Ανάπτυξη ενός πλαισίου συνδυασμού εικονικών και πραγματικών περιβαλλόντων πειραματισμού στις φυσικές επιστήμες

Abstract

Ο κύριος σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η ανάπτυξη και η εγκυροποίηση ενός πλαισίου συνδυασμού Πειραματισμού σε Πραγματικά Εργαστήρια (ΠΠΕ) και Πειραματισμού σε Εικονικά Εργαστήρια (ΠΕΕ) για την ανάπτυξη εννοιολογικής κατανόησης στις Φυσικές Επιστήμες. Η παρούσα έρευνα περιλάμβανε δύο φάσεις. Η πρώτη φάση περιλάμβανε τη συνδυασμένη εφαρμογή του ΠΠΕ και του ΠΕΕ στη βάση του προτεινόμενου πλαισίου συνδυασμού για την ανάπτυξη εννοιολογικής κατανόησης στο Φως και Χρώμα. Ο συνδυασμός του ΠΠΕ και του ΠΕΕ βασίστηκε στην εφαρμογή των συγκριτικών δυνατοτήτων των δύο πειραματικών μέσων, όπου αυτά ισχύουν. Οι συγκεκριμένες δυνατότητες του ΠΠΕ και του ΠΕΕ εντοπίστηκαν μέσα από τη βιβλιογραφική επισκόπηση σε αυτή την κατεύθυνση. Η αναφερόμενη επισκόπηση ανέδειξε αντιφατικά δεδομένα σε σχέση με την επίδραση συγκεκριμένων δυνατοτήτων του ΠΕΕ στην ανάπτυξη εννοιολογικής κατανόησης, γεγονός που οδήγησε στη διεξαγωγή της δεύτερης φάσης της έρευνας. Συγκεκριμένα, διερευνήθηκαν: α) η αποτελεσματικότητα των αφαιρετικών αναπαραστάσεων όταν εισάγονται μέσα από πολλαπλές δυναμικά συσχετιζόμενες εικονικές αναπαραστάσεις στην επίτευξη εννοιολογικής κατανόησης και β) η αποτελεσματικότητα της ενεργού εμπλοκής των ατόμων με εικονικά υλικά σε σχέση με τη διδακτική αξιοποίηση του επιπρόσθετου χρόνου που προκύπτει από την παθητική παρακολούθηση εικονικών πειραμάτων. Στην περίπτωση της δεύτερης διερεύνησης χρησιμοποιήθηκαν οπτικογραφημένα στιγμιότυπα των εικονικών πειραμάτων για τη διεξαγωγή του διδακτικού υλικού. Ανεξάρτητα από τις αναφερόμενες ελλείψεις στη βιβλιογραφία, διεξάχθηκε ο στοχευμένος συνδυασμός του ΠΠΕ και του ΠΕΕ στη βάση του μεθοδολογικού πλαισίου που αναπτύχθηκε. Ο ερευνητικός σχεδιασμός περιλάμβανε χορήγηση των δοκιμίων πριν, κατά και μετά τη διεξαγωγή των διδακτικών παρεμβάσεων και στις δύο φάσεις της έρευνας. Το δείγμα αποτέλεσαν 191 προϋπηρεσιακοί εκπαιδευτικοί οι οποίοι συμμετείχαν σε ένα εισαγωγικό πρόγραμμα σπουδών που βασιζόταν στο πρόγραμμα Φυσική με Διερώτηση (McDermott and The Physics Education Group, 1996). Η συλλογή δεδομένων περιλάμβανε: α) τη χορήγηση πειραματικών δοκιμίων πριν και μετά από κάθε κεφάλαιο του διδακτικού υλικού καθώς και πριν και μετά τις διδακτικές παρεμβάσεις, β) οπτικογραφήσεις των εργασιών των μανθανόντων κατά την εργασία τους στις ομάδες και γ) αναστοχαστικό ημερολόγιο των ερευνητών που συμμετείχαν στην έρευνα. Τα αποτελέσματα κατέδειξαν πως οι ερευνητικές προσπάθειες της δεύτερης φάσης της έρευνας είχαν σημαντική συνεισφορά στη δημιουργία ενός ερευνητικά τεκμηριωμένου πλαισίου συνδυασμού του ΠΠΕ και του ΠΕΕ. Η ενσωμάτωση του αναφερόμενου πλαισίου στον εργαστηριακό πειραματισμό κατέδειξε πως ο συνδυασμός του ΠΠΕ και του ΠΕΕ είναι πιο αποτελεσματικός από την αποκλειστική εφαρμογή του ΠΠΕ ή του ΠΕΕ, στην οικοδόμηση εννοιολογικής κατανόησης.

The main purpose of this doctoral dissertation was the development and validation of a framework of blending Physical and Virtual Manipulatives (PM and VM) for enhancing students’ conceptual understanding in science. The study involved two phases. The first phase involved the implementation of a PM and VM blended combination according to the proposed framework in an attempt to enhance students’ conceptual understanding in the domain of Light and Color. Blending VM and PM was based on whether PM or VM provide an advantage/affordance that the other mode of experimentation cannot provide. These affordances of either VM or PM were identified through a literature review of the domain. The literature review also revealed the scarce information on certain VM affordances and their effect on learning, which resulted in investigating these aspects in the second phase of this study. In particular, we examined (a) whether abstract objects (presented through multiple dynamically linked representations) have always a positive effect on students’ conceptual understanding and (b) how important is the effect of manipulation of VM on students’ conceptual understanding. To test the latter we used screen captured VM enactments of the study’s experiments. Regardless of these pending issues we proceeded with the aforementioned study in order to test our blended combination and get a sense of whether it works. Pre-post comparison study designs were used for the purposes of the studies of both phases. In total, 191 undergraduate students, enrolled in an introductory physics course that was based upon the Physics by Inquiry curriculum (McDermott and The Physics Education Group, 1996), participated in these studies. The data collection involved: (a) the administration of pre and post tests before and after the intervention as well as before and after each section of the curriculum used in the studies, (b) videos of the student group work throughout the study, and (c) the reflective diary of the study’s researcher. The findings showed that the studies of the second phase made significant contributions towards creating a more solid, research-based, framework for blending PM and VM. Finally, the implementation of this framework showed that the use of a blended combination of PM and VM was more conducive to students’ conceptual understanding than using PM or VM alone.