7. Inquiry-based learning labs: όταν το σχολικό εργαστήριο γίνεται χώρος διερεύνησης και όχι... μαγειρικής

Το εργαστήριο Φυσικών Επιστημών αποτελεί έναν από τους πιο σημαντικούς χώρους μάθησης στο σχολείο. Μέσα από το πείραμα οι μαθητές παρατηρούν φαινόμενα, χειρίζονται όργανα, πραγματοποιούν μετρήσεις και συνδέουν τη θεωρία με την πράξη. Ο πειραματισμός άλλωστε θεωρείται βασικό συστατικό της Φυσικής και της διδασκαλίας της (Wilcox & Lewandowski, 2018). Ωστόσο, το κρίσιμο ερώτημα δεν είναι μόνο αν οι μαθητές κάνουν πειράματα, αλλά με ποιον τρόπο συμμετέχουν σε αυτά.

Ένα εργαστήριο μπορεί να περιορίζεται στην εκτέλεση οδηγιών, αλλά μπορεί και να μετατραπεί σε μια αυθεντική διαδικασία διερεύνησης. Σε αυτή τη δεύτερη περίπτωση, οι μαθητές δεν ακολουθούν απλώς μια «συνταγή». Διατυπώνουν ερωτήματα, κάνουν υποθέσεις, σχεδιάζουν διαδικασίες, συλλέγουν δεδομένα, ερμηνεύουν αποτελέσματα και καταλήγουν σε συμπεράσματα. Αυτή είναι η βασική λογική των Inquiry-based learning labs, δηλαδή των εργαστηρίων που βασίζονται στη διερευνητική μάθηση.

Από το εργαστήριο «βιβλίο μαγειρικής» στο εργαστήριο διερεύνησης

Ο Domin (1999) διακρίνει τέσσερις βασικές προσεγγίσεις της εργαστηριακής εργασίας: την παραδοσιακή, την ανακαλυπτική, την επίλυση προβλήματος και τη διερευνητική προσέγγιση. Στην παραδοσιακή εργαστηριακή διδασκαλία το αποτέλεσμα είναι συνήθως προκαθορισμένο και η διαδικασία δίνεται στους μαθητές βήμα προς βήμα. Αντίθετα, στη διερευνητική προσέγγιση το αποτέλεσμα δεν είναι δεδομένο και η διαδικασία διαμορφώνεται, σε μεγάλο βαθμό, από τους ίδιους τους μαθητές.

Στη διεθνή βιβλιογραφία γίνεται συχνά λόγος για τα παραδοσιακά εργαστήρια τύπου cookbook. Πρόκειται για εργαστηριακές δραστηριότητες στις οποίες οι μαθητές ακολουθούν οδηγίες, με προκαθορισμένη διαδικασία και αναμενόμενο αποτέλεσμα. Αυτή η μορφή εργαστηρίου δεν είναι άχρηστη. Αντίθετα, μπορεί να βοηθήσει τους μαθητές να εξοικειωθούν με όργανα, να μάθουν να πραγματοποιούν μετρήσεις και να κατανοήσουν τη σημασία της ακρίβειας.

Ωστόσο, δεν αρκεί για να κατανοήσουν οι μαθητές την πραγματική φύση της επιστημονικής εργασίας. Η επιστήμη δεν προχωρά με έτοιμες οδηγίες και γνωστά αποτελέσματα. Προχωρά μέσα από ερωτήματα, δοκιμές, αβεβαιότητα, λάθη, διορθώσεις και τεκμηριωμένες ερμηνείες. Επιπλέον, η εργαστηριακή εργασία δεν οδηγεί αυτόματα σε εννοιολογική κατανόηση, καθώς οι τεχνικές δυσκολίες και η πολυπλοκότητα της διαδικασίας μπορεί να αποσπάσουν την προσοχή των μαθητών από τις ίδιες τις έννοιες (Séré, 2002· Eckerdal, 2015).

Τι αλλάζει στα Inquiry-based learning labs;

Στα εργαστήρια διερευνητικού τύπου οι μαθητές δεν περιορίζονται στο να εκτελέσουν ένα πείραμα. Συμμετέχουν περισσότερο στον σχεδιασμό και στην ερμηνεία του. Αντί να ρωτούν μόνο «τι κάνουμε τώρα;», καλούνται να σκεφτούν:

• Ποιο ερώτημα θέλουμε να διερευνήσουμε;
• Ποια υπόθεση μπορούμε να διατυπώσουμε;
• Ποια μεταβλητή θα αλλάξουμε;
• Τι πρέπει να κρατήσουμε σταθερό;
• Τι δείχνουν τα δεδομένα μας;
• Επιβεβαιώνεται ή όχι η αρχική μας υπόθεση;

Αυτή η μετατόπιση είναι ουσιαστική. Οι μαθητές δεν μαθαίνουν μόνο το περιεχόμενο της Φυσικής, αλλά ασκούνται και στον τρόπο με τον οποίο παράγεται η επιστημονική γνώση. Η διερευνητική μάθηση δίνει έμφαση στη διατύπωση ερωτημάτων, στη δημιουργία και στον έλεγχο υποθέσεων, στον σχεδιασμό δραστηριοτήτων και στην εξαγωγή συμπερασμάτων με βάση τα δεδομένα (Liu et al., 2021· Tijani et al., 2021· Yuliati et al., 2018).

Η σημασία του σχεδιασμού πειράματος

Ένα από τα πιο σημαντικά στοιχεία των IB Labs είναι ο σχεδιασμός του πειράματος. Ο σχεδιασμός δεν είναι απλώς ένα προκαταρκτικό στάδιο πριν από την «κανονική» εργαστηριακή εργασία. Είναι κεντρικό στοιχείο της επιστημονικής μεθόδου.

Οι μαθητές χρειάζεται να μάθουν να προσδιορίζουν το πρόβλημα, να διατυπώνουν υπόθεση, να αναγνωρίζουν ανεξάρτητες και εξαρτημένες μεταβλητές, να ελέγχουν ποιες συνθήκες πρέπει να παραμείνουν σταθερές και να αποφασίζουν ποιες μετρήσεις θα πραγματοποιήσουν. Η ικανότητα σχεδιασμού πειραμάτων θεωρείται ιδιαίτερα σημαντική, καθώς συνδέεται όχι μόνο με το περιεχόμενο που μελετάται, αλλά και με την κατανόηση της επιστημονικής μεθοδολογίας (Garratt & Tomlinson, 2001· Lefkos et al., 2011).

Για παράδειγμα, σε μια δραστηριότητα για την τριβή, αντί να δοθεί απλώς μια έτοιμη διαδικασία, ο εκπαιδευτικός μπορεί να ξεκινήσει από το ερώτημα: «Από ποιους παράγοντες εξαρτάται η δύναμη της τριβής;». Οι μαθητές μπορούν να προτείνουν πιθανούς παράγοντες, όπως το βάρος του σώματος, το είδος των επιφανειών ή το εμβαδόν επαφής, και στη συνέχεια να σχεδιάσουν πώς θα ελέγξουν κάθε παράγοντα χωριστά. Έτσι, ο έλεγχος μεταβλητών μετατρέπεται από θεωρητική έννοια σε πραγματική πρακτική διερεύνησης.

Ο ρόλος του εκπαιδευτικού

Στα IB Labs ο εκπαιδευτικός δεν εξαφανίζεται από τη διαδικασία. Αντίθετα, ο ρόλος του γίνεται ακόμη πιο σημαντικός. Δεν δίνει απλώς οδηγίες, αλλά καθοδηγεί τη σκέψη των μαθητών. Θέτει ερωτήματα, βοηθά στη διατύπωση υποθέσεων, ενθαρρύνει τον έλεγχο μεταβλητών, στηρίζει την ερμηνεία των δεδομένων και βοηθά τους μαθητές να συνδέσουν τα αποτελέσματα με τις φυσικές έννοιες.

Ο εκπαιδευτικός λειτουργεί περισσότερο ως συντονιστής μιας μικρής ερευνητικής διαδικασίας ή ως ένας «διευθυντής ερευνών» στο σχολικό περιβάλλον (Carriazo, 2011). Προσφέρει όση καθοδήγηση χρειάζεται, χωρίς να αφαιρεί από τους μαθητές την ευθύνη της διερεύνησης. Αυτό είναι ίσως το πιο δύσκολο σημείο: να υπάρχει ελευθερία, αλλά όχι χάος· καθοδήγηση, αλλά όχι έτοιμη λύση.

Τι μπορεί να κάνει πρακτικά ο εκπαιδευτικός;

Η μετάβαση από ένα παραδοσιακό εργαστήριο σε ένα διερευνητικό δεν χρειάζεται να γίνει απότομα. Αρκούν μικρές αλλά ουσιαστικές αλλαγές στον σχεδιασμό των δραστηριοτήτων.

Ο εκπαιδευτικός μπορεί, για παράδειγμα:

• να ξεκινά το εργαστήριο με ένα ερώτημα αντί με οδηγίες,
• να ζητά από τους μαθητές να κάνουν πρόβλεψη πριν από τη μέτρηση,
• να αφήνει τους μαθητές να προτείνουν μέρος της διαδικασίας,
• να τους ζητά να αναγνωρίσουν τις μεταβλητές,
• να συζητά μαζί τους τα πιθανά σφάλματα,
• να αξιοποιεί τα «μη αναμενόμενα» αποτελέσματα ως αφορμή για σκέψη,
• να αφιερώνει χρόνο στη συζήτηση των συμπερασμάτων.

Έτσι, ακόμη και ένα απλό πείραμα μπορεί να αποκτήσει διερευνητικό χαρακτήρα. Δεν απαιτείται πάντα ακριβός εξοπλισμός ή πολύπλοκη οργάνωση. Απαιτείται κυρίως διαφορετική παιδαγωγική στόχευση. Τα IB Labs συνδυάζουν την ακρίβεια και τη δεξιοτεχνία του παραδοσιακού εργαστηρίου με την αβεβαιότητα, τον ενθουσιασμό και τη δημιουργικότητα της διερευνητικής μάθησης (Green et al., 2004).

Παράδειγμα μετατροπής μιας απλής δραστηριότητας

Σε ένα παραδοσιακό εργαστήριο για τον νόμο του Hooke, οι μαθητές μπορεί να πάρουν έτοιμες οδηγίες: να κρεμάσουν βάρη, να μετρήσουν την επιμήκυνση του ελατηρίου, να συμπληρώσουν πίνακα τιμών και να κατασκευάσουν γράφημα.

Σε μια διερευνητική εκδοχή, η δραστηριότητα μπορεί να ξεκινήσει διαφορετικά:

«Πώς μπορούμε να διερευνήσουμε αν η επιμήκυνση ενός ελατηρίου εξαρτάται από τη δύναμη που του ασκείται;»

Οι μαθητές καλούνται να κάνουν πρόβλεψη, να αποφασίσουν ποιες μετρήσεις θα πάρουν, να οργανώσουν τα δεδομένα τους και να συζητήσουν αν η σχέση που προκύπτει είναι γραμμική. Το ίδιο πείραμα αποκτά έτσι διαφορετικό μαθησιακό βάθος.

Οι δυσκολίες δεν είναι αποτυχία

Η διερευνητική εργαστηριακή διδασκαλία δεν είναι πάντα εύκολη. Οι μαθητές μπορεί να δυσκολευτούν να σχεδιάσουν πείραμα, να ελέγξουν μεταβλητές ή να ερμηνεύσουν σωστά τα δεδομένα. Μπορεί επίσης να προσπαθούν να επιβεβαιώσουν την αρχική τους υπόθεση, ακόμη και όταν τα αποτελέσματα δείχνουν κάτι διαφορετικό. Η τάση αυτή, γνωστή ως προκατάληψη επιβεβαίωσης, αποτελεί συχνή δυσκολία στη διερευνητική μάθηση (de Jong & van Joolingen, 1998).

Αυτές οι δυσκολίες δεν πρέπει να θεωρούνται αποτυχία της διαδικασίας. Αντίθετα, αποτελούν σημαντικές ευκαιρίες μάθησης. Εκεί ακριβώς χρειάζεται η καθοδήγηση του εκπαιδευτικού: για να βοηθήσει τους μαθητές να καταλάβουν ότι στην επιστήμη τα δεδομένα δεν υπάρχουν για να επιβεβαιώνουν πάντα αυτό που πιστεύουμε, αλλά για να ελέγχουν τις ιδέες μας.

Η συμβολή της ψηφιακής τεχνολογίας

Οι ψηφιακές τεχνολογίες μπορούν να ενισχύσουν σημαντικά τα IB Labs. Αισθητήρες, προσομοιώσεις, λογισμικά συλλογής δεδομένων και πολλαπλές αναπαραστάσεις μπορούν να βοηθήσουν τους μαθητές να παρατηρήσουν καλύτερα ένα φαινόμενο, να δουν άμεσα γραφήματα, να συγκρίνουν δεδομένα και να διερευνήσουν διαφορετικές παραμέτρους. Έρευνες έχουν δείξει ότι η αξιοποίηση της ψηφιακής τεχνολογίας μπορεί να υποστηρίξει τη διερευνητική μάθηση, προσφέροντας ρεαλισμό, οπτικοποίηση και πολλαπλές αναπαραστάσεις φυσικών φαινομένων (Zacharia, 2005· Derting & Cox, 2008· Hsu, 2008).

Η τεχνολογία, όμως, δεν αρκεί από μόνη της. Δεν κάνει ένα εργαστήριο διερευνητικό απλώς επειδή χρησιμοποιείται ένας αισθητήρας ή μια προσομοίωση. Το κρίσιμο στοιχείο παραμένει το παιδαγωγικό πλαίσιο: το ερώτημα, η υπόθεση, ο σχεδιασμός, ο έλεγχος, η ερμηνεία και ο αναστοχασμός.

Συμπέρασμα

Τα Inquiry-based learning labs μετατρέπουν το σχολικό εργαστήριο από χώρο απλής εκτέλεσης οδηγιών σε χώρο σκέψης και επιστημονικής διερεύνησης. Οι μαθητές δεν περιορίζονται στο να «κάνουν πείραμα», αλλά καλούνται να σκεφτούν όπως οι επιστήμονες: να θέσουν ερωτήματα, να ελέγξουν υποθέσεις, να αναλύσουν δεδομένα και να τεκμηριώσουν συμπεράσματα.

Για τον εκπαιδευτικό, η πρόκληση δεν είναι να καταργήσει κάθε μορφή καθοδήγησης, αλλά να δημιουργήσει περισσότερες ευκαιρίες για ενεργό συμμετοχή των μαθητών στη διερευνητική διαδικασία. Ακόμη και μικρές αλλαγές στον τρόπο που οργανώνεται ένα εργαστήριο μπορούν να κάνουν μεγάλη διαφορά.

Το ζητούμενο, τελικά, δεν είναι μόνο να δουν οι μαθητές τη Φυσική να «επαληθεύεται» μπροστά τους. Είναι να βιώσουν, έστω σε σχολική κλίμακα, πώς οικοδομείται η επιστημονική γνώση.

 

Πηγή

Κουσλόγλου, Εμμανουήλ Α. (2024). Διερευνητική μάθηση στη Φυσική με τη χρήση ψηφιακών φορητών συσκευών. Διδακτορική διατριβή, Τμήμα Φυσικής, Σχολή Θετικών Επιστημών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης. 

https://www.didaktorika.gr/eadd/handle/10442/57079 

 

Ενδεικτική βιβλιογραφία

Carriazo, J. G. (2011). Laboratory projects using inquiry-based learning: an application to a practical inorganic course. Química Nova, 34, 1085-1088. https://doi.org/10.1590/S010040422011000600029  

Domin, D. S. (1999). A review of laboratory instruction styles. Journal of chemical education, 76(4), 543. https://doi.org/10.1021/ed076p543  Doorn, J. v., Bergh, D. v. d., Böhm, U., Dablander, F., Derks, K., Draws, T., … & Wagenmakers, E.

Eckerdal, A. (2015). Relating theory and practice in laboratory work: A variation theoretical study. Studies in Higher Education, 40(5), 867-880. https://doi.org/10.1080/03075079.2013.857652  

Garratt, J., & Tomlinson, J. (2001). Experimental design–can it be taught or learned. University Chemistry Education, 5, 74-79.

Green, W. J., Elliott, C., & Hays Cummins, R. (2004). " Prompted" inquiry-based learning in the introductory chemistry laboratory. Journal of Chemical Education, 81(2), 239.

Lefkos, I., Psillos, D., & Hatzikraniotis, E. (2021). LINKING THEORY TO PRACTICE IN INQUIRYBASED VIRTUAL LABORATORY ACTIVITIES. Part 4/Strand 4 Digital Resources for Science Teaching and Learning, 297, 272.

Liu, C., Zowghi, D., Kearney, M., & Bano, M. (2021). Inquiry‐based mobile learning in secondary school science education: A systematic review. Journal of Computer Assisted Learning, 37(1), 1-23. https://doi.org/10.1111/jcal.12505   

Tijani, B., Madu, N., Falade, T., Dele-Ajayi, O. (2021). Teacher Training during COVID-19: A Case Study of the Virtual STEM Project in Africa. In Proceedings of the 2021 IEEE Global Engineering Education Conference (EDUCON), Online, 21 April 2021; pp. 226–234. https://doi.org/10.1109/educon46332.2021.9453920  

Wilcox, B. R., & Lewandowski, H. J. (2018). A summary of research-based assessment of students' beliefs about the nature of experimental physics. American Journal of Physics, 86(3), 212-219. https://doi.org/10.1119/1.5009241  

Yuliati, L., Parno, P., Hapsari, A. A., Nurhidayah, F., & Halim, L. (2018). Building Scientific Literacy and Physics Problem Solving Skills through Inquiry-Based Learning for STEM Education. Journal          of         Physics:             Conference Series,      1108(1) https://doi.org/10.1088/17426596/1108/1/012026  

Zacharia, Z. C. (2005). The impact of interactive computer simulations on the nature and quality of postgraduate science teachers’ explanations in physics. International Journal of Science Education, 27(14), 1741-1767.  https://doi.org/10.1080/09500690500239664