Επιστημονικά μοντέλα, νοητικά μοντέλα και διδασκαλία των φυσικών επιστημών

Abstract

Οι αναλύσεις της επιστημονικής πρακτικής και της οργάνωσης της επιστημονικής γνώσης από τη φιλοσοφία σε συνδυασμό με την έννοια του νοητικού μοντέλου από τη γνωστική ψυχολογία, διαμορφώνουν ένα κοινό πεδίο για τους δύο αυτούς τομείς έρευνας. Οι ισχυρισμοί της ψυχολογίας για την κατασκευή και την επεξεργασία των νοητικών μοντέλων προφέρουν μια εξήγηση για την επιτυχία της μεθοδολογίας μοντελοποίησης στην επιστήμη. Αυτό το διαμορφούμενο κοινό πεδίο έχει σημαντική επίδραση στη διδακτική των φυσικών επιστημών αφού προσφέρει πιθανές απαντήσεις στο ερώτημα της διδακτικής για μια επιτυχημένη διδασκαλία των φυσικών επιστημών. Η διδακτική των φυσικών επιστημών στον Ευρωπαϊκό και Αμερικανικό χώρο αναγνωρίζει τη σημασία των μοντελοκεντρικών διαδικασιών μάθησης στη διδασκαλία και στη μάθηση των φυσικών επιστημών. Με δεδομένο ότι οι αντιλήψεις των μαθητών για τα μοντέλα είναι, τουλάχιστον, ανεπαρκείς, η εργασία αυτή ερευνά το ερώτημα των ωφελημάτων της ένταξης της έννοιας του επιστημονικού μοντέλου και του ρόλου του στην επιστήμη στα αναλυτικά προγράμματα των φυσικών επιστημών και της φυσικής ειδικότερα. Τα επιχειρήματα που υποστηρίζουν την πρόταση αντλούνται από τη φιλοσοφία της επιστήμης, την ψυχολογία και τη διδακτική. Εξετάζονται δύο πτυχές αυτού του ερωτήματος, η συμβολή του εμπλουτισμού των αναλυτικών προγραμμάτων με την έννοια του επιστημονικού μοντέλου στη μάθηση για τη φύση της επιστήμης και της επιστημονικής γνώσης και στην κατανόηση του περιεχόμενου. Αναφορικά με την πρώτη, η παρούσα εργασία εμπλουτίζει το θεωρητικό πλαίσιο της διδακτικής για τη φύση επιστήμης δείχνοντας πώς σε μια διδασκαλία για την έννοια του μοντέλου μπορούν να ενσωματωθούν αν όχι όλα, τουλάχιστον τα περισσότερα από τα χαρακτηριστικά της επιστήμης που συνιστούν αυτό που στη βιβλιογραφία της διδακτικής ονομάζεται «φύση της επιστήμης». Τα στοιχεία αυτά θα πρέπει να εισαχθούν ενσωματωμένα με το περιεχόμενο της διδασκαλίας και να εγείρονται ρητά όταν το περιεχόμενο το επιτρέπει ώστε να είναι ενταγμένα στο κατάλληλο πλαίσιο για να συνεισφέρουν στην κατανόηση του περιεχομένου αλλά και διαμόρφωση ορθών αντιλήψεων για τις διαδικασίες παραγωγής της επιστημονικής γνώσης και τη φύση αυτής της γνώσης. Με βάση συγκεκριμένα κριτήρια που τίθενται, υποστηρίζεται ότι καταλληλότερη για τη διδασκαλία είναι η φιλοσοφική ανάλυση των μοντέλων ως διαμεσολαβητών. Επειδή η ανάλυση αυτή είναι πραγματιστική, ταιριάζει σε μια διδασκαλία που δίνει έμφαση στην επιστημονική μεθοδολογία και προσφέρει στους μαθητές τη δυνατότητα εμπλοκής σε διαδικασίες μάθησης οι οποίες προσομοιάζουν αυτές της πραγματικής επιστήμης, στόχος που είναι σύμφωνος και με τις τρέχουσες εισηγήσεις της διδακτικής των επιστημών για την εισαγωγή στη διδασκαλία αυθεντικών επιστημονικών διαδικασιών. Η εργασία ολοκληρώνεται με μια διδακτική πρόταση που αφορά στον απλό αρμονικό ταλαντωτή και στο απλό εκκρεμές ειδικότερα. Η επιλογή αιτιολογείται και στοχεύει στο να καταδείξει ότι είναι δυνατόν πολλά από τα σχετικά με τα μοντέλα στοιχεία από τη φιλοσοφία να ενσωματωθούν σε μια αναστοχαστική μοντελοκεντρική διδασκαλία στην οποία οι μαθητές έχουν ενεργό εμπλοκή. Η εργασία ολοκληρώνεται με κάποιες επιστημολογικές και μεθοδολογικές επιστημάνσεις για τη διδακτική πρόταση.

Analyses of scientific practice and of the organisation of scientific knowledge in terms of models in the philosophy of science, and the elaboration of the construct of the mental model in psychology the last few decades shape a common field of research for philosophy of science and psychology. The claims of psychology about human reasoning through processes of construction and manipulation of mental models provide an explanation for the central role of modelling in the scientific practise. These developments had a considerable impact on the research in science education. In science education, in the American and the European tradition, it is acknowledged that modelling should be considered as a key process in teaching and learning science. The argument is supported by the developments in philosophy of science, psychology, and science education. In view of the fact that students’ ideas about scientific models are, to say the least, inadequate, it is argued in this Thesis that introducing the concept of scientific model and of the methodology of scientific modelling in the science curriculum could lead to a more effective and successful science teaching because it could aid students form a better understanding of the content of science, of the nature of science, and of scientific knowledge. It is also argued that, with respect to the nature of science, all the elements that characterise scientific methodology and scientific knowledge are incorporated in the concept of scientific model and the modelling processes. These, or some of these elements, should be introduced in school physics curriculum by being intergraded into the content of science because only then could they contribute to a better understanding of the content of science and of the nature of the scientific knowledge and the processes that produce it. To choose the appropriate philosophical analysis for science teaching several criteria are put in place and according to these criteria it is argued that between the two current philosophical analyses about models and theories, the analysis of models as mediators between scientific theories and the world is appropriate for the science classroom. The analysis emphasizes the processes in real science and the various techniques scientists use in constructing and manipulating scientific models and in the various roles these models play in the scientific practise. Owing to its pragmatic and naturalistic character, this analysis is more suitable for science teaching because the emphasis of teaching should be on scientific methodology. Finally, for reasons analysed in the Thesis. a teaching sequence is proposed in the context of simple harmonic motion and for the simple pendulum specifically. The sequence involves not only the construction of a mathematical-theoretical model for the simple pendulum and models of real pendulums but is also philosophically oriented and reflects issues related to aspects of scientific methodology and the nature of science. At the end of the chapter some epistemological and methodological remarks on the sequence are discussed.