Εκπαιδευτικό λογισμικό Φυσικών Επιστημών

Εκπαιδευτικό λογισμικό Φυσικών Επιστημών: από τη σχεδίαση στη διδασκαλία στην τάξη*

Της Χριστίνας Σολομωνίδου, Αναπληρώτριας καθηγήτριας Πανεπιστημίου Θεσσαλίας – ΠΤΔΕ

Εκπαιδευτικό λογισμικό Φυσικών Επιστημών: από τη σχεδίαση στη διδασκαλία στην τάξη*

Ο υπολογιστής και οι τεχνολογίες της πληροφορίας και της επικοινωνίας (ΤΠΕ) έχουν πολύ μεγάλες δυνατότητες εκπαιδευτικής χρήσης, οι οποίες εξαρτώνται από το σκοπό για τον οποίο προορίζεται η χρήση αυτή. Τα τελευταία χρόνια έχουν αξιοποιηθεί σε μεγάλο βαθμό οι δυνατότητες του υπολογιστή και των ΤΠΕ. Έως σήμερα έχουν παραχθεί διεθνώς σημαντικός αριθμός τίτλων εκπαιδευτικού λογισμικού, καθώς και ποικίλα συστήματα προοριζόμενα για εκπαιδευτική χρήση. Παρόλα αυτά, η ποιότητα του εκπαιδευτικού λογισμικού δεν είναι ακόμα η απαιτούμενη και αποτελεί ζητούμενο σε μεγάλο βαθμό. Το γεγονός αυτό τονίζεται σε παλαιότερη έκθεση του Διεθνούς Οργανισμού Οικονομικής Συνεργασίας και Ανάπτυξης (OCDE, 1989) με τον εύγλωττο τίτλο: «Information Technologies in Education. The quest for quality software», σε ελεύθερη μετάφραση «Τεχνολογίες της Πληροφορίας στην Εκπαίδευση. Η αναζήτηση λογισμικού ποιότητας».

Στον χώρο των Φυσικών Επιστημών (ΦΕ) οι δυνατότητες χρήσης του υπολογιστή και των ΤΠΕ είναι θεωρητικά απεριόριστες. Η προσομοίωση φαινομένων και διαδικασιών η δημιουργία πολλαπλών αναπαραστάσεων για ένα φαινόμενο ή μια διαδικασία, η αυξημένη αλληλεπίδραση με τον/ην χρήστη αποτελούν από τις πλέον σημαντικές δυνατότητες που είναι δυνατό να αξιοποιηθούν για τη σχεδίαση και ανάπτυξη εκπαιδευτικού λογισμικού ποιότητας στις ΦΕ. Από την άλλη πλευρά, η εποικοδομητική αντίληψη για τη διδασκαλία και τη μάθηση στις ΦΕ, η εργασία σε ομάδες και η συνεργατική μάθηση αποτελούν βασικές παιδαγωγικές αρχές στις οποίες θα πρέπει να στηρίζεται όχι μόνο η σχεδίαση του εκπαιδευτικού λογισμικού, αλλά και η κατάλληλη διδακτική αξιοποίησή του στην τάξη.

Στην εργασία αυτή αρχικά εξετάζονται οι ποικίλες δυνατότητες του υπολογιστή που συνδυάζονται με την εποικοδομητική αντίληψη για τη μάθηση στις ΦΕ, προκειμένου να διαγραφεί μια διαδικασία σύγχρονης σχεδίασης και ανάπτυξης εκπαιδευτικού λογισμικού ποιότητας στις ΦΕ. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τρία εκπαιδευτικά λογισμικά ΦΕ, τα οποία μπορούν να χαρακτηριστούν ως λογισμικά ποιότητας ή εποικοδομητικού τύπου. Τέλος, αναφέρονται ορισμένα προβλήματα στο νέο μαθησιακό περιβάλλον που δημιουργεί η χρήση του υπολογιστή στην τάξη, καθώς και οι προοπτικές από τη χρήση αυτή κατά τη διδασκαλία και μάθηση των ΦΕ.

Εκπαιδευτικό λογισμικό ποιότητας στις Φυσικές Επιστήμες

Οι κυριότερες δυνατότητες του υπολογιστή που μπορούν να αξιοποιηθούν για την παραγωγή εκπαιδευτικού λογισμικού ποιότητας στις Φυσικές Επιστήμες είναι:

α) η προσομοίωση (simulation) φαινομένων και διαδικασιών που είναι δύσκολο ή επικίνδυνο να πραγματοποιηθούν στο σχολικό περιβάλλον και η δημιουργία και μελέτη ‘εναλλακτικών κόσμων’,

β) η δημιουργία πολλαπλών αναπαραστάσεων για ένα φαινόμενο που μελετάται από τις ΦΕ. Η οικοδόμηση της επιστημονικής γνώσης στις ΦΕ απαιτεί τη δημιουργία αναπαραστάσεων σε τρία επίπεδα, το πειραματικό-μακροσκοπικό, το ατομικό-μικροσκοπικό και το συμβολικό-μαθηματικό επίπεδο, καθώς και τη σύνδεση των αναπαραστάσεων αυτών,

γ) ο καθορισμός του περιεχομένου με βάση τις γνωστικές ανάγκες του/ης χρήστη και η διδακτική αξιοποίηση του λάθους του/ης,

δ) η αυξημένη, γνωστικού ή νοητικού τύπου, αλληλεπίδραση με τον/ην χρήστη και η προώθηση της αυτονομίας του/ης μπορεί να τον/ην βοηθήσει στην κατανόηση, στη δημιουργία και στην οικοδόμηση της επιστημονικής γνώσης από μέρους του/ης.

Πώς όμως αξιοποιούνται οι δυνατότητες αυτές του υπολογιστή στην ανάπτυξη λογισμικού Φυσικών Επιστημών;

Αρχικά οι εταιρίες που κατασκεύασαν λογισμικό με προορισμό την εκπαίδευση αξιοποίησαν τις δυνατότητες που έχει ο υπολογιστής για αποθήκευση μεγάλου όγκου πληροφοριών, με αποτέλεσμα την κατασκευή απλών εφαρμογών, όπως τα ηλεκτρονικά βιβλία και οι ηλεκτρονικές εγκυκλοπαίδειες. Αξιοποιήθηκαν οι δυνατότητες που έχει ο υπολογιστής για αλληλεπίδραση με τον/ην χρήστη και για απόκριση στις απαντήσεις του/ης, γεγονός που επέτρεψε τη δημιουργία λογισμικού πρακτικής και εξάσκησης (drill and practice) και εκμάθησης συγκεκριμένων δεξιοτήτων (προσωπικοί εκπαιδευτές -tutorials). Το εκπαιδευτικό λογισμικό που αναπτύχθηκε στη βάση αυτή είχε ικανοποιητικά μαθησιακά αποτελέσματα, κυρίως στην Αριθμητική και στα Μαθηματικά (Kulik et al., 1980, Giardina, 1993).

Η τεχνική εξέλιξη των υπολογιστών και η ενσωμάτωση των πολυμεσικών δυνατοτήτων έδωσε την ευκαιρία να δημιουργηθούν τα πολυμεσικά λογισμικά, τα οποία περιείχαν, εκτός από κείμενο και γραφικά, εικόνες, κίνηση και ήχο. Τα λογισμικά αυτά επέτρεψαν να χρησιμοποιηθεί ο υπολογιστής ως εποπτικό μέσο διδασκαλίας για την παρουσίαση μαθημάτων. Ταυτόχρονα, τα ηλεκτρονικά βιβλία, οι ηλεκτρονικές εγκυκλοπαίδειες, τα λογισμικά πρακτικής και εξάσκησης και οι προσωπικοί εκπαιδευτές εμπλουτίστηκαν με τις νέες πολυμεσικές δυνατότητες, με αποτέλεσμα να γίνουν πολύ πιο ελκυστικά από τα αρχικά. Τα λογισμικά όμως αυτά ήταν πιστά αντίγραφα των φροντιστηριακών και σχολικών εγχειριδίων ΦΕ. Δεν αξιοποιούσαν τις ποικίλες δυνατότητες των υπολογιστών, οι οποίες αξιοποιήθηκαν μόνον πολύ αργότερα.

Η προσομοίωση είναι μια από τις πλέον σημαντικές δυνατότητες του υπολογιστή που τον καθιστά ένα χρήσιμο μέσο για την τοποθέτηση του παιδιού σε έναν τεχνητό κόσμο, όπου μπορεί να πειραματίζεται με το οτιδήποτε. Η δυνατότητα αυτή περιορίζεται μόνον από την ύπαρξη κατάλληλου λογισμικού και συσκευών. Ειπώθηκε ότι οτιδήποτε κάνουμε στον υπολογιστή είναι προσομοίωση. Πράγματι, ο υπολογιστής μπορεί να προγραμματιστεί για να προσομοιώσει εικονικά το οποιαδήποτε πραγματικότητα, εξ ου και το αυξανόμενο ενδιαφέρον για τα συστήματα εικονικής πραγματικότητας. Στον χώρο των ΦΕ είναι γνωστό ότι πολλά φαινόμενα δεν είναι εύκολο να παρατηρηθούν και απαιτούν ειδικές τεχνικές και διεργασίες (π.χ. μελέτη της κίνησης ενός σώματος με βάση τα ίχνη του, μελέτη χημικών αντιδράσεων με βάση τις μεταβολές στις ιδιότητες των χημικών ουσιών, κλπ.). Η προσομοίωση των φαινομένων στο πειραματικό επίπεδο και η μελέτη τους με τα νοητικά εργαλεία που χρησιμοποιεί η επιστήμη βοηθά στην οικοδόμηση της επιστημονικής γνώσης στις ΦΕ. Η χρήση προσομοιώσεων καλό είναι να έπεται των πειραματικών διαδικασιών, δηλαδή σε αρχικό στάδιο να γίνεται η εξερεύνηση του πραγματικού κόσμου και ύστερα αυτή του εικονικού κόσμου του λογισμικού. Οι προσομοιώσεις συνήθως δεν αντικαθιστούν τη δουλειά στο εργαστήριο και δεν προσφέρουν τις εμπειρίες που αυτό προσφέρει. Ωστόσο, προσφέρουν συχνά δυνατότητες ακόμα μεγαλύτερες από αυτές του εργαστηρίου. Για παράδειγμα, στις προσομοιώσεις ο πειραματισμός είναι πιο ελεύθερος από τον πραγματικό. Οι πειραματικές διατάξεις χρειάζονται λιγότερο χρόνο και κόπο για να στηθούν και δεν είναι επικίνδυνες όπως οι πραγματικές. Δεν απαιτούνται από το/η χρήστη αναπτυγμένες δεξιότητες χειρισμού των οργάνων και των συσκευών, καθώς προσφέρουν τη δυνατότητα αυτόματης οπτικοποίησης και χρήσης διαφόρων αντικειμένων ή εργαλείων για την οργάνωση και την εικονική πραγματοποίηση των πειραμάτων. Ο ‘πειραματισμός’ μπορεί να γίνει σε ιδεατές καταστάσεις που είναι απαλλαγμένες από την επίδραση διαφόρων παραγόντων (όπως η τριβή, η αντίσταση του αέρα, κλπ.). Είναι δυνατό να γίνει επίδειξη φαινομένων και συμβάντων που δεν είναι εύκολα παρατηρήσιμα στον πραγματικό κόσμο, έλεγχος και απ’ ευθείας χειρισμός εννοιών και μεγεθών -εν είδει αντικειμένων και νόμων της Φυσικής. Ταυτόχρονα, είναι δυνατή η δημιουργία και μελέτη δυναμικών γραφικών ή αριθμητικών αναπαραστάσεων που δείχνουν πώς συνδέονται οι διάφορες μεταβλητές μεταξύ τους. Τέλος, παρέχεται η δυνατότητα της μεταβολής των κανόνων κάτω από τους οποίους τα αντικείμενα υπάρχουν και συμπεριφέρονται, ακόμα και της πλήρους κατάργησης των φυσικών νόμων και ‘παρατήρησης’ των συνεπειών των παρεμβάσεων αυτών. Συνεπώς, η δημιουργία ‘εναλλακτικών κόσμων’ αποτελεί σημαντική δυνατότητα του υπολογιστή που είναι δυνατό να αξιοποιηθεί για τη σχεδίαση εκπαιδευτικού λογισμικού ποιότητας στις ΦΕ. Από έρευνες έχει διαπιστωθεί ότι, όταν στην αίθουσα διδασκαλίας των ΦΕ οι μαθητές/ριες χρησιμοποιούν τον υπολογιστή για να μελετήσουν πειράματα σε προσομοίωση, απολαμβάνουν περισσότερο το μάθημα και μαθαίνουν καλύτερα και πιο πολλά πράγματα από ό,τι μαθητές/ριες που παρατηρούν απλά την επίδειξη των πειραμάτων σε ένα παραδοσιακό μάθημα και αλληλεπιδρούν με τον/ην εκπαιδευτικό (Poole, 1997, Roblyer, 1988, White, 1984). Στο γενικό αυτό συμπέρασμα καταλήγει η μελέτη των σχετικών ερευνών, γεγονός που δείχνει ότι τα πειράματα, είτε είναι πραγματικά είτε προσομοιωμένα στον υπολογιστή, έχουν το μεγάλο προσόν να εμπλέκουν ενεργά μαθητές και μαθήτριες στη διαδικασία διδασκαλίας-μάθησης.

Η οικοδόμηση της επιστημονικής γνώσης στις ΦΕ απαιτεί επιπλέον τη δημιουργία αναπαραστάσεων σε τρία επίπεδα περιγραφής των μεταβολών της ύλης: το πειραματικό-μακροσκοπικό, το ατομικό-μικροσκοπικό και το συμβολικό-μαθηματικό επίπεδο, καθώς και τη λειτουργική σύνδεση των αναπαραστάσεων αυτών. Εκτός δηλαδή από τις αναπαραστάσεις που πρέπει να δημιουργηθούν στους/ις μαθητές/ριες σχετικά με τα υλικά, τα φαινόμενα και τις διαδικασίες, η χρήση των συμβόλων, ιδιαίτερα των μαθηματικών και των γλωσσικών, είναι εντελώς απαραίτητη για την επιστημονική επεξεργασία των δεδομένων που προέρχονται από το εμπειρικό- επίπεδο και αφορούν στην ύλη και τις μεταβολές της. Επίσης ένα άλλο είδος αναπαραστάσεων που είναι αναγκαίες για την ουσιαστική κατανόηση εννοιών και φαινομένων των ΦΕ προέρχονται από το επίπεδο των μοντέλων της δομής της ύλης (ή και από οποιοδήποτε επιστημονικό μοντέλο). Τα μοντέλα είναι επινοήσεις του ανθρώπου που χρησιμεύουν για την περιγραφή και εξήγηση στο μικροσκοπικό επίπεδο φαινομένων και διαδικασιών που συμβαίνουν στο εμπειρικό επίπεδο. Ένα φαινόμενο που συμβαίνει, προκαλείται ή προσομοιώνεται στο πειραματικό επίπεδο, αναπαρίσταται και μελετάται επίσης στο συμβολικό επίπεδο, με τη βοήθεια των συμβόλων και των μαθηματικών εργαλείων, όπως και στο μικροσκοπικό επίπεδο, με τη βοήθεια κατάλληλων μοντέλων της δομής της ύλης. Η συμβολική αναπαράσταση μπορεί να δώσει τη θέση της σε μια δυναμική αναπαράσταση ενός δυναμικού επιστημονικού μοντέλου (π.χ. το γεωμετρικό μοντέλο της ανάκλασης ή της διάθλασης του φωτός). Βεβαίως, στο εσωτερικό κάθε μιας από τις τρεις κατηγορίες είναι δυνατό να υπάρχουν και άλλες υποκατηγορίες αναπαραστάσεων για το ίδιο υλικό, φαινόμενο ή διεργασία. Συνεπώς η χρήση του υπολογιστή παρέχει τη δυνατότητα για δημιουργία πολλαπλών αναπαραστάσεων του ίδιου φαινομένου ή διαδικασίας, εφόσον κατά την ανάπτυξη του αντίστοιχου εκπαιδευτικού λογισμικού έχει γίνει κατάλληλη πρόβλεψη. Έχει διαπιστωθεί ότι η χρήση υπολογιστή για τη δημιουργία γραφικών παραστάσεων βοηθά τα παιδιά να αναπτύξουν ποικίλες δεξιότητες. Για παράδειγμα, μαθητές/ριες δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης που χρησιμοποίησαν υπολογιστή στις ΦΕ έμαθαν πιο εύκολα να δημιουργούν γραφικές παραστάσεις σε σύγκριση με μαθητές/ριες που δημιούργησαν γραφικές παραστάσεις με το χέρι, κατανόησαν την πληροφορία που εμπεριέχεται σε γραφικές παραστάσεις τις οποίες δημιούργησαν στη διάρκεια πειραμάτων και μετέφεραν τη γνώση που απόκτησαν στον τομέα αυτό σε άλλους τομείς στη φυσική (Linn et al., 1987).

Η ποιότητα ενός λογισμικού που προορίζεται για διδακτική χρήση δεν είναι ικανοποιητική, αν στηρίζεται και εμπνέεται αποκλειστικά από τις ιδιομορφίες του γνωστικού αντικειμένου που πραγματεύεται και αγνοεί τις ανάγκες των μαθητών/ριών για μάθηση στη συγκεκριμένη περιοχή της γνώσης που μελετά. Ένας άλλος παράγων που συντελεί στην επιτυχή σχεδίαση και ανάπτυξη λογισμικού στις ΦΕ είναι ο καθορισμός του περιεχομένου του λογισμικού, με βάση τον/ην ίδιο/α το/η μαθητή/ρια, τις προηγούμενες ιδέες και γνώσεις του/ης για το υπό μελέτη θέμα και τις ανάγκες του/ης για μάθηση με κατανόηση (learning with understanding). Στόχος θα πρέπει να είναι όχι η απόδοση του/ης μαθητή/ριας, αλλά η οικοδόμηση της επιστημονικής γνώσης από μέρους του/ης. Το εποικοδομητικό εκπαιδευτικό λογισμικό των ΦΕ περιέχει όχι αυστηρά τη γνώση του/ης ειδικού επιστήμονα, αλλά το περιεχόμενό του καθορίζεται με βάση τόσο τα πορίσματα ερευνών στη Διδακτική των ΦΕ, όσο και τις έννοιες του διδακτικού μετασχηματισμού (Chevallard, 1985/92) και του διδακτικού εμποδίου (Martinand, 1986). Επίσης διαδικασίες γνωστικής σύγκρουσης μπορεί να περιέχονται σε ένα τέτοιο λογισμικό, με στόχο να προκαλέσουν εννοιολογική αλλαγή. Η απόκριση στις λανθασμένες απαντήσεις του/της μαθητή/ριας και η διδακτική αξιοποίηση του ‘λάθους’, των λανθασμένων δηλαδή απαντήσεων του/της μαθητή/ριας που αντανακλούν τις αντίστοιχες εναλλακτικές ιδέες και απόψεις του/της, αποτελεί ένα ακόμα χαρακτηριστικό ενός εκπαιδευτικού λογισμικού ποιότητας των ΦΕ. Στα κοινά λογισμικά (π.χ. εξάσκησης) δεν υπάρχει η δυνατότητα αυτή, με αποτέλεσμα ο/η μαθητής/ρια να μην καταλαβαίνει πού κάνει λάθος ή για ποιο λόγο δεν πετυχαίνει το ‘πείραμά’ του/της.

Προκειμένου να επιτευχθούν τέτοιοι υψηλοί διδακτικοί στόχοι σε ένα εκπαιδευτικό λογισμικό, είναι αναγκαίο να έχει σχεδιαστεί με τρόπο που να επιτρέπει την αυξημένη, νοητικού ή γνωστικού τύπου, αλληλεπίδραση μεταξύ μέσου και χρήστη. Πέρα από την επιφανειακού τύπου αλληλεπίδραση με τον υπολογιστή και τον χειρισμό της διεπαφής, ο/η χρήστης έχει ανάγκη να αλληλεπιδρά και σε γνωστικό επίπεδο με τον υπολογιστή (Giardina, 1993). Η αλληλεπίδραση αυτή ευνοεί τις πολλαπλές νοητικές διεργασίες που είναι απαραίτητες για την οικοδόμηση της επιστημονικής γνώσης στις ΦΕ, όπως είναι η πρόβλεψη για το τι θα συμβεί, ο έλεγχος των υποθέσεων, η λειτουργία των προσωπικών αναπαραστάσεων και η σύγκρισή τους με το επιστημονικό μοντέλο, η λύση προβλημάτων, η πρακτική και η εξάσκηση, καθώς και οι διάφοροι συνδυασμοί τους. Επίσης, η προώθηση της αυτονομίας του/ης χρήστη με τη χρήση υπολογιστή και λογισμικού διερευνητικού και ανοικτού τύπου αποτελεί έννοια-κλειδί και ζητούμενο για την ανάπτυξη και αξιοποίηση εκπαιδευτικού λογισμικού ποιότητας στις ΦΕ (Wellington, 1994).
Γενικά η χρήση εκπαιδευτικού λογισμικού, ακόμα και αν δεν έχει ενσωματωμένα όλα αυτά τα χαρακτηριστικά, φαίνεται ότι ευνοεί τη μελέτη περισσότερο των ΦΕ παρά οποιοδήποτε άλλο γνωστικό αντικείμενο, όπως φαίνεται από ανασκόπηση των ερευνών (Roblyer, 1988, Poole, 1997, Σολομωνίδου, 2000α). Επίσης φαίνεται ότι η χρήση αυτή βοηθά τους/ις μαθητές/ριες να αναπτύσσουν δεξιότητες που τους/ις είναι χρήσιμες σε όλη τους τη ζωή, εφόσον να μαθαίνουν να συλλέγουν, να αναλύουν και να ερμηνεύουν δεδομένα (Rash & Hofman, 1990), ενώ τους/ις βοηθά να παράγουν πολύ καλής ποιότητας κείμενα και εργασίες με τη βοήθεια επεξεργαστή κειμένου (O’Brien & Pizzini, 1986).


* Παρουσίαση στην Ημερίδα ‘Οι Φυσικές Επιστήμες στην Ελλάδα σήμερα: προβλήματα και προοπτικές’, Αθήνα, 3 Μαρτίου 2001.
Οργάνωση: Ένωση για τη Διδακτική των Φυσικών Επιστημών
*Δημοσίευση:  Σολομωνίδου, Χ. (2001). Εκπαιδευτικό λογισμικό Φυσικών Επιστημών: από τη σχεδίαση στη διδασκαλία στην τάξη. Στο Π. Κόκκοτας (επιμ.) ‘Οι Φυσικές Επιστήμες στην Ελλάδα σήμερα: προβλήματα και προοπτικές’. Αθήνα: εκδ. Γρηγόρη, 139-165

Share Button