Η αξιοποίηση της εκπαιδευτικής ρομποτικής και της μεθοδολογίας STEM στη διδασκαλία της φυσικής, σε Σχολεία Δεύτερης Ευκαιρίας

Abstract

This doctoral dissertation examines the integration of STEM methodology (Science, Technology, Engineering, and Mathematics) and Educational Robotics in the teaching of Physics within the framework of Scientific Literacy, with a particular focus on the distinctive educational context of Second Chance Schools. More specifically, the study compares the traditional lecture-based approach to instruction with contemporary STEM and robotics oriented pedagogical approaches. Methodologically, the study adopted a quantitative approach employing a quasi-experimental design, in which adult learners were allocated to an experimental group and a control group. The primary research objective was to investigate the effects of the two instructional methods on learners’ self-efficacy in Physics, as well as on their cognitive learning outcomes, as assessed through two self-efficacy questionnaires and a cognitive knowledge test administered before and after the instructional interventions. Alongside the implementation of the experimental interventions, learners’ attitudes toward 3D printing technology were also evaluated using a questionnaire. The findings indicate that participants in the experimental group derived substantial benefits from the instructional intervention, both in terms of self-efficacy and cognitive development. By contrast, the control group exhibited no noteworthy improvement in the specific domains. More specifically, regarding self-efficacy, the experimental group demonstrated gains in the factors «Everyday Application» and «Science Communication»; however, no change was observed in the general factor, and no differences emerged as a function of gender or age. Between group comparisons, given that the two groups were equivalent at the outset of the intervention, showed that the increase in self-efficacy on both factors in favor of the experimental group was statistically significant. With respect to cognitive performance in Physics, the experimental group displayed a statistically significant improvement in achievement, without differences as a function of gender or age, further corroborating the effectiveness of the STEM methodology and Educational Robotics relative to traditional instruction, which yielded no comparable cognitive benefits for the control group. Between group comparisons confirmed that the groups were initially equivalent in cognitive terms, whereas the subsequently observed improvement in favor of the experimental group was likewise statistically significant. The correlational analyses conducted for the experimental group did not reveal a statistically significant association between increased self-efficacy and cognitive outcomes, suggesting that improvements in learners’ self-efficacy are not directly linked to gains in Physics knowledge. In contrast, a positive and statistically significant correlation was identified between the two self-efficacy factors, indicating that enhanced self-efficacy regarding the everyday application of Physics co-occurs with increased self-efficacy for engaging in discussions on scientific issues. In addition, learners expressed generally positive attitudes toward three-dimensional (3D) printing technology, perceiving it as interesting and easy to use, while nevertheless maintaining reservations regarding its future practical use. In conclusion, this dissertation highlights critical findings and proposes innovative and more effective instructional approaches for teaching Physics within the Scientific Literacy framework in Second Chance Schools. Furthermore, it contributes to the existing body of literature and aspires to serve as an evidence-based guide for educational policy stakeholders, with particular emphasis on strengthening Scientific Literacy. Finally, it establishes a solid foundation for future research aimed at an in-depth exploration of the learning needs of this distinctive educational population.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την αξιοποίηση της μεθοδολογίας STEM (Science, Technology, Engineering, and Mathematics) και της Εκπαιδευτικής Ρομποτικής στη διδασκαλία της Φυσικής στο πλαίσιο του Επιστημονικού Γραμματισμού, εστιάζοντας στο ιδιαίτερο εκπαιδευτικό περιβάλλον των Σχολείων Δεύτερης Ευκαιρίας. Ειδικότερα, η μελέτη συγκρίνει την παραδοσιακή μέθοδο διδασκαλίας μέσω διάλεξης, με τις σύγχρονες προσεγγίσεις του STEM και της Εκπαιδευτικής Ρομποτικής. Μεθοδολογικά, υιοθετήθηκε ποσοτική προσέγγιση με οιονεί πειραματικό σχεδιασμό, στο πλαίσιο του οποίου οι ενήλικες εκπαιδευόμενοι κατανεμήθηκαν σε πειραματική ομάδα και ομάδα ελέγχου. Κύριος ερευνητικός σκοπός ήταν η διερεύνηση της επίδρασης των δύο διδακτικών μεθόδων στην αυτοαποτελεσματικότητα των εκπαιδευομένων απέναντι στη Φυσική, καθώς και στα γνωστικά τους αποτελέσματα, μέσω της συμπλήρωσης δύο ερωτηματολογίων αυτοαποτελεσματικότητας και ενός γνωστικού τεστ πριν και μετά από τις διδακτικές παρεμβάσεις. Παράλληλα, με αφορμή την υλοποίηση των πειραματικών παρεμβάσεων, αξιολογήθηκαν μέσω ερωτηματολογίου οι στάσεις των εκπαιδευομένων απέναντι στην τεχνολογία της τρισδιάστατης εκτύπωσης (3D Printing). Τα ευρήματα καταδεικνύουν ότι οι συμμετέχοντες της πειραματικής ομάδας αποκόμισαν σημαντικά οφέλη από τη διδακτική παρέμβαση, τόσο ως προς την αίσθηση αυτοαποτελεσματικότητας όσο και ως προς τη γνωστική τους ανάπτυξη. Αντιθέτως, η ομάδα ελέγχου δεν παρουσίασε καμία αξιοσημείωτη βελτίωση στους υπό εξέταση τομείς. Αναλυτικότερα, όσον αφορά την αυτοαποτελεσματικότητα, η πειραματική ομάδα σημείωσε βελτίωση στους παράγοντες της «Καθημερινής Εφαρμογής» και της «Συζήτησης για επιστημονικά θέματα», χωρίς ωστόσο να καταγραφεί μεταβολή στον Γενικό παράγοντα και χωρίς να παρατηρούνται διαφοροποιήσεις με βάση το φύλο ή την ηλικία. Η σύγκριση μεταξύ των δύο ομάδων, οι οποίες κατά την έναρξη της παρέμβασης ήταν ισοδύναμες, έδειξε ότι η άνοδος της αυτοαποτελεσματικότητας και στους δύο παράγοντες υπέρ της πειραματικής ομάδας ήταν στατιστικά σημαντική.Αναφορικά με τις γνωστικές επιδόσεις στο μάθημα της Φυσικής, η πειραματική ομάδα παρουσίασε στατιστικά σημαντική βελτίωση της απόδοσής της, χωρίς διαφοροποιήσεις ανά φύλο ή ηλικία, επιβεβαιώνοντας εκ νέου την αποτελεσματικότητα της μεθοδολογίας STEM και της Εκπαιδευτικής Ρομποτικής έναντι της παραδοσιακής διδασκαλίας, η οποία δεν προσέφερε αντίστοιχα γνωστικά οφέλη στην ομάδα ελέγχου. Η σύγκριση μεταξύ των ομάδων έδειξε ότι αρχικά οι δύο ομάδες ήταν γνωστικά ισοδύναμες, ενώ στη συνέχεια η παρατηρούμενη βελτίωση υπέρ της πειραματικής ομάδας, ήταν επίσης στατιστικά σημαντική. Ο έλεγχος των συσχετίσεων για την πειραματική ομάδα δεν ανέδειξε στατιστικά σημαντική συσχέτιση μεταξύ της αυξημένης αυτοαποτελεσματικότητας και των γνωστικών αποτελεσμάτων, υποδηλώνοντας ότι η βελτίωση της αυτοαποτελεσματικότητας των εκπαιδευομένων δεν συνδέεται άμεσα με την αύξηση των γνώσεων στη Φυσική. Αντιθέτως, διαπιστώθηκε θετική και στατιστικά σημαντική συσχέτιση μεταξύ των δύο παραγόντων της αυτοαποτελεσματικότητας, καταδεικνύοντας ότι η βελτίωση της αυτοαποτελεσματικότητας σχετικά με την καθημερινή εφαρμογή της Φυσικής, συμπορεύεται με την ενίσχυση της αυτοαποτελεσματικότητας για συμμετοχή σε συζητήσεις γύρω από επιστημονικά θέματα. Επιπρόσθετα, οι εκπαιδευόμενοι εξέφρασαν θετική στάση απέναντι στην τεχνολογία της τρισδιάστατης εκτύπωσης, θεωρώντας την ενδιαφέρουσα και εύληπτη, αν και διατήρησαν επιφυλάξεις ως προς τη μελλοντική πρακτική της χρήση. Συμπερασματικά, η παρούσα διατριβή αναδεικνύει κρίσιμα ευρήματα και προτείνει καινοτόμες, αποδοτικότερες διδακτικές προσεγγίσεις για το μάθημα της Φυσικής στο πλαίσιο του Επιστημονικού Γραμματισμού στα Σχολεία Δεύτερης Ευκαιρίας. Παράλληλα, εμπλουτίζει την υπάρχουσα βιβλιογραφία και φιλοδοξεί να λειτουργήσει ως ένας τεκμηριωμένος οδηγός για τους φορείς χάραξης εκπαιδευτικής πολιτικής, με έμφαση στην ενίσχυση του Επιστημονικού Γραμματισμού. Τέλος, θέτει ισχυρά θεμέλια για περαιτέρω έρευνες που θα εστιάζουν στην εις βάθος εξερεύνηση των μαθησιακών αναγκών αυτού του ιδιαίτερου εκπαιδευτικού πληθυσμού.