Εικονικά εργαστήρια: Η αξιοποίησή τους στη διδακτική των φυσικών επιστημών

vlab3

των Γιώργου  Ολυμπίου και Ζαχαρία Χ. Ζαχαρία*

Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, η εκρηκτική αύξηση των πληροφορικά εμπλουτισμένων μαθησιακών περιβαλλόντων έχει γενικεύσει την αντιπαράθεση για τη συμπερίληψη συνδυασμών εικονικών αναπαραστάσεων, όπως διαγράμματα, εξισώσεις, πίνακες, γραφικές παραστάσεις, κινούμενα σχέδια, ήχους, βίντεο και δυναμικές προσομοιώσεις, στα μαθησιακά περιβάλλοντα. Ένας μεγάλος αριθμός εκπαιδευτικών προσεγγίσεων συζητά τη σημασία των πολλαπλών εικονικών αναπαραστάσεων και γενικότερα των εικονικών εργαστηρίων στη μαθησιακή διαδικασία. Στις γνωστικές θεωρίες μάθησης, η δυνατότητα οικοδόμησης και αλλαγής (μετάβασης) ανάμεσα σε πολλαπλές προοπτικές μιας θεματικής ενότητας, η οποία μπορεί να επιτευχθεί με τη μετάβαση ανάμεσα σε διαφορετικές εικονικές αναπαραστάσεις, θεωρείται θεμελιώδης για την επιτυχημένη μάθηση (Spiro & Jehng, 1990). Έρευνες στον αναλογικό συλλογισμό καταδεικνύουν πως οι διαδικασίες σύγκρισης (π.χ. ανάμεσα σε διαφορετικού είδους αναπαραστάσεις) βοηθούν τους ανθρώπους να εξάγουν νέα συμπεράσματα (Gentner & Markman, 1997). Παρόλα αυτά, οι έρευνες που έγιναν σε σχέση με τα πλεονεκτήματα που παρέχονται στους μανθάνοντες όταν παρουσιάζονται σε αυτούς περισσότερες από μία εικονικές αναπαραστάσεις έχουν καταλήξει σε αντικρουόμενα  αποτελέσματα. Συγκεκριμένα, ένας αριθμός ερευνών έχει καταλήξει σε θετικά αποτελέσματα σε σχέση με την επίδραση των εικονικών αναπαραστάσεων και των εικονικών εργαστηρίων (π.χ. Olympiou, Zacharia, & de Jong, 2013), αλλά από την άλλη ένας εξίσου μεγάλος αριθμός ερευνών έχει καταλήξει στην εύρεση των αντίθετων αποτελεσμάτων (π.χ. Van Someren, Reimann, Boshuizen & de Jong, 1998).

Εικονικά Εργαστήρια

Οι εικονικές, αλληλεπιδραστικές και δυναμικές αναπαραστάσεις πειραματικών διατάξεων και υλικών, οι οποίες παρέχονται μέσα από προσομοιώσεις στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές, ορίζονται πλέον ως Εικονικά Εργαστήρια (ΕΕ) και η χρήση τους επεκτείνεται ευρέως σε διαδικτυακές πλατφόρμες ή ειδικά σχεδιασμένα τεχνολογικά εμπλουτισμένα μαθησιακά περιβάλλοντα. Σε αυτό το πλαίσιο, ο Πειραματισμός σε Εικονικά Εργαστήρια (ΠΕΕ) καθορίζεται ως μια μαθησιακή εμπειρία η οποία περιλαμβάνει μια διαδικασία στην οποία οι μανθάνοντες χειρίζονται εικονικά /αλληλεπιδρούν με εικονικά υλικά, μοντέλα και εικονικές πειραματικές διατάξεις με απώτερο στόχο την παρατήρηση και κατανόηση των αντίστοιχων φαινομένων (Olympiou, 2012).

Αρχικά, ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη των εικονικών εργαστηρίων προέκυψε ως μια ανάγκη συμπλήρωσης του Πειραματισμού σε Πραγματικά Εργαστήρια (ΠΠΕ), ο οποίος λόγω της φύσης του χαρακτηριζόταν και χαρακτηρίζεται από μια γκάμα περιορισμών στην εφαρμογή του σε εκπαιδευτικά εργαστήρια των Φυσικών Επιστημών. Παρά τη συζήτηση που ακολούθησε περί συγκρίσεων των πραγματικών με τα εικονικά εργαστήρια (Zacharia & Olympiou 2011), μερικοί ερευνητές και σχεδιαστές μαθησιακών περιβαλλόντων έχουν προβλέψει τις προοπτικές του ΠΕΕ και των δυνατοτήτων του σε σχέση με τη μάθηση στις Φυσικές Επιστήμες και έχουν σχεδιάσει/ αναπτύξει εικονικά εργαστήρια τα οποία υπερβαίνουν τα όρια και τις δυνατότητες των πραγματικών εργαστηρίων, σε μια προσπάθεια να επεκτείνουν και να εμπλουτίσουν το μαθησιακό όφελος από την προστιθέμενη αξία του ΠΕΕ.

Ως αποτέλεσμα αυτής της προσπάθειας προέκυψε ένας μεγάλος αριθμός εικονικών εργαστηρίων σε διαφορετικές θεματικές ενότητες των Φυσικών Επιστημών, τα οποία παρέχουν αναπαραστάσεις οι οποίες φαίνονται να είναι όσο ουσιώδεις είναι οι αντίστοιχες δραστηριότητες σε πραγματικά εργαστήρια και σε κάποιες περιπτώσεις είναι πιο ευέλικτες και επεκτάσιμες από τις αντίστοιχες διατάξεις του ΠΠΕ (Triona & Klahr, 2003). Σε αυτό το πλαίσιο, μέσα από τη διαρκή ανάπτυξη της τεχνολογίας και τη συνεχή εξέλιξη νέων καινοτόμων εικονικών εργαλείων προκύπτουν διαρκώς διαδικτυακές εφαρμογές, οι οποίες εξυπηρετούν σε πολλαπλά επίπεδα τα αναλυτικά προ- γράμματα των Φυσικών Επιστημών, καθώς και τις ειδικές ή/και τις γενικότερες μαθησιακές τους επιδιώξεις.

Σήμερα, δεν υπάρχει κάποιος κλάδος των Φυσικών Επιστημών που να μην υποστηρίζεται από τέτοια τεχνολογικά εργαλεία, όπως είναι οι προσομοιώσεις και τα εικονικά περιβάλλοντα πειραματισμού. Τέτοια εικονικά περιβάλλοντα παρέχουν τόσο σε επίπεδο περιεχομένου όσο και σε επίπεδο διδακτικής μεθοδολογίας, προβλεπτική δυνατότητα, η οποία σταθερά συνεισφέρει στις υφιστάμενες θεωρητικές αρχές μέσα από την παρατήρηση και τον πειραματισμό. Ταυτόχρονα, παρουσιάζονται παραδείγματα δομημένου χειρισμού των δυνατοτήτων των εικονικών μέσων πειραματισμού με τρόπο που να παρέχονται υποστηρικτικές διεργασίες κατά τον πειραματισμό σε ένα συγκείμενο (π.χ. διευκόλυνση ελέγχου μεταβλητών κ.λπ.) (Bravo, van Joolingen  & de Jong, 2009). Επιπρόσθετα, ο σχεδιασμός των εικονικών περιβαλλόντων στηρίζεται πλέον σε διδακτικές αρχές και δεν επικεντρώνεται αποκλειστικά στο περιεχόμενο. Η πιο πάνω τάση τεκμηριώνει τα θετικά ερευνητικά αποτελέσματα που προέκυψαν την τελευταία εικοσαετία προς αυτήν την κατεύθυνση και καταγράφουν τα χαρακτηριστικά των Εικονικών Εργαστηρίων (ΕΕ) τα οποία συνεισφέρουν με πολλαπλούς τρόπους στα μαθησιακά περιβάλλοντα και κατ’ επέκταση στα μαθησιακά αποτελέσματα.

Χαρακτηριστικά των Εικονικών Εργαστηρίων

Μέσα από τις έρευνες της τελευταίας εικοσαετίας αναφορικά με τη χρήση και την αποτελεσματικότητα των ΕΕ, προκύπτει πως η εφαρμογή τους στις Φυσικές Επιστήμες επιδεικνύει θετικά αποτελέσματα σε διεθνές επίπεδο. Η βιβλιογραφία παρουσιάζει πολλαπλά παραδείγματα της αποτελεσματικότητας των προσομοιώσεων/εικονικών αναπαραστάσεων/εικονικών εργαστηρίων στην ανάπτυξη της γνώσης περιεχομένου και στην καλλιέργεια δεξιοτήτων, καθώς και στην υποστήριξη διδακτικών προτύπων και θεωριών, όπως είναι η διερώτηση και η εννοιολογική αλλαγή (Bell & Smetana, 2008). Η αναπαράσταση και η οπτικοποίηση που παρέχεται μέσω εικονικών εργαλείων συνεισφέρει στην ανάπτυξη νοητικών οικοδομημάτων, η οποία επιτρέπει στα άτομα να σκέφτονται, να περιγράφουν και να επεξηγούν αντικείμενα, φαινόμενα και διαδικασίες σε ρεαλιστικό επίπεδο. Τέτοιου είδους εργαλεία υποστηρίζουν τη διδακτική προοπτική που απευθύνεται σε αβέβαιες καταστάσεις και εναλλακτικά σενάρια υποβαθμίζοντας την προσέγγιση της ρητής επιβεβαίωσης «επιστημονικά αποδεκτών» δηλώσεων/απαντήσεων.

Σύμφωνα με τους Troina & Klahr (2003) κύρια χαρακτηριστικά του ΠΕΕ που μπορούν να συνεισφέρουν στη διδακτική των Φυσικών Επιστημών και ειδικότερα στον εργαστηριακό πειραματισμό είναι τα εξής: Η εύκολη μεταφορά οποιουδήποτε φαινομένου στο εργαστήριο, η ασφάλεια πειραματισμού που παρέχει ένα εικονικό εργαστήριο, η αντιμετώπιση υψηλού κόστους και οικονομικών περιορισμών, η δυνατότητα ελαχιστοποίησης σφαλμάτων, η ενίσχυση ή μείωση των προσωρινών και χωρικών διαστάσεων και η συμπερίληψη ευέλικτων και δυναμικών αναπαραστάσεων και δεδομένων. Αρκετές από τις αναφερόμενες δυνατότητες του ΠΕΕ, έχουν τεκμηριωθεί εμπειρικά σε σχέση με την αποτελεσματικότητά τους στα μαθησιακά αποτελέσματα (βλ. Πίνακα 1), με συνέπεια να καθιστούν τα εικονικά εργαστήρια ως ένα βιώσιμο μέσο πειραματισμού σε οποιαδήποτε διδακτική παρέμβαση (χωρίς απαραίτητα τη χρήση πραγματικών υλικών).

pinakas-eikonika

Μέσα από τη χρήση των ΕΕ, οι εκπαιδευτικοί μπορούν να επικεντρώσουν την προσοχή των μανθανόντων στις μαθησιακές επιδιώξεις που τίθενται μέσα από την απλοποίηση των πραγματικών συνθηκών ενός εργαστηρίου. Επιπρόσθετα, παρουσιάζονται αιτιακές σχέσεις με επεξηγηματικό τρόπο, ενώ ταυτόχρονα οι αχρείαστες γνωστικές απαιτήσεις που ενδεχομένως να προκύπτουν σε ένα εργαστηριακό περιβάλλον, μειώνονται μέσα από τη χρήση μιας προσομοίωσης ή ενός εικονικού εργαστηρίου. Σε ένα εικονικό περιβάλλον στο πλαίσιο του εργαστηριακού πειραματισμού, ο χρόνος μπορεί να μεταβληθεί (επιβραδύνεται ή επιταχύνεται ανάλογα με τις ανάγκες του πειράματος). Πειράματα τα οποία χαρακτηρίζονται από χρονοβόρες διαδικασίες, σε βαθμό που να αποτρέπουν τους εκπαιδευτικούς από τη συμπερίληψή τους στη μαθησιακή διαδικασία, μπορούν να διεξαχθούν στο πλαίσιο ενός εικονικού εργαστηρίου. Σε κάποιες περιπτώσεις η χρονοτριβή που προκύπτει από την εξοικείωση των ατόμων με τις λειτουργίες των εικονικών εργαστηρίων προβάλλεται ως αντεπιχείρημα για την εφαρμογή του ΠΕΕ όταν προβάλλεται ως μέτρο για την αντιμετώπιση των χρονικών περιορισμών. Η εξοικείωση των α- τόμων με τις λειτουργίες του εκάστοτε εικονικού εργαστηρίου είναι αναγκαία και ο χρόνος που αφιερώνεται σε αυτή μπορεί να μην έχει ιδιαίτερο μαθησιακό και χρονικό κόστος, εάν συνυπολογίζεται κατά το σχεδιασμό της διδακτικής παρέμβασης, ώστε οι μανθάνοντες να επικεντρώνονται σε  συγκεκριμένες λειτουργίες (αυτές που απαιτούνται για τη διεξαγωγή των πειραμάτων).

Η διεξαγωγή πειραμάτων σε εικονικό εργαστήριο από τους ίδιους τους μανθάνοντες, όταν έχουν εξοικειωθεί με τις απαιτούμενες λειτουργίες των αντίστοιχων προσομοιώσεων, συν- δέεται άμεσα όχι μόνο με την αντιμετώπιση χρονικών περιορισμών αλλά και με τον ελεύθερο διδακτικό χρόνο του διδακτικού προσωπικού. Σε ανάλογες περιπτώσεις εργαστηριακών περιβαλλόντων, τα μέλη του διδακτικού προσωπικού παρέχουν πρακτική και τεχνική στήριξη στη διαχείριση του αναγκαίου εξοπλισμού και στην οργάνωση των κατάλληλων πειραματικών διατάξεων, πέρα από την παρακολούθηση των πειραμάτων και την καθοδήγηση που δύνανται να παρέχουν. Σε αυτό το πλαίσιο, ο ΠΕΕ δίνει τη δυνατότητα περισσότερης ελευθερίας κινήσεων και καλύτερης οργάνωσης του χρόνου του διδακτικού προσωπικού (Blake & Scanlon, 2007), με τρόπο που να εξυπηρετούνται οι μαθησιακές επιδιώξεις στη βάση τους και να μη σπαταλάται χρόνος σε διαδικαστικά ή τεχνικά ζητήματα.

Σε σχέση  με τις δυνατότητες  που παρέχονται από τον ΠΕΕ, τρία συγκεκριμένα χαρακτηριστικά καθορίζουν τον ρόλο, την εμπλοκή και την εκάστοτε εφαρμογή των εικονικών εργαστηρίων σε οποιαδήποτε διαδικασία του εργαστηριακού πειραματισμού (Zacharia & Olympiou, 2011): α) η ακρίβεια/πιστότητα αναπαράστασης ενός φαινομένου (fidelity), β) η περιεκτικότητα μιας εικονικής αναπαράστασης ενός πειράματος σε σχέση με το αντίστοιχο πραγματικό πείραμα (richness) και γ) η διαφάνεια του εικονικού μέσου ενός φαινομένου ή μιας πτυχής του φαινομένου/πειράματος (transparency). Σε αυτό το πλαίσιο αναφοράς, η περιεκτικότητα μιας εικονικής αναπαράστασης ενός εικονικού εργαστηρίου, αναφέρεται στην ποσότητα των πληροφοριών και τους πολλαπλούς τρόπους εξαγωγής τέτοιων πληροφοριών από τις αναπαραστάσεις τόσο των αντίστοιχων πραγματικών αντικειμένων, όσο και των εννοιολογικών/συμβολικών αντικειμένων των φαινομένων που αναπαριστώνται στα εικονικά εργαστήρια. Η διαφάνεια μιας αναπαράστασης αναφέρεται στη δυνατότητα της αμεσότητας μιας παρατήρησης μεταβλητών, αντικειμένων (των αντίστοιχων πραγματικών και των συμβολικών) και σχέσεων σε μια θεματική ενότητα που διατίθεται στους μανθάνοντες (Swaak, van Joolingen & de Jong, 1998). Έρευνες αναφέρουν πως, όσο πιο πλούσιο ή όσο λιγότερο «διαφανές» είναι ένα εικονικό εργαστήριο, τόσο πιο ανεπαρκές μπορεί να αποδειχθεί κατά την εφαρμογή του (π.χ. Marshall & Young, 2006). Η πιστότητα/ακρίβεια (fidelity) μιας εικονικής αναπαράστασης αναφέρεται στον βαθμό του ρεαλισμού με τον οποίο ένα εικονικό εργαστήριο αναπαριστά μια πραγματική πειραματική διάταξη με τα αντίστοιχα υλικά και όργανα που συμμετέχουν σε αυτή (Scheiter, Gerjets, Huk, Imhof & Kammerer, 2009).

Τα συγκεκριμένα χαρακτηριστικά (περιεκτικότητα/richness, ενδεχόμενη διαφάνεια των εικονικών αναπαραστάσεων /trans- parency και η πιστότητα/ακρίβεια/fidelity) συνήθως καθορίζονται από τα επιπρόσθετα εργαλεία που παρέχονται μέσα από τα δυναμικά περιβάλλοντα των εικονικών εργαστηρίων. Τέτοια εργαλεία είναι οι πολλαπλές εικονικές αναπαραστάσεις που παρέχονται στο πλαίσιο συγκεκριμένων πειραματικών διατάξεων των εικονικών εργαστηρίων. Οι πολλαπλές διαδικτυακές και όχι μόνο εφαρμογές που συνοδεύονται από πολλαπλές εικονικές αναπαραστάσεις διαφορετικών δυνατοτήτων συνοδεύουν πλείστες διδακτικές ενότητες των Φυσικών Επιστημών και υποστηρίζουν ειδικά σχεδιασμένες διδακτικές παρεμβάσεις.

Πολλαπλές Εικονικές Δυναμικά συσχετιζόμενες Αναπα- ραστάσεις σε Εικονικά Περιβάλλοντα Πειραματισμού

Τα πληροφορικά εμπλουτισμένα μαθησιακά περιβάλλοντα σε ηλεκτρονικούς υπολογιστές παρέχουν δυνατότητες δυναμικών αναπαραστάσεων οι οποίες περιλαμβάνουν βίντεο, κινούμενα σχέδια (animations), δυναμικές γραφικές παραστάσεις, πίνακες και αλληλεπιδραστικά δυναμικά εποπτικά μέσα (Lowe, 2003). Ο συνδυασμός διαφορετικών αναπαραστάσεων στο ίδιο μαθησιακό εικονικό περιβάλλον μπορεί να επιφέρει πολλαπλά πλεονεκτήματα (βλ. Ainsworth & van Labeke, 2004). Κάθε αναπαράσταση μπορεί να επιδείξει συγκεκριμένες πτυχές της υπό διερεύνηση θεματικής ενότητας. Η χρήση των πολλαπλών αναπαραστάσεων δίνει τη δυνατότητα παράλληλης εφαρμογής και μετάφρασης ανάμεσα στις διαφορετικές μορφές τους με τρόπο που οι μανθάνοντες να οικοδομούν αφαιρετικές σχέσεις που ενδεχομένως να οδηγούν σε βαθύτερη κατανόηση του περιεχομένου.

Ένα σημαντικό κίνητρο για τη χρήση των πολλαπλών αναπαραστάσεων είναι η ενθάρρυνση που παρέχουν στους μανθάνοντες για την οικοδόμηση βαθύτερης κατανόησης του περιεχομένου (Ainsworth, 1999). Οι Petre et al. (1998) υποστηρίζουν πως η ανάγκη νοητικής μεταφοράς ανάμεσα σε διαφορετικού τύπου αναπαραστάσεις (και ίσως και ανάμεσα σε διαφορετικές πτυχές του υπό μελέτη συγκειμένου), προκαλεί τον αναστοχασμό, πέρα από τα όρια και τις λεπτομέρειες της πρώτης αναπαράστασης, και την αναμονή στα νέα δεδομένα που παρέχονται από τη δεύτερη αναπαράσταση. Παράλληλα, αναμένεται πως οι εμπλεκόμενοι επωφελούνται από τις διαφορετικές δυνατότητες της κάθε αναπαράστασης και αυτό μπορεί να οδηγήσει σε βαθύτερη κατανόηση της υπό μελέτη θεματικής ενότητας (de Jong, Ainsworth, Dobson, van der Hulst, Levonen & Reimann et al. 1998).

Όταν παρουσιάζονται πολλαπλές αναπαραστάσεις, συνήθως σχετίζονται άμεσα μεταξύ τους και αλληλοσυμπληρώνονται, αφού σε αρκετές περιπτώσεις παρουσιάζουν διαφορετικές πληροφορίες ή διαφορετικές πτυχές του φαινομένου. Σε άλλες περιπτώσεις παρέχεται η δυνατότητα παρουσίασης της ίδιας πτυχής του φαινομένου μέσα από διαφορετικές μορφές αναπαραστάσεων, ώστε να παρουσιάζεται το φαινόμενο σε συνδυασμό με συμβολικά μεγέθη που αυτό περικλείει. Σε τέτοιες περιπτώσεις η παρατήρηση και η χρήση συμβολικών μεγεθών ή μεταβλητών θεωρείται αδύνατη σε εργαστηριακά περιβάλλοντα πειραματισμού, αφού πρόκειται για εννοιολογικές ή νοητικές κατασκευές που δεν υφίστανται σε πρακτικό επίπεδο. Ο συνδυασμός πολλαπλών αναπαραστάσεων που δια- φέρουν με αυτούς τους τρόπους, φαίνεται να αποτελεί ευοίωνη συνθήκη για τα μαθησιακά αποτελέσματα, αφού οι μανθάνοντες ενδέχεται να επωφεληθούν από τα πλεονεκτήματα που παρέχονται από την εκάστοτε αναπαράσταση που συμπληρώνει είτε το εικονικό είτε το πραγματικό περιβάλλον (Ainsworth & van Labeke, 2004).

Είναι προφανές, μέσα από τη διεθνή βιβλιογραφία, πως οι πολλαπλές αναπαραστάσεις σε δυναμικά μαθησιακά περιβάλλοντα όπου ενσωματώνεται ο εικονικός πειραματισμός, παρέχουν ευκαιρίες στους μανθάνοντες για οπτικοποίηση πολύπλοκων φαινομένων (Ainsworth & van Labeke, 2004). Σε αυτό το πλαίσιο, οι αφαιρετικές εικονικές αναπαραστάσεις εφαρμόζονται ευρέως στον ΠΕΕ για να συμπληρώσουν τη λειτουργία ρεαλιστικών εικονικών αναπαραστάσεων. Τέτοιες αφαιρετικές αναπαραστάσεις αναπαριστούν αφαιρετικές οντότητες, όπως διανύσματα, μόρια, φωτεινές ακτίνες, οι οποίες δεν μπορούν να γίνουν αντιληπτές στον πραγματικό κόσμο (Buckley, 2000), παρέχοντας με αυτόν τον τρόπο στους μανθάνοντες την επίγνωση του εννοιολογικού συγκειμένου του υπό μελέτη φαινομένου (π.χ. αφαιρετικές έννοιες, υποκείμενοι μηχανισμοί λειτουργίας των φαινομένων, Trundle & Bell, 2010). Το συγκεκριμένο είδος αναπαραστάσεων μετατρέπει τον αόρατο –στην πραγματικότητα–  μηχανισμό του φαινομένου σε ορατή χειροπιαστή οντότητα. Η αναφερόμενη δυνατότητα θεωρείται ουσιώδης στις Φυσικές Επιστήμες, γιατί επιτρέπει σε εκπαιδευτικούς και μανθάνοντες να επικοινωνούν στη βάση δεδομένων και παρατηρήσεων αναφορικά με αφαιρετικές έννοιες στα αντίστοιχα υπό μελέτη φαινόμενα (Mathewson, 1999). Η εφαρμογή των αφαιρετικών εικονικών αναπαραστάσεων στη μαθησιακή διαδικασία έχει πραγματοποιηθεί και στους κλάδους της Χημείας και της Βιολογίας καταδεικνύοντας ενθαρρυντικά αποτελέσματα. Για παράδειγμα, οι Wu, Krajcik & Soloway (2001) και οι Limniou, Papadopoulos & Whitehead (2009), χρησιμοποίησαν αφαιρετικά αντικείμενα (αναπαραστάσεις μορίων) για τη διερεύνηση φαινομένων Χημείας σε μοριακό επίπεδο, ενώ στον κλάδο της Βιολογίας οι Minogue et al. (2006) χρησιμοποίησαν αφαιρετικά αντικείμενα/αναπαραστάσεις για τη διερεύνηση του κυττάρου και των μερών που το συνιστούν σε μικροεπίπεδο. Τα ευρήματα των αναφερόμενων ερευνών καταδεικνύουν την ανάγκη πρόσβασης και εικονικής παρατήρησης σε μικροεπίπεδο (π.χ. σε μοριακό επίπεδο), ώστε να γίνονται κατανοητά τα φαινόμενα που διερευνώνται σε μακροεπίπεδο.

Συνεπώς, η έρευνα την τελευταία δεκαετία δεν επικεντρώνεται στο ερώτημα κατά πόσο οι ΠΕΔΑ είναι αποτελεσματικές σε αντίστοιχα μαθησιακά περιβάλλοντα, αλλά απευθύνεται κυρίως στις συνθήκες που επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα τέτοιων αναπαραστάσεων σε διάφορα μαθησιακά περιβάλλοντα (βλ. Goldman, 2003), όπως είναι τα εικονικά και πραγματικά εργαστηριακά περιβάλλοντα πειραματισμού στις Φυσικές Επιστήμες. Ταυτόχρονα, η οποιαδήποτε ενσωμάτωση ή σύγκριση των εικονικών με τα πραγματικά εργαστήρια συνοδεύεται από τις επιπρόσθετες δυνατότητες η αδυναμίες των ΠΕΔΑ στο εκάστοτε συγκείμενο.

Συγκρίσεις ανάμεσα σε Εικονικά και Πραγματικά Εργαστήρια

Τα αποτελέσματα πρόσφατων εμπειρικών ερευνών στη διδακτική των Φυσικών Επιστημών που περιλαμβάνουν συγκρίσεις ανάμεσα στον ΠΠΕ και τον ΠΕΕ, παρουσιάζουν αντικρουόμενα αποτελέσματα με κάποιες περιπτώσεις εφαρμογής του ΠΕΕ να υπερτερούν του ΠΠΕ (Finkelstein et al., 2005), ενώ σε κάποιες άλλες περιπτώσεις να συμβαίνει ακριβώς το αντίθετο (Marshall & Young, 2006). Τέτοιες διαφορές πηγάζουν πρωτίστως από το γεγονός ότι η φύση του εικονικού πειράματος από το πραγματικό πείραμα είναι εντελώς διαφορετική. Στην περίπτωση των εικονικών πειραμάτων δε συλλέγονται ουσιαστικά αυθεντικά δεδομένα, αλλά ψευδοδεδομένα, γεγονός που θα απέκλειε το συγκεκριμένο μέσο πειραματισμού από μια διδακτική παρέμβαση στην περίπτωση που η επιδίωξη ενός πειράματος ήταν η άμεση παρατήρηση ενός φαινομένου για το οποίο δεν υπάρχουν προηγούμενες εμπειρίες από τους μανθάνοντες ή σαφείς παρατηρήσεις καταγεγραμμένες από τους ίδιους και συνεπώς θεωρείται εντελώς άγνωστη η έκβασή του. Από την άλλη πλευρά, εάν το συγκεκριμένο φαινόμενο δεν είναι δυνατό να παρατηρηθεί σε εργαστηριακό περιβάλλον λόγω διαφόρων περιορισμών (π.χ. επικίνδυνο, δαπανηρό κ.λπ.), τότε θα μπορούσαν να δημιουργηθούν οι συνθήκες σε ένα εικονικό περιβάλλον που θα επέτρεπαν την άμεση παρατήρηση του φαινομένου.

Τα πραγματικά πειράματα διαφέρουν σημαντικά από τα αντίστοιχα εικονικά αφού περιλαμβάνουν τα πειραματικά σφάλματα, όπως για παράδειγμα τα σφάλματα μέτρησης. Τα σφάλμα- τα γενικότερα αποτελούν αναπόφευκτο χαρακτηριστικό της εμπειρικής επιστήμης (Masnick & Klahr, 2003). Συνήθως, σε πραγματικές συνθήκες εργαστηρίου, όταν προκύπτουν πειραματικά σφάλματα, ενδέχεται να πραγματοποιηθούν συζητήσεις στο πλαίσιο κάθε ομάδας που σχετίζονται με την ανάλυση και τον ρόλο των σφαλμάτων στις Φυσικές Επιστήμες, γεγονός που αποτελεί βασική συνιστώσα στον εργαστηριακό πειραματισμό. Η απουσία των πειραματικών σφαλμάτων (ή η παρουσία συγκεκριμένων προϋπολογισμένων σφαλμάτων σε ένα εικονικό περιβάλλον) και η απουσία ανάλυσης τέτοιων σφαλμάτων από τις συζητήσεις που γίνονται κατά την εφαρμογή εικονικών περιβαλλόντων, αποτελεί σοβαρό μειονέκτημα και ενισχύει το επιχείρημα κατά του ΠΕΕ, με αναφορά στον διαφορετικό τρόπο που εργάζονται οι μανθάνοντες σε σχέση με αυτόν που εργάστηκαν αρχικά οι επιστήμονες.

Επιπρόσθετα, τα πραγματικά πειράματα διαφέρουν από τα εικονικά, όταν επιχειρείται η ανάπτυξη κιναισθητικών δεξιοτήτων (π.χ. διενέργεια τομών κατά τη διάρκεια ανατομών ερπετών). Απαιτούνται διαφορετικές κινήσεις για τη χρήση ενός πληκτρολογίου και ενός ποντικιού από τις κινήσεις που απαιτούνται για τον χειρισμό ενός συγκεκριμένου εργαστηριακού εξοπλισμού και βοηθούν στην ανάπτυξη των κιναισθητικών δεξιοτήτων στο συγκεκριμένο συγκείμενο (Triona & Klahr, 2003). Οι ίδιοι συγγραφείς έκαναν μια σύγκριση ανάμεσα στην αποτελεσματικότητα του ΠΠΕ και του ΠΕΕ, σε σχέση με την ικανότητα των μανθανόντων να σχεδιάζουν πειράματα. Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας κατέδειξαν πως οι μανθάνοντες και στις δύο συνθήκες ήταν σε θέση να σχεδιάζουν πειράματα σε ικανοποιητικό βαθμό. Επιπρόσθετα, επιχειρηματολόγησαν πως η εννοιολογική και η διαδικαστική γνώση δεν απαιτούσαν φυσική αλληλεπίδραση με τα υλικά, και η αντικατάσταση των πραγματικών υλικών από τα εικονικά δεν είχε οποιαδήποτε αρνητική συνέπεια στη μάθηση και τη μεταφορά γνώσης. Παρομοίως, οι Zacharia και Constantinou (2008), στη δική τους προσπάθεια, έδειξαν πως η σχετική αξία του ΠΠΕ και του ΠΕΕ ήταν περίπου η ίδια όσον αφορά στην επίτευξη εννοιολογικής κατανόησης στην ενότητα της θερμότητας και της θερμοκρασίας, όταν ελέγχονται κάποιες από τις δυνατότητες του ΠΠΕ και του ΠΕΕ, το διδακτικό υλικό και η διδακτική προσέγγιση. Με βάση τον έλεγχο αυτών των παραγόντων, τα αποτελέσματα σε σχέση με τη βελτίωση της εννοιολογικής κατανόησης του ΠΕΕ και του ΠΠΕ δεν διέφεραν σημαντικά στην έρευνα των Zacharia και Constantinou (2008).

Μέσα από τις συγκρίσεις, η έρευνα, τα τελευταία χρόνια, οδήγησε σε στοχευμένες προσπάθειες συνδυασμένης εφαρμογής του ΠΠΕ και του ΠΕΕ. Οι πρώτες προσπάθειες αφορούσαν σειριακούς συνδυασμούς (βλ. Zacharia και Olympiou, 2011) όπου στο πρώτο μέρος εφαρμοζόταν ο ΠΠΕ και στο δεύτερο μέρος ο ΠΕΕ ή αντίστροφα, με την επιλογή του κάθε πειραματικού μέσου να μην ορίζεται στη βάση συγκεκριμένων κριτηρίων, αλλά να έχει περισσότερο διερευνητικό χαρακτήρα. Συνυπολογίζοντας τα αποτελέσματα τέτοιων προσπαθειών, η επιστημονική κοινότητα οδηγήθηκε στη στοχευμένη και συνδυασμένη χρήση των διαφορετικών πειραματικών μέσων σε μια προσπάθεια συγκριτικής αξιοποίησης των πλεονεκτημάτων που προκύπτουν τόσο από τον ΠΠΕ όσο και από τον ΠΕΕ.

Συνδυασμός Εικονικών με Πραγματικά Εργαστήρια στο μαθησιακό περιβάλλον

Η ανάγκη για κατανόηση του συνδυασμού του ΠΠΕ και του ΠΕΕ στη μάθηση στις Φυσικές Επιστήμες, δεν περιορίζεται στην απλή επίτευξη της εννοιολογικής κατανόησης σε συγκεκριμένα συγκείμενα (π.χ. θερμότητα και θερμοκρασία, βλ. Zacharia et al. 2008), αλλά πρέπει να επεκτείνεται σε διαφορετικά συγκείμενα, ώστε να υποστηρίζει ένα εγκυροποιημένο και γενικευμένο πλαίσιο εφαρμογής. Η επέκταση της εμπειρικής βάσης των δεδομένων προς αυτήν την κατεύθυνση υποστηρίζει πως η εναλλαγή των εικονικών με τα πραγματικά εργαστήρια, πέρα από τις ψυχολογικές και τις εννοιολογικές παραμέτρους που πρέπει να συνυπολογιστούν, απαιτεί την αυστηρή συνέπεια της επιλογής του πειραματικού μέσου με τις εκάστοτε επιδιώξεις στο πλαίσιο του εργαστηριακού πειραματισμού αλλά και στην επιστήμη γενικότερα. Με βάση αυτά τα δεδομένα, η επιλογή ή η εναλλαγή των εικονικών εργαστηρίων με τα πραγματικά εργαστήρια χρειάζεται να αποφασίζεται στο πλαίσιο ενός ευρύτερου διδακτικού μετασχηματισμού λαμβάνοντας υπόψη τόσο τις διδακτικές παραμέτρους μιας σχεδιασμένης διδακτικής παρέμβασης (π.χ. διδακτικό υλικό, διδακτική προσέγγιση, μαθησιακές επιδιώξεις), όσο και τον τρόπο με τον οποίο αντιλαμβάνονται οι μανθάνοντες τις επιστημονικές διαδικασίες και την επιστημονική γνώση. Σε αυτήν την προσπάθεια απαιτείται η βιβλιογραφική τεκμηρίωση των δυνατοτήτων που προκύπτουν ως πλεονεκτήματα ή μειονεκτήματα του κάθε μέσου στο πλαίσιο του εργαστηριακού πειραματισμού. Το αποτέλεσμα μιας τέτοιας προσπάθειας σε συνδυασμό με τις ήδη γνωστές δυνατότητες των πραγματικών εργαστηρίων μπορεί να οδηγήσει στο βέλτιστο συνδυασμό.

Η εφαρμογή ή όχι των ΕΕ πρέπει να καθορίζεται στη βάση ενός εγκυροποιημένου μεθοδολογικού πλαισίου εφαρμογής τους και να αποσκοπεί στη στοχευμένη επίτευξη των εκάστοτε μαθησιακών επιδιώξεων σε όλες τις βαθμίδες της εκπαίδευσης (Ολυμπίου & Ζαχαρία 2012). Η προσπάθεια διερεύνησης της επίδρασης του συνδυασμού του ΠΠΕ και του ΠΕΕ στη μά- θηση στις Φυσικές Επιστήμες μέσα από την οποία προκύπτει ο καθορισμός της συγκεκριμένης μεθοδολογίας, συνεισφέρει στην αντιμετώπιση των αδυναμιών του κάθε μέσου πειραματισμού (π.χ. ΠΠΕ: απουσία χρήσης συμβολικών αναπαραστάσεων, ΠΕΕ: απουσία άμεσης παρατήρησης του φαινομένου). Οι Olympiou & Zacharia (2012) ανέπτυξαν ένα πλαίσιο συνδυασμού του ΠΠΕ και του ΠΕΕ, ως προς την επίτευξη εννοιολογικής κατανόησης στις Φυσικές Επιστήμες, το οποίο περιλαμβάνει συγκεκριμένα στάδια: α) αναγνώριση γενικών και ειδικών μαθησιακών επιδιώξεων μέσα από την ανάλυση του εκάστοτε διδακτικού υλικού, β) επισκόπηση της διεθνούς βιβλιογραφίας σε σχέση με την αναγνώριση των δυνατοτήτων του ΠΠΕ και του ΠΕΕ, γ) σύνδεση των δυνατοτήτων των πειραματικών μέσων με συγκεκριμένες μαθησιακές επιδιώξεις, δ) έλεγχο των δυνατοτήτων που απαιτούνται για τη διεκπεραίωση του διδακτικού υλικού σε σχέση με τις δυνατότητες που παρέχονται από τα υφιστάμενα πειραματικά μέσα, ε) εξοικείωση των ατόμων για τη μετάβασή τους από το ένα πειραματικό μέσο στο άλλο και στ) ενημέρωση των εμπλεκομένων με σαφείς οδηγίες για την εφαρμογή του ΠΠΕ ή του ΠΕΕ σε κάθε μέρος του πειράματος ή του διδακτικού υλικού. Η αξιοποίηση των εικονικών εργαστηρίων, διαδικτυακών ή μη, περνάει μέσα από το συνδυασμό τους με τον ΠΠΕ, αφού τα πραγματικά εργαστήρια και υλικά αντιπροσωπεύουν την πραγματικότητα των υλικών. Συνεπώς, η οποιαδήποτε ενσωμάτωση ΕΕ σε μαθησιακά περιβάλλοντα πρέπει να καθορίζεται από ένα υφιστάμενο πλαίσιο συνδυασμού του ΠΠΕ και του ΠΕΕ στη βάση εγκυροποιημένης, εμπειρικά και ερευνητικά, μεθοδολογίας.

*Ο Γιώργος Ολυμπίου ανήκει στο Ειδικό Εκπαιδευτικό Προσωπικό του  Τμήματος Επιστημών της Αγωγής στο πανεπιστήμιο Κύπρου.

*Ο Ζαχαρίας Χ. Ζαχαρία είναι Αναπληρωτής Καθηγητής της Διδακτικής των Φυσικών Επιστημών, Ομάδα Έρευνας στη Διδακτική των Φυσικών Επιστημών και της Τεχνολογίας στο Τμήμα Επιστημών της Αγωγής , Πανεπιστήμιο Κύπρου.

Βιβλιογραφία

Ainsworth, S. E. (1999). The functions of multiple representations. Computers and Education, 33, 131-152.

Ainsworth, S. E., & van Labeke, N. (2004). Multiple forms of dynamic representation. Learning and Instruction, 14, 241-255.

Bell, R. L., & Smetana, L. (2008). Using computer simulations to enhance sci- ence teaching and learning. In R. L. Bell, J. Gess-Newsome, & J. Luft (Eds.), Technology in the secondary science classroom. Arlington, VA: NSTA Press.

Blake, C., & Scanlon, E. (2007). Reconsidering simulations in science ed- ucation at a distance: features of effective use. Journal of Computer Assisted Learning, 23, 6, 491-502.

Bravo, C., van Joolingen, W. R., & de Jong, T. (2009). Using Co-Lab to build System Dynamics models: Students’ actions and on-line tutorial advice, Computers & Education, 53, 2, 243-251.

Buckley, B. C. (2000). Interactive multimedia and model-based learning in biology. International Journal of Science Education, 22, 9, 895-935.

de Jong, T., Ainsworth, S., Dobson, M., van der Hulst, A., Levonen, J., & Reimann, P., et al. (1998). Acquiring knowledge in science and mathe- matics: the use of multiple representations in technology based learning environments. In M. van Someren, P. Reimann, H. Boshuizen, & T. de Jong (Eds.), Learning with multiple representations (pp. 9-41). Oxford: Elsevier Science.

Finkelstein, N. D., Adams, W. K., Keller, C. J., Kohl, P. B., Perkins, K. K., Podolefsky, N. S., Reid, S., & LeMaster, R. (2005). When learning about the real world is better done virtually: A study of substituting computer simulations for laboratory equipment. Physical Review Special Topics– Physics Education Research, 1, 1-8.

Gentner, D., & Markman, A. B. (1997). Structure mapping in analogy and similarity. American Psychologist, 52, 1, 45-56.

Goldman, S. R. (2003). Learning in complex domains: When and why do multiple representations help? Learning and Instruction, 13, 2, 239-244.

Hsu, Y. S., & Thomas, R. A. (2002). The impacts of web-aided instruc- tional simulation on science learning. International Journal of Science Education, 24, 955-979.

Limniou, M., Papadopoulos, N., & Whitehead, C. (2009). Integration of simulation into pre-laboratory chemical course: computer cluster ver- sus WebCT. Computers & Education, 52, 1, 45-52.

Lowe, R. K. (2003). Animation and learning: selective processing of in- formation in dynamic graphs. Learning and Instruction, 13, 157-176.

Marshall, J. A., & Young, E.S. (2006). Preservice Teachers’ Theory Devel- opment in Physical and Simulated Environments. Journal of Research in Science Teaching, 43, 907-937.

Masnick, A. M., & Klahr, D. (2003). Error Matters: An Initial Exploration of Elementary School Children’s Understanding of Experimental Error. Journal of Cognition and Development, 4, 1, 67-98.

Mathewson, J. H. (1999). Visual-Spatial Thinking: An Aspect of Science Overlooked by Educators, Science Education, 83, 33-54.

Minogue, J., Jones, G., M., Broadwell, B., & Oppewall, T. (2006). The impact of haptic augmentation on middle school students’ conceptions of the animal cell. Virtual Reality, 10, 293-305.

Olympiou, G. (2012). Development of a Framework for Combining Vir- tual with Physical Manipulatives in Science Laboratory Experimentation. Doctoral Thesis. ISBN: 978-9963-700-28-8

Olympiou, G., Zacharia, Z. C., de Jong, T. (2013). Making the invisible visible: Enhancing students’ conceptual understanding by introducing representations of abstract objects in a simulation, Instructional Science. 41, 575-596.

Olympiou, G. & Zacharia, Z. C. (2012). The Use of Simulations in Sci- ence Education: The case of Virtual Laboratories. In M. Evagorou & L. Abraamidou, Theoretical and Instructional Approaches in Science Edu- cation, Athens: Diadrasi (in greek).

Petre, M., Blackwell, A. F., & Green, T. R. G. (1998). Cognitive questions in software visualization. In J. Stasko, J. Domingue, M. Brown, & B. Price (Eds.), Software visualization: Programming as a multi-media experience (pp. 453-480). MIT Press.

Scheiter, K., Gerjets, P., Huk, T., Imhof, B., & Kammerer, Y. (2009). The effects of realism in learning with dynamic visualizations. Learning and Instruction, 19, 481-494.

Spiro, R. J., & Jehng, J. C. (1990). Cognitive flexibility and hypertext: Theory and technology for nonlinear and multi-dimensional traversal of complex subject matter. In D. Nix, & R. J. Spiro (Eds.), Cognition, education and multi-media: Exploring ideas in high technology. Hillsdale, NJ: LEA.

Swaak, J., van Joolingen, W. R., & de Jong, T. (1998). Supporting simula- tion-based learning; The effects of model progression and assignments on definitional and intuitive knowledge. Learning and Instruction, 8, 235- 252.

Triona, L., & Klahr, D. (2003). Point and click or grab and heft: Com- paring the influence of physical and virtual instructional materials on el- ementary school students’ ability to design experiments. Cognition and Instruction, 21, 149-173.

Trundle, K. C., & Bell, R. L. (2010). The use of a computer simulation to promote conceptual change: A quasi-experimental study. Computers & Education, 54, 1078-1088.

van Someren, M. W., Reimann, P., Boshuizen, H. P. A., & de Jong, T. (Eds.). (1998). Learning with multiple representations. Amsterdam: Per- gamon.

Wellington, J. (2004). Using ICT in teaching and learning in science. In R. Holliman & E. Scanlon (Eds), Mediating Science Learning Through Infor- mation and Communication Technology, pp. 51-78. Routledge Falmer, London.

Wu, H. K., Krajcik, J. S., & Soloway, E. (2001). Promoting understanding of chemical representations: Students’ use of a visualization tool in the classroom. Journal of Research in Science Teaching, 38, 7, 821- 842.

Zacharia, Z. C., & Constantinou, C. P. (2008). Comparing the influence of physical and virtual manipulatives in the context of the Physics by Inquiry curriculum: The case of undergraduate students’ conceptual un- derstanding of heat and temperature. American Journal of Physics, 76, 425-430.

Zacharia, Z. C., & Olympiou, G. (2011). Physical versus virtual manipu- lative experimentation in physics learning. Learning and Instruction, 21, 317-331.

Zacharia, Z. C., Olympiou, G., & Papaevripidou, M. (2008). Effects of Experimenting with Physical and Virtual Manipulatives on Students’ Con- ceptual Understanding in Heat and Temperature. Journal of Research in Science Teaching, 45, 9, 1021-1035.