Η αξιοποίηση των ψηφιακών τεχνολογιών και της ρομποτικής στη διδακτική των φυσικών επιστημών στην πρωτοβάθμια εκπαίδευση: η έννοια του μαγνητισμού

Abstract

This doctoral dissertation explores the educational use of Digital Technologies,Educational Robotics, the STEM fields approach, and Artificial Intelligence (AI) in theteaching of Natural Sciences in Primary Education, with a particular focus on theconcept of magnetism. The research topic is both timely and innovative, as it bringstogether contemporary technological tools and modern pedagogical approaches withthe teaching of Physics in preschool and early primary education—an area thatremains limited in terms of STEM fields research, especially within the Greekeducational context. Magnetism was selected as the central scientific concept of the study because itconstitutes a fundamental topic in Physics education, is characterized by a strong experimental dimension, and is associated with a wide range of students’ alternative conceptions. Moreover, magnetism lends itself particularly well to inquiry-based, hands-on, and technology-supported teaching approaches. Special emphasis is placed on preschool education, highlighting the importance of early exposure to scientific concepts and STEM fields-related activities for the development of scientific thinking, curiosity, and problem-solving skills. The theoretical framework of the dissertation is extensive and up to date. It includes the didactics of Natural Sciences, STEM fields education, Educational Robotics, Artificial Intelligence in education, and research on children’s alternative conceptions of magnetism. A STEM fields review of both international and Greek literature is presented, documenting the pedagogical value of STEM fields education and the necessity of its integration from early childhood. The theoretical analysis supports the design of the teaching interventions and provides a solid foundation for the interpretation of the research findings. The study follows a mixed-methods research design, combining qualitative and quantitative approaches. In the qualitative part of the research, a series of teaching interventions on magnetism were designed and implemented using STEM fields-based activities, educational robotics, and applications of Artificial Intelligence with preschool children. The interventions were structured around inquiry-based learning, play-based exploration, experimentation, and collaborative problem-solving. In the quantitative part of the research, a large-scale survey was conducted to investigate the perceptions, attitudes, and beliefs of primary education teachers regarding the use of Digital Technologies, STEM fields, educational robotics, and Artificial Intelligence in educational practice. Educational Robotics and Artificial Intelligence were used as supportive learning tools that aimed to enhance children’s active engagement, motivation, experimentation, and conceptual understanding. Through structured and open-end edactivities, children were encouraged to formulate hypotheses, make observations, test their ideas, and collaboratively construct explanations related to magnetic phenomena. At the same time, the use of digital and intelligent technologies contributed to the development of important 21st-century skills, such as critical thinking, creativity, communication, and collaboration. The findings of the qualitative research indicate that STEM fields-based activities significantly enhance young children’s understanding of the basic properties of magnets and magnetic interactions. Children demonstrated increased interest in Natural Sciences, greater willingness to participate in learning activities, and improved ability to describe, predict, and explain magnetic phenomena. The results also showed that learning through play, experimentation, and technology-supported inquiry promotes deeper conceptual engagement and supports the gradual development of scientific reasoning from an early age. In conclusion, this dissertation provides strong empirical evidence that the integration of Digital Technologies, STEM fields education, Educational Robotics, and Artificial Intelligence can substantially enhance the teaching and learning of Natural Sciences in preschool and primary education. It offers innovative pedagogical perspectives, enriches the field of Physics education research at early educational levels, and supports an experiential, inquiry-based, and meaningful approach to learning that responds to the demands of contemporary education.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την αξιοποίηση των Νέων Τεχνολογιών, της Εκπαιδευτικής Ρομποτικής, της προσέγγισης των πεδίων STEM και της Τεχνητής Νοημοσύνης (ΤΝ) στη διδακτική των Φυσικών Επιστημών στην Πρωτοβάθμια Εκπαίδευση και ειδικότερα στη διδασκαλία της έννοιας του μαγνητισμού. Το αντικείμενο της έρευνας κρίνεται ιδιαίτερα επίκαιρο και καινοτόμο, καθώς συνδυάζει σύγχρονες τεχνολογικές εφαρμογές με τη διδακτική των Φυσικών Επιστημών στην προσχολική και πρωτοβάθμια ηλικία, ένα πεδίο στο οποίο η ελληνική βιβλιογραφία είναι περιορισμένη . Ο μαγνητισμός επιλέγεται ως κεντρική εννοιολογική περιοχή της έρευνας, καθώς αποτελεί βασική έννοια των Φυσικών Επιστημών, χαρακτηρίζεται από πλήθος εναλλακτικών αντιλήψεων και προσφέρεται για διερευνητική, πειραματική και τεχνολογικά υποστηριζόμενη διδασκαλία, ενώ η αξιοποίηση της Τεχνητής Νοημοσύνης μπορεί να συμβάλει στον μετασχηματισμό των παρανοήσεων των μαθητών σε επιστημονική γνώση (Kotsis, 2025a). Παράλληλα, η έρευνα εστιάζει ιδιαίτερα στην προσχολική εκπαίδευση, αναδεικνύοντας τη σημασία της πρώιμης επαφής των παιδιών με τις Φυσικές Επιστήμες και με δραστηριότητες που εντάσσονται στα πεδία STEM. Στο θεωρητικό μέρος της διατριβής αναπτύσσεται εκτενές και σύγχρονο πλαίσιο που περιλαμβάνει τη διδακτική των Φυσικών Επιστημών, την εκπαίδευση στα πεδία STEM, την Εκπαιδευτική Ρομποτική, την Τεχνητή Νοημοσύνη στην εκπαίδευση και τις εναλλακτικές αντιλήψεις των παιδιών για τον μαγνητισμό. Παρουσιάζονται διεθνείς και ελληνικές ερευνητικές προσεγγίσεις, αναδεικνύονται τα παιδαγωγικά οφέλη της φιλοσοφίας των πεδίων STEM και τεκμηριώνεται η αναγκαιότητα της ενσωμάτωσής της από την προσχολική ηλικία. Η έρευνα ακολουθεί μεικτό ερευνητικό σχεδιασμό και περιλαμβάνει τόσο ποιοτική όσο και ποσοτική μεθοδολογική προσέγγιση. Στο ποιοτικό σκέλος σχεδιάζονται και υλοποιούνται διδακτικές παρεμβάσεις για τον μαγνητισμό με δραστηριότητες που εντάσσονται στα πεδία STEM, ρομποτικής και εφαρμογές Τεχνητής Νοημοσύνης σε παιδιά προσχολικής ηλικίας. Στο ποσοτικό σκέλος διερευνώνται οι αντιλήψεις και οι στάσεις των εκπαιδευτικών της Πρωτοβάθμιας 4 Εκπαίδευσης σχετικά με τη χρήση των Ψηφιακών Τεχνολογιών και της εκπαίδευσης στα πεδία STEM. Οι διδακτικές δραστηριότητες που σχεδιάστηκαν βασίζονται στη διερευνητική μάθηση, στο παιχνίδι, στον πειραματισμό και στη συνεργατική επίλυση προβλημάτων. Οι εφαρμογές της Εκπαιδευτικής Ρομποτικής και της Τεχνητής Νοημοσύνης αξιοποιούνται ως μέσα ενίσχυσης της εμπλοκής των παιδιών, της κατανόησης των φυσικών φαινομένων και της ανάπτυξης δεξιοτήτων του 21ου αιώνα, καθώς οι στάσεις και οι αντιλήψεις των εκπαιδευομένων επηρεάζουν ουσιαστικά τη μαθησιακή διαδικασία. Τα αποτελέσματα της έρευνας καταδεικνύουν ότι οι δραστηριότητες στα πεδία STEM συμβάλλουν ουσιαστικά στη βελτίωση της κατανόησης της έννοιας του μαγνητισμού από τα παιδιά, ενισχύουν το ενδιαφέρον τους για τις Φυσικές Επιστήμες και προάγουν την ενεργό συμμετοχή τους στη μαθησιακή διαδικασία. Παράλληλα, τα ευρήματα της ποσοτικής έρευνας δείχνουν ότι οι εκπαιδευτικοί εμφανίζουν σε μεγάλο βαθμό θετικές στάσεις απέναντι στη χρήση εκπαίδευσης στα πεδία STEM, της ρομποτικής και της Τεχνητής Νοημοσύνης, αναγνωρίζοντας τα παιδαγωγικά τους οφέλη. Συμπερασματικά, η διατριβή τεκμηριώνει ότι η αξιοποίηση των Ψηφιακών Τεχνολογιών, της Εκπαιδευτικής Ρομποτικής και της Τεχνητής Νοημοσύνης μπορεί να συμβάλει ουσιαστικά στη βελτίωση της διδασκαλίας των Φυσικών Επιστημών στην προσχολική και στην πρωτοβάθμια εκπαίδευση, προσφέροντας νέες παιδαγωγικές προοπτικές και ενισχύοντας τη μάθηση με τρόπο βιωματικό, διερευνητικό και λειτουργικό.