Φαινόμενα και έννοιες στην κλίμακα του νάνο: θέματα μάθησης και διδασκαλίας στο Δημοτικό Σχολείο

Abstract

The dissertation focuses on the introduction of concepts of Nanoscience-Nanotechnology (NST) to primary school students. The theoretical framework for the interpretation of learning is based on the conceptual change approach. The empirical research consists of three phases. In the first phase, research was carried out to highlight the initial conceptions of 5th and 6th grade primary school students for specific NST concepts. The research tool was the written questionnaire with open-ended questions concerning the concept of "Size", the "Size-dependent properties: lotus effect", the meaning of the term "Νanotechnology" (N=250) and the "Applications of NST: filtration of water with a nanofilter" (N=132). The second phase referred to the development and implementation of a Teaching Learning Sequence (TLS1) for NST content in 6th grade students (N=60), in order to study the impact of TLS1 on the development of students’ nanoliteracy. The third phase indicated the improvement of the TLS2 and the implementation to new participants of the same age group (N=15).Both in the second and third phase, the data collection tool was based on the questionnaire that was used in the first phase of the study, having been enriched with additional questions concerning the "viral infections" as well as the "nature and role of the models". The semi-structured interview was also used to case studies of students in order to collect additional qualitative data. The data coding was based on content analysis to create categories and levels of understanding. In addition, a statistical analysis was performed to identify statistically-significant differences in students’ academic performance before, right after and three months after the implementation of the TLS1 and the TLS2 for the NST content.The results of the first phase revealed that for the concept of "Size" almost half of the students could mention non-visible objects with the unaided eye but could not describe a proper observation tool for these objects. Moreover, students found it difficult to order non-visible objects from largest to smallest and classify them into categories according to their size. Regarding the lotus effect, the students explained the spherical shape of the droplet on a leaf based on factors that are perceived by their senses. Regarding the explanation of the nanofilter filtration mechanism, most students formulated explanations that included vague information, for example that the nanofilter has small holes that filter water.The results of the second phase showed that the students improved their nanoliteracy. After the implementation of the TLS1, most students were able to refer to the correct observation tool for the objects of the microworld and the nanoworld, they were able to order objects of different size correctly as well as classify objects in the macroworld, the microworld and the nanoworld. Concerning the lotus effect, approximately 1/4 of the students after the implementation of the TLS1 were able to formulate an explanation with reference to the two agents that cause the phenomenon. Regarding the nanofilter, after the educational intervention most of the students were able to explain the filtration mechanism by comparing the size of the nanopores of the filter with the objects that are filtered. Concerning the nature and role of the models, most students before the application of TLS1 did not recognize the representational nature of the models while after the application there was significant improvement of learning.The third phase of the research included the improvement of the TLS2, mainly in the tasks related to the lotus effect. After the implementation, 60% of the students were able to formulate an explanation with reference to the two factors that cause the phenomenon. The higher effectiveness of the improved TLS2 in learning the lotus effect is confirmed by the relevant statistical analysis.Harmonizing the results of this dissertation with the theoretical framework of the Framework Theory and Conceptual change, the dissertation concludes with guidelines for teaching and learning the concepts of: (a) Size, (b) Size-dependent properties: lotus effect, (c) Applications of NST: water filtration with a nanofilter in elementary schools.

Η διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην εισαγωγή περιεχομένου της Νανοεπιστήμης-Νανοτεχνολογίας (Ν-ΕΤ) σε μαθητές της Α/θμιας εκπαίδευσης. Το θεωρητικό πλαίσιο για την μάθηση των εννοιών της Ν-ΕΤ βασίζεται στην εννοιολογική αλλαγή. Η εμπειρική έρευνα συνίσταται σε τρεις φάσεις. Η Α΄ φάση επικεντρώνεται στην ανάδειξη των αρχικών ιδεών μαθητών Ε΄ και ΣT΄ τάξης του Δημοτικού για συγκεκριμένες έννοιες της Ν-ΕΤ. Ερευνητικό εργαλείο ήταν το γραπτό ερωτηματολόγιο με ερωτήσεις ανοιχτού τύπου που αφορούσαν την έννοια «Μέγεθος», τις «Ιδιότητες εξαρτώμενες από το μέγεθος: φαινόμενο του λωτού», τη νοηματοδότηση του όρου «Νανοτεχνολογία» (Ν=250) και τις «Εφαρμογές της Ν-ΕΤ: φιλτράρισμα του νερού με νανόφιλτρο» (Ν=132). Η Β΄ φάση αφορά την ανάπτυξη και εφαρμογή μιας Διδακτικής Μαθησιακής Ακολουθίας (ΔΜΑ1) για τη Ν-ΕΤ σε μαθητές της ΣΤ΄ τάξης (Ν=60), με σκοπό να μελετηθεί η επίδραση της ΔΜΑ1 στην ανάπτυξη του νανογραμματισμού των μαθητών. Η Γ΄ φάση αφορά τη βελτίωση της ΔΜΑ2 και την εφαρμογή της σε νέους συμμετέχοντες ίδιας ηλικιακής ομάδας (Ν=15). Ως μέσο συλλογής δεδομένων στη Β΄ και Γ΄ φάση χρησιμοποιήθηκε το ίδιο ερωτηματολόγιο, το οποίο εμπλουτίστηκε με επιπλέον ερωτήσεις που αφορούσαν τη «διαδικασία της ίωσης», καθώς και τη «φύση και τον ρόλο των μοντέλων». Επίσης, εφαρμόστηκε η ημι-δομημένη συνέντευξη σε επιλεγμένους μαθητές για τη συλλογή επιπλέον ποιοτικών δεδομένων. Η μέθοδος ανάλυσης των δεδομένων βασίστηκε στην ανάλυση περιεχομένου για τη δημιουργία κατηγοριών και επιπέδων κατανόησης. Επιπλέον, στατιστική ανάλυση πραγματοποιήθηκε για τον εντοπισμό στατιστικά σημαντικών διαφορών στην επίδοση των μαθητών πριν, μετά και τρεις μήνες μετά την εφαρμογή της ΔΜΑ1 και της ΔΜΑ2 για το περιεχόμενο της Ν-ΕΤ.Τα αποτελέσματα της Α΄ φάσης έδειξαν ότι για την έννοια «Μέγεθος» σχεδόν οι μισοί μαθητές γνώριζαν μη ορατά αντικείμενα, αλλά δεν μπορούσαν να αναφέρουν ένα σωστό όργανο για την παρατήρησή τους, δυσκολεύονταν να τα σειροθετήσουν από το μεγαλύτερο προς το μικρότερο και να τα ταξινομήσουν σε κατηγορίες ανάλογα με το μέγεθός τους. Σχετικά με το φαινόμενο του λωτού, οι μαθητές εξηγούσαν το σφαιρικό σχήμα της σταγόνας πάνω στο φύλλο με βάση παράγοντες που είναι αντιληπτοί με τις αισθήσεις. Όσον αφορά την εξήγηση του μηχανισμού φιλτραρίσματος με νανόφιλτρο, οι περισσότεροι μαθητές διατύπωναν εξηγήσεις που περιλάμβαναν ασαφείς πληροφορίες, για παράδειγμα ότι το νανόφιλτρο έχει μικρές τρύπες που φιλτράρουν το νερό.Τα αποτελέσματα της Β΄ φάσης έδειξαν ότι οι μαθητές στο σύνολό τους βελτίωσαν τον νανογραμματισμό τους. Μετά την εφαρμογή της ΔΜΑ1 οι περισσότεροι μαθητές μπορούσαν να αναφέρουν σωστό όργανο παρατήρησης για τα αντικείμενα του μικρόκοσμου και του νανόκοσμου, ήταν ικανοί να σειροθετήσουν μη ορατά αντικείμενα καθώς και να ταξινομήσουν αντικείμενα στον μακρόκοσμο, στον μικρόκοσμο και στον νανόκοσμο. Σχετικά με το φαινόμενο του λωτού περίπου το 1/4 των μαθητών μετά την εφαρμογή της ΔΜΑ1 ήταν ικανό να διατυπώσει μια εξήγηση με αναφορά στους δύο παράγοντες που προκαλούν το φαινόμενο. Όσον αφορά το νανόφιλτρο, μετά την εκπαιδευτική παρέμβαση, οι περισσότεροι μαθητές ήταν ικανοί να εξηγήσουν τον μηχανισμό φιλτραρίσματος συγκρίνοντας το μέγεθος των νανοπόρων του φίλτρου με τα αντικείμενα που φιλτράρονται. Σχετικά με τη φύση και τον ρόλο των μοντέλων, οι περισσότεροι μαθητές πριν την εφαρμογή της ΔΜΑ1 δεν αναγνώριζαν την αναπαραστατική φύση των μοντέλων, ενώ μετά την εφαρμογή η κατανόηση βελτιώθηκε σημαντικά.Η Γ΄ φάση της έρευνας περιλάμβανε τη βελτίωση της ΔΜΑ2, κυρίως στα έργα που αφορούσαν το φαινόμενο του λωτού. Μετά την εφαρμογή, το 60% των μαθητών ήταν ικανό να διατυπώσει μια εξήγηση με αναφορά στους δυο παράγοντες που προκαλούν το φαινόμενο. Η μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα της βελτιωμένης ΔΜΑ στη μάθηση του φαινομένου του λωτού επιβεβαιώνεται από τη σχετική στατιστική ανάλυση που έδειξε στατιστικά σημαντική διαφορά μεταξύ των δύο ΔΜΑ για το εν λόγω έργο. Εναρμονίζοντας τα αποτελέσματα της διατριβής με το θεωρητικό πλαίσιο για την εννοιολογική αλλαγή, η διατριβή καταλήγει σε κατευθυντήριες γραμμές για τη διδασκαλία και μάθηση στο Δημοτικό σχολείο των εννοιών: (α) Μέγεθος, (β) Ιδιότητες εξαρτώμενες από το μέγεθος: φαινόμενο του λωτού, (γ) Εφαρμογές της Ν-ΕΤ: φιλτράρισμα του νερού με νανόφιλτρο.