ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ

Το Υποθετικό Πείραμα στις Φυσικές Επιστήμες και στην Εκπαιδευτική Διαδικασία.  Μια εφαρμογή με τη χρήση της Τεχνολογίας

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Τα υποθετικά πειράματα έχουν διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στην Ιστορία των Φυσικών Επιστημών γιατί εκτελούνται «στο εργαστήριο του νου», αποτελούν δηλαδή νοητικές συλλήψεις των επιστημόνων οι οποίες συνέβαλαν ουσιαστικά στην εξέλιξη της επιστήμης. Το υποθετικό πείραμα χρησιμοποιείται ως «εργαλείο μάθησης» στη διδασκαλία των Φυσικών Επιστημών γιατί αποτελεί τμήμα της επιστημονικής πρακτικής και γιατί έπαιξε πρωταγωνιστικό ρόλο κατά τη διάρκεια εννοιολογικών αλλαγών στην Ιστορία της Επιστήμης. Ο σημαντικότερος λόγος που μελετούμε την αξιοποίηση του υποθετικού πειράματος από τους μαθητές είναι γιατί εντάσσεται στις βασικές διαδικασίες μάθησης, διαδικασίες μέσω των οποίων τα παιδιά χρησιμοποιούν προϋπάρχουσες γνωστικές δομές και με την φαντασία τους, με λογικά συμπεράσματα και δημιουργώντας νοητικούς χάρτες μπορεί να οδηγηθούν στην παραγωγή της νέας γνώσης. Με βάση αυτή τη συλλογιστική κατασκευάσαμε ένα εκπαιδευτικό CD το οποίο αξιοποιεί το υποθετικό πείραμα μέσα από κατάλληλα σχεδιασμένα φύλλα εργασίας, που με τη βοήθεια του ηλεκτρονικού υπολογιστή συνιστά μια διδακτική εφαρμογή στη διδασκαλία του μαθήματος των Φυσικών Επιστημών στο Δημοτικό Σχολείο. Η εφαρμογή που προτείνουμε υιοθετεί το μοντέλο της εποικοδομητικής υπόθεσης της γνώσης σε ένα συνεργατικό περιβάλλον μάθησης.

ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ: τεχνολογία, κριτική σκέψη, κατανόηση, πολυμέσα, φύλλα εργασίας, διδασκαλία με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή, διδακτικά εργαλεία, νοητικά/υποθετικά πειράματα, κίνηση πλανητών, πτώση σωμάτων.

Εισαγωγή         

Στη διεθνή βιβλιογραφία[i] ως υποθετικό ή νοητικό πείραμα (Υ.Π.) στις Φυσικές Επιστήμες (Φ.Ε.) χαρακτηρίζεται η λογική εκείνη διαδικασία η οποία στηρίζεται στα «αποτελέσματα» ενός πειράματος που σχεδιάζεται στο μυαλό ενός ερευνητή ή στο χαρτί. Ένα Υ.Π. κατά συνέπεια σχεδιάζεται στο νου και έχει σκοπό να ελέγξει κάτι ή να επιχειρηματολογήσει υπέρ της εγκυρότητας μιας άποψης ή μιας υπόθεσης. Αποτελεί θα λέγαμε ένα είδος νοητικού παραθύρου μέσα από το οποίο το μυαλό μπορεί να συλλάβει οικουμενικά νοήματα[ii].

Για παράδειγμα με ένα Υ.Π. επιχειρούμε να ελέγξουμε, με βάση τη λογική και άξονα την κριτική σκέψη, τη συνοχή και τη συνέπεια μιας θεωρίας όταν έρχεται αντιμέτωπη με επιχειρήματα τα οποία στηρίζονται σε άλλη αντίθετη θεωρία ή πιο απλά επιχειρούμε να ελέγξουμε την αλήθεια ενός νόμου.

Για τη συμβολή του Υ.Π. τόσο στις Φ.Ε. όσο και στη διδασκαλία γεννιούνται ερωτηματικά, τα οποία θα συζητήσουμε στη συνέχεια της εργασίας μας, όπως τα ακόλουθα:

§         Ποια είναι η συνεισφορά του Υ.Π. στη γνώση μας για το φυσικό κόσμο;

§         Ποια είναι τα στοιχεία εκείνα τα οποία το καθιστούν ξεχωριστό τόσο για την επιστήμη όσο και για την εκπαίδευση;

§         Πώς εμείς ως εκπαιδευτικοί μπορούμε να το ενσωματώσουμε σε εκπαιδευτικά περιβάλλοντα ώστε να υποστηρίξουμε την μαθησιακή διαδικασία;

Επιστημολογική προσέγγιση

Σχετικά με την υπόθεση και τη λειτουργία της ο Medawar εκφράζει την εξής άποψη: «Όλες οι πρόοδοι της επιστημονικής κατανόησης, σε όλα τα επίπεδα αρχίζουν με μια θεωρητική περιπέτεια, μια φανταστική εκ των προτέρων σύλληψη του τι θα μπορούσε να είναι αληθινό, μια σύλληψη που πάντοτε πάει λίγο πιο πέρα (μερικές φορές πολύ πιο πέρα) από οτιδήποτε στο οποίο είτε σύμφωνα με τη λογική είτε σύμφωνα με τα γεγονότα νομιμοποιούμαστε να πιστεύουμε. Πρόκειται για την επινόηση ενός πιθανού κόσμου ή ενός μικροσκοπικού κλάσματός του. Η εικασία κατόπιν εκτίθεται σε κριτική, προκειμένου να ανακαλυφθεί εάν αυτός ο κόσμος της φαντασίας μοιάζει κάπως, ή δε μοιάζει με τον πραγματικό. Η επιστημονική λογική είναι επομένως σε όλα τα επίπεδα μια αλληλεπίδραση ανάμεσα σε δυο επεισόδια της σκέψης ένας διάλογος ανάμεσα σε δυο φωνές, μια φανταστική και μια κριτική. Ένας διάλογος, θα μπορούσαμε να πούμε, ανάμεσα στο δυνατό και στο πραγματικό, ανάμεσα στην πρόταση και την απόρριψη, στην εικασία και την κριτική, ανάμεσα σε αυτό που θα μπορούσε να αληθεύει και σε αυτό που ισχύει στην πραγματικότητα»[iii] . Κατά συνέπεια το Υ.Π. ως προσπάθεια ελέγχου του πραγματικού είναι ουσιαστικό στοιχείο της μελέτης του κόσμου.

Έτσι ο φανταστικός κόσμος, ο κόσμος της προσομοιώσης της πραγματικότητας, ο οποίος εμπλέκεται στη διαδικασία σύλληψης, γένεσης και  πραγματοποίησης ενός νοητικού πειράματος εμπεριέχει και τις δύο έννοιες και τη Νόηση και το Πείραμα.

v      Το ένα μέρος «το ΝΟΗΤΙΚΟ» προϋποθέτει τη δημιουργία ενός φανταστικού κόσμου τα συστατικά στοιχεία του οποίου όσο κι αν εμφανίζονται ως μη οικεία εντούτοις βασίζονται ή τεκμαίρονται από άλλα, πολύ πιο γνωστά και οικεία, τα οποία όμως είναι αναδομημένα, ταξινομημένα και διατυπωμένα με τέτοιο τρόπο ώστε να οδηγούν αβίαστα στη νοητική σύλληψη στην οποία θέλει να καταλήξει ή να αποδείξει.

v      Το άλλο μέρος «το ΠΕΙΡΑΜΑ» καθιστά τη νοητική διαδικασία αντικείμενο πειραματισμού, χειρισμού δηλαδή μεταβλητών ώστε να επιτευχθεί αφενός η εσωτερική συνοχή μεταξύ του πειράματος και του υποθετικού κόσμου και αφετέρου η συνειρμική σύνδεση (εξωτερική συνοχή) με τη θεωρία η οποία ελέγχεται[iv].

Κατά τον Reiner[v] οποιοδήποτε υποθετικό πείραμα αποτελείται από 5 συστατικά στοιχεία: ένα φανταστικό κόσμο, ένα γνωστικό εμπόδιο, ένα πρόβλημα (ή μια υπόθεση), ένα πείραμα, ένα αποτέλεσμα και ένα συμπέρασμα.

Η σύγχρονη ψυχολογία υποστηρίζει ότι για την απόκτηση της γνώσης από τους μαθητές είναι απαραίτητη η αλληλεπίδραση μεταξύ της δραστηριότητας και της σκέψης. Έτσι ούτε ο απλός εμπειρισμός αλλά ούτε και ο απλός ρασιοναλισμός είναι σε θέση να δώσουν αληθινή γνώση. Γι αυτό το Υ.Π. που συνδέει το εμπειρικό με το λογικό είναι ουσιαστικό και στη γνωστική διαδικασία κατά τη διδασκαλία των Φυσικών Επιστημών[vi].

Το Υποθετικό Πείραμα στις Φυσικές Επιστήμες και στη Διδασκαλία τους

Τα υποθετικά πειράματα έχουν παίξει σημαντικό ρόλο στην Ιστορία των Φυσικών Επιστημών- μαρτυρία αυτού είναι η χρήση τους από μεγάλους επιστήμονες όπως οι Galileo, Leibniz, Newton, Carnot και στον 20^ο αιώνα από τους Einstein, Schrödinger και Heisenberg.

Ο Galileo μας δίνει ένα μοντέλο υποθετικού πειράματος που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην αίθουσα διδασκαλίας. Αρχίζει με οικείες συνθήκες, τις οποίες εξηγεί με την παλιά θεωρία, στη συνέχεια, επεκτείνει αυτές τις οικείες συνθήκες με τη σκέψη και τέλος ελέγχει αν η παλιά θεωρία είναι επαρκής για τη νέα κατάσταση: αν δεν είναι, προτείνει νέες ιδέες και νέες θεωρίες. Αυτό αποτελεί, επίσης, μοντέλο φιλοσοφικής διερεύνησης, για το οποίο κάποιοι υποστηρίζουν ότι είναι ένα μεγάλο, συνεχές πείραμα σκέψης[vii].

Ο Finke[viii] δηλώνει ότι η φαντασία μεταβαλλόμενη οδηγεί στην κατανόηση και στη γένεση ιδεών και προϊόντων τους (υποθέσεις και θεωρίες) που συντελούν στην επίτευξη κάποιου στόχου.

O Mach υπήρξε ιστορικός και φιλόσοφος των Φυσικών Επιστημών και ήταν ο πρώτος που αναφέρθηκε στη χρήση και αξιοποίηση του υποθετικού πειράματος στην εκπαιδευτική διαδικασία. Έλεγε για τα υποθετικά πειράματα ότι «Το να πειραματίζεται κανείς με τη σκέψη είναι ουσιώδες όχι μόνο για τον επαγγελματία ερευνητή αλλά και για την πνευματική εξέλιξη εν γένει»·όχι μόνο ο μαθητής αλλά και «ο εκπαιδευτικός κερδίζει σημαντικά πράγματα με αυτήν τη μέθοδο» (Mach 1976)[ix]. Με άλλα λόγια τα υποθετικά πειράματα καθιστούν τους εκπαιδευτικούς ικανούς να κατανοήσουν σε ποιο βαθμό καταλαβαίνουν οι μαθητές τους τις θεμελιώδεις αρχές και έννοιες.

Η υποστήριξη των υποθετικών πειραμάτων από τον Mach δε βρήκε πολλούς οπαδούς ανάμεσα στους εκπαιδευτικούς που δίδασκαν το μάθημα των Φυσικών Επιστημών στην εποχή του. Η φαντασία, η διατύπωση υποθέσεων και η δημιουργική ή κριτική σκέψη δεν ήταν χαρακτηριστικά της επιστημονικής παιδαγωγικής του τέλους του δεκάτου ενάτου αιώνα.

Oι νοητικές συλλήψεις θεωρούνται απαραίτητο συστατικό στοιχείο στα ιστορικά υποθετικά πειράματα της Φυσικής. Για παράδειγμα ο Gooding[x] υποστηρίζει ότι τα υποθετικά πειράματα των Φυσικών Επιστημών, όταν αξιοποιούνται στην διδασκαλία, βασίζονται στη διαδικασία οπτικοποίησης από το μαθητή, η οποία οδηγεί στην υιοθέτηση συμπερασμάτων, τα οποία δεν υπακούουν πάντα σε κανόνες λογικής επεξεργασίας και τα οποία δεν είναι πιθανά και αναμενόμενα. Οποιαδήποτε προσπάθεια κατανόησης των φυσικών φαινομένων με την χρήση και αξιοποίηση του υποθετικού πειράματος εξαρτάται από και βασίζεται στις νοητικές δεξιότητες του υποκειμένου.

Το Yποθετικό Πείραμα με τη χρήση της Τεχνολογίας

Όπως στην επιστήμη έτσι και στη διδασκαλία των Φ.Ε. το Υ.Π. μπορεί να έχει ουσιαστική συμβολή. Οι εκπαιδευτικοί που διδάσκουν το μάθημα των Φ.Ε. για να επιτύχουν καλύτερα μαθησιακά αποτελέσματα, σύμφωνα με την σύγχρονη Διδακτική, χρησιμοποιούν διάφορα διδακτικά εργαλεία ή διδακτικές στρατηγικές[xi]. (π.χ. μεταφορές και αναλογίες, ερωτήσεις, επίλυση προβλημάτων, εννοιολογικούς χάρτες, δραματικό παιχνίδι, γνωστική σύγκρουση, προσομοιώσεις στον ηλεκτρονικό υπολογιστή καθώς επίσης και το υποθετικό πείραμα).

Το υποθετικό πείραμα χρησιμοποιείται ως «εργαλείο μάθησης» στη διδασκαλία των Φυσικών Επιστημών γιατί αποτελεί τμήμα της επιστημονικής πρακτικής[xii], γιατί έπαιξε πρωταγωνιστικό ρόλο κατά τη διάρκεια εννοιολογικών αλλαγών στην Ιστορία της Επιστήμης[xiii] και τέλος γιατί αντιμετωπίζεται ως «αυθεντικό» από την επιστημονική κοινότητα[xiv].Ο σημαντικότερος λόγος που μελετούμε την αξιοποίηση του Υ.Π. από τους μαθητές είναι γιατί εντάσσεται στις βασικές διαδικασίες μάθησης, διαδικασίες μέσω των οποίων τα παιδιά χρησιμοποιούν προϋπάρχουσες γνωστικές δομές και με την φαντασία τους, με λογικά συμπεράσματα και δημιουργώντας νοητικούς χάρτες οδηγούνται στην παραγωγή της νέας γνώσης.

Στο σημείο αυτό επισημαίνουμε, ότι κατά την άποψή μας, δε θα πρέπει να γίνεται κατάχρηση του Υ.Π. στην διδασκαλία, ειδικότερα όταν διδάσκουμε μικρούς μαθητές οι οποίοι δεν έχουν φτάσει ακόμη στο επίπεδο της αφαιρετικής σκέψης. Η κατανόηση και η ερμηνεία του Υ.Π. πραγματοποιούνται στον «κόσμο» των συμβόλων, τον «κόσμο» των εννοιών, που είναι ένας «κόσμος» αφηρημένος, γεγονός που εξηγεί γιατί δυσκολεύονται οι μαθητές να κατανοήσουν όχι μόνο το πείραμα, αλλά και την επιστήμη γενικότερα. Ωστόσο η χρήση του υπολογιστή, όπως θα αναφερθούμε αναλυτικότερα παρακάτω, λόγω της εποπτείας την οποία παρέχει μπορεί να βοηθήσει σημαντικά τους μαθητές κάθε ηλικίας, με την προϋπόθεση ότι χρησιμοποιείται σωστά, να δημιουργήσουν αναπαραστάσεις για αφηρημένες έννοιες (π.χ. φορτία, μικρόκοσμος, κ.ά.).

Επιπλέον η χρήση των υπολογιστών και της υποβοηθούμενης από αυτούς διδασκαλίας αποτελεί πλεονέκτημα για τη διεξαγωγή υποθετικών πειραμάτων στις αίθουσες διδασκαλίας. Οι υπολογιστές ξεπερνούν ένα από τα κλασικά προβλήματα που αντιμετωπίζουμε στη συνηθισμένη δουλειά στο εργαστήριο και στα πειράματα των μαθητών (Ηodson[xv] 1993) όπως προβλήματα χρόνου, εξοπλισμού, ασφαλείας και ούτω καθεξής. Οι υπολογιστές αφαιρούν τα πρακτικά εμπόδια κατά την παραγωγή και τον έλεγχο των υποθέσεων και επιτρέπουν την εξαγωγή συμπερασμάτων σε ιδανικές συνθήκες ελέγχου που είναι χαρακτηριστικές των αξιοσημείωτων υποθετικών πειραμάτων (Matthews[xvi] 1994).

Επίσης στα πλαίσια της θεωρίας της εποικοδόμησης της γνώσης η υποβοηθούμενη από τον ηλεκτρονικό υπολογιστή διδασκαλία προάγει μια περισσότερο ανοικτή μαθησιακή διαδικασία, με άλλα λόγια ο υπολογιστής γίνεται εργαλείο έκφρασης και διερεύνησης στα χέρια των μαθητών. Οι μαθητές δε διδάσκονται από τον ηλεκτρονικό υπολογιστή, αλλά μαθαίνουν με τη βοήθειά του (Jonassen 1998)[xvii].

Περιγραφή του εκπαιδευτικού CD - ως μια διδακτική εφαρμογή στο μάθημα των Φυσικών Επιστημών

Σύμφωνα με τις παραπάνω απόψεις σχεδιάσαμε πιλοτικά ένα εκπαιδευτικό CD, το οποίο με τη βοήθεια του ηλεκτρονικού υπολογιστή, σε ένα εποικοδομητικό πλαίσιο διδασκαλίας και μάθησης, αποπειράται να βοηθήσει τους μαθητές των δυο τελευταίων τάξεων του Δημοτικού Σχολείου να κατανοήσουν την κίνηση των πλανητών παρακολουθώντας παράλληλα, μέσω ειδικά σχεδιασμένων φύλλων εργασίας που υπάρχουν, επίσης στο CD (αν θέλει μπορεί ο μαθητής να τα τυπώσει και να εργάζεται σε αυτά παρακολουθώντας κατάλληλα διαμορφωμένες δραστηριότητες από την οθόνη του υπολογιστή του), την ιστορία της επιστημονικής εξέλιξης της γνώσης, είτε με υποθετικά πειράματα, είτε με επιστημονικές ανακαλύψεις, είτε μέσω μιας τυχαίας παρατήρησης (όπως η πτώση ενός μήλου στην περίπτωση του Νεύτωνα).

Το υποθετικό πείραμα στην εκπαιδευτική διαδικασία απευθύνεται κυρίως σε εκπαιδευτικούς και μαθητές. Περιλαμβάνει «Φύλλο εργασίας» για το μαθητή με δραστηριότητες (όπως προσομοιώσεις στον Ηλεκτρονικό Υπολογιστή, χρήσιμες διευθύνσεις στο διαδίκτυο, animation, βίντεο, κ.ά.) καθώς επίσης και «Οδηγίες για το δάσκαλο» σε περίπτωση που θα επιθυμούσαν κάποιοι εκπαιδευτικοί να το αξιοποιήσουν διδακτικά μέσα στην αίθουσα διδασκαλίας με τους μαθητές τους (διδασκαλία υποβοηθούμενη από τον Ηλεκτρονικό Υπολογιστή).

Ξεκινώντας τη διδακτική μας πρόταση από το ερώτημα «Έχει σχέση η πτώση ενός μήλου στη Γη με την κίνηση ενός δορυφόρου γύρω από τη Γη;» δομήσαμε Φύλλο Εργασίας με μια σειρά δραστηριοτήτων έτσι ώστε μέσα από μια κλιμακωτή διαδικασία ο μαθητής να μπορεί να οδηγηθεί στο συμπέρασμα ότι αιτία της κίνησης των πλανητών ή γενικότερα της έλξης και περιστροφής των ουρανίων σωμάτων όπως και της πτώσης του μήλου στη Γη είναι η βαρύτητα. Υποστηρίζουμε, στηριζόμενοι στην σύγχρονη έρευνα και στη διεθνή βιβλιογραφία[xviii], ότι επειδή η βαρύτητα ως έννοια αφηρημένη είναι δυσνόητη για τους μαθητές γι αυτό είναι πολύτιμη για την προσέγγισή της η συμβολή του Ηλεκτρονικού Υπολογιστή ως διδακτικού εργαλείου.

Το Υ.Π. που αξιοποιήσαμε, ένα από τα πιο γνωστά στην Ιστορία της Επιστήμης, διατυπώθηκε από το Νεύτωνα και αφορά στην εκτόξευση βλημάτων από ένα τεράστιο κανόνι με διαφορετικές ταχύτητες. Σ’ αυτό βασίστηκε και απέδειξε ο γνωστός επιστήμονας την κίνηση των πλανητών και των δορυφόρων τους. Το συγκεκριμένο Υ.Π. αφενός είναι από τα πιο απλά ιστορικά υποθετικά πειράματα για να διδαχθεί σε μαθητές των τελευταίων τάξεων του Δημοτικού Σχολείου αφετέρου μπορεί να προσομοιωθεί μέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή δίνοντας τη δυνατότητα στους μαθητές να παρακολουθήσουν στην οθόνη που έχουν μπροστά τους την εκτόξευση του βλήματος με διαφορετικές αρχικές ταχύτητες καθώς επίσης και τις διαφορετικές τροχιές που αυτό διαγράφει.

Το CD δοκιμάστηκε πιλοτικά σε εκπαιδευτικούς της πράξης στα πλαίσια της μετεκπαίδευσής στους στο Μαράσλειο Διδασκαλείο Δημοτικής Εκπαίδευσης και σε φοιτητές του Παιδαγωγικού Τμήματος Δημοτικής Εκπαίδευσης στο Εργαστήριο της Διδακτικής των Φυσικών Επιστημών με υπεύθυνο τον καθηγητή Παναγιώτη Κόκκοτα και η ανατροφοδότηση που πήραμε ήταν θετική για τη συνέχιση της έρευνάς μας η οποία βρίσκεται σε εξέλιξη.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ