Ανάπτυξη και αξιοποίηση κατασκευών Arduino στη διδασκαλία των φυσικών επιστημών

Abstract

This dissertation describes the development and exploitation of Arduino-based artifacts, in aMakerspace that operate in secondary education schools. More specifically, by starting withsimple, small constructions using increased educational guidance, students develop thenecessary knowledge and skills regarding Arduino technology. Afterwards, they proceed to thedevelopment of more complicated artifacts such as Arduino laboratory instruments and Smartdevices that exploit in out-of-school projects, during the formal Chemistry education and ineveryday applications.Α research was conducted in Greek Junior High Schools during the 2017-21 school years.Firstly, a Makerspace was developed in a Greek Junior High School where students developedChemistry laboratory instruments such as pH meters and Salinity meters. They alsoimplemented Smart devices, such as a Smart greenhouse a Smart aquarium and a SmartRadiator. Arduino laboratory instruments were used in out-of-school projects as well as in theschool laboratory during the formal Chemistry education. The Smart devices were used for thefacilitation of the operation of the school unit. Also, according to the Makers Movementmethodology, all of the artifacts were presented to the public at appropriate festivities.Students’ stances regarding their participation in the Makerspace were evaluated using a Likertquestionnaire based on the development of intrinsic motivation. The results showed that theintrinsic cognitive load of the activities was medium, the extrinsic cognitive load was small,and the germane cognitive load was large. The students also stated that the activities wereinteresting and helped them expand their knowledge about STEM subjects. Students alsoexpressed their intention to participate in similar Makerspaces in the future. However, theirparticipation in the Makerspace had medium effects on their choice of future studies. Theseresults highlight the fulfillment of the basic need of students for Competence, Relatedness andAutonomy which, based on the Self-Determination Theory, induce the development of intrinsicmotives and consequently the learning outcomes.The Arduino laboratory instruments, that were implemented in the Makerspace, were alsoevaluated as teaching tools in a formal Chemistry class. The acquisition of declarativeknowledge during teaching with Arduino experiments by demonstration on the InteractiveBoard, was evaluated.More specifically, an Arduino-based pH meter was used for experimentation with lab solutionsand household products. Declarative knowledge acquisition was compared with two othercommon Greek educational practices, teaching with experiments using a Virtual Lab andteaching without the use of experiments. Three student groups, consisting of 154 students and two teachers of two Greek Junior High Schools participated in the research. The first group wastaught about Acids-Bases through experiments by using the pH meter-Arduino and typicalChemistry laboratory instruments such as beakers and volumetric cylinders and laboratorysubstances and everyday products. The second group was taught through the correspondingexperiments in the Virtual Laboratory and the third one through static representations of thetypical laboratory instruments and substances. Based on the results of a multiple-choicequestionnaire, the first and the second group had equivalent learning outcomes, which werehigher than those of the third group. Therefore, Arduino laboratory instruments can be utilizedin combination with typical laboratory glassware and chemical substances for theimplementation of experiments by demonstration, with equivalent learning outcomes with theuse of the Virtual Laboratory.Furthermore, the Arduino-based pH meter was used to implement experiments throughdemonstration on Digital Entities that represented Real ones which are related to students'everyday experiences. 119 students and three teachers of three Junior High Schools participatedin the research. The students in each school were distributed in two groups. The first group wastaught about Acid-Bases through Arduino experiments on a Digital Entities. These representeda shoal of goldfish, an ancient Greek marble temple and an ancient Greek metallic statue. Thesecond group was taught with the same Arduino experiments but without the use of the DigitalEntities. The results of a multiple-choice questionnaire showed that the first group had betterlearning outcomes than the second one in terms of declarative knowledge acquisition. Theseresults highlight that the use of Arduino experiments by demonstration and the use ofsimulations as test-beds have complementary learning outcomes. Therefore, Digital Entitiescan be used for Arduino experiments when the Real ones cannot be used for experimentation,such as during the ban on school visits during the Covid-19 pandemic or when experimentationcan degrade the living conditions of organisms or destroy archaeological monuments.

Η παρούσα διατριβή αφορά στην ανάπτυξη και αξιοποίηση κατασκευών, με πυρήνα τονμικροελεγκτή Arduino, σε Χώρους Δημιουργών που λειτουργούν σε σχολικές μονάδεςΔευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης. Συγκεκριμένα, αρχικά υλοποιώντας απλές κατασκευές και μεαυξημένη εκπαιδευτική καθοδήγηση, οι μαθητές αναπτύσσουν τις απαραίτητες γνώσεις καιδεξιότητες σχετικά με την τεχνολογία Arduino. Κατόπιν προχωρούν στην ανάπτυξη πιοσύνθετων δημιουργιών, όπως εργαστηριακών οργάνων Χημείας και Έξυπνων συσκευών, ταοποία αξιοποιούν σε εργασίες πεδίου, κατά την τυπική διδασκαλία της Χημείας και σεκαθημερινές εφαρμογές.H έρευνα υλοποιήθηκε σε ελληνικά Γυμνάσια κατά τη διάρκεια των σχολικών ετών 2017-21.Αρχικά σε ένα Γυμνάσιο λειτούργησε ένας Χώρος Δημιουργών, όπου οι μαθητές ανέπτυξανεργαστηριακά όργανα όπως πεχάμετρα και μετρητές αλατότητας. Υλοποίησαν επίσης Έξυπνεςσυσκευές, όπως ένα Έξυπνο θερμοκήπιο, ένα Έξυπνο ενυδρείο και ένα Έξυπνο καλοριφέρ. Ταεργαστηριακά όργανα Arduino χρησιμοποιήθηκαν σε εργασίες πεδίου εκτός σχολείου, καθώςκαι μέσα στο σχολικό εργαστήριο κατά την τυπική διδασκαλία της Χημείας. Οι έξυπνεςσυσκευές αξιοποιήθηκαν για τη λειτουργία της σχολικής μονάδας. Επίσης, σύμφωνα με τημεθοδολογία του Κινήματος των Δημιουργών, οι μαθητές παρουσίασαν στο κοινό όλες τιςδημιουργίες τους σε κατάλληλες εκδηλώσεις.Οι απόψεις των μαθητών σχετικά με τη συμμετοχή τους στον Χώρο Δημιουργώναξιολογήθηκαν μέσω ερωτηματολογίου Likert, με βασικό κριτήριο την ανάπτυξη τωνενδογενών κινήτρων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το ενδογενές γνωστικό φορτίο τωνδραστηριοτήτων ήταν μέτριο, το εξωγενές μικρό, ενώ το γενεσιουργό γνωστικό φορτίο ήτανμεγάλο. Οι μαθητές δήλωσαν επίσης, ότι οι δραστηριότητες ήταν ενδιαφέρουσες και ότι τουςβοήθησαν να συνεργαστούν μεταξύ τους και να αποκτήσουν γνώσεις που σχετίζονται με τιςΦυσικές Επιστήμες. Εξέφρασαν επίσης την πρόθεσή τους να συμμετάσχουν στο μέλλον σεπαρόμοιους Χώρους Δημιουργών. Ωστόσο, η συμμετοχή τους είχε μέτρια επίδραση στηνεπιλογή των μελλοντικών τους σπουδών. Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν την κάλυψη τωνβασικών αναγκών της Ικανότητας, Συσχέτισης και Αυτονομίας των μαθητών, οι οποίες μεβάση τη Θεωρία του Αυτοπροσδιορισμού επάγουν την ανάπτυξη των ενδογενών κινήτρων τουςκαι κατ’ επέκταση των μαθησιακών αποτελεσμάτων.Τα εργαστηριακά όργανα Arduino, που αναπτύχθηκαν στον Χώρο Δημιουργών,αξιοποιήθηκαν επίσης για την υλοποίηση πειραμάτων κατά την τυπική διδασκαλία τηςΧημείας στο Γυμνάσιο. Μελετήθηκε η απόκτηση της Δηλωτικής Γνώσης κατά τη διδασκαλίαμε πειράματα επίδειξης Arduino στον διαδραστικό πίνακα.Πιο συγκεκριμένα, η απόκτηση της Δηλωτικής Γνώσης κατά τη διδασκαλία με πειράματαArduino συγκρίθηκε αρχικά με δύο άλλες συνηθισμένες πρακτικές των Ελλήνωνεκπαιδευτικών, τη διδασκαλία με πειράματα στο Εικονικό Εργαστήριο και τη διδασκαλίαχωρίς τη χρήση πειραμάτων. Στην έρευνα συμμετείχαν τρεις ομάδες μαθητών, αποτελούμενεςαπό 154 μαθητές και δύο καθηγητές από αντίστοιχο αριθμό Γυμνασίων. Η πρώτη ομάδαδιδάχθηκε την ενότητα «Οξέα-Βάσεις» μέσω πειραμάτων με τη χρήση του πεχάμετρου-Arduino και κλασικών εργαστηριακών οργάνων Χημείας όπως ποτήρια ζέσεως καιογκομετρικοί κύλινδροι καθώς και με τη χρήση εργαστηριακών διαλυμάτων και καθημερινώνπροϊόντων. Η δεύτερη ομάδα διδάχθηκε μέσω αντίστοιχων πειραμάτων στο ΕικονικόΕργαστήριο, όπου αναπαρίσταντο τα κλασικά εργαστηριακά όργανα και οι χημικές ουσίες, καιη τρίτη ομάδα διδάχθηκε μέσω στατικών αναπαραστάσεων των κλασικών εργαστηριακώνοργάνων και των χημικών ουσιών. Διαπιστώθηκε ότι η πρώτη και η δεύτερη ομάδα είχανισοδύναμα μαθησιακά οφέλη, τα οποία ήταν υψηλότερα από αυτά της τρίτης ομάδας. Συνεπώς,αποδεικνύεται ότι τα εργαστηριακά όργανα Arduino μπορούν να αξιοποιηθούν σε συνδυασμόμε κλασικά εργαστηριακά όργανα και χημικές ουσίες για την υλοποίηση πειραμάτων επίδειξης,με αντίστοιχα μαθησιακά αποτελέσματα με το Εικονικό Εργαστήριο.Επιπλέον, το πεχάμετρο-Arduino χρησιμοποιήθηκε για την υλοποίηση πειραμάτων επίδειξηςσε Ψηφιακές Οντότητες, οι οποίες αναπαριστούσαν Πραγματικές που σχετίζονταν με τηνκαθημερινή εμπειρία των μαθητών. Στην έρευνα συμμετείχαν 119 μαθητές και τρεις καθηγητέςαπό αντίστοιχο αριθμό Γυμνασίων. Οι μαθητές σε κάθε Γυμνάσιο κατανεμήθηκαν σε δύοομάδες. Η πρώτη ομάδα διδάχθηκε την ενότητα «Οξέα-Βάσεις» μέσω πειραμάτων Arduino σεΨηφιακές Οντότητες που αναπαριστούσαν ένα βιότοπο χρυσόψαρων, ένα αρχαιοελληνικόμαρμάρινο ναό και ένα αρχαιοελληνικό μεταλλικό άγαλμα. Η δεύτερη ομάδα διδάχθηκε τηνίδια ενότητα μέσω των αντίστοιχων πειραμάτων Arduino χωρίς όμως τη χρήση των ΨηφιακώνΟντοτήτων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η πρώτη ομάδα είχε μεγαλύτερα μαθησιακάαποτελέσματα από τη δεύτερη, όσο αφορά την απόκτηση Δηλωτικής Γνώσης. Από τααποτελέσματα αυτά αναδεικνύεται ότι η χρήση πειραμάτων επίδειξης με τη χρήση οργάνωνArduino και η αξιοποίηση των Ψηφιακών Οντοτήτων ως πεδίο πειραματισμού έχουνσυμπληρωματικά μαθησιακά αποτελέσματα. Συνεπώς, οι Ψηφιακές Οντότητες μπορούν νααξιοποιηθούν για τη διδασκαλία με πειράματα Arduino όταν οι αντίστοιχες Πραγματικές είναιαδύνατον να χρησιμοποιηθούν για πειραματισμό, όπως κατά την απαγόρευση τωνεκπαιδευτικών επισκέψεων κατά την περίοδο της πανδημίας Covid-19 ή όταν ο πειραματισμόςμπορεί να υποβαθμίσει τις συνθήκες διαβίωσης ζωντανών οργανισμών ή να καταστρέψειαρχαιολογικά μνημεία.