Σύγχρονες διδακτικές προσεγγίσεις στη διδασκαλία της ενέργειας σε περιβάλλοντα πραγματικά, εικονικά, επαυξημένης και μικτής πραγματικότητας στην εκπαίδευση

Abstract

In the context of the research, the concept of energy is approached as a fundamental, abstract, and universal concept, characterised by diversity (forms, metaphors, and transformations) and a multi-level presence at all scales of reality, from the microscopic to the macroscopic. This complexity makes a universal scientific definition difficult. It leads to strong alternative ideas in education, such as viewing it as a consumable "substance" that is consumed or "lost," or as a property of objects. To address these challenges, holistic, exploratory teaching approaches (question-data-documentation) are proposed that focus on the transfer and transformation of energy. The use of multiple representations and models supports interaction between the microcosm and the macrocosm, offering innovative teaching approaches that avoid the memorization of concepts. By also focusing on the portability and multimodality of educational environments as key elements of modern teaching approaches, the ability to transfer the learning process outside the classroom is better supported, enhancing personalised learning and student autonomy. In this context, Mixed Reality emerges as a key environment, bridging real and virtual realms and visualising abstract concepts. This thesis presents the development, implementation and evaluation in educational practice of a) an integrated learning environment with elements of high portability and interaction, exploratory teaching approaches with playful learning characteristics, b) a (hyper) interactive three-dimensional virtual environment for the study of natural astronomical phenomena and the energy changes of celestial bodies, through appropriately designed teaching approaches with possibilities for self-regulated learning and free exploration, feedback, evaluation and self-assessment, c) highly immersive hybrid environments for the investigation of phenomena at a microscopic and macroscopic level and d) two interactive STEM and mixed reality environments. Based on the above environments, appropriately designed research activities were developed and implemented at all educational levels: primary, secondary (high school), and tertiary (teacher training). These studies revealed strong positive learning outcomes, laying the foundations for the future integration of Artificial Intelligence in teaching practice.

Στο πλαίσιο της έρευνας, η έννοια της ενέργειας προσεγγίζεται ως θεμελιώδης και αφαιρετική έννοια καθολικής εμβέλειας, η οποία χαρακτηρίζεται από πολυμορφία (μορφές, μεταφορές και μετατροπές) και πολυεπίπεδη παρουσία σε όλες τις κλίμακες της πραγματικότητας, από το μικροσκοπικό έως το μακροσκοπικό επίπεδο. Η πολυπλοκότητα αυτή δυσχεραίνει τον καθολικό επιστημονικό ορισμό της και οδηγεί σε ισχυρές εναλλακτικές ιδέες στην εκπαίδευση, όπως η αντίληψή της ως αναλώσιμη «ουσία» που καταναλώνεται ή «χάνεται» ή ως ιδιότητα αντικειμένων. Για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων προτείνονται ολιστικές και διερευνητικές διδακτικές προσεγγίσεις (ερώτημα–δεδομένα–τεκμηρίωση), που εστιάζουν στη μεταφορά και μετατροπή της ενέργειας. Η χρήση πολλαπλών αναπαραστάσεων και μοντέλων βοηθά στη αλληλεπίδραση του μικρόκοσμου - μακρόκοσμου, προσφέροντας νέες καινοτόμες διδακτικές προσεγγίσεις, αποφεύγοντας την απομνημόνευση των εννοιών. Εστιάζοντας επίσης στην φορητότητα και στην πολυτροπικότητα των εκπαιδευτικών περιβαλλόντων, ως βασικών στοιχείων των σύγχρονων διδακτικών προσεγγίσεων, εξυπηρετείται αποτελεσματικότερα η δυνατότητα μεταφοράς της μαθησιακής διαδικασίας και εκτός σχολικής τάξης, ενισχύοντας την εξατομικευμένη μάθηση και την αυτενέργεια των μαθητών. Σε αυτό το πλαίσιο, η Μικτή Πραγματικότητα (Mixed Reality) αναδεικνύεται σε κομβικό περιβάλλον, καθώς γεφυρώνει το πραγματικό με το εικονικό πεδίο και οπτικοποιεί αφηρημένες έννοιες. Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει την ανάπτυξη, εφαρμογή και αξιολόγηση στην εκπαιδευτική πράξη α) ενός ολοκληρωμένου μαθησιακού περιβάλλοντος με στοιχεία υψηλής φορητότητας και αλληλεπίδρασης, διερευνητικών διδακτικών προσεγγίσεων με χαρακτηριστικά παιγνιώδους μάθησης, β) ενός (υπερ) διαδραστικού τρισδιάστατου εικονικού περιβάλλοντος για τη μελέτη φυσικών αστρονομικών φαινομένων και των ενεργειακών μεταβολών ουρανίων σωμάτων, μέσω κατάλληλα σχεδιασμένων διδακτικών προσεγγίσεων με δυνατότητες αυτορρυθμιζόμενης μάθησης και ελεύθερης διερεύνησης, ανατροφοδότησης, αξιολόγησης και αυτοξιολόγησης, γ) υβριδικών περιβαλλόντων υψηλής εμβύθισης για τη διερεύνηση φαινομένων σε μικροσκοπικό και μακροσκοπικό επίπεδο και δ) δυο αλληλεπιδραστικών περιβαλλόντων STEM προσέγγισης και μικτής πραγματικότητας. Με βάση τα ανωτέρω περιβάλλοντα δημιουργήθηκαν κατάλληλα σχεδιασμένες ερευνητικές δραστηριότητες που εφαρμόστηκαν σε όλες τις εκπαιδευτικές βαθμίδες, πρωτοβάθμια, δευτεροβάθμια (γυμνασιακή βαθμίδα) και τριτοβάθμια (εκπαίδευση υποψηφίων δασκάλων). Οι έρευνες αυτές ανέδειξαν ισχυρά θετικά μαθησιακά αποτελέσματα, θέτοντας τις βάσεις για τη μελλοντική ενσωμάτωση της Τεχνητής Νοημοσύνης στη διδακτική πράξη.