Διερευνητική μάθηση: ανάπτυξη, εφαρμογή και αξιολόγηση μιας διδακτικής μαθησιακής ακολουθίας στο Η/Μ φάσμα αστρικών πηγών

Abstract

In the present study we designed, implemented and evaluated a Teaching Learning Sequence (TLS) for the educational instruction of high school students on the basic concepts of Physics, such as the nature of light, the atomic structure, the concept of heat and temperature, the atomic energy levels and blackbody radiation within the study of the Stellar spectra. The TLS links together important areas of Physics, such as electromagnetism, optics, thermodynamics and atomic physics and facilitates the cohesive understanding of the Stellar spectra complex phenomenon, by bringing together these different physical aspects of it, while taking into account the fact that the Stellar spectra as a topic stimulates students’ interest and contributes towards the acquisition of a better understanding of the interaction between matter and radiation.The knowledge of such basic concepts is deemed as a necessary background for the understanding and the interpretation of the nature of Stellar spectra. The TLS uses an inquiry-oriented approach where the spectra of different light sources were investigated through spectroscopes and analyzed by the use of specialized software. The phenomena were studied in simulations and we developed and used a special software for the description of the characteristics of the Stars. Furthermore, the present TLS was developed within the context of the Method of Educational Reconstruction (MER), which focuses on the reconstruction of scientific knowledge in order to help students understand the basic points of the material presented. The construction of the intervention also took into consideration the requirements of the Hellenic Ministry of Education Curriculum. The implementation took place in real High School classroom settings and was implemented during three consecutive years since its fundamental feature is the improved iteration and redesign of its content after each cycle of implementation and evaluation. Initially, the pilot version of TLS was implemented to ascertain deficiencies and shortcomings and also to establish the feasibility of its implementation in a real classroom environment. This was followed by the evaluation and redesign of the TLS, which called for several modifications, regarding both the theoretical and experimental activities. This resulted in the 1st working version of TLS1. The evaluation of the implementation of TLS1, provided the appropriate feedback for the second version of TLS2. Το evaluate the effectiveness of each version of the TLS, we used pre-test and post-test questionnaires, worksheets and interviews, compared to a control group that were taught the same concepts without the use of TLS. Our results strongly indicate that the use of TLS in teaching Physics show a continuous improvement of the learning performance after each implementation of the redesigned TLS and showed that students developed a positive attitude towards the experimental activities they carried out, as demonstrated by their elevated interest.

Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η σχεδίαση, η εφαρμογή και η αξιολόγηση, μέσω διδακτικής παρέμβασης σε σχολικές τάξεις, μιας Διδακτικής Μαθησιακής Ακολουθίας (ΔΜΑ) για τη διδασκαλία σε μαθητές του Λυκείου της Φυσικής των βασικών εννοιών των ενοτήτων του Φωτός, της Δομής του Ατόμου, της Ακτινοβολίας του Μέλανος Σώματος στο πλαίσιο μελέτης και ερμηνείας των Ηλεκτρομαγνητικών φασμάτων των Αστέρων.Η ΔΜΑ συσχετίζει σημαντικές γνωστικές περιοχές της Φυσικής όπως Ηλεκτρομαγνητισμό, Οπτική, Θερμοδυναμική και Ατομική Φυσική αναδεικνύοντας έτσι την ενιαία θεώρηση και συνοχή που υπάρχει κάτω από τη συνθετότητα των φυσικών φαινομένων αφού στα Αστρικά φάσματα συναρθρώνονται και αλληλοπεριχωρούνται ποικίλες θεωρητικές ερμηνείες της μελέτης τους. Η παρούσα ΔΜΑ αναπτύχθηκε στα πλαίσια του Μοντέλου Εκπαιδευτικής Αναδόμησης (ΜΕΑ) (Model of Educational Reconstruction) δηλαδή στην αναδόμηση της επιστημονικής γνώσης ώστε να κατανοήσουν οι μαθητές τα βασικά της σημεία γεφυρώνοντας την με τον τρόπο ερμηνείας των φυσικών φαινομένων και κεντρική θέση σε αυτήν κατέχει η μέθοδος της Διερεύνησης, με έμφαση στην ενεργή οικοδόμηση της γνώσης, στα πλαίσια του εμπειρικού χαρακτήρα των Φυσικών Επιστημών. Προκειμένου να προσεγγίσουμε την επιστημονική διερεύνηση, τα φάσματα διαφόρων πηγών μελετήθηκαν με απλά φασματοσκόπια και με λογισμικά, ώστε οι μαθητές να εξασκηθούν και σε υπολογιστικά περιβάλλοντα και να έχουν τη δυνατότητα εκτενέστερης επεξεργασίας των δεδομένων. H μελέτη των φαινομένων πραγματοποιήθηκε και με προσομοιώσεις καθώς και με λογισμικό για τη διδασκαλία των σχέσεων μεταξύ των θεμελιωδών χαρακτηριστικών των Αστέρων το οποίο αναπτύξαμε και χρησιμοποιήσαμε. Οι διδακτικοί στόχοι που τέθηκαν ήταν οι προβλεπόμενοι από το Ελληνικό ΑΠΣ. Επίσης ακολουθήθηκε η χρονική διάρκεια διδασκαλίας των γνωστικών-διδακτικών ενοτήτων που αυτό προβλέπει. Η παρούσα ΔΜΑ υλοποιήθηκε σε τρία συνεχόμενα σχολικά έτη αφού θεμελιώδες γνώρισμα των ΔΜΑ αποτελεί η επαναληπτικότητα και ο επανασχεδιασμός τους, αξιολογώντας μετά από κάθε εφαρμογή τα αποτελέσματα της γνωστικής προόδου. Αρχικώς εφαρμόσθηκε η πιλοτική ΔΜΑ ώστε να αναδειχθούν οι ελλείψεις και οι αδυναμίες αλλά και η δυνατότητα εφαρμογής της σε πραγματικές συνθήκες. Στη συνέχεια, αφού αυτή αξιολογήθηκε, επανασχεδιάσθηκε και υλοποιήθηκε η 1η κύρια ΔΜΑ, όπου προστέθηκαν θέματα θεωρίας και υπήρξε σημαντική τροποποίηση των πειραματικών δραστηριοτήτων. Μετά την εφαρμογή και αξιολόγηση της 1ης κύριας ΔΜΑ, επανασχεδιάστηκε η τελική 2η κύρια ΔΜΑ η οποία επικεντρώθηκε στην τροποποίηση των πειραματικών δραστηριοτήτων και κυρίως στις ερωτήσεις-απαντήσεις αναστοχασμού και ανάπτυξης κριτικής σκέψης. Για την αξιολόγηση της Ακολουθίας χρησιμοποιήθηκαν ερωτηματολόγια προελέγχου και μεταελέγχου, φύλλα εργασίας και συνεντεύξεις. Η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων καταδεικνύει τη γνωστική πρόοδο των μαθητών που παρακολούθησαν τη Διδακτική Ακολουθία (σε σύγκριση με τους μαθητές της ομάδας ελέγχου που διδάχθηκαν τις σχετικές ενότητες με την παραδοσιακή διδασκαλία) και τη συνεχόμενη αύξηση της γνωστικής επίδοσης μετά από κάθε επανασχεδιασμένη εφαρμογή των ΔΜΑ. Επίσης από τον στατιστικό έλεγχο των ερωτηματολογίων που πραγματοποιήθηκε, καταδεικνύεται η ενίσχυση του ενδιαφέροντος και της θετικής στάσης των μαθητών έναντι των πειραματικών δραστηριοτήτων στις οποίες εξασκήθηκαν.