Ιδέες και διαδικασίες μάθησης φοιτητών/τριων φυσικών επιστημών για τις εξαρτώμενες από το μέγεθος οπτικές ιδιότητες νανοϋλικών

Abstract

This thesis focuses on the introduction of the field of nanotechnology in tertiary education, and more specifically on the introduction of size-dependent optical properties of nanomaterials. This thesis investigated the ideas and learning processes followed by science students about these properties through the implementation of a teaching experiment. Also, as each learning process consists of stages of ideas that students go through it, this thesis investigates the factors that can influence the transitions between these stages. These factors were the inputs that students received during the teaching experiment and the characteristics of the activities with which they interacted. In this research, two fundamental concepts about size-dependent optical properties were first established, on the basis of which a teaching experiment was structured. This was initially piloted with 8 students from the departments of Chemistry and Biology, divided into groups of two. The purpose of this pilot application was to investigate the students’ initial ideas and their evolution during the teaching experiment. Based on the results of the pilot application, the main study of 26 students (13 groups of two) followed. The results of this research regarding the students' ideas showed that on their path to scientific knowledge they go through a combination of four different stages of ideas. In these stages, the optical properties of nanomaterials are described as either independent, partially dependent, or fully dependent on size. The fully size dependency was either not accompanied by a mechanism or was interpreted on the basis of the quantum confinement model. The combination of these steps followed by each individual student led to the identification of 8 types of learning processes for size-dependent properties at the nanoscale. Regarding the factors that lead to transitions between these stages, the results of this study demonstrated the important role of activities with specific characteristics that negotiated a colour change. Also, the input students received from the researcher, and/or their colleague, was vital to these transitions. More specifically, in regards to activities, colour changes in which only the size of a nanostructure changes should be presented, as well as activities that introduce the quantum confinement effect as a mechanism governing the colour-size relationship of a material. The activities must also demonstrate that this size-colour relationship is intrinsic only at the nanoscale. In regards to the inputs, these should address the colour-size relationship in each colour change observed by the students and bring into question other factors that may be proposed by them as the driving force of a colour change. In summary, the present research contributes to the research literature of science education in the field of nanotechnology by providing the foundations for a future teaching learning sequence on size-dependent properties at the nanoscale specifically for tertiary education. These foundations are the learning processes that students will go through on their path towards the scientific point of view and the factors that must be present in a learning environment for this progression to occur.

Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην εισαγωγή του πεδίου της νανοεπιστήμης και νανοτεχνολογίας στην τριτοβάθμια εκπαίδευση, και πιο συγκεκριμένα στην εισαγωγή των εξαρτώμενων από το μέγεθος οπτικών ιδιοτήτων των νανοϋλικών. Στην διατριβή αυτή έγινε διερεύνηση των ιδεών και διαδικασιών μάθησης που ακολουθούνται από φοιτητές/τριες φυσικών επιστημών για αυτές τις ιδιότητες, μέσω της εφαρμογής ενός διδακτικού πειράματος. Επίσης, καθώς κάθε διαδικασία μάθησης αποτελείται από βήματα μάθησης από τα οποία περνάν οι φοιτητές/τριες κατά τη διάρκεια της, η διατριβή αυτή διερευνά τους παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν τις μετατοπίσεις μεταξύ αυτών των βημάτων. Αυτοί οι παράγοντες ήταν οι ανατροφοδοτήσεις που δέχτηκαν οι φοιτητές/τριες κατά τη διάρκεια του διδακτικού πειράματος, καθώς και τα χαρακτηριστικά των δραστηριοτήτων με τις οποίες αλληλοεπίδρασαν. Στο πλαίσιο της παρούσας έρευνας αρχικά καθορίστηκαν δύο θεμελιώδεις ιδέες για τις οπτικές ιδιότητες που εξαρτώνται από το μέγεθος, βάσει των οποίων δομήθηκε ένα διδακτικό πείραμα. Αυτό εφαρμόστηκε αρχικά πιλοτικά, σε 8 φοιτητές/τριες τμημάτων Χημείας και Φυσικής, χωρισμένη/ες σε ομάδες των δύο ατόμων. Ο σκοπός της πιλοτικής εφαρμογής (Φάση 1 της έρευνας) ήταν να εξαχθούν οι αρχικές ιδέες των φοιτητών/τριών καθώς και η εξέλιξη τους κατά τη διάρκεια του διδακτικού πειράματος. Βάσει των αποτελεσμάτων της Φάσης 1 ακολούθησε η κύρια έρευνα (Φάση 2) σε 26 φοιτητές/τριες (13 ομάδες των δύο ατόμων). Τα αποτελέσματα της έρευνας όσον αφορά τις ιδέες των φοιτητών/τριών κατέδειξαν ότι κατά την πορεία τους προς την επιστημονική γνώση οι φοιτητές/τριες περνάν από ένα συνδυασμό τεσσάρων διαφορετικών βημάτων μάθησης. Σε αυτά τα βήματα οι οπτικές ιδιότητες νανοσωματιδίων περιγράφονται είτε ως ανεξάρτητες, είτε ως μερικώς εξαρτώμενες, είτε ως πλήρως εξαρτώμενες από το μέγεθος. Η πλήρης εξάρτηση από το μέγεθος είτε δε συνοδευόταν από κάποιο μηχανισμό, είτε ερμηνευόταν βάση του μοντέλου του κβαντικού εγκλωβισμού. Ο συνδυασμός αυτών των βημάτων που ακολουθούνταν από τον/την εκάστοτε φοιτητή/τρια οδήγησε στην εύρεση 8 μονοπατιών μάθησης για τις οπτικές ιδιότητες που εξαρτώνται από το μέγεθος ιδιότητες στην νανοκλίμακα. Όσον αφορά τους παράγοντες που οδηγούν στις μετατοπίσεις αυτών των βημάτων τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας κατέδειξαν το σημαντικό ρόλο της ύπαρξης δραστηριοτήτων με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά που διαπραγματεύονταν μία χρωματική αλλαγή. Οι ανατροφοδοτήσεις που δέχονταν από τον ερευνητή, ή/και τον/την συνάδελφο τους, είχαν κομβική σημασία για αυτές τις μετατοπίσεις. Πιο συγκεκριμένα, σε επίπεδο δραστηριοτήτων πρέπει να παρουσιάζονται χρωματικές αλλαγές στις οποίες μόνο το μέγεθος μίας νανοδομής να αλλάζει, καθώς και δραστηριότητες που να εισάγουν το φαινόμενο του κβαντικού εγκλωβισμού ως ένα μηχανισμό που διέπει την σχέση χρώματος και μεγέθους μίας δομής. Επίσης οι δραστηριότητες πρέπει να καταδεικνύουν ότι αυτή η σχέση μεγέθους και χρώματος είναι εγγενής μόνο στην νανοκλίμακα. Σε επίπεδο ανατροφοδοτήσεων αυτές οφείλουν να απευθύνονται στη σχέση μεγέθους χρώματος στην εκάστοτε χρωματική αλλαγή που παρατηρείται από τους/τις φοιτητές/τριες και να φέρνουν σε αμφισβήτηση άλλους παράγοντες που μπορεί να προτείνονται από αυτούς/ες ως καθοριστικοί για την χρωματική αλλαγή. Με βάση τα παραπάνω η παρούσα έρευνα συνεισφέρει στην ερευνητική βιβλιογραφία της διδακτικής των φυσικών επιστημών για το πεδίο της νανοεπιστήμης και νανοτεχνολογίας, προσφέροντας τα θεμέλια για μία μελλοντική διδακτική ενότητα για τις οπτικές ιδιότητες που εξαρτώνται από το μέγεθος ιδιότητες στην νανοκλίμακα, συγκεκριμένα για τη τριτοβάθμια εκπαίδευση. Τα θεμέλια αυτά είναι οι διαδικασίες μάθησης από τις οποίες οι φοιτητές/τριες θα περάσουν κατά την πορεία τους προς την επιστημονική γνώση, αλλά και οι παράγοντες που πρέπει να υπάρχουν σε ένα περιβάλλον μάθησης για να υπάρξει αυτή η εξέλιξη.