Τεχνητή νοημοσύνη και τεχνικές σκαλωσιάς στη διδασκαλία φυσικών επιστημών

Abstract

This doctoral dissertation explores the design, development, and evaluation of an educational agent powered by Large Language Models (LLMs) for teaching Physics in secondary education. The theoretical framework introduces the fundamental architecture, capabilities, and limitations of LLMs, as well as the pedagogical strategy of instructional scaffolding, which provides the foundation for the proposed approach. In addition, a systematic review of the international literature on pedagogical agents highlights the design principles and applications of conversational systems in education. In the empirical part, the PhysicsBot was developed in three successive versions (V1.0, V1.1, V1.2). The pilot phase included preliminary experiments with ChatGPT and an independent platform (V1.1), while the main study focused on the enhanced V1.2 version, which integrated a mechanism for dynamic role-switching aligned with scaffolding principles. Evaluation was conducted through a mixed-methods approach, including session data analysis, questionnaires, and expert assessments.Findings indicate that the upgraded version of PhysicsBot significantly increased user engagement, improved adaptability, and fostered active student participation. Moreover, results provide evidence that implementing scaffolding through an LLM can effectively support the comprehension of complex Physics concepts. The dissertation concludes with pedagogical and technological contributions, underscoring both the opportunities and the limitations of LLM-based educational systems, and proposes directions for future research and development.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά τον σχεδιασμό, την ανάπτυξη και την αξιολόγηση ενός εκπαιδευτικού πράκτορα βασισμένου σε Μεγάλα Γλωσσικά Μοντέλα (Large Language Models – LLMs) για τη διδασκαλία της Φυσικής στη δευτεροβάθμια εκπαίδευση. Στο θεωρητικό μέρος παρουσιάζονται οι βασικές αρχές λειτουργίας των LLMs, τα πλεονεκτήματα και οι περιορισμοί τους, καθώς και η στρατηγική της διδακτικής σκαλωσιάς (instructional scaffolding) ως παιδαγωγικό υπόβαθρο. Παράλληλα, πραγματοποιείται συστηματική ανασκόπηση της διεθνούς βιβλιογραφίας αναφορικά με παιδαγωγικούς πράκτορες και τις εφαρμογές τους στη μαθησιακή διαδικασία. Στο ερευνητικό μέρος αναπτύχθηκε το PhysicsBot, ένα διαλογικό σύστημα σε τρεις εκδοχές (V1.0, V1.1, V1.2). Η πρώτη φάση περιλάμβανε προκαταρκτικούς πειραματισμούς με το ChatGPT και μια ανεξάρτητη πλατφόρμα (V1.1), ενώ η κύρια μελέτη επικεντρώθηκε στην αναβαθμισμένη έκδοση V1.2, η οποία ενσωμάτωσε μηχανισμό δυναμικής εναλλαγής παιδαγωγικών ρόλων, προσαρμοσμένο στις αρχές της σκαλωσιάς. Η αξιολόγηση πραγματοποιήθηκε με συνδυασμό ποσοτικών και ποιοτικών μεθόδων, περιλαμβάνοντας ανάλυση διαλόγων, ερωτηματολόγια και αξιολογήσεις ειδικών. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η αναβαθμισμένη έκδοση του PhysicsBot αύξησε την εμπλοκή των χρηστών, βελτίωσε την προσαρμοστικότητα και ενίσχυσε την ενεργό συμμετοχή των μαθητών. Επιπλέον, τεκμηριώθηκε ότι η εφαρμογή της σκαλωσιάς μέσω ενός LLM μπορεί να υποστηρίξει αποτελεσματικά την κατανόηση σύνθετων εννοιών της Φυσικής. Η διατριβή καταλήγει σε παιδαγωγικές και τεχνολογικές συνεισφορές, αναδεικνύοντας τα οφέλη αλλά και τους περιορισμούς της χρήσης LLMs στην εκπαίδευση, ενώ προτείνονται κατευθύνσεις για μελλοντική έρευνα και ανάπτυξη.