Σχολή
Ανθρωπιστικών Επιστημών
Πρόγραμμα Σπουδών Επιστήμες της Αγωγής
Διπλωματική Εργασία
Η χρήση και αξιοποίηση της ηλεκτρονικής πλατφόρμας ανοιχτού λογισμικού Arduino και η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων στη διδασκαλία της ενότητας του Ηλεκτρισμού στην Ε’ Δημοτικού
Φωτεινή Συλιγάρδου
Επιβλέπων καθηγητής: Σαράντος Ψυχάρης
Πάτρα, Ιούλιος 2018
© Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο, 2017
Η παρούσα Εργασία καθώς και τα αποτελέσματα αυτής, αποτελούν συνιδιοκτησία του ΕΑΠ και του φοιτητή, ο
Η χρήση και αξιοποίηση της ηλεκτρονικής πλατφόρμας ανοιχτού λογισμικού Arduino και η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων στη διδασκαλία της ενότητας του Ηλεκτρισμού στην Ε’ Δημοτικού
Φωτεινή Συλιγάρδου
Επιτροπή Επίβλεψης Διπλωματικής Εργασίας Επιβλέπων Καθηγητής:
Σαράντος Ψυχάρης Καθηγητής, Α.Σ.Π.Α.Ι.Τ.Ε.
Συν-Επιβλέπων Καθηγητής:
Μιχαήλ Καλογιαννάκης Επίκουρος Καθηγητής, Π.Κ.
Πάτρα, Ιούλιος 2018
Ευχαριστίες
Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή κ. Σαράντο Ψυχάρη για την καθοδήγηση, την πολύτιμη βοήθεια και τη στήριξη σε όλα τα στάδια της εργασίας.
Ένα μεγάλο ευχαριστώ στον διευθυντή του 2ου Δημοτικού Σχολείου Βουτών Χαράλαμπο Στεφανάτο και τους δασκάλους της Ε’ Τάξης Ευθυμία Αδαμαντίδου, Αγγελική Βαρδαβάκη και Μανώλη Σπανάκη που με δέχτηκαν εγκάρδια στο σχολείο και στις τάξεις τους, μου εμπιστεύτηκαν τους μαθητές τους και με βοήθησαν καθ’ όλη τη διάρκεια της έρευνας.
Επίσης, οφείλω ένα μεγάλο ευχαριστώ στους μικρούς μαθητές. Η συμμετοχή και η συνεργασία τους ήταν υποδειγματική και πολύτιμη για την ολοκλήρωση της εργασίας.
Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τη μητέρα μου και τις καλές φίλες και συναδέλφους Μαρία Λουμπάκη, Αγαθή Μίχου, Παρασκευή Σμαραγδάκη, Νίκη Ταμπακάκη, Ιωάννα Τζαγκαράκη και Ελένη Τζαγκαράκη για την υπομονή, τη βοήθεια, την αγάπη και την στήριξη τους σε κάθε βήμα.
Η παρούσα εργασία αφιερώνεται στη μνήμη του Μανωλιού, και στη μνήμη όλων των παιδιών που δεν πρόλαβαν να ζήσουν τη χαρά του σχολείου.
Περίληψη
Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως στόχο την αξιοποίηση της ηλεκτρονικής πλατφόρμας ανοιχτού λογισμικού Arduino και τη μελέτη της συμβολής της, αφενός στην ανάπτυξη δεξιοτήτων και στάσεων που σχετίζονται με την Υπολογιστική Σκέψη και αφετέρου στην εννοιολογική κατανόηση της ενότητας των ηλεκτρικών κυκλωμάτων της Ε’
Δημοτικού. Για τη διερεύνηση και ανίχνευση του ρόλου της συγκεκριμένης πλατφόρμας σχεδιάστηκαν και υλοποιήθηκαν κατάλληλες διδακτικές παρεμβάσεις σε δύο ομάδες με χρήση βιωματικού πειράματος όπως προβλέπεται από το Αναλυτικό Πρόγραμμα Σπουδών της Ε’ Δημοτικού (ομάδα ελέγχου) και πειράματος με χρήση του μικροελεγκτή Arduino και του λογισμικού Scratch4Arduino (πειραματική ομάδα).
Το δείγμα της έρευνας αποτέλεσαν 61 μαθητές της Ε΄ δημοτικού. Χρησιμοποιήθηκε πειραματική έρευνα µε προ-έλεγχο και μετά-έλεγχο σε ισοδύναμες φυσικές ομάδες και συλλέχτηκαν ποσοτικά και ποιοτικά δεδομένα. Τα ποιοτικά δεδομένα κωδικοποιήθηκαν με την τεχνική ανάλυσης περιεχομένου ενώ τα ποσοτικά δεδομένα αναλύθηκαν με τη χρήση του στατιστικού πακέτου SPSS.
Από την ανάλυση των δεδομένων διαπιστώθηκε ότι τόσο η χρήση του πειράματος όσο και του μικροελεγκτή Arduino ενίσχυσε την εννοιολογική κατανόηση των εννοιών του ηλεκτρισμού και των ηλεκτρικών κυκλωμάτων στους μαθητές των δύο ομάδων. Επιπλέον, στην πειραματική ομάδα, η χρήση του Arduino και του προγραμματισμού με το λογισμικό Scratch4Arduino, οδήγησε στην απόκτηση σημαντικών δεξιοτήτων και στάσεων που αφορούν στην υπολογιστική σκέψη. Η απόκτηση δεξιοτήτων και η αλλαγή των στάσεων ήταν σημαντικότερη στην περίπτωση των αγοριών σε σχέση με τα κορίτσια.
Από τα αποτελέσματα της έρευνας προκύπτει ότι η Υπολογιστική Σκέψη, μέσα από προσεγγίσεις όπως αυτή του Physical Computing, που συνδέουν το φυσικό με τον εικονικό κόσμο, μπορεί να ενσωματωθεί στη σχολική τάξη και να ενισχύσει τη διδασκαλία των μαθημάτων των Φυσικών Επιστημών. Επιπροσθέτως, αναδεικνύεται ένα νέο πεδίο έρευνας, με πολλές πτυχές για περαιτέρω διερεύνηση ως προς την αναγκαιότητα και τον τρόπο
εισαγωγής του Physical Computing και της Υπολογιστικής Σκέψης στην εκπαιδευτική διαδικασία.
Λέξεις – Κλειδιά: Physical Computing, Arduino, Υπολογιστική Σκέψη, Βιωματικό Πείραμα, Ηλεκτρικό Κύκλωμα
Abstract
This thesis aims at exploiting the Arduino open source electronic platform and the evaluation of the results to the development of skills and attitudes related to Computational Thinking and to the conceptual understanding of Electrical Circuits in 5th Grade. In order to investigate and detect the role of the particular platform, appropriate didactic interventions were designed and implemented in two groups using: laboratory experiments, as provided by the 5th Grade Primary School Curriculum (control group), and experiments using the Arduino microcontroller and the Scratch4Arduino software (experimental group).
The sample of the survey consisted of 61 pupils in 5th Grade. Experimental research was performed using pre-test and post-test in equivalent physical groups. Quantitative and qualitative data were collected. Qualitative data was encoded using the content analysis technique while quantitative data was analyzed using the SPSS statistical software.
The data analysis revealed that both the use of the experiment and the Arduino microcontroller strengthened the conceptual understanding of the concepts of electricity and electrical circuits in both control and experimental groups. In addition, the use of Arduino and programming with the Scratch4Arduino software in the experimental group, led to the acquisition of important computer skills and attitudes. Skills acquisition and change of attitudes were more significant in boys than girls.
Research results have shown that Computational Thinking, through approaches such as Physical Computing, linking physical and virtual world, can be integrated into the classroom and enhance the teaching of Science courses. In addition, a new field of research is emerging, with many aspects for further exploration of both the necessity and the way of introducing Physical Computing and Computational Thinking into the educational process.
Keywords: Physical Computing, Arduino, Computational Thinking, Laboratory Experiment, Electrical Circuit
Περιεχόμενα
Περίληψη ... v
Abstract ... vii
Κατάλογος Πινάκων ... xi
Συντομογραφίες & Ακρωνύμια ... xiii
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 – ΕΙΣΑΓΩΓΗ ... 1
1.1. Προβληματική του θέματος. ... 1
1.2. Σκοπός και στόχοι της Διπλωματικής Εργασίας. ... 3
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 – Η ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΣΚΕΨΗ ... 4
2.1 Εισαγωγή... 4
2.2 Ορισμοί της Υπολογιστικής Σκέψης ... 4
2.3 Διαστάσεις της Υπολογιστικής Σκέψης ... 7
2.3.1 Έννοιες που σχετίζονται με την Υπολογιστική Σκέψη ... 7
2.3.2 Τεχνικές που σχετίζονται με την Υπολογιστική Σκέψη ... 9
2.3.3 Στάσεις που σχετίζονται με την Υπολογιστική Σκέψη ... 10
2.4 Η επιστημολογία των «Μηχανικών» ... 10
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 – PHYSICAL COMPUTING ... 12
3.1 Εισαγωγή... 12
3.2 Δομικά στοιχεία του Physical Computing ... 12
3.3 Η πλατφόρμα Arduino ... 13
3.3.1 Το υλικό της πλατφόρμας Arduino ... 14
3.3.2 Το λογισμικό της πλατφόρμας Arduino ... 15
3.4 Η γλώσσα προγραμματισμού Scratch4Arduino ... 15
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 – Η ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΣΚΕΨΗ ΚΑΙ ΤΟ PHYSICAL COMPUTING ΣΤΗ ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΤΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ... 16
4.1 Η Υπολογιστική Σκέψη στη διδακτική των Φυσικών Επιστημών ... 16
4.2 Το Physical Computing στην ανάπτυξη της Υπολογιστικής Σκέψης ... 18
4.3 Η Διερευνητική Μάθηση ... 20
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 – ΑΝΤΙΛΗΨΕΙΣ ΤΩΝ ΜΑΘΗΤΩΝ ΓΙΑ ΤΟΝ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟ ... 21
5.3 Αντιλήψεις και εννοιολογικά μοντέλα των μαθητών για το ηλεκτρικό κύκλωμα ... 23
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 – ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ... 25
6.1 Σκοπός της έρευνας... 25
6.2 Ερευνητικά ερωτήματα ... 25
6.3 Περιγραφή της ερευνητικής διαδικασίας ... 26
6.3.1 Το δείγμα της έρευνας ... 27
6.3.2 Μέθοδος συλλογής δεδομένων ... 28
6.4 Αξιοπιστία και Εγκυρότητα ... 32
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 – ΑΝΑΛΥΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ... 34
7.1 Δεδομένα της έρευνας ... 34
7.2 Ανάλυση των απαντήσεων του ερωτηματολογίου ανίχνευσης των αντιλήψεων των μαθητών στα ηλεκτρικά κυκλώματα ... 35
7.2.1 Ερωτήσεις κλειστού τύπου ... 35
7.2.2 Ερωτήσεις ανοιχτού τύπου ... 37
7.3 Ανάλυση των απαντήσεων του ερωτηματολογίου ανίχνευσης στάσεων σε σχέση με την Υπολογιστική Σκέψη ... 57
7.4 Ανάλυση των απαντήσεων του ερωτηματολογίου ανίχνευσης δεξιοτήτων που σχετίζονται με την Υπολογιστική Σκέψη ... 62
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ... 70
8.1 Εισαγωγή... 70
8.2 Βαθμός εννοιολογικής κατανόησης των ηλεκτρικών κυκλωμάτων ... 70
8.3 Ανάπτυξη στάσεων που συνδέονται με την Υπολογιστική Σκέψη ... 72
8.4 Ανάπτυξη δεξιοτήτων που συνδέονται με την Υπολογιστική Σκέψη ... 74
8.5 Προτάσεις για μελλοντική έρευνα ... 75
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ... 76
Ελληνόγλωσση βιβλιογραφία ... 76
Ξενόγλωσση βιβλιογραφία ... 78
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ ... 86
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α: Ερωτηματολόγιο Ανίχνευσης Αντιλήψεων στα Ηλεκτρικά Κυκλώματα ... 86
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β: Ερωτηματολόγιο Ανίχνευσης Στάσεων Υπολογιστικής Σκέψης ... 93
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ: Ερωτηματολόγιο Ανίχνευσης Δεξιοτήτων Υπολογιστικής σκέψης ... 96
Κατάλογος Πινάκων
Πίνακας 6-1: Η αξιοπιστία εσωτερικής συνέπειας του ΕΑΣΥΣ σύμφωνα με το συντελεστή
Cronbach’s alpha ... 33
Πίνακας 7-1: ΕΑΗΚ - Πλήθος σωστών απαντήσεων ανά ερώτηση πριν και μετά τη διδακτική παρέμβαση. ... 36
Πίνακας 7-2: ΕΑΗΚ - Αποτελέσματα του ελέγχου Wilcoxon ... 37
Πίνακας 7-3: ΕΑΗΚ - Άξονες και κωδικοποίηση των απαντήσεων στις ερωτήσεις 1Α, 1Β, 1Γ ... 39
Πίνακας 7-4: ΕΑΗΚ - Άξονες και κωδικοποίηση των απαντήσεων στην ερώτηση 2.... 43
Πίνακας 7-5: ΕΑΗΚ - Άξονες και κωδικοποίηση των απαντήσεων στις ερωτήσεις 3, 4.... 46
Πίνακας 7-6: ΕΑΗΚ - Άξονες και κωδικοποίηση των απαντήσεων στις ερωτήσεις 5, 6... 49
Πίνακας 7-7: : ΕΑΗΚ - Άξονες και κωδικοποίηση των απαντήσεων στις ερωτήσεις 7, 8. ... 52
Πίνακας 7-8:: ΕΑΗΚ - Άξονες και κωδικοποίηση των απαντήσεων στις ερωτήσεις 9, 10. ... 55
Πίνακας 7-9: ΕΑΣΥΣ - Αποτελέσματα ελέγχου Wilcoxon για τις απαντήσεις όλων των μαθητών του τμήματος Ε1 ... 58
Πίνακας 7-10 : ΕΑΣΥΣ - Αποτελέσματα ελέγχου Wilcoxon για τις απαντήσεις των κοριτσιών του τμήματος Ε1 ... 58
Πίνακας 7-11: ΕΑΣΥΣ - Αποτελέσματα ελέγχου Wilcoxon για τις απαντήσεις των αγοριών του τμήματος Ε1 ... 59
Πίνακας 7-12: ΕΑΣΥΣ - Αποτελέσματα ελέγχου Wilcoxon για τις απαντήσεις όλων των μαθητών του τμήματος Ε2 ... 60
Πίνακας 7-13: ΕΑΣΥΣ - Αποτελέσματα ελέγχου Wilcoxon για τις απαντήσεις των κοριτσιών του τμήματος Ε2 ... 61
Πίνακας 7-14: ΕΑΣΥΣ - Αποτελέσματα ελέγχου Wilcoxon για τις απαντήσεις των αγοριών του τμήματος Ε2 ... 62
Πίνακας 7-15: ΕΑΣΥΣ - Αλλαγή στις στάσεις των μαθητών ανάμεσα στις δύο μετρήσεις... 62
Πίνακας 7-16: ΕΑΔΥΣ - Πλήθος σωστών απαντήσεων των μαθητών των δύο τμημάτων ανά ερώτηση πριν και μετά τη διδακτική παρέμβαση ... 64
Πίνακας 7-17: ΕΑΔΥΣ - Αποτελέσματα του ελέγχου Wilcoxon για τις σωστές απαντήσεις όλων των μαθητών του τμήματος Ε1 στο σύνολο των ερωτήσεων. ... 64
Πίνακας 7-18: ΕΑΔΥΣ - Αποτελέσματα του ελέγχου Wilcoxon για τις σωστές απαντήσεις όλων των μαθητών του τμήματος Ε1 σε κάθε ερώτηση. ... 65
Πίνακας 7-19: ΕΑΔΥΣ - Αποτελέσματα του ελέγχου Wilcoxon για τις σωστές απαντήσεις των κοριτσιών του τμήματος Ε1 συνολικά και ανά ερώτηση. ... 66
Πίνακας 7-20: ΕΑΔΥΣ - Αποτελέσματα του ελέγχου Wilcoxon για τις σωστές απαντήσεις των αγοριών του τμήματος Ε1 συνολικά και ανά ερώτηση. ... 66
Πίνακας 7-21: ΕΑΔΥΣ - Αποτελέσματα του ελέγχου Wilcoxon για τις σωστές απαντήσεις όλων των μαθητών του τμήματος Ε2 στο σύνολο των ερωτήσεων. ... 66
Πίνακας 7-22: ΕΑΔΥΣ - Αποτελέσματα του ελέγχου Wilcoxon για τις σωστές απαντήσεις όλων των μαθητών του τμήματος Ε2 σε κάθε ερώτηση. ... 67
Πίνακας 7-24: ΕΑΔΥΣ - Αποτελέσματα του ελέγχου Wilcoxon για τις σωστές απαντήσεις των αγοριών του τμήματος Ε2 συνολικά και ανά ερώτηση. ... 68 Πίνακας 7-25: ΕΑΔΥΣ - Αλλαγή στις απαντήσεις των μαθητών ανάμεσα στις δύο μετρήσεις ... 69
Συντομογραφίες & Ακρωνύμια
ΕΑΔΥΣ: Ερωτηματολόγιο Ανίχνευσης Δεξιοτήτων Υπολογιστικής σκέψης ΕΑΗΚ: Ερωτηματολόγιο Ανίχνευσης Αντιλήψεων στα Ηλεκτρικά Κυκλώματα ΕΑΣΥΣ: Ερωτηματολόγιο Ανίχνευσης Στάσεων Υπολογιστικής Σκέψης ΠΟ: Πειραματική Ομάδα
ΟΕ: Ομάδα Ελέγχου ΥΣ: Υπολογιστική Σκέψη
NRC : National Research Council ΦΕ: Φυσικές Επιστήμες
S4A: Scratch4Arduino
STEM: Science, Technology, Engineering and Mathematics
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 – ΕΙΣΑΓΩΓΗ
1.1. Προβληματική του θέματος.
Στην εποχή μας, η ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίας και η αλματώδης επιστημονική πρόοδος έχουν επηρεάσει όλους τους τομείς των ανθρώπινων δραστηριοτήτων. Οι εξελίξεις έχουν εισβάλει αναπόφευκτα και στο χώρο της εκπαίδευσης, καθώς η τελευταία είναι αλληλένδετη με κάθε κοινωνική μεταβολή. Ταυτόχρονα, έχουν προκαλέσει μια νέα δυναμική στη σχολική πραγματικότητα, αλλά και έντονες επιστημονικές συζητήσεις στην εκπαιδευτική κοινότητα. Καθώς οι αλλαγές αγγίζουν ένα ευρύ φάσμα δραστηριοτήτων, τα προβλήματα που αναδύονται είναι πολυδιάστατα, με αποτέλεσμα να απαιτούν για την λύση τους το συνδυασμό διαφορετικών γνωστικών αντικείμενων. Αυτό έχει ως συνέπεια την ανάγκη νέων εκπαιδευτικών προσεγγίσεων αλλά και την αλλαγή στην διδακτική αναπλαισίωση των γνωστικών αντικειμένων (Ψυχάρης & Καλοβρέκτης, 2017).
Οι πρόσφατες έρευνες σχετικά με την εκπαίδευση στις Φυσικές Επιστήμες (ΦΕ) τονίζουν την ανάπτυξη δεξιοτήτων υψηλού επιπέδου ως έναν από τους βασικούς εκπαιδευτικούς στόχους.
Σε αυτές τις δεξιότητες συμπεριλαμβάνονται η δυνατότητα επίλυσης προβλημάτων, η διενέργεια επιστημονικών διερευνήσεων, η ανάπτυξη μοντέλων, και η ανάπτυξη μεταγνωστικών δεξιότητων (Psycharis, 2016). Επιπροσθέτως, οι έρευνες δίνουν έμφαση στην ανάγκη ενσωμάτωσης της υπολογιστικής σκέψης (ΥΣ) στα μαθήματα των ΦΕ καθώς ενισχύει την ανάπτυξη υψηλότερων νοητικών δεξιοτήτων και αυξάνει τα κίνητρα ενεργούς εμπλοκής των μαθητών επιτρέποντας τους να σχεδιάσουν, να κατασκευάσουν και να αξιολογήσουν τα δικά τους μοντέλα (Jona et al., 2014 ● Psycharis, 2016 ● Weintrop et al., 2016). Μάλιστα, σύμφωνα με τη Wing (2006), η ΥΣ θα πρέπει να προστεθεί στις βασικές δεξιότητες μαζί με την ανάγνωση, τη γραφή και τα μαθηματικά. Η προσεκτική χρήση των υπολογιστικών εργαλείων μπορούν να βοηθήσουν στη καλύτερη κατανόηση, εμβάθυνση και
Οι προϋπάρχουσες απόψεις και ιδέες των μαθητών για τον ηλεκτρισμό γενικά, αλλά και για τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος σε απλά και σύνθετα ηλεκτρικά κυκλώματα ειδικότερα, έχουν διερευνηθεί εκτεταμένα στο πεδίο της Διδακτικής των ΦΕ. Η βιβλιογραφική επισκόπηση δείχνει ότι οι μαθητές αντιμετωπίζουν ποικίλες δυσκολίες στο να κατανοήσουν πολλές από τις έννοιες που σχετίζονται με τον ηλεκτρισμό και τα ηλεκτρικά κυκλώματα (Χρηστίδου, 2001).
Μία ενδιαφέρουσα πρόταση για τη διδασκαλία της συγκεκριμένης ενότητας θα μπορούσε να αποτελέσει η χρήση του μικροελεγκτή Arduino καθώς προσφέρει ένα περιβάλλον πειραματισμού, αλλαγής συνθηκών και ελέγχου μέσω του υπολογιστικού περιβάλλοντος.
Επίσης, προσφέρεται για διδασκαλία μέσω του εποικοδομητισμού καθώς οι μαθητές έχουν τη δυνατότητα να επέμβουν με ποικίλους τρόπους στην πειραματική διαδικασία και να ελέγξουν τις υποθέσεις τους (Rubio, Hierro & Pablo, 2013).
Σε συνδυασμό με τον μικροελεγκτή Arduino μπορεί να χρησιμοποιηθεί το λογισμικό Scratch4Arduino (S4A) το οποίο αποτελεί μία επέκταση του λογισμικού Scratch. Ο συνδυασμός του μικροελεκτή Arduino με το λογισμικό Scratch4Arduino μπορούν να ευνοήσουν την ανάπτυξη της ΥΣ καθώς οι μαθητές μπορούν να επέμβουν στην πειραματική διαδικασία ενώ παράλληλα μπορούν να εξοικειωθούν με τον προγραμματισμό.
Αρκετές μελέτες έχουν αναλύσει τη σκοπιμότητα της χρήσης πλατφορμών φυσικού υπολογισμού οι οποίες συνδυάζουν λογισμικό και υλικό για την υποστήριξη εφαρμογών που αλληλεπιδρούν με το φυσικό κόσμο (Maia et al., 2009 ● Petre & Price, 2004 ● Schulz &
Pinkwart, 2015). Οι έρευνες εστιάζουν κυρίως στα θετικά αποτελέσματα της εκπαιδευτικής ρομποτικής στην ανάπτυξη δεξιοτήτων συνεργασίας, κριτικής σκέψης, επίλυσης προβλήματος και ΥΣ. Ωστόσο, δεν έχει διερευνηθεί εκτενώς η χρήση απλών και οικονομικών μικροελεκτών στη δημιουργία περιβαλλόντων πειραματισμού για τη διδασκαλία διαφόρων εννοιών της φυσικής, ενώ η έρευνα είναι ακόμη πιο περιορισμένη στην πρωτοβάθμια εκπαίδευση (Peppler & Glosson, 2013). Επιπροσθέτως, εξακολουθεί να είναι απαραίτητη η έρευνα για το πώς αναπτύσσονται οι δεξιότητες ΥΣ και πως ο τρόπος απόκτησης της μπορεί να αξιολογηθεί στην πράξη (Bocconi et al., 2016).
1.2. Σκοπός και στόχοι της Διπλωματικής Εργασίας.
Στόχο της εργασίας θα αποτελέσει η αξιοποίηση της ηλεκτρονικής πλατφόρμας ανοιχτού λογισμικού Arduino και η μελέτη της συμβολής της στην ανάπτυξη της ΥΣ και στη διδασκαλία της ενότητας του Ηλεκτρισμού της Ε’ Δημοτικού. Για τη διερεύνηση και ανίχνευση του ρόλου της συγκεκριμένης πλατφόρμας πρόκειται να σχεδιαστούν και να υλοποιηθούν κατάλληλες διδακτικές παρεμβάσεις και διδακτικοί σχεδιασμοί και να χρησιμοποιηθεί πέραν του μικροελεγκτή Arduino, το ελεύθερο λογισμικό S4A.
Οι διδακτικές παρεμβάσεις πρόκειται να αποτελέσουν υποσύνολα μιας συνολικότερης διερεύνησης που θα αφορά:
Στη μελέτη των αντιλήψεων των μαθητών για τις έννοιες της ενότητας του ηλεκτρισμού της Ε’ Δημοτικού.
Στη δυνατότητα ένταξης και αξιοποίησης ανοικτού υλικού και λογισμικού στη διδασκαλία της συγκεκριμένης ενότητας.
Στη δημιουργία μοντέλων προσομοίωσης για την διερεύνηση της ανάπτυξης εννοιολογικών μοντέλων και υψηλότερων νοητικών δεξιοτήτων των μαθητών που σχετίζονται, μέσω της αξιοποίησης των παραπάνω, με την οικοδόμηση νέας γνώσης μέσω της ανακάλυψης, της συνεργασίας και της επίλυσης προβλημάτων.
Στο βαθμό που η συγκεκριμένη παρέμβαση μπορεί να βοηθήσει στην τροποποίηση των αντιλήψεων των μαθητών.
Στη δυνατότητα ανάπτυξης δεξιοτήτων που συνδέονται με τις διαστάσεις της ΥΣ.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 – Η ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΣΚΕΨΗ
2.1 Εισαγωγή
Η ευρείας κλίμακας εισαγωγή της τεχνολογίας και η χρήση αυτοματοποιημένων συστημάτων κάνει αναγκαία τη χρήση υπολογιστικών εργαλείων για το σχεδιασμό, την κατασκευή και τον έλεγχο αυτών των συστημάτων. Η χρήση των εργαλείων αυτών καθώς και ο σχεδιασμός και η μοντελοποίηση των συστημάτων και η πρόβλεψη της συμπεριφοράς τους απαιτούν ικανότητες για τη δημιουργία και όχι απλά για την κατανάλωση της τεχνολογίας. Σε αυτό το πλαίσιο, δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι σε πολλές χώρες υπάρχει το ενδιαφέρον να εισαχθεί η ΥΣ ως ένα σύνολο ικανοτήτων επίλυσης προβλημάτων που θα αποκτήσουν νέες γενιές μαθητών (Wing, 2006 ●Denning, 2009 ●Henderson, 2009).
Στο κεφάλαιο αυτό αναλύονται, παράλληλα με μια επισκόπηση της βιβλιογραφίας, οι βασικές έννοιες πάνω στις οποίες δομείται η ΥΣ. Αρχικά αναφέρονται οι ορισμοί της ΥΣ και στη συνέχεια αναλύονται οι διαστάσεις που αφορούν στις έννοιες, στις τεχνικές και στις στάσεις σχετικά με την ΥΣ.
2.2 Ορισμοί της Υπολογιστικής Σκέψης
Η ιδέα της ΥΣ δεν είναι καινούργια και πέρασε από διάφορα στάδια ζυμώσεων τα τελευταία χρόνια. Τη δεκαετία του 1960, ο Alan Perlis υποστήριξε την ανάγκη οι φοιτητές όλων των κλάδων να μάθουν προγραμματισμό για την κατανόηση μιας ευρείας ποικιλίας θεμάτων (Guzdial, 2008). Τη δεκαετία του 1980 ο Papert πρωτοστάτησε στην ιδέα ότι τα παιδιά μπορούν να αναπτύξουν αλγοριθμική σκέψη μέσω της γλώσσας προγραμματισμού LOGO (Papert, 1980). Επίσης, τόνισε τα ευρύτερα οφέλη των δεξιοτήτων που μπορούν να αποκτηθούν μέσω του προγραμματισμού, και τη συμβολή στις διανοητικές διαδικασίες με ουσιαστικούς εννοιολογικούς τρόπους, επηρεάζοντας τον τρόπο σκέψης ακόμη και μακριά
αναφερθεί στην προσφορά υπολογιστικών αναπαραστάσεων για την έκφραση ισχυρών ιδεών. Ο diSessa (2000), εισήγαγε την έννοια του υπολογιστικού γραμματισμού, περιγράφοντας τον καταλυτικό ρόλο των υπολογιστών στην αλλαγή της εκπαίδευση και την αλλαγή από την απλή χρήση ή κατανάλωση της τεχνολογίας στη δυναμική και διαδραστική δημιουργία.
Η σχέση της ΥΣ με την εκπαίδευση εξετάστηκε κριτικά από την Wing το 2006 η οποία υποστήριξε ότι η ΥΣ είναι μια θεμελιώδης αναλυτική ικανότητα ακριβώς όπως η ανάγνωση, η γραφή και η αριθμητική. Περιλαμβάνει ποικίλες νοητικές λειτουργίες όπως η επίλυση προβλημάτων, ο σχεδιασμός συστημάτων, και η κατανόηση της ανθρώπινης συμπεριφοράς.
Επίσης, περιλαμβάνει μια σειρά από διανοητικά εργαλεία όπως η αφαίρεση, η ενσωμάτωση, ο μετασχηματισμός, η προσομοίωση και η αναδρομή.
Σύμφωνα με τη Wing, η ΥΣ, συμπληρώνει και συνδυάζει τη μαθηματική και μηχανική σκέψη, ώστε να δημιουργήσει συστήματα που ανταποκρίνονται στον πραγματικό κόσμο, και επεκτείνεται και σε άλλους κλάδους όπως η στατιστική, η φυσική, η χημεία και η βιολογία.
Επίσης, οδηγεί σε «ιδέες» και όχι μόνο σε «τεχνουργήματα». Επεκτείνεται πέρα από το λογισμικό και το υλικό, και αγγίζει πολλές πτυχές της καθημερινότητας, που συνδέονται με τις υπολογιστικές έννοιες της επίλυσης προβλημάτων, της διαχείριση της καθημερινής ζωής και της επικοινωνίας.
Αυτή η πρώτη προσέγγιση της έννοιας της ΥΣ επαναπροσδιορίζεται τα τελευταία χρόνια, χωρίς να έχει επιτευχθεί συμφωνία όσον αφορά στον επίσημο ορισμό της και στον τρόπο ενσωμάτωσής της στα εκπαιδευτικά προγράμματα. Το 2008 η Wing διευκρίνισε ότι «ΥΣ είναι οι διαδικασίες σκέψης που εμπλέκονται στη διαμόρφωση των προβλημάτων και των λύσεών τους έτσι ώστε οι λύσεις να εκπροσωπούνται σε μια μορφή που μπορεί να εκτελεστεί αποτελεσματικά από ένα μέσο επεξεργασίας πληροφοριών». O ορισμός αυτός απλοποιήθηκε από τον Aho (2012), ο οποίος όρισε την ΥΣ ως τις διαδικασίες της σκέψης που εμπλέκονται στη διαμόρφωση προβλημάτων, ώστε οι λύσεις τους να μπορούν να αναπαρασταθούν
Τα παραπάνω ζητήματα οδήγησαν στη διεξαγωγή εργαστηρίων από διάφορους φορείς. Ένα τέτοιο εργαστήριο διοργανώθηκε από το National Research Council (NRC) με στόχο τη διερεύνηση του εύρους και της φύσης της ΥΣ. Το εργαστήριο απαρίθμησε τις δεξιότητες και τις πρακτικές υψηλού επιπέδου που μπορεί να περιλαμβάνει η ΥΣ, όπως η αφαίρεση, η αποσύνθεση των προβλημάτων, η ευρετική συλλογιστική, οι στρατηγικές αναζήτησης και η γνώση εννοιών από την επιστήμη των υπολογιστών όπως η παράλληλη επεξεργασία, η μηχανική μάθηση και η αναδρομή (NRC, 2010). Μια δεύτερη συνάντηση επικεντρώθηκε στις παιδαγωγικές πτυχές της ΥΣ, επιδιώκοντας να απαντήσει σε ερωτήματα όπως η συσχέτιση της ΥΣ με υπάρχοντα θέματα, η επιμόρφωση των εκπαιδευτικών και οι τρόποι αξιολόγησης της ΥΣ (NRC, 2011)
Ένα ακόμη εργαστήριο διοργανώθηκε από την Computer Science Teachers Association (CSTA) σε συνεργασία με την International Society for Technology Education (ISTE) με στόχο τη δημιουργία ενός λειτουργικού ορισμού για την ΥΣ. Σύμφωνα με τον συγκεκριμένο λειτουργικό ορισμό, η ΥΣ είναι «μια διαδικασία επίλυσης προβλημάτων που περιλαμβάνει (αλλά δεν περιορίζεται σε αυτά), τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: μορφοποίηση των προβλημάτων με τρόπο ώστε να είναι δυνατή η επίλυσή τους από υπολογιστή ή άλλα εργαλεία, λογική οργάνωση και ανάλυση δεδομένων, αναπαράσταση δεδομένων μέσω αφαιρέσεων, όπως είναι τα μοντέλα και οι προσομοιώσεις, αυτοματοποίηση λύσεων μέσω αλγοριθμικού τρόπου σκέψης, αναγνώριση, ανάλυση και υλοποίηση πιθανών λύσεων με στόχο την επίτευξη των πιο αποτελεσματικών και αποδοτικών συνδυασμών βημάτων και πόρων, γενίκευση και μεταφορά αυτής της διαδικασίας επίλυσης προβλήματος σε μια ευρεία γκάμα προβλημάτων» (CSTA & ISTE, 2011).
Τέλος, η εθνική ακαδημία επιστημών του Ηνωμένου Βασιλείου επαναλαμβάνει την έμφαση στην επιστήμη των υπολογιστών, ορίζοντας την ΥΣ ως «τη διαδικασία αναγνώρισης των υπολογιστικών πτυχών στον κόσμο που μας περιβάλλει και εφαρμογή εργαλείων και τεχνικών από την επιστήμη των υπολογιστών για την κατανόηση και αποσαφήνιση τόσο των φυσικών όσο και των τεχνιτών συστημάτων και διαδικασιών» (Royal Society, 2012).
Η παραπάνω προσπάθεια της εκπαιδευτικής και επιστημονικής κοινότητας για τον
μεγάλης κλίμακας έργων από διάφορους επιστημονικούς και επαγγελματικούς φορείς.
Αξιοσημείωτες τέτοιες πρωτοβουλίες αποτελούν η ομάδα της CSTA (Computational Thinking Task Force) και το Κέντρο Υπολογιστικής Σκέψης του Carnegie Mellon, τα οποία παρέχουν κατευθύνσεις για πιθανά έργα και διδακτικούς πόρους που αφορούν στην ΥΣ.
Επίσης, το Κέντρο για τη Διερεύνηση της Υπολογιστικής Σκέψης της Google (Google – Exploring Computational Thinking) το οποίο παρέχει τον παιδαγωγικό και διδακτικό σχεδιασμό μιας σειράς δραστηριοτήτων ΥΣ για πραγματικά προβλήματα. Τέλος, το έργο Computer Science Unplugged, το οποίο ξεκίνησε από το Πανεπιστήμιο Canterbury της Νέας Ζηλανδίας, και στοχεύει στο να έρθουν οι μαθητές σε επαφή με την Επιστήμη των Υπολογιστών, χωρίς όμως να είναι απαραίτητη η χρήση τους.
2.3 Διαστάσεις της Υπολογιστικής Σκέψης
Η ΥΣ παρέχει ένα ισχυρό πλαίσιο για την αναγνώριση των πτυχών του υπολογισμού στον κόσμο που μας περιβάλλει και την εφαρμογή εργαλείων και τεχνικών από την Επιστήμη των Υπολογιστών για την κατανόηση συστημάτων και διαδικασιών. Επιτρέπει στους μαθητές να αντιμετωπίζουν προβλήματα, να τα αποσυνθέτουν σε κομμάτια που μπορούν να επιλυθούν και να δημιουργούν αλγορίθμους για την επίλυσή τους. Η ΥΣ εμπερικλείει τρεις βασικές διαστάσεις: τις υπολογιστικές έννοιες, τις υπολογιστικές πρακτικές και τις υπολογιστικές δεξιότητες (Brennan & Resnick, 2012), οι οποίες αναλύονται παρακάτω.
2.3.1 Έννοιες που σχετίζονται με την Υπολογιστική Σκέψη
Η ΥΣ είναι μια γνωστική διαδικασία που περιλαμβάνει τη λογική αιτιολόγηση με την οποία επιλύονται τα προβλήματα και με την οποία τα τεχνουργήματα, οι διαδικασίες και τα συστήματα γίνονται περισσότερο κατανοητά. Πολλοί ερευνητές συμφωνούν ότι η ΥΣ περιλαμβάνει τη χρήση της αφαίρεσης (Angeli et al., 2016 ● Bar & Stephenson, 2011 ● Grover & Pea, 2013 ● Hoyles & Noss, 2015 ● Lee et al., 2011 ● Selby & Woollard, 2013).
χωρίς όμως την απώλεια της πληροφορίας. Στην επίλυση προβλημάτων, η αφαίρεση μπορεί να πάρει τη μορφή απογύμνωσης ενός προβλήματος σε αυτό που πιστεύεται ότι είναι τα βασικά του στοιχεία (Lee et al., 2011). Στην περίπτωση ενός πραγματικού φαινομένου, τα διαφορετικά επίπεδα αφαίρεσης και οι αφαιρετικές αναπαραστάσεις μπορούν να οδηγήσουν στην αναγνώριση του μοντέλου του φαινομένου, στον έλεγχο των μεταβλητών και των παραμέτρων του και στην ανάλυση των δεδομένων του (Ψυχάρης & Καλοβρέκτης, 2017).
Μία άλλη σημαντική έννοια που σχετίζεται με τη ΥΣ είναι η αλγοριθμική σκέψη (Angeli et al., 2016 ● Bar & Stephenson, 2011 ● Grover & Pea, 2013 ● Hoyles & Noss, 2015 ● Selby
& Woollard, 2013). Η αλγοριθμική σκέψη είναι η ικανότητα σκέψης σε όρους ακολουθιών και κανόνων και ένας τρόπος επίτευξης λύσης μέσω ενός σαφούς ορισμού των βημάτων. Η ιδέα της αλγοριθμικής σκέψης ξεκίνησε τη δεκαετία του ΄50 αποσκοπώντας κυρίως στην τυποποίηση προβλημάτων μετατροπής εισόδων σε κάποια έξοδο αλλά και στην εύρεση βέλτιστων αλγοριθμικών λύσεων για τις μετατροπές αυτές. Η ΥΣ επεκτείνει την αρχική ιδέα περιλαμβάνοντας την σκέψη σε πολλαπλά επίπεδα αφαίρεσης, την ανάπτυξη αλγορίθμων με τη χρήση μαθηματικών και την εξέταση της πολυπλοκότητας της λύσης ανάλογα με το μέγεθος του προβλήματος (Denning, 2009).
Η ΥΣ περιλαμβάνει, επίσης, την αυτοματοποίηση (Bar & Stephenson, 2011 ● Lee et al., 2011), την τμηματοποίηση (Angeli et al, 2016 ● Bar & Stephenson, 2011 ● Grover & Pea, 2013 ● Hoyles & Noss, 2015) και την δομημένη τμηματοποίηση (Grover & Pea (2013). Η αυτοματοποίηση αντιστοιχεί στη διαδικασία εξοικονόμησης εργασίας, καθώς ένας υπολογιστής μπορεί να εκτελέσει, έπειτα από συγκεκριμένες εντολές, μια σειρά επαναλαμβανόμενων εργασιών γρήγορα και αποτελεσματικά σε σύγκριση με την ισχύ επεξεργασίας ενός ανθρώπου (Lee et al, 2011). Η τμηματοποίηση αποτελεί τη διαδικασία διάσπασης ενός προβλήματος σε μικρότερα τμήματα έτσι ώστε να μπορούν να επιλυθούν ευκολότερα. Η δομημένη τμηματοποίηση ή δομοστοιχείωση (Modularity) αποτελεί τη διαδικασία επαναχρησιμοποίησης επαναλαμβανόμενων εντολών για μια συγκεκριμένη λειτουργία, έτσι ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν τα ίδια σύνολα εντολών σε τμήματα διαφορετικών προβλημάτων.
Η ΥΣ περιλαμβάνει, επίσης, την αναγνώριση προτύπων (Grover & Pea, 2013 ● Hoyles &
Noss, 2015) και τη γενίκευση (Angeli et al, 2016 ● Selby & Woollard, 2013). Η αναγνώριση προτύπων προσπαθεί να αναγνωρίσει µε αυτόµατο τρόπο μοτίβα σε πολύπλοκα περιβάλλοντα. Η γενίκευση σχετίζεται με τον εντοπισμό μοτίβων, ομοιοτήτων και διασυνδέσεων και την αξιοποίηση τους. Είναι ένας τρόπος για την ταχεία επίλυση νέων προβλημάτων που βασίζονται σε προηγούμενες λύσεις. Οι αλγόριθμοι που έχουν σχεδιαστεί για να επιλύσουν συγκεκριμένα προβλήματα μπορούν να προσαρμοστούν ώστε να μπορούν να επιλύσουν ομάδες παρόμοιων προβλημάτων (Cizmadia, 2015).
Μία άλλη σημαντική έννοια που σχετίζεται με τη ΥΣ είναι η αξιολόγηση (Hoyles & Noss, 2015). Η αξιολόγηση είναι η διαδικασία με την οποία εξασφαλίζεται ότι ένας αλγόριθμος, ένα σύστημα ή μία διαδικασία οδηγεί σε μια βέλτιστη λύση. Στην βέλτιστη λύση περιλαμβάνονται διάφορες ιδιότητες ανάλογα με το αρχικό στόχο, όπως η ορθότητα των λύσεων, η ταχύτητα τους, η εξοικονόμηση πόρων, η ευχρηστία, η επαναχρησιμοποίηση κ.α.
2.3.2 Τεχνικές που σχετίζονται με την Υπολογιστική Σκέψη
Η ΥΣ έχει ένα ευρύ πεδίο εφαρμογών όπως προβλήματα, συστήματα, διαδικασίες, αντικείμενα, αλγόριθμοι, συλλογή δεδομένων ή πληροφοριών. Επίσης, υπάρχει μια πληθώρα τεχνικών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επίδειξη και την αξιολόγηση της.
Μία βασική τεχνική που σχετίζεται με την ΥΣ είναι η κωδικοποίηση. Η μετάφραση ενός σχεδίου σε μορφή κώδικα αποτελεί βασικό στοιχείο της ανάπτυξης οποιουδήποτε συστήματος ηλεκτρονικών υπολογιστών. Επίσης, με την ΥΣ συνδέεται και η αποσφαλμάτωση (Angeli et al, 2016 ● Hoyles & Noss, 2015 ● Wing , 2006). Η αποσφαλμάτωση, αποτελεί μια μεθοδική διαδικασία που συνδέεται άμεσα με τον προγραμματισμό και αποσκοπεί στην εύρεση λαθών σε έναν αλγόριθμο ώστε να συμπεριφέρεται όπως προβλέπεται.
των αντικειμένων. Περιλαμβάνει επίσης, τη δημιουργία αναπαραστάσεων, όπως είναι τα διαγράμματα ροής, ο ψευδοκώδικας, και τα διαγράμματα συστημάτων. Η ανάλυση περιλαμβάνει βασικές διαδικασίες όπως είναι η διάσπαση σε συνιστώσες (αποσύνθεση), η μείωση της περιττής πολυπλοκότητας (αφαίρεση), ο προσδιορισμός των διαδικασιών (αλγόριθμοι) και η αναζήτηση κοινών χαρακτηριστικών (γενίκευση). Τέλος, η εφαρμογή περιλαμβάνει την υιοθέτηση λύσεων που προϋπάρχουν ώστε να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις ενός άλλου πλαισίου.
2.3.3 Στάσεις που σχετίζονται με την Υπολογιστική Σκέψη
Ορισμένοι ερευνητές θεωρούν ότι η ΥΣ δεν χαρακτηρίζεται μόνο από δεξιότητες αλλά χαρακτηρίζεται επίσης και από στάσεις.
Οι Weintrop κ.α. (2016) προσδιορίζουν ως βασικές στάσεις που σχετίζονται με την ΥΣ την αυτοπεποίθηση για εργασία με πολύπλοκα προβλήματα, την επιμονή στην εργασία με απαιτητικά προβλήματα και την ικανότητα αντιμετώπισης προβλημάτων ανοιχτού τύπου. Οι Barr, Harisson & Coney (2011) προσθέτουν στις παραπάνω στάσεις την ικανότητα αντιμετώπισης των ασαφειών στα προβλήματα και την ικανότητα επικοινωνίας και συνεργασίας για την λύση προβλημάτων. Ο Woollard (2016) προσδιορίζει ως βασικές στάσεις που σχετίζονται με την ΥΣ τη θετική στάση για τη δημιουργία τεχνουργημάτων, τη δημιουργικότητα και τη συνεργασία.
2.4 Η επιστημολογία των «Μηχανικών»
Η κριτική σκέψη, η εργασία σε ομάδες και ο τεχνολογικός αλφαβητισμός, αποτελούν βασικές δεξιότητες που πρέπει να κατέχει ένας πολίτης του 21ου αιώνα για να μπορεί να ανταπεξέλθει σε απαιτήσεις τόσο επαγγελματικά, όσο και κοινωνικά (Commission of the European Communities, 2002). Η ύπαρξη μιας διεπιστημονικής προσέγγισης των Επιστημών, της Τεχνολογίας, της Μηχανικής και των Μαθηματικών (Science, Technology, Engineering, and Mathematics - STEM) έρχεται να καλύψει πολλές από τις σύγχρονες
τελευταία χρόνια και θεωρείται από το President’s Council of Advisors on Science and Technology (2010) «απαραίτητη για την οικονομική ανταγωνιστικότητα, καθώς επίσης και για την εθνική και περιβαλλοντική ασφάλεια». Το NRC (2012) υποστηρίζει ότι η ένταξη της
«Μηχανικής» στο αναλυτικό πρόγραμμα είναι αναγκαία, όχι μόνο για τους μεγαλύτερους σε ηλικία μαθητές αλλά και για μαθητές νηπιαγωγείου.
Ο όρος «Μηχανική» αποτελείται από δύο διαστάσεις: «το Περιεχόμενο της Μηχανικής» και το «Σχεδιασμό της Μηχανικής» (Shirey, 2015). Το «Περιεχόμενο της Μηχανικής»
προσφέρει τα απαραίτητα εργαλεία στους μηχανικούς για να λύσουν κάποιο πρόβλημα. Οι Μηχανικοί χρησιμοποιώντας τις Επιστήμες και τα Μαθηματικά καλούνται να προσφέρουν λύσεις σε συγκεκριμένα προβλήματα βάση κάποιων κριτηρίων και περιορισμών (Shirey, 2015). Οι Rugarcia, Felder, Woods & Stice (2000) αναφέρουν την εκπαίδευση της Μηχανικής ως «ανάπτυξη γνώσεων μηχανικής, δεξιοτήτων και στάσεων».
Ο «Σχεδιασμός της Μηχανικής» σχετίζεται άμεσα με τις διαστάσεις της ΥΣ όπως αυτές αναπτύχθηκαν στις προηγούμενες ενότητες (Ψυχάρης & Καλοβρέκτης, 2017). Αποτελεί μια διαδικασία κατά την οποία αρχικά οριοθετούνται τα προβλήματα και στη συνέχεια γίνεται συλλογή προτάσεων – λύσεων, οι οποίες ελέγχονται, υλοποιούνται και βελτιώνονται. Η διαδικασία αυτή είναι κυκλική και δεν έχει ως στόχο την απλή εφαρμογή κάποιων επιστημονικών γνώσεων, αλλά την ανάπτυξη και βελτίωση δεξιοτήτων επίλυσης προβλημάτων (Moore, 2014).
Στην πράξη ο «Σχεδιασμός της Μηχανικής» μπορεί να βοηθήσει τους μαθητές να κατανοήσουν καλύτερα τις ΦΕ καθώς τους προσφέρει ένα αυθεντικό περιβάλλον μάθησης μέσα στο οποίο οι μαθητές καλούνται να επιλύσουν προβλήματα συμμετέχοντας ενεργά στη λύση και χρησιμοποιώντας προϋπάρχουσες γνώσεις. Οι μαθητές πειραματίζονται, ανακαλύπτουν, κάνουν λάθη και καλούνται να τα διορθώσουν. Μέσα από αυτή τη διαδικασία γίνονται δημιουργικοί και μαθαίνουν καθ’ όλη τη διάρκεια (Παλιούρας &
Ψυχάρης, 2016).
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 – PHYSICAL COMPUTING
3.1 Εισαγωγή
Το physical computing καλύπτει το σχεδιασμό και την υλοποίηση διαδραστικών αντικειμένων και διατάξεων και επιτρέπει στους μαθητές να αναπτύξουν συγκεκριμένα και απτά προϊόντα του πραγματικού κόσμου. Ο όρος διαδραστικός μπορεί να θεωρηθεί ως μία αλληλεπιδραστική διαδικασία όπου δύο ή περισσότεροι συμμετέχοντες ακούν, σκέφτονται και μιλούν. Πρόκειται για την ίδια διαδικασία που υπάρχει γενικά στα υπολογιστικά συστήματα, και αντιστοιχεί στην είσοδο, την επεξεργασία και την έξοδο (O'Sullivan & Igoe, 2004).
Ο όρος «physical computing» σε εκπαιδευτικά περιβάλλοντα αναφέρθηκε για πρώτη φορά από τους O'Sullivan & Igoe (2004), ως βασικό στοιχείο των συστημάτων που χρησιμοποιούν ηλεκτρονικές διατάξεις όπως κυκλώματα και αισθητήρες για να συνδέσουν τον εικονικό με τον φυσικό κόσμο. Η μάθηση μέσω κατασκευών επιτρέπει στους μαθητές να μετατρέψουν το εικονικό σε πραγματικό, ενώ παράλληλα προσφέρει εμπνευσμένα περιβάλλοντα μάθησης, όπου οι μαθητές μπορούν να αναπτύξουν τη δημιουργικότητα τους.
Στο κεφάλαιο αυτό αναλύονται, παράλληλα με μια επισκόπηση της βιβλιογραφίας, οι βασικές έννοιες που αφορούν στο physical computing. Επίσης, παρουσιάζεται η πλατφόρμα Arduino και η γλώσσα προγραμματισμού S4A.
3.2 Δομικά στοιχεία του Physical Computing
Το physical computing μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελείται από τρία βασικά δομικά στοιχεία, τα προϊόντα, τις διαδικασίες και τα εργαλεία (Przybylla & Romeike, 2014). Τα τυπικά προϊόντα του physical computing είναι απτά αντικείμενα που μπορούν να
ανταποκρίνονται και να προσαρμόζονται. Επίσης, μπορούν να αναδιαμορφωθούν και να μετασχηματιστούν και να αλληλεπιδρούν σταθερά με το περιβάλλον.
Όσον αφορά στις διαδικασίες, υπάρχουν πολλά διαφορετικά πλαίσια στα οποία μπορεί να ενσωματωθεί το physical computing ανάλογα με τον σκοπό που επιδιώκεται να επιτελέσει.
Ένα τέτοιο πλαίσιο επικεντρώνεται στις ανάγκες των ανθρώπων και του περιβάλλοντος που μπορούν να υποστηριχτούν από τους υπολογιστές (O'Sullivan & Igoe, 2004). Σε ένα ευρύτερο πλαίσιο το physical computing θεωρείται ότι παρέχει τη σύνδεση μεταξύ υπολογιστών και φυσικού κόσμου (Libow Martinez & Stager, 2013). Μια άλλη πτυχή, σημαντική για την ανάπτυξη της φαντασίας και της δημιουργικότητας, είναι η δυνατότητα βελτίωσης και επαναχρησιμοποίησης του υπάρχοντος υλικού και λογισμικού με πειραματικό τρόπο (Stewart, 2015).
Όσον αφορά στα εργαλεία, για το physical computing μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια μεγάλη ποικιλία υλικών, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για διάφορους σκοπούς και από διαφορετικές ομάδες. Βασικά υλικά αποτελούν οι αισθητήρες και οι ενεργοποιητές. Ανάλογα με την πολυπλοκότητα και το σκοπό χρήσης, τα υλικά του physical computing μπορούν να ταξινομηθούν σε πέντε βασικές κατηγορίες. Τα προγραμματιζόμενα παιχνίδια, τις συσκευές εισόδου / εξόδου, τα προγραμματιζόμενα τούβλα (bricks), τους μικροελεγκτές και τους μίνι υπολογιστές (Przybylla & Romeike, 2014).
3.3 Η πλατφόρμα Arduino
Το Arduino αποτελεί μία εξαιρετικά δημοφιλή πλατφόρμα physical computing, καθώς συνδυάζει το χαμηλό κόστος κτήσης και το ανοικτό υλικό και λογισμικό. Δημιουργήθηκε το 2005 από τους Massimo Banzi και David Cuartielles με σκοπό την απλοποίηση της υλοποίησης διαδραστικών εφαρμογών από αρχάριους. Ωστόσο αποτελεί σήμερα μία ευέλικτη πλατφόρμα για την ανάπτυξη πιο σύνθετων έργων από εμπειρογνώμονες. Βασίζεται
Υπάρχουν αρκετά χαρακτηριστικά που κάνουν την πλατφόρμα Arduino εξαιρετικά δημοφιλή. Βασίζεται στην πλατφόρμα Processing, ένα εύχρησο περιβάλλον ανάπτυξης που χρησιμοποιείται από σχεδιαστές και καλλιτέχνες. Διαθέτει ένα προγραμματιστικό περιβάλλον που μπορεί να τρέξει σε διαφορετικές πλατφόρμες (Windows, Linux, Macintosh). Το υλικό είναι αρκετά οικονομικό και το διάγραμμα του κυκλώματος καθώς και όλες οι πληροφορίες είναι ελεύθερα διαθέσιμα. Τέλος, υπάρχει μια ενεργή κοινότητα χρηστών, και πληθώρα βιβλίων και εφαρμογών ελεύθερα διαθέσιμα στο Διαδίκτυο.
Η πλατφόρμα Arduino αποτελείται από δύο κύρια μέρη, την πλακέτα Arduino (υλικό) και το Arduino IDE (λογισμικό).
3.3.1 Το υλικό της πλατφόρμας Arduino
H πλακέτα Arduino αποτελείται από ένα μικροελεγκτή Atmel AVR, όπως ο ATmega328, ή ο ATmega2560 (ανάλογα με την έκδοση του), ο οποίος είναι ήδη προγραμματισμένος να φορτώνει και να εκτελεί τα προγράμματα Arduino. Ο μικροελεγκτής, ενεργεί ως μία πύλη μεταξύ του ψηφιακού και του φυσικού κόσμου. Μπορεί να λαμβάνει πληροφορίες από τους αισθητήρες, να ελέγχει απλούς κινητήρες και να στέλνει πληροφορίες σε άλλους υπολογιστές και συσκευές.
H πλακέτα Arduino, περιλαμβάνει έναν γραμμικό ρυθμιστή τάσης 5V και έναν κρυσταλλικό ταλαντωτή 16MHz. Επίσης διαθέτει μία θύρα USB για σύνδεση με υπολογιστή, για τον προγραμματισμό της πλακέτας και την ηλεκτρική της τροφοδοσία. Η διασύνδεση με εξωτερικές συσκευές μπορεί να γίνει είτε απευθείας, είτε μέσω καλωδίων και πλακετών δοκιμών. Επίσης, είναι δυνατή η σύνδεση με περιφερειακές μονάδες που καλούνται
«ασπίδες» (“shields”) και έχουν συνήθως τη μορφή κάρτας. Στις «ασπίδες»
συμπεριλαμβάνονται αισθητήρες, γυροσκόπια, αξελερόμετρα, οθόνες LCD, wi-fi, servo controllers κ.α. Υπάρχουν διάφορες εκδόσεις της πλακέτας Arduino καλύπτοντας ένα πολύ μεγάλο εύρος εφαρμογών.
3.3.2 Το λογισμικό της πλατφόρμας Arduino
Για τον προγραμματισμό του Arduino χρησιμοποιείται ευρέως το Arduino IDE, μία cross- platform εφαρμογή γραμμένη σε Java, που βασίζεται στις πλατφόρμες Wiring και Processing. Το Arduino IDE παρέχει πλήρη έλεγχο της συνδεσιμότητας του Arduino με τον υπολογιστή και περιλαμβάνει ένα πρόγραμμα επεξεργασίας πηγαίου κώδικα και έναν συμβολομεταφραστή (compiler).
Η γλώσσα Arduino υλοποιείται σε μία παραλλαγή της γλώσσας C/C++, η οποία όμως υποστηρίζει όλες τις βασικές συναρτήσεις και εντολές της. Η βιβλιοθήκη Wiring, η οποία περιλαμβάνεται στο Arduino IDE, χρησιμοποιείται όταν γράφεται ένα σκίτσο. Με τον τρόπο αυτό μπορούν να δημιουργηθούν εκτελέσιμα προγράμματα με δύο μόνο λειτουργίες: setup() και loop().
3.4 Η γλώσσα προγραμματισμού Scratch4Arduino
Η γλώσσα προγραμματισμού S4A αποτελεί μια τροποποίηση της γνωστής γλώσσας προγραμματισμού Scratch (Resnick et al., 2009) και επιτρέπει τον απλό προγραμματισμό της πλατφόρμας Arduino. Αναπτύχθηκε το 2010 από την ομάδα Citilab Smalltalk με κύριο στόχο την παροχή μιας διεπαφής υψηλού επιπέδου για τον προγραμματισμό της πλατφόρμας Arduino αλλά και έναν εύκολο τρόπο αλληλεπίδρασης με τον πραγματικό κόσμο μέσω της ευκολίας χρήσης του Scratch.
Σε σχέση με το Scratch, παρέχει νέες εντολές για τις βασικές λειτουργίες του μικροελεγκτή και τις αναλογικές και ψηφιακές μονάδες εισόδου και εξόδου. Επίσης, παρέχει εντολές για τη διαχείριση των αισθητήρων και των κινητήρων κανονικής και συνεχούς περιστροφής που συνδέονται με το Arduino.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 – Η ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΣΚΕΨΗ ΚΑΙ ΤΟ PHYSICAL COMPUTING ΣΤΗ ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΤΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ
4.1 Η Υπολογιστική Σκέψη στη διδακτική των Φυσικών Επιστημών
Οι αλλαγές που έχει επιφέρει η ανάπτυξη της τεχνολογίας και η επιστημονική πρόοδος έχουν οδηγήσει σε μία νέα πραγματικότητα στη διδακτική των ΦΕ, καθώς η φύση αυτών των κλάδων όπως εφαρμόζονται στον επαγγελματικό κόσμο μεταβάλλεται ταχύτητα (Henderson, 2009 ● Weintrop et al., 2016). Παράλληλα, παρατηρείται μία αύξηση της σπουδαιότητας των υπολογιστικών εργαλείων και πρακτικών σε σχέση με τα πεδία STEM, κάτι που αποτυπώνεται και στην