Ανάπτυξη, εφαρμογή και αξιολόγηση μιας διδακτικής μαθησιακής ακολουθίας για τη σημασία της νανοτεχνολογίας στις επιστήμες της ζωής σε μαθητές δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης

Abstract

Nanoscience and Nanotechnology (NST) represent a rapidly evolving field with groundbreaking applications, particularly in the medical sector. As NST continues to advance, integrating it into education is increasingly important to help students understand its relevance and potential. This study focuses on the design, implementation, and evaluation of a Teaching Learning Sequence (TLS) for high school students, emphasizing the medical applications of nanotechnology—specifically in diagnostics and targeted cancer therapy. It also addresses possible negative effects of nanotechnology, such as toxicity from nanoparticles and environmental concerns, along with the ethical implications of its use. These aspects aim to promote critical thinking and awareness among students. The study utilized a written questionnaire as its primary research tool, targeting three key "Big Ideas" of NST: the concepts of size and scale, the significance of surface-to-volume ratio, and the relationship between science, society, and technology. Initially, students engaged in carefully designed activities to understand these core ideas. These concepts were later applied to real-world contexts, such as the functionality of rapid COVID-19 tests and the use of nanoparticles in cancer treatments, helping students connect scientific theory with practical applications. The TLS was implemented within a school science club, an extracurricular setting that encourages the use of innovative teaching approaches. In the first phase of TLS, findings revealed misunderstandings, particularly regarding scientific modeling. Many students believed that educational models represented reality exactly. In response, the final phase of TLS included the creation of a three-dimensional liposome model for cancer therapy and focused on clarifying the distinction between models and actual biological systems—especially regarding the cellular membrane. Results indicated that interactive, inquiry-based learning significantly improved students’ understanding of NST concepts such as nanoscales and surface-area-to-volume ratios. Students also began to appreciate the everyday and clinical relevance of nanotechnology, as seen in diagnostic tools and treatment methods. Additionally, the construction of the cancer therapy model enhanced students’ comprehension of biomimicry and the importance of design in nanomedicine. The evaluation included both pre- and post-intervention questionnaires and semi-structured interviews. In the final TLS were added new questions about the nature of models to better assess conceptual understanding. Data analysis, including statistical methods and content analysis of qualitative responses, identified shifts in student understanding and allowed categorization of learning outcomes. Overall, the findings support the effectiveness of hands-on, context-rich learning experiences in improving students’ scientific literacy, critical thinking, and understanding of NST and its implications in modern healthcare and society.

Η Νανοεπιστήμη και Νανοτεχνολογία (Ν-ΕΤ) αποτελεί έναν καινοτόμο επιστημονικό τομέα με σημαντικές εφαρμογές, ιδιαίτερα στην ιατρική. Η ένταξή της στην εκπαίδευση θεωρείται κρίσιμη, καθώς επιτρέπει στους μαθητές να εξοικειωθούν με σύγχρονες επιστημονικές και τεχνολογικές εξελίξεις. Η παρούσα έρευνα στοχεύει στην ανάπτυξη, εφαρμογή και αξιολόγηση μιας Διδακτικής Μαθησιακής Ακολουθίας (ΔΜΑ) για μαθητές Λυκείου, με έμφαση στις ιατρικές εφαρμογές της νανοτεχνολογίας, όπως η διάγνωση και η στοχευμένη θεραπεία του καρκίνου. Ταυτόχρονα, δίνεται έμφαση στις αρνητικές επιπτώσεις της νανοτεχνολογίας στην ανθρώπινη υγεία και στο περιβάλλον, καθώς και σε ηθικά ζητήματα που ενισχύουν την ανάπτυξη κριτικής σκέψης. Η ΔΜΑ βασίστηκε σε τρεις από τις εννέα «Μεγάλες Ιδέες» της Ν-ΕΤ: το μέγεθος και την κλίμακα, τον λόγο επιφάνειας προς όγκο, και τη διασύνδεση Επιστήμης, Κοινωνίας και Τεχνολογίας. Περιλάμβανε δραστηριότητες που στόχευαν στην κατανόηση αυτών των εννοιών, καθώς και πρακτικές εφαρμογές που συνδέονταν με την ιατρική, όπως τα rapid tests για τον κορωνοϊό και η χρήση νανοσωματιδίων στη θεραπεία του καρκίνου. Η ΔΜΑ εφαρμόστηκε σε μαθητές Α’ Λυκείου, στο πλαίσιο σχολικού ομίλου, επιτρέποντας την υλοποίηση καινοτόμων παιδαγωγικών πρακτικών. Στην Πιλοτική της εφαρμογή της διαπιστώθηκαν παρανοήσεις σχετικά με τη φύση των επιστημονικών μοντέλων. Για τον λόγο αυτό, η τελική της εκδοχή έδωσε ιδιαίτερη έμφαση στη διαφοροποίηση μοντέλου και πραγματικότητας, μέσω δραστηριοτήτων όπως η κατασκευή τρισδιάστατου μοντέλου λιποσώματος. Η συλλογή δεδομένων έγινε μέσω ερωτηματολογίων και ημιδομημένων συνεντεύξεων. Η στατιστική ανάλυση έδειξε σημαντική βελτίωση στα μαθησιακά αποτελέσματα, ενώ η ανάλυση περιεχομένου των ανοιχτών απαντήσεων και συνεντεύξεων παρείχε ποιοτική κατανόηση των αλλαγών στις αντιλήψεις των μαθητών. Τα ευρήματα κατέδειξαν ότι η βιωματική και διαδραστική προσέγγιση ενισχύει τη γνώση, την κατανόηση της φύσης των επιστημονικών μοντέλων και τη σύνδεση της Ν-ΕΤ με την καθημερινή ζωή και την ιατρική, συμβάλλοντας στη διαμόρφωση κριτικά σκεπτόμενων πολιτών.