Ανάπτυξη και αξιοποίηση κατασκευών Arduino στη διδασκαλία των φυσικών επιστημών
Authors: Παπαδημητρόπουλος Νικόλαος 
Published: February 2022

Η παρούσα διατριβή αφορά στην ανάπτυξη και αξιοποίηση κατασκευών, με πυρήνα τονμικροελεγκτή Arduino, σε Χώρους Δημιουργών που λειτουργούν σε σχολικές μονάδεςΔευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης. Συγκεκριμένα, αρχικά υλοποιώντας απλές κατασκευές και μεαυξημένη εκπαιδευτική καθοδήγηση, οι μαθητές αναπτύσσουν τις απαραίτητες γνώσεις καιδεξιότητες σχετικά με την τεχνολογία Arduino. Κατόπιν προχωρούν στην ανάπτυξη πιοσύνθετων δημιουργιών, όπως εργαστηριακών οργάνων Χημείας και Έξυπνων συσκευών, ταοποία αξιοποιούν σε εργασίες πεδίου, κατά την τυπική διδασκαλία της Χημείας και σεκαθημερινές εφαρμογές.H έρευνα υλοποιήθηκε σε ελληνικά Γυμνάσια κατά τη διάρκεια των σχολικών ετών 2017-21.Αρχικά σε ένα Γυμνάσιο λειτούργησε ένας Χώρος Δημιουργών, όπου οι μαθητές ανέπτυξανεργαστηριακά όργανα όπως πεχάμετρα και μετρητές αλατότητας. Υλοποίησαν επίσης Έξυπνεςσυσκευές, όπως ένα Έξυπνο θερμοκήπιο, ένα Έξυπνο ενυδρείο και ένα Έξυπνο καλοριφέρ. Ταεργαστηριακά όργανα Arduino χρησιμοποιήθηκαν σε εργασίες πεδίου εκτός σχολείου, καθώςκαι μέσα στο σχολικό εργαστήριο κατά την τυπική διδασκαλία της Χημείας. Οι έξυπνεςσυσκευές αξιοποιήθηκαν για τη λειτουργία της σχολικής μονάδας. Επίσης, σύμφωνα με τημεθοδολογία του Κινήματος των Δημιουργών, οι μαθητές παρουσίασαν στο κοινό όλες τιςδημιουργίες τους σε κατάλληλες εκδηλώσεις.Οι απόψεις των μαθητών σχετικά με τη συμμετοχή τους στον Χώρο Δημιουργώναξιολογήθηκαν μέσω ερωτηματολογίου Likert, με βασικό κριτήριο την ανάπτυξη τωνενδογενών κινήτρων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το ενδογενές γνωστικό φορτίο τωνδραστηριοτήτων ήταν μέτριο, το εξωγενές μικρό, ενώ το γενεσιουργό γνωστικό φορτίο ήτανμεγάλο. Οι μαθητές δήλωσαν επίσης, ότι οι δραστηριότητες ήταν ενδιαφέρουσες και ότι τουςβοήθησαν να συνεργαστούν μεταξύ τους και να αποκτήσουν γνώσεις που σχετίζονται με τιςΦυσικές Επιστήμες. Εξέφρασαν επίσης την πρόθεσή τους να συμμετάσχουν στο μέλλον σεπαρόμοιους Χώρους Δημιουργών. Ωστόσο, η συμμετοχή τους είχε μέτρια επίδραση στηνεπιλογή των μελλοντικών τους σπουδών. Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν την κάλυψη τωνβασικών αναγκών της Ικανότητας, Συσχέτισης και Αυτονομίας των μαθητών, οι οποίες μεβάση τη Θεωρία του Αυτοπροσδιορισμού επάγουν την ανάπτυξη των ενδογενών κινήτρων τουςκαι κατ’ επέκταση των μαθησιακών αποτελεσμάτων.Τα εργαστηριακά όργανα Arduino, που αναπτύχθηκαν στον Χώρο Δημιουργών,αξιοποιήθηκαν επίσης για την υλοποίηση πειραμάτων κατά την τυπική διδασκαλία τηςΧημείας στο Γυμνάσιο. Μελετήθηκε η απόκτηση της Δηλωτικής Γνώσης κατά τη διδασκαλίαμε πειράματα επίδειξης Arduino στον διαδραστικό πίνακα.Πιο συγκεκριμένα, η απόκτηση της Δηλωτικής Γνώσης κατά τη διδασκαλία με πειράματαArduino συγκρίθηκε αρχικά με δύο άλλες συνηθισμένες πρακτικές των Ελλήνωνεκπαιδευτικών, τη διδασκαλία με πειράματα στο Εικονικό Εργαστήριο και τη διδασκαλίαχωρίς τη χρήση πειραμάτων. Στην έρευνα συμμετείχαν τρεις ομάδες μαθητών, αποτελούμενεςαπό 154 μαθητές και δύο καθηγητές από αντίστοιχο αριθμό Γυμνασίων. Η πρώτη ομάδαδιδάχθηκε την ενότητα «Οξέα-Βάσεις» μέσω πειραμάτων με τη χρήση του πεχάμετρου-Arduino και κλασικών εργαστηριακών οργάνων Χημείας όπως ποτήρια ζέσεως καιογκομετρικοί κύλινδροι καθώς και με τη χρήση εργαστηριακών διαλυμάτων και καθημερινώνπροϊόντων. Η δεύτερη ομάδα διδάχθηκε μέσω αντίστοιχων πειραμάτων στο ΕικονικόΕργαστήριο, όπου αναπαρίσταντο τα κλασικά εργαστηριακά όργανα και οι χημικές ουσίες, καιη τρίτη ομάδα διδάχθηκε μέσω στατικών αναπαραστάσεων των κλασικών εργαστηριακώνοργάνων και των χημικών ουσιών. Διαπιστώθηκε ότι η πρώτη και η δεύτερη ομάδα είχανισοδύναμα μαθησιακά οφέλη, τα οποία ήταν υψηλότερα από αυτά της τρίτης ομάδας. Συνεπώς,αποδεικνύεται ότι τα εργαστηριακά όργανα Arduino μπορούν να αξιοποιηθούν σε συνδυασμόμε κλασικά εργαστηριακά όργανα και χημικές ουσίες για την υλοποίηση πειραμάτων επίδειξης,με αντίστοιχα μαθησιακά αποτελέσματα με το Εικονικό Εργαστήριο.Επιπλέον, το πεχάμετρο-Arduino χρησιμοποιήθηκε για την υλοποίηση πειραμάτων επίδειξηςσε Ψηφιακές Οντότητες, οι οποίες αναπαριστούσαν Πραγματικές που σχετίζονταν με τηνκαθημερινή εμπειρία των μαθητών. Στην έρευνα συμμετείχαν 119 μαθητές και τρεις καθηγητέςαπό αντίστοιχο αριθμό Γυμνασίων. Οι μαθητές σε κάθε Γυμνάσιο κατανεμήθηκαν σε δύοομάδες. Η πρώτη ομάδα διδάχθηκε την ενότητα «Οξέα-Βάσεις» μέσω πειραμάτων Arduino σεΨηφιακές Οντότητες που αναπαριστούσαν ένα βιότοπο χρυσόψαρων, ένα αρχαιοελληνικόμαρμάρινο ναό και ένα αρχαιοελληνικό μεταλλικό άγαλμα. Η δεύτερη ομάδα διδάχθηκε τηνίδια ενότητα μέσω των αντίστοιχων πειραμάτων Arduino χωρίς όμως τη χρήση των ΨηφιακώνΟντοτήτων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η πρώτη ομάδα είχε μεγαλύτερα μαθησιακάαποτελέσματα από τη δεύτερη, όσο αφορά την απόκτηση Δηλωτικής Γνώσης. Από τααποτελέσματα αυτά αναδεικνύεται ότι η χρήση πειραμάτων επίδειξης με τη χρήση οργάνωνArduino και η αξιοποίηση των Ψηφιακών Οντοτήτων ως πεδίο πειραματισμού έχουνσυμπληρωματικά μαθησιακά αποτελέσματα. Συνεπώς, οι Ψηφιακές Οντότητες μπορούν νααξιοποιηθούν για τη διδασκαλία με πειράματα Arduino όταν οι αντίστοιχες Πραγματικές είναιαδύνατον να χρησιμοποιηθούν για πειραματισμό, όπως κατά την απαγόρευση τωνεκπαιδευτικών επισκέψεων κατά την περίοδο της πανδημίας Covid-19 ή όταν ο πειραματισμόςμπορεί να υποβαθμίσει τις συνθήκες διαβίωσης ζωντανών οργανισμών ή να καταστρέψειαρχαιολογικά μνημεία.