Αποτελεσματικότητα των παραμέτρων του σύγχρονου εκπαιδευτικού λογισμικού στη διδακτική της χημείας

Abstract

The present thesis aims at the construction of interactive multimedia applications as well as to be determined whether the use of specific types of visualization (3D illustration, 3D animation, and interactive 3D animation) combined with narration and text, contributes to the learning process of 13-14 and 17-18 years- old students, in chemistry courses. Also based on the acceptable theories and researches in various multimedia visualizations, two interactive multimedia applications were produced from scratch. The first one is called “Separation Methods of Mixtures” and is addressed to 8th grade students while the second one is called "Atomic Orbitals" and is addressed to 12th grade students. Each multimedia application is created in three different versions, each one differing from the other two with regards to the type of visualization. In particular, the first version involves interactive 3D animations, the second version utilizes 3D animations, and the third version employs 3D illustrations. A statistical research study then followed, which aimed at finding out whether the three factors, i.e. interactive 3D animation, 3D animation and 3D illustrations, as well as combinations of the three, make learning more efficient, if so, to what extent. 212 8th grade and 114 12th grade students participated in the main research .The sample was selected randomly at clumps from various schools of Greece, areas of Attica and Chania, only after the permission that the Greek Ministry of Education and the Pedagogical Institute gave. In the case of the 13 and 14 years- old students, the results indicate that multimedia applications with interactive 3D animations as well as with 3D animations do in fact increase the interest of students. The findings also suggest that the static visuals (3D illustrations) leave the time control of learning to the students and decrease the cognitive load. In the case of the 17 and 18 years- old students, the research results prove that interactive 3D animations have a greater contribution to the learning process than the other two types of visualization. In addition, all three versions of the multimedia application increased the students' interest. Moreover, the success rates of the students exposed to the interactive 3D animations suggested that 17-18 years old students overcome possible cognitive overload problems.

Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η δημιουργία διαδραστικών πολυμεσικών εφαρμογών στο μάθημα της χημείας καθώς επίσης και να καθοριστεί κατά πόσο οι διάφοροι τύποι οπτικοποιήσεων (3D στατικά γραφικά, 3D γραφικά με σχεδιοκίνηση, 3D διαδραστικά γραφικά με σχεδιοκίνηση) σε συνδυασμό με αφήγηση και κείμενο συνεισφέρουν στη μαθησιακή διαδικασία των μαθητών ηλικίας 13-14 και 17-18 χρόνων στο μάθημα της χημείας. Με βάση οδηγίες δημιουργίας πολυμεσικών εφαρμογών και λαμβάνοντας υπόψη έρευνες σχετικές με διάφορα είδη οπτικοποίησης, κατασκευάστηκαν εκ του μηδενός δύο διαδραστικές πολυμεσικές εφαρμογές για το μάθημα της Χημείας. Η πρώτη έχει τίτλο «Διαχωρισμός μιγμάτων» και απευθύνεται σε μαθητές Β’ Γυμνασίου, ενώ η δεύτερη «Ατομικά τροχιακά» και απευθύνεται σε μαθητές Γ΄ Λυκείου Θετικής Κατεύθυνσης. Κάθε εφαρμογή δημιουργήθηκε σε τρεις διαφορετικές εκδόσεις, όπου η κάθε μία διαφέρει από τις άλλες κατά μια παράμετρο. Ειδικότερα, στην πρώτη έκδοση περιλαμβάνονται διαδραστικά 3D γραφικά (3D interactive) με ή χωρίς σχεδιοκίνηση (animation), στη δεύτερη 3D γραφικά με σχεδιοκίνηση (3D animation) και στην τρίτη έκδοση 3D στατικές εικόνες (key frames). Ακολούθησε έρευνα, η οποία είχε ως σκοπό να διαπιστωθεί αν και οι τρεις παράμετροι, δηλαδή τα 3D διαδραστικά γραφικά, τα 3D γραφικά με σχεδιοκίνηση (3D animation) και οι 3D στατικές εικόνες, καθώς και οι συνδυασμοί τους επιδρούν και σε ποιο βαθμό στην επίδοση των μαθητών και στη διευκόλυνση της μάθησης. Για την κυρίως έρευνα χρησιμοποιήθηκαν από τη Β΄ Γυμνασίου 212 μαθητές και από τη Γ΄ Λυκείου 114 μαθητές. Το δείγμα επιλέχθηκε τυχαία από διάφορα σχολεία της Ελλάδας, στους νομούς Αττικής και Χανίων, ύστερα από άδεια που δόθηκε από το Υπουργείο Παιδείας και το Παιδαγωγικό Ινστιτούτο. Από τη στατιστική επεξεργασία των αποτελεσμάτων της έρευνας προέκυψε ότι, στο Γυμνάσιο τόσο τα διαδραστικά 3D γραφικά σχεδιοκίνησης όσο και τα 3D γραφικά σχεδιοκίνησης υπερτερούν έναντι των στατικών γραφικών, όσον αφορά στην εκδήλωση ενδιαφέροντος από τους μαθητές. Επίσης τα 3D γραφικά αφήνουν το χρονικό έλεγχο της εκμάθησης στους σπουδαστές και μειώνουν το γνωστικό φορτίο. Αντίθετα, για το Λύκειο βρέθηκε ότι τα διαδραστικά 3D γραφικά σχεδιοκίνησης συμβάλλουν περισσότερο στη διαδικασία της μάθησης σε σχέση με τους άλλους δύο τύπους οπτικοποιήσεων. Ακόμα, παρατηρήθηκε ότι και οι τρεις τύποι των 3D γραφικών διατηρούν στον ίδιο βαθμό το ενδιαφέρον των μαθητών. Παράλληλα, τα διαδραστικά 3D γραφικά δεν προκαλούν υπερφόρτωση γνωστικού φορτίου.