωτήσεων που εμφανίζεται στη Φυσική είναι η μορφή «πρόβλεψη και αιτιολόγηση της απάντησής σας». Σύμφωνα με το Hempel (1965), οι εξηγήσεις του τύπου reason-seeking είναι λογικά επιχειρήματα, η κατασκευή των οποίων απαιτεί αναφορά σε ουσιαστικούς λόγους που μπορεί να περιλαμβάνουν αποτελέσματα, πεποιθήσεις σχετικά με την αποτελεσματικότητα των εναλλακτικών μέσων για την επίτευξη αυτών των αποτελεσμάτων. Στην φυσική με διερώτηση, όπου εφαρμόζεται το μοντέλο Π-Π-Ε, έχουμε ένα συνδυασμό των δύο τύπων επεξηγήσεων. Στο στάδιο της Πρόβλεψης, οι μανθάνοντες πρέπει να παρέχουν μια εύλογη reason-seeking εξήγηση για να εξηγήσουν το σκεπτικό πίσω από την πρόβλεψη τους (Zacharia, 2005). Στη συνέχεια ακολουθεί η παρατήρηση του φαινομένου και τελικά στο τρίτο στάδιο οι μανθάνοντες πρέπει να παρέχουν ένα συνδυασμό των D-N και reason-seeking εξηγήσεων για να εξηγήσουν οποιαδήποτε πιθανή απόκλιση μεταξύ της πρόβλεψης και της παρατήρησής τους (Zacharia, 2005). Ποιότητα εξηγήσεων Η ποιότητα μιας εξήγησης προσδιορίζεται με τη χρήση δύο μέτρων, την επιστημονική ακρίβεια και την εις βάθος εξέλιξη. Η εξέλιξη του μαθητή στην αναζήτηση της νέας αιτιολογικής επιστημονικής γνώσης κατά τη διάρκεια της έρευνας του είναι ένα από τα χαρακτηριστικά που οριοθετούν την ποιότητα μιας εξήγησης, διότι συνεπάγεται ότι η γνώση που παράγεται από ένα μαθητή γίνεται ολοένα και πιο εξελιγμένη και διαρθρώνεται κατά τη διάρκεια της έρευνας με την έκδοση των αιτιολογικών επιστημονικών εννοιών και θεωριών. Ο Hakkarainen (2004) αναφέρεται σε αυτήν την εις βάθος πρόοδο στην αναζήτηση του φοιτητή για επεξηγηματικές επιστημονικές πληροφορίες για την κατασκευή μιας εξήγησης ως βαθμό εμβάθυνσης (προοδευτική εμβάθυνση). Η ποιότητα μια εξήγησης, όμως, δεν καθορίζεται μόνο από την προοδευτική εμβάθυνση, αλλά και από το επίπεδο της νομιμότητας/σκοπιμότητας ως επιστημονικώς αποδεκτή εξήγηση. Μια νόμιμη εξήγηση θα πρέπει να περιλαμβάνει τόσο το βάθος όσο και τις συναφείς επιστημονικές γνώσεις (Treagust and Harrison, 2000). Είναι σημαντικό να εξετασθούν και οι δύο πτυχές, όταν μελετείται η ποιότητα μιας εξήγησης γιατί το βάθος δεν εξασφαλίζει απαραίτητα επιστημονική ακρίβεια, και αντιστρόφως. 81

Σκοπός της έρευνας Η παρούσα προσπάθεια έγινε με σκοπό να διερευνήσει πως εξελίσσονται οι ιδέες προπτυχιακών φοιτητών του τμήματος Επιστημών της Αγωγής στα τρία στάδια της στρατηγικής Π-Π-Π κατά τον Πειραματισμό σε ΠΠ και σε ΕΠ για τη θεματική ενότητα «Φως και Χρώμα» της Φυσικής με Διερώτηση, καθώς και την επιστημονική ακρίβεια των επεξηγήσεων που οικοδομούνται. Η έρευνα σε αυτό τον τομέα είναι σημαντική, αφού υπάρχει έλλειψη έρευνας για την επίδραση αλληλεπιδραστικών προσομοιώσεων στη φύση και την ποιότητα των εξηγήσεων των φοιτητών. Επομένως, διαπιστώνεται ότι υπάρχει σημαντική ανάγκη για σύγκριση της επίδρασης του ΠΠ και του ΕΠ στη πορεία εξέλιξης των ιδεών και συγκεκριμένα στο βαθμό εμβάθυνσης και την επιστημονική ακρίβεια των επεξηγήσεων. Ειδικότερα, η έρευνα αυτή αποσκοπούσε να διερευνήσει τα ακόλουθα ερωτήματα: «Πως συγκρίνεται ο βαθμός εμβάθυνσης των επεξηγήσεων των ατόμων κατά την πειραματική διαδικασία που εργάζονται με ΠΠ ή με ΕΠ στο διδακτικό πρότυπο της διερώτησης». «Πως συγκρίνεται η επιστημονική ακρίβεια των επεξηγήσεων των ατόμων κατά την πειραματική διαδικασία που εργάζονται με ΠΠ ή με ΕΠ στο διδακτικό πρότυπο της διερώτησης». «Πως συγκρίνονται οι επεξηγήσεις των ατόμων που εργάζονται με ΠΠ ή ΕΠ πριν και μετά από τις συζητήσεις με το διδακτικό προσωπικό στο διδακτικό πρότυπο της διερώτησης». Μεθοδολογία Δείγμα Το δείγμα της έρευνας αποτέλεσαν προπτυχιακοί φοιτητές/φοιτήτριες του Παιδαγωγικού Τμήματος του Πανεπιστημίου Κύπρου. Επτά φοιτητές εργάστηκαν με ΠΠ και 8 φοιτητές με ΕΠ. Ερευνητικός Σχεδιασμός Οι προπτυχιακοί φοιτητές/φοιτήτριες χωρίστηκαν σε 4 ομάδες των τριών ή των τεσσάρων ατόμων για την ευκολότερη διεξαγωγή των πειραμάτων. Η έρευνα είχε διαρκέσει ένα ακαδημαϊκό εξάμηνο. Η διδακτική παρέμβαση γινόταν μια φορά την εβδομάδα και είχε διάρκεια μία ώρα και τριάντα λεπτά. Για τη συλλογή δεδομένων έχουν χρησιμοποιηθεί οπττικογραφήσεις. Μέσα από την ανάλυση των δεδομένων των οπτικογραφήσεων έχει προκύψει η διαφοροποίηση των ιδεών των μαθητών από την Πρόβλεψη στην Επεξήγηση, καθώς και μετά από τους ημι-σωκρατικούς διαλόγους με το διδακτικό προσωπικό σε κάθε πείραμα για κάθε μέθοδο πειραματισμού (ΠΠ και ΕΠ). Στη συνέχεια έγινε σύγκριση της εξέλιξης των ιδεών των συμμετεχόντων που εργάστηκαν με πραγματικό πειραματισμό και αυτούς που εργάστηκαν με εικονικό πειραματισμό. Συγκεκριμένα, έγινε σύγκριση του βαθμού εμβάθυνσης και της επιστημονικής ακρίβειας των επεξηγήσεων των φοιτητών μεταξύ της πρόβλεψης και της επεξήγησης, καθώς και μετά από τη συζήτηση με το Διδακτικό Προσωπικό. 82

Εργαστηριακός Πειραματισμός Ο ΠΠ περιλαμβάνει τη χρήση πραγματικών οργάνων (projector) και αντικειμένων (πινέλα, διαφάνειες, πρίσμα) στο εργαστήριο των Φυσικών Επιστημών στο Πανεπιστήμιο Κύπρου. Ο ΕΠ περιλαμβάνει τη χρήση εικονικών οργάνων (φανάρια) και αντικειμένων (χρωματικά φίλτρα, πρίσμα) στο εικονικό εργαστήριο Optilab (Hatzikraniotis et al., 2007). Διδακτική προσέγγιση και περιγραφή διδακτικού υλικού Η διδακτική προσέγγιση που χρησιμοποιήθηκε είναι η μάθηση μέσω διερώτησης. Σε αυτή τη διδακτική μέθοδο έχει χρησιμοποιηθεί το μοντέλο Π-Π-Ε. Το διδακτικό υλικό που έχει χρησιμοποιηθεί και στις τέσσερις πειραματικές ομάδες είναι η Φυσική με Διερώτηση (Physics by Inquiry), (McDermott and The Physics Education Group, 1996). Αυτό το υλικό καθοδηγεί τους φοιτητές μέσα από σχεδιασμένες ακολουθίες δραστηριοτήτων να κάνουν παρατηρήσεις και να τις χρησιμοποιήσουν ως βάση για την κατασκευή νοητικών μοντέλων για διάφορα φυσικά φαινόμενα και διαδικασίες (McDermott, Shaffer and Constantinou, 2000). Η εκπαιδευτική παρέμβαση περιορίζεται σε ημι Σωκρατικούς διαλόγους του εκπαιδευτικού με την κάθε ομάδα φοιτητών. Ο εκπαιδευτικός δεν πρέπει να δίνει άμεσες απαντήσεις, αλλά ο ρόλος του είναι να κατευθύνει την συζήτηση έτσι ώστε οι μανθάνοντες να καταλήξουν σε ορθά συμπεράσματα. Συγκεκριμένα έχει χρησιμοποιηθεί η ενότητα «Φως και Χρώμα» από τη Φυσική με διερώτηση (McDermott and The Physics Education Group 1996). Ειδικότερα, έχουν χρησιμοποιηθεί τα κεφάλαια 3 και 4 που αφορούν τις «Βαφές» και το «Έγχρωμο Φως» αντίστοιχα. Συλλογή και ανάλυση δεδομένων Η συλλογή δεδομένων έχει γίνει μέσω οπτικογραφήσεων των εργασιών των ατόμων κατά τη διεξαγωγή του εργαστηριακού πειραματισμού. Η ανάλυση των δεδομένων έγινε ποιοτικά και ακολούθησε καταγραφή των ιδεών των ατόμων κατά το στάδιο της Πρόβλεψης, το στάδιο της Επεξήγησης και κατά τις συζητήσεις που διεξάχθηκαν με το ΔΠ. Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκε αξιολόγηση της επιστημονικής ακρίβειας και του βαθμού εμβάθυνσης των επεξηγήσεων που οικοδομήθηκαν από τους μανθάνοντες στα τρία στάδια της στρατηγικής Π-Π-Ε κατά τον ΠΠ και ΕΠ. Την κατηγοριοποίηση των ιδεών των ατόμων στα δύο στάδια της Πρόβλεψης και της Επεξήγησης, συνόδευσε η καταγραφή των ιδεών που αποκτούσαν οι φοιτητές μετά από τη συζήτηση με το ΔΠ και στα δύο είδη πειραματισμού. Η αναφερόμενη διερεύνηση αποσκοπούσε στην κωδικοποίηση της βελτίωσης της επεξήγησης κάθε μανθάνοντα, μέσα από την κλίμακα του βαθμού εμβάθυνσης των επεξηγήσεων που αναπτύχθηκε από τον Hakkarainen (2004) καθώς και την κωδικοποίηση της αντίστοιχης επιστημονικής ακρίβειας σε κάθε περίπτωση. Ο σκοπός της χρήσης της κλίμακας ήταν να αξιολογηθεί εάν η εξήγηση ενός φοιτητή στη φάση της Εξήγησης ήταν πιο εξελιγμένη με την υιοθέτηση αιτιολογικών επιστημονικών εννοιών και θεωριών από την εξήγησή του στη φάση της Πρόβλεψης, καθώς και μετά από τη συζήτηση με το ΔΠ. Με άλλα λόγια, η ταξινόμηση στην κλίμακα αυτή αξιολογεί, κατ 'ουσία, σε ποιο βαθμό εμπλέκεται νέα αιτιολογική γνώση σε μια εξήγηση. Η βαθμολόγηση για την κλίμακα έγινε με βάση τις ακόλουθες κατευθυντήριες γραμμές: 83

1.Καμία εξέλιξη. Ο φοιτητής δεν έχει επιτύχει την παρουσίαση νέας επεξηγηματικής πληροφορίας στο Βήμα 3 και ως εκ τούτου δεν προόδευσε στην επεξήγηση του. 2.Μικρή πρόοδο. Ο φοιτητής έχει παρουσιάσει κάποια κομμάτια νέων επεξηγηματικών πληροφοριών στο Βήμα 3. Οι πληροφορίες αυτές, ωστόσο, αφήνουν ένα μεγάλο μέρος της ερώτησης αναπάντητο και δεν έχουν πολύ υψηλή επεξηγηματική αξία. Υπάρχει μόνο μια μικρή πιθανότητα οι νέες πληροφορίες να διευκόλυναν σημαντικά την εννοιολογική κατανόηση του φοιτητή. 3.Μέτρια πρόοδο. Ο φοιτητής έχει υποβάλει αρκετά σημαντικά κομμάτια των επεξηγηματικών πληροφοριών και σαφώς έχει σημειώσει πρόοδο στο Βήμα 3. Αυτά τα κομμάτια των νέων πληροφοριών παρέχουν μια απάντηση στην ερώτηση και είναι πιθανό να διευκολύνουν την εννοιολογική κατανόηση τους. Ωστόσο, η επεξηγηματική αξία των νέων κομματιών των πληροφοριών που παρουσιάζονται από το φοιτητή ήταν μόνο μέτρια. 4.Ισχυρή πρόοδο: Ο φοιτητής έχει παρουσιάσει σημαντικά κομμάτια νέων επεξηγηματικών πληροφοριών και ιδιαίτερα έχει καταφέρει την εισαγωγή νέων θεωρητικών εννοιών ή επεξηγηματικών θεωριών που παρέχουν μια απάντηση στο ερώτημα που του ανατέθηκε. Αυτά τα κομμάτια των πληροφοριών είναι πολύ πιθανό να διευκολύνουν την εννοιολογική κατανόηση του φοιτητή. Για την αξιολόγηση της επιστημονικής ακρίβειας μιας εξήγησης έχει χρησιμοποιηθεί μια αριθμητική κλίμακα. Σε αυτή τη κλίμακα, το 1 είναι το λιγότερο ακριβής (συγκεχυμένη και αντιφατική εξήγηση ελάχιστη κατανόηση), το 2 είναι το μερικώς ακριβής (μερική γνώση των φαινομένων, ωστόσο οι ιδέες δεν παρουσιάζονται με ολοκληρωμένο και ενιαίο τρόπο κάποια κατανόηση είναι εμφανής) και το 3 είναι η πιο ακριβής (ακριβής χρήση των επιστημονικών εννοιών και θεωριών συνεκτική κατανόηση είναι προφανής). Αποτελέσματα Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται τα αποτελέσματα του βαθμού εμβάθυνσης και της επιστημονικής ακρίβειας για κάθε πείραμα καθώς και η εξέλιξη των επεξηγήσεων από την Πρόβλεψη στην Επεξήγηση και τέλος στη Συζήτηση με το ΔΠ. Πίνακας 1: Αποτελέσματα βαθμού εμβάθυνσης και επιστημονικής ακρίβειας για κάθε πείραμα. Σύγκριση πρόβλεψης επεξήγησης Πείραμα 3.1 Βαθμός 2 2 3 3 2 2 3 3 Βαθμός 4 4 4 4 84

3 3 3 3 Πείραμα 3.2 Βαθμός 3 2 4 4 2 1 3 3 3 3 3 3 Πείραμα 4.1 Βαθμός 2 2 4 3 1 1 3 2 3 3 3 3 Πείραμα 4.2 Βαθμός 3 2 3 4 2 1 2 3 3 3 3 3 Πείραμα 4.4 Βαθμός 2 2 4 4 1 1 3 3 3 3 3 3 Πείραμα 4.5 Βαθμός 2 2 4 4 85

1 1 3 3 3 3 3 3 Πείραμα 4.6 Βαθμός 2 1 3 4 1 1 2 3 3 3 3 3 Οι συγκρίσεις μεταξύ των σταδίων της Πρόβλεψης και της Επεξήγησης κατέδειξαν ότι ο ΕΠ, όταν εφαρμόζεται στο διδακτικό πρότυπο της διερώτησης επιδρά θετικά στη βελτίωση της ποιότητας των επιστημονικών εξηγήσεων. Ταυτόχρονα, μέσα από την ανάλυση των δεδομένων φάνηκε πως επιτεύχθηκε μεγαλύτερος βαθμός εμβάθυνσης, καθώς και μεγαλύτερη επιστημονική ακρίβεια κατά την οικοδόμηση επεξηγήσεων στα άτομα που πειραματίστηκαν στο πλαίσιο του ΕΠ σε σύγκριση με τα άτομα που πειραματίστηκαν με ΠΠ (Πίνακας 1). Συγκεκριμένα, η μέθοδος του ΕΠ είχε ως αποτέλεσμα τα άτομα των ομάδων αυτών να επιδείξουν σημαντικότερη εννοιολογική αλλαγή σε συγκεκριμένα θέματα σε σύγκριση με τα άτομα των ομάδων του ΠΠ στη φάση 3 της στρατηγικής Π-Π-Ε. Από την άλλη πλευρά, ο ΠΠ δεν παρείχε αρκετή υποστήριξη στους φοιτητές στην προσπάθειά τους να οικοδομήσουν αρθρωτές και εξελιγμένες εξηγήσεις. Η ανάλυση της πορείας των επεξηγήσεων των φοιτητών έδειξε ότι από την Πρόβλεψη στην Επεξήγηση η πρόοδος ήταν μικρή και οι επεξηγήσεις αόριστες και φτωχές και οι φοιτητές δεν κατέληγαν σε εννοιολογική κατανόηση στο Βήμα 3 της στρατηγικής Π- Π-Ε. Οι φοιτητές που εργάστηκαν με ΠΠ είχαν μεγάλη πρόοδο στο βαθμό εμβάθυνσης, καθώς και στην επιστημονική ακρίβεια μετά τη συζήτηση με το ΔΠ. Παρόλα αυτά, τα τελικά αποτελέσματα των επεξηγήσεων δεν διαφοροποιούνται ιδιαίτερα μετά τις συζητήσεις με το ΔΠ, γεγονός που επιδεικνύει την αποτελεσματικότητα της διδακτικής προσέγγισης που εφαρμόστηκε σε συνδυασμό με τα 2 πειραματικά μέσα (Πίνακας 1). Συμπεράσματα Οι συγκρίσεις μεταξύ της Πρόβλεψης και της Επεξήγησης στα πειράματα που διεξάχθηκαν υποστηρίζουν το συμπέρασμα ότι ο ΕΠ σε συνδυασμό με τη στρατηγική Π-Π-E είναι επωφελείς στη βελτίωση της ποιότητας των επιστημονικών εξηγήσεων. Τόσο η μέθοδος του ΕΠ όσο και η στρατηγική Π-Π-E φαίνεται να βελτιώνουν την ικανότητα των φοιτητών να οικοδομούν επιστημονικά ακριβείς εξηγήσεις για τα 86

φυσικά φαινόμενα που διερευνώνται και να προωθηθούν την αναζήτηση επεξηγηματικών επιστημονικών πληροφοριών με πλούσια εμβάθυνση. Τα ευρήματα αυτά συμφωνούν με τα συμπεράσματα προηγούμενων ερευνητικών μελετών ότι τα Εικονικά Εργαστήρια σε συνδυασμό με το πρότυπο Π-Π-Ε αποτελούν σημαντικό εργαλείο για τη βελτίωση της εννοιολογικής κατανόησης των μανθανόντων (Zacharia, 2005; Zacharia and Anderson, 2003; Tao and Gunstone, 1999). Επιπλέον, φάνηκε ότι μετά το τέλος του κάθε πειράματος, οι φοιτητές που εργάστηκαν σε ΠΠ έφθαναν στο ίδιο επίπεδο εννοιολογικής κατανόησης με τους μαθητές που εργάστηκαν σε ΕΠ γεγονός που δείχνει ότι και οι δύο μέθοδοι επηρεάζουν θετικά την οικοδόμηση επεξηγήσεων και οδηγούν τους μανθάνοντες σε εννοιολογική αλλαγή. Αυτό που διαφέρει είναι ότι οι φοιτητές που εργάστηκαν με ΕΠ, είχαν σαφείς παρατηρήσεις και συνεπώς δεν σπαταλάνε χρόνο για επανάληψη του πειράματος. Η διερεύνηση κάθε πειράματος σε ιδεατές συνθήκες, παρείχε την δυνατότητα οικοδόμησης άρτιων και εξελιγμένων επεξηγήσεων από το Βήμα 3 της στρατηγικής Π-Π-Ε. Από την άλλη, οι φοιτητές που εργάστηκαν με ΠΠ, σε κάποια σημεία δυσκολεύτηκαν να καταλήξουν σε ομόφωνες παρατηρήσεις αφού συχνά δεν ήταν τόσο ξεκάθαρα τα αποτελέσματα. Απαιτήθηκε σε κάποιες περιπτώσεις να επαναληφθεί το πείραμα. Μετά όμως από τη διεξαγωγή των συζητήσεων με το ΔΠ, έχοντας το πλεονέκτημα της κιναισθητικής και της ρεαλιστικής εμπειρίας καταλήγουν σε εννοιολογική κατανόηση και ίσως σε μεγαλύτερο επίπεδο κάποιες φορές από τους φοιτητές του ΕΠ, αφού η εμπειρία δημιουργεί τις καταλληλότερες συνθήκες για την επίτευξη εννοιολογικής αλλαγής. Γενικότερα, η προοπτική ενσωμάτωσης των εικονικών εργαστηρίων στα πραγματικά εργαστήρια φαίνεται να είναι ιδιαίτερα υποσχόμενη. Ο ΕΠ μπορεί να προσφέρει στους μανθάνοντες πολλά πλεονεκτήματα, αλλά δεν μπορεί να αντικαταστήσει την ρεαλιστική εμπειρία. Ενδεχομένως ο συνδυασμός των δύο μεθόδων πειραματισμού να ήταν ο ιδανικός τρόπος για την αξιοποίηση των πλεονεκτημάτων του κάθε πειραματικού μέσου. Οι έρευνες τα τελευταία 5 χρόνια προσανατολίζονται στο συνδυασμό του ΠΠ και ΕΠ. Για να επιτευχθεί ένας λειτουργικός συνδυασμός θα πρέπει να επεκταθούν οι βάσεις δεδομένων σχετικά με την εξέλιξη των επεξηγήσεων των μανθανόντων τόσο στον ΠΠ όσο και τον ΕΠ. Αναφορές Anderson, C. W., and Smith, E. L. (1984). Children s perceptions and content-area textbooks. In G. G. Duffy, L. A. Roehler, & J. Mason (Eds.), Comprehension instruction: Perspectives and suggestions (pp.187-201). New York: Longman, Bell, L.R., and Trundle, C.K. (2008). The Use of a Computer Simulation to Promote Scientific Conceptions of Moon Phases. Journal of Research in Science Teaching, 45 (3): 346-372. Constantinou, C., and Raftopoulos, A. (2010). The Implications of Cognitive Science for The Significance of Experimentation in Science Teaching. De Jong, T., and van Joolingen, W. R. (1998). Scientific discovery learning with computer simulations of conceptual domains. Review of Educational Research, 68: 179 201. 87

Finkelstein, N. D., Adams, W. K., Keller, C. J., Kohl, P. B., Perkins, K. K., Podolefsky, N. S., 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. Hakkarainen, K. (2004). Pursuit of explanation within a computer-supported Classroom. International Journal of Science Education, 26: 979 996. Hatzikraniotis E., Bisdikian G., Barbas A. and Psillos D. (2007). OptiLab: Design and Development of an Integrated Virtual Laboratory for Teaching Optics, Paper presented at the International Conference on Computer Based Learning in Science, CBLIS-07, Crete. Hempel, C. (1965). The logic of functional analysis. In Aspects of scientific explanations and other essays in the philosophy of science(pp. 297 330). New York: The Free Press, & London: Collier-Macmillan. Hempel, C. G., & Oppenheim, P. (1988). Studies in the logic of explanation. In. J. C. Pitt (Ed.), Theories of explanations (pp. 9 50). New York: Oxford University Press. Klahr, D., Triona, L. M., and Williams, C. (2007). Hands on what? The relative effectiveness of physical versus virtual materials in an engineering design project by middle school children. Journal of Research in Science Teaching, 44(1): 183-203. Lunetta, V. N., and Tamir, P. (1979). Matching lab activities with teaching goals. The Science Teacher, 46: 22 24. McDermott and the Physics Education Group at the University of Washington, (1996). Physics by Inquiry: Vol.II. Wiley: New York. Scriven, M. (1988). Explanations, predictions and laws. In J. C. Pitt (Ed.), Theories of explanation (pp. 51 74). New York: Oxford University Press. McDermott, L. C., Shaffer, P. S., and Constantinou, C. P. (2000). Preparing teachers to teach physics and physical science by inquiry. Physics Education, 35: 411-420 Tao, P., and Gunstone, R. (1999), The process of conceptual change in force and motion during computer-supported physics instruction. Journal of Research in Science Teaching, 36: 859 882. Treagust, D. F., and Harrison, A. G. (2000). In search of explanatory frameworks: An analysis of Richard Feynman s lecture Atoms in motion. International Journal of Science Education, 22,1157 1170. Triona, L. M., and Klahr, D. (2003). Point and click or grab and heft: Comparing the influence of physical and virtual instructional materials on elementary school students ability to design experiments. Cognition and Instruction, 21(2):149-173. 88

Zacharia. Z., (2005). The Impact of Interactive Computer Simulations on the Nature and Quality of Postgraduate Science Teacher s Explanations in Physics. International Journal of Science Education, 14: 1741-1767. Zacharia, Z., and Anderson, O. R. (2003). The effects of an interactive computerbased simulation prior to performing a laboratory inquiry-based experiment on students conceptual understanding of physics. American Journal of Physics, 71(6): 618-629. Zacharia, Z. C., and Constantinou C. P. (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: 425-430. Zacharia, Z. C., Olympiou, G., and 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): 1021-1035. Zuzovsky, R., and Tamir, P. (1999). Growth patterns in students ability to supply scientific explanations: Findings from the Third International Mathematics and Science Study in Israel. International Journal of Science Education, 21:1101 1121. 89