Teachers as learners and curriculum designers in the context of modeling-centered scientific inquiry

Abstract

Η παρούσα διατριβή εξετάζει την επίδραση ενός προγράμματος επιμόρφωσης εκπαιδευτικών στην ανάπτυξη (i) της ικανότητας μοντελοποίησης, (ii) της γνώσης περιεχομένου για τα μοντέλα και τη μοντελοποίηση και (iii) της γνώσης αναλυτικών προγραμμάτων για τη διδασκαλία του μαθήματος των Φυσικών Επιστημών μέσω της προσέγγισης της μοντελοποίησης. Επιπρόσθετα, η διατριβή εξετάζει τα χαρακτηριστικά του διδακτικού υλικού που αναπτύσσουν οι εκπαιδευτικοί με στόχο τη μελέτη των μετασχηματισμών των αξόνων μάθησης που επιτελούνται κατά το σχεδιασμό διδακτικού υλικού στηριζόμενου στη μοντελοποίηση. Στο πρόγραμμα επιμόρφωσης συμμετείχαν είκοσι εκπαιδευτικοί, των οποίων τόσο οι προϋπάρχουσες γνώσεις σε σχέση με τα μοντέλα και τη μοντελοποίηση, όσο και οι διδακτικές τους εμπειρίες σε σχέση με τη διδασκαλία του μαθήματος των Φυσικών Επιστημών μέσω της προσέγγισης της μοντελοποίησης ήταν πολύ περιορισμένες. Στην πρώτη φάση του προγράμματος, οι εκπαιδευτικοί κλήθηκαν ως μανθάνοντες να ακολουθήσουν το διδακτικό υλικό για τη μελέτη διαφόρων πειραμάτων μονοδιάστατων ελαστικών κρούσεων, για το καθένα από τα οποία δημιουργούσαν μοντέλα με τη χρήση ενός λογισμικού μοντελοποίησης. Στη δεύτερη φάση, οι εκπαιδευτικοί ως δημιουργοί διδακτικού υλικού κλήθηκαν να εφαρμόσουν την προσέγγιση της μοντελοποίησης για την αναδόμηση μιας υφιστάμενης ενότητας από το αναλυτικό πρόγραμμα των Φυσικών Επιστημών. Τα δεδομένα που προέκυψαν από τη χρήση ποικίλων οργάνων συλλογής δεδομένων έτυχαν συστηματικής επεξεργασίας μέσα από την εφαρμογή κατάλληλων μεθόδων ποιοτικής ανάλυσης δεδομένων και στατιστικών τεχνικών. Τα πορίσματα της διατριβής σε σχέση με το πρώτο ερευνητικό ερώτημα (Πώς συγκρίνεται η ικανότητα μοντελοποίησης των εκπαιδευτικών πριν και μετά τη συμμετοχή τους στο πρόγραμμα επιμόρφωσης;) κατέδειξαν ότι το πρόγραμμα επιμόρφωσης επέδρασε καταλυτικά όχι μόνο στην ανάπτυξη όλων των πτυχών της ικανότητας μοντελοποίησης των εκπαιδευτικών, αλλά και στην ικανότητά τους να μεταφέρουν επιτυχώς όλες τις πτυχές της μοντελοποίησης για τη μελέτη άγνωστων συγκειμένων. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την ανάλυση των δεδομένων σχετικά με το δεύτερο ερευνητικό ερώτημα (Πώς αλλάζει η γνώση περιεχομένου για τα μοντέλα και τη μοντελοποίηση και η γνώση αναλυτικών προγραμμάτων για τη διδασκαλία του μαθήματος των Φυσικών Επιστημών μέσω της προσέγγισης της μοντελοποίησης των εκπαιδευτικών κατά τη διάρκεια συμμετοχής τους στο πρόγραμμα επιμόρφωσης;) έδειξαν ότι τόσο η γνώση περιεχομένου για τα μοντέλα και τη μοντελοποίηση, όσο και η γνώση αναλυτικών προγραμμάτων για τη διδασκαλία του μαθήματος των Φυσικών Επιστημών μέσω της μοντελοποίησης των εκπαιδευτικών βελτιώθηκαν αισθητά, συγκρινόμενες στην αρχή και τέλος του προγράμματος επιμόρφωσης. Όσον αφορά στο τρίτο ερευνητικό ερώτημα (Ποια είναι τα χαρακτηριστικά του στηριζόμενου στην προσέγγιση της μοντελοποίησης διδακτικού υλικού που αναπτύσσουν οι εκπαιδευτικοί;), φάνηκε ότι μέσα από τη μελέτη των χαρακτηριστικών του διδακτικού υλικού των εκπαιδευτικών μπορεί να προκύψει χρήσιμη πληροφόρηση σχετικά με τις σχεδιαστικές αρχές που διέπουν το διδακτικό τους υλικό, των τύπων αναδόμησης στο υφιστάμενο διδακτικό υλικό, τα είδη των δραστηριοτήτων που σχεδιάστηκαν σε συνδυασμό με το ρόλο της μοντελοποίησης στο διδακτικό υλικό, του βαθμού ενσωμάτωσης του θεωρητικού πλαισίου μοντελοποίησης στο διδακτικό υλικό, τη φύση των μοντέλων που δυνητικά θα αναπτυχθούν από τους μανθάνοντες σε πιθανή εφαρμογή του διδακτικού υλικού, την εξέλιξη της διαδοχής των μοντέλων στο διδακτικό υλικό, καθώς και τη φύση και το ρόλο της αξιολόγησης των μαθησιακών επιτευγμάτων των μαθητών στο διδακτικό υλικό.

This thesis aimed at examining the impact of a strategically designed Professional Development Course (PDC) on teachers’ development of modeling ability, content knowledge (CK) about models and modeling, and curricular knowledge (CuK) for modeling-centered scientific inquiry (MCSI). It also sought to identify and describe the characteristics of teachers’ created MCSI curriculum designs in an attempt to investigate the types of transformations that were enacted by the participants in their effort to apply the theoretical perspectives of MCSI approach for the design of their own curriculum materials. The participants to the PDC were twenty teachers and Both their prior experience with modeling during their undergraduate studies and their prior teaching experience regarding modeling were very limited. During Phase 1 of the PDC, the teachers as learners were engaged in multiple cycles of model development and deployment of collision phenomena. During Phase 2 of the PDC, the teachers shifted from learners to thinkers of the underlying design principles of curricula that were grounded on the MCSI perspective, and were also asked to re-design an existing unit from their science curriculum to foster the development of understanding of the unit’s concepts through a MCSI approach. Multiple data collection instruments were used for capturing teachers’ modeling ability, CK about models and modeling, and CuK for MCSI. The data were analyzed through the use of qualitative and quantitative techniques, and rich descriptions about teachers’ modeling ability, CK about models and modeling, CuK for MCSI, and their MCSI curriculum designs characteristics emerged for answering each research question. Both the qualitative and quantitative findings that emerged in addressing the first research question of the study (How does teachers’ modeling ability compare prior to and after their participation in the PDC?) designate that the teachers who engaged as learners in the strategically designed MCSI setting of the PDC developed their modeling ability, and succeeded on transferring all of the aspects of their modeling ability across content areas. As far as the second research question that this study aimed to address is concerned (How do teachers’ CK about models and modeling, and CuK for MCSI change as a result of their participation in the PDC?), both findings pertaining to teachers’ examination of CK about models and modeling, and CuK for MCSI revealed significant changes as teachers transitioned from the beginning to the end of the PDC. The findings that emerged in response to the third research question of this study (What are the characteristics of teachers’ modeling-centered curriculum designs?) indicate that teachers’ curriculum designs can contribute to our understanding about: (i) teachers’ curriculum design orientation; (ii) the degree and type of reconstruction of the national curriculum unit that teachers followed; (iii) the types of the activities they designed and the role of modeling in their curriculum designs; (iv) the integration of the modeling ability framework within their curriculum designs; (v) model’s progression; (vi) the nature of the suggested models; and (vii) the format of the evaluation of students’ learning gains.