Πληροφορικό Σύστηµα ιαχείρισης Εικονικής Τάξης Φυσικής. Εξατοµικευµένη Προσέγγιση Με Βάση Τον Βαθµό Κατανόησης Από Τον Χρήστη Φιλίππου Θεόδωρος Καθηγητής Φυσικός Γυµνάσιο Αµυνταίου gteofil@gmail.com ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η εισήγηση αυτή αφορά µια ολοκληρωµένη εφαρµογή ιστού που επιχειρεί να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις µιας εικονικής τάξης, στο µάθηµα της Φυσικής. Η πρόσβαση στην εφαρµογή θα µπορεί να γίνεται από έναν προσωπικό υπολογιστή πελάτη. Η εφαρµογή µπορεί να κάνει αξιολόγηση του βαθµού κατανόησης ενός θέµατος φυσικής από τον χρήστη µέσω ενός συνόλου από ερωτήσεις τεστ τις οποίες ο µαθητής προσπαθεί να απαντήσει και αναλόγως προσαρµόζεται εξατοµικεύεται για να καλύψει σε υψηλότερο βαθµό τις απαιτήσεις του. Παράλληλα και προς υποβοήθηση της καλλίτερης κατανόησης του αντικειµένου από τον χρήστη, η εφαρµογή διαθέτει µια σειρά από animations που παρουσιάζουν κάποιο φυσικό φαινόµενο και την εξέλιξή του στον χρόνο, όπως επίσης και βιντεοµαθήµατα. Η εφαρµογή έχει την δυνατότητα να ενσωµατώνει νέες ερωτήσεις από οποιονδήποτε φυσικό ή µη, εφ όσον αυτός έχει αποκτήσει τα κατάλληλα δικαιώµατα. Επίσης animation σχετικά µε το µάθηµα της φυσικής από διάφορους κατασκευαστές θα µπορούν να ανεβάζονται στον ιστότοπο της εφαρµογής. ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙ ΙΑ: Εικονική τάξη, εξατοµίκευση, φυσική Λυκείου ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ραγδαία ανάπτυξη των τεχνολογιών ιστού κατά τα τελευταία χρόνια, αλλά και η αύξηση των δυνατοτήτων των σηµερινών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών, δίνουν πλέον την δυνατότητα στην ανάπτυξη εφαρµογών για την υποβοήθηση της µαθησιακής διαδικασίας που επιτελείται σε µια σχολική τάξη. Επιπλέον η σηµερινή τεχνολογία βοηθά στην δηµιουργία µιας παράλληλης και εξατοµικευµένης µαθησιακής διαδικασίας στην οποία ο µαθητής µπορεί να συµµετέχει όποτε θέλει. Υπάρχουν παρα πολλές τοποθεσίες ιστού απ όπου ο µαθητής αλλά και κάθε ενδιαφερόµενος, µπορεί να αντλήσει γνώση σχετική µε τα γνωστικά αντικείµενα που περιλαµβάνονται στο αναλυτικό πρόγραµµα των ελληνικών σχολείων. Το πληροφορικό σύστηµα που περιγράφεται εδώ φιλοδοξεί να προσφέρει στον µαθητή αυτό που αναφέρεται σήµερα ως «εικονική τάξη» (virtual classroom), στο γνωστικό αντικείµενο της φυσικής του Λυκείου. Πρόκειται στην ουσία για ένα εικονικό µάθηµα, όπου ο µαθητής-χρήστης της εφαρµογής, θα διδάσκεται µε χρήση animation ή/και video, ένα θέµα από κάποιο πεδίο της φυσικής (πχ απλή αρµονική ταλάντωση) και το σύστηµα θα αξιολογεί τον βαθµό κατανόησης του θέµατος από τον µαθητή. Στην συνέχεια το σύστηµα µε κάποια λογική που θα το διέπει, θα προσαρµόζει το µάθηµα, τα κριτήρια αξιολόγησης, τα χαρακτηριστικά του εικονικού πειράµατος, το προφίλ τελικά του µαθήµατος στις µαθησιακές ανάγκες και στο επίπεδο κατανόησης του χρήστη, αυτό δηλαδή που οι παιδαγωγοί ονοµάζουν «εξατοµικευµένη προσέγγιση του µαθητή» και στην τεχνολογία λογισµικού αναφέρεται απλά ως «εξατοµίκευση» Το σύστηµα θα καταχωρεί και θα επεξεργάζεται στοιχεία που αφορούν µεγάλο αριθµό χρηστών και θα υπάρχει δυνατότητα να προσαρµόζει την συµπεριφορά του (το επίπεδο δυσκολίας ή ευκολίας του µαθήµατος) χρησιµοποιώντας δεδοµένα που θα προκύπτουν ως αποτελέσµατα της χρήσης του από πολλούς χρήστες. Όπως περιγράφεται παρακάτω, το σύστηµα είναι µε πολλούς τρόπους ανοιχτό. Ένας απ αυτούς δίνει την δυνατότητα µε αλλαγή των ερωτήσεων που περιλαµβάνει και κατάλληλη επιλογή των animations και των βιντεοµαθηµάτων, να γίνει ένα σύστηµα διδασκαλίας κάποιου άλλου γνωστικού αντικειµένου, πχ της Γεωγραφίας του Γυµνασίου, ή της Βιολογίας είτε Λυκείου είτε Γυµνασίου. Τονίζεται ότι το σύστηµα λογισµικού που περιγράφεται εδώ δεν µπορεί επ ουδενί να υποκαταστήσει την µαθησιακή διαδικασία που επιτελείται σε µια πραγµατική τάξη, µε την συνεχή «αλληλεπίδραση» ανάµεσα στον διδάσκοντα και τους µαθητές. Προφανώς επίσης δεν µπορεί να Φιλίππου Θεόδωρος, Πρακτικά Εργασιών 6 ου Πανελλήνιου Συνεδρίου των Εκπαιδευτικών για τις ΤΠΕ «Αξιοποίηση των Τεχνολογιών της Πληροφορίας και της Επικοινωνίας στη ιδακτική Πράξη», σ. 1-5 Σύρος, 6-8 Μαΐου 2011
2 6 ο Πανελλήνιο Συνέδριο των Εκπαιδευτικών για τις ΤΠΕ υποκαταστήσει τα εξ ίσου σπουδαία «κοινωνικά χαρακτηριστικά» που αναπτύσσονται σε µια τάξη µέσω της συνεχούς επαφής µαθητών και διδασκόντων. Αν και θα µπορούσε να χρησιµοποιηθεί σε µια πραγµατική τάξη εφοδιασµένη µε τον κατάλληλο εξοπλισµό, κατά βάση πρέπει να ιδωθεί σαν ένα υποβοηθητικό σύστηµα διδασκαλίας, στο οποίο ο µαθητής θα ανατρέχει κατά την διαδικασία της «κατ ιδίαν» µελέτης. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ Τα βασικά συστατικά του συστήµατος είναι: Μια βάση δεδοµένων µε τους απαραίτητους πίνακες Ένα σύνολο ιστοσελίδων απαραίτητων για την διαδικτυακή λειτουργία της εφαρµογής Ένα σύνολο από animations (για την εικονική αναπαράσταση φυσικών φαινοµένων που εξελίσσονται δυναµικά στον χρόνο) και βιντεοµαθηµάτων (όπου κάποιος εκπαιδευτικός παρουσιάζει κάποιο θέµα από κάποια ενότητα φυσικής. Α) ΒΑΣΗ Ε ΟΜΕΝΩΝ Για την κατασκευή και την διαχείριση της βάσης δεδοµένων χρησιµοποιείται MySql Server 5. Η βάση δεδοµένων περιλαµβάνει πολλούς πίνακες οι πιο βασικοί εκ των οποίων είναι: Πίνακας Χρηστών: Εδώ εγγράφονται οι χρήστες της εφαρµογής, µαθητές πρωτίστως αλλά και οποιοσδήποτε επιθυµεί. εν είναι απαραίτητα τα πραγµατικά στοιχεία του µαθητή, άλλωστε κάτι τέτοιο µπορεί και να απωθούσε τους ενδιαφερόµενους. Αρκεί ένα ψευδώνυµο για όνοµα χρήστη και ένα password. Ο λόγος που οι χρήστες µαθητές διατηρούνται σε πίνακα είναι για να µπορούν να επανέρχονται στο σηµείο που σταµάτησαν και να συνεχίζουν την χρήση της εφαρµογής όποτε θέλουν, και για την άντληση στατιστικών στοιχείων µέσω της αξιολόγησης, για τον συγκεκριµένο χρήστη αλλά και για το σύνολο των χρηστών. Πίνακες ερωτήσεων πρώτου και δευτέρου επιπέδου: Εδώ είναι καταχωρηµένες οι ερωτήσεις κλειστού τύπου και οι δυνατές απαντήσεις τους. Κάθε ερώτηση ανήκει σε κάποιο κεφάλαιο της φυσικής. Κάθε ερώτηση πρώτου επιπέδου συνδέεται µέσω ενός ξένου κλειδιού µε έως τέσσερις ερωτήσεις δευτέρου επιπέδου. Σχήµα 1: Πως συσχετίζονται οι ερωτήσεις των διαφόρων επιπέδων Οι ερωτήσεις δευτέρου επιπέδου θεωρούνται επεξηγηµατικές αυτών του πρώτου. Ο χρήστης ξεκινά µε την προσπάθεια απάντησης ερωτήσεων πρώτου επιπέδου. Αν µια τέτοια ερώτηση απαντηθεί λάθος, ο χρήστης προτρέπεται να ασχοληθεί µε τις ερωτήσεις δευτέρου επιπέδου που είναι συνδεδεµένες µε αυτήν. Η εφαρµογή είναι κατασκευασµένη έτσι ώστε να µπορεί να προστεθεί και άλλο επίπεδο. Πίνακας Ιστορικού: Εδώ καταγράφονται οι «δοσοληψίες» κάθε χρήστη µε την εφαρµογή. Χρησιµεύει ώστε αφενός ο χρήστης να µπορεί να συνεχίσει την µελέτη από κει όπου σταµάτησε και αφετέρου να αντλούνται πληροφορίες για την αυτόµατη αξιολόγηση αλλά και την κατασκευή των στατιστικών στοιχείων Β) ΙΣΤΟΣΕΛΙ ΕΣ Υπάρχει ένας σηµαντικός αριθµός ιστοσελίδων που ρυθµίζουν αφενός την λειτουργικότητα της εφαρµογής και αφετέρου την διεπαφή (interface) µε τον χρήστη. Για την κατασκευή των ιστοσελίδων εκτός από χρήση HTML, έχει γίνει εκτεταµένη χρήση και της τεχνολογίας CSS. Η λειτουργικότητα της εφαρµογής υποστηρίζεται από PHP 5.3.1 Γ) ANIMATION ΒΙΝΤΕΟΜΑΘΗΜΑΤΑ www.e-diktyo.eu
«Αξιοποίηση των Τεχνολογιών της Πληροφορίας και της Επικοινωνίας στη ιδακτική Πράξη» 3 Τα animation που συνοδεύουν την εφαρµογή περιγράφουν κάποια φυσικά φαινόµενα και κυρίως χρησιµεύουν ώστε να δείχνουν την µεταβολή κάποιων φυσικών µεγεθών (ταχύτητα, θέση, ενέργεια κλπ) σε σχέση µε τον χρόνο, κάτι που είναι αδύνατο να δειχθεί στον παραδοσιακό σχολικό πίνακα. Ιδιαίτερη έµφαση έχει δοθεί ώστε τα animations να είναι σε µεγάλο βαθµό παραµετροποιηµένα, ώστε να δίνεται η δυνατότητα στον χρήστη µεταβάλλοντας τα διάφορα µεγέθη, να εµβαθύνει σε µεγαλύτερο βαθµό στην κατανόηση του φαινοµένου. Σχήµα 2: Στιγµιότυπο από την αρµονική ταλάντωση ελατηρίου Σταδιακά περισσότερα animations θα προστίθενται στην εφαρµογή. Τα βιντεοµαθήµατα φιλοδοξούν να δώσουν στην χρήστη την αίσθηση της παραδοσιακής διδασκαλίας στην σχολική τάξη, µέσω του υπολογιστή. ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Από την αρχική σελίδα της εφαρµογής ο χρήστης µπορεί να επιλέξει την παρακολούθηση κάποιου animation ή κάποιου βιντεοµαθήµατος. Μπορεί επίσης να αρχίσει να εκτελεί τις ερωτήσεις του πρώτου επιπέδου µε την προϋπόθεση ότι προηγουµένως έχει κάνει εγγραφή. Μπορεί αν θέλει να σταµατήσει την µελέτη των ερωτήσεων και να συνεχίσει αργότερα. Το σύστηµα καταγράφει τις µέχρι τώρα επιδόσεις του. Με την επιλογή «Στατιστικά» ο χρήστης βλέπει πως τα πήγε ανά κεφάλαιο της φυσικής ή συνολικά. Παράλληλα αν σε κάποιο κεφάλαιο εµφανίζει επίδοση µικρότερη από 80%, παροτρύνεται να ασχοληθεί µε τις ερωτήσεις δευτέρου επιπέδου που είναι κατά κάποιον τρόπο επεξηγηµατικές αυτών του πρώτου, ή να παρακολουθήσει κάποιο animation για καλλίτερη κατανόηση της θεωρίας. Σηµειώνεται εδώ ότι το ποσοστό 80% για την επιτυχή ή µη ανταπόκριση σε κάποιο κεφάλαιο της φυσικής, µόνον ενδεικτικά έχει τεθεί και πάντως είναι αντικείµενο προς συζήτηση. Ένα παράδειγµα για τον τρόπο που συσχετίζονται οι ερωτήσεις των δύο επιπέδων είναι το εξής: Στο πρώτο επίπεδο και στο κεφάλαιο «Κύµατα» υπάρχει η παρακάτω ερώτηση Αρµονικό κύµα διαδίδεται κατά µήκος γραµµικού ελαστικού µέσου και οι φάσεις των ταλαντώσεων δύο υλικών σηµείων Μ και Κ τη χρονική στιγµή t 1 είναι Φ Μ = 7π/4 rad και Φ Κ αντίστοιχα. Τα δύο σηµεία απέχουν µεταξύ τους απόσταση d = 3λ/4 µε το σηµείο Κ να βρίσκεται πιό κοντά στην πηγή των κυµάτων. Ποια από τις παρακάτω απαντήσεις είναι η σωστή; Η φάση της ταλάντωσης του σηµείου Κ τη χρονική στιγµή t 1 είναι ίση µε: www.epyna.gr
4 6 ο Πανελλήνιο Συνέδριο των Εκπαιδευτικών για τις ΤΠΕ α) π/4 rad β) 13π/4 rad γ) 5π/2 rad δ) π rad µε σωστή την β. Υποθέτοντας ότι ο µαθητής χρήστης αδυνατεί να βρει την σωστή απάντηση, παροτρύνεται αυτοµάτως να ασχοληθεί µε τις παρακάτω τέσσερις ερωτήσεις δευτέρου επιπέδου που τον παρακινούν ενδεχοµένως να ξαναµελετήσει την θεωρία που αναφέρεται στην φάση σηµείου ενός κύµατος και στην διαφορά φάσης µεταξύ δύο σηµείων του µέσου: 1. Η εξίσωση ενός κύµατος που διαδίδεται προς την θετική κατεύθυνση σε ένα γραµµικό ελαστικό µέσο, είναι: α) y = Aηµ2π(t/T + x/λ) β) y = Aηµω(t - x/υ) γ) y = Aηµ2π(x/λ - t/t) δ) y = Aηµ2π(ft - xυ) 2. Η διαφορά φάσης της ταλάντωσης δύο σηµείων ενός γραµµικού µέσου όπου διαδίδεται κύµα, την ίδια χρονική στιγµή είναι: α) φ = 2π t/λ β) φ = 2π t/t γ) φ = 2π x/λ δ) φ = 2π x/τα 3. Η µεταβολή της φάσης ενός σηµείου του ελαστικού µέσου όπου διαδίδεται ένα κύµα, µεταξύ δύο χρονικών στιγµών t 1 και t 2 είναι: α) φ = 0 β) φ = 2π x/λ γ) φ = ω t δ) φ = t/t 4. Ένα κύµα διαδίδεται προς την θετική κατεύθυνση ενός γραµµικού µέσου. Για δύο σηµεία Κ και Λ οι αποστάσεις των οποίων απ' την αρχή είναι X K > X Λ, ισχύει(την ίδια χρονική στιγµή): α) Φ Λ < Φ Κ β) φ = 2π/λ(Χ Λ - Χ Κ ) γ) φ = 0 δ) φ = 2πt/T (Χ Λ + Χ Κ ) Εκτός από τους χρήστες µαθητές της εφαρµογής, υπάρχει πρόβλεψη και για την υποστήριξη µιας άλλης οµάδας χρηστών (εκπαιδευτικών κυρίως) οι οποίοι θα µπορούν να ανεβάζουν στο site δικές τους ερωτήσεις ή και βίντεο - animation. Το σύστηµα διαθέτει φόρµα εισαγωγής όπου καταγράφεται η προς εισαγωγή ερώτηση µαζί µε τα υπόλοιπα στοιχεία της (δυνατές απαντήσεις, κεφάλαιο, επίπεδο δυσκολίας κλπ). Οι ερωτήσεις αυτές κατ αρχήν θεωρούνται ως «προτεινόµενες», ελέγχονται από τον ή τους διαχειριστές του συστήµατος και στην συνέχεια ενσωµατώνονται στην βάση δεδοµένων. Η δυνατότητα αυτή παρέχεται µε στόχο τον συνεχή εµπλουτισµό του site µε νέο υλικό. ΑΠΟ ΟΣΗ Το πλέον κρίσιµο σηµείο για την επιτυχή χρήση της εφαρµογής είναι η επιλογή των ερωτήσεων των δύο (ή περισσότερων) επιπέδων δυσκολίας και πως αυτές θα συσχετισθούν µεταξύ τους. Με τι κριτήρια θα επιλεγούν οι ερωτήσεις που θα καταχωρηθούν στην βάση δεδοµένων; Πως θα κριθεί αν µια ερώτηση είναι εύκολη ή δύσκολη για να καταταχθεί στο αντίστοιχο επίπεδο; Ποιες ερωτήσεις του δεύτερου επιπέδου (δηλαδή πιο εύκολες) θα συσχετισθούν µε κάποια συγκεκριµένη ερώτηση του πρώτου επιπέδου; Πέρα από τα όποια τεχνικά εµπόδια εµφανίζει η κατασκευή της εφαρµογής (τα οποία ούτως ή άλλως ξεπερνιούνται), τα παραπάνω ερωτήµατα αποτελούν την µεγαλύτερη δυσκολία ώστε το σύστηµα να είναι αποδοτικό όσον αφορά τους στόχους του και συγχρόνως ελκυστικό προς τους χρήστες. Εκπαιδευτικοί µε σηµαντική εµπειρία, που διδάσκουν φυσική επί αρκετά χρόνια, θα µπορούσαν να κάνουν µια καλή επιλογή και κατάταξη των ερωτήσεων. Για να µετριαστούν οι παραπάνω δυσκολίες ακόµη περισσότερο, το site είναι ανοιχτό µε την εξής έννοια: Οποιοσδήποτε συνάδελφος (φυσικός εν προκειµένω) ή µη, µπορεί να «ανεβάσει» στο site ερωτήσεις που νοµίζει ότι θα είναι χρήσιµες και επιπλέον να κάνει προτάσεις για τον συσχετισµό τους µε ήδη υπάρχουσες. Μπορεί ακόµα να ανεβάσει animations ή βιντεοµαθήµατα που εκτιµά ότι υποβοηθούν την αποδοτικότητα του συστήµατος. Είναι φανερό ότι θέµατα όπως η επιλογή και η διασύνδεση των ερωτήσεων, τα κριτήρια αξιολόγησης, τι ποσοστό θεωρείται ως επιτυχία και επαρκής κατανόηση του κάθε φυσικού φαινοµένου, είναι θέµατα προς συζήτηση µεταξύ των εκπαιδευτικών και απλά οι σχετικές επιλογές που έχουν γίνει στην εφαρµογή πρέπει να θεωρηθούν ενδεικτικές. ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Με χρήση HTML και PHP κατασκευάστηκαν οι ιστοσελίδες που απαρτίζουν ολόκληρο το site. Η λειτουργία της βάσης δεδοµένων στηρίζεται σε MySql Data Base Server και ο web server που υποστηρίζει την λειτουργικότητα της εφαρµογής είναι ο Apache webserver στην έκδοση WAMP. Τα animations που συµπληρώνουν την εφαρµογή κατασκευάστηκαν µε την πλατφόρµα Flash και την www.e-diktyo.eu
«Αξιοποίηση των Τεχνολογιών της Πληροφορίας και της Επικοινωνίας στη ιδακτική Πράξη» 5 scripting γλώσσα ActionScript 3.0. Οι επιστηµονικές περιοχές της επιστήµης της Πληροφορικής απ όπου αντλήθηκαν γνώσεις για την δηµιουργία της εφαρµογής, είναι κατά σειρά προτεραιότητας Προγραµµατισµός για Εφαρµογές Ιστού Τεχνολογίες Πολυµέσων Τεχνολογίες ιαδικτύου Σχεδίαση Λογισµικού ΕΠΙΛΟΓΟΣ Καταβάλλεται προσπάθεια ώστε να µπορεί να γίνει πρόσβαση στην εφαρµογή και από smart devices, πχ κινητά τηλέφωνα. Με δεδοµένο τον βαθµό διείσδυσης των συσκευών αυτών στους νεανικούς πληθυσµούς, εκτιµάται ότι µια τέτοια δυνατότητα θα έκανε την εφαρµογή ιδιαίτερα ελκυστική στους µαθητές. ΑΝΑΦΟΡΕΣ Adomavicius, G., & Tuzhilin, A. (2005). Personalization technologies: a process-oriented perspective. Communications of the ACM, Vol. 48, No.10, 83-90. Essalmi F., Jemni Ben Ayed L., Jemni M., Kinshuk, & Graf S., A fully personalization strategy of E- learning scenarios, Computers in Human Behavior, In Press, Elsevier, 2010, ISSN 0747-5632. Georgiadis C.Κ., Adaptation and Personalization of User Interface and Content, Chapter in HANDBOOK OF RESEARCH ON MOBILE MULTIMEDIA, I.K. Ibrahim (Ed.), Information Science Reference Inc. (IGI Group-Idea), May 2006, ISBN 1-59140-866-0, pp. 266-277. www.epyna.gr