Ανάπτυξη, εφαρμογή και διερεύνηση προσομοιωμένων μοντέλων στη διδασκαλία των φυσικών επιστημών

Abstract

Models constitute a main methodological instrument of the scientific research. With the use of models theories are specialized, phenomena are interpreted, and hypotheses are tested. The value of models and modelling in teaching and learning of Science has been supported by extensive studies that highlight the importance and capability to contribute in cognitive progress of students. Many studies have shown the limited knowledge of pupils, students, even of teachers, relative to models, and that teachers meet problems in the teaching and use of models. Difficulties are met in the identification and the application of the explanatory function of models but mainly in the identification of their predictive function. In teaching of Science models are used for the interpretation of the phenomena, although the use of models aiming in the prediction of a phenomenon is not spread. Apart from scientific interest, there is also educational interest for the teaching and learning of models in our country. The in service teachers have to apply the recently legislated United Program of Bythematic Studies in all stages of the elementary education. The program highlights the importance of models and refers to its aims, that is that the students should be crossed with modelling procedures. The aim of the present Doctoral thesis is to investigate the contribution of a model based teaching sequence to the understanding of the concept of models. Initially, the views of students of the Department of Primary Education of the Aristotle University of Thessaloniki on models and electrostatic phenomena were investigated and then it was designed, developed and implicated an innovative teaching-learning sequence for teaching the concept of models and modelling in sixteen prospective teachers. The aim of the teaching sequence was to import students smoothly in the concept of models and modelling procedures. This was succeeded by a special designed teaching sequence in which students used models and followed modelling procedures for the study of polarization and the different way of charging insulators and conductors. So, the simulated models developed for the needs of the educational units were used by students not only for understanding the electrostatic phenomena but mainly for understanding the predictive and explanatory use of them. The final pattern of the sequence was obtained from a cyclic procedure of pilot studies. Results were obtained by the analysis of pre and post tests on models and electrostatic phenomena and of written answers and the transcribed interview protocols on crucial parts during the educational units. Results have shown that the primary student-teachers understood the concept of models, participating actively and successfully in the whole procedure by using the simulated models in order to predict or explain the phenomena. The specific thesis contributes on the international research interest and at the same time comprises an applicable didactic proposal for teaching the concept of models and the modelling procedures in an introductory level.

Ερευνητές/τριες και εκπαιδευτικοί προτείνουν ότι η εκμάθηση των Φυσικών Επιστημών θα έπρεπε να οδηγεί τους μαθητές/τριες στην επιστημονική γνώση αναπτύσσοντας την κατανόηση των αναπαραστάσεων του υλικού κόσμου, δηλαδή των επιστημονικών θεωριών και μοντέλων. Τα μοντέλα αποτελούν βασικό στοιχείο της αναπαραστασιακής διάστασης της επιστήμης και κύριο μεθοδολογικό εργαλείο της επιστημονικής έρευνας. Με τη χρήση των μοντέλων εξειδικεύονται θεωρίες, ερμηνεύονται φαινόμενα και ελέγχονται υποθέσεις. Η αξία των μοντέλων και της μοντελοποίησης στη διδασκαλία και τη μάθηση των Φυσικών Επιστημών έχει υποστηριχθεί από εκτεταμένες έρευνες οι οποίες τονίζουν τη σπουδαιότητά τους και τη δυνατότητά τους να συμβάλλουν στη γνωστική εξέλιξη του μαθητή/τριας. Πολλές έρευνες ανέδειξαν τις περιορισμένες γνώσεις των μαθητών/τριών, φοιτητών/τριών, ακόμα και των εν ενεργεία εκπαιδευτικών σχετικά με τα μοντέλα και ότι οι εκπαιδευτικοί έχουν προβλήματα να διδάξουν μοντέλα ή να εφαρμόσουν διαδικασίες μοντελοποίησης μέσα στην τάξη. #υσκολίες αντιμετωπίζονται στην αναγνώριση και την εφαρμογή της ερμηνευτικής λειτουργίας των μοντέλων αλλά κυρίως στην αναγνώριση της προβλεπτικής τους λειτουργίας. Στη διδασκαλία των Φυσικών επιστημών τα μοντέλα χρησιμοποιούνται ως ένα βαθμό για την ερμηνεία των φαινομένων, ενώ η χρήση των μοντέλων με στόχο να προβλεφθεί ένα φαινόμενο δε φαίνεται να είναι διαδεδομένη. Εκτός από το ερευνητικό υπάρχει και εκπαιδευτικό ενδιαφέρον για τη διδασκαλία και μάθηση με μοντέλα στη χώρα μας. Οι εν ενεργεία και εν δυνάμει εκπαιδευτικοί θα κληθούν να εφαρμόσουν το πρόσφατα θεσμοθετημένο Ενιαίο #ιαθεματικό Πρόγραμμα Σπουδών σε όλες τις βαθμίδες της υποχρεωτικής εκπαίδευσης. Το πρόγραμμα τονίζει τη σημασία των μοντέλων και αναφέρει στους σκοπούς του ότι οι μαθητές/τριες θα πρέπει να εμπλέκονται σε διαδικασίες μοντελοποίησης. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής καταρχήν ανιχνεύθηκαν οι αντιλήψεις φοιτητών/τριών του Παιδαγωγικού Τμήματος #ημοτικής Εκπαίδευσης στο Α.Π.Θ. στην έννοια του μοντέλου και σε θέματα στατικού ηλεκτρισμού και στη συνέχεια σχεδιάστηκε, αναπτύχθηκε και εφαρμόστηκε μία καινοτομική διδακτική σειρά για τη διδασκαλία της έννοιας του μοντέλου και των διαδικασιών μοντελοποίησης σε δεκαέξι μελλοντικούς δασκάλους. Στόχος της διδακτικής σειράς ήταν οι φοιτητές/τριες να εισαχθούν ομαλά στην έννοια του μοντέλου και των διαδικασιών μοντελοποίησης. Αυτό επιτεύχθηκε με μία ειδικά σχεδιασμένη διδακτική σειρά στην οποία οι φοιτητές/τριες χρησιμοποίησαν μοντέλα και ακολούθησαν διαδικασίες μοντελοποίησης με τη μελέτη δύο φαινομένων από την περιοχή του στατικού ηλεκτρισμού: 1) την έλξη ανάμεσα σε ένα φορτισμένο και ένα αφόρτιστο σώμα και 2) τον διαφορετικό τρόπο ηλέκτρισης αγωγών και μονωτών. Η διδακτική σειρά εμπεριείχε στοιχεία από τη γνωστική περιοχή του στατικού ηλεκτρισμού και τη φύση των μοντέλων, με τα προσομοιωμένα μοντέλα που αναπτύχθηκαν για τις ανάγκες της διδακτικής σειράς να μην χρησιμοποιούνται απλά για να κατανοήσουν οι φοιτητές/τριες το γνωστικό περιεχόμενο αλλά κυρίως για να κατανοήσουν την προβλεπτική και επεξηγηματική τους λειτουργία.