ΧΡΗΣΗ ΕΙΚΟΝΙΚΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΓΙΑ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗ ΤΗΣ ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑΣ ΧΗΜΕΙΑΣ

ΧΡΗΣΗ ΕΙΚΟΝΙΚΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΓΙΑ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗ ΤΗΣ ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑΣ ΧΗΜΕΙΑΣ Πατσαλού Θεοδώρα, εκπαιδευτικός, φοιτήτρια μεταπτυχιακού πληροφορικής (patdora@ath.forthnet.gr) Δρ. Χαρίτος Δημήτριος, συνεργάτης ερευνητής (virtual@di.uoa.gr) Επικ. Καθ. Μαρτάκος Δρακούλης, Υπεύθυνος ερευνητικής ομάδας HYDILIB, (martakos@di.uoa.gr) Ερευνητική Ομάδα Πολυμέσου και Ψηφιακών Βιβλιοθηκών (HYpermedia and DIgital LIBraries Research Group - HyDiLib) Τμήμα Πληροφορικής Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών Λέξεις κλειδιά: εικονική πραγματικότητα και εκπαίδευση Περίληψη: Θέμα: Εκπαιδευτικές εφαρμογές της Εικονικής Πραγματικότητας 1

1. Εισαγωγή Στόχος του άρθρου αυτού είναι να εξετάσει θεωρητικά και πειραματικά κατά πόσο η τεχνολογία Εικονικής Πραγματικότητας (ΕΠ) μπορεί να υποστηρίξει τη διαδικασία εκπαίδευσης και μάθησης. Η προσέγγιση του παραπάνω στόχου γίνεται ακολουθώντας τα παρακάτω στάδια: 1. Επιχειρείται εντοπισμός των σημείων στα οποία οι σύγχρονες θεωρίες μάθησης βρίσκονται σε συμφωνία με τις αρχές και τις δυνατότητες των εικονικών περιβαλλόντων, που χρησιμοποιούνται για ενίσχυση της εκπαιδευτικής διαδικασίας και μάθησης. Για τον σκοπό αυτό εξετάζονται βασικές έννοιες και χαρακτηριστικά της τεχνολογίας ΕΠ καθώς και ορισμένες θεωρίες μάθησης που επέφεραν σημαντική αλλαγή στα παραδοσιακά εκπαιδευτικά μοντέλα. 2. Στη συνέχεια αναζητούνται οι σημαντικότεροι λόγοι που υποστηρίζουν ή όχι τη χρήση εικονικών περιβαλλόντων στην Εκπαίδευση. 3. Τέλος, αναπτύσσεται εκπαιδευτικό εικονικό περιβάλλον που υποστηρίζει τη διδασκαλία του μαθήματος Χημείας Β' Γυμνασίου βάσει του αναλυτικού προγράμματος του ΥΠΕΠΘ. Το λογισμικό αυτό θα χρησιμοποιηθεί σαν εργαλείο αξιολόγησης της χρησιμότητας της τεχνολογίας ΕΠ στην εκπαιδευτική διαδικασία μέσω της ενεργούς συμμετοχής των μαθητών. 2. Εικονική Πραγματικότητα και Εκπαίδευση 2.1 Εικονική Πραγματικότητα Ο πρώτος που διατύπωσε τον όρο ΕΠ (Virtual Reality - VR) ήταν ο Jaron Larnier (1989) ο ο- ποίος την όρισε σαν ένα περιβάλλον δημιουργημένο από υπολογιστή, αλληλεπιδραστικό και τρισδιάστατο στο οποίο ένα άτομο είναι εμβυθισμένο. Στη δεκαετία του '60 ο Ivan Sutherland (1) είχε ήδη παρουσιάσει καινούργιες δυνατότητες των Η/Υ για απεικόνιση μέσω γραφικών, σε πραγματικό χρόνο (real time) και είχε προβλέψει την εξέλιξη των συστημάτων αυτών ως την επόμενη γενιά επικοινωνίας ανθρώπου - Η/Υ. Η ΕΠ είναι ένα σύστημα διεπαφής ανθρώπου-υπολογιστή (human-computer interface) που χαρακτηρίζεται από υψηλό βαθμό εμβύθισης και αλληλεπίδρασης, με στόχο να κάνει το χρήστη να πιστέψει όσο το δυνατόν περισσότερο ότι βρίσκεται μέσα στο περιβάλλον αλληλεπίδρασης και δεν είναι απλά εξωτερικός παρατηρητής. Ουσιαστικά, μέσω της ΕΠ, ο υπολογιστής και οι ποικίλες συμπληρωματικές συσκευές χρησιμοποιούνται για να δημιουργηθούν προσομοιώσεις των ανθρώπινων εμπειριών. Σκοπός είναι η βελτίωση όλων των τύπων της επικοινωνίας μεταξύ ανθρώ- 2

πων, μηχανών και άλλων οντοτήτων (2). Μέσω της ΕΠ παρέχεται στο χρήστη, με ένα πλήρως φυσικό, ενστικτώδη και πολυαισθητηριακό τρόπο, η δυνατότητα να αλληλεπιδρά με ένα συνθετικό περιβάλλον δημιουργημένο από υπολογιστή, όντας εμβυθισμένος και πετυχαίνοντας την αίσθηση της παρουσίας (sense of presence) (3) μέσα σε αυτό το περιβάλλον. Η ΕΠ έχει χρησιμοποιηθεί σε πολλούς και διαφορετικούς τομείς όπως στην ιατρική, αρχιτεκτονική, αξιολόγηση βιομηχανικού σχεδιασμού, βιομηχανία διασκέδασης, μοριακή μοντελοποίηση, απεικόνιση συστημάτων πληροφοριών, προσομοίωση πτήσεων, χειρισμού μηχανών και οχημάτων, επικίνδυνων περιβαλλόντων, του μικρόκοσμου ή του μακρόκοσμου, ενίσχυση ανθρώπων με ειδικές ανάγκες, για στρατιωτικούς σκοπούς και στην Εκπαίδευση (4). Πολλοί επιστήμονες και ερευνητές πιστεύουν ότι η ΕΠ προσφέρει μεγάλες δυνατότητες για την υποστήριξη της μάθησης και της διδακτικής πράξης (5). Σημείο κλειδί αυτής της σύγκλισης αποτελεί η αξιοποίηση των δυνατοτήτων και των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών που παρέχονται από τα εικονικά περιβάλλοντα με στόχο την εφαρμογή βασικών αρχών και εννοιών των σύγχρονων θεωριών μάθησης. 2.2 Θεωρίες Μάθησης Τα τελευταία χρόνια τόσο στην Αμερική όσο και στην Ευρώπη παρατηρήθηκε μια κίνηση αναθεώρησης των παραδοσιακών 1 εκπαιδευτικών συστημάτων μάθησης και στροφή προς τις νέες θεωρίες μάθησης, που προσφέρουν νέες δυνατότητες προσέγγισης της εκπαιδευτικής διαδικασίας. Η Εποικοδομητική θεωρία καθώς και άλλες θεωρίες μάθησης που απορρέουν από τις Γνωστικές επιστήμες έρχονται να τροποποιήσουν το κλασικό εκπαιδευτικό μοντέλο. Οι θεωρητικές θέσεις του Piaget γύρω από την εξέλιξη της νοημοσύνης του παιδιού από τη γέννησή του μέχρι την εφηβεία αποτελούν μια από τις σημαντικότερες και πιο ολοκληρωμένες επιστημονικές μελέτες που σηματοδότησαν τη "γνωστική στροφή" στο χώρο της Ψυχολογίας τα τελευταία χρόνια. Πηγή της γνώσης, κατά τον Piaget, είναι η δράση και ο πειραματισμός με τα α- ντικείμενα. Η θεωρία του εποικοδομητισμού (constructivist theory) είναι το αποτέλεσμα της παραπάνω έρευνας μέσα από την οποία υποστηρίζεται ότι η γνώση συγκροτείται από την αλληλεπίδραση τόσο της αισθητηριακής εμπειρίας όσο και της λογικής. Η εποικοδομητική θεωρία, βασίζεται στην ανακάλυψη, το παιχνίδι και την φαντασία σαν θεμελιώδεις δραστηριότητες για την ανά- 1 Συμπεριφοριστές (Behaviorism - Behaviorists) 3

πτυξη της μάθησης του παιδιού. Ορισμένες από τις κυριότερες αρχές της εποικοδομητικής θεωρίας μάθησης είναι οι εξής: η νόηση χτίζεται σταδιακά διαμέσου της ενεργητικής εμπλοκής, τα παιδιά περνούν μέσα από στάδια κατά τα οποία δέχονται ιδέες που μετά μπορεί να θεωρηθούν λάθος, οι εκπαιδευτικοί πρέπει να κατανοούν αυτά τα βήματα ανάπτυξης του μυαλού του παιδιού και τελικά ο εκπαιδευτικός καθίσταται πλέον ως κατευθυντήριος σύμβουλος ο οποίος ρυθμίζει κατά τέτοιο τρόπο το μαθησιακό περιβάλλον ώστε ο μαθητής να μπορεί να ασκήσει ανεμπόδιστα τον αυθόρμητο τρόπο σκέψης του (6). Μέσα από την "ανακαλυπτική μάθηση" κατά τον Bruner (7) ο μαθητής δεν βρίσκει κάτι το τελείως νέο, αλλά με βάση τα ερεθίσματα που του δίνονται από το δάσκαλο και το περιβάλλον προχωρεί στην εύρεση λύσεων και απαντήσεων, ανακαλύπτει δηλαδή νέες έννοιες, κανόνες και νόμους που μέχρι εκείνη τη στιγμή δεν γνώριζε ή δεν είχε καλά συνειδητοποιήσει. Παράλληλα ο μαθητής θα πρέπει να κατέχει μια ενεργητική παραγωγική διάθεση απέναντι στη γνωστική επεξεργασία των πληροφοριών. Αυτή η στάση προσδιορίζει την ετοιμότητα του ατόμου για εξερεύνηση, για να αναζητήσει δηλαδή εναλλακτικές λύσεις, να υποψιαστεί, να αμφισβητήσει τα πληροφοριακά δεδομένα καθώς επίσης να παρουσιάσει και να επεξεργαστεί μια πληροφορία ή ένα αντικείμενο μάθησης στα τρία επίπεδα μάθησης (πραξιακό 2, εικονιστικό 3 και συμβολικό 4 ) (6). Είναι σημαντικό να τονισθεί η προσέγγιση της "μάθησης μέσα από την πράξη" (learning-by-doing) η οποία (8) α- ποτελεί ένα ακόμα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των σύγχρονων θεωριών μάθησης αντί της μηχανικής αποστήθισης και της δογματικής διδασκαλίας εννοιών που ίσχυε μέσα από τα παραδοσιακά μοντέλα μάθησης. Ο όρος "constructionism" κατά τον Papert (1991) σαν μια θεωρία μάθησης και εκπαίδευσης περικλείει δύο διαφορετικές πτυχές της έννοιας "δόμησης" σύμφωνα με τις οποίες ο άνθρωπος μαθαίνει ιδιαίτερα αποτελεσματικά μέσα από την ενεργή δόμηση της νέας γνώσης και μέσα από τη προσωπική του αλληλεπίδραση με τα εξωτερικά αντικείμενα (9). Με την θεωρία των πολλαπλών ευφυιών του Gardner 5 (1983) (10) που υποστηρίζεται ότι η διαδι- 2 Τρεις είναι οι τρόποι αναπαράστασης της γνώσης ή τρόποι μάθησης κατά Bruner. Σ' αυτό το στάδιο γίνεται αναπαράσταση γνώσεων που ήδη έχουν αποκτηθεί μέσω εμπειρίας με τις κινητικές ενέργειες και αισθητηριακές δεξιότητες του ατόμου 3 Σ' αυτό το στάδιο η αναπαράσταση του εξωτερικού κόσμου γίνεται με εσωτερικές πνευματικές εικόνες, δηλ. Υπάρχει ένα εσωτερικευμένο αντίγραφο χωρίς προσφυγή πάντα στις αισθητηριακές και κινητικές λειτουργίες. 4 Σ' αυτό το στάδιο η αναπαράσταση των πληροφοριών στηρίζεται σε σύμβολα ή συστήματα αφηρημένων συμβόλων 5 Multiple Intelligences theory: Ο Gardner (1983) υποστηρίζει οτι υπάρχουν τουλάχιστον 8 είδη ευφυίας, όπως η λεκτική, η λογική, η μουσική, η χωρική, η σωματική/κιναισθητική, η διαπροσωπική, η ενδοπροσωπική, και η φυσική (διαπιστώθηκαν και παραπάνω όπως οι γευστική/οσφρητική και αυτή της αφής [L. Sherman 1997]). 4

κασία μάθησης και εκπαίδευσης θα πρέπει να εστιάζει στις ιδιαίτερες ευφυίες του κάθε μαθητή, και το γνωστικό αντικείμενο θα πρέπει να διδάσκεται κατά τέτοιο ποικιλόμορφο τρόπο ώστε να καλύπτει -ικανοποεί όλες τις ξεχωριστές και ιδιαίτερες κλίσεις που μπορεί να έχει ο κάθε μαθητής. Με αυτό το τρόπο αυξάνεται η πιθανότητα επιτυχίας της κατανόησης του γνωστικού αντικειμένου από μεγαλύτερο αριθμό μαθητών. Συνοψίζοντας, οι σύγχρονες εκπαιδευτικές θεωρίες υποστηρίζουν την ενεργό συμμετοχή του μαθητή στη διαδικασία μάθησης και διδακτικής πράξης έναντι των παραδοσιακών συστημάτων εκπαίδευσης όπου ο ρόλος του ήταν παθητικός. Επίσης υποστηρίζουν νέους τρόπους μάθησης και απόκτησης της γνώσης, διατήρησης και γενίκευσής της μέσα από μια ενεργητική διαδικασία. 2.3 Η εικονική πραγματικότητα στην εκπαίδευση Η αλληλεπίδραση σε πρώτο πρόσωπο με το γνωστικό αντικείμενο, η μάθηση μέσα από την πράξη, η εμπειρική μάθηση, η ουσιαστικότερη προσέγγιση αφηρημένων εννοιών με τρόπο πολυαισθητηριακό, η δημιουργία κινήτρων, αποτελούν όπως προαναφέρθηκε βασικές αρχές των σύγχρονων θεωριών μάθησης και ενισχύουν το μοντέλο της εκπαιδευτικής διαδικασίας. Η ΕΠ είναι ένα σύστημα διεπαφής στο οποίο ο χρήστης βιώνει περισσότερο εμπειρικά παρά νοητικά την αλληλεπίδρασή του με το περιβάλλον. Πολλοί μελετητές (11) (12) (13), τονίζουν ότι η χρήση τέτοιων εικονικών περιβαλλόντων παρέχει τη δυνατότητα εμπειρικής μάθησης και για αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί επιτυχώς στην εκπαίδευση. Το τρισδιάστατο, πολυαισθητηριακό περιβάλλον και η αντιστοιχία ενεργειών και συμπεριφοράς του χρήστη με το απεικονιζόμενο αποτέλεσμα δημιουργούν την αίσθηση παρουσίας μέσα στο περιβάλλον αυτό ("sense of presence") (3). Η αίσθηση της παρουσίας θεωρείται ότι υποβοηθά την επικοινωνία της μαθησιακής εμπειρίας. Τα μαθησιακά εικονικά περιβάλλοντα υποστηρίζουν την αισθητηριακά πλούσια αλληλεπίδραση μαθητή-υπολογιστή, επιτρέποντας τον χειρισμό και την εξέταση των συνθετικών αντικειμένων, σαν να ήταν αντικείμενα του πραγματικού κόσμου. (12) Η ΕΠ παρέχει επίσης τη δυνατότητα στους χρήστες να δημιουργούν, να χειρίζονται και να επεξεργάζονται κάθε τύπο ψηφιακής πληροφορίας. Τα παιδιά μπορούν κατ' αυτόν τον τρόπο να δομούν ενεργά τις δικές τους σκέψεις για τον κόσμο, όπως υποστήριζε και ο Piaget, και ενθαρρύνονται ώστε να δομούν την δική τους γνώση, γεγονός το οποίο είναι αποδεδειγμένα αποτελεσματικό για την μάθηση (14). Εφόσον η αλληλεπίδραση με ένα μοντέλο μπορεί να είναι ένα πολύ καλύτε- 5

ρο κίνητρο από εκείνο που προκαλεί η αλληλεπίδραση με το αληθινό αντικείμενο τα εικονικά περιβάλλοντα ενισχύουν την δημιουργία κινήτρων (π.χ. με τη χρήση φόρμας παιχνιδιού) (15). Η Pantelidis (16) όπως και άλλοι μελετητές (17) (22) σε άρθρα τους συμφωνούν με τη θεωρία Multiple Intelligences (πολλαπλές ευφυίες) του Gardner (1983) και προτείνουν έναν πρωτοποριακό τρόπο εκπαίδευσης και μάθησης σε συνδυασμό της χρήσης της τεχνολογίας ΕΠ με την θεωρία αυτή. Συνοψίζοντας, μπορούμε να υποστηρίξουμε ότι η εποικοδομητική θεωρία μάθησης όπως και οι θεωρίες που απορρέουν από τις Γνωστικές επιστήμες για την εκπαιδευτική διαδικασία και τη μάθηση μπορούν να συσχετισθούν με κάποια από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των εικονικών περιβαλλόντων. Ουσιαστικά η εποικοδομητική θεωρία παρέχει την καλύτερη προσέγγιση σύμφωνα με την οποία μπορούν να αναπτυχθούν εκπαιδευτικές εφαρμογές με ΕΠ (18). Η πλειοψηφία των εκπαιδευτικών εφαρμογών αυτής της τεχνολογίας έχει συμπεριλάβει απόψεις της εποικοδομητικής θεωρίας και είναι αδύνατον να καθοριστεί αν τα θετικά αποτελέσματα σχετίζονται με τη χρήση της παραπάνω θεωρίας ή τη χρήση του εικονικού κόσμου ή το συνδυασμό και των δύο (19). 2.3.1 Πότε προτείνεται η χρήση της ΕΠ στην Εκπαίδευση Η χρήση τρισδιάστατων εικονικών περιβαλλόντων στην υποστήριξη της μάθησης και της διδακτικής πράξης ενδείκνυται σε περιπτώσεις που το γνωστικό αντικείμενο έχει εμπειρικό ή τεχνικό χαρακτήρα. Η Pantelidis (15) χαρακτηριστικά αναφέρει ότι ενδείκνυται η χρήση της ΕΠ στην Εκπαίδευση, ιδιαίτερα όταν πρόκειται για προσομοίωση καθώς η εμπειρία της δημιουργίας ενός προσομοιωμένου περιβάλλοντος ή μοντέλου είναι πολύ σημαντική για την γνώση του αντικειμένου. Ο μαθητής ενθαρρύνεται στη διαδικασία μάθησης μέσα από την ενεργή και όχι την παθητική συμμετοχή του. Επιπλέον μέσα από την αλληλεπίδραση με το εικονικό περιβάλλον παρέχεται καλύτερη δυνατότητα εξέτασης ενός αντικειμένου κατά τρόπο πολυαισθητηριακό ο οποίος συμπεριλαμβάνει δεξιότητες χειρισμού και φυσικής κίνησης. Κατ' αυτό τον τρόπο δίνεται η δυνατότητα στο μαθητή για μια διαδικασία μάθησης πιο ενδιαφέρουσα και διασκεδαστική, όπου μπορούν να παρουσιαστούν κάποια χαρακτηριστικά και διαδικασίες με πολύ καλύτερο τρόπο σε σχέση με άλλα μέσα και όπου επιτρέπεται στον μαθητευόμενο να προχωρά διαμέσου ενός πειράματος με το δικό του ρυθμό, με ανοιχτά χρονικά περιθώρια και όχι μέσα σε έναν προκαθορισμένο χρόνο. Ιδιαίτερη έμφαση πρέπει να δοθεί στoν τρισδιάστατο χαρακτήρα του εικονικού περιβάλλοντος ως 6

σύστημα διεπαφής ανθρώπου - υπολογιστή. Η ΕΠ θεωρείται ιδιαίτερα χρήσιμη στο να υποβοηθά τη μαθησιακή διαδικασία ως προς γνωστικά αντικείμενα τα οποία εμπλουτίζονται από την τοποθέτησή τους σε τρισδιάστατο χώρο μέσα από ένα νέο τύπο διεπαφής (20). Η αίσθηση της παρουσίας και οι δραστηριότητες σε εικονικά περιβάλλοντα ενδυναμώνουν ιδιαίτερα το ενδιαφέρον του μαθητή και κάτω από ρεαλιστικές συνθήκες πραγματοποιείται η εκπαιδευτική διαδικασία για κόσμους (μικρόκοσμος - μακρόκοσμος) που δεν είναι ορατοί από τον άνθρωπο χωρίς τη βοήθεια ειδικών οργάνων. Η χρήση της ΕΠ ενδείκνυται ακόμα περισσότερο όταν το γνωστικό αντικείμενο περιλαμβάνει διαδικασίες επικίνδυνες, αδύνατες, ακατάλληλες ή και ά- βολες καθώς μέσα από τα εκπαιδευτικά εικονικά περιβάλλοντα δεν προκαλείται καταστροφή ή ανεπανόρθωτη ζημιά του αντικειμένου ή βλάβη και ρύπανση του περιβάλλοντος (15). Επιπλέον, ιδιαίτερα σημαντική είναι η δυνατότητα που δίνεται σε ανθρώπους με ειδικές ανάγκες ώστε να μπορούν να συμμετέχουν σε ένα πείραμα ή να μαθαίνουν ένα περιβάλλον όταν δεν ενδείκνυται άλλος τρόπος. Τέλος, τα μαθησιακά εικονικά περιβάλλοντα θα πρέπει να είναι ενημερωμένα από την σύγχρονη έρευνα των μαθησιακών επιστημών, τις σύγχρονες πρακτικές για την εκπαίδευση καθώς και από την υπαρκτή πραγματικότητα της σχολικής οργάνωσης (21). 3. Πείραμα και εφαρμογή εικονικής πραγματικότητας για την υποστήριξη της διδασκαλίας μαθήματος Χημείας Β' Γυμνασίου Στην παρούσα ενότητα περιγράφεται ο σχεδιασμός ενός εκπαιδευτικού εικονικού περιβάλλοντος για τη διδασκαλία του μαθήματος Χημείας Β' Γυμνασίου του ΥΠΕΠΘ. Το περιβάλλον αυτό έχει σαν θέμα την ατομική και την μοριακή δομή των στοιχείων που αναπτύσσονται στο βιβλίο Χημείας Β' Γυμνασίου με τη βοήθεια των προσομοιωμάτων. Συγκεκριμένα στο κεφάλαιο "ΤΑ ΜΟ- ΡΙΑ" και στην παράγραφο "Προσομοιώματα Ατόμων και Μορίων" αναφέρονται τα εξής: "Τα άτομα και τα μόρια είναι τόσο μικρά που δεν είναι δυνατόν να τα δούμε ούτε με γυμνό μάτι αλλά ούτε και με τα συνηθισμένα μικροσκόπια. Μόλις στις αρχές της δεκαετίας του '70 μπορέσαμε με τη βοήθεια της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης να φωτογραφήσουμε τα πρώτα άτομα. Σήμερα με μια νέα σειρά μικροσκοπίων τύπου SMT (Scanning Tunneling Microscope), μπορούμε να έχουμε κάποιες εικόνες ατόμων και μορίων. Παρ' όλα αυτά, όταν αναφερόμαστε στα άτομα και στα μόρια, δεν είναι δυνατόν να έχουμε άμεση αντίληψη του μεγέθους τους, διότι πράγματι είναι πάρα πολύ μικρά. Μια πολύ καλή μέθοδος για να προσεγγίσουμε εποπτικά το μικρόκοσμο των ατόμων και των μορίων 7

είναι η χρήση των προσομοιωμάτων. Κάθε άτομο παριστάνεται με ένα σφαιρίδιο. Για να διακρίνουμε τα επιμέρους άτομα μεταξύ τους, χρησιμοποιούμε σφαιρίδια με διαφορετικούς χρωματισμούς. Συνδέοντας κατάλληλα τα προσομοιώματα των ατόμων, μπορούμε να αναπαραστήσουμε τα μόρια και τα πλέγματα των χημικών ενώσεων και των χημικών στοιχείων". Η επιλογή του μαθήματος αυτού έγινε για να προσεγγιστεί εποπτικά ο μικρόκοσμος των ατόμων και των μορίων με τη χρήση τρισδιάστατων προσομοιωμάτων, με καλύτερο τρόπο μέσα από ένα εικονικό περιβάλλον και στη συνέχεια να εξεταστεί κατά πόσο η χρήση ενός τέτοιου περιβάλλοντος μπορεί να υποστηρίξει την διαδικασία διδασκαλίας και μάθησης. 3.1 Εκπαιδευτική προσέγγιση Βασικός στόχος της ερευνητικής εργασίας που παρουσιάζεται στο κείμενο αυτό είναι η καλύτερη δυνατή προσέγγιση των σύγχρονων θεωριών μάθησης μέσα από τη χρήση της τεχνολογίας της ΕΠ. Πιο συγκεκριμένα, το εκπαιδευτικό περιβάλλον που σχεδιάστηκε σκοπεύει να εξετάσει κατά πόσο η χρήση της τεχνολογίας ΕΠ αποτελεί εκπαιδευτικό εργαλείο και αν μπορεί να υποστηρίξει την εκπαιδευτική διαδικασία. Για να επιτευχθεί ο στόχος αυτός, οι μαθητές πρέπει να αλληλεπιδράσουν με τα τρισδιάστατα προσομοιώματα των ατόμων και των μορίων και να βιώσουν μια εμπειρία μέσα στο εικονικό περιβάλλον με σκοπό να μάθουν. Η κατανόηση αφηρημένων εννοιών όπως της ατομικής και μοριακής δομής (μικρόκοσμος) είναι απαραίτητη προϋπόθεση για τη σωστή μετάδοση της πληροφορίας. Η αφηρημένη αναπαράσταση των προσομοιωμάτων εντάσσεται σε ένα τρισδιάστατο χώρο όπου οι πολλαπλές όψεις (viewpoints) της ίδιας απεικόνισης της πληροφορίας που παρέχονται από αυτό το περιβάλλον μπορούν να ενισχύσουν τη μαθησιακή διαδικασία εφόσον ο μαθητής μπορεί να πλοηγηθεί με πλήρη ελευθερία μέσα σε αυτό. Στη συγκεκριμένη περίπτωση η αλληλεπίδραση του μαθητή με το τρισδιάστατο μοντέλο (άτομα - μόρια) μπορεί να αποτελέσει ένα καλύτερο κίνητρο από εκείνο που προσφέρει η επαφή του με το γνωστικό αντικείμενο μέσα από το βιβλίο ή τον πίνακα. Κατ αυτό το τρόπο η διαδικασία της μάθησης ακολουθεί το μοντέλο "μάθηση μέσα από πράξη" (learning-by-doing) που είναι αποδεκτό βάσει σύγχρονων θεωριών μάθησης. 3.2 Σχεδιασμός πειράματος και εφαρμογής Το πείραμα που πρόκειται να πραγματοποιηθεί εξελίσσεται σε τρία στάδια (Σχήμα 1): 8

Στο πρώτο στάδιο ο εκπαιδευτικός της Χημείας θα διδάξει το γνωστικό αντικείμενο σε είκοσι μαθητές. Στο δεύτερο στάδιο θα γίνει διαχωρισμός των μαθητών σε δύο ομάδες των δέκα ατόμων, όπου η μία θα αποτελέσει την ομάδα χρήσης της εφαρμογής και η άλλη την ομάδα ελέγχου (control group) 6. Η πρώτη ομάδα θα κάνει χρήση του προτεινόμενου οπτικού υλικού μέσω του εκπαιδευτή της Χημείας και του βιβλίου και η δεύτερη ομάδα αντίστοιχα θα κάνει χρήση του προτεινόμενου εικονικού περιβάλλοντος. Στο τρίτο και τελευταίο στάδιο οι ομάδες θα ενωθούν ξανά σε μια ομάδα και θα γίνει η τελική αξιολόγηση του εκπαιδευτικού αποτελέσματος (από αξιολογητή ο οποίος δεν γνωρίζει σε ποια ομάδα ανήκε ο κάθε μαθητής). Εφαρμογή και εξάσκηση μέσω εκπαιδευτή Χημείας και οπτικού υλικού βιβλίου Θεωρητική διδασκαλία του γνωστικού αντικειμένου από τον εκπαιδευτικό 20 μαθητές 10 μαθητές Εφαρμογή προτεινόμενου τρισδιάστατου εικονικού περιβάλλοντος Τελική αξιολόγηση εκπαιδευτικού αποτελέσματος 20 μαθητές 10 μαθητές Σχήμα 1. Στάδια πειράματος Στην εφαρμογή του τρισδιάστατου εικονικού περιβάλλοντος χημείας οι μαθητές θα πλοηγούνται (flythrough) μέσα σε αυτό και θα παρατηρούν τη δομή των διαφόρων ατόμων και μορίων. Για τον πλοηγούμενο χρήστη δεν θα υπάρχει βαρύτητα ώστε να υπάρχει η πλήρης ελευθερία κίνησης γύρω από τα αντικείμενα του ενδιαφέροντος, ενώ αντίθετα δεν θα επιτρέπεται να διαπερνά μέσα από τα αντικείμενα του τρισδιάστατου χώρου (collision detection). Επιτρέπεται βέβαια η κίνηση διαμέσου των προσομοιωμάτων των ατόμων και των μορίων για την καλύτερη εξέτασή τους. Οι μαθητές θα μπορούν να χειρίζονται κατά τρόπο αλληλεπιδραστικό τη δομή των προσoμοιωμάτων (ατόμων - μορίων) μέσα σε αυτό το περιβάλλον. Θα μπορούν επίσης να πειραματιστούν με αυτά και κατόπιν να απαντήσουν σε συγκεκριμένες ερωτήσεις σχετικά με την εμπειρία τους αυτή. Μέσα στο εικονικό περιβάλλον ισχύουν οι νόμοι της χημείας και κατά συνέπεια η εφαρμογή επιτρέπει την σύνθεση μόνο των υπαρκτών μορίων και της σωστής τους μοριακής δομής (βάσει του πίνακα 2) ενώ εμποδίζεται η δημιουργία μη υπαρκτών μορίων και μοριακών δομών. Υπάρχουν 6 Το δείγμα των μαθητών θα είναι σταθμισμένο. 9

καθοδηγητικά μηνύματα για σωστό ή λάθος καθώς και συμβουλές που προτρέπουν προς την επίλυση του προβλήματος. Τα συστατικά του εικονικού περιβάλλοντος είναι τα εξής: Περιβάλλον χώρος Άτομα στοιχείων Μόρια στοιχείων Όσον αφορά τον περιβάλλοντα χώρο, αυτός οργανώθηκε έτσι ώστε να αποτελεί ένα σχετικά ουδέτερο υπόβαθρο για την διεξαγωγή τής άσκησης, ενώ συγχρόνως περιέχει μερικά οπτικά στοιχεία τα οποία ανάγουν σε χώρο χημικού εργαστηρίου. 3.2.1 Άτομα Στοιχείων Σε ένα τρισδιάστατο εικονικό περιβάλλον εργαστηρίου Χημείας υπάρχουν τοποθετημένοι πάνω σε ένα τραπέζι κυλινδρικοί διάφανοι σωλήνες (Εικόνα 1). Μέσα στον κάθε σωλήνα υπάρχουν σφαίρες του ίδιου χρώματος που αναπαριστούν τα άτομα. Σε κάθε σωλήνα αναγράφεται εξωτερικά το όνομα των ατόμων που περιέχει. Οι μαθητές θα μπορούν να επεξεργαστούν τα άτομα πλοηγούμενοι διαμέσου αυτών βλέποντας έτσι την εσωτερική τους δομή (p, n, e). Οι μαθητές, μέσω της ελεύθερης πλοήγησής τους στο εικονικό περιβάλλον, θα διδάσκονται τις έννοιες του ατομικού και μαζικού αριθμού του ατόμου και του αριθμού οξείδωσης. 10

Εικόνα 1. Εικονικό περιβάλλον Άτομα στοιχείων και η δομή τους O (Οξυγόνο) N (Άζωτο) H (Υδρογόνο) Na (Νάτριο) Cl (Χλώριο) S (Θείο) Πίνακας 1. Τα στοιχεία που θα παρέχονται από το πρόγραμμα 3.2.2 Μόρια Στοιχείων Οι μαθητές θα μπορούν κάθε φορά να δημιουργούν κάποιο μόριο του στοιχείου που θα τους ζητείται. Βλέποντας και αλληλεπιδρώντας με τα διάφορα στοιχεία της βιβλιοθήκης θα επιλέγουν κάποιο άτομο, κάνοντας κλικ πάνω σε αυτό και θα μπορούν να το μεταφέρουν σε ένα βοηθητικό χώρο που θα βρίσκεται πάνω στο τραπέζι, πρώτα το ένα άτομο (βήμα 1), και έπειτα το άλλο αν πρόκειται για διατομικό (βήμα 2) και κατ' αυτό το τρόπο θα δημιουργούν τη δομή του μορίου του αντίστοιχου στοιχείου (Εικόνα 2). Παράλληλα θα παρουσιάζονται στην οθόνη βοηθητικά μηνύματα. Τέλος, θα μπορούν να πλοηγηθούν γύρω και ανάμεσα από το μόριο και να ελέγξουν τη δομή του καθώς και τα συστατικά (p, n, e ) από τα οποία τελικά αποτελείται. Ουσιαστικά, μέσω της αλληλεπίδρασής του με τα αντικείμενα του προτεινόμενου εικονικού περιβάλλοντος, θα παρέχεται στους μαθητές η γνώση για την σύνθεση των στοιχείων σε μόρια και θα μπορούν να μαθαίνουν ποια μόρια είναι μονοατομικά και ποια διατομικά. 11

βήμα 1 βήμα 2 Εικόνα 2. Εικονικό περιβάλλον Μόρια στοιχείων και η δομή τους O 2 (Οξυγόνο) (Α) 7 Na (Νάτριο) (Μ) N 2 (Άζωτο) (Α) Cl 2 (Χλώριο) (Α) H 2 (Υδρογόνο) (Α) S (Θείο) (Α) Πίνακας 2.Τα μόρια που θα μπορούν να δημιουργηθούν από το πρόγραμμα 4. Συμπεράσματα πειράματος Το κείμενο αυτό κατέγραψε τη μέχρι τώρα πορεία μίας ερευνητικής εργασίας η οποία εξετάζει τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά την δυνατότητα αξιοποίησης της τεχνολογίας ΕΠ για ενίσχυση μαθησιακών διαδικασιών. Αρχικά εξετάσθηκαν βασικές έννοιες και χαρακτηριστικά της τεχνολογίας ΕΠ καθώς και σύγχρονες θεωρίες μάθησης. Σαν αποτέλεσμα εντοπίσθηκαν τα χαρακτηριστικά των σύγχρονων αυτών θεωριών μάθησης τα οποία βρίσκονται σε συμφωνία με τις αρχές και τις δυνατότητες του μέσου των εικονικών περιβαλλόντων. Κατά συνέπεια δικαιολογείται η ανάγκη αναζήτησης τρόπων με τους οποίους η ΕΠ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ενίσχυση της εκπαιδευτικής διαδικασίας και μάθησης. Τέλος, περιγράφηκε η διαδικασία ενός πειράματος το οποίο περιλαμβάνει τον σχεδιασμό και την υλοποίηση εφαρμογής ΕΠ για εκμάθηση ενός μαθήματος Χημείας Β' Γυμνασίου βάσει του αναλυτικού προγράμματος του ΥΠΕΠΘ. Το προτεινόμενο πείραμα στοχεύει στην εξέταση της χρησιμότητας της τεχνολογίας ΕΠ σαν υποστηρικτικής τεχνολογίας για εκμάθηση του μαθήματος της Χημείας, σε σύγκριση με παραδοσιακές μεθόδους. 7 Όπου (Α): Αμέταλλο και (Μ): Μέταλλο (τα μέταλλα είναι μονοατομικά) 12

Αναφορές 1. Sutherland I.,1965, The Ultimate Display 2. Hayward 1993 \ cited in John Hedberg & Shirley Alexander, Virtual Reality in Education: Defining Researchable Issues 3. Zeltzer D., 1992, Autonomy, interaction and presence. Presence 1, 127-132 4. Χαρίτος Δ., 1999, Σημειώσεις για την ενότητα της Εικονικής Πραγματικότητας στο Μεταπτυχιακό Μάθημα Τεχνολογιών Πολυμέσων, ΜΠΣ Τμήματος Πληροφορικής, Εθνικού και Καποδιστριακού Παν/μίου Αθηνών. 5. Bricken & Byrne 1993, Loftin, Engelberg & Benedetti 1993, Regian& Shebilske 1992, Moshell & Hughes 1994\ cited in Howard Rose, 1995, "Assessing Learning in VR: Towards Developing a Paradigm VRRV Project", p.3 6. Κολιάδης Ε., 1997, Θεωρίες Μάθησης και Εκπαιδευτική Πράξη 7. Bruner J.S.,1961, The act of discovery. Harvard Educational Review, 31, 21-32. 8. Dewey J. (1933) How We Think. A restatement of the relation of reflective thinking to the educative process 9. Papert S., 1991, "Situating constructionism" in I. Harel & S. Papert Constructionism. Eds Ablex Publishing Co., Norwood, NJ, 10. Gardner, H., 1983, Frames of Mind 11. Dewey 1916, Bruner 1962, Silberman1970, Papert 1980\cited in M. Bricken & C. Byrne, 1992, Summer Students in Virtual Reality, A Pilot Study on Educational Applications of Virtual Reality 12. Bricken M., 1990 "Virtual Reality Learning Environments: Potentials and Challenges" 13. Durlach & Mavor (1995)\cited in Bowman D.et al, Presence Vol. 8 No 3 1999, "The Educational Value of an Information-Rich VE" 14. Duffy & Jonassen : in press, Jonassen 1991, Spiro & Jehng 1990 15. Pantelidis V., 1996, Suggestions on When to Use and When Not to Use Virtual Reality in Education, Vol.2) 16. Pantelidis V., 1997, Virtual Reality in Education and Howard Gardner's Theory of Multiple Intelligences, 17. Campbell, L., Campbell B., Dickinson D., Teaching & Learning Through Multiple Intelligences, 1996 - McLellan H., Virtual Reality and Multiple Intelligences: Potentials for Higher Education. Journal of Computing in Higher Education, 1994 \cited in reference 16 18. Winn, A Conceptual Basis for Educational Applications of Virtual Reality 13

19. Youngblut C., 1998, Educational Uses of Virtual Reality Technology, IDA 20. Bricken M., Virtual Worlds: No interface to design, 1990 21. Roussos M., 1999, Learning and Building together in an Immersive Virtual World. Presence Vol.8 No. 3 22. Osberg K., 1997, Spatial Cognition in the Virtual Environment, p. 5 14