Χρήση εργαλείων STEM και εκπαιδευτικής ρομποτικής για τη μελέτη εννοιών των φυσικών επιστημών και της αειφορίας υπό το πλαίσιο της πολιτισμικής ιστορικής Θεωρίας της Δραστηριότητας

Abstract

This study explores the impact of a STEM-based educational intervention on the teaching and learning of key science concepts. The intervention was informed by Cultural-Historical Activity Theory (CHAT) and was designed around the stages of Engeström’s Expansive Learning Cycle, through which the processes of the Scientific Method were coherently integrated with the phases of the Engineering Design Process. The central purpose of the research was to examine whether a theoretically grounded and unified instructional framework can strengthen students’ conceptual understanding of “Speed” and “Photovoltaic Systems,” while at the same time cultivating competencies in scientific inquiry and engineering design for problem solving. To address the research objectives, a convergent mixed-methods design was employed, involving a sample of 110 fifth- and sixth-grade primary school students. The educational program was implemented through two four-hour instructional interventions, each focusing on one thematic unit (speed and photovoltaic systems). Data were collected using Pre- and post-test closed-ended questionnaires, as well as semi-structured interviews with 28 students. Quantitative data were analyzed using Bowker’s and McNemar’s statistical tests to examine changes in students’ responses before and after the intervention. The two interventions were designed as a unified activity system with different objects of study. In the first instructional intervention, students studied the concept of “speed” through experimental activities and robotic constructions. Initially, their empirical perceptions regarding the comparison of motions were highlighted, creating the need for a scientific method of calculating average speed. Subsequently, they programmed robotic vehicles that moved over predetermined distances or time intervals and used their constructions as investigative tools. They formulated hypotheses, designed experiments with controlled variables, performed time and distance measurements, analyzed data, and drew conclusions, systematically applying the stages of the scientific methodology. In the second intervention, the focus shifted to the operation of photovoltaic systems and the environmental variables that influence their efficiency. Students constructed simple photovoltaic circuits connected to small motors in order to explore the energy transformations occurring within the system. Through structured experimentation, they investigated how light intensity and angle of incidence affect energy output, as well as how shading and temperature influence the amount of electrical energy produced. Throughout this process, they systematically applied the stages of the scientific method. Building on their findings, the students then designed and developed a rotating robotic base for the photovoltaic panel, aiming to maximize light absorption. This task was carried out through an iterative engineering design cycle, including problem definition, identification of constraints, idea generation, construction, testing, and refinement. In both interventions, robotics, embedded within the engineering design process, functioned as a mediating tool that bridged abstract scientific concepts with their concrete real-world applications. In this way, students were supported in moving beyond intuitive or experience-based understandings toward scientifically grounded explanations that could be meaningfully applied within the classroom context. The quantitative findings revealed a statistically significant improvement in students’ understanding of the concept of speed, in cases where time remained constant across vehicles and in cases where the distance traveled was the same for all vehicles. Similarly, substantial gains were observed in students’ understanding of photovoltaic systems as energy converters, in their ability to distinguish between the forms of energy absorbed and produced, and in their awareness of how environmental factors affect system performance. At the same time, a misconception emerged: low temperature was not interpreted as a factor that enhances efficiency, but as a necessary condition for the operation of the photovoltaic cell. Regarding the processes of the scientific method, both quantitative and qualitative data showed clear progress in students’ ability to recognize, name, and appropriately apply its steps. After both interventions, students were better able to formulate well-reasoned hypotheses, control variables, conduct measurements and observations, and draw conclusions based on evidence. A similar pattern emerged with respect to the engineering design process. Students demonstrated improved understanding of its steps, with the most notable gains observed in identifying constraints, conducting testing procedures, and iteratively improving their designs. Despite the overall improvement, it was observed that students in some cases presented confusion between the processes of the Scientific Method and Engineering Design, mixing investigation stages with design problem-solving stages. The innovation of the research lies in the synthesis of CHAT with scientific methodology and mechanical design. The two STEM interventions approach the above processes as building blocks of the Expansive Learning Cycle that transform the Activity system. This mapping enhances both the knowledge of the concepts under study and the cultivation of scientific thinking and mechanical problem solving.

Η παρούσα μελέτη διερευνά τη συμβολή ενός εκπαιδευτικού προγράμματος STEM στη διδασκαλία εννοιών που άπτονται των Φυσικών Επιστημών. Η διδακτική παρέμβαση βασίστηκε στις αρχές της Πολιτισμικής Ιστορικής Θεωρίας της Δραστηριότητας (CHAT) και οργανώθηκε με βάση τα στάδια του Επεκτατικού Κύκλου Μάθησης του Engström, εντός του οποίου αντιστοιχίζονται συστηματικά οι Διαδικασίες Επιστημονικής Μεθόδου και οι Διαδικασίες Μηχανικής Σχεδίασης. Βασικός στόχος της μελέτης ήταν να διερευνηθεί κατά πόσο μια τέτοια θεωρητικά ενοποιημένη διδακτική προσέγγιση μπορεί να ενισχύσει την εννοιολογική κατανόηση των επιστημονικών εννοιών «Ταχύτητα» και «Φωτοβολταϊκά συστήματα» και παράλληλα να αναπτύξει δεξιότητες της επιστημονικής μεθοδολογίας και της μηχανικής σχεδίασης για την επίλυση προβλημάτων. Για τις ανάγκες της έρευνας επιλέχθηκε ο συγκλίνων μεικτός ερευνητικός σχεδιασμός και υλοποιήθηκε σε δείγμα 110 μαθητών Ε’ και ΣΤ’ τάξης δημοτικού. Το εκπαιδευτικό πρόγραμμα υλοποιήθηκε μέσα από δυο τετράωρες διδακτικές παρεμβάσεις, μία για κάθε θέμα (ταχύτητα και φωτοβολταϊκά). Τα δεδομένα συλλέχθηκαν από ερωτηματολόγια κλειστού τύπου πριν και μετά τις παρεμβάσεις και από συνεντεύξεις 28 μαθητών. Η στατιστική επεξεργασία των δεδομένων πραγματοποιήθηκε μέσα από ελέγχους Bowker και McNemar. Οι δυο διδακτικές παρεμβάσεις σχεδιάστηκαν ως ενιαίο σύστημα δραστηριότητας με διαφορετικά αντικείμενα μελέτης. Στην πρώτη διδακτική παρέμβαση οι μαθητές μελέτησαν την έννοια της ταχύτητας μέσω πειραματικών δραστηριοτήτων και ρομποτικών κατασκευών. Αρχικά αναδείχθηκαν οι εμπειρικές τους αντιλήψεις σχετικά με τη σύγκριση κινήσεων και διαμορφώθηκε η ανάγκη για έναν επιστημονικά τεκμηριωμένο τρόπο υπολογισμού της μέσης ταχύτητας. Στη συνέχεια, προγραμμάτισαν ρομποτικά οχήματα που κινούνταν σε προκαθορισμένες αποστάσεις ή χρονικά διαστήματα και χρησιμοποίησαν τις κατασκευές τους ως εργαλεία διερεύνησης. Διατύπωσαν υποθέσεις, σχεδίασαν πειράματα με έλεγχο μεταβλητών, πραγματοποίησαν μετρήσεις χρόνου και απόστασης, ανέλυσαν δεδομένα και εξήγαγαν συμπεράσματα, εφαρμόζοντας συστηματικά τα στάδια της επιστημονικής μεθοδολογίας. Στη δεύτερη παρέμβαση το αντικείμενο μελέτης ήταν η λειτουργία των φωτοβολταϊκών συστημάτων και οι περιβαλλοντικοί παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοσή τους. Οι μαθητές κατασκεύασαν απλά φωτοβολταϊκά κυκλώματα με κινητήρες, προκειμένου να διερευνήσουν τις ενεργειακές μετατροπές που συντελούνται στο σύστημα. Εξέτασαν πειραματικά την επίδραση της έντασης και της γωνίας πρόσπτωσης του φωτός, καθώς και τον ρόλο της σκίασης και της θερμοκρασίας στην παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια, εφαρμόζοντας συστηματικά τα στάδια της επιστημονικής μεθοδολογίας. Στη συνέχεια σχεδίασαν και κατασκεύασαν περιστρεφόμενη ρομποτική βάση για το φωτοβολταϊκό στοιχείο με στόχο τη βελτιστοποίηση της πρόσληψης φωτεινής ενέργειας, ακολουθώντας τις φάσεις της κυκλικής διαδικασίας της μηχανικής σχεδίασης (ορισμός προβλήματος, περιορισμοί, ιδεασμός, κατασκευή, δοκιμή και βελτίωση).Και στις δυο παρεμβάσεις η ρομποτική, μέσα από τις διαδικασίες μηχανικής σχεδίασης, λειτούργησε ως διαμεσολαβητικό εργαλείο που συνέδεε τη θεωρητική (αφηρημένη) επιστημονική γνώση με την πρακτική (συγκεκριμένη) εφαρμογή της, επιτρέποντας τη μετάβαση από τις εμπειρικές γνώσεις σε επιστημονικά τεκμηριωμένες ερμηνείες που μπορούν να εφαρμοστούν στη σχολική τάξη. Τα ποσοτικά αποτελέσματα έδειξαν στατιστικά σημαντική βελτίωση στην κατανόηση της έννοιας της ταχύτητας, τόσο σε περιπτώσεις που ο χρόνος κίνησης ήταν ίδιος για όλα τα οχήματα όσο και σε περιπτώσεις που η απόσταση κίνησης ήταν ίδια για όλα τα οχήματα. Αντίστοιχα, παρατηρήθηκε σημαντική βελτίωση στην κατανόηση των φωτοβολταϊκών συστημάτων ως μετατροπέων ενέργειας, στη διάκριση των μορφών ενέργειας που απορροφούν και παράγουν, καθώς και στον τρόπο που οι περιβαλλοντικοί παράγοντες επηρεάζουν την απόδοσή τους. Παράλληλα, αναδείχθηκε μια παρανόηση, καθώς η χαμηλή θερμοκρασία δεν εκλήφθηκε από τους μαθητές απλώς ως παράγοντας βελτιστοποίησης της απόδοσης, αλλά ως αναγκαία προϋπόθεση για τη λειτουργία του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Όσον αφορά τις διαδικασίες της επιστημονικής μεθόδου από τα ποσοτικά και τα ποιοτικά δεδομένα, καταγράφηκε βελτίωση στην ικανότητα των μαθητών να αναγνωρίζουν, να κατονομάζουν και να εφαρμόζουν ορθά τα στάδιά της. Οι μαθητές, μετά τις δυο παρεμβάσεις, ήταν σε θέση να διατυπώνουν αιτιολογημένα υποθέσεις, να ελέγχουν μεταβλητές, να μετρούν και να παρατηρούν και να εξάγουν συμπεράσματα. Ωστόσο, τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι η εσωτερίκευση των διαδικασιών της επιστημονικής μεθόδου δεν ήταν πλήρης, καθώς αρκετοί μαθητές δυσκολεύονταν να ανακαλέσουν και να εφαρμόσουν αυτόνομα τις σχετικές διαδικασίες χωρίς εξωτερική υποστήριξη. Αντίστοιχα, ως προς τις διαδικασίες μηχανικής σχεδίασης, παρατηρήθηκε ενίσχυση της ικανότητας των μαθητών να αντιλαμβάνονται τα στάδιά της, με τη μεγαλύτερη βελτίωση να εντοπίζεται στις φάσεις εντοπισμού περιορισμών, της δοκιμής και της επαναληπτικής βελτίωσης. Παρά τη συνολική βελτίωση, παρατηρήθηκε ότι οι μαθητές παρουσίασαν σε ορισμένες περιπτώσεις σύγχυση μεταξύ των διαδικασιών της Επιστημονικής Μεθόδου και της Μηχανικής Σχεδίασης, αναμειγνύοντας στάδια διερεύνησης με στάδια σχεδιαστικής επίλυσης προβλήματος. Η καινοτομία της έρευνας έγκειται στη σύνθεση της CHAT με την επιστημονικής μεθοδολογίας και τη μηχανική σχεδίαση. Οι δυο παρεμβάσεις STEM προσεγγίζουν τις παραπάνω διαδικασίες ως δομικά στοιχεία του Επεκτατικού Κύκλου Μάθησης που μετασχηματίζουν το σύστημα της Δραστηριότητας. Η αντιστοίχιση αυτή ενισχύει τόσο την κατανόηση των υπό μελέτη εννοιών όσο και την καλλιέργεια επιστημονικής σκέψης και μηχανικής επίλυσης προβλημάτων.