Διαχωρίζοντας την τριβή ολίσθησης από τη στατική τριβή

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η κοινωνική συνιστώσα της μάθησης έχει προσελκύσει το ερευνητικό ενδιαφέρον τις τελευταίες δύο δεκαετίες, μέσα από τις προσπάθειες για την βελτίωση της παρεχόμενης εκπαίδευσης στις φυσικές επιστήμες. Οι παραδοσιακές διαλέξεις, οι οποίες υιοθετούνται από την πλειοψηφία των διδασκόντων στη δευτεροβάθμια εκπαίδευση, βασίζονται στη μονόδρομη επικοινωνία διδάσκοντος– διδασκόμενου. Η προσέγγιση αυτή βασίζεται στην παραδοχή ότι οι μαθητές είναι ικανοί να προσλάβουν την παρεχόμενη πληροφορία και να την ενσωματώσουν στο σύνολο των γνώσεών τους, υπερβαίνοντας τις γνωστικές συγκρούσεις μεταξύ όσων καταλαβαίνουν και πιστεύουν και των νέων γνώσεων στις οποίες εκτίθενται. Ελάχιστοι ωστόσο μαθητές είναι ικανοί να κάνουν κάτι τέτοιο.

Η αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη διδακτικών προσεγγίσεων που αυξάνουν τη συχνότητα και την ποιότητα των αλληλεπιδράσεων κατά τη διάρκεια του μαθήματος, όπως είναι η διδασκαλία μεταξύ ομότιμων (peer instruction) και την προώθηση ομαδοσυνεργατικών δραστηριοτήτων που εμπλέκουν ενεργά το σύνολο των μαθητών. Κοινός σκοπός όλων αυτών είναι η ενεργοποίηση των μαθητών και η αύξηση του ενδιαφέροντος για τις φυσικές επιστήμες, η ανάπτυξη συνεργατικού πνεύματος των μαθητών και η βαθύτερη κατανόηση των εννοιών των φυσικών επιστημών.

Σημαντικό ρόλο στις διδακτικές προσεγγίσεις που επιχειρούνται διαδραματίζει η σύγχρονη εκπαιδευτική τεχνολογία, παρέχοντας αυξημένες δυνατότητες επικοινωνίας και αλληλεπίδρασης αλλά και εξατομίκευσης της μαθησιακής διαδικασίας. Μία τέτοια τεχνολογία συνιστούν και τα συστήματα απόκρισης (Classroom Response Systems - CRSs) ή «κλίκερς», όπως αλλιώς ονομάζονται. Με τη χρήση τους επιχειρείται η δημιουργία ενεργού περιβάλλοντος μάθησης.

 

ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΩΝ ΚΛΙΚΕΡΣ

Τα κλίκερς είναι εξειδικευμένοι υπολογιστές παλάμης με δυνατότητα ασύρματης επικοινωνίας με έναν σταθμό βάσης. 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. Ανάλογα με τον τύπο της συσκευής, κάθε μαθητής ή ομάδα μαθητών ή/και όλοι οι μαθητές μπορούν να δέχονται συγκεκριμένες ερωτήσεις (τις ίδιες ή διαφορετικές ανά μαθητή ή ανά ομάδα) στην οθόνη της συσκευής τους, να απαντούν στέλνοντας κείμενο (με λατινικούς χαρακτήρες), αριθμητικά αποτελέσματα, απαντήσεις σε ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής, απαντήσεις τύπου Σωστό – Λάθος και απαντήσεις ακολουθίας («να βάλετε στη σωστή σειρά»). Οι μαθητές πληροφορούνται ότι η απάντησή τους καταχωρήθηκε, ενώ υπάρχει η δυνατότητα να ενημερώνονται αν έχουν απαντήσει σωστά ή λανθασμένα (ανάδραση μαθητών). Μέσω λογισμικού, που συνεργάζεται με εμπορικά πακέτα παρουσιάσεων, είναι δυνατό αμέσως μετά την αποστολή των απαντήσεων από όλους τους μαθητές να παρουσιαστούν στατιστικά στοιχεία για τις απαντήσεις που δόθηκαν. Τα στοιχεία αυτά είναι δυνατό να προβάλλονται σε όλη την τάξη με τη βοήθεια προβολικού συστήματος.

Τα κλίκερς αποτελούν μια εκπαιδευτική τεχνολογία αιχμής η οποία μπορεί να εμπλέξει ενεργά στην εκπαιδευτική διαδικασία το σύνολο των μαθητών. Όπως κάθε τεχνολογία, όμως, είναι αδύναμη να παράσχει ουσιαστικά μαθησιακά οφέλη αν δεν αξιοποιηθεί παιδαγωγικά ορθά. Ο πιο συνηθισμένος τρόπος αξιοποίησης των κλίκερς είναι η διδακτική μεθοδολογία που είναι γνωστή ως διδασκαλία μεταξύ ομότιμων, η οποία έχει εφαρμοστεί με επιτυχία τόσο σε Πανεπιστήμια των Ηνωμένων Πολιτειών της Αμερικής όσο και άλλων χωρών του εξωτερικού.

Σύμφωνα με αυτή τη διδακτική προσέγγιση, ο διδάσκων θέτει μία ερώτηση εννοιολογικού περιεχομένου την οποία απαντάει κάθε μαθητής μόνος του. Κατά περίσταση, ο διδάσκων προβάλλει ή όχι την κατανομή των απαντήσεων των μαθητών αμέσως μετά την ολοκλήρωση της διαδικασίας αποστολής των απαντήσεων από τους μαθητές (παροχή ανάδρασης) και στη συνέχεια ζητείται από τους μαθητές να συσκεφθούν σε ομάδες των 3-4 ατόμων προσπαθώντας να υπερασπιστούν την άποψή τους και να πείσουν για την ακρίβειά της τα υπόλοιπα μέλη της ομάδας. Μετά από μερικά λεπτά οι μαθητές απαντούν και πάλι στην ίδια ερώτηση. Ο διδάσκων αποκαλύπτει την κατανομή των απαντήσεων των μαθητών και ζητά από εκπροσώπους των διάφορων απαντήσεων να τεκμηριώσουν τις απόψεις τους και να δικαιολογήσουν την επιλογή τους. Στο τέλος αποκαλύπτεται από το διδάσκοντα η σωστή απάντηση και η διαδικασία προχωράει με την επόμενη ερώτηση. Με τον τρόπο αυτό καταργείται ουσιαστικά η κλασική δασκαλοκεντρική διδασκαλία υπό μορφή διαλέξεων.

Η διαφοροποίηση της προσέγγισής μας έγκειται στην εστίαση στην παιδαγωγικά ορθή διαχείριση των κλίκερς και στην αξιοποίηση των πορισμάτων της έρευνας στη διδακτική των φυσικών επιστημών. Έτσι, δημιουργήθηκαν διάφορα εκπαιδευτικά σενάρια για τη διδασκαλία διάφορων εννοιών της Φυσικής, στα οποία η χρήση των κλίκερς είχε ως στόχους:

1. Να ανιχνεύσει μέσω διαγνωστικών ερωτήσεων στην αρχή του μαθήματος τη γνωστική αφετηρία και τις εναλλακτικές ιδέες των μαθητών.
2. Να εμπλέξει όλους τους μαθητές στην εκπαιδευτική διαδικασία μέσω ερωτήσεων κλειστού τύπου κατά τη διάρκεια του μαθήματος.
3. Να καταγράψει την εξέλιξη στο χρόνο της κατανόησης εννοιών κλειδιά για όλους τους μαθητές, θέτοντας την ίδια ερώτηση σε διάφορα στάδια της διδασκαλίας.
4. Να προωθήσει την αλληλεπίδραση μεταξύ των μαθητών μέσω της υιοθέτησης στοιχείων της διδασκαλίας μεταξύ ομότιμων.
5. Να παράσχει διαμορφωτική αξιολόγηση στο διδάσκοντα αλλά και στους μαθητές για το τρέχον επίπεδο κατανόησης κάποιας έννοιας, ώστε ο μεν διδάσκων αν θεωρήσει σκόπιμο να μπορεί να επαναπροσδιορίσει τη διδακτική του μεθοδολογία, οι δε μαθητές να προσδιορίζουν την επίτευξη εκ μέρους τους των διδακτικών στόχων.
6. Να αποτυπώσει τον τρόπο σκέψης όλων των μαθητών προσφέροντας πολύτιμες πληροφορίες τόσο σε γνωστικό όσο και σε μεταγνωστικό επίπεδο.

Παράδειγμα ενός τέτοιου εκπαιδευτικού σεναρίου αποτελεί το σενάριο που ακολουθεί και που αφορά στη διδασκαλία της τριβής στην Α’ Λυκείου.

ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑ ΤΗΣ ΤΡΙΒΗΣ

Απαιτούμενη υλικοτεχνική υποδομή για την υποστήριξη της δραστηριότητας:

1. Ηλεκτρονικός υπολογιστής

2. Προβολικό σύστημα

3. Μία ασύρματη συσκευή κλίκερ για κάθε μαθητή

4. Παιχνίδι Hover football

5. Power Point

6. Λογισμικό συλλογής απαντήσεων των κλίκερς (π.χ. Verdict plus)

Γενικός Σκοπός: Οι μαθητές να ασκηθούν στην επιστημονική μεθοδολογία, εξασκούμενοι να παρατηρούν, να θέτουν ερωτήματα, να κάνουν υποθέσεις και να σχεδιάζουν πειράματα για να ελέγξουν τις υποθέσεις τους.

Επιμέρους Στόχοι ως προς το γνωστικό αντικείμενο και ως προς τη μαθησιακή διαδικασία.

Οι μαθητές, μετά το τέλος του μαθήματος, θα πρέπει:

1. Να αναγνωρίζουν τα φαινόμενα τριβής στην καθημερινή τους ζωή και να μπορούν να τα ερμηνεύουν.

2. Να διατυπώνουν τους ορισμούς και να διαχωρίζουν τη στατική τριβή από την τριβή ολίσθησης.




Διάρκεια: 2 διδακτικές ώρες (2x45 λεπτά)

1η διδακτική ώρα

Αρχικά αναφέρουμε ρητά τους δύο διδακτικούς στόχους στους μαθητές μας.

Προκειμένου να καταγράψουμε τη γνωστική αφετηρία των μαθητών θέτουμε την παρακάτω κλειστή ερώτηση πολλαπλών επιλογών, την οποία οι μαθητές καλούνται να απαντήσουν χρησιμοποιώντας τα κλίκερς τους (έτσι έχουμε πρόσβαση σε πληροφορίες, οι οποίες αποθηκεύονται, για τη γνωστική αφετηρία όλων των μαθητών):

Το Pioneer 10 ταξιδεύει ήδη από το 2000 έξω από τα όρια του ηλιακού μας συστήματος, με σταθερή ταχύτητα μέτρου 40000 km/h. Πώς μπορεί και κινείται με τόσο μεγάλη ταχύτητα;

1. Χρησιμοποιεί πυρηνικά καύσιμα

2. Αξιοποιεί την ηλιακή ενέργεια

3. Χρησιμοποιεί πετρέλαιο

4. Σύμφωνα με τον 1^ο νόμο του Νεύτωνα, δε χρειάζεται κάποια πηγή ενέργειας

5. Τίποτα από τα παραπάνω

6. Δε γνωρίζω

Με δεδομένο ότι έχει προηγηθεί η διδασκαλία του 1ου νόμου του Νεύτωνα, με την ερώτηση αυτή επιδιώκουμε να καταγράψουμε αν οι μαθητές μας έχουν κατακτήσει τις προαπαιτούμενες γνώσεις ώστε να προχωρήσουμε στην οικοδόμηση των νέων εννοιών. Η πράξη δείχνει ότι λίγοι μαθητές απαντούν σωστά αυτή την ερώτηση αφού οι περισσότεροι θεωρούν ως σωστές τις απαντήσεις 1 και 2, αν και η διδασκαλία του 1ου νόμου του Νεύτωνα δεν απέχει πολύ χρονικά. Ο λόγος είναι ότι οι μαθητές συνήθως ασκούνται στην επίλυση ασκήσεων και όχι στη σύνδεση της παρεχόμενης γνώσης με την καθημερινότητα. Χωρίς να προβάλλουμε την κατανομή των απαντήσεων στην ολομέλεια των μαθητών, ζητάμε από κάποιον μαθητή που απάντησε «τίποτα από τα παραπάνω» να παρουσιάσει το συλλογισμό του. Δεν αποκαλύπτουμε τη σωστή απάντηση αλλά υποσχόμαστε ότι αυτή θα συζητηθεί κατά τη διάρκεια του μαθήματος.

Για να επιδιώξουμε τη σύνδεση της διδασκαλίας με την καθημερινή πραγματικότητα, φέρνουμε στην τάξη το παιδικό παιχνίδι Hover football (παρακάτω φωτογραφία). Το συγκεκριμένο παιχνίδι είναι ένας δίσκος εξοπλισμένος στο εσωτερικό του με ένα μικρό ηλεκτρικό μοτέρ, το οποίο τροφοδοτείται από δύο μπαταρίες. Το μοτέρ στέλνει αέρα στο κάτω μέρος του δίσκου δημιουργώντας ένα λεπτό στρώμα αέρα το οποίο επιτρέπει στο δίσκο να κινείται με πολύ μικρή τριβή.

 

Έχοντας αρχικά κλειστό το μοτέρ καλούμε ένα μαθητή να σπρώξει το παιχνίδι στο πάτωμα της αίθουσας. Ο δίσκος διανύει μικρό διάστημα και σταματάει, όπως θα έκανε κι ένα συνηθισμένο αντικείμενο, π.χ. ένα βιβλίο.

Ρωτάμε τους μαθητές να περιγράψουν με όρους φυσικής αυτό που είδαν. Θέτουμε την εξής ερώτηση, την οποία απαντούν χρησιμοποιώντας τα κλίκερς (οι πιθανές απαντήσεις είναι ιδιαίτερα διαδεδομένες εναλλακτικές ιδέες των μαθητών σε όλο τον κόσμο):

Ο δίσκος σταματάει επειδή:

1. Δεν ασκείται πάνω του κάποια δύναμη ώστε να μπορεί να συνεχίσει να κινείται

2. Στο δίσκο ασκείται μία δύναμη αντίθετη της ταχύτητάς του από το τραπέζι

3. Η δύναμη από το χέρι μου όλο και μικραίνει μέχρι να μηδενιστεί οπότε σταματάει και ο δίσκος

4. Για κάποιον άλλο λόγο που δεν γνωρίζω


 

Προβάλλουμε την κατανομή των απαντήσεων σε όλους τους μαθητές και σχολιάζουμε το γεγονός ότι οι απόψεις τους δεν ταυτίζονται αλλά μοιράζονται σε όλες σχεδόν τις απαντήσεις. Το γεγονός αυτό συμβάλλει στην απενεχοποίηση τους λάθους και βοηθάει τους μαθητές να αποκτήσουν αυτοπεποίθηση ώστε να διατυπώνουν χωρίς ντροπή τις απόψεις τους ενώπιον των συμμαθητών τους και του εκπαιδευτικού. Έτσι, ο εκπαιδευτικός έχει τη δυνατότητα να έχει εικόνα του τρόπου με τον οποίο σκέφτονται οι μαθητές και δομούν τις διάφορες έννοιες και επομένως μπορεί να αποφασίσει σε πραγματικό χρόνο για τους τρόπους δράσης του. Από την άλλη, οι μαθητές αναπτύσσουν λεκτικές δεξιότητες, ενώ επιχειρώντας να παρουσιάσουν τις ιδέες τους αντιλαμβάνονται σε μεγαλύτερο βάθος το εύρος και το πεδίο ισχύος των υπό διαπραγμάτευση εννοιών.

Ανοίγουμε το μοτέρ του δίσκου, εξηγούμε εν τάχει πώς λειτουργεί ο δίσκος χωρίς ωστόσο να χρησιμοποιήσουμε όρους φυσικής, και ζητάμε από τον ίδιο μαθητή να σπρώξει το δίσκο, ασκώντας όσο το δυνατόν δύναμη ίδιου μέτρου με την προηγούμενη φορά. Ο δίσκος διανύει σαφώς μεγαλύτερο διάστημα από ό,τι πριν μέχρι να σταματήσει. Χωρίζουμε τους μαθητές σε 4μελείς ομάδες και τους θέτουμε την ίδια ερώτηση:

Ο δίσκος σταματάει επειδή:

1. Δεν ασκείται πάνω του κάποια δύναμη ώστε να μπορεί να συνεχίσει να κινείται

2. Στο δίσκο ασκείται μία δύναμη αντίθετη της ταχύτητάς του από το τραπέζι

3. Η δύναμη από το χέρι μου όλο και μικραίνει μέχρι να μηδενιστεί οπότε σταματάει και το σώμα

4. Για κάποιον άλλο λόγο που δεν γνωρίζω

Οι μαθητές αλληλεπιδρούν μέσα στις ομάδες τους, ανταλλάσσουν απόψεις και αρκετοί αλλάζουν άποψη σε σχέση με την απάντηση που έδωσαν όταν ο δίσκος κινήθηκε με κλειστό το μοτέρ. Προκαλείται συζήτηση ανάμεσα στις ομάδες όπου ανακύπτουν διαφωνίες. Προτείνουμε την προσφυγή στη φυσική…

Καλούμε κάποιον μαθητή να θυμίσει στην τάξη τι συμβαίνει, σύμφωνα με τον 1ο νόμο του Νεύτωνα, όταν η συνισταμένη δύναμη σε ένα αντικείμενο είναι ίση με μηδέν. Στη συνέχεια ζητάμε από κάποιον άλλο μαθητή να θυμίσει στην τάξη τι συμβαίνει, σύμφωνα με το 2ο νόμο του Νεύτωνα, όταν η συνισταμένη δύναμη σε ένα αντικείμενο είναι διαφορετική από μηδέν. Σχολιάζουμε ιδιαίτερα την περίπτωση που η συνισταμένη δύναμη έχει αντίθετη φορά από την ταχύτητα του αντικειμένου.

Ζητάμε από τους μαθητές να συγκρίνουν την κίνηση που κάνει ο δίσκος που είδαν και η διαστημοσυσκευή Pioneer, η οποία αναφέρθηκε στην πρώτη ερώτηση. Τι είδους κίνηση εκτελεί καθένα από τα δύο αυτά αντικείμενα; Που μπορεί να οφείλεται κάθε κίνηση;

Αρκετοί μαθητές συνδέουν την επιβραδυνόμενη κίνηση του δίσκου με την άσκηση δύναμης με αντίθετη φορά από αυτή της ταχύτητας του δίσκου, ενώ αποδίδουν την ομαλή κίνηση του Pioneer στη μηδενική τιμή της συνισταμένης δύναμης που του ασκείται.

Ο εκπαιδευτικός θέτει τότε την ερώτηση: Ποιος ή τι ασκεί τη δύναμη πάνω στο δίσκο;

Μέσα από τη συζήτηση στην ολομέλεια οι μαθητές διαπιστώνουν ότι, σε αντίθεση με το Pioneer, ο δίσκος βρίσκεται σε επαφή με το πάτωμα ως προς το οποίο κινείται. Άρα, το πάτωμα ασκεί δύναμη στο δίσκο αντίθετης φοράς από αυτή της ταχύτητάς του, αφού τελικά ο δίσκος σταματάει.

Ο εκπαιδευτικός συνοψίζει τις απόψεις δίνοντας τον ορισμό της τριβής ολίσθησης ως τη δύναμη που αναπτύσσεται ανάμεσα σε δύο σώματα που βρίσκονται σε επαφή μεταξύ τους όταν βρίσκονται σε σχετική κίνηση το ένα ως προς το άλλο. Η δύναμη αυτή αντιτίθεται στη σχετική κίνηση των δύο σωμάτων.

Προκειμένου να συνδεθεί η νέα έννοια με την καθημερινή πραγματικότητα ζητείται από τους μαθητές να περιγράψουν καταστάσεις που έχουν βιώσει στις οποίες να εμφανίζεται η τριβή ολίσθησης. Επιστρέφοντας στο παιχνίδι, ζητάμε από τους μαθητές να εξηγήσουν τις συνέπειες που έχει η τριβή ολίσθησης στην κίνηση του δίσκου.

2η διδακτική ώρα

Έχοντας οικοδομήσει μέσα από τη μελέτη καθημερινών καταστάσεων την έννοια της τριβής ολίσθησης, το επόμενο βήμα είναι η ανάπτυξη της έννοιας της στατικής τριβής. Θέλοντας να τονίσουμε τη σημασία του να παρατηρούμε ό,τι συμβαίνει τριγύρω μας για να ανακαλύψουμε τον κόσμο της φυσικής, δείχνουμε στους μαθητές μία εικόνα από έναν σερβιτόρο που κρατάει ένα δίσκο πάνω στον οποίο βρίσκεται ένα ποτήρι. Τονίζουμε ότι αν και όλοι είναι εξοικειωμένοι με αυτή την εικόνα, όταν ο σερβιτόρος αρχίζει να κινείται, τότε συμβαίνει κάτι μαγικό! Τους ρωτάμε να εντοπίσουν αυτό το «μαγικό» στοιχείο…

Οι μαθητές λένε διάφορα, σπάνια όμως κάποιος διαπιστώνει αυτό που θέλουμε: το ποτήρι πάνω στο δίσκο αρχίζει να κινείται, όταν κινείται ο σερβιτόρος που κρατάει τι δίσκο. Αρχικά οι μαθητές δυσπιστούν ως προς τη «μαγεία» του συγκεκριμένου γεγονότος καθώς είναι απόλυτα εξοικειωμένοι με αυτό. Τότε τους ρωτάμε: το ποτήρι αρχικά ήταν ακίνητο και τώρα κινείται. Ποιος ή τι του άσκησε δύναμη προκειμένου να μεταβάλλει την κινητική του κατάσταση;

Θέτουμε την παρακάτω ερώτηση, την οποία οι μαθητές καλούνται να απαντήσουν ο καθένας μεμονωμένα με τα κλίκερς, αφού πρώτα αλληλεπιδράσουν μέσα στις ομάδες τους:

Το ποτήρι αρχίζει να κινείται επειδή:

1. Του ασκεί δύναμη ο σερβιτόρος
2. Αρχίζει να κινείται και ο σερβιτόρος
3. Του ασκεί δύναμη τριβής ο δίσκος η οποία είναι ομόρροπη με την κίνηση
4. Ισχύει κάτι άλλο
5. Δε γνωρίζω

Οι περισσότεροι μαθητές θεωρούν ότι το ποτήρι κινείται επειδή ο σερβιτόρος του ασκεί δύναμη. Ο εκπαιδευτικός τους βοηθά να εστιάσουν στο γεγονός ότι οι δυνάμεις ασκούνται είτε από επαφή είτε από απόσταση θέτοντας την παρακάτω ερώτηση υπενθύμισης, την οποία οι μαθητές καλούνται να απαντήσουν με τα κλίκερς τους:

Οι δυνάμεις μπορούν να δρουν:

1. Από απόσταση
2. Με επαφή
3. Και από απόσταση και με επαφή
4. Τίποτα από τα παραπάνω
5. Δε γνωρίζω

Ο εκπαιδευτικός τονίζει ότι ο σερβιτόρος ΔΕΝ ακουμπάει το ποτήρι ενώ είναι μάλλον απίθανο να υποθέσουμε ότι διαθέτει τηλεκινητικές ικανότητες…

Στο σημείο αυτό έχουμε καταφέρει να κεντρίσουμε σε πολύ υψηλό βαθμό το ενδιαφέρον των μαθητών. Για να τους βοηθήσουμε να συγκεντρώσουν την προσοχή τους στα σημαντικά σημεία θέτουμε διαδοχικά τις ακόλουθες ερωτήσεις:

• Προς τα πού κινείται το ποτήρι; 
• Ποιος ή τι μπορεί να του ασκεί δύναμη προς αυτή την κατεύθυνση

Συμπερασματικά, οι μαθητές καταλήγουν στο ότι μόνο ο δίσκος είναι σε επαφή με το ποτήρι άρα μόνο αυτός μπορεί να του ασκήσει δύναμη προς την κατεύθυνση της κίνησής του.

Ο εκπαιδευτικός ρωτάει τους μαθητές να φανταστούν τι θα συνέβαινε αν το ποτήρι ήταν απόλυτα λείο. Θα κινιόταν άραγε το ποτήρι;

Ακούγονται διάφορες απόψεις όπου οι μαθητές χρησιμοποιούν με διάφορους τρόπους την έννοια της τριβής. Δεν επιχειρούμε στο σημείο αυτό διορθώσεις, αλλά επειδή διαπραγματευτήκαμε μόλις παραπάνω την έννοια της τριβής ολίσθησης, ρωτάμε αν μπορεί η δύναμη αυτή να είναι η τριβή ολίσθησης.

Και πάλι ακούγονται διάφορες απόψεις. Για να τονίσουμε την αξία της δουλειάς που έγινε κατά την 1η ώρα, ανατρέχουμε στον ορισμό που δώσαμε. Καταρχάς, υπάρχει επαφή μεταξύ δύο αντικειμένων, όμως δεν υπάρχει σχετική κίνηση και επιπλέον, η δύναμη δεν είναι αντίθετη της κίνησης αλλά ομόρροπη. Άρα η δύναμη αυτή φαίνεται διαφορετική οπότε πρέπει να έχει και διαφορετικό όνομα. Επειδή φαίνεται όμως να σχετίζεται με ό,τι αποκαλείται τριβή (πολλοί μαθητές πιστεύουν ότι δεν θα υπήρχε κίνηση του ποτηριού αν ο δίσκος ήταν λείος), προτείνουμε το όνομα στατική τριβή. Τονίζουμε ότι ο επιθετικός προσδιορισμός «στατική» σχετίζεται με το γεγονός ότι η δύναμη αυτή εμφανίζεται ενόσω δεν υπάρχει σχετική κίνηση μεταξύ των δύο αντικειμένων. Αφήνουμε, ωστόσο, ανοικτό το ενδεχόμενο να επαναπροσδιορίσουμε τη στάση μας απέναντι στη νέα έννοια υπό το φως των χαρακτηριστικών της που θα ανακύψουν από την περαιτέρω διερεύνησή της (η επιστημονική γνώση είναι δυναμική και υφίσταται διαρκείς εκλεπτύνσεις και μετασχηματισμούς).

Προκειμένου να εφαρμοστεί η νέα έννοια σε πραγματικές καταστάσεις, και οι μαθητές να εμβαθύνουν σε αυτή, δείχνουμε μία φωτογραφία ενός αυτοκινήτου που βρίσκεται σταματημένο σε κατηφορικό δρόμο. Ρωτάμε τους μαθητές να μας πουν ποιες δυνάμεις ασκούνται στο αυτοκίνητο. Λόγω της ισορροπίας προκύπτει η ανάγκη να υποθέσουμε την ύπαρξη μιας δύναμης με φορά προς τα πάνω. 

Ρωτάμε τους μαθητές να προβληματιστούν για το ποιος ασκεί αυτή τη δύναμη στο αυτοκίνητο. Λόγω της εμπειρίας τους με το ποτήρι και το δίσκο οι μαθητές εύκολα απαντούν ότι τη δύναμη την ασκεί ο δρόμος. Τους ζητάμε να συζητήσουν μέσα στις ομάδες τους για να εντοπίσουν ομοιότητες και διαφορές με την περίπτωση του δίσκου. Οι μαθητές καταλήγουν ότι υπάρχει επαφή δύο αντικειμένων (αυτοκίνητο – δρόμος) ενώ επίσης δεν υπάρχει σχετική κίνηση μεταξύ τους. Σε αντίθεση με το ποτήρι, το αυτοκίνητο δεν κινείται μαζί με το δρόμο (αν και κάποιοι μαθητές αντιλέγουν στο σημείο αυτό ότι το σύστημα κινείται καθώς η Γη κινείται στο διάστημα!). Επομένως, η δύναμη αυτή έχει τα χαρακτηριστικά της στατικής τριβής, αν και εμφανίζει ένα διαφορετικό πρόσωπο: αντί να θέτει σε κίνηση (όπως ο δίσκος το ποτήρι) προκαλεί την ακινησία του αυτοκινήτου.

Για να αποτιμήσουμε την αποτελεσματικότητα της διδασκαλίας θέτουμε στο τέλος του μαθήματος τις εξής δύο ερωτήσεις του τύπου Σωστό/Λάθος, τις οποίες οι μαθητές απαντούν με τα κλίκερς τους:

Ένας ξύλινος δίσκος Α τοποθετείται πάνω στη λεία οριζόντια επιφάνεια ενός τραπεζιού. Πάνω στο δίσκο Α τοποθετείται ένας όμοιος δίσκος Β ο οποίος είναι δεμένος με μικρό αβαρές νήμα. Ασκούμε σταθερή οριζόντια δύναμη F, μέσω του νήματος, στο δίσκο Β και παρατηρούμε ότι το σύστημα των δύο δίσκων αρχίζει να γλιστράει πάνω στο τραπέζι. Άρα, 

1. Ο δίσκος Α κινείται επειδή ασκείται σε αυτόν η δύναμη F.

2. Ο δίσκος Α κινείται εξαιτίας της στατικής τριβής που ασκείται σε αυτόν από το δίσκο Β

Teaching materials’ properties to K-12 students using a sensor board

In this work we present two teaching modules, based on the combination of Scratchboard and Scratch, to be used for the study of materials’ thermal properties such as thermal conductivity and heat capacity.  These properties are very important for the understanding of many applications. In the design of the modules we have taken into account two scenarios, one for elementary and secondary school students and one for high school students. This determines not only the type of measurement and the analysis of the data but also the Scratch interface.  The main emphasis for the lower grades is placed on the introduction of the concepts and a demonstration of the differences of the properties of different materials, while for the upper grades for making accurate measurements through inquiry based projects. Both modules have been implemented in a high school laboratory, providing reliable measurements and engaging the students in a higher level than usually.

Pierratos T., Koltsakis E., Polatolgou H.. «Teaching materials’ properties to K-12 students using a sensor board», Materials Education, edited by M. Marinho Patterson, D. Dunham, E. Marshall, J. Nucci (Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Volume 1233, Warrendale, PA, 2010. DOI: 10.1557/PROC-1233-PP04-27.

INTRODUCTION

The progress of ICT provides tools for improving the quality and the ease of access to education and training. For science teaching, data acquisition systems are a powerful tool for real-time measuring and presenting various physical quantities in school science laboratories. But these systems are in general quite expensive and sophisticated for average students’ use. In this work an alternative system is proposed: the combination of Scratchboard and Scratch. Both of them have been developed in MIT Media Labs; Scratch Board is a sensor board coming with several sensors embedded. On the other hand Scratch is a new freeware multilingual programming environment that can be easily used by pupils to create their own animated stories, video games and interactive art and share their creations with each other across the Internet [1-4]. Both Scratch and Scratchboard have been developed to be used in a very wide field of activities. This system is not especially addressed to science lessons’ activities; there are integrated data acquisition systems for such a use available. One nice feature is that Scratchboard has several sensors embedded and comes to a very low price, less than fifty Euros.  In addition, it communicates with Scratch, which is a LOGO-based education oriented software. This gives rise to the research question: can this system be used to study thermal properties of materials such as thermal conductivity and heat capacity in school laboratories? Seeking an answer to this question, we designed two teaching modules and we are also in the process of preparing a new set of activities on subjects like optical and electrical properties.

Theory

Steady state conduction is the form of conduction which happens when the temperature difference is constant, so that after an equilibration time, the spatial distribution of temperatures in an object does not change (for example, a bar may be cold at one end and hot at the other, but the gradient of temperatures along the bar do not change with time). In short, temperature at a section remains constant and it varies linearly along direction of heat transfer [5]. In steady state the amount of heat entering a section is equal to the amount of heat coming out. There also exist situations where the temperature drop or raise occurs more drastically and the interest is in analyzing the spatial change of temperature in the object over time. This mode of heat conduction can be referred to as unsteady mode of conduction or transient conduction [6]. Analysis of these systems is more complex and (except for simple shapes) calls for the application of approximation theories and/or numerical analysis with the use of a computer [7]. The mathematical description of transient heat conduction yields a second-order, parabolic, partial-differential equation [8]:

where κ is the thermal diffusivity and  U(x,t) is the temperature.

When applied to regular geometries such as infinite cylinders, spheres, and planar walls of small thickness, the equation is simplified to one having a single spatial dimension.  With specification of an initial condition and two boundary conditions, the equation can be solved using separation of variables -- leading to an analytical expression for temperature distribution in the form of an infinite series.  The time-honored Heisler charts were generated a half-century ago using a one-term approximation to the series, and have been used widely ever since for 1-D, transient-conduction applications [9]. The general solution of equation (1) is [8]:

where

EXPERIMENT
Scratchboard is connected to a computer through a serial-to-USB cable that comes together with the board. The communication protocol is the RS-232 and the transfer baud rate is 38.4k. The connection between Scratch and Scratchboard is realized using sensing blocks. Sensor value blocks give readings ranging from 0 to 100 or ranging from 0 to 1023 if the user prefers to read raw 10-bit data [10]. These values can be used to control graphic effects or can be stored in a log file.
In a stanchion we placed a steel bar with 30 cm length and 5mm diameter (Figure 1a).

Figure 1. a. The steel bar is heated and three thermistors record its temperature at three different points. b. Two horseshoe aluminum bars with a thickness of 3mm and 8mm respectively are heated and two thermistors record the temperature of each one at some point. c. Two horseshoe bars (a copper one and an aluminum) with a thickness of 3mm are heated and two thermistors record the temperature of each one at some point.

Alternatively we used horseshoe bars of the same material (aluminum) and different thickness (3mm – 8mm) (Figure 2b) or the same thickness (3mm) and different material (copper – aluminum) (Figure 2c). In all cases one of the ends of the bar was placed above a candle flame. The rate of combustion should remain constant for all the experiments in order to provide heat at a constant rate. Along the bars thermistors were placed, connected with Scratchboard through alligator clips. As the bars were heated, the resistance of the thermistors was raised and their values were recorded. As these values are in arbitrary units; we used a digital thermometer for calibration.
According to the level of the students we addressed the Scratch’s interface differently. For elementary level students a bar was shown, with its color changing from point to point according to the chance of the temperature. For secondary level students graphs were provided that presented the change of temperature versus time (Figure 2).

Figure 2. A Scratch’s screenshot.

DISCUSSION
Students realize the setting presented in Fig. 1a and start the measurements. Data collected for about 40 minutes are presented in Fig. 3.

Figure 3. Temperature vs time at three points along a steel bar.

The heating of the bar’s end is terminated at the moment that the temperature of the nearest sensor reaches its maximum (blue line). It is obvious in Fig. 3 that the temperature acquired at various points of the bar depends on their distance from the heating source. The closer to the source they are, the higher their temperature. It is also obvious that, for bar points far from the heat source, the temperature continues to increase, even after the interruption of heating (energy offer), due to the heat conduction from the hotter end to the cooler end of the
bar. Finally, during the cooling process, curves are compatible to Newton’s law of cooling. Students then realize the setting seen in Fig. 1b. Data collected for 40 minutes are presented in Fig. 4.

Figure 4. Temperature vs time at two points of a copper bar and an aluminum bar.

From Fig. 4, we can observe that the copper bar reaches faster higher temperatures than the aluminum bar, because of its higher thermal conductivity and lower heat capacity. Finally, students constructed the setting presented in Fig. 1c and started the measurements. Data collected for about 15 minutes are presented in Fig. 5.

Figure 5. Temperature vs time at one points of two aluminum bars with different thickness.

Two phenomena can be distinguished in Fig. 5: a) because the thicker bar has a larger thermal conductivity, its temperatures increases more rapidly (at least in the beginning), and b) due to its bigger mass, the thicker bar’s heat capacity is larger than the thinner bar’s, resulting in a higher final temperature for the thinner bar. The graphic representations that came out are in very good agreement with results of simulations [11], [12], and they provide the chance to discuss the laws about the phenomena through inquiry based hands on activities.
It is quite obvious that this setup can provide an accurate measurement of the physical quantities involved after the thermistors’ calibration. In addition the low cost apparatus offers the chance to all students in a science class to study a law of Physics by participating in such a hands-on activity. At least in Greek schools, students usually just watch their teacher performing a high accuracy measurement experiment, using an expensive data acquisition system.

CONCLUSIONS
Data acquisition systems provide a powerful tool for measuring and presenting online various physical quantities in school science laboratories. As these systems are in general quite expensive and sophisticated, the use of Scratchboard and Scratch could provide an alternative solution for most schools’ laboratories. According to our experience, the appropriate use of such a system amplifies the possibility for students to be engaged in the learning process through programming, inquiry based and hands-on activities. Technically speaking, the sensor board can measure several physical quantities simultaneously and the powerful user-friendly software makes the presentation of the data as well as their processing easy. There is no doubt that the proposed system cannot totally replace the specialized data acquisition systems in upper secondary schools, where the students do have to make precise measurements. But it could be used in a very promising way in lower secondary and in primary education, where sophisticated data acquisition systems usually do not exist. This way would alter students’ interest about science and laboratory activities.

REFERENCES
1. J. Maloney, L. Burd, Y. Kafai, N. Rusk, B. Silverman and M. Resnick, Scratch: A Sneak Preview. Second International Conference on Creating, Connecting, and Collaborating through Computing. Kyoto, Japan, 2004, pp. 104-109.
2. A. Monroy-Hernández and M. Resnick, Empowering kids to create and share programmable media. Interactions, March-April 2008.
3. S. Papert, Mindstorms: Children, Computers, and Powerful Ideas, 2nd ed. 1993, NY: Basic Books.
4. M. Resnick, Sowing the Seeds for a More Creative Society. Learning and Leading with Technology, 2007, available at http://web.media.mit.edu/~mres/papers/Learning-Leadingfinal.pdf, 10/2/2009.
5. Sukhatme, S. P, Text Book on Heat Transfer, Universities Press, 1996.
6. Introduction to Transient Conduction and Convection, http://www.ni.com/pdf/academic/us/me105_lab2_2003.pdf
7. Transient Conduction, Retrieved from http://www.philonnet.gr/downloads/ansys/flowlab/unsteady_tutorial.pdf, 1/8/2009.
8. Weisstein, Eric W. "Heat Conduction Equation." From MathWorld--A Wolfram Web Resource. http://mathworld.wolfram.com/HeatConductionEquation.html
9. R.J. and O'Leary, G.W., "A Teaching Module for One-Dimensional, Transient Conduction", Computer Applications in Engineering Education, Vol. 6, pp. 41-51, 1998.
10. Scratch web site http://info.scratch.mit.edu/@api/deki/files/1162/=ScratchBoard_Tech_InfoR1_(1).pdf
11. L. G. Leal (1992) Laminar flow and Convective Transport Processes, Butterworth pp 139- 144.
12. Mark J. McCready (1998) Solution of the Heat Equation for transient conduction by Laplace Transform, Retrieved from http://www.nd.edu/~mjm/heatlaplace.pdf, 10/9/2009

Enhancement of Peer Instruction in a Introductory Physics Laboratory Course Using Classroom Response Systems

In this work, we present the results of the incorporation of a wireless classroom response system in laboratory practice. The present study was conducted in the frame of the Introductory Physics Laboratory, a first year undergraduate course at the Physics Department in Aristotle University of Thessaloniki. In particular a novel approach to the peer instruction method was implemented during two successive academic years in two classes attended by 23 students. Nine questions of the Force Concept Inventory were used in order to record its didactic effectiveness. According to our results the students perform much better than in the more widespread version of the peer instruction method as measured by a gain index.
  

Pierratos, T., Polatoglou, M. H. (2011). Enhancement of Peer Instruction in a Introductory Physics Laboratory Course Using Classroom Response Systems. Proceedings of 11th International IHPST and 6th Greek History, Philosophy and Science Teaching Joint Conference. pp. 593-598. ISBN 978-960-458-325-6.

Introduction

Wireless Classroom Response Systems (CRS), often referred to as “clickers”, address two important issues in teaching, namely how to actively engage students in the educational process  and how to assess in real time the status of conceptual understanding (Hake, 1998).

The main components of a CRS are a computer, a data projector to present concept tests (normally a multiple-choice question aimed at testing students’ understanding of a concept), a set of handsets (transmitters similar to television & video remote controls), sensors (receivers) that allow students to signal their responses to the concept test, and software that allows class responses to be collected and immediately displayed as a histogram for students to see (i.e. feedback to students).

In a regular classroom, feedback can be acquired by multiple means, including a show of hands, asking volunteers to share answers, or using colored cards to represent multiple choice responses (Draper, Cargill, & Cutts, 2002; McCabe, 2006). However these methods have notable disadvantages. A show of hands, for example, is limited because it is difficult to obtain a quick, accurate sense of class understanding, particularly in a large lecture. Furthermore, some students are inclined to copy the responses of others. In addition, when hands are lowered, information is lost (Abrahamson, 2006). Also, relying on volunteers is somewhat restrictive because, only the confident students raise their hands (Banks, 2006). Note also that with a show of hands or asking volunteers to respond, anonymity is lost. Using a CRS helps improve the feedback process by guaranteeing anonymity, assures quick and efficient collection and summary of student responses, and prevents students from copying the answers from their peers.

The use of a CRS can offer real-time feedback to both instructors and students as to how well concepts are being understood (formative assessment) and alter the course of classroom instruction. Experienced teachers can quickly modify explanations or mode of instruction (contingent teaching) or students can gauge and discuss their understanding with their peers (peer-instruction). Extensive evidence suggests that using a CRS helps provide effective formative assessment (Bergtrom, 2006; Bullock et al., 2002; Caldwell, 2007; Dufresne & Gerace, 2004; Elliott, 2003).

After CRS feedback is presented to the class students are able to compare their understanding with their fellow classmates. There is some evidence to suggest that students like to see how well they are doing relative to their peers (Caldwell, 2007; Draper & Brown, 2004). It is unclear from the research to date, though, why students like to compare responses. It could be that the use of a CRS promotes a competitive atmosphere, a goal that may not promote a strong sense of community. Alternatively, some students may want to monitor their progress, while others may want assurance that they are not alone in their misunderstanding of key concepts.

Nevertheless, many studies suggest that frequent and positive interaction occurs when CRSs are used (Banks, 2006; Beatty, 2004; Bergtrom, 2006; Caldwell, 2007; Trees & Jackson, 2007). Specifically, researchers have reported greater articulation of student thinking (Beatty, 2004), more probing questions, an increased focus on student needs (Siau et al., 2006), effective peer-to-peer discussions (Bergtrom, 2006), and active learning (Kennedy et al., 2006).

The use of a CRS increases the quantity and quality of class discussions, particularly when employed with a strategy known as ‘‘peer instruction” (Beatty, 2004; Brewer, 2004; Draper & Brown, 2004; Nicol & Boyle, 2003). Peer instruction occurs when a teacher presents a question using a CRS, collects student responses and presents responses from the class, but does not provide the correct answer. Instead, the class is instructed to discuss possible solutions in pairs and then students are provided with the opportunity to answer for a second time. After the second round of answers, the issues are resolved through class discussion and clarifications from the instructor. The research indicates that students feel they are better able to discuss and calibrate their understanding of specific concepts when peer instruction is employed (Draper & Brown, 2004) and being more interested or engaged in concepts presented and discussed using a CRS (Bergtrom, 2006; Hu et al., 2006; Preszler et al., 2007; Simpson & Oliver, 2007). Some students prefer hearing explanations of CRS questions from their peers who have a similar language and therefore can explain problems and solutions more effectively than the instructor (Caldwell, 2007; Nicol & Boyle, 2003). Other students claim that using a CRS pushes them to think more about the important concepts (Draper & Brown, 2004). Still others believe that the use of a CRS helps them discover and resolve misconceptions (d’Inverno et al., 2003).

In addition, extensive qualitative research suggests that learning performance increases as a result of using CRSs (Brewer, 2004; Caldwell, 2007). Many experimental studies report that classes using CRSs significantly outperform those using traditional lecture formats (Fagan, Crouch, & Mazur, 2002).

One drawback noted by several instructors is that not as many concepts can be addressed when using a CRS (Caldwell, 2007; Elliott, 2003). However, many of these same instructors acknowledge that reduced content coverage is more than compensated for by the depth of material that students truly understand (Elliott, 2003). So, using a CRS appears to emphasize the depth of student understanding, not the amount of material “covered”.

Given that all previous research in this area has been conducted in the USA or countries others than Greece, our research allowed us to test the robustness of these instruction methods and tools in a different cultural and educational context. In addition we implemented the CRS in a laboratory course attended each time only by a small number of students (11-12 students), in contrast to the usual case of addressing large lecture hall audience. In particular, the present study was conducted in the frame of the Introductory Physics Laboratory, a first year undergraduate course at the Physics Department in Aristotle University of Thessaloniki. Various teaching strategies were designed in order to cover different aspects of the education process.  For practical reasons we have decided to implement only those strategies which could enhance peer-learning and are related to the pre-laboratory conceptual understanding of key concepts, related to the experimental part.

The wireless Classroom Response System

The system which we used during the present study is the Hitachi Verdict plus (Fig. 1). The system comprises of 30 students’ control units, 1 teacher’s control unit and one transmitter/receiver. The teacher holds a control unit that has a display through which he/she receives the students’ answers and a keyboard which can be used to send messages to all or to individual students, to control the educational process by changing the displayed power point page, to start or stop the voting process.

Students’ clicker includes a similar display through which the students can receive messages, see the answer which they have selected before actually submitting it, and can get a report on the correctness of the answer if the teacher allows it. A unique identity number is assigned to each individual clicker. 

In order to utilize the above mentioned hardware the Verdict plus 1.6.4.0 application was used.  This application supports the use of PowerPoint presentations and can produce analytical reports, after the educational process, concerning each question, each student, or the whole class.  The data can be exported in different standard formats and therefore one can further analyze the results with appropriate tools.

Figure1. Hitachi-Verdict plus CRS

Methodology

The introductory laboratory class consists of nine laboratory sessions of four hours each that aim to study one particular phenomenon during each session.  The sessions are design in such a way as to gain insight into physics notions. We have chosen to intervene using the CRS in six laboratory sessions to study students’ alternative ideas and how these ideas are changed during the laboratory work.  The CRS was also utilized to assess whether they can promote the teaching between peers (Mazur, 1997), i.e. working in groups (Fig. 2).

 

Figure 2.  Students confer together in groups of three.

The intervention was implemented during two successive academic years, namely 2009-2010 and 2010-2011, in two classes attended by 23 students (of 11 and 12 students).

For each class a sort introduction was given to familiarize the students with the clickers and their use.  Special emphasis was placed to explain the assurance of anonymity in the use of CRS controls. In order to assist the analysis of the results and study the behavior of each student over the six sessions we have suggested that each student peaks at random a clicker but always to use the same control unit.  Therefore the identity of the particular student was on purpose unknown and the students could answer freely without having to worry that their answers will be used to grade them.

Various teaching strategies were implemented under the umbrella of the peer instruction methodology. Usually, this methodology takes two rounds of answers from the students. In our novel version the students were asked to answer three times.

In particular, for the first round of answers each student is asked to answer the question posed individually. As the students were supplying their answer, they could observe on the screen, not the particular answers but how many students have already answered.  Immediately after the conclusion of the first answering round the results of how many answered a particular choice were displayed in the form of a histogram, similar to the one in Fig. 3.

Without the disclosure of the correct answer the students are asked to work in groups of three and to try to persuade each other on the correctness of their choice, or in case that all the students within a group choose the same answer to discuss why the other students choose a different answer.  After 2-3 minutes the students are asked to answer again the same question and the distribution of all the answers is again displayed. Each possible answer is defended by a volunteer student who tries to argue on his or her point of view. That causes a wide discussion among all the students that interchange arguments and reveal to the teacher their way of thinking. Then the students answer the same question for a third time. The distribution of all the answers is displayed and the teacher discloses the correct answer and explains the reasons the other answers are not correct. The students that have given wrong answers are asked to reconsider their statements and reflect on the possible weak points of argumentation. The implementation of this novel peer instruction method aims to study the effectiveness of the introduction of the conversation among groups of student complementing the conversation in the each group. If this is effective then the extra time required could be justified.

In order to peak up questions to support each instructional module weighted inventories were used, like Force Concept Inventory (FCI), or questions used by the instructors during the last 10 years that teach this particular course.

Results

The Introductory Physics Laboratory comprises of nine instruction sessions two of which are related to the first law of Newton and the projectile motion. The present study will focus on the intervention on these two particular sessions.  Very suitable for such a study are questions from standardized inventories such as the Force Concept Inventory (Hestenes, Wells & Swackhamer, 1992). According the subject matter of the two sessions we have chosen the questions numbered 4, 6, 8, 28, 26, 27, 3, 16, 29 which in the following will be refered using numbers from 1 to 9 in the above sequence. In Figure 3 is displayed the distribution of the answers of the 23 students for the three rounds, in questions 6 of FCI. Such a distribution can provide a teacher with valuable information about students’ misconceptions and how some times it is hard to reconstruct them during an instructional practice. However, because of the limited number of possible answers in a multiple answer question like those in the FCI, its quite difficult for every student’s misconception to be revealed. Althought using a weighted questionnaire like FCI decreases this possibility, the extended discussions that took place among the students between the second and the third round of anwering, proved that this not sufficient enough.

Figure 3.

In Figure 4 is displayed the percentage distribution of the correct answers given by the 23 students in the nine FCI’s questions during the two sessions. In agreement with other researchers (Crouch & Mazur, 2001) and our previous work (Pierratos et al., 2010) it was recorded that the number of students who respond correctly after the interaction in their groups (2nd round) and especially after the interaction with other groups (3th round) increases. 

 

Figure 4.

Α possilbe measure of the average effectiveness of an instruction method in promoting conceptual understanding is proposed to be the average normalized gain <g> (Hake, 1998). The latter is defined as the ratio of the actual average gain to the maximum possible average gain.

Figure 5.

In Figure 5 are displayed the normalized gains for each one of the nine questions asked, and in the Table 1 are shown the percentage of the correct initial responses (Si%),  the percentage of the correct responses after the interaction in the groups (Sf1%), the percentage of the correct responses after the discussion among the groups, the normalized value of gain g1 because of the interaction in thw groups (2nd round – 1st round) and finally the normalized value of gain gtot for the overall process.

Conclusions

The peer instruction method has been established worldwide as a powerful method that engage all the students in the teaching process driving to a highest level of conceptual understanding. However, various studies have shown that the fact of high percentage of correct answers does not necessary means that the students really understand the concepts (Henriksen & Angell, 2010). The discussions that took place between the 2nd and the 3nd round of answering in this study, which is based on the novel three round peer instruction, gave us the oppurtunity to reveal to the students that correct answers are not always supported through correct reasoning. That means that inserting the 3nd round of answering, provokes an extended exchange of arguments amongs all the students, and drives them to better understanding.  In addition it provides the teacher with a valuable real time tool to deal with possible alternative students’ ideas.  In this study we found that in some questions there is no noticable increase in the gain index, although there was an impovement in the reasoning of the students. Consequently, this method helps students to develop metacognitive abilities and to self-evaluate their cognition.

It would interesting to study the necessity of the discussion within the groups before the discussion in the whole class. Our research which is currently under way, seems to support that the discussions within the groups helps students to express their ideas and argue on them in a more comfortable way. The implementation of the present approach of peer instruction was doubtless facillitated of the small size of our classes. Maybe the incorporation of the same method in a large hall class would be more difficult. However in our classes gave the oppurtunity to all students to express in detail their thoughts and promote their active and contructive participation.

Bibliography

Abrahamson, L. (2006). A brief history of networked classrooms: Effects, cases, pedagogy, and implications.  

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.

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.

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.

Henriksen, E. K., & Angell, C. (2010). The role of ‘talking physics’ in an undergraduate physics class using an electronic audience response system. Physics Education, 45, 278-284.

Hestenes, D., Wells, M. & Swackhamer, G. (1992). Force Concept Inventory, The Physics Teacher, Vol. 30, March 1992.

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.

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.

Pierratos, T., Evagelinos, D., Polatolgou, H., Valasiadis, O., (2010). Evaluation of educational activities and peer instruction by the use of a Classroom Response System. Proceedings of 13th Panhellenic Conference of EEF, ISBN 978-060-9457-00-2 (in Greek).

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.