Διερεύνηση και αξιολόγηση εκπαιδευτικών πειραμάτων φυσικής από απόσταση με τη χρήση ασύρματων δικτύων

Abstract

The global literature often refers to the effectiveness of experimentation in physics education in terms of building students’ awareness towards a deeper understanding of the teaching concepts. The development of educational experiments constitutes a complex process since researchers should be familiar with the relevant literature in order to make a proper selection of the teaching object (that would be addressed in the laboratory course), while also applying innovations in education and engineering disciplines. In the latter case, the development and implementation of the educational equipment should be directed with systematic attention in order facilitate the conduction of experiments as well as promote students’ learning process.Several paradigms of remotely accessed educational equipments can be found in the abundant literature, which are addressed to improve traditional experimentation practices. Advantages of remote experimentation are not only limited to the possibility of studying by distance. They are also extended to the possibility of remotely accessing the experimentation equipment during the presence of students in the classroom; thereby reducing the overall cost of laboratory equipment. The present thesis applies to the development, implementation and evaluation of innovative educational equipment that supports remote access to physical quantities, particularly to atmospheric pressure measurements, using network/internet topology. Implementation of the educational equipment is based on the development of a wireless sensor network system that employs MEMS technology and applies to barometric altimetry.Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) constitute a cutting-edge technology of small package, reduced cost and low consumption features. The MEMS technology integrates a mechanical component, which produces electric signal proportional to the changes applied to the mechanical element. Due to the interdisciplinary nature of MEMS (i.e., materials science, control systems, sensors, design and fabrication of integrated systems, etc.), this technology has brought new trends in industrial automation while also affected education who now meets several curricula orientated to the study of MEMS.Following a literature review in remote experimentation in Physics education and then summarizing the prevalent methods of implementing equipments for remote monitoring of physical quantities, the present doctoral thesis initially performed an evaluation of the measurements and methodologies used in barometric altimetry. Thereafter, the proposed educational physics experiments and their effects on the students’ learning process were assessed. An alternative implementation of the prototype equipment in support of laboratory education for individuals with physical disabilities was also proposed in the literature. Finally, the possibilities offered by modern digital technologies in experimental teaching of physics, as well as the interdisciplinary research required to implement innovative laboratory experiments in a field still being under investigation by the scientific community, were also evaluated.

Στη διεθνή βιβλιογραφία γίνεται συχνά λόγος για την ανεκτίμητη αξία του πειράματος στη διδασκαλία της Φυσικής, όσον αφορά την οικοδόμηση αντίληψης των διδασκομένων για τη βαθύτερη κατανόηση των φυσικών εννοιών. Η ανάπτυξη εκπαιδευτικών πειραμάτων αποτελεί μία πολύπλοκη διεργασία, καθότι ο ερευνητής θα πρέπει γνωρίζει πολύ καλά τη διεθνή βιβλιογραφία ώστε να προβεί σε δόκιμη επιλογή του αντικειμένου διδασκαλίας που πρόκειται να εισάγει στο εργαστήριο, εφαρμόζοντας καινοτομίες τόσο σε εκπαιδευτικό επίπεδο, όσο και σε επίπεδο μηχανικής. Στη δεύτερη περίπτωση, η ανάπτυξη και υλοποίηση του εκπαιδευτικού εξοπλισμού θα πρέπει να διασφαλίζει την ορθή λειτουργία και ομαλή διεξαγωγή του πειράματος, καθώς και να προωθεί τη διαδικασία εκμάθησης του γνωστικού αντικειμένου στους διδασκόμενους.Στη διεθνή βιβλιογραφία συναντώνται αρκετά παραδείγματα υλοποίησης εξοπλισμού απομακρυσμένης πρόσβασης σε εκπαιδευτικά πειράματα, τα οποία προορίζονται να συμπληρώσουν τις αδυναμίες του παραδοσιακού πειραματισμού. Τα πλεονεκτήματα του εξ αποστάσεως πειραματισμού δεν περιορίζονται μόνο στη δυνατότητα μελέτης από απόσταση, επεκτείνονται και στη δυνατότητα του εξ αποστάσεως ελέγχου πειραμάτων κατά τη διάρκεια παρουσίας των διδασκομένων στην τάξη, μέσω του δικτύου/διαδικτύου λόγου χάριν, μειώνοντας σημαντικά το κόστος εργαστηριακού εξοπλισμού. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη, υλοποίηση και αξιολόγηση καινοτόμου εκπαιδευτικού εξοπλισμού που υποστηρίζει την εξ αποστάσεως πρόσβαση σε μετρήσεις Φυσικών μεγεθών και συγκεκριμένα ατμοσφαιρικής πίεσης, με τη χρήση του δικτύου/διαδικτύου. Η υλοποίηση του εξοπλισμού βασίστηκε στην ανάπτυξη ασύρματου δικτυού αισθητήρων τεχνολογίας MEMS και έχει εφαρμογή στη βαρομετρική υψομετρία.Τα Μικρο-Ηλεκτρομηχανικά Συστήματα (Micro-Electromechanical Systems – MEMS) αποτελούν τεχνολογία αιχμής, η οποία φέρει τα χαρακτηριστικά μικρής συσκευασίας, χαμηλού κόστους και κατανάλωσης. Η τεχνολογία MEMS ενσωματώνει μία μηχανική λειτουργία, στην αλλαγή της οποίας παράγεται ηλεκτρικό σήμα. Λόγω της διεπιστημονικής φύσης των MEMS (επιστήμη των υλικών, συστήματα ελέγχου, αισθητήρες, σχεδιασμός ολοκληρωμένων συστημάτων, κ.ά.), η τεχνολογία αυτή έχει επιφέρει νέα αναπτυξιακή δυναμική στο βιομηχανικό αυτοματισμό και έχει επηρεάσει σημαντικά και την εκπαίδευση, όπου πλέον συναντώνται αρκετά περιγράμματα σπουδών με αντικείμενο μελέτης τα MEMS.Ακολουθώντας μια βιβλιογραφική ανασκόπηση στα πειράματα Φυσικής από απόσταση και κατόπιν συνοψίζοντας τους επικρατέστερους τρόπους υλοποίησης εξοπλισμού για την εξ αποστάσεως συλλογή Φυσικών μεγεθών, στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκε αρχικά αξιολόγηση των μετρήσεων και μεθοδολογιών που χρησιμοποιούνται στη βαρομετρική υψομετρία με τη χρήση του πρωτότυπου ερευνητικού εξοπλισμού. Εν συνέχεια, πραγματοποιήθηκε αποτίμηση των προτεινόμενων εκπαιδευτικών πειραμάτων Φυσικής και του αντίκτυπου αυτών στην εκμάθηση των φοιτητών. Επίσης προτάθηκε μία εναλλακτική μορφή υλοποίησης του παρόντος εξοπλισμού για την υποστήριξη της εργαστηριακής εκπαίδευσης ατόμων με κινητική αναπηρία. Τέλος, αποτιμήθηκαν οι δυνατότητες που προσφέρουν οι σύγχρονες ψηφιακές τεχνολογίες στην πειραματική διδασκαλία της Φυσικής, καθώς και η διεπιστημονική έρευνα που απαιτείται για την υλοποίηση καινοτόμων πειραμάτων εργαστηριακής εκπαίδευσης σε ένα πεδίο που βρίσκεται ακόμη υπό διερεύνηση από την επιστημονική κοινότητα.