Μελέτη των αρχών και ανάπτυξη λογισμικού για τη διδασκαλία σύγχρονων θεμάτων φυσικής

Abstract

The aim of the present Thesis was to develop educational material appropriate to be used during the instruction of the concept of climate to people with a basic scientific knowledge concerning the subject matter, as well as to people who are interested in studying the climate. For this reason two educational sets were developed, which include among other things two software applications. The sciences that are involved in this research are on the one hand the science of Physics with the enormous variety of the different cognitive subjects that are available for research, and on the other hand the sciences of Educational Technology and Pedagogy, which among other things are responsible for setting the principles that should be considered by anyone who wishes to design and develop educational software. Specifically, in a more general description we were involved with the classic notions of energy and heat from the science of Physics, while we were focused on how to use these concepts in order to study the climate. We found that the general principle that describes successfully many of the everyday life matters that are explained by means of energy transfer processes is the energy conservation principle. After we examined the theoretical background of the first year physics students in the Aristotle University of Thessaloniki concerning to the heat transport matters in everyday life phenomena, as well as in the environment, and studied the principles for developing educational software, by using the energy balance climate model we developed useful educational tools on the computer that show for the case that we study how the climate system of the earth is modulated. This is the innovation in our research; the fact that we developed educational tools on the computer, appropriate to be used not only by the scientists and the experts on the subject matter of this research, but also by the general public, thus contributing to a better and deeper understanding of the several subjects that we daily confront, some of which are often difficult to be explained satisfactory by other means. These educational tools are parts of the two educational sets that we designed and developed. The authoring environment for developing the applications was that of Macromedia Flash, which is also appropriate for internet applications. As a consequence we constructed a web-page which in the present form contains the applications that we developed, as well as the necessary theory of the subject matter. The aim of this web-page is to help the visitors of the web-page to gain the special scientific knowledge presented through the applications in a simple and understandable way. More analytically, the two software applications that we developed and that are part of the two educational sets that we designed and developed, deal with the concept of energy and how we can use it constructively in order to study the climate, by performing climate simulation experiments. According to the complexity of each application, one can easily conclude that one of these applications is suitable for those with a standard knowledge on the subject matter, while the other is appropriate for those who are not familiar with it. Based on the energy balance model and the mathematical equations that describe the energy balance between the sun and the earth, we studied the temperatures that are formed over each zone, as well as the global mean temperature of the planet, while performing climate simulation experiments. The first educational set was applied to some first year physics students in the Aristotle University of Thessaloniki, with very good results. Some of the results were announced in an international educational conference and can be found as reviewed papers in the proceedings of the conference. They can also be found in the scientific journal European Journal of Physics, as well as on the website of a well known english university. The second educational set was applied to high school students and teachers, as well as to adults that practise several professions. The results that we gained were also very good.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε η υλοποίηση δύο εκπαιδευτικών συνόλων, κατάλληλων για τη διδασκαλία της ευρύτερης έννοιας του κλίματος σε άτομα που κατέχουν την απαραίτητη για την κατανόηση των υπό εξέταση θεμάτων γνώση, αλλά και στο ευρύτερο κοινό που εκδηλώνει το ενδιαφέρον να ασχοληθεί με τα συγκεκριμένα ζητήματα. Τα εκπαιδευτικά αυτά σύνολα περιέχουν, ανάμεσα στα άλλα, δύο εφαρμογές λογισμικού και αποτελούν απόρροια μιας γενικότερης προσπάθειας για διάχυση της εξειδικευμένης επιστημονικής γνώσης σε επίπεδα κατώτερα του επιστημονικού. Οι επιστήμες που εμπλέκονται στην παρούσα εργασία είναι από τη μια η επιστήμη της Φυσικής, με την πληθώρα των επιμέρους γνωστικών αντικειμένων που προσφέρει προς μελέτη και έρευνα, και από την άλλη οι επιστήμες της Εκπαιδευτικής Τεχνολογίας και της Παιδαγωγικής που ασχολούνται ανάμεσα στα άλλα με τη μελέτη των αρχών που θα πρέπει να διέπουν το σχεδιασμό και την ανάπτυξη λογισμικού εκπαιδευτικού χαρακτήρα. Συγκεκριμένα ασχοληθήκαμε στο γενικότερο πλαίσιο με τις κλασικές έννοιες της ενέργειας και της θερμότητας από τον χώρο της Φυσικής, ενώ ως ειδική περίπτωση μελετήθηκε η έννοια του κλίματος. Διαπιστώθηκε ότι η γενική αρχή που περιγράφει επιτυχώς πολλά από τα φαινόμενα με τα οποία ερχόμαστε αντιμέτωποι καθημερινά και τα οποία ερμηνεύονται μέσα από διαδικασίες μεταφοράς της ενέργειας, είναι η αρχή διατήρησης της ενέργειας. Αφού διερευνήθηκε το υπόβαθρο μερίδας πρωτοετών φοιτητών Φυσικής του Α.Π.Θ. σε θέματα σχετικά με τη μεταφορά της θερμότητας σε απλές καθημερινές εφαρμογές και στο περιβάλλον και μελετήθηκαν οι αρχές που θα πρέπει να διέπουν την ανάπτυξη λογισμικού εκπαιδευτικού χαρακτήρα, χρησιμοποιώντας το κλιματικό μοντέλο του ενεργειακού ισοζυγίου δημιουργήθηκαν κατάλληλα εργαλεία στον υπολογιστή εκπαιδευτικού / επιμορφωτικού χαρακτήρα που αναδεικνύουν για την περίπτωση της μελέτης μας τον τρόπο με τον οποίο διαμορφώνεται το κλίμα ολόκληρου του πλανήτη. Στο σημείο αυτό έγκειται και η πρωτοτυπία της έρευνας, αφού πετύχαμε να αναπτύξουμε εργαλεία στον υπολογιστή κατάλληλα για χρήση όχι μόνο από τους επιστήμονες και τους ειδικούς στα γνωστικά αντικείμενα με τα οποία ασχοληθήκαμε, αλλά και από το ευρύτερο κοινό, συμβάλλοντας κατά αυτόν τον τρόπο σε μια προσπάθεια για την καλύτερη και ουσιαστικότερη κατανόηση των θεμάτων που μας αγγίζουν καθημερινά. Τα εργαλεία αυτά εντάχθηκαν στη συνέχεια στα δύο εκπαιδευτικά σύνολα που υλοποιήθηκαν. Ως περιβάλλον ανάπτυξης των εφαρμογών επιλέχθηκε το Macromedia Flash το οποίο είναι κατάλληλο και για διαδικτυακή χρήση. Άμεση απόρροια των παραπάνω αποτέλεσε η δημιουργία ιστοσελίδας, η οποία περιέχει τόσο τις εφαρμογές που αναπτύχθηκαν, όσο και τη βασική θεωρία που υποστηρίζει τις εφαρμογές αυτές. Σκοπός της δημιουργίας της συγκεκριμένης ιστοσελίδας ήταν να υπάρχει η δυνατότητα η δική μας επιστημονική γνώση, έχοντας υποστεί νωρίτερα την κατάλληλη επεξεργασία, να είναι προσπελάσιμη σε μεγάλη μερίδα ατόμων. Πιο αναλυτικά, οι δύο μορφές λογισμικού που αναπτύχθηκαν και που εντάσσονται στα δύο εκπαιδευτικά σύνολα που σχεδιάσθηκαν και υλοποιήθηκαν ασχολούνται με τον τρόπο με τον οποίο μπορούμε να διαχειριστούμε με παραγωγικό τρόπο την έννοια της ενέργειας με σκοπό να μελετήσουμε το παγκόσμιο κλίμα, και παρέχουν τη δυνατότητα να εκτελούμε πειράματα προσομοίωσης του κλίματος. Ανάλογα με την πολυπλοκότητα που παρουσιάζει η οθόνη κάθε μιας από τις δύο εφαρμογές, αντιλαμβάνεται κανείς ότι η μία είναι κατάλληλη για άτομα που είναι αρχάρια στο παρουσιαζόμενο αντικείμενο, ενώ η άλλη εφαρμογή είναι κατάλληλη για άτομα που κατέχουν βασικές γνώσεις γύρω από το εξεταζόμενο θέμα. Βασισμένοι στο μοντέλο του ενεργειακού ισοζυγίου και με τη βοήθεια των μαθηματικών εξισώσεων που περιγράφουν το ενεργειακό ισοζύγιο για την περίπτωση του συστήματος ήλιου - γης και των παραμέτρων που λαμβάνει υπόψη το μοντέλο αυτό, μελετήθηκαν οι παράγοντες που συμβάλλουν στη διαμόρφωση της θερμοκρασίας κάθε γεωγραφικής ζώνης του πλανήτη, καθώς και της μέσης παγκόσμιας θερμοκρασίας.