Ηλεκτρισμός με έμφαση στο μικροσκοπικό επίπεδο: οι ιδέες των εκπαιδευόμενων, ο σχεδιασμός και η επίδραση καινοτόμου διδακτικής παρέμβασης

Abstract

In this study we present the initial design, implementation, evaluation and redesign of a Teaching – Learning Sequence, (TLS), on electricity, suitable for student teachers of Primary Education. The theoretical framework within which the above TLS was developed includes the constructivist approach in teaching and learning, the use of models and the Pedagogical Content Knowledge of teachers. The content of the teaching sequence was based on microscopic models that offer explanations for the macroscopic behavior of electrified bodies and electric circuits and a small number of fundamental principles such as the principles of conservation of charge and energy. These models and the fundamental principles are used in predictions and explanations of the electric phenomena that are being studied. Requested by the implementation of the teaching and learning sequence is the deeper understanding of electricity, the development of skills like observation, drawing conclusions, predicting with the creation or use of models, performing experiments as well as the broadening of Pedagogical Content Knowledge of the student teachers. In total, three applications of the teaching and learning sequence took place: the pilot, the first and the second. The pilot implementation was restricted in length and its aims were to try out the teaching – learning sequence in real conditions so that all its weaknesses would be highlighted and the development of expertise by the teacher and researcher in the teaching of the specific content. The main conclusions of the pilot implementation were: (a) The microscopic level of the electric current proved difficult for the students. (b) The number of 4 or 3 students per group proved to be too large for all the students to have satisfactory participation in carrying out the experiments. (c) Most of the students considered that some of the issues of the TLS were rather advanced for prospective elementary teachers, an opinion which was an inhibitory factor to their learning motives. The first implementation had as aims to teach the learning sequence after its redesign in full form and real conditions, to evaluate its effectiveness and to be supplemented with elements of the teaching of the content. The redesign included: (a) Enrichment and reorganization of the laboratory activities. (b) Addition of simulation activities which the students performed in their PCs. (c) Addition of elements of teaching electricity. (d) Setting the number of students per group to two. (e) Use of communication via e-mail between the teacher and the students so as to achieve the immediate feedback of their effort. The main conclusions of the first implementation were: (a) The changes in the design of the TLS had a positive effect in the students’ understanding of the subject. (b) The addition of the teaching elements increased students’ interest, although the fact that students did not get involved in an active way did not allowed us to evaluate if they are capable enough for this in this stage (3rd semester) of their studies. The second implementation had as aims to teach the learning sequence after its new redesign in full form and real conditions, the evaluation of its effectiveness and the incorporation of teaching elements of electricity with a more integrated way which would give a more active role to the students. The redesign took into account the experience and the conclusions of the first implementation and it included: (a) The addition of a discussion about Science Education and Pedagogical Content Knowledge. (b) The introduction of Content Representations as tools that promote the Pedagogical Content Knowledge of the prospective elementary teachers. The addition of the creation of Content Representations by the students for static electricity and electric current. The main conclusions of the second implementation were: (a) The use of Content Representations proved to be a suitable way for the training of prospective elementary teachers both in the content of electricity and its teaching. (b) The teaching topics and Content Representations stimulated the interest of prospective elementary teachers but, in this stage of their studies, (3rd semester), their introduction should be done with caution and a lot of scaffolding because they have a lack of knowledge about teaching and they do not have any teaching experience. We believe that this study significantly contributes to the teaching and learning about electricity in the microscopic level, in the design of teaching – learning sequences and in promoting the pedagogical content knowledge of prospective elementary teachers.

Στην εργασία μας αυτή παρουσιάζουμε τον αρχικό σχεδιασμό, την εφαρμογή, την αξιολόγηση και τον επανασχεδιασμό μιας διδακτικής – μαθησιακής ακολουθίας (Teaching and Learning Sequence, TLS) με θέμα τον Ηλεκτρισμό, κατάλληλης για φοιτητές υποψήφιους εκπαιδευτικούς Πρωτοβάθμιας Εκπαίδευσης. Το θεωρητικό πλαίσιο μέσα στο οποίο αναπτύχθηκε η παραπάνω διδακτική – μαθησιακή ακολουθία, περιλαμβάνει την εποικοδομητική προσέγγιση στη διδασκαλία και τη μάθηση, τη χρήση μοντέλων και την παιδαγωγική γνώση περιεχομένου των εκπαιδευτικών. Το περιεχόμενο της διδακτικής σειράς αναπτύχθηκε με βάση μικροσκοπικά μοντέλα που προσφέρουν εξηγήσεις για τη μακροσκοπική συμπεριφορά ηλεκτρισμένων σωμάτων και ηλεκτρικών κυκλωμάτων και ένα μικρό αριθμό θεμελιωδών αρχών όπως η αρχή διατήρησης του φορτίου και η αρχή διατήρησης της ενέργειας. Τα μοντέλα αυτά και οι θεμελιώδεις αρχές χρησιμοποιούνται στις προβλέψεις και εξηγήσεις των ηλεκτρικών φαινομένων που μελετώνται. Ζητούμενα από την εφαρμογή της διδακτικής και μαθησιακής ακολουθίας είναι η πληρέστερη κατανόηση του ηλεκτρισμού, η ανάπτυξη δεξιοτήτων όπως η παρατήρηση, η εξαγωγή συμπερασμάτων, οι προβλέψεις με δημιουργία ή χρήση μοντέλων, η εκτέλεση πειραμάτων καθώς επίσης και η διεύρυνση της παιδαγωγικής γνώσης περιεχομένου των φοιτητών – υποψηφίων εκπαιδευτικών. Συνολικά τρεις εφαρμογές της διδακτικής – μαθησιακής ακολουθίας πραγματοποιήθηκαν: η πιλοτική, η πρώτη εφαρμογή και η δεύτερη εφαρμογή. Η πιλοτική εφαρμογή ήταν πιο περιορισμένη σε έκταση και είχε ως στόχους να δοκιμάσει τη διδακτική – μαθησιακή ακολουθία σε πραγματικές συνθήκες ώστε να αναδειχθούν οι αδυναμίες της και να αποκτήσει εμπειρία ο διδάσκων από την εφαρμογή της. Τα κυριότερα συμπεράσματα της πιλοτικής εφαρμογής ήταν: (α) Η δυσκολία κατανόησης του μικροσκοπικού επιπέδου από τους φοιτητές. (β) Ο αριθμός των 3 ή 4 φοιτητών ανά ομάδα εργασίας ήταν μεγάλος για να καταφέρουν όλοι να έχουν ικανοποιητική συμμετοχή στην εκτέλεση των πειραμάτων. (γ) Οι περισσότεροι φοιτητές θεώρησαν ότι αρκετά από τα θέματα που διαπραγματεύονταν η TLS ήταν μάλλον προχωρημένα για υποψήφιους δασκάλους υποχρεωτικής εκπαίδευσης, άποψη που ήταν ανασταλτικός παράγοντας στα κίνητρά τους για μάθηση. Η πρώτη εφαρμογή είχε ως στόχους να διδαχθεί η διδακτική και μαθησιακή ακολουθία μετά τον επανασχεδιασμό της σε πλήρη μορφή και σε πραγματικές συνθήκες, να αξιολογηθεί η αποτελεσματικότητά της και να συμπληρωθεί με στοιχεία διδακτικής του αντικειμένου. Ο επανασχεδιασμός έγινε λαμβάνοντας υπόψη την εμπειρία και τα συμπεράσματα της πιλοτικής εφαρμογής και περιλάμβανε: (α) Εμπλουτισμό και αναδιοργάνωση των εργαστηριακών δραστηριοτήτων. (β) Προσθήκη δραστηριοτήτων με προσομοιώσεις που οι φοιτητές εκτελούσαν στον προσωπικό τους υπολογιστή. (γ) Προσθήκη στοιχείων διδακτικής του ηλεκτρισμού. (δ) Ορισμό του αριθμού των φοιτητών ανά ομάδα σε δύο. (ε) Χρήση της επικοινωνίας μέσω e-mail με σκοπό την άμεση ανατροφοδότηση της προσπάθειας των εκπαιδευομένων. Τα κυριότερα συμπεράσματα στα οποία καταλήξαμε ήταν: (α) Οι αλλαγές στο σχεδιασμό της TLS είχαν θετική επίδραση στην κατανόηση του θέματος από τους φοιτητές. (β) Η προσθήκη στοιχείων της διδακτικής του ηλεκτρισμού αύξησε το ενδιαφέρον των φοιτητών. Η δεύτερη εφαρμογή είχε ως στόχους την εκ νέου διδασκαλία της TLS σε πραγματικές συνθήκες, την αξιολόγηση και πάλι της αποτελεσματικότητας της και τη ενσωμάτωση στοιχείων της διδακτικής με περισσότερο ολοκληρωμένο τρόπο που θα εξασφάλιζε πιο ενεργό ρόλο στους φοιτητές. Ο επανασχεδιασμός που έγινε λαμβάνοντας υπόψη την εμπειρία και τα συμπεράσματα της πιλοτικής και της πρώτης εφαρμογής περιλάμβανε: (α) Προσθήκη συζήτησης για την Εκπαίδευση στις Φυσικές Επιστήμες και για την Παιδαγωγική Γνώση Περιεχομένου. (β) Εισαγωγή των Αναπαραστάσεων Περιεχομένου ως εργαλείων που προάγουν την Παιδαγωγική Γνώση Περιεχομένου των υποψήφιων εκπαιδευτικών. (γ) Την κατασκευή Αναπαραστάσεων Περιεχομένου από τους φοιτητές για τον στατικό ηλεκτρισμό και το ηλεκτρικό ρεύμα. Τα κυριότερα συμπεράσματα στα οποία καταλήξαμε μετά την 2η εφαρμογή ήταν: (α) Η χρήση των Αναπαραστάσεων Περιεχομένου αποδείχθηκε κατάλληλος τρόπος για εξάσκηση των υποψηφίων εκπαιδευτικών ταυτόχρονα στο γνωστικό αντικείμενο και την διδακτική του. (β) Τα θέματα διδακτικής και οι Αναπαραστάσεις Περιεχομένου διεγείρουν το ενδιαφέρον των υποψηφίων εκπαιδευτικών, όμως σ’ αυτό το στάδιο των σπουδών τους, (3ο εξάμηνο), η εισαγωγή τους πρέπει να γίνεται προσεκτικά και με σημαντική υποστήριξη λόγω περιορισμένων γνώσεων διδακτικής και έλλειψης διδακτικής εμπειρίας. Η εργασία αυτή συμβάλει σημαντικά στη μελέτη της διδασκαλίας και της μάθησης για θέματα ηλεκτρισμού στο μικροσκοπικό επίπεδο, στο σχεδιασμό διδακτικών μαθησιακών σειρών και στην προαγωγή της παιδαγωγικής γνώσης περιεχομένου υποψηφίων εκπαιδευτικών πρωτοβάθμιας εκπαίδευσης.