Υπολογιςτικϊ περιβϊλλοντα για Τεχνολογικό Εκπαύδευςη ΙΩΑΝΝΑ ΚΑΦΦΕ Επιβλϋπων Καθηγητόσ: ΗΛΙΑΣ ΧΟΥΣΤΗΣ
Κίνητρα Σκοπός της διδακτορικής διατριβής Αδυναμύα διδαςκαλύασ τεχνολογικών μαθημϊτων με πύνακα και κιμωλύα- επιςκόπιο, διαφανοςκόπιο, ΤΠΕ. Δημιουργύα ςεναρύου και επιλογό 3Δ προςομούωςησ Παιδαγωγικό προςϋγγιςη: ςτόχοι, φιλοςοφύαθεωρύεσ μϊθηςησ, διδακτικό προςϋγγιςη, αξιολόγηςη. Θεωρητικό τεκμηρύωςη πλαύςιο ανϊπτυξησυλοπούηςη παιδαγωγικό και τεχνικό.
Αντικείμενο Διδακτορικής Διατριβής Προςπϊθεια προςδιοριςμού ςυγκεκριμϋνων μαθηςιακών ςτόχων. Από αυτούσ εξαρτϊται: Η παιδαγωγικό προςϋγγιςη Η τεχνικό υλοπούηςη Δυςκολύεσ προβλόματα τρόποσ αντιμετώπιςησ - λϊθη
Αρχική Προσέγγιση Ερευνα για θεωρητικό παιδαγωγικό τεκμηρύωςη και τεχνικό υλοπούηςη Δυςκολύεσ και προβλόματα κατϊ τη διϊρκεια τησ παιδαγωγικόσ ϋρευνασ: Ύπαρξη εμπειρύασ αλλϊ ανεπαρκόσ θεωρητικό γνώςη Έλλειψη εξοικεύωςησ με την ορολογύα τησ γνωςτικόσ επιςτόμησ (cognitive science)- ςύγχυςη Αδυναμύα αντύληψησ τησ ςχετικότητασ και τησ ςπουδαιότητασ των ευρημϊτων τησ βιβλιογραφικόσ ϋρευνασ.
Αρχική Προσέγγιση Πρώτες Ενέργειες Εκπαιδευτικό Λογιςμικό : Εύδη Σκοπού Βιβλιογραφικό ϋρευνα για εκπαιδευτικϊ λογιςμικϊ για τη Μηχανικό, τη Φυςικό και τα Μαθηματικϊ Αποτελϋςματα πρώτη απόπειρα ςυγγραφόσ δημοςύευςησ αποτυχύα Πληθώρα λογιςμικών ---> πρόβλημα: Καθοριςμόσ πλαιςύου που θα ορύζει τα λογιςμικϊ που θα ςυμπεριληφθούν Έρευνα για εκπαιδευτικϊ παιχνύδια ITS (Intelligent Tutoring Systems): Τεχνητό νοημοςύνη για ατομικό μϊθηςη τεκμηρύωςη μϋςω ερευνών ςύγχυςη αναφορικϊ με την παιδαγωγικό προςϋγγιςη
Αρχική Προσέγγιση - Συμπεράσματα Τριςδιϊςτατο αλληλεπιδραςτικό εικονικό εργαςτόριο. Καταλληλότερο το Labview? Εγκατϊςταςη του LabVIEW εκμϊθηςη διερεύνηςη των δυνατοτότων του. Απαραύτητο το υπόβαθρο από τη γνωςτικό επιςτόμη (cognitive science) και τη ςχετικό επιςτημονικό ϋρευνα. Χρόςη ενόσ μοντϋλου εκπαιδευτικού ςχεδιαςμού (instructional design).
Αρχική Προσέγγιση - LabVIEW Εγκατϊςταςη - εκμϊθηςη LabVIEW Διερεύνηςη δυνατοτότων για:δημιουργύα εικονικού εργαςτηρύου και κατϊλληλων γραφικών παραςτϊςεων Διερεύνηςη τρόπων ειςαγωγόσ δεδομϋνων και πραγματοπούηςησ υπολογιςμών, εμφϊνιςησ οδηγιών, μηνυμϊτων, κ.λ.π.
Χρήση LabVIEW Το LabVIEW, (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench), εύναι μύα πλατφόρμα ςχεδύαςησ ςυςτημϊτων και ανϊπτυξησ εφαρμογών ςτη γραφική γλώςςα προγραμματιςμού, G, Aναπτύχθηκε από την εταιρεύα National Instruments, και προςφϋρει ςε μηχανικούσ και επιςτόμονεσ τα εργαλεύα για το ςχεδιαςμό ςυςτημϊτων ελϋγχου και μετρόςεων.
Χρήση LabVIEW Μύα εφαρμογό ςτο LabVIEW ονομϊζεται Virtual Instrument (VI) και αποτελεύται από τρύα βαςικϊ μϋρη: το front panel, ( η διεπαφό του χρόςτη) το block diagram, (ο κώδικασ του VI, ςε «G». Μπορεύ να περιϋχει ϊλλα VI, κόμβουσ-ςυναρτόςεισ, ςταθερϋσ και δομϋσ ελϋγχου, ςυνδεδεμϋνα με καλώδια μϋςω των οπούων γύνεται η ροό των δεδομϋνων. και ϋνα icon. Το icon ό αλλιώσ connector panel χρηςιμοποιεύται για να αναπαραςτόςει το VI ςτο block diagram κϊποιου ϊλλου VI, το οπούο το καλεύ. Το connector panel περιϋχει τισ κατϊλληλεσ ςυνδϋςεισ που αναπαριςτούν την εύςοδο και την ϋξοδό του. Επύδειξη προγραμμϊτων LabVIEW
icon
Χρήση LabVIEW Το NI LabVIEW χρηςιμοποιεύται ευρϋωσ ςτην τριτοβϊθμια εκπαύδευςη για να παρϋχει πρακτικό εκμϊθηςη, μϋςω τησ οπτικοπούηςησ και τησ αλληλεπύδραςησ με πραγματικϊ δεδομϋνα ςε πραγματικό χρόνο και για να ενδυναμώςει την ϋρευνα. Στη δευτεροβϊθμια εκπαύδευςη υπϊρχουν εφαρμογϋσ για τη Φυςικό και τα Μαθηματικϊ (http://k12lab.com/lesson-plans/gravity-simulator (Labview for K12 Education (Physics, Mathematics)
Αρχική Προσέγγιση Προτεραιότητα ςτο τεχνικό ό ςτο παιδαγωγικό πλαύςιο? Κϊθε εκπαιδευτικό λογιςμικό για να εύναι αποτελεςματικό ό ακόμη και για να μην παρεμποδύζει τη μϊθηςη πρϋπει να ςτηρύζεται και να ακολουθεύ τισ βαςικϋσ και θεμελειώδεισ αρχϋσ μιασ θεωρύασ μϊθηςησ -> παιδαγωγικό πλαύςιο
Εκπαιδευτικός Σχεδιασμός Instructional Design ADDIE model Analysis Design Development Implementation Evaluation
Εκπαιδευτικός Σχεδιασμός Instructional Design Βαςικού παρϊγοντεσ που λαμβϊνονται υπόψη για τη ςχεδύαςη των εκπαιδευτικών ςυςτημϊτων: οι μαθηςιακού ςτόχοι το περιεχόμενο τησ διδαςκαλύασ και τα χαρακτηριςτικϊ των μαθητών/ριών
Τα Χαρακτηριςτικϊ των Μαθητών Τρόποι μϊθηςησ Κοινωνικο-οικονομικϊ χαρακτηριςτικϊ Γνωςτικό υπόβαθρο Στϊςεισ Προοπτικϋσ
Μαθηςιακϊ Αποτελϋςματα και Κοινωνύα τησ Γνώςησ Αρχικό εκτύμηςη -προβληματιςμόσ ςχετικϊ με το ρόλο τησ ΤΕΕ ςτο πλαύςιο τησ ραγδαύασ τεχνολογικόσ ανϊπτυξησ και των αλλαγών ςτισ κοινωνικο-οικονομικϋσ ςυνθόκεσ. αναθεώρηςη μετϊ την αναζότηςη τεκμηρύωςησ ςτη βιβλιογραφύα και ςτην ϋρευνα.
Μαθηςιακϊ Αποτελϋςματα: Δυςκολύεσ προβλόματα λϊθη τρόποι αντιμετώπιςησ Η εύρεςη και η κατανόηςη τησ διεθνούσ βιβλιογραφύασ (για την ϊντληςη πληροφοριών και τησ κατϊλληλησ τεκμηρύωςησ), όταν το αντύςτοιχο υπόβαθρο ςτην Ελλϊδα εύναι ανύπαρκτο. Τα διαφορετικϊ εκπαιδευτικϊ ςυςτόματα, το περιεχόμενο και οι ςκοπού τουσ ςε κϊθε χώρα.
Μαθηςιακϊ Αποτελϋςματα: Δυςκολύεσ προβλόματα λϊθη τρόποι αντιμετώπιςησ Η ορολογύα: TVET (Technical Vocational Education and Training) CTE (Career and Technical Education) STEM (Science, Technology, Engineering, Mathematics) Engineering in K12 Τεχνολογική Εκπαίδευση ή Τεχνική Επαγγελματική Εκπαίδευση? Competence Based Education
Μαθηςιακϊ αποτελϋςματα - Συμπερϊςματα: Κατανόηςη του γνωςτικού αντικειμϋνου Μεταφορϊ τησ γνώςησ, προςαρμογό ςε νϋεσ εξελύξεισ ακόμη και ςε διαφορετικϊ επαγγϋλματα ανϊγκη για δια βύου μϊθηςη και ςυνϋχιςη ςπουδών ςε μεταδευτεροβϊθμιο επύπεδο ανϊπτυξη μεταγνωςτικών ικανοτότων
Μαθηςιακϊ Αποτελϋςματα - Συμπερϊςματα: Κριτικό ςκϋψη, ικανότητα επύλυςησ προβλημϊτων, δημιουργικότητα για καινοτομύα, και βιώςιμη ανϊπτυξη adaptive expertise. Γιατύ: Στην εποχό τησ παγκοςμιοπούηςησ και των ραγδαύων τεχνολογικών εξελύξεων Ένα αποτελεςματικό ςύςτημα επαγγελματικήσ εκπαίδευςησ και κατάρτιςησ μπορεί να διευκολύνει την καινοτομία και την οικονομική ανάκαμψη... (Commission Staff Working Document, European Commission, Strasbourg 20.11.2012)
Επειδό: Εκπαιδευτικός Σχεδιασμός- Ανάλυση Μαθησιακά Αποτελέσματα - Συμπεράσματα Οι καινοτομύεσ εύναι απαραύτητεσ ακόμη και για τισ μικρϋσ επιχειρόςεισ λόγω του παγκόςμιου ανατγωνιςμού Η καινοτομύα δεν περιορύζεται μόνο ςτισ επιχειρόςεισ υψηλόσ τεχνολογύασ ςυμβαύνει και ςτισ επιχειρόςεισ κατώτερησ τεχνολογύασ, βελτιώνοντασ τα προώόντα τουσ, τον τρόπο παραγωγόσ, το ϊνοιγμα ςε νϋεσ αγορϋσ και τισ διαδικαςύεσ παρϊδοςησ. Οι τεχνολογικϋσ και διαδικαςτικϋσ καινοτομύεσ απορροφούνται από τισ επιχειρόςεισ μόνο αν οι εργαζόμενοι ςε όλα τα επύπεδα ϋχουν τισ απαιτούμενεσ ικανότητεσ Commission Staff Working Document, European Commission, Strasbourg 20.11.2012)
Περιοριςμού ςτη μϊθηςη?
Παιδαγωγικό πλαύςιο: Συμπεριφοριςμόσ ό Eποικοδομιςμόσ?
Σσμπεριφοριζμός (behaviourism) Βαςικό παραδοχό του ςυμπεριφοριςμού: το ϊτομο όταν μαθαύνει επιδεικνύει μια προβλϋψιμη, ορατό και μετρόςιμη ςυμπεριφορϊ. Οι γνώζειρ και οι δεξιόηηηερ, πος αναπηύζζει ηο άηομο πος μαθαίνει, αποηελούν ένα ζηαθεπό ζύνολο από ζςνδέζειρ μεηαξύ επεθιζμάηων και αποκπίζεων ς αυτϊ (stimuli responses). Frederic Skinner: μία μεγάλη μορθή ζηο τώρο ηης υστολογίας και ένας από ηοσς προδρόμοσς ηης ζσμπεριθορικής θεφρίας (ζηο άρθρο ηοσ: The Science of Teaching and the Art of Learning, 1954) :
Εποικοδομιζμός (constructivism) Βαςικό παραδοχό του εποικοδομιςμού ωσ θεωρύα μϊθηςησ: Ολη η γνώςη καταςκευϊζεται από προώπϊρχουςα γνώςη, ανεξϊρτητα από τον τρόπο με τον οπούο κϊποιοσ διδϊςκεται, (Cobb, 1994, Bransford et al., 2000), ακόμη και ακούγοντασ μύα διϊλεξη το ϊτομο προςπαθεύ ενεργϊ να καταςκευϊςει νϋα γνώςη. (π.χ. Fish is Fish, Lioni, 1970, The Concept of the Earth s Shape, Vosniadou, Brewer, 1989)
Εποικοδομιζμός (constructivism) Κατϊ τον Bransford et al., 2000, η επιςτημονικό ϋρευνα ςχετικϊ με τη μϊθηςη αναδεικνύει τρεύσ βαςικϋσ αρχϋσ: 1 η Βαςική Αρχή Οι μαθητϋσ ϋρχονται ςτην ςχολικό αύθουςα με προώδεαςμούσ ςχετικϊ με τον κόςμο. Αν η αρχικό τουσ κατανόηςη των φαινομϋνων δεν εμπλακεύ ςτη διαδικαςύα μϊθηςησ δεν καταφϋρνουν να μϊθουν τισ νϋεσ ϋννοιεσ, ό αν το κϊνουν θα εύναι για τισ εξετϊςεισ και μετϊ επιςτρϋφουν ςτην αρχικό τουσ θεώρηςη.
Εποικοδομιζμός (constructivism) 2 η Βαςική Αρχή Για να αναπτύξουν ικανότητεσ αναφορικϊ με ϋνα γνωςτικό αντικεύμενο οι μαθητϋσ πρϋπει: a) Να ϋχουν βαθιϊ δηλωτικό γνώςη. b) Να κατανοούν γεγονότα και ιδϋεσ μϋςα ςε ϋνα εννοιολογικό πλαύςιο και c) Να οργανώνουν τισ γνώςεισ με τρόπουσ που να διευκολύνουν την ανϊκτηςη και την εφαρμογό τουσ.
Εποικοδομιζμός (constructivism) 3 η Βαςική Αρχή Μια διδακτικό προςϋγγιςη που δύνει ϋμφαςη ςτο μεταγιγνώςκειν (meta-cognition), μπορεύ να βοηθόςει τουσ μαθητϋσ να ϋχουν τον ϋλεγχο τησ μϊθηςησ ορύζοντασ μαθηςιακούσ ςτόχουσ και ρυθμύζοντασ την πορεύα τουσ για να τουσ πετύχουν.
Συμπέραςμα: Η Τεχνική Μελέτη, (Engineering Design Process), εύναι παιδαγωγικό προςϋγγιςη, που μπορεύ να ικανοποιόςει τισ παραπϊνω βαςικϋσ αρχϋσ για τη διδαςκαλύα θεωρητικών τεχνολογικών μαθημϊτων ςτη δευτεροβϊθμια τεχνικό και επαγγελματικό εκπαύδευςη - αναδεικνύοντασ παρϊλληλα τη ςύνδεςό τουσ με τισ φυςικϋσ επιςτόμεσ και τα μαθηματικϊ, ςτα πλαύςια μιασ διεπιςτημονικόσ προςϋγγιςησ.
Engineering Design Process Ο ςχεδιαςμόσ, δηλ. η προςϋγγιςη των μηχανικών για τον προςδιοριςμό και την επύλυςη των προβλημϊτων, περιγρϊφεται ςτη βιβλιογραφύα με διαφορετικούσ τρόπουσ. Αν και εφαρμόζονται αρκετϋσ παραλλαγϋσ τησ γενικόσ μεθόδου ςτην πρϊξη, μια προςεκτικό εξϋταςό τουσ καταδεικνύει ότι οι μηχανικού ακολουθούν παρόμοια βόματα. Όταν ορύςουν το πρόβλημα αναζητούν τισ πιθανϋσ λύςεισ, λαμβϊνοντασ υπόψη περιοριςμούσ κόςτουσ, αςφϊλειασ, καταςκευόσ. Επύςησ περιοριςμούσ από κοινωνικούσ παρϊγοντεσ και την τεχνογνωςύα. Lewis, (2006). Design and Inquiry: Bases for an Accommodation between Science and Technology Education in the Curriculum? p.265.
Engineering Design Process Βόματα The Massachusetts Science and Technology /Engineering Curriculum Framework curriculum guide (Massachusetts Department of Education, 2001, p. 73) προτεύνει τα παρακϊτω βόματα για τη διαδικαςύα του engineering design Προςδιοριςμόσ μιασ ανϊγκησ ό ενόσ προβλόματοσ Έρευνα αναφορικϊ με την ανϊγκη ό το πρόβλημα Ανϊπτυξη πιθανόσ λύςησ ό πιθανών λύςεων Επιλογό τησ καλύτερησ δυνατόσ λύςησ ό λύςεων Καταςκευό ενόσ προτύπου Δοκιμό και αποτύμηςη τησ λύςησ ό των λύςεων Εξωτερύκευςη τησ λύςησ ό των λύςεων Επαναςχεδιαςμόσ
Engineering Design Βόματα Το χαρακτηριςτικό που διαφοροποιεύ το EDP ωσ παιδαγωγικό μϋθοδο από τη μϋθοδο επύλυςησ προβλόματοσ (problem-solving approach), εύναι το βόμα 4 που απαιτεύ την αξιολόγηςη αποτύμηςη των δυνατών λύςεων, ενώ το βόμα 2 εύναι αυτό που εμπλϋκει τισ απαιτούμενεσ γνώςεισ από τισ φυςικϋσ επιςτόμεσ και τα μαθηματικϊ. Lewis, (2006). Design and Inquiry: Bases for an Accommodation between Science and Technology Education in the Curriculum?
Τρόποι και μορφϋσ παρϊδοςησ τησ γνώςησ: Εκπαιδευτικό λογιςμικό εικονικό μηχανό για την εκτϋλεςη τριςδιϊςτατων πειραμϊτων (μϋςω διαςύνδεςησ LabVIEW OpenGL), και γραφικών αναπαραςτϊςεων των αποτελεςμϊτων για τη ςτόριξη και τη διευκόλυνςη του Engineering Design
Συμπεράσματα Δημιουργύα εικονικόσ μηχανόσ για την εκτϋλεςη τριςδιϊςτατων πειραμϊτων (μϋςω διαςύνδεςησ LabVIEW OpenGL), και γραφικών αναπαραςτϊςεων των αποτελεςμϊτων για τη ςτόριξη και τη διευκόλυνςη του Engineering Design ωσ εποικοδομιςτικό,(constructivist), παιδαγωγικό προςϋγγιςη ςτη διδαςκαλύα θεωρητικών τεχνολογικών μαθημϊτων ςτη δευτεροβϊθμια τεχνικό και επαγγελματικό εκπαύδευςη - αναδεικνύοντασ τη ςύνδεςό τουσ με τισ φυςικϋσ επιςτόμεσ και τα μαθηματικϊ, ςτο πλαύςιο μιασ διεπιςτημονικόσ προςϋγγιςησ.
Συμπεράσματα Πρακτικό εφαρμογό ςτην αύθουςα διδαςκαλύασ για να διερευνηθεύ η αποτελεςματικότητα και η αποδοτικότητϊ τησ, αναφορικϊ με την κατανόηςη των εννοιών, την ανϊπτυξη κριτικόσ ςκϋψησ, ικανότητασ μεταφορϊσ τησ γνώςησ και του μεταγιγνώςκειν από τουσ μαθητϋσ.
Εκπαιδευτικός Σχεδιασμός- Σχεδίαση Καταγραφό τησ ςτρατηγικόσ που θα εφαρμοςθεύ: ςτρατηγικϋσ διδαςκαλύασ με την οπούα θα εφαρμοςτεύ η παιδαγωγικό προςϋγγιςη και οι μαθηςιακού ςτόχοι: Το λογιςμικό εύναι ςημαντικό μϋςο υλοπούηςησ των ςτρατηγικών αυτών Σχεδιαςμόσ τησ ςυγκεκριμϋνησ μαθηςιακόσ διαδικαςύασ.
Εκπαιδευτικός Σχεδιασμός- Ανάπτυξη Συγκϋντρωςη του εκπαιδευτικού περιεχομϋνου που ϋχει αποφαςιςθεύ ςτη φϊςη τησ ςχεδύαςησ Παιδαγωγικό προςϋγγιςη και ςυνακόλουθεσ ςτρατηγικϋσ καθορύζουν τα -> χαρακτηριςτκϊλειτουργύεσ του λογιςμικού (tool and scaffold)
Εκπαιδευτικός Σχεδιασμός- Ανάπτυξη Δημιουργύα και ανϊπτυξη του διδακτικού περιεχομϋνου που αποφαςύςτηκε ςτη φϊςη του ςχεδιαςμού. Εφαρμογό των τεχνολογικών μϋςων διδαςκαλύασ δοκιμό τησ λειτουργύασ ανατροφοδότηςη τροποποιόςεισ πριν τη χρόςη ςτη διδαςκαλύα
Εκπαιδευτικός Σχεδιασμός- Εφαρμογή Εφαρμογό τησ διδακτικόσ παρϋμβαςησ όπωσ ϋχει ςχεδιαςτεύ ςτη ςχολικό τϊξη (γύνεται εκπαύδευςη του διδϊςκοντα και του μαθητευόμενου και παραδύνονται τα μαθηςιακϊ υλικϊ και το περιεχμόμενο ςτουσ μαθητευόμενουσ
Εκπαιδευτικός Σχεδιασμός- Αξιολόγηση Αποτύμηςη Διαμορφωτικό Formative κατϊ τη διϊρκεια τησ μαθηςιακόσ διαδικαςύασ Αθροιςτικό Summative ςτο τϋλοσ τησ διαδικαςύασ Τησ επιτευξησ των αρχικών διδακτικών ςτόχων και επιτυχύα τησ όλησ διαδικαςύασ Γύνονται προτϊςεισ για τη βελτύωςη και αναθε ψρηςη οριςμϋνων ςτοιχεύων
Σημαντικές πηγές 1. Βιβλιογραφικϋσ αναφορϋσ των δημοςιευμϋνων ϊρθρων ςτα επιςτημονικϊ περιοδικϊ 2. American Society for Engineering Education: Πρακτικϊ ςυνεδρύων, Επιςτημονικϊ περιοδικϊ JEE, AEE. http://www.asee.org 3. http://link.springer.com/ 4. LabVIEW for Everyone, J.Travis, J. Kring - 3 rd ed. PRENTICE HALL, 2007 5. http://www.ni.com/labview/
Σημαντικές πηγές 6. National Academies Press (U.S.A) online: http://www.nap.edu/ η ϋγκυρη πηγό βιβλύων από: the National Academy of Sciences, the National Academy of Engineering, the Institute of Medicine, and the National Research Council 7. http://scholar.lib.vt.edu/ejournals (Ejournals for technical education) 8. How People Learn, Brain, Mind, Experience, and School, John Bransford, Ann L.Brown, and Rodney R. Cocking Editors National Research Council
Σημαντικές πηγές 9. Engineering in K12 Education: Understanding the Status and Improving the Prospects. Linda Katehi, Greg Pearson, and Michael Feder, Editors National Research Council. 10. BUILDING INTELLIGENT INTERACTIVE TUTORS, Student-centered strategies for revolutionizing e-learning. Beverly Park Woolf, ELSEVIER, 2009.