Διερεύνηση της διασύνδεσης ανάμεσα στην εννοιολογική κατανόηση των φυσικών επιστημών και στην κατανόηση για τη φύση της επιστήμης

Abstract

Έναυσμα για την υλοποίηση της έρευνας αποτέλεσε το θεωρητικό επιχείρημα των Driver, Leach, Millar & Scott (1996), οι οποίοι αναφερόμενοι στη σημαντικότητα της διδασκαλίας στοιχείων της Φύσης της Επιστήμης, επικαλέστηκαν τη συνεισφορά τέτοιας μάθησης, στη βελτίωση της εννοιολογικής κατανόησης των μανθανόντων. Μέσα από τη συστηματική επισκόπηση της βιβλιογραφίας, μέσω της βάση δεδομένων SCOPUS και της χρήσης συγκεκριμένων λέξεων κλειδιών, οδηγηθήκαμε στο συμπέρασμα ότι υπάρχει περιορισμένος αριθμός ερευνητικών προσπαθειών, που διερεύνησαν την πιθανή διασύνδεση της κατανόησης της Φύσης της Επιστήμης και των εννοιών της Φυσικής (Ν=7). Επιπλέον, μέσα από την προσεκτική μελέτη των εν λόγω ερευνών, φάνηκε ότι υπάρχουν συγκρουόμενα ευρήματα. Έτσι, λόγω της μη ξεκάθαρης εικόνας για τη διασύνδεση δύο θεμελιωδών παραμέτρων της μάθησης στις Φυσικές Επιστήμες, θεωρήθηκε αναγκαία η υλοποίηση μιας έρευνας, η οποία να επικεντρώνεται στη συγκεκριμένη διερεύνηση. Μια πιθανή ερμηνεία για την ύπαρξη αντιφατικών δεδομένων στη βιβλιογραφία, είναι ο διαφορετικός τρόπος ορισμού και αξιολόγησης της εννοιολογικής κατανόησης, σε κάθε περίπτωση. Στο πλαίσιο της παρούσας έρευνας υιοθετείται ένας εναλλακτικός ορισμός, σύμφωνα με τον οποίο η εννοιολογική κατανόηση αποτελείται από δύο διαστάσεις: α. την ικανότητα εφαρμογής εννοιών κατά την ανάλυση καινούριων φυσικών συστημάτων, και β. την κατανόηση των επιστημολογικών διαστάσεων των συγκεκριμένων εννοιών (Papadouris & Constantinou, 2017).Η παρούσα έρευνα περιλαμβάνει δύο επιμέρους μελέτες, οι οποίες έχουν διαφορετικό μεθοδολογικό σχεδιασμό και επικεντρώνονται στην απάντηση συνολικά έξι ερευνητικών ερωτημάτων. Ειδικότερα, στόχος της πρώτης μελέτης ήταν η διερεύνηση της διασύνδεσης ανάμεσα στην κατανόηση για τη Φύση της Επιστήμης και στην ικανότητα των φοιτητών να εφαρμόζουν έννοιες σχετικές με τον μαγνητισμό σε άγνωστα συστήματα (εννοιολογική κατανόηση – 1η διάσταση), αλλά και η σύγκριση της αποτελεσματικότητας δύο διαφορετικών τρόπων ενσωμάτωσης στοιχείων της Φύσης της Επιστήμης, στο πλαίσιο της διδακτικής επεξεργασίας κάποιου εννοιολογικού περιεχομένου: α. ταυτόχρονη διδασκαλία και β. παράλληλη - ανεξάρτητη διδασκαλία. Για τη διερεύνηση των ερευνητικών ερωτημάτων, οι συμμετέχοντες (προπτυχιακοί φοιτητές, Ν = 40) χωρίστηκαν σε τρεις ομάδες: την ομάδα ελέγχου (διδασκαλία μαγνητισμού) και δύο πειραματικές ομάδες (διδασκαλία μαγνητισμού και φύσης της επιστήμης). Η διαφορά ανάμεσα στις πειραματικές ομάδες εστιαζόταν στον τρόπο ενσωμάτωσης των δραστηριοτήτων για τη Φύση της Επιστήμης στο πλαίσιο επεξεργασίας του μαγνητισμού. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν δεν στηρίζουν την υπόθεση για άμεση διασύνδεση της Φύσης της Επιστήμης και της εννοιολογικής κατανόησης (1η διάσταση). Μέσα από την ανάλυση διαφαίνεται ότι οι δύο προσεγγίσεις διδασκαλίας της Φύσης της Επιστήμης, είναι εξίσου αποτελεσματικές στην καλλιέργεια επιστημολογικής επάρκειας. Τα ερευνητικά ερωτήματα της δεύτερης μελέτης, αφορούσαν στη διερεύνηση του κατά πόσο η κατανόηση των επιστημολογικών διαστάσεων του μαγνητισμού προκύπτει αυτόματα κατά τη διδασκαλία της Φύσης της Επιστήμης, και στη μελέτη του αν η κατανόηση τέτοιου είδους στοιχείων ενισχύει την κατανόηση για τη Φύση της Επιστήμης, αλλά και την ικανότητα εφαρμογής εννοιών σχετικών με τον μαγνητισμό σε άγνωστα συστήματα. Σε αυτή την περίπτωση, οι συμμετέχοντες (προπτυχιακοί φοιτητές, Ν = 33) χωρίστηκαν σε δύο ομάδες: την ομάδα ελέγχου (διδασκαλία μαγνητισμού και φύσης της επιστήμης) και την πειραματική ομάδα (διδασκαλία μαγνητισμού, φύσης της επιστήμης και επιστημολογικών διαστάσεων μαγνητισμού). Οι συμμετέχοντες στη δεύτερη μελέτη δεν είχαν συμμετάσχει στην πρώτη μελέτη. Τα ευρήματα της έρευνας υπέδειξαν ότι η κατανόηση των επιστημολογικών διαστάσεων του μαγνητισμού δεν προκύπτει αυθόρμητα. Επιπρόσθετα, δεν εντοπίστηκε οποιαδήποτε σχέση ανάμεσα στην κατανόηση τέτοιου είδους στοιχείων με την κατανόηση της Φύσης της Επιστήμης και την ικανότητα εφαρμογής εννοιών σε άγνωστα συστήματα.

The departure point for this research was the theoretical argument by Driver, Leach, Millar & Scott (1996), that referred to the importance of teaching the nature of science because of its contribution to the improvement of conceptual understanding. Through the systematic review of the research literature, using specific keywords on the SCOPUS database, we have come to the conclusion that there is a limited number of research efforts that explored the possible link between the nature of science and conceptual understanding (N = 7). In addition, through the careful study of these investigations, we were able to identify conflicting findings. Thus, due to the unclear picture on the possible connection between these two fundamental objectives of science teaching, we concluded that there was a need for a detailed study focusing on this specific investigation.One possible interpretation of conflicting data in the bibliography might refer to differing definitions or distinct approaches for evaluation of students’ conceptual understanding. In this study, a specific definition is adopted, according to which conceptual understanding consists of two dimensions: a. the ability to apply scientific concepts when analyzing physical systems; and b. understanding of the epistemological dimensions of these concepts (Papadouris & Constantinou, 2017).The research includes two studies with different methodological design and research questions. The aim of the first study was to investigate the connection between understanding the nature of science and students’ ability to apply concepts related to magnetism in the analysis of unknown systems. Also we wanted to compare the effectiveness of two different ways of integrating aspects of the nature of science into conceptual content: a. simultaneous teaching and b. parallel teaching. Participants (undergraduate students, N = 40) were divided into three groups: a control group (teaching of magnetism) and two experimental groups (teaching of magnetism and the nature of science). The difference between the experimental groups was the distinct ways of integrating the nature of science in the conceptual elaboration of magnetism. Findings do not support the hypothesis of a direct connection between the nature of science and conceptual understanding and indicate that the two teaching approaches to introducing the nature of science are equally effective in cultivating epistemological proficiency.The second study investigates whether an understanding of the epistemological dimensions of magnetism arises automatically through teaching of the nature of science. We also investigated whether the understanding of these elements enhances students’ understanding of the nature of science and their ability to apply scientific concepts, related to magnetism, in the analysis of unknown systems. In this case, participants (undergraduate students, N = 33) were divided into two groups: a control group (teaching of magnetism and nature of science) and an experimental groups (teaching of magnetism, nature of science and epistemological dimensions of magnetism). The findings of the research suggest that an understanding of the epistemological dimensions of magnetism does not arise spontaneously. Additionally, no relationship was found between understanding of such elements with an understanding of the nature of science or the ability to apply scientific concepts to unknown systems.