Παραγωγή εκπαιδευτικού υλικού με βάση το πλαίσιο της "μάθησης των τριών διαστάσεων" και αξιολόγηση των μαθησιακών αποτελεσμάτων του: δυνάμεις και κίνηση

Abstract

To improve students’ science learning outcomes, the U.S. National Research Council (NRC) proposed a new framework for science education based on three dimensions (“three-dimensional learning”): science and engineering practices (SEPs), disciplinary core ideas (DCIs) and crosscutting concepts (CCCs). However, research investigating the engagement of these three dimensions in the content of school science textbooks is particularly limited. There is also limited research that has studied the contribution of teaching interventions based on the "three-dimensional learning" framework to student learning outcomes. The need for further studies in this direction has been consistently highlighted. The present study aims to investigate the impact of a teaching intervention on forces and motion, based on the framework of "three-dimensional learning", on the learning outcomes (regarding the three dimensions of learning) of 2nd grade middle-school students. In particular, it focuses on the development of frameworks for analyzing instructional material in terms of the three dimensions of learning, on the analysis of existing instructional material (Physics textbooks for the 2nd grade middle-school) on forces and motion based on these frameworks, on the development of new instructional material on forces and motion based on the framework of "three-dimensional learning" and furthermore explores the contribution of a teaching intervention based on this new educational material to the development of disciplinary core ideas, crosscutting concepts and science and engineering practices in 2nd grade students of middle school as well as and the coexistence of these dimensions in the students' discourse. This study adopted a mixed-methods approach, specifically employing a convergent parallel design. To develop new instructional material, it is necessary to analyze existing instructional material. Initially, frameworks for analyzing instructional material were developed to evaluate in terms of the three dimensions of learning and using them, the existing instructional material (Physics textbooks of the 2nd grade of middle school) on forces and motion was analyzed. Subsequently, new instructional materials on forces and motion based on "three-dimensional learning" framework and questionnaires were developed. This new instructional material was implemented with a sample of twenty students in the 2nd grade of middle school. On the one hand, the students' written responses to questionnaires given before and after the teaching intervention were studied, and on the other hand, the students' speech throughout the teaching intervention was analyzed using rubrics.It emerged that in most of the activities in the chapter on forces and motion in the Physics textbooks for the 2nd grade of middle school, the three dimensions of learning are not involved. On the contrary, the analysis of the new instructional material demonstrated a consistent incorporation of all three dimensions in most of its activities. Additionally, the teaching intervention based on the new instructional material on forces and motion (as revealed by the study of students' responses to questionnaires before and after the teaching intervention and of students' written discourse throughout the teaching intervention) contributed to the development of each of the three dimensions of learning (disciplinary core ideas, crosscutting concepts and science and engineering practices), as well as the students' written discourse regarding the coexistence of all three dimensions of learning. Therefore, this dissertation, through its findings, contributed to the research on the analysis of instructional materials in terms of the three dimensions of learning, as well as to the investigation of the impact of implementing instructional material based on the framework of "three-dimensional learning" on student learning outcomes related to these dimensions.

Με στόχο τη βελτίωση των μαθησιακών αποτελεσμάτων των μαθητών/-τριών στις Φυσικές Επιστήμες, το Εθνικό Συμβούλιο Έρευνας των Η.Π.Α., πρότεινε ένα νέο πλαίσιο για την εκπαίδευση των μαθητών/-τριών στις Φυσικές Επιστήμες που εδράζεται σε τρεις διαστάσεις («μάθηση τριών διαστάσεων»): τις πρακτικές των Φυσικών Επιστημών και της Μηχανικής, τις βασικές ιδέες των επιμέρους κλάδων των Φυσικών Επιστημών και τις εγκάρσιες έννοιες των Φυσικών Επιστημών. Όμως, η έρευνα που έχει επικεντρωθεί στην ανάλυση εκπαιδευτικού υλικού ως προς τις τρεις διαστάσεις της μάθησης είναι περιορισμένη. Επίσης, περιορισμένη είναι και η έρευνα που έχει μελετήσει τη συμβολή διδακτικών παρεμβάσεων που βασίζονται στο πλαίσιο της «μάθησης τριών διαστάσεων», στα μαθησιακά αποτελέσματα των μαθητών/-τριών. Έχει επισημανθεί η αναγκαιότητα πραγματοποίησης ερευνών προς αυτή την κατεύθυνση. Η παρούσα διατριβή αποσκοπεί στη διερεύνηση της επίδρασης μιας διδακτικής παρέμβασης για τις δυνάμεις και την κίνηση, που βασίζεται στο πλαίσιο της «μάθησης των τριών διαστάσεων», στα μαθησιακά αποτελέσματα (που αφορούν στις τρεις διαστάσεις της μάθησης) των μαθητών/-τριών της Β΄ τάξης του Γυμνασίου. Ειδικότερα, εστιάζεται στην ανάπτυξη πλαισίων ανάλυσης εκπαιδευτικού υλικού ως προς τις τρεις διαστάσεις της μάθησης, στην ανάλυση του υπάρχοντος εκπαιδευτικού υλικού (των σχολικών εγχειριδίων Φυσικής της Β΄ τάξης του Γυμνασίου) για τις δυνάμεις και την κίνηση με βάση αυτά τα πλαίσια, στην ανάπτυξη νέου εκπαιδευτικού υλικού για τις δυνάμεις και την κίνηση με βάση το πλαίσιο της «μάθησης των τριών διαστάσεων» και επιπλέον διερευνά τη συμβολή μιας διδακτικής παρέμβασης που εδράζεται σε αυτό το νέο εκπαιδευτικό υλικό στην εξέλιξη βασικών ιδεών, εγκάρσιων εννοιών και πρακτικών των Φ.Ε. και της Μηχανικής σε μαθητές/-τριες της Β΄ τάξης του Γυμνασίου και στη συνύπαρξη των διαστάσεων αυτών στο λόγο των μαθητών/-τριών. Υιοθετήθηκε στην παρούσα εργασία η «μικτή» προσέγγιση και ειδικότερα η «συγκλίνουσα παράλληλη σχεδίαση». Προκειμένου να αναπτυχθεί νέο εκπαιδευτικό υλικό κρίνεται αναγκαία η ανάλυση του υπάρχοντος εκπαιδευτικού υλικού. Αρχικά, διαμορφώθηκαν πλαίσια ανάλυσης εκπαιδευτικού υλικού ως προς τις τρεις διαστάσεις της μάθησης και με τη χρήση τους αναλύθηκε το υπάρχον εκπαιδευτικό υλικό (των σχολικών εγχειριδίων Φυσικής της Β΄ τάξης του Γυμνασίου) για τις δυνάμεις και την κίνηση. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε νέο εκπαιδευτικό υλικό για τις δυνάμεις και την κίνηση που βασίστηκε στο πλαίσιο της «μάθησης των τριών διαστάσεων» και έργα αξιολόγησης των μαθητών/-τριών. Αυτό το νέο εκπαιδευτικό υλικό εφαρμόστηκε σε είκοσι μαθητές/-τριες της Β΄ τάξης του Γυμνασίου. Μελετήθηκαν αφενός οι απαντήσεις των μαθητών/-τριών σε ερωτηματολόγια που δόθηκαν πριν και μετά τη διδακτική παρέμβαση και αφετέρου ο γραπτός λόγος των μαθητών/-τριών σε όλη τη διάρκεια της διδακτικής παρέμβασης και αναλύθηκαν με τη χρήση κλιμάκων διαβαθμισμένων κριτηρίων. Προέκυψε ότι στις περισσότερες δραστηριότητες του κεφαλαίου των δυνάμεων και της κίνησης των σχολικών εγχειριδίων Φυσικής της Β΄ τάξης του Γυμνασίου, δεν εμπλέκονται οι τρεις διαστάσεις της μάθησης. Αντίθετα, από την ανάλυση του νέου εκπαιδευτικού υλικού διαπιστώθηκε ότι στις περισσότερες δραστηριότητες συνυπάρχουν οι τρεις διαστάσεις της μάθησης. Επιπρόσθετα, η διδακτική παρέμβαση που βασίστηκε στο νέο εκπαιδευτικό υλικό για τις δυνάμεις και την κίνηση (όπως προέκυψε από τη μελέτη των απαντήσεων των μαθητών/-τριών σε ερωτηματολόγια πριν και μετά τη διδακτική παρέμβαση και του γραπτού λόγου των μαθητών/-τριών σε όλη τη διάρκεια της διδακτικής παρέμβασης) συνέβαλε στην εξέλιξη καθεμιάς από τις τρεις διαστάσεις της μάθησης (βασικές ιδέες, εγκάρσιες έννοιες και πρακτικές), καθώς επίσης και του γραπτού λόγου των μαθητών/-τριών αναφορικά με τη συνύπαρξη σε αυτόν και των τριών διαστάσεων της μάθησης. Συνεπώς, η παρούσα εργασία με τα ευρήματά της, συνεισέφερε στην έρευνα για την ανάλυση εκπαιδευτικού υλικού ως προς τις τρεις διαστάσεις της μάθησης και στη μελέτη της εφαρμογής εκπαιδευτικού υλικού που βασίζεται στο πλαίσιο της «μάθησης των τριών διαστάσεων» στα μαθησιακά αποτελέσματα (που αφορούν στις τρεις διαστάσεις της μάθησης) των μαθητών/-τριών.