Εκπαιδευτικές εφαρμογές με αξιοποίηση Διαδικτύου των Πραγμάτων και Ανοικτών Δεδομένων για τη μελέτη του υδάτινου περιβάλλοντος

Abstract

This PhD thesis explores the use of the Internet of Things (IoT) and Open Data in education, with application to the study of water quality. The integration of theoretical approaches and practices, along with experimental applications, has resulted in the development of an integrated educational framework. This framework incorporates technological innovations within authentic learning scenarios. The theoretical section of the thesis presents the educational value of IoT technology and highlights its transformative impact on STEM and Making practices. The thesis goes on to analyse the ways in which IoT technology can be used to support and enhance educational practices that are in a constant state of evolution, with a view to increasing learning outcomes, cognitive development, critical thinking, encouraging innovation, and enhancing students' competences and skills. The second part of the thesis focuses on the design, development and evaluation of a prototype IoT water quality monitoring toolkit. The toolkit under development integrates and interconnects sensors, electronic platforms, data transmission systems and storage mechanisms, and is an integrated infrastructure for real-time information collection, processing and management. The toolkit is gradually improved, completed and evolved until its final version, calibrated on a case-by-case basis and evaluated for measurement reliability. The toolkit is then applied to a variety of water environments, with student participation in the composition and construction of the device, and it is finally evaluated. The main conclusion drawn is that current technological tools make it possible to establish a language of communication between aquatic ecosystems and the school, allowing real-time data transmission and remote study of their physico-chemical characteristics. The Project-Based Learning (PBL) method engages students in a holistic process that integrates scientific knowledge, technological application and creative design. They approach and analyse the problem under study, studying its specific characteristics, such as temperature, pH, dissolved oxygen, and conductivity, to understand the relationship between physicochemical parameters and water quality. Students then proactively engage in the construction of an IoT toolkit for the purpose of monitoring water quality. This undertaking involves the organisation of data collection, transmission and storage through the utilisation of cloud computing platforms, facilitating the dissemination of information to designated locations such as the classroom or laboratory. Finally, conclusions are drawn regarding the perceived value and usability of the toolbox created, with particular reference to the benefits gained by students and the difficulties encountered. The infrastructure created highlights the potential for motivating and engaging students in authentic learning processes through constructions that combine problem analysis, design, construction, data analysis and conclusions. However, it also shows flaws and difficulties that make it reliable for pilot applications, mainly small-scale ones. These issues can be mitigated by leveraging Open Data, which is validated and reliable, though this approach does compromise the benefits intrinsic to primary constructs. The third part of the thesis explores the use of Open Data in the classroom. Utilising a teaching intervention underpinned by original teaching materials and a meticulously designed worksheet, students analysed open data derived from official institutions and derived conclusions regarding variations in environmental parameters and phenomena. Statistical analysis of the responses to the questionnaires completed by the students before and after the teaching intervention showed a significant improvement in students' environmental awareness and data analysis skills, with a particular focus on understanding the correlation between human activities and water phenomena. In conclusion, the dilemma of whether to use primary constructs for data collection or to rely on open data from official institutions is resolved, with the conclusion being that both primary constructs and the use of open data are valuable. The proposed educational framework integrates these two approaches, and the design and implementation pathway is delineated, outlining the steps for developing educational scenarios that amalgamate the creativity of hands-on construction with data analysis at scale.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά την αξιοποίηση του Διαδικτύου των Πραγμάτων (Internet of Things - IoT) και των Ανοικτών Δεδομένων (Open Data) στην εκπαίδευση, με εφαρμογή στη μελέτη της ποιότητας του υδάτινου περιβάλλοντος. Συνδυάζοντας θεωρητικές προσεγγίσεις και πρακτικές, με πειραματικές εφαρμογές, αναπτύσσεται ένα ολοκληρωμένο εκπαιδευτικό πλαίσιο που ενσωματώνει τεχνολογικές καινοτομίες σε πραγματικά σενάρια μάθησης. Στο θεωρητικό μέρος παρουσιάζεται η εκπαιδευτική αξία της τεχνολογίας του Διαδικτύου των Πραγμάτων (IoT) και τονίζεται η μετασχηματιστική του επίδραση στις πρακτικές STEM και Making. Αναλύονται οι τρόποι με τους οποίους η τεχνολογία IoT μπορεί να συμπλακεί και να τροφοδοτήσει δυναμικά εξελισσόμενες εκπαιδευτικές πρακτικές, πολλαπλασιάζοντας τα αποτελέσματα της μάθησης, της γνωστικής ανάπτυξης, της κριτικής σκέψης, της ενθάρρυνσης της καινοτομίας, της αναβάθμισης των ικανοτήτων και των δεξιοτήτων των μαθητών. Το δεύτερο μέρος της διατριβής εστιάζει στον σχεδιασμό, την ανάπτυξη και την αξιολόγηση μιας πρωτότυπης IoT εργαλειοθήκης παρακολούθησης της ποιότητας του νερού. Η εργαλειοθήκη, η οποία ενσωματώνει και διασυνδέει αισθητήρες, ηλεκτρονικές πλατφόρμες, συστήματα μετάδοσης δεδομένων και μηχανισμούς αποθήκευσης, και η οποία αποτελεί μια ολοκληρωμένη υποδομή για τη συλλογή, επεξεργασία και διαχείριση πληροφοριών σε πραγματικό χρόνο, σταδιακά βελτιώνεται, συμπληρώνεται και εξελίσσεται μέχρι την τελική της έκδοση, βαθμονομείται κατά περίπτωση και αξιολογείται η αξιοπιστία των μετρήσεων, εφαρμόζεται σε διαφορετικά υδάτινα περιβάλλοντα, με τη συμμετοχή μαθητών στην σύνθεση και την κατασκευή της συσκευής, και τέλος αξιοποιείται σε εκπαιδευτικές δραστηριότητες. Βασικό συμπέρασμα είναι ότι τα σημερινά τεχνολογικά μέσα καθιστούν εφικτή τη δημιουργία μιας γλώσσας επικοινωνίας μεταξύ των υδάτινων οικοσυστημάτων και του σχολείου, επιτρέποντας τη μετάδοση δεδομένων σε πραγματικό χρόνο και την εξ αποστάσεως μελέτη των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών τους. Μέσω της μεθόδου Project-Based Learning (PBL), οι μαθητές εμπλέκονται σε μια ολιστική διαδικασία που συνδυάζει επιστημονική γνώση, τεχνολογική εφαρμογή και δημιουργικό σχεδιασμό. Προσεγγίζουν και αναλύουν το υπό μελέτη οικοσύστημα, μελετώντας τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του, όπως η θερμοκρασία, το pH, το διαλυμένο οξυγόνο και η αγωγιμότητα, με στόχο την κατανόηση της σχέσης μεταξύ των φυσικοχημικών παραμέτρων και της ποιότητας των υδάτων. Στη συνέχεια, συμμετέχουν ενεργά στην κατασκευή μιας εργαλειοθήκης IoT για την παρακολούθηση της ποιότητας των υδάτινων σωμάτων, ενώ παράλληλα, οργανώνουν τη συλλογή, μετάδοση και αποθήκευση δεδομένων, χρησιμοποιώντας πλατφόρμες υπολογιστικού νέφους για τη μεταφορά της πληροφορίας σε χώρους όπως η τάξη ή το εργαστήριο. Τέλος, συνάγονται συμπεράσματα αναφορικά με την αξία και χρηστικότητα της εργαλειοθήκης που δημιουργείται με ιδιαίτερη αναφορά στα οφέλη που αποκομίζουν οι μαθητές αλλά και τις δυσκολίες που ανακύπτουν. Η υποδομή που δημιουργήθηκε αναδεικνύει τις δυνατότητες παρακίνησης και εμπλοκής των μαθητών σε διαδικασίες αυθεντικής μάθησης μέσω κατασκευών που συνδυάζουν ανάλυση προβλήματος, σχέδιο, κατασκευή, ανάλυση δεδομένων και συμπεράσματα, εμφανίζει παράλληλα ατέλειες και δυσκολίες οι οποίες την καθιστούν αξιόπιστη για πιλοτικές κυρίως εφαρμογές μικρής κλίμακας. Οι δυσκολίες αυτές αίρονται όταν γίνεται προσφυγή σε Ανοικτά Δεδομένα με εγκυρότητα και αξιοπιστία που παράγονται από επίσημους φορείς, με παράλληλη όμως απώλεια των πλεονεκτημάτων που φέρουν οι πρωτογενείς κατασκευές. Έτσι, στο τρίτο μέρος της διατριβής διερευνάται η αξιοποίηση των ανοικτών δεδομένων στην σχολική τάξη. Μέσω μιας διδακτικής παρέμβασης που βασίστηκε σε πρωτότυπο εκπαιδευτικό υλικό και ειδικά σχεδιασμένο φύλλο εργασίας οι μαθητές ανέλυσαν ανοικτά δεδομένα που προέρχονται από επίσημους φορείς και εξήγαγαν συμπεράσματα αναφορικά με τις διακυμάνσεις περιβαλλοντικών παραμέτρων και φαινομένων. Η στατιστική ανάλυση των απαντήσεων στα ερωτηματολόγια που συμπλήρωσαν οι μαθητές πριν και μετά την διδακτική παρέμβαση κατέδειξε σημαντική βελτίωση της περιβαλλοντικής συνείδησης και των δεξιοτήτων ανάλυσης δεδομένων των μαθητών, με ιδιαίτερη έμφαση στην κατανόηση της συσχέτισης ανθρώπινων δραστηριοτήτων και υδάτινων φαινομένων. Συμπερασματικά, στο δίλημμα που ανακύπτει, πρωτογενείς κατασκευές για τη συλλογή δεδομένων ή προσφυγή σε ανοικτά δεδομένα επίσημων φορέων, η απάντηση που δίνεται είναι: και πρωτογενείς κατασκευές και αξιοποίηση ανοικτών δεδομένων. Το εκπαιδευτικό πλαίσιο που προτείνεται αποτελεί ένα συνδυασμό των δύο προσεγγίσεων ενώ περιγράφεται η πορεία σχεδιασμού και εφαρμογής, η οποία καθορίζει τα βήματα ανάπτυξης εκπαιδευτικών σεναρίων που συνδυάζουν τη δημιουργικότητα της πρακτικής κατασκευής με την ανάλυση δεδομένων κλίμακας.