Επίδραση υπολογιστικού περιβάλλοντος γενικού σκοπού στην επίλυση λεκτικών μαθηματικών προβλημάτων: η περίπτωση των ηλεκτρονικών λογιστικών φύλλων

Abstract

This study is situated within the research area of the educational implementation of software environments in problem solving. The study is relevant to the investigation of the potential and support of software environments as tools for learning, and their links to the cognitive development of the students. More specifically, it focuses on the employment of spreadsheets in mathematics education for the construction of algebraic expressions and the solution of story problems. Within this framework, the impact of the affordances of the environment on the cognitive processes of students during problem solving tasks was investigated. The study focuses on the impact of the process for the verification of the solution which is supported by the environment, as well as on the impact of the existing knowledge and skills relevant to the manipulation of the spreadsheet environment elements and the interaction with the interface, during the process of problem solving. We employed a quantitative research approach and we combined qualitative and quantitative data which were quantitatively analysed. The existing experience of the students with the main functions for entering formulas in the spreadsheets as well as their problem solving processes with spreadsheets were initially tested. The sample of our study was consisted of students of the Department of Educational Sciences and Early Childhood Education of the University of Patras. Analysis of the data relevant to the problem solving process with pen and paper and by employing the spreadsheets indicated that the computer environment of the spreadsheets contributes to the solution of the problem. It seems that the computer spreadsheet environment supports the transition from numeric to algebraic solutions and also provides the tools which can facilitate the verification of the solution by the students. Concerning the prior experience and knowledge of the students with the functions for entering formulas, data analysis also indicated that the majority of the students were able to employ these functions for constructing formulas in the computer spreadsheet environment. Within this context, it was observed that immediate feedback provided by the software through the error messages upon an erroneous formula insertion, alerted the students so as to successfully, in most of the cases, revise and correct their mistakes. Finally, through an exploratory analysis, we aimed at defining the impact of specific factors on the solution of each of the problems in the computer spreadsheet environment. The analysis indicated the direct impact of both prior problem solving skills and of the frequency of solution verifications, and also the indirect impact of the knowledge and skills of the functions of the environment for entering formulas. Confirmatory data analysis through Structural Equation Modeling further confirmed these indications.

Η παρούσα έρευνα εντάσσεται στην ευρύτερη επιστημονική περιοχή της διδακτικής αξιοποίησης των υπολογιστικών περιβαλλόντων στην επίλυση προβλημάτων. Αφορά τη διερεύνηση των δυνατοτήτων των υπολογιστικών περιβαλλόντων και της υποστήριξής τους στη μάθηση και γενικότερα στη γνωστική ανάπτυξη των μαθητών. Συγκεκριμένα, εστιάζει στο πως το περιβάλλον γενικού σκοπού των Ηλεκτρονικών Λογιστικών Φύλλων (ΗΛΦ) μπορεί να αξιοποιηθεί στην κατασκευή αλγεβρικών εκφράσεων που αποτελούν τη λύση των λεκτικών μαθηματικών προβλημάτων (ΛΜΠ). Στο πλαίσιο αυτό διερευνήθηκε η επίδραση των βασικών λειτουργιών του περιβάλλοντος των ΗΛΦ στη γνωστική διαδικασία της επίλυσης ΛΜΠ. Ειδικότερα, η έρευνα εστιάζει στην επίδραση της επαλήθευσης των λύσεων που υποστηρίζει το περιβάλλον αλλά και τη γνώση του χειρισμού των βασικών λειτουργιών του περιβάλλοντος στη διαδικασία επίλυσης ΛΜΠ. Για τη διεξαγωγή της έρευνας ακολουθήθηκε ποσοτική προσέγγιση, με συνδυασμό ποιοτικών και ποσοτικών δεδομένων, τα οποία αναλύθηκαν ποσοτικά. Αρχικά, μελετήθηκε η εξοικείωση των φοιτητών με τις βασικές λειτουργίες εισαγωγής τύπων των ΗΛΦ και ακολούθως η επίλυση προβλήματος με αυτά. Το δείγμα της έρευνας αποτελείται από φοιτήτριες του Τμήματος Επιστημών Εκπαίδευσης και Αγωγής στην Προσχολική Ηλικία (ΤΕΕΑΠΗ) του Πανεπιστημίου Πατρών. Η ανάλυση των δεδομένων που αφορούν την επίλυση προβλημάτων, αφενός με «μολύβι-χαρτί» και αφετέρου στο περιβάλλον των ΗΛΦ, έδειξε ότι το περιβάλλον των ΗΛΦ συμβάλει στην επίλυση προβλήματος αφού φαίνεται να υποστηρίζει τη μετάβαση από αριθμητικού σε αλγεβρικού τύπου λύσεις και ταυτόχρονα παρέχει εργαλεία τα οποία διευκολύνουν τις φοιτήτριες να επαληθεύσουν τις λύσεις τους. Επιπρόσθετα, από την ανάλυση των δεδομένων σχετικά με την εξοικείωση των φοιτητών με τις βασικές λειτουργίες εισαγωγής τύπων φάνηκε ότι η πλειονότητα των φοιτητών είναι σε θέση να χρησιμοποιήσει τις λειτουργίες αυτές για τη διατύπωση τύπων στο περιβάλλον των ΗΛΦ. Στο ίδιο πλαίσιο, παρατηρήθηκε ότι η άμεση ανάδραση του λογισμικού μέσω των μηνυμάτων λάθους που εμφανίζονται από τη μη ορθή εισαγωγή τύπου φαίνεται να κινητοποιεί τους φοιτητές να διορθώσουν τα λάθη τους, στις περισσότερες των περιπτώσεων, με επιτυχία. Τέλος, η διερευνητική ανάλυση, που έλαβε χώρα στη συνέχεια, είχε στόχο να προσδιορίσει τις συσχετίσεις συγκεκριμένων παραγόντων με την επίλυση του κάθε προβλήματος με το περιβάλλον των ΗΛΦ. Συγκεκριμένα, ανέδειξε άμεσες συσχετίσεις, τόσο της πρότερης επιλυτικής ικανότητας όσο και της συχνότητας επαλήθευσης των λύσεων καθώς και την έμμεση συσχέτιση της εξοικείωσης με τις βασικές λειτουργίες εισαγωγής τύπων. Η επιβεβαιωτική ανάλυση με χρήση μοντέλων δομικών εξισώσεων (structural equation modeling) που πραγματοποιήθηκε στα δεδομένα της έρευνας επιβεβαίωσε τις παραπάνω εκτιμήσεις.