Αξιοποίηση φυσικού και οπτικού προγραμματισμού για τη διδασκαλία του ηλεκτρικού κυκλώματος στο δημοτικό σχολείο και διερεύνηση στάσεων απέναντι στη φυσική

Abstract

The Greek and international literature review shows a lack of studies investigating the role and importance of physical programming and using tangible devices in primary education. This thesis attempts to examine how physical and visual programming could be utilized to develop a Teaching Learning Sequence (TLS), which will be a proposal for teaching concepts and applications of the electric circuit to students of fifth-grade Elementary students. In other words, we observe if there is a reconstruction of the students' alternative perceptions about electricity and the electric circuit, and we examine whether they can apply the correct perceptions they have obtained to a real-tangible device to understand and expand the field application of the specific subject. At the same time, recognizing the importance of attitudes and motivations in teaching and learning, we investigate children's attitudes concerning Natural Sciences before and after conducting the proposed TLS.A quasi-experimental design was applied in the empirical part of the research, which was implemented in three phases for each school unit. In the first phase, students were given two questionnaires with questions to detect attitudes and previous knowledge (pre-test). In the second phase, the teaching intervention, which lasted 10 teaching hours, was implemented in the planned activities. After the completion of the intervention, a post-test was carried out (using the same questionnaires) to evaluate its effect. Differences between pretest and posttest for both groups were assessed to conclude. In the final version of the attitude tool (which was based on the mATSI version), after the modifications made after its pilot application and based on the factor analysis, the following categories - factors are included: 1) Self-efficacy, 2) Career motivation, 3) Grade motivation 4) The importance attributed to Physics for Society and 5) Teacher Perceptions. A paper-based assessment of five electrical concepts and circuit operation activities was developed to collect pre- and post-intervention performance data. For the construction of the tool, we considered our country's current and official curriculum for the teaching of Natural Sciences and the corresponding Teacher's Guide. To ensure the validity of the content in the knowledge test, the thesis supervisors evaluated the questions, while primary school teachers also checked the wording of the questions. Finally, after the pilot, some elements were revised or deleted. Statistical analysis of the data revealed no statistically significant difference in pre- and post-intervention attitudes, suggesting that the specific educational approach had no apparent impact on participants' and participants' attitudes about electricity. However, some important findings emerged that could be exploited. Engaging with experiments and measurements through the Micro:bit board appeared to motivate children to engage further with Physics. The Experimental group members showed an increased understanding of the concepts of electricity and a decrease in the time required to understand them. Regarding self-efficacy for the experimental group, no significant difference was observed before or after the intervention, while for the Control group, it had a negative effect. No statistically significant difference in career motivation was observed before and after the intervention. However, the Experimental group showed an increase in positive perceptions regarding the relevance of Physics to their lives and future careers. The Experimental group highlighted the significant influence of the teacher in enhancing interest in Physics. Furthermore, both groups recognized the usefulness of Physics not only for scientists but also for solving problems in everyday life. In terms of performance, there was a clear improvement in electricity concepts after the educational intervention. In the Experimental group, there was a significant increase in mean performance and a decrease in variance at post-test compared to the Control Group. Thus, it appeared that alternative perceptions were corrected to a significant extent. In conclusion, the research concludes that while interventions with physical programming and tangible devices such as the proposed TLS1 can improve understanding and interest in Physics, their effects on motivation and long-term attitudes require further investigation and possible improvements in research methods.

Από την ανασκόπηση της ελληνικής και διεθνούς βιβλιογραφίας διαπιστώνεται έλλειψη μελετών που ερευνούν τον ρόλο και τη σημασία του φυσικού προγραμματισμού και της χρήσης απτών συσκευών στην πρωτοβάθμια εκπαίδευση. Η παρούσα διατριβή επιχειρεί να διερευνήσει τον τρόπο με το οποίο θα μπορούσε να αξιοποιηθεί ο φυσικός και οπτικός προγραμματισμός για την ανάπτυξη μιας Διδακτικής Μαθησιακής Ακολουθίας (ΔΜΑ), η οποία θα αποτελέσει μια πρόταση διδασκαλίας εννοιών και εφαρμογών του ηλεκτρικού κυκλώματος για μαθήτριες και μαθητές της Ε΄ τάξης Δημοτικού. Με άλλα λόγια παρατηρούμε αν υπάρχει αναδόμηση των εναλλακτικών αντιλήψεων των μαθητριών και μαθητών, σε σχέση με τον ηλεκτρισμό και το ηλεκτρικό κύκλωμα και εξετάζουμε αν μπορούν να εφαρμόσουν σε μία πραγματική – απτή συσκευή τις ορθές αντιλήψεις που αποκόμισαν, ώστε να κατανοήσουν και να επεκτείνουν το πεδίο εφαρμογής του συγκεκριμένου θέματος. Ταυτόχρονα αναγνωρίζοντας τη σημασία των στάσεων και των κινήτρων στη διαδικασία της διδασκαλίας και της μάθησης διερευνούμε τις στάσεις των παιδιών σε σχέση με τις Φυσικές επιστήμες πριν και μετά την διεξαγωγή της προτεινόμενης ΔΜΑ. Στο εμπειρικό τμήμα της έρευνας εφαρμόστηκε οιονεί πειραματικός σχεδιασμός. ο οποίος υλοποιήθηκε σε τρεις φάσεις για κάθε σχολική μονάδα. Στην πρώτη φάση δόθηκαν στους μαθητές και τις μαθήτριες δύο ερωτηματολόγια με ερωτήσεις ανίχνευσης στάσεων και προηγούμενων γνώσεων (προ-έλεγχος). Στη δεύτερη φάση εφαρμόστηκε η διδακτική παρέμβαση διάρκειας 10 διδακτικών ωρών με την υλοποίηση των προγραμματισμένων δραστηριοτήτων για κάθε ομάδα. Μετά την ολοκλήρωση της παρέμβασης πραγματοποιήθηκε μετα-έλεγχος (με τη χρήση των ίδιων ερωτηματολογίων) για την αξιολόγηση της επίδρασης της. Οι διαφορές που προέκυψαν ανάμεσα στον προκαταρτικό και τον μεταγενέστερο έλεγχο και για τις δύο ομάδες αξιολογήθηκαν για τη διεξαγωγή των συμπερασμάτων. Στην τελική έκδοση του εργαλείου για τις στάσεις (το οποίο βασίστηκε στην εκδοχή του mATSI), με τις τροποποιήσεις που έγιναν μετά την πιλοτική εφαρμογή του και βάσει της παραγοντικής ανάλυσης, περιλαμβάνονται οι ακόλουθες κατηγορίες – παράγοντες: 1) Αυτοαποτελεσματικότητα (Self-efficacy), 2) Κίνητρο σταδιοδρομίας (Career motivation), 3) Kίνητρo βαθμού (Grade motivation) 4) Η σημασία που αποδίδεται στη Φυσική για την κοινωνία (The importance attributed to Physics for Society) και 5) Αντιλήψεις για τον/την εκπαιδευτικό (Teacher Perceptions). Για τη συλλογή δεδομένων σχετικά με τις επιδόσεις πριν και μετά την παρέμβαση αναπτύχθηκε μια έντυπη αξιολόγηση πέντε δραστηριοτήτων σχετικά με τις ηλεκτρικές έννοιες και τη λειτουργία του κυκλώματος. Για την κατασκευή του εργαλείου λάβαμε υπόψη το ισχύον και επίσημο αναλυτικό πρόγραμμα της χώρας μας για τη διδασκαλία των Φυσικών Επιστημών και ο αντίστοιχος Οδηγός του/ης Εκπαιδευτικού. Για να διασφαλιστεί η εγκυρότητα του περιεχομένου στο τεστ γνώσεων αξιολογήθηκαν τα ερωτήματα από τους επόπτες της διατριβής, ενώ και εκπαιδευτικοί πρωτοβάθμιας εκπαίδευσης έλεγξαν τη διατύπωση των ερωτήσεων. Τελικά μετά την πιλοτική εφαρμογή κάποια στοιχεία αναθεωρήθηκαν ή διαγράφηκαν. Από τη στατιστική ανάλυση των δεδομένων δεν προέκυψε στατιστικά σημαντική διαφορά στις στάσεις πριν και μετά την παρέμβαση υποδηλώνοντας ότι η συγκεκριμένη εκπαιδευτική προσέγγιση δεν είχε εμφανή αντίκτυπο στις στάσεις των συμμετεχόντων και συμμετεχουσών σχετικά με τον ηλεκτρισμό. Προέκυψαν ωστόσο κάποια σημαντικά ευρήματα που θα μπορούσαν αξιοποιηθούν. Η ενασχόληση με πειράματα και μετρήσεις μέσω της πλακέτας Micro:bit φάνηκε να παρακινεί τα παιδιά σε περαιτέρω ενασχόληση με τη Φυσική. Τα μέλη της Πειραματικής ομάδας εμφάνισαν αυξημένη κατανόηση των εννοιών του ηλεκτρισμού και μείωση του χρόνου που απαιτείται για την κατανόηση τους. Ως προς την αυτοαποτελεσματικότητα για την Πειραματική ομάδα, δεν παρατηρήθηκε σημαντική διαφορά πριν και μετά την παρέμβαση, ενώ για την Ομάδα ελέγχου είχε αρνητική επίδραση. Δεν παρατηρήθηκε στατιστικά σημαντική διαφορά στο κίνητρο σταδιοδρομίας πριν και μετά την παρέμβαση αν και η Πειραματική ομάδα εμφάνισε αύξηση στις θετικές αντιλήψεις σχετικά με τη συνάφεια της Φυσικής με τη ζωή τους και τη μελλοντική τους σταδιοδρομία. Η Πειραματική ομάδα ανέδειξε τη σημαντική επίδραση του/της εκπαιδευτικού στην ενίσχυση του ενδιαφέροντος για τη Φυσική. Επιπλέον και οι δύο ομάδες αναγνώρισαν τη χρησιμότητα της Φυσικής όχι μόνο για τους επιστήμονες αλλά και για την επίλυση προβλημάτων της καθημερινής ζωής. Ως προς την επίδοση προέκυψε σαφής βελτίωση εννοιών του ηλεκτρισμού μετά την εκπαιδευτική παρέμβαση. Στην Πειραματική ομάδα παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση της μέσης επίδοσης και μείωση της διακύμανσης κατά τον μετα-έλεγχο σε σχέση με την Ομάδα Ελέγχου. Φάνηκε έτσι πως εναλλακτικές αντιλήψεις τροποποιήθηκαν σε σημαντικό βαθμό. Συμπερασματικά, η έρευνα καταλήγει ότι ενώ οι παρεμβάσεις με φυσικό προγραμματισμό και απτές συσκευές όπως η προτεινόμενη ΔΜΑ1 μπορούν να βελτιώσουν την κατανόηση και το ενδιαφέρον για τη Φυσική, οι επιδράσεις τους στα κίνητρα και τις μακροπρόθεσμες στάσεις απαιτούν περαιτέρω διερεύνηση και πιθανές βελτιώσεις στην ερευνητική μέθοδο.