Εκπαιδευτική αξιοποίηση υπολογιστικών περιβάλλοντων μοντελοποίησης και ειδικότερα των σχεσιακών συστημάτων διαχείρισης βάσεων δεδομένων

Abstract

In the framework of rapid socioeconomic reform due to the development of Information and Communication Technology an intensive research and political interest for the exploitation of ICT in education has been emerged. This interest has been expressed in practice by a sequence of large scale interventions in the educational system like the reform of the curriculums, the equipment of schools with hardware and software, the development of digital telecommunications networks, teachers training etc. Despite these interventions, educational reality in the class level has not been reformed in a satisfactory level, in general. The effective introduction of ICT in education requires the adoption of a wider theoretical view which allows manageable goal definition and implementation. In this direction the ICT introduction is theoretically viewed using the computational modeling environments as a standing point. This consideration has been based on the observation of the catalytic impact of computational modeling to the basic scientific activity of problem solving. Scientific models constitute a compact form of knowledge expressed using inscription systems that are called Representation Systems (RS). Computer science empowers traditional representation systems like algebra improving their applicability while develops new ones like neural networks providing new opportunities for problem solving and scientific progress. Using computational modeling environments scientists exploit computational resources using conceptual frameworks closer to the problem and the solver than the machine architecture. The familiarization with several representation systems is considered a significant advantage for a problem solver because the selection of the representation system often determines the problem solving difficulty. Modern educational systems often define problem solving development as a main goal and ICT could be exploited in educational systems using computational modeling environments as a vehicle in the context of problem solving improvement goal. In addition interactivity of computational modeling environments and the social nature of modeling process permit the design of general learning activities according to the modern learning theories and pedagogical approaches in the context of several knowledge fields. The thesis focuses on the general purpose computational modeling environments because their use is more or less independent of specific scientific field and they can be applied in scientific as well as in every day problems. From the environments of this kind we choose the Relational Database Management Systems for systematic study. The study concerns questions about the didactics of databases design and use and questions about the possibility of databases exploitation in the context of several teaching subjects in secondary education. The general structure of the thesis contains: initially the review of the scientific use of models, the representation systems, and the impact of computer science in scientific modeling. The current state of the educational research for modeling exploitation in learning is examined next, as well as the role of models in curriculum and the representations of students about models. Then specific remarks from the current state are used in order to document the selection of data modeling for study in the thesis. Epistemological and cognitive analysis of data modeling for database design is following with the review of related research. Then the research questions are defined, the action research design is described, and the research results are presented. Finally, the conclusions are formulated and followed by specific propositions for the improvement of data modeling didactics and its general educational exploitation. The research concerns the conceptual representations of 11th grade students about databases, the difficulties of database design, the evaluation of the specific didactic approach, the analysis of students’ specific difficulties for the relationships understanding and representation during database formal design, and the characteristics of students’ involvement in learning activities using database design. In summary, research results support the conclusion that it is feasible and purposeful to familiarize students to database use and design in order to be able to use databases in problem solving, as well as, in general purpose learning activities.

Η εισαγωγή των Τεχνολογιών της Πληροφορίας και των Επικοινωνιών (ΤΠΕ) στην εκπαίδευση χρειάζεται να στηριχθεί σε μια ευρύτερη θεώρηση που να επιτρέπει ελεγχόμενη στοχοθεσία, σχεδιασμό,υλοποίηση και επαναξιολόγηση, προκειμένου να επιφέρει ικανοποιητικά αποτελέσματα. Προς την κατεύθυνση αυτή η εισαγωγή των ΤΠΕ στην εκπαίδευση προσεγγίζεται θεωρητικά με σημείο εκκίνησης τα υπολογιστικά περιβάλλοντα μοντελοποίησης. Η θεώρηση αυτή βασίζεται στην παρατήρηση της καταλυτικής τους επίδρασης στη βασική επιστημονική δραστηριότητα που είναι η επίλυση προβλημάτων. Τα μοντέλα κωδικοποιούν επιστημονική γνώση και εκφράζονται σε γενικευμένα συστήματα γραφής που ονομάζονται Συστήματα Αναπαράστασης (ΣΑ). Η Πληροφορική ενισχύει παραδοσιακά συστήματα αναπαράστασης (όπως η Άλγεβρα) επεκτείνοντας και βελτιώνοντας την εφαρμοσιμότητα τους, ενώ παράλληλα παρέχει και νέα δημιουργώντας νέες ευκαιρίες για επίλυση προβλημάτων και επιστημονική πρόοδο. Με τα υπολογιστικά περιβάλλοντα μοντελοποίησης οι επιστήμονες αξιοποιούν τους υπολογιστικούς πόρους στην επίλυση προβλημάτων χρησιμοποιώντας τα εννοιολογικά πλαίσια των ΣΑ που είναι εγγύτερα στο πρόβλημα παρά στην αρχιτεκτονική των υπολογιστικών μηχανών. Η επιλογή του συστήματος αναπαράστασης επηρεάζει την ευκολία αντιμετώπισης ενός προβλήματος με αποτέλεσμα η εξοικείωση με ποικιλία συστημάτων αναπαράστασης να αποτελεί στρατηγικό πλεονέκτημα για ένα λύτη. Η βελτίωση της ικανότητας επίλυσης προβλημάτων είναι βασικός στόχος των σύγχρονων εκπαιδευτικών συστημάτων, επομένως οι ΤΠΕ μπορούν να ενσωματωθούν στην εκπαίδευση και με βάση τα υπολογιστικά περιβάλλοντα μοντελοποίησης στα πλαίσια του στόχου αυτού. Επιπρόσθετα, η διαδραστικότητα των υπολογιστικών περιβαλλόντων και η κοινωνική μορφή της μοντελοποίησης επιτρέπουν το σχεδιασμό μαθησιακών δραστηριοτήτων σύμφωνα με τις σύγχρονες θεωρίες μάθησης και τις παιδαγωγικές προσεγγίσεις. Η διατριβή εστιάζεται στα υπολογιστικά περιβάλλοντα γενικού σκοπού επειδή είναι ανεξάρτητα συγκεκριμένου επιστημονικού πεδίου και μπορούν να αξιοποιηθούν τόσο στη μεταφορά γνώσης από πεδίο σε πεδίο όσο και στην επίλυση προβλημάτων καθημερινής ζωής. Από τα περιβάλλοντα αυτά μελετάται επισταμένα η εκπαιδευτική αξιοποίηση των Συστημάτων Διαχείρισης Βάσεων Δεδομένων. Η μελέτη αφορά θέματα από τη Διδακτική του σχεδιασμού και της χρήσης ΒΔ καθώς και τη δυνατότητα αξιοποίησής τους σε γενικές δραστηριότητες μάθησης στα πλαίσια διαφόρων διδακτικών αντικειμένων της δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης. Η γενική δομή της διατριβής έχει ως εξής: Αρχικά διερευνάται η επιστημονική χρήση των μοντέλων, τα συστήματα αναπαράστασης και η επίδραση της Πληροφορικής στην επιστημονική μοντελοποίηση. Κατόπιν καταγράφεται η τρέχουσα κατάσταση στην εκπαιδευτική έρευνα για την αξιοποίηση της μοντελοποίησης στη μάθηση, στους ρόλους και τις μορφές των μοντέλων στα προγράμματα σπουδών και στη σχέση των μαθητών με τα μοντέλα και τη μοντελοποίηση. Η καταγραφή της υπάρχουσας κατάστασης χρησιμοποιείται για την τεκμηρίωση της επιλογής της μοντελοποίησης δεδομένων για μελέτη στα πλαίσια της διατριβής. Κατόπιν η μοντελοποίηση δεδομένων αναλύεται επιστημολογικά και γνωστικά, ενώ καταγράφεται επισκόπηση σχετικών εκπαιδευτικών ερευνών. Στη συνέχεια, διατυπώνονται τα ερευνητικά ερωτήματα, περιγράφεται ο σχεδιασμός της έρευνας δράσης και παρατίθεται η ανάλυση των ερευνητικών δεδομένων. Τέλος αναφέρονται τα συμπεράσματα και οι προτάσεις της διατριβής για τη βελτίωση της διδακτικής της μοντελοποίησης δεδομένων και της γενικής εκπαιδευτικής της αξιοποίησης. Η έρευνα αφορά στις ιδέες των μαθητών της Β’ τάξης του Λυκείου και των ΤΕΕ για τις ΒΔ, τις δυσκολίες στο σχεδιασμό ΒΔ, την αξιολόγηση της προτεινόμενης διδακτικής προσέγγισης, την ανάλυση των δυσκολιών των μαθητών στην αναπαράσταση των συσχετίσεων κατά τον τυπικό σχεδιασμό σχεσιακών ΒΔ και τα χαρακτηριστικά της εμπλοκής των μαθητών σε δραστηριότητες μάθησης που βασίζονται στο σχεδιασμό ΒΔ. Συνοπτικά, τα ερευνητικά δεδομένα υποστηρίζουν την άποψη ότι οι μαθητές είναι εφικτό και σκόπιμο, με κατάλληλες διδακτικές προσεγγίσεις, να εξοικειωθούν σε ικανοποιητικό βαθμό με το σχεδιασμό ΒΔ ώστε να μπορούν να αξιοποιήσουν τους υπολογιστικούς πόρους στην επίλυση προβλημάτων καθημερινής ζωής καθώς και στα πλαίσια γενικών δραστηριοτήτων μάθησης σε διάφορα γνωστικά πεδία. Λέξεις κλειδιά.: Τεχνολογίες Πληροφορικής και Επικοινωνιών στην Εκπαίδευση, Διδακτική Πληροφορικής, Μοντελοποίηση δεδομένων, Βάσεις δεδομένων, Δευτεροβάθμια εκπαίδευση, Μοντελοποίηση, Σχεδιασμός διδακτικών δραστηριοτήτων, Δυσκολίες μαθητών, Αντιλήψεις μαθητών, Έρευνα-δράσης