Διερεύνηση των διαδικασιών οικοδόμησης εννοιολογικής κατανόησης προϋπηρεσιακών εκπαιδευτικών μέσα από τη συνδυασμένη χρήση εικονικών και πραγματικών περιβαλλόντων πειραματισμού στο φως και χρώμα Δημητρίου Εύη Πανεπιστήμιο Κύπρου Ολυμπίου Γιώργος Πανεπιστήμιο Κύπρου Ζαχαρίας Χ. Ζαχαρία Πανεπιστήμιο Κύπρου Περίληψη Η παρούσα έρευνα διερεύνησε τις διαδικασίες που ακολουθούν τρεις ομάδες προπτυχιακών εκπαιδευτικών για την οικοδόμηση εννοιολογικής κατανόησης, σε διαφορετικά περιβάλλοντα πειραματισμού, όπου εφαρμόζεται η διδακτική προσέγγιση της διερώτησης. Δυο ομάδες εκτελούσαν πειράματα σε πραγματικό και εικονικό εργαστήριο πειραματισμού και μια ομάδα μόνο σε εικονικό εργαστήριο σε συνδυασμό με επιπρόσθετες εικονικές αναπαραστάσεις. Κύρια πηγή δεδομένων ήταν οι οπτικογραφήσεις που συλλέχθηκαν από όλες τις ομάδες. Τα αποτελέσματα κατέδειξαν σημαντικές διαφορές στις διαδικασίες που ακολουθούν οι μανθάνοντες που εργάζονται σε διαφορετικό περιβάλλον πειραματισμού. Φάνηκε πως τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά κάθε περιβάλλοντος επηρεάζουν τον τρόπο που εργάζονται οι μανθάνοντες και τον βαθμό ενασχόλησης τους με τις προτεινόμενες δραστηριότητες, οι οποίες ήταν σχεδιασμένες για να συμβάλλουν στην οικοδόμηση εννοιολογικής κατανόησης. Τα αποτελέσματα μπορούν να δώσουν στοιχεία για εποικοδομητική αξιοποίηση του εκάστοτε εργαστηρίου, με βάση τις εκάστοτε μαθησιακές επιδιώξεις. Εισαγωγή Ο εργαστηριακός πειραματισμός έχει κεντρικό ρόλο στη μάθηση των Φυσικών Επιστημών, αποτελεί αυθεντική και εποικοδομητική δραστηριότητα, η οποία αντανακλά τον τρόπο που οι επιστήμονες ακολουθούν για να ερευνήσουν άγνωστα φαινόμενα (Van Joolingen, de Jong, Lazonder, Savelsbergh and Manlove, 2005). Με την αξιοποίηση του εμπλουτίζεται η μάθηση, βοηθά τους μανθάνοντες να αποκτήσουν δεξιότητες συλλογής, ανάλυσης, παρουσίασης δεδομένων και διαχείρισης τεχνικών, να ερευνούν, να οικοδομούν και να υποστηρίζουν επιστημονικούς ισχυρισμούς, ενώ δίνει την δυνατότητα για αλληλεπίδραση με υλικά ή/και με μοντέλα και διερεύνηση φυσικών φαινόμενων σε μικρές ομάδες (Hofstein and Lunetta, 2004). Στο πλαίσιο της ομάδας, οι μανθάνοντες, ασχολούνται με παραγωγικές δραστηριότητες, εξηγούν ο ένας στον άλλο ιδέες και πληροφορίες, επιλύουν συνεργατικά προβλήματα (Gillies, 2003; Chang and Mao, 1999; Okada and Simon, 1997). Επιπρόσθετα, ο εργαστηριακός πειραματισμός προσφέρεται για την αξιοποίηση σε συνεργατικές ομάδες εποικοδομητικών διδακτικών δραστηριοτήτων που προάγουν την εννοιολογική κατανόηση και την οικοδόμηση της γνώσης, όπως η στρατηγική πρόβλεψη-παρατήρηση-επεξήγηση (Tao and Gunstone, 1999). Τα εικονικά περιβάλλοντα μάθησης προβάλλονται ως μια ενδιαφέρουσα λύση στο πλαίσιο του εργαστηριακού πειραματισμού, λόγω των δυνατοτήτων καινοτόμων εργαλείων, όπως είναι τα εικονικά εργαστήρια (Zacharia and Constantinou, 2008; Zacharia, 2007, Triona and Klahr, 2003; Tao and Gunstone, 1999). Ο Πειραματισμός σε Εικονικό Εργαστήριο (ΠΕΕ) προάγει τις δεξιότητες, τις στάσεις και την κατανόηση για έννοιες των φυσικών επιστημών και προσφέρει πλεονεκτήματα, όπως ασφάλεια, οικονομική αποδοτικότητα, ελαχιστοποίηση λαθών, μείωση χρονικών και χωρικών διαστάσεων, εύκαμπτη, γρήγορη, και δυναμική έκθεση δεδομένων (Toth, Morrow and Ludvico, 2008; Zacharia, 2007; Triona and Klahr, 2003). Επιπρόσθετα, 59
σε λογισμικά του Ηλεκτρονικού Υπολογιστή μπορούν να ενσωματωθούν πρόσθετες λειτουργίες, όπως οι αναπαραστάσεις, παρέχοντας επιπλέον δυνατότητες στους χρήστες (Chang, Quintana and Krajcik, 2009). Παράλληλα, ο Πειραματισμός σε Πραγματικό Εργαστήριο (ΠΠΕ) συμβάλει στην κατανόηση και διαχείριση εννοιών, προσφέροντας τη δυνατότητα στους μανθάνοντες για έρευνες με πραγματικά υλικά, αξιοποιώντας την εμπειρία τους στο φυσικό κόσμο (Triona and Klahr, 2003). Η διεθνής ερευνητική βιβλιογραφία τάσσεται υπέρ του πειραματισμού, υποστηρίζοντας ότι η εμπειρία και μόνο στο εργαστήριο, βοηθά τις δυνατότητες των μανθανόντων, είτε χρησιμοποιούν πραγματικά είτε εικονικά υλικά (Zacharia, 2007; Triona, Klahr and Williams, 2005; Hofstein and Lunetta, 2004; Triona and Klahr, 2003). Τόσο ο ΠΠΕ όσο και ο ΠΕΕ, δίνουν την δυνατότητα για μάθηση μέσα από παρατηρήσεις, άμεση εμπειρία, ενεργό και συνεργατική συμμετοχή (Chang and Mao, 1999). Τα μαθησιακά αποτελέσματα φαίνεται ότι δεν διαφέρουν όταν όλοι οι παράγοντες που επηρεάζουν τη μάθηση είναι σταθεροί και αλλάζει μόνο το περιβάλλον πειραματισμού (εικονικό ή πραγματικό) (Zacharia and Constantinou, 2008; Triona et al., 2005; Triona and Klahr, 2003). Παράλληλα, έρευνες τονίζουν την σημασία της αναδόμησης του εργαστηριακού πειραματισμού για ενσωμάτωση εικονικών περιβαλλόντων σε πραγματικά (Zacharia, 2007; Winn, Stahr, Sarason, Fruland, Oppenheimer and Lee, 2006; Triona et al., 2005; Triona and Klahr, 2003). Όταν μάλιστα ο συνδυασμός τους γίνεται προσχεδιασμένα, είναι στοχευμένος και στο κατάλληλο πλαίσιο, μπορεί να συμβάλει περισσότερο στην εννοιολογική κατανόηση, από ότι ο ΠΠΕ (Toth, Morrow and Ludvico, 2008; Zacharia and Constantinou, 2008; Zacharia, Olympiou and Papaevripidou, 2008; Zacharia, 2007; Winn et al., 2006). Σε σύγκριση όμως με τον ΠΕΕ φαίνεται πως η εννοιολογική κατανόηση μπορεί να επέλθει τόσο μέσα από την εφαρμογή ενός κατάλληλου συνδυασμού του ΠΕΕ με τον ΠΠΕ (Toth et al. 2008; Zacharia et al. 2008; Zacharia, 2007), όσο και μέσα από στοχευόμενες και καλά σχεδιασμένες διδακτικές παρεμβάσεις όπου εφαρμόζεται μόνο ο ΠΕΕ (Zacharia and Constantinou, 2008; Zacharia, 2007; Tao and Gunstone, 1999). Οι προσομοιώσεις μπορούν να συμβάλλουν στην απόκτηση επιστημονικής γνώσης, την ανάπτυξη δεξιοτήτων και την εννοιολογική αλλαγή. Θεωρούνται όμως αποτελεσματικότερες όταν χρησιμοποιούνται συμπληρωματικά, περιλαμβάνουν υψηλής ποιότητας δομές υποστήριξης, ενθαρρύνουν την ανατροφοδότηση και προάγουν γνωστικές συγκρούσεις (Smetana and Bell, 2011). Αξίζει, λοιπόν, η διερεύνηση του τρόπου που μπορούν να σχεδιαστούν και να χρησιμοποιηθούν καλύτερα. Οι Scalise, Timms, Moorjani, Clark, Holtermann και Irvin (2011) εντόπισαν ως σημαντικές αρχές σχεδιασμού των προσομοιώσεων και των εικονικών εργαστηρίων, την δημιουργία κατάλληλης δομής, αποτελεσματικής αλληλεπίδρασης με τους χρήστες, αποτελεσματικής επιστημονικής οπτικοποίησης και την υποστήριξη της επιστημονικής διερώτησης. Κατέληξαν πως τα εικονικά εργαστήρια και οι προσομοιώσεις κατευθύνουν τα επιθυμητά μαθησιακά αποτελέσματα, μέσα από μια ποικιλία διδακτικών στρατηγικών που εμπίπτουν μέσα στο πλαίσιο αυτών των αρχών. Στην προσπάθεια για βέλτιστη ενσωμάτωση των εικονικών περιβαλλόντων, είναι χρήσιμη και η μελέτη του τρόπου που τα διαφορετικά χαρακτηριστικά τους επηρεάζουν τις διαδικασίες που ακολουθούν οι μανθάνοντες, για οικοδόμηση 60
εννοιολογικής κατανόησης. Μέσα από την ανάλυση του πραγματικού τρόπου που εργάζονται οι μανθάνοντες σε περιβάλλοντα πειραματισμού όπου αξιοποιείται και ο ΠΕΕ, μπορούν να προκύψουν εφαρμογές για την διδασκαλία και την μάθηση στις φυσικές επιστήμες. Η παρούσα έρευνα στοχεύει προς αυτή την κατεύθυνση, με σκοπό τη διερεύνηση των διαδικασιών που ακολουθούν οι μανθάνοντες στο πλαίσιο του ΠΕΕ, όταν εφαρμόζεται η διδακτική προσέγγιση της διερώτησης. Συγκεκριμένα, στοχεύει προς μια συγκριτική και σφαιρική περιγραφή της εργασίας τριών ομάδων προπτυχιακών εκπαιδευτικών, ώστε να χαρτογραφηθούν οι διαδικασίες που ακολουθούν για οικοδόμηση εννοιολογικής κατανόησης και διαπραγμάτευσης (νέας) γνώσης για το συγκείμενο φως και χρώμα. Οι μαθητές έχουν πληθώρα εναλλακτικών αντιλήψεων όσο αφορά φαινόμενα οπτικής, που αναπτύσσονται κυρίως μέσα από την εμπειρία τους και δύσκολα αλλάζουν (Van Zee, Hammer, Bell, Roy and Peter, 2005; Galili and Hazan, 2000; Langley, Ronen and Eylon, 1997). Επομένως, χρειάζονται στήριξη για να χτίσουν την κατανόηση τους πάνω στις γνώσεις που αποκτούν μέσα από την καθημερινή ζωή (Van Zee et al., 2005). Η ανάπτυξη των ιδεών για το φως επηρεάζεται από πληθώρα περιπλεγμένων παραγόντων σε συνδυασμό με τις προϋπάρχουσες αντιλήψεις (Puntambekar and Kolodner, 2005), συνεπώς επιβάλλεται μια καλά σχεδιασμένη διδακτική προσέγγιση, που θα οδηγεί στην οικοδόμηση ενός συνεπούς περιγραφικού και επεξηγηματικού μοντέλου των οπτικών φαινομένων (Langley et al., 1997). Η διερώτηση αποτελεί κατάλληλη προσέγγιση διδασκαλίας για το συγκείμενο Φως και Χρώμα, δίνοντας την δυνατότητα στους μανθάνοντες να οικοδομήσουν ενεργά τη γνώση για τον τρόπο που συμπεριφέρεται το φως, εκτελώντας πειράματα σε μικρές ομάδες (Van Zee et al., 2005). Όταν η ομαδική εργασία πραγματοποιείται σε περιβάλλοντα διερώτησης, η μάθηση, τα επιτεύγματα, τα κίνητρα και οι στάσεις των μανθανόντων απέναντι στο συγκείμενο, βελτιώνονται (Gillies, 2003; Chang and Mao,1999; Okada and Simon, 1997). Η διερώτηση αποτελεί ένα πολύ υποσχόμενο πρότυπο διδασκαλίας και μάθησης, όπου οι μανθάνοντες έχουν κεντρικό και ενεργό ρόλο (Grandy and Duschl, 2007). Περιλαμβάνει πληθώρα στοιχείων, όπως διατύπωση ερωτήσεων, σχεδιασμό ερευνών, συλλογή, ανάλυση και ερμηνεία δεδομένων, ανακοίνωση αποτελεσμάτων, ανάλυση εναλλακτικών εξηγήσεων και προβλέψεων και διατύπωση λογικών συμπερασμάτων (Puntambekar and Kolodner, 2005; Chang and Mao, 1999). Ταυτόχρονα, αποτελεί δύσκολη και πολύπλοκη διαδικασία μάθησης (Abd-El-Khalick et al., 2004), κατά την οποία οι μαθητές αντιμετωπίζουν γνωστικές και πρακτικές δυσκολίες, επομένως απαιτεί διδακτική υποστήριξη από τους εκπαιδευτικούς (de Jong, 2006; Puntambekar and Kolodner, 2005). Ο πειραματισμός μέσω διερώτησης μπορεί να εφαρμοστεί, τόσο μέσω ΠΠΕ, όσο και μέσω ΠΕΕ, συμβάλλοντας στην εννοιολογική αλλαγή και την καλύτερη κατανόηση εννοιών (Zacharia, 2007). Μεθοδολογία Δείγμα H παρούσα έρευνα ακολούθησε την προσέγγιση της μελέτης περίπτωσης, για τη διερεύνηση των διαδικασιών οικοδόμησης εννοιολογικής κατανόησης τριών ομάδων προπτυχιακών εκπαιδευτικών του Τμήματος Επιστημών της Αγωγής του Πανεπιστημίου Κύπρου. Την πρώτη ομάδα αποτελούσαν 4 φοιτήτριες οι οποίες χρησιμοποίησαν πειραματισμό σε πραγματικό και εικονικό εργαστήριο (ΠΠΕ/ΠΕΕ), τη δεύτερη 2 φοιτήτριες, οι οποίες χρησιμοποίησαν ΠΠΕ/ΠΕΕ και την τρίτη ομάδα 61
αποτελούσαν 3 φοιτήτριες που χρησιμοποίησαν πειραματισμό μόνο σε εικονικό εργαστήριο, σε συνδυασμό με επιπρόσθετες εικονικές αναπαραστάσεις (ΠΕΕΑ). Οι ομάδες επιλέχθηκαν τυχαία από τρία διαφορετικά εργαστήρια φυσικών επιστημών. Διδακτική Προσέγγιση και Διδακτικό Υλικό Η διδακτική προσέγγιση που ακολουθήθηκε, καθώς και το διδακτικό υλικό που χρησιμοποιήθηκε, ήταν τα ίδια για όλες τις ομάδες και βασίστηκαν στο πρότυπο της μάθησης μέσω διερώτησης. To διδακτικό υλικό που επιλέγηκε ήταν το «Φυσική με Διερώτηση» (McDermott and The Physics Education Group of the University of Washington, 1996). Συγκεκριμένα, επιλέγηκε η ενότητα «Φώς και Χρώμα», που περιλάμβανε τα κεφάλαια: Εισαγωγή στο φως, Σκιές, Bαφές και Έγχρωμο φως. Το εικονικό εργαστήριο που επιλέγηκε ήταν το Optilab, σε συνδυασμό με κάποιες επιπρόσθετες προσομοιώσεις, οι οποίες επιλέγηκαν από το διαδίκτυο για την ολοκληρωμένη διεξαγωγή του διδακτικού υλικού. Το διδακτικό προσωπικό που έλαβε μέρος στην παρούσα προσπάθεια ήταν το ίδιο για όλες τις πειραματικές συνθήκες. Συλλογή Δεδομένων Η συλλογή των δεδομένων έγινε με οπτικογραφήσεις που πραγματοποιήθηκαν κατά τη διεξαγωγή των εργασιών των ατόμων στις ομάδες τους. Οι ομάδες οπτικογραφήθηκαν σε όλη τη διάρκεια παραμονής τους στο εργαστήριο, που διαρκούσε μιάμιση ώρα, για έξι εβδομάδες. Σε όλη τη διάρκεια των παρεμβάσεων τηρήθηκε αναστοχαστικό ημερολόγιο του ερευνητή, όπου συμπεριλαμβάνονταν σχόλια σχετικά με τον τρόπο που εργάζονταν οι ομάδες. Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκε συλλογή των τετραδίων των σημειώσεων των ομάδων. Ο ερευνητής δεν είχε οποιαδήποτε παρέμβαση στο έργο του διδακτικού προσωπικού. Ανάλυση δεδομένων Όλες οι οπτικογραφήσεις, απομαγνητοφωνήθηκαν και κωδικοποιήθηκαν με βάση συγκεκριμένο έντυπο κωδικοποίησης, που δημιουργήθηκε ειδικά για την παρούσα έρευνα, με σκοπό την πλήρη αποτύπωση του τρόπου εργασίας των ομάδων στο εργαστήριο. Η δημιουργία του εντύπου έγινε με τη συνεργασία δύο ανεξάρτητων ερευνητών, που μελέτησαν 3 ομάδες, εκ των οποίων η μια ήταν κοινή. Αφού παρακολούθησαν αντιπροσωπευτικές οπτικογραφήσεις των ομάδων τους, διάβασαν απομαγνητοφωνημένα κείμενα και μελέτησαν σχετικά άρθρα, έκαναν εισηγήσεις για το τι θεωρούν σημαντικό να περιλαμβάνεται στο έντυπο κωδικοποίησης, τις οποίες συζήτησαν με τους έμπειρους ερευνητές, που έκαναν τα δικά τους σχόλια και προτάσεις. Το έντυπο κωδικοποίησης που δημιουργήθηκε εφαρμόστηκε ανεξάρτητα σε μερικά απομαγνητοφωνημένα κείμενα. Και οι δυο ερευνητές κατέληξαν πως δεν ήταν κατάλληλο για το υλικό της παρούσας έρευνας. Έτσι, σε επόμενη συνάντηση τους με τους έμπειρους ερευνητές, λήφθηκαν υπόψη τα νέα δεδομένα, και το έντυπο αναδιαμορφώθηκε, για να συμπεριλάβει νέα στοιχεία κωδικοποίησης που προέκυψαν. Συγκεκριμένα, περιελάμβανε πέντε κατηγορίες (δραστηριότητα, είδος διαλόγου, ομιλία, προσοχή, τεκμηρίωση) οι οποίες κωδικοποιήθηκαν με συγκεκριμένους κώδικες η κάθε μια. Δύο ερευνητές κωδικοποίησαν ανεξάρτητα το 33% των δεδομένων της ίδιας ομάδας, για να ελεγχθεί η αξιοπιστία της ανάλυσης (inter-ratter reliability). Οι μετρήσεις 62
αξιοπιστίας (Cohen s Kappa) κατέδειξαν συντελεστή πάνω από 0.8 σε όλες τις κατηγορίες κωδικοποίησης. Τα δεδομένα που κωδικοποιήθηκαν, αναλύθηκαν περαιτέρω με την μέθοδο στατιστικής ανάλυσης Chi-Square Test. Ο σκοπός της ανάλυσης ήταν να διερευνηθεί ο τρόπος που εργάζονται οι ομάδες, αναφορικά με τις διαδικασίες που ακολουθούν και τα χαρακτηριστικά των διαλόγων που χρησιμοποιούν και κατά πόσο εντοπίζονται στατιστικά σημαντικές διαφοροποιήσεις ανάλογα με τη μέθοδο πειραματισμού στην οποία εργάστηκαν. Κατά τη στατιστική ανάλυση οι δύο ομάδες που ασχολήθηκαν με ΠΠΕ/ΠΕΕ, μελετήθηκαν σαν μια ομάδα, αφού δεν παρουσίαζαν διαφορές μεταξύ τους. Αποτελέσματα Η στατιστική ανάλυση, κατέδειξε και για τις δυο ομάδες, στατιστικά σημαντικές διαφορές μεταξύ των συχνοτήτων εκδήλωσης των υποκατηγοριών της κάθε κατηγορίας και των αναμενόμενων συχνοτήτων, με βάση το δείγμα της έρευνας. Εντοπίστηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές, σε όλες τις υποκατηγορίες της «Δραστηριότητας» (χ²(6)=468,223, ρ<0,0001), της «ομιλίας» (χ²(1)=13,972, ρ<0,0001) και της «Προσοχής» (χ²(3)=455,002, ρ<0,0001). Στο «Είδους Διαλόγου» εντοπίστηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές (χ²(6)=444,696, ρ<0,0001) στις υποκατηγορίες απάντηση, δήλωση, σχόλιο, ανάγνωση οδηγιών, διαδικαστικά και άσχετα σχόλια, ενώ δεν εντοπίστηκαν διαφορές στην υποκατηγορία ερώτηση. Στην «Τεκμηρίωση» εντοπίστηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές (χ²(2)=41,445, ρ<0,0001) στις υποκατηγορίες υφιστάμενο πείραμα και προηγούμενο πείραμα, αλλά δεν εντοπίστηκαν διαφορές στην υποκατηγορία προηγούμενη γνώση/εμπειρία. Σε όλες τις υποκατηγορίες παρατηρήθηκε μια αντίθετη τάση στις συχνότητες των δύο ομάδων. Όταν για την ομάδα ΠΠΕ/ΠΕΕ η συχνότητα εκδήλωσης μιας υποκατηγορίας ήταν μεγαλύτερη από την αναμενόμενη, για την ομάδα ΠΕΕΑ η συχνότητα εκδήλωσης της ίδιας υποκατηγορίας ήταν μικρότερη από την αναμενόμενη και το αντίθετο. Δεδομένου ότι κατά το σχεδιασμό της έρευνας δόθηκε προσοχή, ώστε να μην υπάρχουν διαφορές σε κανένα από τα στοιχεία που μπορούν να επηρεάσουν τον τρόπο που εργάζονται οι ομάδες (διδακτικό υλικό, διδακτικό προσωπικό, χρόνος παραμονής στο εργαστήριο), μπορεί να υποστηριχθεί ότι οι διαφορές που παρατηρήθηκαν στις δραστηριότητες και στα χαρακτηριστικά των διαλόγων, οφείλονται κυρίως στο περιβάλλον πειραματισμού. Στην ομάδα ΠΕΕΑ ασχολήθηκαν περισσότερο από το αναμενόμενο με την «πρόβλεψη», την «πειραματική διαδικασία» και την «παρατήρηση», ενώ στην ομάδα ΠΠΕ/ΠΕΕ με την «επεξήγηση». Μια δοκιμή στον ΠΕΕ είναι πολύ πιο γρήγορη από ότι στον ΠΠΕ (Triona et al., 2005; Hofstein and Lunetta, 2004), επομένως στη ομάδα ΠΕΕΑ είχαν περισσότερο χρόνο να ασχοληθούν με την πρόβλεψη και να κάνουν άμεσες συγκρίσεις με την παρατήρηση. Οι παρατηρήσεις ήταν ξεκάθαρες και δεν παρουσίαζαν διαφορές μεταξύ διαδοχικών πειραμάτων, έτσι στις συζητήσεις τους χρησιμοποιούσαν κυρίως δεδομένα από το υφιστάμενο κάθε φορά πείραμα. Επίσης, είχαν περισσότερο χρόνο για συζήτηση στην ομάδα, η οποία προάγεται και μέσα από την χρήση προσομοιώσεων (van Joolingen et al, 2005) και αναπαραστάσεων που υποβοηθούν την υποβολή ιδεών για συζήτηση (Forbus, Carney, Harris and Sherin, 2001). Η ενασχόληση μόνο με τον ΠΕΕ δεν έδινε πολλές ευκαιρίες για διατύπωση διαφορετικών ιδεών, μέχρι να καταλήξουν σε αποδεκτές ερμηνείες. Η διατύπωση 63
όμως πληθώρας ιδεών στην ομάδα είναι πολύ σημαντική, αφού έτσι προάγεται η συνεργατική διερώτηση, ενώ οι διάφορες επεξηγήσεις που προκύπτουν, συμβάλλουν στη δημιουργία ολοκληρωμένης κατανόησης (Kaartinen and Kumpulainen, 2002). Στον ΠΠΕ συχνά οι παρατηρήσεις δεν ήταν ξεκάθαρες, με αποτέλεσμα στην ομάδα ΠΠΕ/ΠΕΕ να μην έχουν πολύ εμπιστοσύνη σε αυτές. Επιπρόσθετα, προέκυπταν αντιφατικά αποτελέσματα και γεννιούνταν διαφορετικές ιδέες από σχετικές παρατηρήσεις σε άλλο περιβάλλον. Η προσπάθεια για επεξήγηση τέτοιων διαφορών, οδηγούσε σε εκτενείς συλλογισμούς και συνδέσεις των εικονικών αντικειμένων με τα πραγματικά, έτσι δημιουργήθηκαν περισσότεροι προβληματισμοί σε σχέση με τις ερμηνείες που έπρεπε να δώσουν, διατυπωθήκαν διάφορες και διαφορετικές ιδέες, απόψεις και συμπεράσματα, διαδικασία που έπαιρνε χρόνο αλλά είχε ως αποτέλεσμα παραγωγικές συζητήσεις. Η αντιπαραβολή και σύγκρουση ιδεών οδηγούσε σε εκτενείς συζητήσεις κατά την συμπλήρωση του φύλλου εργασίας, αλλά και κατά τον πειραματισμό, όπου χρησιμοποιούσαν κυρίως γνώσεις από προηγούμενα πειράματα. Τα πιο πάνω συνάδουν και με την παρατήρηση ότι οι φοιτήτριες δυσκολεύονταν να δώσουν μια ξεκάθαρη απάντηση στις ερωτήσεις που διατυπώνονταν, δίνοντας εναλλακτικές ερμηνείες, ενώ τα μέλη της ομάδας ΠΕΕΑ απαντούσαν με μεγαλύτερη σιγουριά και αυτοπεποίθηση διατυπώνοντας ευκολότερα ξεκάθαρες απαντήσεις. Συζήτηση Σκοπός της παρούσας έρευνας ήταν η περιγραφή των διαδικασιών οικοδόμησης εννοιολογικής κατανόησης και διαπραγμάτευσης (νέας) γνώσης για φυσικά φαινόμενα. Τα ευρήματα φανερώνουν στατιστικά σημαντικές διαφορές στις διαδικασίες που ακολουθούν οι μανθάνοντες σε διαφορετικά περιβάλλοντα πειραματισμού. Τόσο ο ΠΠΕ/ΠΕΕ, όσο και ο ΠΕΕΑ ενέπλεξαν τους μανθάνοντες σε μια διαδικασία διερώτησης, ως τόσο δημιούργησαν διαφορετικές συνθήκες εργασίας, που τους οδήγησαν να εστιάζουν σε κάποιες από τις προτεινόμενες δραστηριότητες περισσότερο και σε κάποιες λιγότερο, από το αναμενόμενο. Στην ομάδα ΠΕΕΑ η ενασχόληση με ένα μόνο περιβάλλον, συνέβαλε ώστε τα μέλη της να διεξάγουν τα καθορισμένα πειράματα ακολουθώντας με περισσότερη ακρίβεια την προτεινόμενη πορεία του φύλλου εργασίας. Επίσης, απέκτησαν μεγαλύτερη εξοικείωση στη διεξαγωγή πειραμάτων και ερμηνεία αποτελεσμάτων. Ο ΠΕΕ δίνει την δυνατότητα για γρήγορη επανάληψη ενός πειράματος και άμεση ανατροφοδότηση (Zacharia, 2007), ακόμα και όταν ο εκπαιδευτικός απουσιάζει (Steinberg, 2000). Επομένως, οποιαδήποτε ιδέα/ερμηνεία είχαν μπορούσαν να τη δοκιμάζουν αμέσως, παίρνοντας γρήγορες και ξεκάθαρες παρατηρήσεις, έτσι απαντούσαν πιο εύκολα και ερωτήσεις κατανόησης του φύλλου εργασίας, χωρίς να επικαλούνται συχνά την βοήθεια του διδακτικού προσωπικού. Συνεπώς, και η συζήτηση με το διδακτικό προσωπικό, γινόταν κυρίως στα καθορισμένα σημεία. Αντίθετα, ο συνδυασμός των περιβαλλόντων, δημιούργησε την ανάγκη στα μέλη της ομάδας ΠΠΕ/ΠΕΕ για περισσότερη στήριξη και καθοδήγηση από το διδακτικό προσωπικό σε πρακτικό και ερμηνευτικό επίπεδο, σε όλη την διάρκεια του εργαστηρίου και όχι μόνο στα καθορισμένα σημεία. Τους απασχόλησαν διαδικαστικά θέματα, τόσο κατά τον ΠΠΕ, αφού η χρήση του προβάλλει συχνά διαδικαστικές δυσκολίες (Chinn and Malhotra, 2002), όσο και κατά τον ΠΕΕ, αφού το εικονικό περιβάλλον, δεν είναι οικείο για τους μανθάνοντες, ενώ για την σωστή χρήση των προσομοιώσεων συχνά χρειάζεται επιπλέον ενασχόληση (Marshall and Young, 2006). 64
Επίσης, ξέφευγαν περισσότερο από την πορεία του φύλλου εργασίας, διατυπώνοντας συχνά και άσχετα με το περιεχόμενο σχόλια. Ταυτόχρονα, γεννήθηκαν περισσότεροι προβληματισμοί που οδηγούσαν σε παραγωγικές συζητήσεις. Τα αποτελέσματα συνάδουν και με έρευνα των Louca and Zacharia (2008), όπου έδειξαν πως τα χαρακτηριστικά των δραστηριοτήτων και των διαλόγων των μανθανόντων που εργάζονταν σε ομάδες, σε διαφορετικά εκπαιδευτικά προγράμματα του ηλεκτρονικού υπολογιστή, παρουσίαζαν διαφορές. Η στήριξη από τον εκπαιδευτικό στις ομάδες, φαίνεται πως πρέπει να παρέχεται λιγότερο ή περισσότερο, σε διαφορετικές φάσεις κατά τη διάρκεια του εργαστηρίου. Επομένως, θα μπορούσαν να δημιουργηθούν εκ των προτέρων, επιπλέον δραστηριότητες οι οποίες θα είναι διαφορετικές, ανάλογα με το περιβάλλον πειραματισμού, ώστε να ενθαρρύνεται η ενασχόληση με δραστηριότητες που σε άλλη περίπτωση θα παραμελούνταν, όπως για παράδειγμα η πρόβλεψη κατά τον ΠΠΕ. Η παρατήρηση των αναπαραστάσεων επηρέασε θετικά την όλη εργασία στην ομάδα, αφού μέσα από αυτές προέκυπταν ιδέες και ερμηνείες σχετικά με τις έννοιες που διαπραγματευόταν το πείραμα, και έδιναν το έναυσμα για συζητήσεις κατανόησης, καθώς και δεδομένα για τεκμηρίωση δηλώσεων. Οι αναπαραστάσεις αποτελούν επομένως χρήσιμο εργαλείο που μπορεί να συμβάλει στην κατανόηση, αφού προάγουν τη δημιουργία παραγωγικών συζητήσεων στην ομάδα, καθώς τα μέλη της προσπαθούν να ερμηνεύσουν όσα παρατηρούν στην αναπαράσταση (Kelly and Crawford, 1996) και υποβοηθούν να γίνουν συνδέσεις μεταξύ του μοντέλου και του παρατηρήσιμου φαινομένου (Chang et al., 2009). Η μελέτη του τρόπου που εργάζονται οι μανθάνοντες σε διαφορετικά περιβάλλοντα, έχει να δώσει αξιοσημείωτα και διφορούμενα πολλές φορές αποτελέσματα, που μπορούν όμως να φανούν χρήσιμα για την ενσωμάτωση τέτοιων πειραματικών μεθόδων και να υποδείξουν βέλτιστους τρόπους εφαρμογής διαφόρων περιβαλλόντων πειραματισμού, ανάλογα και με τους μαθησιακούς στόχους. Η εξοικονόμηση χρόνου για παράδειγμα, είναι ένα πλεονέκτημα του ΠΕΕ που φαίνεται να επηρεάζει γενικά τον τρόπο που εργάζονται οι μανθάνοντες, αλλά ο επιπλέον χρόνος που απαιτείται κατά τον ΠΠΕ μπορεί να επηρεάσει θετικά τη μάθηση (Triona et al., 2005). Συνεπώς, στη διαδικασία επιλογής, σχεδιασμού και εφαρμογής του κατάλληλου περιβάλλοντος είναι χρήσιμο να λαμβάνονται υπόψη οι στόχοι που πρέπει να επιτευχθούν και οι δυνατότητες κάθε μορφής πειραματισμού που μπορούν να συμβάλλουν στη βέλτιστη επίτευξη τους (Zacharia and Constantinou, 2008). Ταυτόχρονα για την επιλογή της καταλληλότερης προσομοίωσης ή εικονικού εργαστηρίου χρειάζεται να διερευνούνται οι αρχές με τις οποίες σχεδιάστηκαν και ο τρόπος που αυτές συμβάλλουν στην μάθηση (Scalise et al., 2011). Παράλληλα, η γνώση ότι κατά την εφαρμογή της μιας ή της άλλης μορφής πειραματισμού, οι διαδικασίες που ακολουθούν οι μανθάνοντες για οικοδόμηση εννοιολογικής κατανόησης, πιθανόν να παρουσιάσουν διαφορές, μπορεί να βοηθήσει ώστε να ενσωματωθούν τα κατάλληλα χαρακτηριστικά σε ένα εικονικό περιβάλλον για παραγωγική και εποικοδομητική αξιοποίηση τους από τους χρήστες, είτε χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με πραγματικό περιβάλλον, είτε όχι. Η περιοχή έρευνας που σχετίζεται με τη σύγκριση ΠΠΕ και ΠΕΕ στο πλαίσιο της μάθησης μέσω διερώτησης, έχει ακόμη πολλά να διερευνήσει, ενώ ακόμη περισσότερα χρειάζεται να διερευνηθούν σχετικά με τον κατάλληλο συνδυασμό και 65
εφαρμογή τους (Ζacharia, 2007; Winn et al., 2006). Ωστόσο, φαίνεται πως συνδυάζοντας εμπειρίες σε πραγματικά και εικονικά περιβάλλοντα, ικανοποιούνται πολλοί και διαφορετικοί στόχοι, εμπλουτίζεται η μαθησιακή διαδικασία από τα ιδιαίτερα στοιχεία που προσφέρει σε αυτή η κάθε προσέγγιση χωριστά και υπερπηδούνται αδυναμίες που εμφανίζονται στις δυο μορφές πειραματισμού (Zacharia et al. 2008; Winn et al., 2006). Σε αυτό το πλαίσιο, η παρούσα έρευνα έδειξε, πως ο ΠΠΕ/ΠΕΕ υποστηρίζει την πλούσια συζήτηση στην ομάδα και προάγει την ενεργό εμπλοκή όλων των μελών. Ωστόσο, ο συνδυασμός πρέπει να είναι πολύ καλά σχεδιασμένος, οι χρήστες να μην χρειάζονται συνεχώς διαδικαστική βοήθεια, και να αποκτήσουν περισσότερη εμπιστοσύνη στον ΠΠΕ, ώστε η ενασχόληση και με τα δύο περιβάλλοντα να επιτυγχάνεται στο βέλτιστο δυνατό βαθμό. Αναφορές Αγγλικές Abd-El-Khalick, F., Duschl, R., Lederman, N.G., Mamlok, R., Hofstein, A., BouJaoude, S., Niaz, M., and Tuan, H. (2004). Inquiry in Science Education: International Perspectives, Science Education, 88(3): 397-419. Chang, C.-Y., and Mao, S.-L., (1999). Comparison of Taiwan science students' outcomes with inquiry-group versus traditional instruction, The Journal of Educational Research, 92(6): 340-346. Chang, H.-Y., Quintana, C., and Krajcik, J.S. (2009). The Impact of Designing and Evaluating Molecular Animations on How Well Middle School Students Understand the Particulate Nature of Matter, Science Education, 1-22. Chinn, C.A., and Malhorta, B.A. (2002). Epistemologically Authentic Inquiry in Schools:A Theoretical Framework for Evaluating Inquiry Tasks, Science Education, 86: 175-218. De Jong, T. (2006). Scaffolds for scientific discovery learning. In J. Elen and D. Clark (Eds.), Handling complexity in learning environments:research and theory. London: Elsevier Science Publishers. Forbus, K.D., Carney, K., Harris, R., and Sherin, B. (2001). A qualitative modeling environment for middle school students: A progress report. Paper presented at the Fifteenth International Workshop on Qualitative Reasoning, San Antonio, Texas. Galili I., and Hazan A.(2000). Learners' knowledge in optics: interpretation, structure and analysis, International Journal on Science Education, 22(1): 57-88. Gillies, R.M. (2003). Structuring cooperative group work in classrooms, International Journal of Educational Research, 39: 35 49. Grandy, R.E., and Duschl, R. (2007). Reconsidering the character and role of inquiry in school science:analysis of a conference, Science and Education, 16(2): 141-166. Hofstein, A., and Lunetta, V.N. (2004) The laboratory in science education: Foundations for the twenty-first century, Science Education, 88(1): 28-45. 66
Kaartinen, S., and Kumpulainen, K. (2002). Collaborative inquiry and the construction of explanations in the learning of science, Learning and Instruction, 12(2): 189 212. Kelly, G.J., and Crawford, T. (1996). Students Interaction with Computer Representations:Analysis of Discourse in Laboratory Groups, Journal of research in science teaching, 33(7): 693-707. Langley, D., Ronen, M., and Eylon, B.S. (1997). Light Propagation and Visual Patterns: Preinstruction Learners Conceptions, Journal of research in science teaching, 34(4): 399 424. Louca L.T., and Zacharia Z.C. (2008). The Use of Computer-based Programming Environments as Computer Modelling Tools in Early Science Education: The cases of textual and graphical program languages, International Journal of Science Education, 30(3): 285 321. Marshall, J.A., and Young E.S. (2006). Preservice Teachers Theory Development in Physical and Simulated Environments, Journal of research in science teaching, 43(9):907 937. Okada, T., and Simon, H.A. (1997). Collaborative Discovery in a Scientific Domain, Cognitive Science, 21(2): 109-146. Puntambekar, S., and Kolodner, J.L. (2005). Toward implementing distributed scaffolding: Helping students learn science from design, Journal of Research in Science Teaching, 42(2): 185-217. Scalise, K., Timms, M., Moorjani, A., Clark, LK., Holtermann, K., and Irvin, P.S. (2011). Student learning in science simulations: Design features that promote learning gains, Journal of Research in Science Teaching, 48(9): 1050-1078. Smetana, L.K., and Bell, R.L., (2011). Computer simulations to support science instruction and learning: A critical review of the literature, International Journal of Science Education,doi:10.1080/09500693.2011.605182. Steinberg, R.N. (2000). Computers in teaching science: To simulate or not to simulate? Am. J. Phys. 68(7): 37-41. 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(7): 859-882. Toth, E.E., Morrow, B.L., and Ludvico, L.R. (2008). Designing blended inquiry learning in a laboratory context: A study of incorporating hands-on and virtual laboratories, Innovative Higher Education, 33(5). 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 & Instruction, 21: 149-173. 67
Triona, L.M., Klahr, D., and Williams,C. (2005). Point and click or build by hand: comparing the effects of physical vs. virtual materials on middle school students' ability to optimize an engineering design. Proc. 27th Annual Conference of the Cognitive Science Society, 2202-2205. Van Joolingen, W.R., de Jong, T., Lazonder, A.W., Savelsbergh, E.R., and Manlove, S. (2005). Co-Lab: Research and development of an online learning environment for collaborative scientific discovery learning, Computers in Human Behavior. 21:671-688. Van Zee, E.H., Hammer, D., Bell, M., Roy, P., and Peter, J.(2005). Learning and teaching science as inquiry: A case study of elementary school teachers' investigations of light, Science Education, 89:1007-1042. Winn, W., Stahr, F., Sarason, C., Fruland, R., Oppenheimer, P., and Lee, Y.-L. (2006). Learning oceanography from a computer simulation compared with direct experience at sea, Journal of Research in Science Teaching, 43(1): 25-42. Zacharia, Z.C. (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):120 132. 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(4&5): 425-430. Zacharia, C.Z., 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. 68