Ευχαριστούμε πολύ τον κ. Σαράντο Οικονομίδη για την ευγενική παραχώρηση της δραστηριότητας αυτής στο Blog μας. Ο κ. Σαράντος Οικονομίδης είναι Ph.D Φυσικός, σύμβουλος του ΙΕΠ, διετέλεσε επί πολλά έτη δ/ντης σε σχολεία της Β/θμιας εκπαίδευσης και απο το 2023 σχολικός σύμβουλος.
Εισαγωγή
Στόχος της STEM εκπαίδευσης είναι η απελευθέρωση της δημιουργικότητας των μαθητών με την ανάπτυξη μιας εκπαιδευτικής κουλτούρας με αξίες όχι μόνο ως προς την αριστεία στις επιστήμες και τα μαθηματικά αλλά και ως προς την δημιουργικότητα την καινοτομία την επικοινωνία και την επιχειρηματικότητα.
Προσεγγίζονται παραδείγματα προβλημάτων που
έχουν νόημα για τους σπουδαστές με τη χρήση αλλά και τη δημιουργία
τεχνολογικών, υπολογιστικών και μαθηματικών μεθόδων και εφαρμογών με στόχο τη
μοντελοποίηση των προβλημάτων και τη δημιουργική επίλυσή τους.
Τελευταία η διερεύνηση και η δημιουργική
επίλυση προβλήματος με διερεύνηση ως μέθοδοι έχουν σχεδόν γίνει ένα, αυτό που
λέγεται μάθηση βασισμένη στο πρόβλημα (problem based learning). Είναι
επιβεβλημένο οι μαθητές να αναγνωρίσουν ότι η διερεύνηση είναι η σκόπιμη συστηματική
διαδικασία της διάγνωσης προβλημάτων, της κριτικής ανάλυσης πειραμάτων, της
διάκρισης εναλλακτικών, του σχεδιασμού ερευνών, του ελέγχου υποθέσεων, της
αναζήτησης της πληροφορίας, του ελέγχου και της δημιουργίας προτύπων, της
συνεργασίας με ομότιμους, της αμφισβήτησης και διατύπωσης κριτικών, της
εξαγωγής συμπερασμάτων, και της ανακοίνωσης ή δημοσίευσης των συμπερασμάτων ή
των λύσεων σε προβλήματα.
Η βίντεο ανάλυση είναι ένα πανίσχυρο εργαλείο για τη μελέτη της κίνησης. Όπως οι περισσότερες μορφές ψηφιακών δεδομένων ένα βίντεο είναι εύκολο να αναλυθεί με τη βοήθεια ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή και του κατάλληλου λογισμικού. Αυτό σημαίνει ότι θα μπορούσατε να βρείτε τη θέση και την ταχύτητα ενός κινούμενου σώματος. Κάνοντας κλικ σε συγκεκριμένο σημείο του σώματος αυτόματα καταγράφεται η θέση του και το βίντεο προχωρά στο επόμενο καρέ. Κάνοντας κλικ στο ίδιο σημείο του σώματος καταγράφεται η νέα θέση του σώματος και αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται. Η παραπάνω διαδικασία (ιχνηλασία) μπορεί να γίνει και αυτόματα. Τα πειραματικά δεδομένα αυτόματα εμφανίζονται σε κατάλληλους πίνακες και γραφήματα στην οθόνη του υπολογιστή.
Μαθησιακοί στόχοι - αναμενόμενα εκπαιδευτικά αποτελέσματα. (Σύνδεση με ΑΠΣ)
-Να χρησιμοποιούν τα διαγράµµατα θέσης-χρόνου και ταχύτητας-χρόνου για κινήσεις σε µια διάσταση, προκειμένου να
καθορίζουν την κατάσταση κίνησης ενός σώματος
-Διαρκής επαφή του µαθητή µε τον επιστηµονικό
τρόπο σκέψης και την επιστηµονική µεθοδολογία (παρατήρηση, συγκέντρωση -
αξιοποίηση πληροφοριών από διάφορες πηγές, διατύπωση υποθέσεων, πειραµατικό
έλεγχό τους, ανάλυση και ερµηνεία δεδοµένων, εξαγωγή συµπερασµάτων, ικανότητα
γενίκευσης καθώς και κατασκευής προτύπων).
Καθορισμός του προβλήματος:
Ποια τα χαρακτηριστικά της κίνησης ενός Lego;
Διαθέσιμος εξοπλισμός:
-Πακέτο Lego
-Ψηφιακή κάμερα (σας επιτρέπεται να
χρησιμοποιήσετε την κάμερα κινητού τηλεφώνου με την επιτήρηση του καθηγητή
σας).
-Χάρακας ή μετροταινία του ενός μέτρου ή και
μικρότερος.
-Ηλεκτρονικός υπολογιστής με σύνδεση στο
διαδίκτυο.
-Τρίποδο για κινητό τηλέφωνο
Προετοιμασία: Πριν προσέλθουν στο εργαστήριο
πιθανώς σε προηγούμενη ώρα έχουν διδαχθεί και έχουν ελεγχθεί με συνεργατικά
quizzes, διαδραστικα videos, εννοιολογικούς χάρτες και συζητήσεις για το αν
έχουν εκείνες τις γνώσεις που θα τους επιτρέψουν να κάνουν υποθέσεις και να τις
ελέγξουν. Αυτό κρίνεται απαραίτητο διότι η προσέγγιση είναι παραγωγική.
Αναζήτηση της κατάλληλης πληροφορίας και
μοντελοποίηση του προβλήματος:
Με δεδομένο τον εξοπλισμό, αναζήτηση της
κατάλληλης πληροφορίας για την επίλυση του προβλήματος.
Εγκατάσταση και εξοικείωση με το λογισμικό video ανάλυσης Tracker. (βίντεο με της απαραίτητες οδηγίες χρήσης)
Υποθέσεις:
Για να επιλύσουν το πρόβλημα οι μαθητές θα
πρέπει να κάνουν κάποιες υποθέσεις που σχετίζονται με το μοντέλο (πρότυπο).
Μοντελοποίηση με Tracker.
Οι μαθητές συνεργάζονται και διατυπώνουν τις
υποθέσεις τους. Στο βήμα αυτό δεν γίνεται προσπάθεια διόρθωσης των πιθανώς
εσφαλμένων υποθέσεων των μαθητών.
Συναρμολόγηση του Ρομπότ Lego και
προγραμματισμός του. Σχεδίαση της πειραματικής διαδικασίας:
Κάθε ομάδα μαθητών συναρμολογεί και
προγραμματίζει το ρομπότ, σχεδιάζει και εκτελεί το πείραμα χωρίς να εμπλέκεται
με την ανιαρή και χρονοβόρα διαδικασία της λήψης των μετρήσεων ή οποία εκτός
του ότι δεν προσθέτει στην κατανόηση των εννοιών της Φυσικής και στην ανάπτυξη
της κριτικής σκέψης είναι και δαπανηρή. Καθώς εκτελείται το πολύ σύντομο
πείραμα οι μαθητές το βιντεοσκοπούν. Το πείραμα λοιπόν στο εργαστήριο διαρκεί
το πολύ 10 λεπτά και όλες οι άλλες φάσεις θα μπορούσαν να γίνουν και αλλού όπως
στο εργαστήριο πληροφορικής ή και στο σπίτι.
Μετρήσεις: Οι μαθητές εισάγουν το βίντεο που οι ίδιοι δημιούργησαν στο ελεύθερο και εξελληνισμένο λογισμικό video ανάλυσης της κίνησης Tracker. Έτσι προκύπτουν δεδομένα σε πίνακες και σε γραφήματα.
Ανάλυση των πειραματικών δεδομένων: Οι
μαθητές αναλύουν τα δεδομένα της κίνησης ελέγχοντας τις υποθέσεις τους.
Λειτουργούν δηλαδή ως γνήσιοι σύγχρονοι επιστήμονες με δημιουργικό και όχι
ανιαρό τρόπο. Επιλύουν δηλαδή με δημιουργικό τρόπο το πρόβλημα.
Συμπεράσματα – Γενικεύσεις, εφαρμογές –
Δημοσίευση της επίλυσης: Οι μαθητές καταλήγουν σε συμπεράσματα και συζητούν
εφαρμογές. Τέλος δημοσιεύουν την επίλυση του προβλήματος, που είναι μοναδική σε
κάθε ομάδα λόγω της δημιουργίας του βίντεο και του τρόπου που στήθηκε το
πείραμα.
Αναμενόμενα μαθησιακά αποτελέσματα και αξιολόγηση
-Ρούμπρικα αξιολόγησης η οποία συμπληρώνεται
από τον εκπαιδευτικό ο οποίος θέτει τους στόχους (learning intetions) και οι
μαθητές καθορίζουν τα επίπεδα επίτευξης.
-Λίστα αυτοαξιολόγησης της ομαδικής εργασίας
και λίστα ομότιμης αξιολόγησης η οποία συμπληρώνεται από τους μαθητές.
Δεξιότητες και ικανότητες που απαιτούνται για
την επίτευξη των αναμενόμενων μαθησιακών αποτελεσμάτων
Στοχευμένες
- Αναζήτηση και συλλογή πληροφοριών
(Πληροφοριακός γραμματισμός)
-Ανταλλαγή απόψεων, ιδεών και κριτικών. (Συνεργασία-επικοινωνία)
-Διατύπωση υπόθεσης (Πληροφοριακός
γραμματισμός)
-Δημιουργική επίλυση προβλήματος
(Πληροφοριακός εγγραμματισμός)
-Δημοσίευση της επίλυσης (ψηφιακός
γραμματισμός)
-Καταχώρηση της μάθησης (Δεξιότητες
αυτορρύθμισης/ αυτόνομης μάθησης)
Παράγωγες
-Εξοικείωση με ψηφιακά εργαλεία συλλογής
δεδομένων, και ψηφιακά εργαλεία επικοινωνίας, συνεργασίας και δημιουργίας.
(Ψηφιακός γραμματισμός)
ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΑΤΙΚΑ
Η πρακτική επίλυσης προβλήματος στο
εργαστήριο ιδιαίτερα για τη Φυσική γίνεται πιο αποδοτική και πρόσφορη με τη
video ανάλυση της κίνησης αφού αυτή εξαφανίζει τους περισσότερους φραγμούς για
την ενσωμάτωση των ερευνών του πραγματικού κόσμου στις μαθηματικές μελέτες και
διευκολύνει πρακτικά και οικονομικά τις πραγματικές έρευνες μέσω των πολλαπλών
αναπαραστάσεων (γραφικών, μαθηματικών και αριθμητικών) στα προβλήματα και τα
δεδομένα του πραγματικού κόσμου.
Είναι μία από τις λίγες ευπρόσιτες μεθόδους
για να κάνουμε ποσοτικές μελέτες κινήσεων. Σε κάθε video μπορεί να αναλυθούν οι
κινήσεις περισσοτέρων από ένα αντικειμένων. Αυτό σημαίνει ότι είναι δυνατόν να
γίνουν αναλυτικές συγκρίσεις πολλών αντικειμένων στο ίδιο σύστημα
Δεν απαιτεί τα καλώδια, τους αισθητήρες, τους
καταγραφείς και όλον αυτόν τον δυσκίνητο εξοπλισμό των συγχρονικών διατάξεων.
[Bryan, 2004].
Είναι πολύ εύκολη στη χρήση. Όταν οι μαθητές
χρησιμοποιούν λογισμικά ανάλυσης για να διαβαθμίσουν βίντεο frames και να
εντοπίσουν σημεία ενδιαφέροντος frame-by-frame, αναγκάζονται να κάνουν κρίσεις
και να καταλάβουν την διαδικασία της ανάλυσης. Επιπροσθέτως, οι μαθητές
απελευθερώνονται από τη μονότονη και ανιαρή συλλογή των δεδομένων και
συγκεντρώνονται στο υπό μελέτη φυσικό φαινόμενο. Ο εκπαιδευτικός έχει τη δυνατότητα
ανάπτυξης Σωκρατικών διαλόγων.
Οι μετρήσεις που γίνονται από το λογισμικό
της βίντεο ανάλυσης στις απεικονίσεις του βίντεο τείνουν να έχουν μικρότερη
σχετική αβεβαιότητα από άλλους τύπους μετρήσεων που γίνονται στα εργαστήρια..
Οι αποστάσεις μετρώνται σε pixels (συντόμευση για picture elements =
εικονοστοιχεία) και μετά βαθμονομούνται σε πραγματικά μέτρα χρησιμοποιώντας ένα
αντικείμενο γνωστού μήκους που βρίσκεται στην απεικόνιση. Οι αβεβαιότητες στην
τοποθέτηση των μετρήσεων είναι μόνο περίπου 1%.
Οποιοδήποτε αντικείμενο(α) σε οποιαδήποτε
τοποθεσία όπου μπορεί να, ή έχει, μαγνητοσκοπηθεί μπορεί να αναλυθεί. Σήμερα
είναι δυνατή ακόμη και η βίντεο ανάλυση οποιουδήποτε αποκόμματος κίνησης που
«καταγράφηκε» από οποιαδήποτε διαθέσιμη καταγραφική διάταξη σε βιντεοκασέτα
(VHS), compact disk (CD), και ψηφιακό video disk (DVD).
Υπάρχει μία αφθονία βίντεο υλικού που δείχνει
κινήσεις που συμβαίνουν έξω από το εργαστήριο: εκτοξεύσεις της NASA, αθλητικά
γεγονότα, χορευτικές παραστάσεις, κινηματογραφικά ακροβατικά και κόλπα,
κινούμενα σχέδια και άλλα. Οι σπουδαστές μπορούν να «μαρκάρουν» τη θέση
οποιουδήποτε αντικειμένου σε κάθε frame (σκηνή) ενός βιντεοκλίπ για να
αποκτήσουν πληροφορίες θέσης, και κατόπιν γρήγορα και εύκολα να παράγουν
πληροφοριακά γραφήματα θέσης, ταχύτητας, επιτάχυνσης, δύναμης, ορμής και
ενέργειας μόνο με ένα «κλικ» του κουμπιού του ποντικιού. Οι σπουδαστές μπορούν
είτε να αναλύσουν βιντεοκλίπς που παρέχονται από αυτά τα προγράμματα, να
εισάγουν βιντεοκλίπς από άλλες πηγές, ή να παράγουν τα δικά τους βιντεοκλίπς.
Αυτό προάγει την ανάπτυξη της δημιουργικότητας.
Τα λογισμικά βίντεο ανάλυσης μπορούν επίσης
να διαμορφωθούν έτσι ώστε να υπολογίζουν το κέντρο της μάζας ενός συστήματος
αντικειμένων, ή ενός μη άκαμπτου αντικειμένου, που βασίζεται σε προσδιορισμένες
μάζες των στοιχείων του συστήματος.
Οι σπουδαστές μπορούν να αναλύσουν ψηφιακά
βίντεο σε πολλά περιβάλλοντα, όπως δωμάτια σπιτιών, αίθουσες υπολογιστών,
εργαστήρια, ή ακόμα και κάτω από δέντρα χρησιμοποιώντας laptop computers. Όχι
στατικές φωτογραφίες, αλλά και πολύ μικρής διάρκειας για να θεωρηθούν ταινίες,
αυτές οι «ζωντανές φωτογραφίες» μπορούν να παιχτούν σε μια οθόνη υπολογιστή σε
οποιαδήποτε ταχύτητα, προς τα πίσω (backward), ή προς τα εμπρός (forward),
σύμφωνα με τη θέληση του χρήστη (Teese 2007).
Γίνεται βαθμονόμηση με εργαλεία του
λογισμικού Tracker. Για το χώρο υπάρχουν διάφορα εργαλεία, χρειάζεται όμως στο
βίντεο να φαίνεται ένα μέτρο ώστε με τα εργαλεία του λογισμικού να γίνει η
βαθμονόμηση. Για τον χρόνο, ανάλογα με τον τύπο της συσκευής αναζητούμε στο
διαδίκτυο την τιμή fps (frames per second) της κάμερας του κινητού τηλεφώνου
και την εισάγουμε στο λογισμικό με το οποίο γίνεται η videο ανάλυση.
Εάν χρησιμοποιείται δωρεάν (free) ή φτηνό
λογισμικό, η βίντεο ανάλυση μπορεί ακόμη και να ενσωματωθεί στην ανάθεση
εργασίας για το σπίτι (homework) του σπουδαστή ή στην εξ’ αποστάσεως μάθηση. Τα
βίντεο που χρησιμοποιούνται σ’ αυτήν την τεχνική είναι συνήθως πολύ μικρής
διάρκειας. Θα μπορούσαν να είναι αρκετά μεγαλύτερης διάρκειας ώστε να δείχνουν
ένα ολοκληρωμένο φαινόμενο, αλλά αρκετά συμπαγή για να τα αναλύσουν οι
σπουδαστές με μια λογική προσπάθεια.
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
1. Sarantos
Oikonomidis, Vassilis Grigoriou, Dimitrios Sotiropoulos, Vasiliki Serepa,
George Kalkanis: The learner as a co-creator through collaborative task-based
learning of a hands-on experimental apparatus, and potential media, 3rd
International Conference on "Hands-on Science", Braga, Portugal,
September 4 to 9, 2006.
2. Andrew Walker
et all. (2015) «Essential Readings in problem-based Learning» Purdue University
Press, West Lafayette, Indiana.
3. Sneiderman
Ben. «Leonardo’s Laptop» Human needs and the new computing technologies. The
MIT Press (2003).
4. Domin (1999),
«A Review of Laboratory Instruction Styles», Journal of Chemistry Education, 76
(4), 543-547.
5. Οικονομίδης Σ., Σκορδούλης Κ. : «Ικανότητα
Επίλυσης Προβλήματος στη Fractal Διάσταση από μαθητές της Β΄ Λυκείου» 10ο
Πανελλήνιο Συνέδριο ΕΕΦ, Λουτράκι 2004.
6. Οικονομίδης Σ., Βουδούκης Ν., Σωτηρόπουλος
Δ., Καλκάνης Γ. (2006), «Επίλυση προβλημάτων μηχανικής του άκαμπτου σώματος στο
τεχνολογικά σύγχρονο εκπαιδευτικό εργαστήριο φυσικών επιστημών», 5ο Συνέδριο
ΕΤΠΕ, Θεσσαλονίκη.
7. Οικονομίδης Σ., Καλκάνης Γ. (2007), «Επαναληπτικές διαδικασίες στην εκπαίδευση στις Φυσικές
Επιστήμες, τα Μαθηματικά και την Πληροφορική», 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο
«Διδακτική Φυσικών Επιστημών και Νέες Τεχνολογίες στην Εκπαίδευση»,
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων.
8. Οικονομίδης Σ., Καλκάνης Γ. (2009), «Συσχέτιση διαγραμματικών, γραφικών, μαθηματικών και λεκτικών αναπαραστάσεων με διερευνητικά εκπαιδευτικά λογισμικά και ερωτηματολόγια – Εφαρμογή, αξιολόγηση, προτάσεις», 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο «Διδακτική Φυσικών Επιστημών και Νέων Τεχνολογιών στην Εκπαίδευση», Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας, Φλώρινα.
