Η χωρική αντίληψη κατά την επίλυση προβλήματος στις φυσικές επιστήμες

Abstract

Scientific and geospatial representations in elementary school are strongly connected to their context, as indicated by the relevant learning content. However, this approach often overlooks the importance of perceptual and cognitive processes such as spatial reasoning in utilizing graphical representations. Spatial reasoning plays a crucial role in younger learners' ability to understand and interpret such representations, contrasting with analytical reasoning, which becomes more significant as domain-specific expertise develops. Therefore, our study aims to explore broader categories of problem-solving approaches employed by elementary students when utilizing specific geospatial and scientific representations, along with the underlying perceptual processes. To investigate this categorization, we developed an online graphical representation problem-solving instrument using eighteen different types of geospatial and scientific problems based on relevant graphical representations. Prior to solving each problem, we identified the level of complexity students perceived in the relevant representation. Data was collected from six hundred thirty-three fifth and sixth grade students in the Metropolitan Area of Thessaloniki. Hierarchical clustering analysis was employed to group geospatial and scientific problems into three distinct clusters. Additionally, a Pearson chi-square test was applied to examine the correlation between the perceived complexity level of the representations and the students’ effectiveness in problem solving. The test revealed characteristic relationships between perceived complexity and problem-solving outcomes for problems belonging to two of the three clusters identified in the hierarchical analysis. Problems involving diagrammatic representations were classified into three categories based on their level of accessibility to students. Familiarity with different types of representations enhances students' ability to use them effectively in problem-solving. The combined use of multiple representations, especially the integration of maps, significantly facilitates the understanding and resolution of complex problems. Finally, while in more accessible problems successful performance is linked to the rapid and precise recognition of structural elements, in more demanding problems, the overestimation of complexity is correlated with reduced effectiveness in students' problem-solving. These results, along with the interpretation of the clusters which are based on spatial reasoning strategies, can provide insights into the underlying mechanisms involved in problem-solving using graphical representations among elementary students.

Οι επιστημονικές και γεωχωρικές αναπαραστάσεις στο δημοτικό σχολείο είναι στενά συνδεδεμένες με το εκάστοτε μαθησιακό πλαίσιο, όπως υποδεικνύεται από το σχετικό γνωστικό περιεχόμενο. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση συχνά παραβλέπει τη σημασία της χωρικής αντίληψης στη χρήση των γραφικών αναπαραστάσεων. Η χωρική αντίληψη διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο στην ικανότητα των νεότερων μαθητών να κατανοούν και να ερμηνεύουν τέτοιες αναπαραστάσεις, σε αντίθεση με την αναλυτική σκέψη, η οποία αποκτά μεγαλύτερη σημασία με την ανάπτυξη εξειδικευμένων γνώσεων. Η μελέτη αποσκοπεί στην εξερεύνηση ευρύτερων κατηγοριών στρατηγικών επίλυσης προβλημάτων που υιοθετούν οι μαθητές του δημοτικού κατά τη χρήση συγκεκριμένων γεωχωρικών και επιστημονικών αναπαραστάσεων, καθώς και των υποκείμενων αντιληπτικών διεργασιών. Για τη διερεύνηση αυτής της κατηγοριοποίησης, αναπτύχθηκε ένα διαδικτυακό εργαλείο επίλυσης προβλημάτων με γραφικές αναπαραστάσεις, το οποίο περιλαμβάνει δεκαοκτώ διαφορετικούς τύπους γεωχωρικών και επιστημονικών προβλημάτων βασισμένων σε σχετικές γραφικές αναπαραστάσεις. Πριν από την επίλυση κάθε προβλήματος, καταγράφεται το επίπεδο πολυπλοκότητας που αντιλαμβάνονται οι μαθητές στην εκάστοτε αναπαράσταση. Τα δεδομένα συλλέχθηκαν από εξακόσιους τριάντα τρεις μαθητές της πέμπτης και έκτης τάξης Δημοτικού στη Μητροπολιτική Περιοχή της Θεσσαλονίκης. Εφαρμόστηκε ανάλυση ιεραρχικής ομαδοποίησης η οποία κατέταξε τα γεωχωρικά και επιστημονικά προβλήματα σε τρεις διακριτές ομάδες. Επιπλέον, διενεργήθηκε έλεγχος ανεξαρτησίας για την εξέταση της συσχέτισης μεταξύ του αντιληπτού επιπέδου πολυπλοκότητας των αναπαραστάσεων και της αποτελεσματικότητας των μαθητών στην επίλυση προβλημάτων. Τα προβλήματα με χρήση διαγραμματικών αναπαραστάσεων κατηγοριοποιήθηκαν σε τρεις διαβαθμισμένες ομάδες, ανάλογα με τον βαθμό προσιτότητάς τους στους μαθητές. Μέσα από την ανάλυση των αποτελεσμάτων φαίνεται ότι η εξοικείωση με διαφορετικούς τύπους αναπαραστάσεων ενισχύει τη δυνατότητα μεγαλύτερου μέρους των μαθητών να τις αξιοποιούν αποτελεσματικά κατά την επίλυση προβλημάτων. Η συνδυαστική χρήση αναπαραστάσεων και ειδικά η ενσωμάτωση χαρτών συμβάλλει στην αποτελεσματική επίλυση προβλημάτων. Τέλος, ενώ στα πιο προσιτά προβλήματα η επιτυχής επίλυση συνδέεται με την ταχεία και ακριβής αναγνώριση των δομικών τους στοιχείων, στα πιο απαιτητικά προβλήματα η υπερεκτίμηση της πολυπλοκότητας συνδέεται με μειωμένη αποτελεσματικότητα επίλυσης. Αυτά τα αποτελέσματα, μαζί με την ερμηνεία των ομάδων βάσει στρατηγικών χωρικής συλλογιστικής, μπορούν να προσφέρουν χρήσιμες γνώσεις σχετικά με τους υποκείμενους μηχανισμούς που εμπλέκονται στην επίλυση προβλημάτων με χρήση γραφικών αναπαραστάσεων από μαθητές του δημοτικού.