Νέες τεχνολογίες στην εκπαίδευση των φυσικών επιστημών
Authors: Γκιόλμας Αριστοτέλης 
Published: September 2021

Η ερευνητική αυτή εργασία, σε πρώτο στάδιο, διαμορφώνει μία ολοκληρωμένη διδακτική πρόταση για τη διδασκαλία βασικών χαρακτηριστικών των Πολύπλοκων Συστημάτων (ΠΣ, στη συνέχεια) σε προπτυχιακούς φοιτητές / υποψήφιους εκπαιδευτικούς Πρωτοβάθμιας Εκπαίδευσης. Αναφέρεται σε φοιτητές με δύο χαρακτηριστικά: (i) οι προϋπάρχουσες γνώσεις αυτών σε θέματα Θετικών Επιστημών (Science) να είναι μικρές, και (ii) το Τμήμα στο οποίο φοιτούν να μην είναι Τμήμα Φυσικής ή Μαθηματικών, δηλαδή να μην είναι τμήμα στο οποίο τα Πολύπλοκα Συστήματα αποτελούν υποχρεωτικό, αυτόνομο, μέρος της διδακτέας ύλης. Τα δύο αυτά χαρακτηριστικά είναι από αυτά που καθιστούν, πιστεύουμε, την έρευνα αυτή πρωτοποριακή, καθότι υπάρχει αρκετή βιβλιογραφία για τη διδασκαλία Πολύπλοκων Συστημάτων και ιδιοτήτων τους, αλλά αφορά μόνο φοιτητές Τμημάτων Θετικών Επιστημών ή μαθητές Δευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης σε αντικείμενα Φυσικών Επιστημών και Μαθηματικών. Στο δεύτερο στάδιό της, η έρευνα αυτή διερευνά την εφαρμογή της διδακτικής πρότασης που προαναφέρθηκε, σε μία μελέτη περίπτωσης με φοιτητές και φοιτήτριες του Παιδαγωγικού Τμήματος Δημοτικής Εκπαίδευσης του Πανεπιστημίου Αθήνας, δηλαδή υποψήφιους εκπαιδευτικούς Πρωτοβάθμιας. Οι φοιτητές αυτοί αποτελούσαν την «Πειραματική Ομάδα» και εκεί εφαρμόστηκε στην πράξη η διδακτική ακολουθία που παρατίθεται και προτείνεται. Μέσω αυτής της εφαρμογής διαπιστώθηκαν τα μαθησιακά οφέλη αλλά και πιθανές ατέλειες της μεθόδου, με όση βέβαια εγκυρότητα μπορούν να έχουν οι μελέτες περίπτωσης και με τους περιορισμούς τους. Στο πλαίσιο αυτού του δεύτερου σκέλους, της μελέτης περίπτωσης, διεξήχθησαν ημι-δομημένες συνεντεύξεις, σε μέρος φοιτητών της Πειραματικής Ομάδας – κατά συνέπεια δημιουργήθηκε και «Ομάδα Συνεντεύξεων – με τους εξής διδακτικούς στόχους: (i) να αναδειχτούν οι τρόποι ανάλυσης και σκέψης τους όταν απαντούν στις ερωτήσεις των Φύλλων Εργασίας, (ii) να διερευνηθεί το πώς αντιλαμβάνονται τις αρχές που διέπουν τα διδασκόμενα μοντέλα, (iii) να γίνει «τριγωνοποίηση» των ευρημάτων της μελέτης περίπτωσης και (iv) να διδαχτούν και κάποιες προεκτάσεις των μοντέλων της NetLogo, οι οποίες αναπαριστούν Πολύπλοκα Συστήματα με πιο σύνθετο και ρεαλιστικό τρόπο, ώστε να εμβαθύνουν στις ιδιότητες των ΠΣ. Θεωρήθηκε αναγκαίο να υπάρξει μία επιλογή των ιδιοτήτων και των φαινομένων των σχετικών με τα Πολύπλοκα Συστήματα που θα περιελάμβανε η παρούσα διδακτική πρόταση, με κριτήρια: Α. Το ποιες ιδιότητες / χαρακτηριστικά και φαινόμενα σχετικά με τα ΠΣ, διεθνώς, θεωρούνται τα σημαντικότερα. Β. Το ποιες ιδιότητες των συστημάτων αυτών είναι πιο συναφείς με τις ανάγκες και το γνωστικό υπόβαθρο του έλληνα μαθητή και εκπαιδευτικού και ειδικότερα αυτού της Πρωτοβάθμιας Εκπαίδευσης, οι οποίοι δεν χαρακτηρίζονται – κατά κανόνα – από ευρείες γνώσεις στις Θετικές Επιστήμες , τα Μαθηματικά, καθώς και τις Γεωεπιστήμες - και τις Βιοεπιστήμες. Γ. Το ποιες ιδιότητες και φαινόμενα των συστημάτων αυτών είναι πιο εύκολο να κατανοηθούν και πιο εφικτό να ενταχθούν χρονικά σε μια σειρά μαθημάτων μέσα στις εβδομάδες ενός ακαδημαϊκού εξαμήνου σπουδών. Δ. Το ποιες – τέλος – ιδιότητες των συστημάτων αυτών είναι πιο εύκολο να ενταχθούν σε ένα μάθημα με χρήση Τεχνολογιών Πληροφορίας και Επικοινωνίας (ΤΠΕ) (κυρίως Υπολογιστών) και συναφές με το Φυσικό Περιβάλλον, πράγμα που καθόρισαν οι συνθήκες διεξαγωγής της έρευνας, αλλά και η βιβλιογραφία. Η τελευταία προκρίνει τον υπολογιστή, εν σχέσει με την παραδοσιακή διδασκαλία, ως μέσο εκπαίδευσης πάνω στα Πολύπλοκα Συστήματα. Στο πλαίσιο αυτό, συνεπώς, διδάχθηκαν συγκεκριμένες, θεωρούμενες διεθνώς ως, βασικές ιδιότητες των Πολύπλοκων Συστημάτων, δηλαδή: Α. Η «κρίσιμη συμπεριφορά» (ή η διέλευση από την κρίσιμη κατάσταση και φάση) Β. Η «αυτό-οργάνωση» και η «ανάδυση» (emergence) (μορφών και συμπεριφορών). Γ. Η ύπαρξη «βρόχων ανάδρασης» (γραμμικών και μη) και Δ. Η, σχετιζόμενη με την προηγούμενη, αστάθεια ή ευστάθεια του συστήματος. Η κατανόηση των παραπάνω ιδιοτήτων, από πλευράς των υποκειμένων της μάθησης, έχει αποδειχτεί ότι οδηγεί σε βαθύτερη κατανόηση της Πολυπλοκότητας και των Πολύπλοκων Συστημάτων στη Φύση, οδηγώντας σε αυτό που γνωσιο-θεωρητικά ονομάζεται «εποπτεία των Πολύπλοκων Συστημάτων» (“Complex Systems’ expertise”).Για να διδαχθούν οι ιδιότητες των Πολύπλοκων Συστημάτων και να υπάρξουν σαφή μαθησιακά αποτελέσματα, είναι τεκμηριωμένο ότι είναι προτιμητέα η χρήση Τεχνολογιών Πληροφορίας και Επικοινωνίας, ΤΠΕ (κυρίως υπολογιστών), έναντι παραδοσιακών μορφών διδασκαλίας.Με δεδομένη την επιλογή των μοντέλων σε περιβάλλοντα ΤΠΕ ως εργαλείο μάθησης για την Πολυπλοκότητα, επελέγη ένα πολυ-πρακτορικό Περιβάλλον Προσομοίωσης και Μοντελοποίησης (Multi-Agent-Based Modeling System), η γλώσσα/περιβάλλον NetLogo. Έχει αποδειχτεί και τεκμηριωθεί βιβλιογραφικά ότι το υπολογιστικό περιβάλλον αυτό έχει τα περισσότερα πλεονεκτήματα σε ό,τι αφορά τη διδασκαλία και τη μάθηση πάνω σε Πολύπλοκα Συστήματα και τις ιδιότητες που αυτά εμφανίζουν.Από τη στιγμή που στην παρούσα εργασία επελέγη το περιβάλλον της διδασκαλίας και τεκμηριώθηκε: (i) γιατί πρέπει να στηρίζεται στις Τεχνολογίες Πληροφορίας και Επικοινωνίας και (ii) γιατί επελέγη η NetLogo, η διδακτική παρέμβαση όφειλε: 1. να υπάγεται μέσα σε ένα μαθησιο-θεωρητικό πλαίσιο ή μοντέλο αλλά και 2. να ακολουθήσει και μία διδακτική μεθοδολογία, ενταγμένη στο προηγούμενο πλαίσιο.Ως θεωρία μάθησης που θα αποτελούσε το πλαίσιο της διδακτικής παρέμβασης επελέγη ο Κατασκευαστικός Εποικοδομητισμός (Constructionism), καθόσον, όπως τεκμηριώνεται και από τη βιβλιογραφία, σε όλα τα περιβάλλοντα μάθησης τα συγγενή με τη γλώσσα Logo (StarLogo, StarLogoTNG και NetLogo) το θεωρητικό πλαίσιο της διδασκαλίας είναι ο Κατασκευαστικός Εποικοδομητισμός . Η ίδια η – αρχική – γλώσσα Logo, όπως τη δημιούργησαν ο Seymour Papert και οι συνεργάτες του, είναι δομημένη πάνω στις βασικές αρχές του κατασκευαστικού εποικοδομητισμού. Ενταγμένη ακριβώς μέσα σε αυτό το πλαίσιο της θεωρίας μάθησης είναι η διδακτική μεθοδολογία που ακολουθήθηκε στην παρέμβαση και που είναι η Μάθηση-μέσω-Διερεύνησης (Inquiry-based-Learning), γιατί αυτή είναι, όπως καταδεικνύεται βιβλιογραφικά, μία προτιμητέα μέθοδος διδασκαλίας σε περιβάλλοντα ΤΠΕ, για τις Θετικές Επιστήμες. Ένα λοιπόν από τα καινοτόμα στοιχεία της εργασίας αυτής, είναι ότι: διαμορφώνει μία ολοκληρωμένη διδακτική παρέμβαση που να εντάσσει τη Μάθηση-μέσω-Διερεύνησης μέσα στο ευρύτερο πλαίσιο του Κατασκευαστικού Εποικοδομητισμού με συγκεκριμένο τρόπο – που αναλύεται πλήρως – και πάντα με τη χρήση Νέων Τεχνολογιών. Αφού διαμορφώνεται και παρουσιάζεται η διδακτική αυτή ακολουθία που αφορά τη διδασκαλία βασικών ιδιοτήτων των Πολύπλοκων Συστημάτων σε προπτυχιακούς φοιτητές, κατόπιν εφαρμόζεται στην πράξη, ως μία μελέτη περίπτωσης (case study), σε φοιτητές του Παιδαγωγικού Τμήματος Δημοτικής Εκπαίδευσης του Πανεπιστημίου Αθήνας. Οι φοιτητές αυτοί αποτελούν τη λεγόμενη Πειραματική Ομάδα, που διδάχτηκε με χρήση υπολογιστών. Είχε προηγηθεί Pre-test προϋπαρχουσών γνώσεων πάνω σε Φυσικές Επιστήμες, Μαθηματικά και Υπολογιστές, αλλά και πάνω στα Πολύπλοκα Συστήματα, ενώ μετά και τις ημι-δομημένες συνεντεύξεις επακολούθησε και Post-test για να διαπιστωθούν τα μαθησιακά οφέλη από τη διδακτική παρέμβαση και οι αλλαγές απόψεών τους.Τέλος παρατίθενται τα μετρήσιμα ευρήματα από την έρευνα που παρουσιάζεται στην εργασία αυτή. Τα συμπεράσματα από τα ευρήματα αυτά είναι ενθαρρυντικά, σε ό,τι αφορά την ικανότητα των διδασκομένων να κατανοούν και να χειρίζονται κεντρικές ιδιότητες των ΠΣ. Επίσης παρατηρούνται και συζητούνται παράπλευρα μαθησιακά οφέλη, ενώ προτείνονται και τροποποιήσεις μοντέλων της NetLogo ή και καινούργια μοντέλα, που έχουν σαν στόχο την περαιτέρω εκπαίδευση μαθητών, φοιτητών και δασκάλων πάνω στα Πολύπλοκα Συστήματα στη Φύση.