Αξιολόγηση εκπαιδευτικών δραστηριοτήτων και διδασκαλία μεταξύ ομότιμων μέ χρήση συστημάτων τηλεκαταγραφής εκπαιδευτικών δραστηριοτήτων (clikers)

Πώς μπορούμε να αποτιμήσουμε σε πραγματικό χρόνο το επίπεδο κατανόησης των εννοιών που διδάσκουμε; Πώς μπορούμε να εμπλέξουμε ΟΛΟΥΣ τους μαθητές μας στην εκπαιδευτική διαδικασία; Είναι αποδοτική η διδασκαλία μεταξύ ομότιμων (peer instruction); Στο κείμενο που ακολουθεί παρουσιάζονται μερικές απαντήσεις στα ερωτήματα αυτά, μετά την πιλοτική εφαρμογή ενός συστήματος τηλεκαταγραφής εκπαιδευτικών δραστηριοτήτων (κλίκερς) που επιχειρήσαμε  στο Τμήμα Φυσικής του ΑΠΘ. Αντίστοιχη εφαρμογή επιχειρήθηκε σε 5 τμήματα της Β' Γυμνασίου σε 2 Γυμνάσια της Κεντρικής Μακεδονίας με αντίστοιχα αποτελέσματα.

Θεωρητικό πλαίσιο
Ένα πολύ ουσιαστικό μέρος μιας διδασκαλίας, μετά τον σχεδιασμό και την πραγματοποίησή της, είναι η αξιολόγησή της με την οποία ανατροφοδοτείται ο διδάσκων σχετικά με την επίτευξη των διδακτικών του στόχων και ο μαθητής σχετικά με το επίπεδο κατανόησης των νέων εννοιών. Το ιδανικό θα ήταν η αξιολόγηση αυτή να μη γίνεται μόνο στο τέλος της διδακτικής ώρας αλλά κάθε φορά που εισάγεται  μία νέα έννοια ή διατυπώνεται μια ιδέα από κάποιον μαθητή ή το διδάσκοντα. Στην πράξη η ανάδραση ακόμη και στο τέλος του μαθήματος είναι δύσκολο να επιτευχθεί για διάφορους λόγους, όπως είναι το  μεγάλο πλήθος μαθητών ανά τάξη, ή το ακόμη μεγαλύτερο πλήθος φοιτητών ανά αμφιθέατρο, που δεν επιτρέπει σε όλους τους μαθητές να λάβουν μέρος ισότιμα στην εκπαιδευτική διαδικασία. Επιπλέον, τροχοπέδη αποτελεί ο χρόνος που απαιτείται για τη συλλογή των δεδομένων και την επεξεργασία τους: ακόμη κι αν ο διδάσκων προσπαθήσει να αποτυπώσει τις ιδέες των μαθητών με κάποιο τεστ, η διόρθωσή του θα γίνει μετά το μάθημα και άρα η ανατροφοδότησή του δεν μπορεί να είναι άμεση. Κατά συνέπεια είναι δύσκολο, αν όχι αδύνατο, ένας διδάσκων να έχει πλήρη εικόνα για την γνωστική κατάσταση των μαθητών του κάθε στιγμή κατά τη διάρκεια της διδασκαλίας.
Επίσης, παρά τις έρευνες και τα πορίσματα της διδακτικής των Φυσικών Επιστημών τις τελευταίες τρεις δεκαετίες, που συνιστούν την ανάγκη ενεργού εμπλοκής των μαθητών στη μαθησιακή διαδικασία με την εφαρμογή ομαδοσυνεργατικών διδακτικών προσεγγίσεων (Σταυρίδου,2000; Cohen, 1994; Lazarowitz & Hertz-Lazarowitz, 1998), η πλειοψηφία των εκπαιδευτικών, ιδιαίτερα στη δευτεροβάθμια και την τριτοβάθμια εκπαίδευση, ακολουθεί τη δασκαλοκεντρική μέθοδο διδασκαλίας. Η μέθοδος αυτή πέρα από τις υπόλοιπες αδυναμίες της καθιστά παθητικούς τους μαθητές μειώνοντας στο ελάχιστο ή και απαγορεύοντας τη μεταξύ τους αλληλεπίδραση. Κατά συνέπεια, το μάθημα θεωρείται από αυτούς βαρετό ενώ τα μαθησιακά οφέλη ελαχιστοποιούνται.

Τα περισσότερα από τα παραπάνω προβλήματα μπορούν να επιλυθούν σε ικανοποιητικό βαθμό με τη χρήση των συστημάτων τηλεκαταγραφής εκπαιδευτικών δραστηριοτήτων (Classroom Response Systems - CRS). Τα CRS (Εικόνα 1) είναι εξειδικευμένοι υπολογιστές παλάμης με δυνατότητα ασύρματης επικοινωνίας με έναν σταθμό βάσης. 

Εικόνα 1

Ο σταθμός βάσης συλλέγει τα δεδομένα και τα μεταφέρει σε έναν Η/Υ με τον οποίο είναι συνδεδεμένος μέσω θύρας USB. Κάθε μονάδα (κλίκερ) αναγνωρίζεται από το σύστημα μέσω ενός αριθμού ταυτότητας που του αντιστοιχεί. Έτσι κάθε μαθητής ή ομάδα μαθητών ή/και όλοι οι μαθητές 

οθόνη της συσκευής τους, να απαντούν στέλνοντας κείμενο, αριθμητικά αποτελέσματα, απαντήσεις σε
ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής, απαντήσεις τύπου Σωστό – Λάθος και απαντήσεις ακολουθίας («να βάλετε στη σωστή σειρά»). Οι μαθητές ενημερώνονται ότι η απάντησή τους καταχωρήθηκε, ενώ υπάρχει η δυνατότητα να ενημερώνονται αν έχουν απαντήσει σωστά (ανάδραση μαθητών). Οι απαντήσεις μπορούν να συσχετισθούν με συγκεκριμένες ομάδες μαθητών ή με προηγούμενες απαντήσεις (τι απαντάει κάποιος που είχε απαντήσει με συγκεκριμένο τρόπο σε προηγούμενη ερώτηση). Μέσω λογισμικού, που συνεργάζεται με εμπορικά πακέτα παρουσιάσεων, είναι δυνατό αμέσως μετά τη λήξη αποστολής απαντήσεων να παρουσιαστούν στατιστικά στοιχεία για τις απαντήσεις που δόθηκαν, Τα στοιχεία αυτά μπορούν να προβάλλονται σε όλη την τάξη με τη βοήθεια προβολικού συστήματος ή μόνο στην οθόνη της συσκευής του διδάσκοντος.

Τα CRS έχουν χρησιμοποιηθεί ήδη από το 1998 στα Αμερικανικά Πανεπιστήμια για να βελτιώσουν την
αλληλεπίδραση, την εμπλοκή και την προσοχή των μαθητών στην εκπαιδευτική διαδικασία (Draper & Brown, 2004; Hinde & Hunt, 2006), να αυξήσουν την παρουσία τους στις πανεπιστημιακές διαλέξεις (Bullock et al., 2002), να προκαλέσουν συζητήσεις μέσα στην αίθουσα διδασκαλίας μεταξύ των φοιτητών, να παράσχουν ανάδραση τόσο στους φοιτητές όσο και στους διδάσκοντες με σκοπό να βελτιώσουν τη διδασκαλία (Caldwell, 2007), αλλά και να βελτιώσουν τη μαθησιακή διαδικασία (El-Rady, 2006).

Μαθησιακά οφέλη από τη χρήση των CRS

Πολλές μελέτες συμπεραίνουν ότι η χρήση των CRS προκαλεί τη συχνή και θετική αλληλεπίδραση μεταξύ μαθητών αλλά και μαθητών – διδάσκοντος (Trees & Jackson, 2007). Συγκεκριμένα, ερευνητές έχουν αναφέρει ότι με τη χρήση των CRS επιτυγχάνεται καλύτερη αποτύπωση της σκέψης των μαθητών (Beatty, 2004), διατυπώνονται περισσότερο διερευνητικές ερωτήσεις, επιτυγχάνεται αυξημένη εστίαση στις ανάγκες των μαθητών (Siau et al., 2006), προκαλούνται αποτελεσματικές συζητήσεις μεταξύ μαθητών (Bergtrom, 2006) και προωθείται η ενεργός μάθηση (Kennedy et al., 2006). Η χρήση των CRS αυξάνει την ποιότητα αλλά και τον αριθμό των συζητήσεων στην τάξη, ιδιαίτερα όταν εφαρμόζεται με τη στρατηγική που είναι γνωστή ως «διδασκαλία μεταξύ ομότιμων» (peer teaching) (Beatty, 2004; Draper & Brown, 2004). Εκτεταμένες ποιοτικές έρευνες υποδεικνύουν ότι η μαθησιακή απόδοση αυξάνεται εξαιτίας της χρήσης των CRS (Caldwell, 2007). Επιπλέον, πολλές έρευνες αναφέρουν ότι τάξεις που χρησιμοποιούν τα CRS έχουν καλύτερα αποτελέσματα στις εξετάσεις από τις παραδοσιακές τάξεις διαλέξεων (Fagan, Crouch, & Mazur, 2002).

Σε ό,τι αφορά τους ίδιους τους μαθητές, αυτοί δηλώνουν ότι μαθαίνουν περισσότερα όταν χρησιμοποιούν τα CRS (Nicol & Boyle, 2003; Siau et al., 2006). Επίσης ισχυρίζονται ότι η χρήση των CRS τους ωθεί να σκεφτούν περισσότερο πάνω στις σημαντικές έννοιες (Draper & Brown, 2004), ενώ κάποιοι πιστεύουν ότι η χρήση των CRS τους βοηθάει να εντοπίσουν και να αποκαταστήσουν τις εναλλακτικές τους ιδέες (d’Inverno et al., 2003).

Αξιολόγηση των μαθητών και αποτίμηση της διδασκαλίας

Σε μια παραδοσιακή τάξη ανάδραση μπορεί να επιτευχθεί με πολλούς τρόπους: για παράδειγμα, ο διδάσκων ζητάει από τους μαθητές που συμφωνούν ή όχι με μια πρόταση να σηκώσουν το χέρι τους, τίθεται ερώτηση και μερικοί μαθητές απαντούν εθελοντικά, χρησιμοποιούνται μαυροπίνακες για να καταγραφούν απαντήσεις ή χρησιμοποιούνται έγχρωμες κάρτες για να αναπαραστήσουν απαντήσεις πολλαπλών επιλογών (Draper, Cargill, & Cutts, 2002; McCabe, 2006).

Αυτές οι μέθοδοι όμως έχουν αξιοσημείωτα μειονεκτήματα. Το να σηκώσουν τα χέρια τους οι μαθητές, για παράδειγμα, είναι περιοριστικό καθώς είναι δύσκολο να παράσχει μια γρήγορη και ακριβή αίσθηση της κατανόησης της τάξης, ιδιαίτερα σε μεγάλα αμφιθέατρα. Eπιπλέον, μερικοί μαθητές τείνουν να αντιγράφουν τις απαντήσεις των άλλων, ενώ με το που κατεβαίνουν τα χέρια τα δεδομένα χάνονται (Abrahamson, 2006). Επίσης συνήθως σηκώνουν το χέρι μόνο οι μαθητές που είναι βέβαιοι για τις γνώσεις τους (Banks, 2006). Ας σημειωθεί επίσης ότι σηκώνοντας το χέρι του ένας μαθητής η απάντησή του παύει να είναι ανώνυμη. Χρησιμοποιώντας τα CRS αυξάνεται η ανάδραση γρήγορα και αποτελεσματικά συλλέγοντας και κατηγοριοποιώντας άμεσα τις απαντήσεις των μαθητών, ενώ εξασφαλίζεται η ανωνυμία. Επίσης, με τα CRS, οι μαθητές πρέπει να σκεφτούν πάνω σε μια ερώτηση ή ένα πρόβλημα και μετά να στείλουν την απάντησή τους. Ακόμη όμως και να υιοθετήσουν μια απάντηση, χωρίς ιδιαίτερη σκέψη, είναι σημαντικό ότι οι μαθητές θα πρέπει να υπερασπιστούν τις απαντήσεις τους κατά τη διάρκεια μιας συζήτησης που θα ακολουθήσει με τους συμμαθητές τους (Beatty, 2004; Hake, 1998).

Η διαμορφωτική αξιολόγηση χρησιμοποιείται για να προσδιορίσει το βαθμό κατανόησης μίας έννοιας από τους μαθητές, χωρίς να βαθμολογούνται, ώστε να εντοπιστούν διάφορες εναλλακτικές ιδέες και να αλλάξει η πορεία της διδασκαλίας. Κάτι τέτοιο είναι συνήθως δύσκολο να γίνει στο σύνολο των μαθητών τη στιγμή που διδάσκονται οι έννοιες. Η χρήση των CRS παρέχει ταχύτατη ανάδραση και στο διδάσκοντα και στους μαθητές ως προς το επίπεδο κατανόησης. Ένας πεπειραμένος δάσκαλος μπορεί γρήγορα να παράσχει εξηγήσεις ή να μεταβάλλει την πορεία της διδακτικής αλληλεπίδρασης ενώ οι μαθητές μπορούν να συζητήσουν τις αντιλήψεις τους με τους συμμαθητές τους. Εκτεταμένες έρευνες υποστηρίζουν ότι η χρήση των CRS παρέχει αποτελεσματική διαμορφωτική αξιολόγηση (Bergtrom, 2006; Bullock et al., 2002; Caldwell, 2007; Dufresne & Gerace, 2004; Elliott, 2003). Μετά την παρουσίαση της ανάδρασης στην τάξη οι μαθητές μπορούν να συγκρίνουν το βαθμό κατανόησής τους με αυτό των συμμαθητών τους.

Υπάρχουν επίσης στοιχεία που δείχνουν ότι οι μαθητές αρέσκονται να ξέρουν πώς τα πηγαίνουν σε σχέση με τους συμμαθητές τους (Caldwell, 2007; Draper & Brown, 2004; Hinde & Hunt, 2006). Δεν είναι ξεκάθαρο μέχρι σήμερα γιατί οι μαθητές θέλουν να συγκρίνουν τις απαντήσεις τους. Ενδεχομένως η χρήση των CRS να προάγει τον ανταγωνισμό. Από την άλλη, ίσως μερικοί μαθητές απλά να θέλουν να ενημερώνονται για την πρόοδό τους, ενώ άλλοι να θέλουν να βεβαιωθούν ότι δεν είναι οι μόνοι που δεν καταλαβαίνουν σωστά κάποιες νέες έννοιες. Περισσότερη έρευνα απαιτείται ώστε να προσδιοριστεί κατά πόσο η διάθεση των μαθητών για σύγκριση με τους συμμαθητές τους έχει θετική ή αρνητική επίδραση στην ανάπτυξη ομαδικού πνεύματος συνεργασίας στην τάξη.

Η πιλοτική εφαρμογή 

Το σύστημα τηλεκαταγραφής εκπαιδευτικών δραστηριοτήτων
Στην πιλοτική έρευνα που πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιήθηκε το σύστημα τηλεκαταγραφής Verdict plus της εταιρείας Hitachi (Εικόνα 1). Το σύστημα αυτό αποτελείται από 15 χειριστήρια για τους φοιτητές, 1 ειδικό χειριστήριο για το διδάσκοντα, έναν πομποδέκτη ραδιοκυμάτων και αντίστοιχους φορτιστές. Τα χειριστήρια περιλαμβάνουν οθόνη στην οποία ο διδάσκων μπορεί να λαμβάνει τις απαντήσεις των μαθητών και πληκτρολόγιο για να στέλνει μηνύματα σε όλους ή σε συγκεκριμένους μαθητές, να ελέγχει τη ροή της εκπαιδευτικής διαδικασίας αλλάζοντας την προβαλλόμενη διαφάνεια, να ξεκινάει ή να σταματάει τη διαδικασία ψηφοφορίας. Το χειριστήριο των μαθητών περιλαμβάνει παρόμοια οθόνη στην οποία οι μαθητές λαμβάνουν μηνύματα, βλέπουν την απάντηση που έχουν πληκτρολογήσει πριν την αποστείλουν, λαμβάνουν πληροφορία για την ορθότητα της απάντησής τους (εφόσον το επιθυμεί ο διδάσκων). Υπάρχουν επίσης 19 πλήκτρα μέσω των οποίων μπορούν να επιλέξουν την απάντησή τους (ανάλογα με τον τύπο της ερώτησης) ή να εισάγουν κείμενο μέχρι 90 λατινικούς χαρακτήρες.

Σε κάθε χειριστήριο αντιστοιχίζεται ένας μοναδικός αριθμός ταυτότητας μέσω του οποίου το χειριστήριο ταυτοποιείται. Η χρήση ραδιοσυχνοτήτων για την επικοινωνία του σταθμού βάσης με τα χειριστήρια επιτρέπει την χωρίς παρεμβολές δυνατότητα επικοινωνίας με εμβέλεια έως 500 μέτρα (σε ανοικτό χώρο), που ξεπερνάει τα όρια και του μεγαλύτερου πανεπιστημιακού αμφιθέατρου.

Στις δύο φάσεις εφαρμογής χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικά λογισμικά που συνοδεύουν το σύστημα τηλεκαταγραφής: το Verdict plus (έκδοση 1.5.7) και το CenS-Us (έκδοση 2.5.4) για να συγκριθεί η λειτουργικότητά τους. Και τα δυο συνεργάζονται με το λογισμικό παρουσιάσεων Power Point και παρέχουν την δυνατότητα δημιουργίας αναφορών μετά την ολοκλήρωση της εκπαιδευτικής διαδικασίας ανά ερώτηση, ανά μαθητή ή για ολόκληρη την τάξη. Τα δεδομένα μπορούν να εξαχθούν σε διάφορες μορφές (HTML, PDF, XLS, CVS, JPG) καθιστώντας δυνατή την περαιτέρω επεξεργασία τους.



Αξιολόγηση εκπαιδευτικών δραστηριοτήτων στο μάθημα Διδακτική Ι
Στο μάθημα επιλογής Διδακτική Ι του 7ου εξαμήνου σπουδών, κάθε φοιτητής αναλαμβάνει να διδάξει στους συμφοιτητές του μια διδακτική ενότητα της Φυσικής και στο τέλος οι φοιτητές αξιολογούν, σε πενταβάθμια κλίμακα Likert, σε τι βαθμό πέτυχε, κατά τη γνώμη τους, ο διδάσκων τους διδακτικούς στόχους που είχε θέσει, καθώς και 12 χαρακτηριστικά της διδασκαλίας. Για παράδειγμα, αξιολογούνται η λειτουργικότητα των ερωτήσεων, η σύνδεση με το ακροατήριο, ενώ ζητείται και η συνολική αξιολόγηση της διδασκαλίας.

Ακολουθεί εποικοδομητική συζήτηση όπου σχολιάζονται αναλυτικά τα αποτελέσματα της αξιολόγησης και προτείνονται συγκεκριμένες μεθοδεύσεις για τη βελτίωση της διδασκαλίας, σε συμφωνία με τα πορίσματα της έρευνας στη διδακτική της φυσικής. Η συμπλήρωση του ερωτηματολογίου απαιτεί 10-15 λεπτά περίπου και στη συνέχεια τα δεδομένα μεταφέρονται σε φύλλο εργασίας Excel, το οποίο έχει δημιουργηθεί για αυτό το σκοπό. Η μεταγραφή των δεδομένων απαιτεί επίσης 10-15 λεπτά. 

Η πιλοτική χρήση του CRS οδήγησε στη συγκέντρωση των αποτελεσμάτων της αξιολόγησης σε πραγματικό χρόνο, παρείχε επιπλέον δυνατότητες στατιστικής τους επεξεργασίας και οδήγησε, λόγω του κερδισμένου χρόνου και των επιπλέον στατιστικών πληροφοριών, στην ανάλυση σε βάθος της εκπαιδευτικής διαδικασίας που ακολουθήθηκε κάθε φορά. Για παράδειγμα, δόθηκε η δυνατότητα να ομαδοποιηθούν οι φοιτητές ανάλογα με τον τρόπο που αξιολογούσαν τα επιμέρους χαρακτηριστικά της διδασκαλίας και να αναζητηθούν συσχετίσεις με εκείνα τα χαρακτηριστικά που επηρεάζουν τη συνολική αποτίμηση της διδασκαλίας. 

Ωστόσο, το πιο σημαντικό πλεονέκτημα του CRS σε σχέση με τα παραδοσιακά ερωτηματολόγια, όπως προέκυψε από συζητήσεις με τους φοιτητές, είναι η ανωνυμία που προσφέρει. Οι φοιτητές μπορούν να εκφράζουν τη γνώμη τους ελεύθερα απαλλαγμένοι από την ψυχολογική πίεση που αισθάνονται, κατά τα λεγόμενά τους, να μη θεωρηθούν αυστηροί στο συμφοιτητή τους, καταθέτοντας κάποια επώνυμη αρνητική κρίση. Με τον τρόπο αυτό τα δεδομένα που συλλέγονται είναι περισσότερο αξιόπιστα. 

Για τη συλλογή των δεδομένων χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό CenS-Us. Ενδεικτικά ραβδογράμματα που προκύπτουν αυτόματα μετά τη συλλογή των δεδομένων, φαίνονται στην Εικόνα 2. Οι διάφορες εκτιμήσεις, από 1 έως 5, αντιστοιχούν σε απολύτως αρνητική έως απολύτως θετική γνώμη. Όπως είναι ενδεικτικό από τις εικόνες οι απόψεις των φοιτητών άλλοτε παρουσιάζουν έντονη διασπορά άλλοτε αξιοσημείωτη συμφωνία, προκαλώντας κάθε φορά εκτενείς συζητήσεις για τους λόγους που ευθύνονται για αυτό. Ας σημειωθεί ότι το λογισμικό καταγράφει επίσης και παρουσιάζει απαντήσεις που είναι άκυρες, δε κυμαίνονται δηλαδή μέσα στα προκαθορισμένα όρια δυνατών απαντήσεων.

Εικόνα 2

 

Μετά την επιτυχή πιλοτική εφαρμογή του CRS στην εκ των υστέρων αξιολόγηση της διδασκαλίας, στην επόμενη φάση εφαρμογής της έρευνας (χειμερινό εξάμηνο 2010) σχεδιάζεται η αξιοποίηση του εργαλείου αυτού στην παροχή ανάδρασης στο διδάσκοντα φοιτητή σε πραγματικό χρόνο (κατά τη διάρκεια της διδασκαλίας) και όχι ετεροχρονισμένη (μετά το τέλος της διδασκαλίας) με σκοπό την αναπροσαρμογή της διδακτικής του προσέγγισης.


Ενθάρρυνση της διδασκαλίας μεταξύ ομότιμων στο Γενικό Εργαστήριο Φυσικής
Οι Έλληνες πρωτοετείς φοιτητές έρχονται στο πανεπιστήμιο έχοντας ουσιαστικά μηδενική εργαστηριακή εμπειρία. Ο τρόπος με τον οποίο διδάσκονται φυσική στο Λύκειο είναι κυρίως θεωρητικός και προσανατολίζεται στη μεθοδολογία επίλυσης προβλημάτων με στόχο την επιτυχία στις πανελλήνιες εξετάσεις. Έτσι παρουσιάζει ενδιαφέρον να επιχειρηθεί η αποτύπωση των ιδεών τους για εργαστηριακές έννοιες που είναι απαραίτητες για την επιτυχή παρακολούθηση των εργαστηριακών ασκήσεων τις οποίες θα παρακολουθήσουν στο πλαίσιο του υποχρεωτικού μαθήματος του Β’ εξαμήνου Γενικό Εργαστήριο Φυσικής Ι του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ. 

Στο Γενικό Εργαστήριο το CRS χρησιμοποιήθηκε για την καταγραφή εναλλακτικών ιδεών των φοιτητών πριν την πραγματοποίηση του εργαστηρίου πάνω στις υπό διαπραγμάτευση έννοιες και την αποτύπωση της εξέλιξης αυτών των ιδεών κατά την πειραματική διδασκαλία. Χρησιμοποιήθηκαν, επίσης, για να ενθαρρύνουν τη διδασκαλία μεταξύ ομότιμων (Mazur, 1997), τη διδασκαλία δηλαδή μεταξύ των ίδιων των φοιτητών (Εικόνα 3).

Εικόνα 3. Οι φοιτητές συνεργάζονται χωρισμένοι σε τριμελείς ομάδες

Αφού περιγράφηκε από το διδάσκοντα ο τρόπος χρήσης των ασύρματων συσκευών, εκτέθηκε η μέθοδος αξιοποίησής τους στην εκπαιδευτική διαδικασία. Τονίστηκε ιδιαίτερα η ανωνυμία που προσφέρει το σύστημα τηλεκαταγραφής και οι φοιτητές ενθαρρύνθηκαν να απαντούν ελεύθερα καθώς οι απαντήσεις τους δε θα επηρέαζαν τη βαθμολογία τους. Τέθηκαν συνολικά 8 ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής τις οποίες οι φοιτητές κλήθηκαν να απαντήσουν, έχοντας στη διάθεσή τους 1-2 λεπτά για κάθε μία. Οι ερωτήσεις παρουσιάστηκαν μέσω βιντεοπροβολέα. Δύο ενδεικτικές ερωτήσεις φαίνονται στον Πίνακα 1. Οι ερωτήσεις αυτές δίνονται τα τελευταία 8 χρόνια στο πρώτο εργαστηριακό μάθημα υπό μορφή ανοικτών ερωτήσεων, για να ανιχνεύσουν τη γνωστική αφετηρία των πρωτοετών φοιτητών. Οι απαντήσεις πολλαπλής επιλογής που τις συνοδεύουν  αποτελούν προϊόν της επεξεργασίας των ερωτηματολογίων και αποτελούν τις πιο συνηθισμένες απαντήσεις που έχουν δώσει αυτά τα χρόνια οι εκάστοτε φοιτητές.

Πίνακας 1

Κατά τη διάρκεια λήψης των απαντήσεων οι φοιτητές μπορούσαν να βλέπουν στην οθόνη, κάτω από την ερώτηση, πόσοι από αυτούς είχαν ήδη απαντήσει και πόσοι ακόμη απέμεναν να απαντήσουν. Αμέσως μετά την ολοκλήρωση κάθε απάντησης τα αποτελέσματα της ψηφοφορίας προβάλλονταν στην οθόνη σε μορφή ραβδογραμμάτων αντίστοιχα με αυτά της Εικόνας 2. Χωρίς να δοθεί η σωστή απάντηση από το διδάσκοντα οι φοιτητές ενθαρρύνονταν να αλληλεπιδράσουν ανά ομάδες των 3 ατόμων προσπαθώντας να πείσουν ο καθένας τους υπόλοιπους για την ακρίβεια της απάντησής του, ή σε περίπτωση μεταξύ τους ομοφωνίας, να σκεφτούν πάνω στην ακρίβεια των απαντήσεων που δόθηκαν από άλλους συμφοιτητές εκτός της ομάδας τους. Μετά από 2-3 λεπτά όλοι απαντούσαν ξανά στην ίδια ερώτηση. Με τον τρόπο αυτό επιτεύχθηκε σε ικανοποιητικό βαθμό, χάρη στη χρήση του εργαλείου CRS, η αλληλεπίδραση μεταξύ των φοιτητών, οι περισσότεροι από τους οποίους, όπως διαπιστώθηκε, ήταν αρχικά άγνωστοι μεταξύ τους. Αναπτύχθηκαν ομαδοσυνεργατικές δραστηριότητες με τις οποίες οι φοιτητές δεν ήταν εξοικειωμένοι, ωστόσο ανταπεξήλθαν σε αυτές με επιτυχία. Όπως φαίνεται από τα αποτελέσματα των απαντήσεων (Εικόνα 4) η αλληλεπίδραση μέσα στις ομάδες πραγματοποιήθηκε με διάφορους τρόπους.

Εικόνα 4. Απαντήσεις των 9 φοιτητών σε 5 ερωτήσεις. Οι φοιτητές εμφανίζονται χρωματικά ανά ομάδες. Οι απαντήσεις Q1,Q2 αναφέρονται σε μία ερώτηση πριν και μετά, αντίστοιχα, την αλληλεπίδραση μεταξύ των φοιτητών, γεγονός που ισχύει και για τις υπόλοιπες απαντήσεις.

Με τον τρόπο αυτό καταγράφηκαν διάφορες μορφές αλληλεπίδρασης, όπου σε μία τριμελή ομάδα:

α. ένας φοιτητής επέβαλλε την άποψή του στους άλλους δύο φοιτητές της ομάδας,
β. δύο φοιτητές επέβαλλαν την κοινή τους άποψη στον τρίτο φοιτητή,
γ. ένας φοιτητής επηρέασε μόνο τον έναν από τους άλλους δύο που είχαν αρχικά διαφορετική άποψη από τη δική του,
δ. όλοι διατήρησαν τις δικές τους απόψεις (είτε σωστές είτε λανθασμένες),
ε. όλοι άλλαξαν άποψη χωρίς ωστόσο να συμφωνούν τελικά μεταξύ τους,
στ. όλοι άλλαξαν άποψη υιοθετώντας μία κοινή,
ζ. ένας φοιτητής άλλαξε άποψη χωρίς να υιοθετήσει όμως την κοινή άποψη των άλλων δυο,
η. οι φοιτητές ξεκινήσανε από ίδια άποψη και κάποιος/οι (όχι όμως όλοι) άλλαξαν.

Στον Πίνακα 2 φαίνονται οι συχνότητες εμφάνισης αυτών των αλληλεπιδράσεων (διατυπώθηκαν 16 συνολικά ερωτήσεις, 8 διαφορετικές από δύο φορές η κάθε μία).

Πίνακας 2. Συχνότητες εμφάνισης διάφορων μορφών αλληλεπίδρασης

Σε ό,τι αφορά τις απαντήσεις κάθε φοιτητή μεμονωμένα, πριν και μετά την αλληλεπίδραση μέσα στην τριμελή ομάδα, καταγράφηκαν οι εξής πέντε περιπτώσεις. Ο φοιτητής:

α. απαντάει σωστά τόσο πριν όσο και μετά,
β. απαντάει λανθασμένα αρχικά και σωστά μετά,
γ. απαντάει σωστά αρχικά και λανθασμένα μετά,
δ. απαντάει λανθασμένα πριν και λανθασμένα μετά, χωρίς να αλλάξει άποψη,
ε. απαντάει λανθασμένα πριν και λανθασμένα μετά, αλλάζοντας άποψη.

Στον Πίνακα 3 φαίνονται οι συχνότητες εμφάνισης αυτών των περιπτώσεων (9 φοιτητές απάντησαν σε 8 ζευγάρια ερωτήσεων, άρα καταγράφηκαν 72 συνολικά ζευγάρια απαντήσεων πριν και μετά την αλληλεπίδραση μεταξύ τους).

Πίνακας 3. Συχνότητες εμφάνισης των πέντε περιπτώσεων στις συσχετισμένες (πριν και μετά) απαντήσεις των φοιτητών

Σε συμφωνία με τα πορίσματα διεθνών ερευνών (Crouch & Mazur, 2001) το ποσοστό των φοιτητών που απάντησαν σωστά μετά την αλληλεπίδραση με τους συμφοιτητές τους παρατηρήθηκε ότι αυξήθηκε σε σχέση με το ποσοστό όσων απάντησαν σωστά πριν την αλληλεπίδραση.

Το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε για την καταγραφή των δεδομένων ήταν το Verdict plus το οποίο, πέρα από τα ραβδογράμματα που προσφέρει κατά τη διάρκεια των απαντήσεων σε κάθε ερώτηση, δημιουργεί μια σειρά από στατιστικές αναφορές για κάθε φοιτητή, για όλη την τάξη ή για κάθε ερώτηση. Ενδεικτικά παρουσιάζεται η αναφορά που δίνεται για έναν φοιτητή, στην Εικόνα 5. Οι σωστές απαντήσεις τυπώνονται με πράσινο χρώμα ενώ οι λανθασμένες με κόκκινο. Επίσης, αποτυπώνεται ο χρόνος (σε δευτερόλεπτα) που απαιτήθηκε για να απαντήσει ο φοιτητής, από τη στιγμή που ο διδάσκων ενεργοποίησε τη δυνατότητα απάντησης.

Εικόνα 5. Η αναφορά για έναν φοιτητή που προκύπτει αυτόματα από το λογισμικό Verdict plus

Συμπεράσματα

Τα συστήματα τηλεκαταγραφής εκπαιδευτικών δραστηριοτήτων χρησιμοποιούνται, όλο και ευρύτερα, τα τελευταία χρόνια σε ιδρύματα του εξωτερικού. Η επίδρασή τους στην εκπαιδευτική διαδικασία συγκρίνεται με αυτήν της εισαγωγής των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Το κύριο πλεονέκτημά τους είναι η ταχύτατη ανάδραση που προσφέρουν στο διδάσκοντα και στους μαθητές, ενώ φαίνεται ότι η χρήση τους ευνοεί την ομαδοσυνεργατική διδασκαλία και τη διδασκαλία μεταξύ ομότιμων. Ωστόσο, υπάρχουν πολλά ανοικτά ερευνητικά ζητήματα που απομένουν να απαντηθούν που σχετίζονται με την παιδαγωγικά ορθή χρήση τους και τον αντίκτυπό τους στη μαθησιακή διαδικασία. Για παράδειγμα, ποιος είναι ο βέλτιστος τρόπος χρήσης μέσα στην τάξη των συστημάτων τηλεκαταγραφής εκπαιδευτικών δραστηριοτήτων ώστε να επιτευχθεί το καλύτερο δυνατό μαθησιακό αποτέλεσμα; Πώς επηρεάζεται η αλληλεπίδραση, ο συντονισμός και η συνεργασία μεταξύ των μαθητών, αλλά και μεταξύ μαθητών-εκπαιδευτικών εξαιτίας της χρήσης των CRS; Επιπλέον, η χρήση τους έχει, μέχρι στιγμής, περιοριστεί στην τριτοβάθμια εκπαίδευση αφήνοντας ανεξερεύνητο το πεδίο της πρωτοβάθμιας και δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης.

Στην παρούσα πιλοτική εφαρμογή του CRS παρατηρήθηκε αύξηση της συμμετοχής όλων των φοιτητών στην εκπαιδευτική διαδικασία και αύξηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ τους. Από συζητήσεις που έγιναν εκ των υστέρων με τους φοιτητές προκύπτει ότι δημιουργήθηκε κατάλληλο συναισθηματικό κλίμα που επέτρεψε την ελεύθερη διατύπωση της προσωπικής άποψης όλων των φοιτητών. Κατέστη δυνατό να αποτυπωθεί από το διδάσκοντα η γνωστική αφετηρία των φοιτητών για τις υπό διαπραγμάτευση έννοιες, και δόθηκε η δυνατότητα να καταγραφεί η εξέλιξη της κατανόησης διάφορων εννοιών εκ μέρους όλων των φοιτητών στη διάρκεια μιας διδασκαλίας, κάτι που διαφορετικά θα ήταν, αν όχι ανέφικτο, εξαιρετικά χρονοβόρο. Τα στατιστικά στοιχεία που παρέχονται, σε διάφορες μορφές και σε πραγματικό χρόνο, είναι δυνατό να αξιοποιηθούν για την επιτόπου στοχευμένη αναδόμηση εναλλακτικών ιδεών που είναι ιδιαίτερα ανθεκτικές στην παραδοσιακή διδασκαλία.

Βιβλιογραφία

• Abrahamson, L. (2006). A brief history of networked classrooms: Effects, cases, pedagogy, and implications. In D. A.
• Banks, D. A. (2006). Reflections on the use of ARS with small groups. In D. A. Banks (Ed.), Audience response systems in higher education (pp. 373–386). Hershey, PA: Information Science Publishing.
• Beatty, I. (2004). Transforming student learning with classroom communication systems. EDUCAUSE Research Bulletin, 2004(3), 1–13. .
• Bergtrom, G. (2006). Clicker sets as learning objects. Interdisciplinary Journal of Knowledge and Learning Objects, 2. .
• Bullock, D. W., LaBella, V. P., Clinghan, T., Ding, Z., Stewart, G., & Thibado, P. M. (2002). Enhancing the student–instructor interaction frequency. The Physics Teacher, 40, 30–36.
• Caldwell, J. E. (2007). Clickers in the large classroom: Current research and best-practice tips. Life Sciences Education, 6(1), 9–20.
• Cohen, E. (1994). Restructuring the classroom: conditions for productive small groups. Review of Educational Research, 64(1), 1-35
• Crouch, C. H., & Mazur, E. (2001). Peer instruction: Ten years of experience and results. American Journal of Physics, 69(9), 970–977
• D’Inverno, R., Davis, H., & White, S. (2003). Using a personal response system for promoting student interaction. Teaching Mathematics and Its Applications, 22(4), 163–169.
• Draper, S. W., & Brown, M. I. (2004). Increasing interactivity in lectures using an electronic voting system. Journal of Computer Assisted Learning, 20(2), 81–94.
• Draper, S. W., Cargill, J., & Cutts, Q. (2002). Electronically enhanced classroom interaction. Australian Journal of Educational Technology, 18, 13–23.
• Dufresne, R. J., & Gerace, W. J. (2004). Assessing-to-learn: Formative assessment in physics instruction. The Physics Teacher, 42, 428–433.
• El-Rady, J. (2006). To click or not to click: That’s the question. Innovate Journal of Online Education, 2(4).
• Fagan, A. P., Crouch, C. H., & Mazur, E. (2002). Peer instruction: Results from a range of classrooms. The Physics Teacher, 40(4), 206–209.
• Hake, R. R. (1998). Interactive-engagement versus traditional methods: A six-thousand-student survey of mechanics text data for introductory physics courses. American Journal of Physics, 66(1), 64–74.
• Hinde, K., & Hunt, A. (2006). Using the personal response system to enhance student learning: Some evidence from teaching economics. In D. A. Banks (Ed.), Audience response systems in higher education (pp. 140–154). Hershey, PA: Information Science Publishing.
• Kennedy, G. E., Cutts, Q., & Draper, S. W. (2006). Evaluating electronic voting systems in lectures: Two innovative methods. In D. A. Banks (Ed.), Audience response systems in higher education (pp. 155–174). Hershey, PA: Information Science Publishing.
• Lazarowitz,R., & Hertz-Lazarowitz, R. (1998). Cooperative learning in the science curriculum. In B. J. Fraser & K.G. Tobin (eds) International Handbook of science Education. Kluwer Academic publishers, pp. 449-469.
• Mazur, E. (1997). Peer instruction A Users Manual Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ.
• McCabe, M. (2006). Live assessment by questioning in an interactive classroom. In D. A. Banks (Ed.), Audience response systems in higher education (pp. 276–288). Hershey, PA: Information Science Publishing.
• Nicol, D. J., & Boyle, J. T. (2003). Peer instruction versus class-wide discussion in large classes: A comparison of two interaction methods in the wired classroom. Studies in Higher Education, 28(4), 457–473.
• Siau, K., Sheng, H., & Nah, F. (2006). Use of classroom response system to enhance classroom interactivity. IEEE Transactions on Education, 49(3), 398–403.
• Trees, A. R., & Jackson, M. H. (2007). The learning environment in clicker classrooms: Student processes of learning and involvement in large university courses using student response systems. Learning, Media and Technology, 32(1), 21–40.
• Σταυρίδου Ε., (2000), Συνεργατική μάθηση στις Φυσικές Επιστήμες: Μία εφαρμογή στο δημοτικό σχολείο. Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Θεσσαλίας.

Η διδασκαλία του πρώτου νόμου του Νεύτωνα με την αξιοποίηση εκπαιδευτικών δραστηριοτήτων που πραγματοποιήθηκαν στο Διεθνή Διαστημικό Σταθμό

Η πρόταση που ακολουθεί μπορεί να εφαρμοστεί στη διδασκαλία του 1ου νόμου του Νεύτωνα στην Α' Λυκείου. Αξιοποιεί εκπαιδευτικό υλικό που είναι ελεύθερα διαθέσιμο στο διαδίκτυο και απλά καθημερινά υλικά που υπάρχουν σε όλα τα σχολικά εργαστήρια. Τα αποτελέσματα της εφαρμογής της σε πραγματικές τάξεις έχουν παρουσιαστεί στο 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Διδακτικής των Φυσικών  Επιστημών και Νέων Τεχνολογιών  στην Εκπαίδευση (Πιερράτος & Πολάτογλου, Φλώρινα, 2009). Η πρόταση, έχει διασκευαστεί ώστε να συμπεριλαμβάνει τη χρήση διαδραστικού πίνακα και ως τέτοια έχει περιληφθεί στον τόμο Ο Διαδραστικός Πίνακας στη Σχολική Τάξη -Εκπαιδευτικά Σενάρια, σελ. 60-69, Επιμόρφωση των Εκπαιδευτικών για την Αξιοποίηση και Εφαρμογή των ΤΠΕ στη Διδακτική Πράξη» του Ε.Π. «Εκπαίδευση καιδια βίου μάθηση» «Ο Διαδραστικός Πίνακας στο Σχολείο: Παιδαγωγικές προσεγγίσεις‐ Διδακτικές Εφαρμογές».

Το θεωρητικό πλαίσιο
Η διδασκαλία της Φυσικής, και ειδικότερα της μηχανικής, στη δευτεροβάθμια εκπαίδευση συναντά διάφορα εμπόδια που σχετίζονται τόσο με την ίδια τη φύση του αντικειμένου όσο και με τις μεθόδους διδασκαλίας που υιοθετούνται από το διδάσκοντα εκπαιδευτικό. Η έρευνα στο χώρο της διδακτικής της Φυσικής τις τελευταίες δεκαετίες έχει δείξει ότι ένα από τα πιο συνηθισμένα εμπόδια είναι η προσκόλληση των μαθητών στις δικές τους, λανθασμένες επιστημονικά, εναλλακτικές ιδέες για την έννοια της δύναμης, παρά την τυπική διδασκαλία που έχουν παρακολουθήσει. Διάφορες έρευνες (Viennot 1979, Gilbert & Osborne 1980, Clement 1982, Gilbert et al. 1982, Watts 1983, Halloun & Hestenes 1985, Finegold & Gorsky 1991) έχουν οριοθετήσει το πλέγμα των ιδεών που ευθύνονται για αυτές τις εναλλακτικές αντιλήψεις των μαθητών. Οι Gilbert and Watts (1983) έχουν περιγράψει το πιο κοινό πλέγμα τέτοιων ιδεών ως εξής:

• Αν ένα σώμα δεν κινείται, τότε δεν ασκείται καμία δύναμη σε αυτό.
• Αν ένα σώμα κινείται τότε ασκείται σε αυτό μια δύναμη στην κατεύθυνση της κίνησης.
• Σταθερή κίνηση απαιτεί σταθερή δύναμη.

Το πλέγμα αυτών των ιδεών, που σχετίζεται με τη διδασκαλία του πρώτου νόμου του Νεύτωνα, ταυτίζεται με την αριστοτελική θεώρηση της φύσης και υποστηρίζεται στέρεα από την καθημερινή εμπειρία των μαθητών. Εφόσον οι μαθητές εξακολουθούν να διαθέτουν αυτές τις λανθασμένες ιδέες είναι απίθανο αν όχι αδύνατο να καταφέρουν να χτίσουν μια συνεπή θεώρηση της μηχανικής.

Παράλληλα, ένα ακόμη εμπόδιο που αντιμετωπίζουν οι διδάσκοντες είναι η αποστροφή των μαθητών σε όλον τον κόσμο για τα μαθήματα Φυσικών Επιστημών (Φ.Ε.) γιατί τα θεωρούν χωρίς ενδιαφέρον και αποκομμένα από την καθημερινή πραγματικότητα (Hodge, 2006). Η διαδικασία, όμως, της μάθησης είναι στενά συνδεδεμένη με το ενδιαφέρον που προκαλείται στους μαθητές, με την παροχή κινήτρων και με τη συναισθηματική κατάστασή τους (Dierking et al., 2003). 

Κατά συνέπεια είναι λογικό να υποτεθεί ότι η έλλειψη ενδιαφέροντος μαζί με την ισχυρή αντίσταση που παρουσιάζουν οι εναλλακτικές ιδέες των μαθητών στην αλλαγή, αποτελούν τροχοπέδη στην προσπάθεια διδασκαλίας τόσο της Νευτώνειας μηχανικής όσο και των άλλων κλάδων της Φυσικής. 

Στο πλαίσιο αυτής της εργασίας παρουσιάζεται μια συγκεκριμένη διδακτική πρόταση για τη διδασκαλία του πρώτου νόμου του Νεύτωνα με τη χρήση εργαστηριακών δραστηριοτήτων που πραγματοποιούνται με καθημερινά υλικά στο Εργαστήριο Φυσικών Επιστημών και την παράλληλη παρακολούθηση οπτικοακουστικού εκπαιδευτικού υλικού που έχει αναπτυχθεί από την Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία (ESA). 

Σκοπός ήταν να διερευνηθεί καταρχάς αν η συγκεκριμένη διδακτική προσέγγιση διεγείρει το ενδιαφέρον των μαθητών και στη συνέχεια αν βοηθάει στην καλύτερη κατανόηση των φυσικών εννοιών. 

Ένας λόγος που επιλέχθηκε διδακτικό υλικό που σχετίζεται με το Διάστημα είναι το γεγονός ότι αυτό ασκεί ιδιαίτερη γοητεία στους μαθητές. Σύμφωνα με έρευνα που πραγματοποιήθηκε από ερευνητές και υπεύθυνους σχεδιασμού εκπαίδευσης στη Μεγάλη Βρετανία, το Διάστημα ασκεί «άμεση και θετική επίδραση στις επιλογές σπουδών και επαγγέλματος» και αυξάνει την ενεργοποίηση των μαθητών στις φυσικές επιστήμες, ανεξάρτητα από φύλο, ηλικία, ικανότητα ή πολιτιστικό επίπεδο (Spencer & Hulbert G, 2006). Επιπλέον, η παιδαγωγική αξία του βίντεο και η πρόκληση του ενδιαφέροντος που προκαλεί στους μαθητές έχει επιβεβαιωθεί από διάφορες έρευνες (Σμυρναίου κ.α., 2004). 

Η προτεινόμενη διδασκαλία εφαρμόστηκε πιλοτικά σε 2 τμήματα της Α’ Λυκείου ενός Γενικού Λυκείου στην περιοχή της Θεσσαλονίκης και, προκειμένου να αποτιμηθεί, οι μαθητές συμπλήρωσαν μία εβδομάδα αργότερα ένα μέρος του Force Concept Inventory (Hestenes et al., 1992). Το ίδιο ερευνητικό εργαλείο συμπλήρωσαν και ακόμη 2 τμήματα της Α’ Λυκείου του ίδιου Γενικού Λυκείου που διδάχτηκαν τον πρώτο νόμο του Νεύτωνα με παραδοσιακό τρόπο.

Το οπτικοακουστικό υλικό που χρησιμοποιήθηκε έχει δημιουργηθεί από το Γραφείο Εκπαίδευσης του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού (ISS) της ESA (ESA, 2008). Έχει συνολική διάρκεια 17 λεπτά και αποτελεί μέρος μιας σειράς μαθημάτων φυσικών επιστημών. 

Η ESA αξιοποιώντας την ευκαιρία να πραγματοποιεί πειράματα στο διάστημα έχει παράγει εκπαιδευτικό υλικό για μαθητές ηλικίας 12-18 ετών, συμβατό με τα αναλυτικά προγράμματα των Ευρωπαϊκών χωρών, για να χρησιμοποιηθεί στην ερμηνεία βασικών επιστημονικών εννοιών. Μέσω απλών επιδείξεων Ευρωπαίοι αστροναύτες, κατά τη διάρκεια των αποστολών τους στον ISS, παρουσιάζουν μερικές βασικές επιστημονικές έννοιες. Στο πρώτο από τα DVD με τίτλο Project: Zero gravity. Mission 1: Newton in space, ο αστροναύτης Pedro Duque παρουσιάζει τους τρεις νόμους του Νεύτωνα. Κάθε επίδειξη που πραγματοποιείται στον ISS ακολουθείται από αντίστοιχες επιδείξεις στην επιφάνεια της Γης από μαθητές επιλεγμένων σχολείων από χώρες μέλη της ESA. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων των επιδείξεων εξοικειώνει τους μαθητές με τις διαφορές μεταξύ γήινου και διαστημικού περιβάλλοντος. 

Η εκπαιδευτική σειρά παρέχεται δωρεάν στους εκπαιδευτικούς χωρών μελών της ESA, άρα και στους Έλληνες, συμπληρώνοντας μια ηλεκτρονική αίτηση (http://esa-hme-education.org/). Όλα τα DVD της σειράς έχουν και ελληνική αφήγηση, εκτός από το συγκεκριμένο στο οποίο παρουσιάζονται οι νόμοι του Νεύτωνα. Η αγγλική γλώσσα που χρησιμοποιείται είναι ωστόσο απλή και οι περισσότεροι μαθητές δεν δυσκολεύονται να την παρακολουθήσουν.

Η διδακτική πρόταση. 

Ξεκινώντας την προβολή της ταινίας οι μαθητές παρακολουθούν τον αστροναύτη Pedro Duque να στέκεται μπροστά σε μια μπάλα του πινγκ πονγκ η οποία αιωρείται λόγω της συνθήκης έλλειψης βαρύτητας που επικρατεί στον ISS. Ο αστροναύτης φυσάει για μικρό χρονικό διάστημα την μπάλα και αυτή ξεκινάει να κινείται.

«Παγώνουμε» το βίντεο και ζητάμε από τους μαθητές να προβλέψουν την κίνηση που θα κάνει η μπάλα. Οι μαθητές διατυπώνουν διάφορες απόψεις, για παράδειγμα «η μπάλα θα κινηθεί μεν αρχικά αλλά σύντομα θα σταματήσει». Κάποιοι προβλέπουν ότι «η μπάλα θα κάνει παραβολική τροχιά προς το πάτωμα του σταθμού».

Καλούμε έναν μαθητή ο οποίος με τη βοήθεια ενός χάρακα διαπιστώνει ότι η μπάλα κινείται σε ευθύγραμμη τροχιά, με ελαφριά κλίση προς τα πάνω ως προς το κάδρο της εικόνας.

«Παγώνουμε» και πάλι την εικόνα και ρωτάμε τους μαθητές πώς μεταβάλλεται το μέτρο της ταχύτητας της μπάλας, κατά την κίνησή της. Κάποιοι μαθητές διατυπώνουν την άποψη ότι «επειδή η μπάλα κινείται ελαφρώς προς τα πάνω, το μέτρο της ταχύτητας μειώνεται». Άλλοι θεωρούν ότι «επειδή στο διάστημα δεν υπάρχουν τριβές» το μέτρο της ταχύτητας παραμένει σταθερό. Επαναφέρουμε τη ροή του βίντεο οπότε εμφανίζεται ένα πλέγμα συντεταγμένων με τη βοήθεια του οποίου οι μαθητές μπορούν να διαπιστώσουν ότι η κίνηση της μπάλας είναι πρακτικά ισοταχής.

Ζητάμε από τους μαθητές να περιγράψουν το φαινόμενο που παρατήρησαν με όρους φυσικής. Δεν επιχειρούμε διορθώσεις τυχόν λανθασμένων, επιστημονικά, διατυπώσεων, όπως π.χ. «η μπάλα ξεκινάει να κινείται επειδή ο αστροναύτης της έδωσε δύναμη», ή «η μπάλα συνεχίζει να έχει ενέργεια λόγω της αδράνειάς της» αλλά επιδιώκουμε στη συγκεκριμένη φάση την ανταλλαγή απόψεων και επιχειρημάτων μεταξύ των μαθητών. 

Στη συνέχεια τίθεται η ερώτηση τι θα έπρεπε να συμβεί για να αλλάξει «κινητική κατάσταση» η μπάλα. Αφού οι μαθητές εκφράσουν τις απόψεις τους (π.χ. «να τη φυσήξει πιο δυνατά ο αστροναύτης») προβάλλεται η συνέχεια του βίντεο στο οποίο παρουσιάζονται δυο καταστάσεις:

1. Ο αστροναύτης φυσάει τη μπάλα, η οποία κινείται σε ευθύγραμμη τροχιά, μέχρι να τη σταματήσει ένας άλλος αστροναύτης με το χέρι.

2. Ο αστροναύτης φυσάει τη μπάλα, η οποία τίθεται σε κίνηση και στη συνέχεια μετακινείται κάθετα ως προς την αρχική του θέση και ξαναφυσάει τη μπάλα αλλάζοντας την κατεύθυνση της κίνησής της.

Οι μαθητές προσπαθούν να ερμηνεύσουν τις δυο καταστάσεις, ενώ στη συνέχεια παρατηρούν το πείραμα στο βίντεο, ακούν την ερμηνεία και συζητούν την ακρίβεια των δικών τους εξηγήσεων. Όπως προκύπτει οι μαθητές στην προσπάθειά τους να περιγράψουν τις καταστάσεις χρησιμοποιούν ως συνώνυμες διάφορες εκφράσεις, για παράδειγμα, «δίνω δύναμη» και «ασκώ δύναμη», ή «ενέργεια» και «δύναμη», και θεωρούν ότι νομιμοποιούνται να τις χρησιμοποιούν κατά το δοκούν. Έτσι αρκετοί νομίζουν ότι οι ερμηνείες τους για τα φαινόμενα είναι σωστές, όταν τις συγκρίνουν με τις επιστημονικές. Επιπλέον, αντιμετωπίζουν τις δυο καταστάσεις (ακινητοποίηση της μπάλας και αλλαγή της κατεύθυνσης κίνησης) ως δυο διαφορετικά φαινόμενα. 

Διατυπώνουμε λοιπόν τον 1ο νόμο του Νεύτωνα ως μια αρχή που φαίνεται να περιγράφει ενιαία όσα παρατηρήθηκαν. Για να εισάγουμε στη συνέχεια την έννοια αδράνεια ως μια ιδιότητα των σωμάτων που εμφανίζεται με δυο πρόσωπα, της «δυσφορίας» στην αλλαγή της κίνησης και του «δικαιώματος» στη διατήρηση της κίνησης (Κασσέτας, 2000), προβάλλουμε τη συνέχεια της ταινίας: μια γυναίκα αστροναύτης, μέλος του πληρώματος του ISS, σταματάει απότομα ένα κουτάλι με τροφή που κινείται μπροστά της, το κουτάλι σταματάει να κινείται όχι όμως και η τροφή την οποία και τρώει!

Καλούμε τους μαθητές να ερμηνεύσουν το απόσπασμα χρησιμοποιώντας τον 1ο νόμο του Νεύτωνα. Αρκετοί ισχυρίζονται ότι «η τροφή συνεχίζει να κινείται επειδή δεν ασκήθηκε πάνω της δύναμη», ενώ άλλοι διαφωνούν θεωρώντας ότι «αφού ασκήθηκε δύναμη στο κουτάλι ασκείται και στην τροφή».

«Παγώνουμε» το βίντεο ώστε το επόμενο πείραμα να πραγματοποιηθεί στο εργαστήριο από τους μαθητές. Πάνω σε ένα αμαξίδιο τοποθετείται ένα βαρίδιο ενώ στην πορεία του τοποθετείται ένα χαμηλό εμπόδιο με το οποίο το αμαξίδιο θα συγκρουστεί. Ζητάμε από τους μαθητές να προβλέψουν τις συνέπειες της σύγκρουσης για το αμαξίδιο και για το βαρίδιο και στη συνέχεια πραγματοποιούμε τη σύγκρουση.

Ζητάμε από τους μαθητές να περιγράψουν με όρους φυσικής το συμβάν. Πώς σχετίζεται αυτό το φαινόμενο με την κίνηση που έκανε η τροφή στο τελευταίο βίντεο; Αφού συζητηθεί η αιτία της αλλαγής της κινητικής κατάστασης του αμαξιδίου (άσκηση δύναμης από το εμπόδιο) γίνεται προσπάθεια να εστιάσουν την προσοχή τους στην κίνηση του βαριδίου: εγκαταλείποντας το αμαξίδιο ακολούθησε ευθύγραμμη τροχιά, όπως η μπάλα του πινγκ πονγκ στον ISS, ή καμπύλη; Για να γίνει πιο φανερή η καμπύλη κίνηση του βαριδίου, επαναλαμβάνουμε το πείραμα πάνω σε έναν πάγκο εργασίας, στην άκρη του οποίου έχει τοποθετηθεί το εμπόδιο, ώστε το βαρίδιο να πέσει στο κενό εκτελώντας οριζόντια βολή (Hsu, 2001).

 

Περιγράφει ο πρώτος νόμος του Νεύτωνα αυτό το φαινόμενο; Αν όχι, γιατί; Τι θα συνέβαινε αν το πείραμα πραγματοποιούνταν στον ISS; Με τον τρόπο αυτό επιχειρείται να διαπιστώσουν οι μαθητές τα όρια εφαρμογής του πρώτου νόμου καθώς και να διαπιστώσουν τις διαφορετικές συνθήκες που επικρατούν στην επιφάνεια του πλανήτη μας και στον ISS.

Συνεχίζοντας τη ροή του βίντεο οι μαθητές παρακολουθούν το ίδιο πείραμα να εκτελείται από μαθητές κάποιου Ευρωπαϊκού σχολείου. Χάρη στην αργή κίνηση που προσφέρει το βίντεο οι μαθητές μπορούν να διαπιστώσουν ότι η κούκλα, που χρησιμοποιείται αντί για το δικό τους βαρίδιο, συνεχίζει να κινείται με σταθερού μέτρου ταχύτητα στην οριζόντια διεύθυνση, αλλά ταυτόχρονα μετατοπίζεται στην κατακόρυφη διεύθυνση, μετά τη σύγκρουση με το εμπόδιο.

Όταν μετά από συζήτηση γίνει αποδεκτό ότι η ταχύτητα, ως διανυσματικό μέγεθος, δεν παραμένει σταθερή ζητείται ο λόγος. Κάποιοι μαθητές απαντούν «λόγω της βαρύτητας». Τίθεται τότε η ερώτηση τι θα συνέβαινε αν το ίδιο πείραμα πραγματοποιούνταν στον ISS. Κάποιοι μαθητές στηριζόμενοι στην προηγούμενη απάντηση ισχυρίζονται ότι «αφού δεν υπάρχει βαρύτητα, η κούκλα θα κινηθεί σε ευθεία». Αφού διατυπωθούν απαντήσεις δείχνουμε το βίντεο και ακολουθεί συζήτηση μεταξύ των μαθητών με τον εκπαιδευτικό να συντονίζει. 

Συνεχίζοντας τη ροή του βίντεο ακολουθεί μια μαθήτρια που μεταφέρει ένα ανοικτό δοχείο με νερό. Το κορίτσι αφού τεθεί σε κίνηση από μια συμμαθήτριά της σταματάει απότομα όταν την συγκρατούν δύο άλλες μαθήτριες. «Παγώνουμε» το βίντεο και ζητάμε από τους μαθητές να προβλέψουν τι θα γίνει.

Εκτελείται το πείραμα στο εργαστήριο και οι μαθητές καλούνται να ερμηνεύσουν το φαινόμενο χρησιμοποιώντας όρους φυσικής.

 Σε ποιο σώμα ασκήθηκε δύναμη; Γιατί το νερό συνεχίζει να κινείται; Ποιες διαφορές και ποιες ομοιότητες υπάρχουν με το βίντεο και το πείραμα με την παιδική κούκλα; Διατυπώνουμε την έννοια αδράνεια ως την ιδιότητα – «δικαίωμα» των σωμάτων να διατηρούν σταθερή την κινητική τους κατάσταση. Ζητάμε από τους μαθητές να περιγράψουν εκ νέου όλα τα πειράματα που παρακολούθησαν ή/και πραγματοποίησαν χρησιμοποιώντας την νέα έννοια.

Η αδράνεια όμως μπορεί να εμφανιστεί και με άλλον χαρακτήρα: ως ιδιότητα των σωμάτων να «δυσφορούν» στην απότομη αλλαγή της κινητικής τους κατάστασης. Παρακολουθούμε στο βίντεο ένα μαθητή να ισορροπεί ένα μολύβι πάνω σε δακτύλιο που ισορροπεί πάνω σε ένα μπουκάλι. 

«Παγώνουμε» το βίντεο και επιχειρούμε το ίδιο πείραμα στο εργαστήριο. Τι θα συμβεί; Μερικοί δηλώνουν ότι το μολύβι θα πέσει μέσα στο μπουκάλι οι περισσότεροι όμως διαφωνούν. 

Η ροή του βίντεο συνεχίζεται και οι μαθητές παρακολουθούν την εκτέλεση του πειράματος από τους Ευρωπαίους συμμαθητές τους.

 Ζητείται από τους μαθητές να ερμηνεύσουν ό,τι είδαν με βάση τον πρώτο νόμο του Νεύτωνα δίνοντας, αν μπορούν, ένα σχέδιο με τις εφαρμοζόμενες δυνάμεις. Αρκετοί μαθητές περιγράφουν ικανοποιητικά την αρχική ισορροπία του μολυβιού ως αποτέλεσμα εφαρμογής του 1ου νόμου του Νεύτωνα, δεν μπορούν όμως να δώσουν ικανοποιητικά ελεύθερα σχέδια με τις εφαρμοζόμενες δυνάμεις. Κάποιοι ωστόσο προτείνουν ένα παρόμοιο, πολύ απλούστερο, πείραμα:

Συνεχίζεται η ροή του βίντεο όπου εμφανίζεται μια κοπέλα που φοράει πατίνια πάνω σε ένα τραπέζι. Το τραπέζι τίθεται σε παλινδρομική κίνηση από 2 μαθήτριες. «Παγώνουμε» το βίντεο, περιγράφουμε το πείραμα και ζητάμε από τους μαθητές να προβλέψουν την έκβασή του. Στη συνέχεια παρουσιάζεται το πείραμα στο βίντεο και ζητάμε από τους μαθητές να περιγράψουν ό,τι βλέπουν: η μαθήτρια μετατοπίζεται ελάχιστα καθώς εκτελεί παλινδρομική κίνηση, όπως και το τραπέζι, αλλά πολύ μικρότερου πλάτους.

 

Τι θα γινόταν αν η κίνηση του τραπεζιού ήταν πιο αργή και τι αν ήταν πιο γρήγορη; Μερικοί μαθητές απαντούν «ό,τι συνέβη και με το μολύβι». Πραγματοποιούμε το ίδιο πείραμα στο εργαστήριο όπου ένα αμαξίδιο τοποθετείται σε οριζόντια επιφάνεια η οποία μετακινείται από δυο μαθητές αργά και στη συνέχεια με απότομες παλινδρομικές κινήσεις.

Επιχειρούμε συζητώντας με τους μαθητές να συνδέσουμε το πείραμα αυτό με το προηγούμενο πείραμα με το μολύβι. Ποιες δυνάμεις δέχεται η κοπέλα όσο βρίσκεται πάνω στο τραπέζι; Ποιες όταν φεύγει το τραπέζι και μένει, προς στιγμή, μετέωρη;

Διατυπώνουμε την έννοια αδράνεια ως την ιδιότητα – «δυσφορία» των σωμάτων να μεταβάλλουν την κινητική τους κατάσταση. Ζητάμε από τους μαθητές να περιγράψουν εκ νέου τα δυο τελευταία πειράματα που παρακολούθησαν ή/και πραγματοποίησαν χρησιμοποιώντας την νέα έννοια. Κάποιοι μαθητές ρωτούν «γιατί τα σώματα παρουσιάζουν διαφορετική συμπεριφορά όταν το τραπέζι ή ο δακτύλιος στο πρώτο πείραμα κινείται αργά και όταν κινείται απότομα»; 

Αποφεύγουμε να απαντήσουμε υποστηρίζοντας ότι το ερώτημα θα απαντηθεί όταν θα συζητηθεί ο δεύτερος νόμος του Νεύτωνα. Με τον τρόπο αυτό επιχειρούμε να αναδείξουμε την αναγκαιότητα εισαγωγής και των άλλων νόμων του Νεύτωνα ώστε η φυσική θεωρία να είναι ολοκληρωμένη, αλλά επιπλέον να διατηρήσουμε το ενδιαφέρον των μαθητών για την επόμενη διδακτική ενότητα.


Η αποτίμηση της διδακτικής μεθόδου 

Μία εβδομάδα μετά την πραγματοποίηση της διδασκαλίας του πρώτου νόμου του Νεύτωνα, όπως παρουσιάστηκε παραπάνω, σε 2 τμήματα της Α’ Λυκείου ενός Γενικού Λυκείου, επιχειρήθηκε η αποτίμηση της μεθόδου. Προκειμένου να επιτευχθεί η εγκυρότητα της μεθόδου αποτίμησης χρησιμοποιήθηκε το ερευνητικό εργαλείο Force Concept Inventory. Το συγκεκριμένο εργαλείο περιλαμβάνει 29 ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής σχετικά με τους νόμους του Νεύτωνα. Επιλέχθηκαν οι 8 από τις ερωτήσεις που αξιολογούν την κατανόηση του πρώτου νόμου του Νεύτωνα, δηλαδή οι ερωτήσεις 4, 6, 8, 10, 18, 26, 27 και 28 (Hestenes et al., 1992). Τρεις ερωτήσεις (οι 4, 6 και 10) αναφέρονται σε καταστάσεις όπου δεν ασκείται καμία δύναμη, μία ερώτηση (η 26) σε κατάσταση κίνησης με σταθερή διανυσματική ταχύτητα, δύο ερωτήσεις (οι 8 και 27) σε καταστάσεις κίνησης με σταθερού μέτρου ταχύτητα και δυο (οι 18 και 28) σε καταστάσεις όπου η συνισταμένη δύναμη είναι μηδέν. Στις προσφερόμενες απαντήσεις περιλαμβάνονται πολλές από τις εναλλακτικές ιδέες των μαθητών, όπως αυτές έχουν καταγραφεί στην βιβλιογραφία (Driver et al., 2000).

(Κατεβάστε από εδώ το ερωτηματολόγιο που χρησιμοποιήθηκε)

Το ερωτηματολόγιο συμπλήρωσαν ανώνυμα δυο ομάδες μαθητών: η ομάδα Α την οποία αποτελούσαν οι μαθητές των δύο τμημάτων που παρακολούθησαν τη συγκεκριμένη διδασκαλία, σύνολο 40 μαθητές, και η ομάδα Β που αποτελούνταν από τους μαθητές των άλλων δυο τμημάτων της Α’ Λυκείου, σύνολο 41 μαθητές, που διδάχθηκαν την ίδια ενότητα με τον παραδοσιακό τρόπο. Και τα τέσσερα τμήματα θεωρούνται ίδιας δυναμικότητας ως προς τις ικανότητες των μαθητών που τα απαρτίζουν, όπως προκύπτει από τις μέσες τιμές των επιδόσεών τους στο ωριαίο διαγώνισμα Α’ τετραμήνου. Στον Πίνακα 1 καταγράφονται ανά ερώτηση και ανά ομάδα μαθητών οι απαντήσεις που δόθηκαν. Με έντονη γραφή εμφανίζεταιτο πλήθος των σωστών απαντήσεων για κάθε ερώτηση. Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται συγκριτικά το πλήθος των σωστών απαντήσεων για τις οκτώ ερωτήσεις και για κάθε ομάδα.

Πίνακας 1: Οι απαντήσεις ανά ερώτηση και ανά ομάδα μαθητών

Σχήμα 1: Σύγκριση του πλήθους των σωστών απαντήσεων ανά ομάδα μαθητών

Στον Πίνακα 2 παρουσιάζεται το πλήθος και το ποσοστό των μαθητών των δυο ομάδων που έδωσαν από μηδέν μέχρι και οκτώ συνολικά σωστές απαντήσεις, καθώς και οι αντίστοιχοι μέσοι όροι.

Πίνακας 2: Το πλήθος και το ποσοστό των μαθητών που απάντησαν σωστά από 0 έως 8 ερωτήσεις, για κάθε ομάδα.

Οι μαθητές της ομάδας Α κλήθηκαν αμέσως μετά το τέλος της διδασκαλίας, να χαρακτηρίσουν ανώνυμα τη διδασκαλία που παρακολούθησαν ως προς το ενδιαφέρον που τους προκάλεσε, καθώς και το επίπεδο κατανόησης του μαθήματος, όπως το αντιλαμβάνονται οι ίδιοι. Στον Πίνακα 3 εμφανίζεται το πλήθος και το ποσοστό των μαθητών και οι απαντήσεις τους στην ερώτηση: «Θα χαρακτήριζες το σημερινό μάθημα ως:…».

Πίνακας 3: Το πλήθος και το ποσοστό των μαθητών της Α΄ομάδας ως προς το ενδιαφέρον που τους προκάλεσε το μάθημα

Στον Πίνακα 4 εμφανίζεται το πλήθος και το ποσοστό των μαθητών και οι απαντήσεις τους στην ερώτηση: «Το σημερινό μάθημα μου φάνηκε:…».

Πίνακας 4: Τα ποσοστά των μαθητών της Α΄ομάδας ως προς το επίπεδο κατανόησης που εξέφρασαν.

Όπως φαίνεται από τον Πίνακα 3, το ενδιαφέρον των μαθητών της ομάδας Α΄ κυμάνθηκε σε υψηλά επίπεδα. Χάρη στο συνδυασμό πειραματικών δραστηριοτήτων και οπτικοακουστικού υλικού οι μαθητές παρακολούθησαν και συμμετείχαν ενεργά στην εκπαιδευτική διαδικασία στην συντριπτική τους πλειοψηφία. Είχαν μάλιστα την εντύπωση ότι κατάλαβαν σε πολύ ψηλό ποσοστό τις συγκεκριμένες έννοιες, γεγονός όμως που διαψεύδεται από τα αποτελέσματα του ερωτηματολογίου που συμπλήρωσαν. Ο μέσος όρος των 3,2 σωστών απαντήσεων ανά ερωτηματολόγιο απέχει πολύ από το να θεωρηθεί ικανοποιητικός. Σε σύγκριση όμως με το αντίστοιχο ποσοστό της ομάδας Β΄, μόλις 1,88, υποδεικνύει το δυναμικό της μεθόδου που ακολουθήθηκε. Οι μαθητές φαίνεται ότι εξακολουθούν να μένουν προσκολλημένοι στις εναλλακτικές τους ιδέες, όπως ακριβώς έχει καταγραφεί και στη βιβλιογραφία. Όταν καλούνται να απαντήσουν σε θέματα που σχετίζονται με αυτά που παρακολούθησαν στο βίντεο, όπως οι ερωτήσεις 2, 3 και 6, τότε απαντούν σωστά με εντυπωσιακή διαφορά σε σχέση με τους μαθητές της ομάδας Β΄ (Σχήμα 1). Ειδικά στην ερώτηση 3, που σχετίζεται με το μέτρο της ταχύτητας ενός σώματος μετά τη δράση μιας δύναμης, οι μαθητές της ομάδας Α΄ απαντούν σωστά σε ποσοστό 30%, όταν κανένας από τους μαθητές της ομάδας Β΄ δεν δίνει σωστή απάντηση. Όταν όμως οι ίδιοι μαθητές καλούνται να περιγράψουν την κίνηση ενός ανελκυστήρα, απαντούν σε ποσοστό 62,5% ότι όταν ένα σώμα δέχεται την επίδραση δυο αντίρροπων δυνάμεων και κινείται με σταθερή ταχύτητα προς μια από τις δύο κατευθύνσεις, τότε η αντίστοιχη δύναμη έχει μεγαλύτερο μέτρο!

Συμπεράσματα 

Οι στόχοι της προτεινόμενης εκπαιδευτικής δραστηριότητας ήταν να προκληθεί το ενδιαφέρον των μαθητών βοηθώντας στην αλλαγή της στάσης τους απέναντι στο μάθημα της Φυσικής, και η διευκόλυνση κατανόησης των εννοιών που εμπλέκονται με τον πρώτο νόμο του Νεύτωνα. Όπως προέκυψε από την αξιολόγηση της δραστηριότητας από τους μαθητές, ο πρώτος στόχος επιτεύχθηκε σε πολύ ικανοποιητικό επίπεδο.

Ο δεύτερος στόχος, όπως αναμενόταν με βάση τη βιβλιογραφία, δεν ήταν εξίσου εύκολο να επιτευχθεί. Οι εναλλακτικές ιδέες των μαθητών δύσκολα αλλάζουν. Χάρη στην υψηλή εποπτεία των εννοιών που επιτεύχθηκε με την αξιοποίηση των δραστηριοτήτων που πραγματοποιήθηκαν στον ISS, φαίνεται ότι κάποιες από αυτές κατέστη δυνατό να επαναπροσδιοριστούν για αρκετούς μαθητές. Το αναπόφευκτα, όμως, περιορισμένο εύρος δραστηριοτήτων περιόρισε αντίστοιχα και το εύρος της επιθυμητής εννοιολογικής αλλαγής. Το γεγονός αυτό υποδεικνύει ότι η περαιτέρω ίσως χρήση κατάλληλου οπτικοακουστικού υλικού και η οργάνωση και ο προγραμματισμός βιωματικών πειραματικών δραστηριοτήτων θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην αναδόμηση των ιδεών των μαθητών προς την επιθυμητή κατεύθυνση. Η υπόθεση αυτή απομένει να διερευνηθεί.

Βιβλιογραφία 

• Driver, R., Squires, A., Rushworth, P. & Wood-Robinson, V.. Οικοδομώντας τις έννοιες των Φυσικών Επιστημών. Μια παγκόσμια σύνοψη των Ιδεών των Μαθητών. Τυπωθήτω, Αθήνα 2000. 
• Κασσέτας Α. (2000). Το μακρόν Φυσική προ του βραχέος διδάσκω, 84-97. Σαββάλας. 
• Σμυρναίου, Ζ., Δημητρακοπούλου, Α., Πολίτης Π. & Κόμης Β. (2004). Η χρήση βίντεο, φυσικών αντικειμένων και εκπαιδευτικού λογισμικού στη διδασκαλία των Φυσικών Επιστημών. Πρακτικά 4ου Συνεδρίου ΕΤΠΕ, σ. 45-54. 
• Dierking, L. D., Falk J. H., Rennie L., Anderson D., Ellenbogen K. (2003). Policy Statement of the ‘‘Informal Science Education’’ Ad Hoc Committee. Journal of Research in Science Teaching vol. 40, no. 2, pp. 108–111. 
• ESA (2008). Δικτυακός τόπος: http://www.esa.int/esaHS/SEMJWDYO4HD_education_0.html 
• Finegold Μ., Gorsky P. (1991). Students' concepts of force as applied to related physical systems: A search for Consistency. 
• Gilbert, J. & Osborne, R. (1980). Identifying science students concepts: The IAI approach. In W. Archenhold (ed.), Cognitive Development Research in Science and Mathematics (Centre for Studies in Science Education, University of Leeds, Leeds). 
• Gilbert, J., Watts, M. & Osborne, J. (1982). Students' conceptions of ideas in mechanics. Physics Educ, Vol. 17, pp. 62-66. 
• Halloun, I. & Hestenes, D. (1985). The initial knowledge of college physics students, Am. J. Phys. 53, 1043. 
• Hestenes, D., Wells, M. & Swackhamer, G. (1992). Force Concept Inventory, The Physics Teacher, Vol. 30, March 1992. 
• Hodge R. (2006). What Europeans really think (and know) about science and technology, Science in school, issue 3, pp. 71-77. 
• Hsu, L. (2001). Teaching Newton’s Laws Before Projectile Motion, The Physics Teacher, Vol. 39, April 2001.
• Spencer P. Hulbert G. (2006). The Education and Skills Case for Space. Swindon, UK: Particle Physics and Astronomy Research Council. Διαθέσιμο στο δικτυακό τόπο www.pparc.ac.uk/Ed/ESCS.asp 
• Viennot, L. (1979). Spontaneous reasoning in elementary dynamics. European Journal of Science Education, Vol. 1, pp. 205-221. 
• Watts, D. (1983). A study of schoolchildren's alternative frameworks of the concept of force. European Journal of Science Education, Vol. 4, pp. 217-230.

Μια διδακτική πρόταση για την οικοδόμηση της έννοιας μάζα

Η διδακτική πρόταση που ακολουθεί παρουσιάστηκε στο 13ο Συνέδριο της Ένωσης Ελλήνων Φυσικών (Πάτρα, 17-21 Μαρτίου 2010) στο πλαίσιο του Συμποσίου με θέμα "Διδάσκω Φυσική στη Δευτεροβάθμια" με συντονιστή τον Ανδρέα Κασσέτα και σχολιαστή το Στέφανο Τραχανά.

Οι προβληματισμοί
Η διδασκαλία της έννοιας μάζα περιβάλλεται από αξιοσημείωτη σύγχυση η οποία χρονολογείται σχεδόν από τη δημοσίευση των Principia του Νεύτωνα. Η σύγχυση οφείλεται στους πολλαπλούς εννοιολογικούς μανδύες που ενδύεται η λέξη μάζα στο πλαίσιο της κλασικής φυσικής: στον 1ο ορισμό των Principia φαίνεται να ορίζεται ως μέτρο της ποσότητας ύλης, στο 2ο νόμο του Νεύτωνα εμφανίζεται ως μέτρο της αδράνειας, ενώ στο νόμο της παγκόσμιας έλξης ως υπεύθυνη για την αμοιβαία βαρυτική έλξη μεταξύ των σωμάτων. Ο ίδιος ο Νεύτωνας θεώρησε ότι απορρέει από το γινόμενο πυκνότητας και όγκου, οδηγώντας στη διατύπωση ενός μάλλον κυκλικού ορισμού, ενώ παρουσίασε μερικά «εξαιρετικά ακριβή πειράματα με εκκρεμή» για να θεμελιώσει ότι η μάζα είναι ανάλογη με το βάρος του σώματος. Με τον τρόπο αυτό νομιμοποίησε τη μέτρηση της μάζας με ζυγό, παρακάμπτοντας τις τεχνικές δυσκολίες της μέτρησης της αδρανειακής μάζας και πυροδοτώντας ατέρμονες συζητήσεις στους κύκλους των φυσικών και των φιλοσόφων μέχρι και σήμερα.

Η πολυσημία και η απουσία λειτουργικού ορισμού της μάζας έχει μεταφερθεί και στα σχολικά εγχειρίδια προκαλώντας σύγχυση τόσο στους εκπαιδευτικούς που καλούνται να διδάξουν την έννοια όσο και στους μαθητές. Πράγματι, στα εγχειρίδια παρουσιάζεται η έννοια μάζα να είναι είτε η ποσότητα ύλης ενός σώματος είτε/και το μέτρο της αδράνειας του σώματος, η μέτρησή της όμως παραπέμπεται στη μέτρηση της βαρυτικής μάζας μέσω ζύγισης. Πώς όμως η ζυγαριά μετράει την ποσότητα ύλης ή την αδράνεια; Τι θα γινόταν αν μεταφερόμασταν σε περιβάλλον μικροβαρύτητας, πώς θα μετρούσαμε τότε τη μάζα;

Έρευνες δείχνουν ότι η σύνδεση της μέτρησης της μάζας με το βάρος τροφοδοτεί τις εναλλακτικές ιδέες των μαθητών, οδηγώντας τους για παράδειγμα να πιστεύουν ότι η μάζα μεταβάλλεται όπως και το βάρος.

Εύλογα λοιπόν εγείρονται διάφορα ερωτήματα.

• Μπορούμε να ορίσουμε την έννοια μάζα στο Γυμνάσιο και στο Λύκειο, είτε εννοιολογικά είτε λειτουργικά, με τρόπο ώστε να αποφεύγεται η σύγχυση και να αποδομούνται οι εναλλακτικές ιδέες των μαθητών; 
• Σε ποια εμπειρικά και εργαστηριακά δεδομένα πρέπει να στηριχθούμε για την εννοιακή της οικοδόμηση; 
• Πώς πρέπει να προτείνεται η μέτρηση της μάζας, ανάλογα με το επίπεδο των μαθητών στους οποίους απευθύνεται η διδασκαλία; 
• Μέσα από ποιους νόμους, που διδάσκονται στο σχολείο, αναδύεται η ανάγκη διαπραγμάτευσης της έννοιας μάζα και πώς πρέπει να τους διδάξουμε; 
• Θα ήταν δόκιμο να επεκταθούμε στις σύγχρονες θεωρήσεις της έννοιας που προσφέρουν η θεωρία της σχετικότητας και η κβαντική μηχανική;

 1. Η οικοδόμηση της έννοιας μάζα στο Γυμνάσιο

Το πρώτο βήμα στην οικοδόμηση της έννοιας μάζα προτείνεται να είναι η αναγνώριση της διαφορετικής «δυσφορίας» που εκδηλώνει ένα οποιαδήποτε αντικείμενο κάθε φορά που επίκειται αλλαγή στην κινητική του κατάσταση.

Ενδεικτικό σενάριο
Η ΕΜΠΕΙΡΙΑ 1
Δίνουμε στους μαθητές δύο σφαίρες της ίδιας ακτίνας, του ίδιου χρώματος, αλλά από διαφορετικό υλικό, τους ζητούμε να τις τοποθετήσουν στην οριζόντια επιφάνεια του θρανίου τους και να επιχειρήσουν να κυλίσουν γρήγορα τις σφαίρες μπρος και πίσω μερικές φορές. 

Είναι το ίδιο εύκολο για όλες τις σφαίρες; Αν όχι, ποιας σφαίρας είναι πιο δύσκολο να επιχειρήσουν να αλλάξουν την κινητική κατάσταση; 

Οι μαθητές καλούνται στη συνέχεια να φυσήξουν με ένα καλαμάκι τις σφαίρες και να διαπιστώσουν ποια δυσφορεί περισσότερο στην αλλαγή της κινητικής της κατάστασης.

Η ΣΚΕΨΗ

Ο στόχος μας είναι ορισμένοι μαθητές να σκεφτούν ότι οι δύο σφαίρες μπορεί να έχουν το ίδιο χρώμα τον ίδιο όγκο αλλά εκδηλώνουν διαφορετική δυσκολία στο να ξεκινήσουν.

Τους ενθαρρύνουμε να αποδεχθούν ότι καθεμιά έχει «κάτι» : κάποια εσωτερική ιδιότητα που δεν είναι ο όγκος, το σχήμα, ή το χρώμα της. Και αυτό το «κάτι» είναι για καθεμιά από τις σφαίρες διαφορετικό.

Η ΦΥΣΙΚΗ

Σύμφωνα με τη Φυσική, η εσωτερική αυτή ιδιότητα λέγεται μάζα. Η σφαίρα που δυσφορεί περισσότερο στο να μετακινηθεί έχει μεγαλύτερη μάζα

Η ΕΜΠΕΙΡΙΑ 2
Κρεμάμε δύο όμοια τενεκεδένια κουτιά πορτοκαλάδας με δύο ισομήκη νήματα. Το ένα κουτί είναι άδειο και το άλλο γεμάτο. Καλούμε τους μαθητές να επινοήσουν έναν τρόπο προκειμένου να βρουν πιο κουτί είναι το γεμάτο και πιο είναι το άδειο. Τους βοηθάμε προτείνοντάς τους να επιχειρήσουν να μετακινήσουν οριζόντια καθένα από τα κουτιά.

Η ΣΚΕΨΗ
Ο στόχος μας είναι να σκεφτούν οι μαθητές ότι το κουτί με το υγρό έχει μεγαλύτερη μάζα από το άδειο κουτί .

Δεύτερο βήμα στην οικοδόμηση της έννοιας μάζα προτείνεται να είναι η αναγνώριση της ΑΝΑΛΟΓΙΑΣ μάζας και βάρους

Η ΕΜΠΕΙΡΙΑ 3
Επαναφέρουμε τις δύο σφαίρες της ίδιας ακτίνας, του ίδιου χρώματος, αλλά από διαφορετικό υλικό και ζητάμε από τους μαθητές, κρατώντας τις να εκτιμήσουν ποια είναι πιο βαριά.
Η «ζύγιση» προτείνεται να γίνει με διάφορους, βιωματικούς, τρόπους, χωρίς τη χρήση ζυγού:

α. οι μαθητές καλούνται να σηκώσουν ελάχιστα (δεν θέλουμε να εμπλέξουμε μνήμες σώματος που σχετίζονται με την ενέργεια) πάνω από το έδαφος τις ακίνητες σφαίρες: είναι το ίδιο εύκολο να σηκωθούν οι σφαίρες; Ποια σφαίρα είναι, υπό αυτή την έννοια, «πιο βαριά»;

β. τεντώνουν τα οριζοντιωμένα χέρια τους και τους ζητάμε να κρατήσουν ακίνητες τις σφαίρες για όσο περισσότερο χρόνο μπορούν. Πιο χέρι τους κουράζεται πιο γρήγορα; Ποια σφαίρα είναι, υπό αυτή την έννοια, «πιο βαριά»;

Το συμπέρασμα θα βασιστεί στην αίσθηση που δημιουργείται σε κάποιον όταν κρατάει στο χέρι ένα αντικείμενο και το «συγκρατεί» εμποδίζοντας την πτώση του. Και επειδή η αίσθηση αυτή έχει σχέση με την τιμή της πίεσης πρέπει τα συγκρινόμενα αντικείμενα να έχουν το ίδιο εμβαδόν στήριξης, κάτι που ισχύει με τις δύο σφαίρες.
Διαπιστώνεται ότι πιο βαριά είναι η σφαίρα που είχε εκδηλώσει μεγαλύτερη αντίδραση στην προηγούμενη απόπειρα μετακίνησής.

Η ΣΚΕΨΗ.
Αυτό που επιδιώκουμε είναι να δημιουργηθεί, σε όσο γίνεται περισσότερους μαθητές, η ιδέα ότι «όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα ενός σώματος τόσο μεγαλύτερο είναι το βάρος του ίδιου σώματος».
Η ΦΥΣΙΚΗ
Σύμφωνα με τη Φυσική η μάζας ενός σώματος είναι ΑΝΑΛΟΓΗ με το βάρος του.

Ο Νεύτων από τις πρώτες κιόλας σελίδες του PRINCIPIA, προτείνει την αναλογία μάζας και βάρους και την υποστηρίζει βασιζόμενος ανάμεσα σε άλλα α. σε πειράματα με εκκρεμή τα οποία ο ίδιος πραγματοποίησε και συγκεκριμένα στο εμπειρικό δεδομένο ότι η περίοδος είναι ανεξάρτητη από το βάρος. και β. στο φαινόμενο ελεύθερη πτώση και συγκεκριμένα στο ταυτόχρονο της πτώσης όλων των σωμάτων στο κενό

Τρίτο βήμα στην οικοδόμηση της έννοιας μάζα προτείνεται να είναι η επινόηση ενός τρόπου για να τη μετρήσουμε.
Για τη μέτρηση της μάζας θεωρώ ότι είναι πιο πρόσφορο να στηριχθούμε τόσο στις αναπαραστάσεις που έχουν οι μαθητές από τις καθημερινές τους εμπειρίες/παρατηρήσεις για το βάρος όσο και στις βαρυτικές «μνήμες σώματος» που κουβαλούν .
Διάφορες έρευνες υποδεικνύουν ότι οι μαθητές δεν είναι εξοικειωμένοι με τις διαδικασίες μέτρησης φυσικών μεγεθών. Συγκεκριμένα φαίνεται ότι δεν αντιλαμβάνονται ότι μια μέτρηση είναι ουσιαστικά μια διαδικασία σύγκρισης και της αποδίδουν απόλυτο χαρακτήρα: η μάζα αυτή είναι 1 kg επειδή … είναι 1 kg και όχι επειδή κάποιος επέλεξε να είναι. Θεωρώ ότι στο σημείο αυτό μας δίνεται η ευκαιρία να διαφωτίσουμε αυτό το σκοτεινό σημείο.

Θέτουμε το ερώτημα «πώς θα μπορούσαμε να μετρήσουμε τη μάζα ενός σώματος» αφού προηγουμένως έχουμε αποσαφηνίσει ότι το να τη ΜΕΤΡΗΣΟΥΜΕ σημαίνει να τη συγκρίνουμε με τη μάζα εκείνη που θεωρείται διεθνώς μονάδα μέτρησης. Να συγκρίνουμε δηλαδή τις διαφορετικές αντιστάσεις στη μεταβολή κινητικής κατάστασης ή τα διαφορετικά βάρη. Τους προτείνουμε να αποδεχθούν ότι πρακτικά πολύ πιο εύκολο είναι το «να συγκρίνουμε βάρη».

Ένας ψηφιακός ζυγός, βαθμολογημένος με το βάρος της μάζας/μονάδας μέτρησης είναι η καλύτερη λύση. Τους ζητούμε να ζυγίσουν τις δύο σφαίρες με ένα τέτοιο ζυγό και να καταγράψουν το αποτέλεσμα και τους λέμε ότι «μονάδα μέτρησης της μάζας θεωρείται η μάζα νερού που γεμίζει ένα δοχείο ενός λίτρου και λέγεται κιλογκραμ ή χιλιόγραμμο». Συμβολίζεται με 1 kg .

Τέταρτο βήμα προς την οικοδόμηση είναι η πρότασή μας για έναν ΟΡΙΣΜΟ.
Προτείνουμε έναν λειτουργικό ορισμό του τύπου :

Η μάζα θεωρείται φυσικό μέγεθος το οποίο που χαρακτηρίζει κάθε σώμα. Η μάζα ενός σώματος περιγράφει το «πόσο δύσκολο» είναι να το μετακινήσουμε. Η μάζα κάθε σώματος είναι ανάλογη με το βάρος του, οπότε μπορεί να μετρηθεί και με ζυγό.

Είναι δεδομένο ότι μια ολοκληρωμένη παρουσίαση της έννοιας απαιτεί την επίκληση του 2ου νόμου, στον οποίο όμως δεν έχουμε πρόσβαση. Όμως στο ηλικιακό αυτό επίπεδο ίσως η ποιοτική και μόνο συσχέτιση της μάζας (που έχω μετρήσει βαρυτικά) με τη δυσφορία στην αλλαγή στην κινητική κατάσταση (αδρανειακή μάζα) χωρίς την εμπλοκή του 2ου νόμου, να είναι όχι μόνο εφικτή αλλά και επιθυμητή αφού μπορεί να σπείρει το σπόρο για την κοινή αντιμετώπιση των δυο μαζών (αρχή της ισοδυναμίας), σπόρος που θα ανθίσει στην Α΄ Λυκείου. Από την άλλη, η αδράνεια – δικαίωμα δεν εξαρτάται από τη μάζα: το τρένο, η βάρκα, η μπάλα, το Pioneer θα συνεχίσουν να κινούνται, απουσία τριβών, όσο μεγάλη ή μικρή μάζα έχουν. Συνεπώς επί του παρόντος θεωρώ ότι η αδράνεια – δικαίωμα θα μπορούσε ίσως να περιμένει για άλλα 2 χρόνια προκειμένου να ενταχθεί στα εννοιολογικά εργαλεία των μαθητών.

Πέμπτο βήμα προς την οικοδόμηση της έννοιας προτείνεται να είναι η ανάδειξη της προσθετικής ιδιότητας.

Η ΕΜΠΕΙΡΙΑ 4
Στο εργαστήριο. Πραγματοποιούμε με ζυγό μετρήσεις μαζών τριών διαφορετικών αντικειμένων και στη συνέχεια μέτρηση της μάζας και των τριών αντικειμένων μαζί Ο στόχος της πρότασης είναι να οδηγηθούν οι μαθητές στη θεωρία ότι η μάζα ενός συστήματος είναι ίση με το άθροισμα των μαζών των σωμάτων.
Επιστρέφουμε στην εμπειρία με τα δύο κρεμασμένα κουτιά το άδειο και το γεμάτο με πορτοκαλάδα των δύο κουτιών που είχαμε κρεμάσει και προτείνουμε την ιδέα ότι η μάζα του κουτιού με την υγρό είναι ΑΘΡΟΙΣΜΑ της μάζας που έχει το κουτί όταν είναι άδειο συν τη μάζα του υγρού. Τους προτείνουμε να επινοήσουνε ένα τρόπο ώστε να μετρήσουμε τη μάζα του υγρού.

Ο στόχος της πρότασης είναι να εφαρμόσουν οι μαθητές τη θεωρία για την προθετική ιδιότητα

Η ΣΚΕΨΗ
Η πειραματικά αποδεδειγμένη προσθετική ιδιότητα της μάζας σε επίπεδο μάς επιτρέπει να επιχειρήσουμε να αναδείξουμε τη σχέση της μάζας με την «ποσότητα της ύλης»: αφού η (βαρυτική) μάζα τριών όμοιων σφαιρών είναι 3πλάσια από τη μάζα της μίας σφαίρας τότε η μάζα είναι ανάλογη του αριθμού των σφαιρών, δηλαδή της ποσότητας της «ύλης».

Η παρατήρηση αυτή αποτέλεσε ιστορικά το θεμέλιο λίθο των εμπορικών συναλλαγών, άρα και της οικονομίας, ενώ ανοίγει την κερκόπορτα που οδηγεί στην ατομικότητα της ύλης!

Έκτο βήμα προς την οικοδόμηση της έννοιας προτείνεται να είναι η ανάδειξη της σχέσης της με τις μεταβολές θερμοκρασίας (νόμος της θερμιδομετρίας).

Η ΣΚΕΨΗ

Γιατί, όμως, μία σφαίρα μπορεί να έχει διπλάσια μάζα από μία άλλη σφαίρα; Πώς συνδέεται αυτή η παρατήρηση με το γεγονός ότι η μάζα είναι ανάλογη της ποσότητας της «ύλης»; Ίσως η ερώτηση αυτή να μπορεί να αποτελέσει εφαλτήριο προβληματισμού που σε συνεργασία με το νόμο της θερμιδομετρίας (στον οποίο η έννοια μάζα ενδύεται τον ποσοτικό χαρακτήρα) να μπορούν να στηρίξουν διδακτικά την αναγκαιότητα του ατομικού μοντέλου της ύλης.

Τρία επόμενα βήματα οικοδόμησης της έννοιας μπορούν να γίνουν πλέον στο Λύκειο.

Το έβδομο βήμα προτείνεται να είναι η σύνδεσή της με το δεύτερο νόμο της κίνησης και η μέτρησή της μέσω μετρήσεων επιτάχυνσης.

 Το όγδοο βήμα προτείνεται να είναι η μέτρησή της σε συνθήκες μικροβαρύτητας. Μια ενδεικτική πρόταση μπορείτε να δείτε εδώ.

Το ένατο βήμα προτείνεται να είναι η διαπραγμάτευση της ισοδυναμίας μάζας - ενέργειας και η εξοικείωση με την έννοια έλλειμμα μάζας.