BSc Physics, MSc Computer Science

Email: vlamaki.g@gmail.com

Περίληψη

Η Τεχνητή Νοημοσύνη έχει πλέον «εισβάλλει» και στον τομέα της εκπαίδευσης, αναμορφώνοντας τον τρόπο με τον οποίο διδάσκονται και μαθαίνουν οι μαθητές. Το παρόν άρθρο πραγματεύεται τη θετική επίδραση της Τεχνητής Νοημοσύνης στην εκπαίδευση, επισημαίνοντας την εξατομίκευση της μάθησης, τη βελτιστοποίηση της διδασκαλίας ενώ επισημαίνονται και οι προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν. Είναι γεγονός πως η τεχνητή νοημοσύνη ανοίγει νέες προοπτικές, διαμορφώνοντας ένα πιο αποτελεσματικό, εξατομικευμένο και προηγμένο εκπαιδευτικό σύστημα.

Λέξεις κλειδιά: Τεχνητή Nοημοσύνη, εκπαίδευση.

Εισαγωγή

Η ταχεία ανάπτυξη και εφαρμογή της τεχνητής νοημοσύνης έχει ήδη επηρεάσει και πρόκειται να επηρεάσει ακόμη περισσότερο στο μέλλον τον τρόπο με τον οποίο διδάσκονται οι μαθητές. Άλλωστε η τεχνητή νοημοσύνη κρίνεται ως ένας σημαντικός παράγοντας προόδου και εξέλιξης στον κόσμο της εκπαίδευσης. Παρακάτω αναλύεται ο τρόπος ενίσχυσης της μάθησης μέσω της τεχνητής νοημοσύνης, η βελτιστοποίηση της διδασκαλίας που επιτυγχάνεται αλλά και οι προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν προκειμένου να αξιοποιηθούν οι θετικές επιδράσεις της τεχνολογίας στην εκπαίδευση. Τέλος, εξάγονται συμπεράσματα και διαπιστώσεις σχετικά με τη χρήση της τεχνητής νοημοσύνης στην Ελλάδα και σε άλλες χώρες, ενώ τονίζεται ο σημαντικός ρόλος του εκπαιδευτικού που σε καμία περίπτωση δεν πρέπει να παραγκωνιστεί.

Ενίσχυση της Μάθησης με την Τεχνητή Νοημοσύνη

Η τεχνητή νοημοσύνη προσφέρει μια πολύτιμη ευκαιρία για τη βελτίωση της διαδικασίας της μάθησης. Μέσω προηγμένων αλγορίθμων και μηχανικής μάθησης, μπορεί να προσαρμόσει την εκπαίδευση στις ανάγκες και τις ικανότητες κάθε μαθητή. Η προσαρμοστική μάθηση, όπου ο ρυθμός και ο τρόπος μάθησης προσαρμόζονται ατομικά, είναι ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα που προσφέρει. Αυτές οι πλατφόρμες χρησιμοποιούν αλγορίθμους τεχνητής νοημοσύνης για να αναλύουν τα δεδομένα των μαθητών και να προσαρμόζουν τη διδασκαλία με βάση τις ατομικές ανάγκες τους.

Ένα άλλο κρίσιμο στοιχείο είναι η προσφορά εξατομικευμένων μαθησιακών περιβαλλόντων με τη χρήση διαδραστικών εκπαιδευτικών παιχνιδιών και εφαρμογών που προάγουν την καλύτερη κατανόηση των μαθημάτων και διευκολύνουν τη μελέτη. Επιπρόσθετα, η τεχνητή νοημοσύνη μπορεί να διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στην αναγνώριση των δυνατοτήτων και των αδυναμιών του κάθε μαθητή, επιτρέποντας τη δημιουργία εξατομικευμένων σχεδίων μάθησης. Καθώς η τεχνητή νοημοσύνη εξελίσσεται, μπορεί να είναι δυνατό για ένα μηχάνημα να διαβάσει ακόμη και την έκφραση του προσώπου ενός μαθητή που δείχνει ότι δεν κατανοεί ένα θέμα και να τροποποιήσει το μάθημα κατά τέτοιον τρόπο, ώστε να ανταποκρίνεται στις ανάγκες του συγκεκριμένου μαθητή, εξατομικευμένα.

Επιπλέον, υπόσχεται την προώθηση της εκπαίδευσης χωρίς αποκλεισμούς. Οι τεχνολογίες που υποστηρίζονται από την τεχνητή νοημοσύνη μπορούν να δώσουν τη δυνατότητα στους μαθητές με ειδικές ανάγκες να ξεπεράσουν τα εμπόδια και να συμμετάσχουν ενεργά στη μαθησιακή διαδικασία. Ένα παράδειγμα αποτελεί ένας μαθητής με προβλήματα όρασης, ο οποίος χρησιμοποιεί ένα εξειδικευμένο σύστημα τεχνητής νοημοσύνης που μετατρέπει το κείμενο σε ήχο, επιτρέποντάς του να έχει πρόσβαση σε εκπαιδευτικό περιεχόμενο χωρίς κόπο. Αξιοποιώντας τις τεχνολογίες αυτές, τα σχολεία μπορούν να δημιουργήσουν ένα περιβάλλον χωρίς αποκλεισμούς, καταρρίπτοντας τα εμπόδια και δίνοντας τη δυνατότητα σε όλους τους μαθητές να συμμετέχουν πλήρως στην εκπαιδευτική διαδρομή.

Βελτιστοποίηση της Διδασκαλίας με την Τεχνητή Νοημοσύνη

Η τεχνητή νοημοσύνη δεν αφορά μόνο τη βελτίωση της μάθησης, αλλά και την ενίσχυση της διδασκαλίας. Οι εκπαιδευτικοί μπορούν να αξιοποιήσουν την τεχνολογία αυτή για να προσαρμόσουν τις μεθόδους διδασκαλίας στις ανάγκες των μαθητών και να παρέχουν πιο αποτελεσματική και εξατομικευμένη εκπαίδευση.

Οι εκπαιδευτικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν τέτοια συστήματα για την αξιολόγηση της προόδου των μαθητών, την πρόβλεψη των δυσκολιών που μπορεί να αντιμετωπίσει κάθε μαθητής και την προσαρμογή του περιεχομένου και των μεθόδων διδασκαλίας. Τα ευφυή συστήματα μπορούν να αναλύουν τεράστιες ποσότητες δεδομένων και να παρέχουν άμεση ανατροφοδότηση, καθιστώντας την αξιολόγηση πιο αποτελεσματική και επιτρέποντας στους εκπαιδευτικούς να παρακολουθούν αποτελεσματικά την πρόοδο.

Το Chatbot είναι ένα λογισμικό εργαλείο που διαδραματίζει ρόλο ψηφιακού βοηθού, αλληλεπιδρώντας με τους χρήστες σε συγκεκριμένα θέματα. Η αλληλεπίδραση αυτή πραγματοποιείται φυσικά μέσω συνομιλίας, χρησιμοποιώντας κείμενο ή φωνή. Μπορεί να παρέχει πληροφορίες, να απαντάει σε ερωτήσεις, να συζητάει για συγκεκριμένα θέματα ή να εκτελεί κάποια εργασία. Τα Chatbot χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορους τομείς όπως το μάρκετινγκ, η εξυπηρέτηση πελατών, η τεχνική υποστήριξη, η εκπαίδευση και η κατάρτιση. Διακρίνονται δομικά σε δύο κατηγορίες. Στη μία κατηγορία βρίσκονται τα Chatbot που βασίζονται σε απλούς κανόνες προγραμματισμού και χρησιμοποιούν δηλώσεις if-else για να ανταποκριθούν σε ερωτήσεις και να παρέχουν απαντήσεις. Ωστόσο, με την πρόοδο της Τεχνητής Νοημοσύνης, οι ερευνητές άρχισαν να εφαρμόζουν τη μηχανική μάθηση και την τεχνολογία φυσικής γλώσσας στη δημιουργία Chatbot. Σε αυτή την κατηγορία συγκαταλέγονται γνωστά Chatbot όπως το Siri της Apple, το Alexa της Amazon, το Cortana της Microsoft και το Assistant της Google. Λειτουργούν ως ψηφιακοί βοηθοί και μπορούν να διαχειρίζονται καθημερινές εργασίες, όπως τη διαχείριση της ηλεκτρονικής αλληλογραφίας. Η εφαρμογή τους στον τομέα της εκπαίδευσης αποτελεί θέμα έρευνας, καθώς πολλοί πιστεύουν ότι οι νέες τεχνολογίες μπορούν να επιτρέψουν στα Chatbot να λειτουργήσουν ως έξυπνοι βοηθοί διδασκαλίας στο μέλλον (Zimmerman, 2018)

Προκλήσεις και Προοπτικές

Οι τεχνολογίες AI εξακολουθούν να εξελίσσονται με ταχείς ρυθμούς και είναι πιθανό

να έχουν βαθύτατο αντίκτυπο στην εκπαίδευση και την έρευνα, που δεν έχουν ακόμη κατανοηθεί πλήρως. Ως εκ τούτου, οι δυνητικές μακροπρόθεσμες επιπτώσεις στην εκπαίδευση και έρευνα χρειάζονται άμεση προσοχή και περαιτέρω εμβάθυνση επανεξέταση (UNESCO, 2023).

Παρά τα πλεονεκτήματα της Τεχνητής Νοημοσύνης στην εκπαίδευση, υπάρχουν και προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν. Μερικές από αυτές περιλαμβάνουν την ανάγκη για επαρκή προστασία των προσωπικών δεδομένων των μαθητών. Είναι σημαντικό να εξεταστούν και να αντιμετωπιστούν αυτά τα ηθικά ζητήματα για να εξασφαλιστεί η δίκαιη και ηθική χρήση της στην εκπαίδευση.

Την εξάλειψη των ανισοτήτων πρόσβασης στην τεχνολογία, η πρόσβαση στις εφαρμογές τεχνητής νοημοσύνης στον τομέα της εκπαίδευσης γίνεται μέσω διαδικτυακών πλατφορμών, όπου το κυρίαρχο μέσο αλληλεπίδρασης είναι οι υπολογιστικές συσκευές. Επομένως, η απαραίτητη προϋπόθεση για τη χρήση αυτών των εφαρμογών είναι η επαρκής πρόσβαση στο Διαδίκτυο και η κατοχή ψηφιακών συσκευών. Σε περιοχές όπου οι κοινωνικοοικονομικές συνθήκες ή η έλλειψη υποδομών περιορίζουν την πρόσβαση σε συσκευές και το Διαδίκτυο, υπάρχει ο κίνδυνος να χαθούν τα οφέλη που προκύπτουν από την ενσωμάτωση της τεχνητής νοημοσύνης στην εκπαίδευση.

Η ανθρώπινη σύνδεση μπορεί να τεθεί σε κίνδυνο, διότι θα μειώνεται η ανθρώπινη αλληλεπίδραση στην εκπαίδευση με αποτέλεσμα να αποξενωθεί η έννοια της διδασκαλίας όπως τη γνωρίζουμε (UNESCO, 2023).

Η ανάπτυξη των τεχνολογιών αυτών μπορεί να σταθεί τροχοπέδη στην αυτονομία και τη σκέψη των μαθητών αφού παρέχει έτοιμες και προκαθορισμένες λύσεις. Επομένως να μην μπορούν οι ίδιοι οι μαθητές να σκεφτούν και να τεκμηριώσουν τις απόψεις και τις γνώσεις τους (UNESCO, 2023).

Η αποτελεσματική ενσωμάτωση της τεχνητής νοημοσύνης στην εκπαίδευση απαιτεί εκπαιδευτικούς που να είναι εξοικειωμένοι με την τεχνολογία και τις δυνατότητές της. Αυτό απαιτεί περαιτέρω εκπαίδευση και ενημέρωση για τους εκπαιδευτικούς. Τέλος, η ανάπτυξη προηγμένων τεχνολογιών απαιτεί σημαντικούς πόρους που χρειάζονται για να επιτευχθεί το επιθυμητό αποτέλεσμα.

Πολλές τεχνολογίες AI μπορεί να αναλάβουν τη διδασκαλία (παρέχουν εξατομικευμένες και προσαρμοσμένες μαθησιακές δραστηριότητες καλύτερα από τους εκπαιδευτικούς), ή τουλάχιστον μειώνουν τους εκπαιδευτικούς σε έναν λειτουργικό ρόλο. Παρ’ όλα αυτά, είναι κρίσιμο ότι δεν φαίνεται ένα μέλλον στο οποίο το AI θα αντικαταστήσει τους εκπαιδευτικούς. Αυτό που φαίνεται είναι ένα μέλλον στο οποίο ο ρόλος του δασκάλου συνεχίζει να εξελίσσεται και τελικά μετασχηματίζεται σε ένα ρόλο όπου ο χρόνος του χρησιμοποιείται αποτελεσματικότερα και αποδοτικότερα, και όπου η τεχνογνωσία τους αξιοποιείται καλύτερα και ενισχύεται. Η διδασκαλία περιλαμβάνει περισσότερα από την παροχή γνώσεων, είναι μια θεμελιωδώς κοινωνική διαδικασία. Από αυτή την άποψη, βασικός ρόλος της Τεχνητής Νοημοσύνης είναι η υποστήριξη των εκπαιδευτικών στη διδασκαλία και την υποστήριξη των μαθητών (Wayne, Maya, & Charles, 2019).

Συμπεράσματα

Σκοπός οποιασδήποτε τεχνολογικής καινοτομίας στην εκπαίδευση είναι να μεταμορφώσει την ποιότητα της εκπαιδευτικής διαδικασίας. Τα τελευταία χρόνια η ραγδαία εξέλιξη της Τεχνητής

Νοημοσύνης συμβάλει στη δημιουργία εκπαιδευτικών εφαρμογών που έχουν ως στόχο οι εκπαιδευόμενοι να μαθαίνουν πιο αποτελεσματικά, να κατανοούν τις έννοιες και τα πεδία εφαρμογής τους με τις νέες εκπαιδευτικές μεθόδους.

Ήδη υπάρχουν χώρες όπως η Αυστραλία, η Κίνα, η Εσθονία, η Γαλλία, η Σιγκαπούρη, η Νότια Κορέα, οι ΗΠΑ που ηγούνται στην ανάπτυξη, εξέλιξη και ενσωμάτωση εφαρμογών Τεχνητής Νοημοσύνης στην εκπαίδευση. Τα συστήματα Τεχνητής Νοημοσύνης αναμένεται να αλλάξουν τη μορφή της εκπαιδευτικής διαδικασίας σε μερικές δεκαετίες.

Στο ελληνικό εκπαιδευτικό σύστημα, οι εφαρμογές Τεχνητής Νοημοσύνης δεν έχουν ακόμα ενσωματωθεί στην εκπαιδευτική διαδικασία. Η εισαγωγή της εκπαιδευτικής ρομποτικής στο πρόγραμμα σπουδών Νηπιαγωγείων, Δημοτικών και Γυμνασίων ενδεχομένως να αποτελεί μια αρχική προσέγγιση της σύνδεσης της εκπαίδευσης με την Τεχνητή Νοημοσύνη από την άλλη, αυτή η σύνδεση είναι ακόμα σε πολύ πρώιμο στάδιο. Επειδή κάθε καινούρια τεχνολογική καινοτομία έχει τη δυνατότητα να αλλάξει την ποιότητα της εκπαιδευτικής διαδικασίας, είναι δεδομένο ότι μελλοντικά και στο ελληνικό εκπαιδευτικό σύστημα η μάθηση και η εκπαίδευση θα συμπληρώνονται από εφαρμογές Τεχνητής Νοημοσύνης.

Η ενσωμάτωση των συστημάτων Τεχνητής Νοημοσύνης στη διδασκαλία, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την αποδοχή που έχουν από τους εκπαιδευτικούς. Οι τεχνολογικές καινοτομίες μεταβάλουν ριζικά την ποιότητα της εκπαίδευσης, ωστόσο, ο εκπαιδευτικός χρειάζεται να έχει τον πρωτοπόρο ρόλο στην εκπαιδευτική διαδικασία.

Αναφορές

UNESCO. (2023). Guidance for generative AI in education and research. United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization.

Wayne, H., Maya, B., & Charles, F. (2019). Artificial Intelligence in Education. Promise and Implications for Teaching and Learning. Center for Curriculum Redesign.

Zimmerman, M. (2018). Teaching AI: Exploring New Frontiers for Learning. International Society for Technology in Education.

Απόφοιτος Χαροκοπείου Πανεπιστημίου Αθηνών και Front-End Developer στην FOSSBot Τeam (1), Υποψήφιος Διδάκτορας Χαροκοπείου Πανεπιστημίου Αθηνών και Υπεύθυνος ανάπτυξης FOSSBot (2), Αναπληρωτής Καθηγητής Χαροκοπείου Πανεπιστημίου Αθηνών και επιβλέπων προγράμματος (3)

elefthppg99@gmail.com (1), chronis@hua.gr (2), varlamis@hua.gr  (3)

Περίληψη

Τα τελευταία χρόνια η εκπαιδευτική ρομποτική χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο στον τομέα του STEM. Η χρήση εκπαιδευτικών ρομπότ επιτρέπει την παρουσίαση θεωρητικών και μη θεωρητικών εννοιών με συγκεκριμένους όρους και την βαθύτερη κατανόηση τους μέσω πρακτικών ασκήσεων που επεκτείνουν τις ήδη αποκτηθείσες γνώσεις των μαθητών. Ωστόσο, όσο περισσότερα ρομπότ χρησιμοποιούνται στην εκπαίδευση, τόσο περισσότερα ρομπότ χρειάζονται, πράγμα που είναι δαπανηρό για τα σχολεία, ενώ ταυτόχρονα καθιστά απαγορευτική την ατομική διδασκαλία μεταξύ ρομπότ και μαθητή. Η μόνη λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι η κατασκευή ρομπότ με 3D εκτυπώσιμα υλικά και ενοποιημένο λογισμικό, με σκοπό την σημαντική μείωση του κόστους κατασκευής του ρομπότ. Είναι μια πρωτοποριακή λύση που υποστηρίζεται από τον Ανοιχτό Κώδικα και το Ανοιχτό Λογισμικό. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι το FOSSBot το οποίο , το οποίο θα παρουσιαστεί παρακάτω, αναλύοντας τον τρόπο κατασκευής, λειτουργίας και χρήσης μέσα στην τάξη καθώς και τον τρόπο αναβάθμισης του λογισμικού του.

Εισαγωγή

Η επιστήμη, η τεχνολογία, η μηχανική, και τα μαθηματικά (STEM), είναι γνωστικά πεδία που παρέχουν εργαλεία ιδιαίτερα σημαντικά τόσο στους δασκάλους όσο και στους μαθητές. Ιδιαίτερη βαρύτητα αυτών των εργαλείων καταλαμβάνει η ρομποτική, που μπορεί να προσφέρει ποικίλους εναλλακτικούς τρόπους μάθησης, με σκοπό την καλύτερη κατανόηση θεωρητικών και μη αντικειμένων. [4]

Μελέτες για τη χρήση του STEM δείχνουν ότι τα συγκεκριμένα εργαλεία μπορούν να συμβάλλουν στην διαμόρφωση της εκπαιδευτικής διαδικασίας από την πρώιμη παιδική ηλικία έως και το πανεπιστήμιο, για αυτό και θεωρούνται καινοτόμα και πρωτοποριακά. [1,5,8,10]

Η βασική θεωρία για το STEM αναπτύχθηκε από τον Papert [9], όπου με βάση αυτή, οι μαθητές αλληλεπιδρούν με εργαλεία και υλικά, χρησιμοποιώντας τις ήδη κεκτημένες γνώσεις και εμπειρίες για να δημιουργήσουν νέες [7]. Τα εργαλεία STEM προσφέρουν την ευκαιρία στους μαθητές να λύσουν προβλήματα του πραγματικού κόσμου και ταυτόχρονα να επεκτείνουν τις προσωπικές τους εμπειρίες, καθώς γίνονται ενεργοί μαθητές [1,2,6,7]. Μάλιστα καθώς έρχονται σε επαφή με φυσικές συσκευές, όπως τα ρομπότ, η διαδικασία γίνεται πιο ευχάριστη και διατηρείται το ενδιαφέρον του μαθητή [3]. Στην σημερινή εποχή, καθώς η τεχνολογία εξελίσσεται, έχουν αναπτυχθεί και οι «έξυπνες συσκευές», με την χρήση της Τεχνητής Νοημοσύνης, οι οποίες μπορούν να συμβάλλουν στην διδασκαλία ορισμένων αντικειμένων, όπως αυτό της υπολογιστικής σκέψης και της ικανότητας επίλυσης προβλημάτων.

Σε αυτήν την εργαστηριακή παρουσίαση, παρουσιάζουμε το Free και Open Source Software Bot (FOSSBot), ένα ρομπότ ανοιχτού κώδικα και ανοιχτού σχεδιασμού που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εκπαιδευτικούς σκοπούς σε όλα τα επίπεδα του εκπαιδευτικού συστήματος, υποστηρίζοντας πολλές διαφορετικές δραστηριότητες και σενάρια διδασκαλίας. Τα μοναδικά χαρακτηριστικά του FOSSBot μπορούν να συνοψιστούν στα εξής:

• Τα σχέδια δημιουργίας του ρομπότ είναι ανοιχτά και μπορούν να τροποποιηθούν ανάλογα, ώστε να υποστηρίζουν το περισσότερα σενάρια.

• Τα πλαστικά μέρη του ρομπότ μπορούν να εκτυπωθούν σε τρισδιάστατο εκτυπωτή με πολύ χαμηλό κόστος. Οπότε αν κάποιο φθαρθεί μπορεί αρκετά εύκολα, να αντικατασταθεί.

• Το FOSSBot περιλαμβάνει μια λίστα ηλεκτρονικών ειδών που μπορούν εύκολα να βρεθούν στην αγορά στα χαμηλό κόστος. Όλα τα εξαρτήματα μπορούν να συναρμολογηθούν ακολουθώντας τις οδηγίες συναρμολόγησης που είναι επίσης δημόσια διαθέσιμο. Οποιαδήποτε ελαττωματικά ηλεκτρονικά εξαρτήματα μπορούν εύκολα να αντικατασταθούν.

• Η στοίβα λογισμικού, η οποία είναι γραμμένη σε Python, είναι αρθρωτή και κοντέινερ, επομένως μπορεί εύκολα να επεκταθεί με περισσότερες λειτουργίες, επιτρέποντας στους χρήστες ρομπότ να ενημερώσουν το στην πιο πρόσφατη έκδοση με το πάτημα ενός κουμπιού.

• Το ρομπότ είναι αυτόνομο και τηλεχειριζόμενο, πράγμα που σημαίνει ότι ο καθένας μπορεί να συνδέσει το σε αυτό μέσω φορητού υπολογιστή, smartphone ή tablet ή μπορεί να συνδεθεί στο τοπικό δίκτυο μέσω του wifi.

• Ο προγραμματισμός του ρομπότ μπορεί να γίνει με ποικίλους τρόπους, με αποτέλεσμα να μπορεί να χρησιμοποιηθεί από διαφορετικές ηλικίες και σε διαφορετικά περιβάλλοντα: i) απευθείας στην Python 100 στο χαμηλότερο επίπεδο, ii) χρησιμοποιώντας διαδραστικά σημειωματάρια (Python Jupyter) στο μεσαίο επίπεδο,  iii) χρησιμοποιώντας μια διεπαφή χωρίς κώδικα (Google Blockly) ή iv) χρησιμοποιώντας μια διεπαφή χρήστη που βασίζεται σε κουμπιά που εκτελεί προκαθορισμένα σενάρια κώδικα.

Στην επόμενη ενότητα αναφέρονται παραδείγματα άλλων εκπαιδευτικών ρομπότ, ενώ στην ενότητα 3 και 4, γίνεται η ανάλυση του υλικού και του λογισμικού του FOSSBot αντίστοιχα. Στην συνέχεια, η ενότητα 5 παρουσιάζει τον τρόπο σχεδίασης του FOSSBot για να ταιριάζει με τα εκπαιδευτικά σενάρια σε διαφορετικά επίπεδα ηλικίας και τέλος η ενότητα 6 συνοψίζει με τα επόμενα βήματά μας για την μελλοντική βελτίωση του ρομπότ και την εκμετάλλευση των δυνατοτήτων του ρομπότ στο μέγιστο βαθμό.

Σχετική δουλειά

Η εξέλιξη και η ενσωμάτωση της εκπαιδευτικής ρομποτικής είναι κάτι που έχει ξεκινήσει εδώ και μερικές δεκαετίες, για να μπορέσει να χρησιμοποιείται τόσο έντονα στην εκπαιδευτική διαδικασία Ένα από τα μεγαλύτερα βήματα που έγιναν στον τομέα αυτό είναι η από την εταιρεία Lego, η οποία συνδύασε τα τουβλάκια Lego με ηλεκτρονικά στοιχεία, με αποτέλεσμα η κατασκευή ενός ρομπότ να μοιάζει σαν μια δραστηριότητα παιχνιδιού. Βασιζόμενα στην παραπάνω λογική, δηλαδή της συναρμολόγησης ρομπότ που έχουν την δυνατότητα να προγραμματιστούν, ακολούθησαν τα ρομποτικά κιτς στον τομέα της εκπαίδευσης, όπως η σειρά Mindstorm και Wedo ή το Bee-Bot ή η Hydra, που βασίζεται σε Arduino και χρησιμοποιεί Blockly μπλοκς.

Το FOSSBot έχει τις ρίζες του σε ένα άλλο ρομπότ ανοιχτού κώδικα και ανοιχτού σχεδιασμού, που σχεδιάστηκε το 2019, ως μέρος του έργου Google Summer of Code. Αυτό το ρομπότ, που ονομάζεται Proteas και ήταν ένα ρομπότ DIY, με τρισδιάστατα εκτυπώσιμα μέρη και αρθρωτό σχέδιο. Επίσης, χρησιμοποιεί Blockly μπλοκς, όπως η Hydra, αλλά πολύ περισσότερα σε αριθμό καθώς και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολύ μεγαλύτερο εύρος ηλικιών, σε σχέση με τα προαναφερθείσα ρομπότ, που το καθένα από αυτά απευθύνεται σε συγκεκριμένες ηλικίες.

Σύστημα

Το ρομπότ FOSSBot ανήκει στην κατηγορία DIY(Do It Yourself), αφού μπορεί εύκολα να κατασκευαστεί και από μη παραγωγούς, δηλαδή από άτομα που δεν ήταν οι αρχικοί κατασκευαστές του, ενώ η διαδικασία αποσυναρμολόγησης και επανασυναρμολόγησης μπορεί να αποτελέσει μέρος της εκπαιδευτικής διαδικασίας στα πλαίσια της σχολικής εκπαίδευσης. Αυτό είναι εφικτό, καθώς το FOSSBot είναι κατασκευασμένο από ηλεκτρονικά υλικά που μπορούν να βρεθούν εύκολα στο εμπόριο με χαμηλό κόστος ενώ τα πλαστικά μέρη είναι εύκολα εκτυπώσιμα.

Εικόνα 1: Πάνω όψη του FOSSBot

3D Εκτυπώσιμα μέρη

Τα πλαστικά μέρη, εκτός από τους τροχούς, μπορούν εύκολα να εκτυπωθούν, με τρισδιάστατο εκτυπωτή χρησιμοποιώντας τα σχέδια που έχουν γίνει από την αρχή και έχουν χρησιμοποιηθεί για την εκτύπωση των πρώτων αντιγράφων. Ο συνολικός χρόνος εκτύπωσης όλων των πλαστικών μερών είναι περίπου 36 ώρες.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι το σώμα του ρομπότ έχει σχεδιαστεί για να είναι εύκολο στη συναρμολόγηση. Αυτό οφείλεται στο σχεδιασμό του περιβλήματος στο εσωτερικό του ρομπότ ώστε να ταιριάζει με τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα και στην τοποθέτηση των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων στις αντίστοιχες θέσεις τους, ώστε να μην μετακινούνται κατάχρηση του ρομπότ. Επιπλέον, στην εξωτερική επιφάνεια εκτυπώνονται σύμβολα που υποδεικνύουν τη θέση κάθε αισθητήρα. Αυτό βοηθά επίσης τους εκπαιδευτικούς να γνωρίζουν πού βρίσκονται τα ηχεία και οι άλλοι αισθητήρες.

Τα τυπωμένα πλέγματα στην μπροστινή και την επάνω πλευρά του ρομπότ βοηθούν να διατηρούνται δροσερά τα ηλεκτρικά μέρη. Η υποδοχή φόρτισης του ρομπότ, ο διακόπτης on/off και ο μοναδικός βρόχος για τη ρυμούλκηση μικρών αντικειμένων βρίσκονται όλα. Αυτός ο βρόχος χρησιμεύει επίσης για την προστασία του ρομπότ από μικρές συγκρούσεις. Η δεύτερη χρήση του είναι για προπονητικές ασκήσεις όπου το ρομπότ πρέπει να τραβάει αντικείμενα μικρού βάρους και μεγέθους.

Πάνω από τους τροχούς βρίσκονται δύο τυπωμένα σπόιλερ τόσο για την προστασία των τροχών όσο και για την αισθητική σχεδίαση του ρομπότ.

Η άνω επιφάνεια του ρομπότ χωρίζεται σε δύο μέρη. Ένα κάλυμμα που στερεώνεται στο κύριο σώμα χρησιμοποιώντας μοναδικά κλιπ αποτελεί το αρχικό εξάρτημα. Το κύριο κάλυμμα μπορεί να ενωθεί με το κάλυμμα χρησιμοποιώντας μια θέση και περιστροφή κίνησης και κλειδώματος. Το κάλυμμα έχει μεγάλη κυκλική τομή στο κέντρο και μικροσκοπικά ορθογώνια κοψίματα εκατέρωθεν. Αυτό το κύριο κάλυμμα μπορεί απλά να αφαιρεθεί για να δώσει πρόσβαση στο εσωτερικό του ρομπότ και μπορεί επίσης να υποστηρίξει μια βάση από τούβλα Lego, επιτρέποντας την προσθήκη περισσότερων τούβλων στην κορυφή του ρομπότ. Αυτή η επιλογή δίνει τη δυνατότητα στους δασκάλους των χαμηλότερων τάξεων να συνδυάσουν FOSSBot με άλλα έργα Lego και μπορεί να βοηθήσει στην προσθήκη νέων δραστηριοτήτων στο FOSSBot.

Ηλεκτρονικά

Η επιλογή των ηλεκτρονικών στοιχείων είναι μια διαδικασία που έχει γίνει με μεγάλη προσοχή, ώστε να επιλεγούν τα κατάλληλα ηλεκτρονικά που είναι εύκολα αναζητήσιμα στην αγορά, συμβατά με Raspberry Pi, έχουν μικρό κόστος αλλά και ικανά να παρέχουν την μέγιστη δυνατή λειτουργικότητα στο ρομπότ. Ο κατάλογος των ηλεκτρονικών περιλαμβάνει τα ακόλουθα: γυροσκόπιο, επιταχυνσιόμετρο, δύο χιλιομετρητές (Evripidou, και συν.), δύο κινητήρες για τους τροχούς, RGB LED, επαναφορτιζόμενες μπαταρίες λιθίου και αισθητήρας μπαταρίας για τη μέτρηση της ισχύος τους, αντίσταση φωτογραφίας, αισθητήρας απόστασης υπερήχων, ηχείο και τέλος κενό/απόσταση υπέρυθρων αισθητήρας. Με την χρήση των παραπάνω ηλεκτρονικών εξαρτημάτων τα οποία είναι χαμηλού κόστους και εύκολα διαθέσιμα  ευρέως, το FOSSBot μπορεί να κατασκευαστεί με κόστος μικρότερο από 200 USD. Ταυτόχρονα, σε περίπτωση που κάποιο ηλεκτρονικό εξάρτημα είναι ελαττωματικό ή κάποιο πλαστικό μέρος φθαρθεί μπορεί να αντικατασταθεί αρκετά εύκολα.

Όλα τα ηλεκτρονικά στοιχεία του ρομπότ συνδέονται πάνω στην πλακέτα. Μερικές από τις πλακέτες που είχαμε εξετάσει ως πιθανές επιλογές ήταν Raspberry Pi (Zero or 4), Arduino MKR and ESP32. Εν τέλει η πλακέτα που επιλέχθηκε είναι η Raspberry Pi Zero, με πρόσβαση στο Ίντερνετ και δυνατότητα χρήσης της ολοκληρωμένης έκδοσης της γλώσσας προγραμματισμού Python και των βιβλιοθηκών της καθώς και του Docker για την συνεχή ενημέρωση του λογισμικού.

Εικόνα 2: Ηλεκτρονικά στοιχεία του FOSSBot

Λογισμικό του FOSSBOT

Το FOSSBot βασίζεται σε μια αρθρωτή στοίβα λογισμικού, η οποία επιτρέπει την υλοποίηση διαφόρων λειτουργιών προγραμματισμού, οι οποίες ενορχηστρώνονται μέσω ενός GUI και τον εύκολο έλεγχο του υλικού μέσω μιας βιβλιοθήκης λογισμικού που λειτουργεί ως λειτουργικό σύστημα του FOSSBot. Η στοίβα περιλαμβάνει το Google Blockly, το Python Jupyter, το Python Flask για τη φιλοξενία του GUI του FOSSBot, τη βασική βιβλιοθήκη FOSSBot γραμμένη σε Python για τον έλεγχο του υλικού του ρομπότ και, τέλος, τον χρήστη μέσω της διεπαφής χρήστη. Περιλαμβάνει μια χειροκίνητη λειτουργία που παρέχει, δηλαδή έναν τρόπο ελέγχου του ρομπότ χωρίς καμία γνώση προγραμματισμού.

Το λογισμικό FOSSBot έχει κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας τις τελευταίες εκδόσεις των προαναφερθέντων τεχνολογιών, συμπεριλαμβανομένων των Docker, Continuous Integration και Logical Microservices Integration (CI). Όπως αναφέρθηκε στην εισαγωγή, ο προγραμματισμός του ρομπότ μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους, οι οποίοι περιγράφονται παρακάτω.

Εικόνα 3: Λογισμικό

Τρόποι λειτουργίας

Υπάρχουν τέσσερις βασικοί τρόποι χρήσης του FOSSBot, όπως απεικονίζονται και στην παραπάνω εικόνα. Η χρήση της διεπαφής του FOSSBot επιτρέπει στον χρήστη να επιλέξει έναν από τους πιθανούς τρόπους χρήσης:

• της διεπαφής χρήστη χωρίς κωδικοποίηση που είναι κατάλληλη για παιδιά προσχολικής ηλικίας και παρουσιάζει τις κυρίως δυνατότητες του ρομπότ, για παράδειγμα μετακίνηση του ρομπότ προς τα μπροστά ή πίσω

• της διεπαφής χρήστη κωδικοποίησης που βασίζεται σε μπλοκ που εστιάζει σε μαθητές πρωτοβάθμιας εκπαίδευσης

• της συγγραφής κώδικα σε σημειωματάρια που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διδασκαλία μαθητών Λυκείου Μαθητές Πρωτοβάθμιας Εκπαίδευσης και διδάσκοντας στους μαθητές τις βασικές αρχές του προγραμματισμού Python (όπως βρόχους, συνθήκες, συμβάντα κ.λπ.).

• της συγγραφής σεναρίων σε Python απευθείας στο κέλυφος προγραμματισμού FOSSBot, ελέγχοντας των ηλεκτρονικών στοιχείων του ρομπότ σε χαμηλό επίπεδο.

Συνεχής ανάπτυξη λογισμικού και ενημερώσεις

Το FOSSBot αποτελείται από ένα σύστημα μοντέρνας αρχιτεκτονικής, με κάθε κομμάτι του λογισμικού να βρίσκεται σε ξεχωριστή εικόνα του Docker, με συνεχής ενοποίηση τους μέσω συνεχών αναβαθμίσεων του λογισμικού του. Η αρχιτεκτονική βασίζεται στην συνεχής ενοποίηση (CI) και αυτό επιτυγχάνεται μέσω του Github, το οποίο πέρα από ότι είναι ένα αποθετήριο κώδικα, διαθέτει και εργαλεία για την σωστή οργάνωση και συνεργασία των μελών της ομάδας αλλά και την συνεχή αναβάθμιση και ενημέρωση των αρχείων του λογισμικού του ρομπότ. Πέρα από το Github, χρησιμοποιείται και το Docker Hub, στο οποίο προωθούνται οι αλλαγές που γίνονται κάθε φορά στον κώδικα στο Github, ώστε να υπάρχει διαθέσιμη η εικόνα της τελευταίας.

Εκπαιδευτικά σενάρια FOSSBOT

Όπως έχει αναφερθεί και σε προηγούμενες ενότητες, το FOSSBot προσφέρει ποικίλους τρόπους δημιουργίας εκπαιδευτικών δραστηριοτήτων για παιδιά και μαθητές όλων των βαθμίδων. Αυτό επιτυγχάνεται με την χρήση των μπλοκς αλλά και των ποικίλων αισθητήρων και ηλεκτρονικών στοιχείων που διαθέτει το ρομπότ. Ακολουθούν μερικά ενδεικτικά παραδείγματα:

• Ο χρήστης μπορεί να δημιουργήσει ένα δικό του πρόγραμμα με όσες εντολές επιθυμεί να διαλέξει από την βιβλιοθήκη εντολών. Έτσι μπορεί να ξεκινήσει δημιουργώντας απλούστερες δομές και στην συνέχεια πιο πολύπλοκες, συνδυάζοντας εντολές επανάληψης, δομές επιλογής, αισθητήρες ή και μεταβλητές.

• Στο κάτω μέρος του ρομπότ υπάρχουν 3 αισθητήρες infrared reflective obstacle avoidance, χάρη στους οποίους το ρομπότ έχει την δυνατότητα να ακολουθεί την μια μαύρη συνεχόμενη γραμμή στο πάτωμα. Κατά αυτόν τον τρόπο, το ρομπότ μπορεί να εκτελεί μια απόσταση φτάνοντας σε κάποιο στόχο. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί συνοδευτικά με κάποιο χαλάκι στο οποίο να απεικονίζονται διαδρομές.

• Μπορούν ακόμα να διεκπεραιωθούν πειράματα με την χρήση του ultrasonic αισθητήρα απόστασης, με σκοπό το ρομπότ να ακολουθήσει ή να αποφύγει κάποιο  αντικείμενο. Πως μπορεί να επιτευχθεί αυτό; Στο μπροστινό μέρος του ρομπότ, φαίνονται να υπάρχουν δύο μάτια. Αυτά δεν έχουν μόνο διακοσμητικό ρόλο αλλά και πρακτικό, αφού είναι αισθητήρες υπερήχων. Αυτοί με την εκπομπή υπερηχητικών κυμάτων μπορούν να υπολογίσουν την απόσταση ενός αντικειμένου που βρίσκεται μπροστά τους. Συνεπώς, αφού το ρομπότ έχει την δυνατότητα να εντοπίσει κάποιο αντικείμενο μπροστά του, αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί με δύο τρόπους, είτε να το ακολουθήσει σε περίπτωση που το μπροστινό αντικείμενο κινείται είτε να το αποφύγει σε περίπτωση που αυτό είναι ακίνητο και δεν θέλουμε να υπάρξει σύγκρουση. Ένα τέτοιο παράδειγμα θα ήταν ο υπολογισμός της απόστασης του αντικειμένου από το σταθμευμένο ρομπότ και στην συνέχεια ο μαθητής να δώσει τις κατάλληλες εντολές από το περιβάλλον του Blockly, ώστε το ρομπότ να κινηθεί με τον κατάλληλο τρόπο για να αποφύγει το σταθμευμένο αντικείμενο μπροστά του.

• Ένα άλλο πείραμα είναι αυτό με την χρήση ultrasonic αισθητήρα απόστασης, ώστε να δοθεί η απάντηση στο ερώτημα: «Πως επηρεάζονται τα υπερηχητικά σήματα από τα υλικά;» Τα υπερηχητικά κύματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πειράματα τόσο για την μέτρηση της απόστασης, που αναφέρθηκαν παραπάνω, όσο και για το πως επηρεάζονται από το υλικό πάνω στο οποίο θα “χτυπήσουν”. Για παράδειγμα, αν τα υπερηχητικά κύματα που θα εκπέμψει ο αισθητήρας του ρομπότ, πέσουν πάνω σε ύφασμα, τότε αυτά θα χαθούν στο χώρο και η τιμή της απόστασης που θα προκύψει ως μέτρηση, δεν θα είναι σωστή. Αντίθετα, αν τα υπερηχητικά κύματα πέσουν κ ανακλάσουν πάνω σε σκληρή επιφάνεια, η τιμή της απόστασης θα είναι πολύ πιο κοντά στην πραγματική. Ακόμα, αν τα υπερηχητικά κύματα πέσουν πάνω σε γωνία, πιθανόν δεν θα υπάρξει μέτρηση για την απόσταση ανάμεσα στο ρομπότ και στην γωνία.

• Στο πίσω μέρος του ρομπότ, υπάρχει μια ειδική θήκη, στην οποία μπορεί να τοποθετηθεί κάποιο μολύβι ή στυλό. Τα παιδιά χρησιμοποιώντας το περιβάλλον του Blockly, μπορούν να δώσουν τις κατάλληλες εντολές, έτσι ώστε το ρομπότ να κινηθεί με τέτοιο τρόπο για να σχεδιαστεί στην επιφάνεια πάνω στην οποία κινείται το ρομπότ το σχήμα που πρέπει να προκύψει. Η προσθήκη μολυβιού/ στυλού στην ειδική θήκη δίνει την δυνατότητα χρήσης του ρομπότ για τον σχεδιασμό βασικών σχημάτων.

Συμπεράσματα και επόμενα βήματα

Από την πρώτη στιγμή, το FOSSBot υποστηρίχθηκε από ομάδες ανοικτού κώδικα, όπως το GFOSS και το Ίδρυμα Ωνάση, που χρηματοδότησαν τη συναρμολόγηση των πρώτων 100 FOSSBots. Ακόμα, το πρόγραμμα Google Summer of Code χρηματοδότησε τον πρώτο γύρο ανάπτυξης. Φυσικά, υποστήριξη βρέθηκε από φοιτητές και καθηγητές ελληνικών πανεπιστημίων που έχουν αγκαλιάσει την όλη πρωτοβουλία, για την προσεκτική σχεδίαση μπλοκ κώδικα και την προσφορά της μέγιστης λειτουργικότητας του ρομπότ μέσα από τα σχεδιασμένα και υλοποιημένα μπλοκ. Ωστόσο, υπάρχουν ακόμη περιθώρια βελτίωσης για να καταστεί το FOSSBot ανταγωνιστικό σε σχέση με τις υπάρχουσες εμπορικές λύσεις. Ο κύριος στόχος μας είναι να λύσουμε όλα τα προβλήματα που σχετίζονται με το λογισμικό FOSSBot και να απλοποιήσουμε τη διαδικασία συναρμολόγησης σχεδιάζοντας μια ειδική πλακέτα που ενσωματώνει το μεγαλύτερο μέρος της καλωδίωσης. Παράλληλα, η ομάδα ανάπτυξης εργάζεται σε στενή επαφή με τους εκπαιδευτικούς για τη δημιουργία διδακτικού υλικού.

Ευχαριστίες

Οι συγγραφείς θα ήθελαν να ευχαριστήσουν τους φοιτητές από το Χαροκόπειο Πανεπιστήμιο Αθηνών που υποστήριξε την ανάπτυξη και τη συναρμολόγηση του FOSSBot μέχρι τώρα: Θανάσης Αποστολίδης, Δημήτρης Χαρίτος, Γιώργος Καζάζης. Επίσης οι φοιτητές του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου Αθηνών που συνέβαλε με κώδικα στο GSoC: Γιώργος Λοϊζίδης, Δανάη Μπρίλλη καθώς και την εξειδικευμένη ομάδα εκπαιδευτών STEM από το GFOSS για την υποστήριξη των αναδυόμενων εκπαιδευτικών αναγκών και ιδεών μέσω της προσεκτικής σχεδίασης των μπλοκς. Τελευταίο αλλά εξίσου σημαντικό οι άνθρωποι από την Ελληνική Εταιρεία Ελεύθερου Λογισμικού Ανοικτού Κώδικα (GFOSS) και ιδιαίτερα ο Θόδωρος Καρούνος που πίστεψαν στο FOSSBot και υποστηρίζουν την προσπάθεια από την αρχή του.

Αναφορές

1. Alimisis, D. (2013). Educational robotics: Open questions and new challenges. Themes in Science and Technology Education, σσ. 6, 63–71.

2. Benitti, F. (2012). Exploring the educational potential of robotics in schools: A systematic review. Computers & Education, σσ. 58, 978-988.

3. Eguchi, A., & Shen, J. (2012). Student learning experience through CoSpace educational robotics. In Proceedings of the Society for Information Technology & Teacher Education International Conference. Association for the Advancement of Computing in 429.

4. Evripidou, S., Georgiou, K., Doitsidis, L., Amanatiadis, A., Zinonos, Z., & Chatzichristofis, S. (χ.χ.). Educational robotics: Platforms, competitions and expected learning outcomes. doi:10.1109/ACCESS.2020.3042555

5. Li, Y., Wang, K., Xiao, Y., & Froyd, J. (2020). Research and trends in STEM education: A systematic review of journal publications. International Journal of STEM Education, σσ. 7, 1–16.

6. Miglino, O., Lund, H., & Cardaci, M. (1999). Robotics as an educational tool. Journal of Interactive Learning Research.

7. Papert, S., & Harel, I. (1991). Situating constructionism. Constructionism.

8. Shen, V., Yang, C., Wang, Y., & Lin, Y. (2012). Application of high-level fuzzy Petri nets to educational grading system. Systems with Applications, σσ. 39, 12935–12946.

9. Stager, G. (2010). A constructionist approach to teaching with robotics. In Proceedings of the Proceedings of Constructionism and Creativity Conference. Paris, France.

10. Wan, Z., Jiang, Y., & Zhan, Y. (2021). STEM education in early childhood: A review of empirical studies. Early Education and Development, σσ. 32, 940–962.

Γεωδυναμικό Ινστιτούτο, Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών (1), Τμήμα Έρευνας και Ανάπτυξης, Ελληνογερμανική Αγωγή (2)

g.choul@noa.gr (1), sotiriou@ea.gr (2)

Εισαγωγή – Η ανάγκη της εισαγωγής της Εκπαιδευτικής Σεισμολογίας στη σχολική εκπαίδευση

Η Ελλάδα είναι η πιο σεισμογενής χώρα στην Ευρώπη [1] ενώ βρίσκεται στην έκτη θέση σε παγκόσμιο επίπεδο επομένως οι πολίτες της – από μικρή ηλικία – θα πρέπει να γνωρίζουν τις επιπτώσεις της έντονης σεισμικής δραστηριότητας της περιοχής. Η μείωση των επιπτώσεων των σεισμών μπορεί να επιτευχθεί όταν οι πολίτες έχουν ενημερωθεί σχετικά με τα μέτρα αντισεισμικής προστασίας που πρέπει να λάβουν πριν, κατά τη διάρκεια και μετά από έναν σεισμό. Σε ότι αφορά στη σχολική κοινότητα, καθοριστικής σημασίας είναι η ανάπτυξη «αντισεισμικής» συνείδησης και συμπεριφοράς στους εκπαιδευτικούς και στους μαθητές με τη διαρκή ευαισθητοποίηση, ενημέρωση και εκπαίδευσή τους. Η ενημέρωση των μαθητών σε θέματα αντισεισμικής προστασίας θα πρέπει να αποτελεί μέρος της καθημερινής σχολικής διαδικασίας, γι” αυτό το λόγο ο Οργανισμός Αντισεισμικού Σχεδιασμού και Προστασίας [2] διοργανώνει σε συνεργασία με τους Υπεύθυνους Αγωγής Υγείας και τους Υπεύθυνους Σχολικών Δραστηριοτήτων της Πρωτοβάθμιας και Δευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης, σεμινάρια και σχετικές εκδηλώσεις. Τα σεμινάρια αυτά απευθύνονται στους Διευθυντές των σχολικών μονάδων και στους εκπαιδευτικούς που έχουν οριστεί ως υπεύθυνοι για τη σύνταξη των σχολικών σχεδίων έκτακτης ανάγκης με στόχο τη διαρκή ευαισθητοποίηση, ενημέρωση και εκπαίδευσή τους σε θέματα διαχείρισης του σεισμικού κινδύνου στις σχολικές μονάδες. Παρά τη σημαντική προσπάθεια που λαμβάνει χώρα σε αυτό το πλαίσιο στις περισσότερες περιπτώσεις οι δράσεις αυτές πραγματοποιούνται μεμονωμένα και αποσπασματικά και δεν έχουν τα αναμενόμενα αποτελέσματα.

Εικόνα 1. Η γεωγραφική κατανομή των σχολικών μονάδων – κόμβων του Δικτύου που διαθέτουν σχολικούς σεισμογράφους.Στο Δίκτυο συμμετέχουν 60 σχολικές μονάδες από την Ελλάδα, την Κύπρο, την Τουρκία, την Ιταλία, τη Βουλγαρία, τη Ρουμανία, την Πορτογαλία και το Ισραήλ.

Στόχος μας είναι να μετατρέψουμε σχολικές μονάδες σε διαφορετικές περιοχές της χώρας, σε Κόμβους Έρευνας και Καινοτομίας στην εκπαιδευτική σεισμολογία, σε κέντρα Επιμόρφωσης και Ενημέρωσης για τον Σεισμικό κίνδυνο ώστε να πραγματοποιηθεί μια μεγάλης κλίμακας εφαρμογή των προτεινόμενων ιδεών και προσεγγίσεων που θα αποτελέσει τη βάση για μελλοντική επέκταση των δράσεων σε όλα τα ελληνικά σχολεία (OECD 2002a, OECD 2020b). Παράλληλα έχουμε αναπτύξει ένα παιδαγωγικό πλαίσιο το οποίο επιτρέπει την επιτυχή ένταξη της Υπεύθυνης Έρευνας και Καινοτομίας στη διδασκαλία των φυσικών επιστημών (EU, 2014, Sotiriou et al., 2020). Έτσι καθοδηγούμε τους μαθητές στη διδασκαλία των φυσικών επιστημών, χρησιμοποιώντας τις πραγματικού (ή παρελθόντος) χρόνου σεισμολογικές παρατηρήσεις ως στοιχεία μιας επιστημονικής έρευνας. H ένταξη των αρχών της Υπεύθυνης Έρευνας και Καινοτομίας μπορεί να είναι ιδιαίτερα ωφέλιμη για τους μαθητές, καθώς τους υποστηρίζει στην ανάπτυξη κριτικής σκέψης και στην ενίσχυση συνεργατικών δεξιοτήτων, ενώ η ενίσχυση της διαθεματικότητας είναι σημαντική για τη δημιουργία του ενεργού πολίτη. Επιχειρώντας να βιώσουν οι μαθητές το ρόλο του υπεύθυνου και ενεργού πολίτη μετατρέπει το σχολείο τους σε κόμβο ενημέρωσης της τοπικής κοινωνίας για το φαινόμενο του σεισμού (Coiro et al., 2016). Έτσι οι μαθητές αντιλαμβάνονται τον τρόπο με τον οποίο η επιστημονική πληροφορία, τα δεδομένα και τα συμπεράσματα που προκύπτουν, πρέπει να μεταφέρονται στο ευρύ κοινό ώστε να μην δημιουργούν φόβο απέναντι στο φαινόμενο. Οι δράσεις αυτές έχουν σαν στόχο να ενισχύσουν το επιστημονικό δυναμικό των τοπικών κοινωνιών με αναφορά την ενημέρωση και την πληροφόρηση για το φαινόμενο του σεισμού (Harris and Jones, 2028).

Δράσεις των Σχολικών Κόμβων του Δικτύου

Οι κόμβοι που ήδη λειτουργούν στις σχολικές μονάδες διοργανώνουν δράσεις σε τουλάχιστον τέσσερα επίπεδα

• σχεδιάζουν, φιλοξενούν και υποστηρίζουν δράσεις όπου οι μαθητές και εκπαιδευτικοί των σχολικών μονάδων υλοποιούν ερευνητικές δραστηριότητες (projects) που θα βασίζονται στην καταγραφή σεισμικών δονήσεων μέσω χαμηλού κόστους σεισμογράφων και την ανάλυση τους. Αναπτύσσονται δράσεις (με την επιστημονική καθοδήγηση της ερευνητικής ομάδας του Γεωδυναμικού Ινστιτούτου) για την πρωτοβάθμια και δευτεροβάθμια εκπαίδευση όπου η πολυπλοκότητα αυξάνεται ανάλογα με τις εκπαιδευτικές ανάγκες των μαθητών και των εκπαιδευτικών τους. Οι δραστηριότητες είναι διαθεματικές και θα καλύπτουν μεγάλο φάσμα θεματικών περιοχών, γεωμετρικά και μαθηματικά προβλήματα (εύρεση επικέντρου του υπό μελέτη σεισμού), γεωγραφικά και γεωλογικά ζητήματα (διάκριση τεκτονικών και ηφαιστειακών σεισμών, τομογραφία της γης), τεχνολογικές κατασκευές και νόμοι της φυσικής (σχεδιασμός και κατασκευή σεισμογράφου με χρήση εκκρεμούς και νόμων του ηλεκτρομαγνητισμού), ανάπτυξη υπολογιστικής σκέψης και κώδικα (ανάπτυξη εφαρμογών σκανδαλισμού και έγκαιρης προειδοποίησης σε Scratch και Python). Οι εργασίες των μαθητών δημοσιεύονται στο Διεθνές Μαθητικό Επιστημονικό Περιοδικό Open Schools Journal for Open Science που δέχεται (με κρίση από την ερευνητές) άρθρα από τους μαθητές που περιγράφουν τα projects και τα αποτελέσματα τους. Με τον τρόπο αυτό οι μαθητές σχηματίζουν την εικόνα του πλήρους κύκλου της επιστημονικής διαδικασίας: σχεδιασμός πειράματος, συλλογή και ανάλυση δεδομένων και δημοσίευση των αποτελεσμάτων στην μαθητική επιστημονική κοινότητα.

Εικόνα 2. Σε κάθε σχολική μονάδα του δικτύου εγκαθίσταται χαμηλού κόστους εκπαιδευτικός σεισμογράφος ο οποίος είναι συνδεδεμένος με τη κεντρική βάση σεισμολογικών δεδομένων του Γεωδυναμικού Ινστιτούτου του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών. Η ερευνητική ομάδα του Δικτύου έχει σχεδιάσει και παρέχει στις σχολικές μονάδες τον απαραίτητο εξοπλισμό αλλά και αναλυτικές οδηγίες προς την εκπαιδευτική κοινότητα για την κατασκευή σεισμογράφων από τους μαθητές στο πλαίσιο εκπαιδευτικών δραστηριοτήτων, όπως για παράδειγμα τα Εργαστήρια Δεξιοτήτων.

• υποστηρίζουν δράσεις συνεργασίας μεταξύ των σχολικών μονάδων του δικτύου (π.χ. υπολογισμός της ταχύτητας των σεισμικών κυμάτων, συνθήκες σύμπτωσης μεταξύ διαφορετικών σταθμών, ακριβής εντοπισμός επικέντρου) με στόχο την προσομοίωση της ερευνητικής μεθοδολογίας η οποία βασίζεται στη συλλογή ποιοτικών δεδομένων, στον διαμοιρασμό τους και την συστηματική συνεργασία των επιστημόνων για την ανάλυση τους. Η προτεινόμενη δράση «επιβάλλει» τη συνεργασία μεταξύ των κόμβων για την επίτευξη του κοινού ερευνητικού στόχου αλλά ταυτόχρονα βοηθά τους μικρούς μαθητές να κατανοήσουν πόσο σημαντικό είναι ο κάθε σεισμογράφος να λειτουργεί σωστά ώστε να παρέχει ακριβή δεδομένα. Με τον τρόπο αυτό οι μαθητές εισάγονται στις αρχές της Υπεύθυνης Έρευνας.

Εικόνα 3. Η πρόσβαση στα σεισμολογικά δεδομένα που συγκεντρώνουν οι κόμβοι του Δικτύου είναι διαθέσιμα σε όλους μέσω της διαδραστικής διαδικτυακής πλατφόρμας του Δικτύου. Η βάση σεισμολογικών δεδομένων περιέχει περισσότερες από 15000 καταγραφές σεισμών από το 2015 μέχρι και σήμερα. Οι μαθητές και οι εκπαιδευτικοί μπορούν να ανατρέξουν σε οποιαδήποτε χρονική περίοδο μέσα στο χρονικό αυτό διάστημα και να χρησιμοποιήσουν τα αντίστοιχα δεδομένα για τις δραστηριότητες τους. Στην εικόνα παρουσιάζεται η καταγραφή των πρόσφατων καταστροφικών σεισμών στην Τουρκία από τον σεισμογράφο της Ελληνογερμανικής Αγωγής στην Παλλήνη Αττικής.

• οι σχολικές μονάδες λειτουργούν ως κέντρα κατάρτισης επιμόρφωσης για άλλους εκπαιδευτικούς αλλά και ενημέρωσης για την τοπική κοινωνία. Μέσω της κατάρτισης οι εκπαιδευτικοί σχεδιάζουν νέα σενάρια και δράσεις όπου άλλοι εκπαιδευτικοί μπορούν να παρέμβουν προσαρμόζοντας τα στις δίκες τους ανάγκες. Υλοποιούνται σεμινάρια και επιμορφώσεις αλλά και υποστηρίζεται η ανάπτυξη εικονικών κοινοτήτων μάθησης μέσω της διαδικτυακής πλατφόρμας που λειτουργεί σαν αποθετήριο των σεισμικών καταγραφών αλλά και του εκπαιδευτικού περιεχομένου που έχει αναπτυχθεί αλλά και αναπτύσσεται από τη χρήση τους. Οι κόμβοι δεν υποστηρίζουν μόνο εκπαιδευτικούς και άλλες σχολικές μονάδες της περιοχής τους αλλά και εκπαιδευτικές κοινότητες σε όλη τη χώρα μέσα από το διαδίκτυο.
• Τέλος οι σχολικές μονάδες αποτελούν κεντρικά σημεία υποστήριξης διαγωνισμών και δράσεων εθνικής εμβέλειας (π.χ. διαγωνισμών για την κατασκευή σεισμογράφων, έξυπνων αλγορίθμων για την έγκαιρη προειδοποίηση για επερχόμενους σεισμούς, hackanthons μεταξύ μαθητών ή φοιτητών).

Για την υλοποίηση των παραπάνω δράσεων έχει σχεδιασθεί μία διαδραστική διαδικτυακή πλατφόρμα που λειτουργήσει ως εικονικός κόμβος καινοτομίας και επιμόρφωσης για μαθητές, και εκπαιδευτικούς. Έτσι προσφέρεται η δυνατότητα αξιοποίησης των δεδομένων που συλλέγονται και αποθηκεύονται από τους σχολικούς σεισμογράφους του δικτύου, σε πραγματικό χρόνο, από όλες τις σχολικές και εκπαιδευτικές κοινότητες (π.χ. φοιτητές) της χώρας. Όλοι μπορούν να επιλέξουν σεισμικά γεγονότα (σε χρόνο και περιοχή) και να χρησιμοποιήσουν την καταγραφή τους στους διαφορετικούς σταθμούς του δικτύου για περεταίρω ανάλυση. Στην πλατφόρμα του έργου, εκτός από το εκπαιδευτικό υλικό για τον καθηγητή (σχέδια μαθημάτων, προτεινόμενες δραστηριότητες κτλ.) παρέχεται και υλικό υποστήριξης – διαχείρισης του εκπαιδευτικού εργαλείου το οποίο απευθύνεται στον χρήστη (μαθητή – εκπαιδευτικού).

Αξιολόγηση των μαθησιακών αποτελεσμάτων του έργου

Η άμεση και δημιουργική χρήση των επιστημονικών δεδομένων στις δράσεις που υλοποιούνται στους κόμβους του Δικτύου προσφέρουν έναν αποτελεσματικό τρόπο βελτίωσης των αποτελεσμάτων τόσο των προγραμμάτων σπουδών όσο και της αξιολόγησης των μαθητών, των διδακτικών πρακτικών και του σχολείου, ως οργανισμού. Οι τεχνολογικά υποστηριζόμενες αξιολογήσεις και οι μηχανισμοί υποστήριξης που βασίζονται σε τέτοιες αναλύσεις βοηθούν τη διδασκαλία και τη μάθηση μέσω της κοινοποίησης στοιχείων μαθησιακής προόδου και μέσω παροχής ιδεών στους δασκάλους, τους διευθυντές των σχολείων, τους υπεύθυνους χάραξης πολιτικής, τους γονείς και το σημαντικότερο, τους ίδιους τους μαθητές. Αυτές οι αξιολογήσεις μπορούν να ενσωματωθούν στις εκπαιδευτικές δραστηριότητες προκειμένου να ελαττωθούν οι ασυνέχειες κατά τη διάρκεια του μαθησιακού χρόνου. Για παράδειγμα, η οργάνωση των διερευνητικών δραστηριοτήτων στο πλαίσιο της προετοιμασίας των μαθητών για τα σχέδια εργασίας (projects) επιτρέπει την εισαγωγή μεθόδων με σκοπό την ανάλυση των επιδράσεων κατά την υλοποίηση κατάλληλων δραστηριοτήτων που προωθούν τη δεξιότητα επίλυσης πολύπλοκων προβλημάτων. Η αξιολόγηση των δράσεων που έχουμε σχεδιάσει και υλοποιούμε πραγματοποιείται σε δύο επίπεδα.

Ενισχύοντας την Ανοικτότητα του Σχολείου: Για την καταγραφή της επίδρασης των δράσεων που υλοποιούνται στις σχολικές μονάδες έχουμε ορίσει μία σειρά δεικτών που επιβεβαιώνουν την αύξηση της ανοικτότητας του σχολείου (Sotiriou et al., 2021[i]). Παράδειγμα τέτοιων δεικτών είναι το σχολείο να έχει α) ένα σαφές όραμα και στρατηγική (σχολικό αναπτυξιακό σχέδιο) που περιγράφει λεπτομερώς πώς το σχολείο θα υποστηρίξει τους μαθητές και τους εκπαιδευτικούς για να συμβάλουν στο ανοιχτό σχολείο, β) στρατηγικές για την ενθάρρυνση προσεγγίσεων που βασίζονται στην επίλυση πολύπλοκων προβλημάτων, στην ανάπτυξη κριτικής σκέψης, στην ομαδική εργασία, στην ενεργό πολιτειότητα και την συμμετοχή όλων των μαθητών, γ) στρατηγικές/σχέδια για την επαγγελματική ανάπτυξη των εκπαιδευτικών ώστε να εντάσσουν συστηματικά σχετικές δράσεις στο αναλυτικό πρόγραμμα, δ) υποστηρίζει την ανάπτυξη ενός διεπιστημονικού περιβάλλοντος όπου οι μαθητές και εκπαιδευτικοί ενθαρρύνονται να δοκιμάζουν νέες ιδέες και προσεγγίσεις. Στην Εικόνα 4 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από τις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στα σχολεία του Δικτύου το σχολικό έτος 2021-2022.

Ενισχύοντας το Ενδιαφέρον και το Κίνητρο των Μαθητών: Σε ένα τέτοιο περιβάλλον είναι σημαντικό οι διευθυντές των σχολείων και οι εκπαιδευτικοί να αναγνωρίσουν ότι υπάρχουν βασικές συνθήκες που υποστηρίζουν βαθύτερα μαθησιακά αποτελέσματα και στρατηγικές και ότι οι συνθήκες αυτές είναι διαδοχικές και βασίζονται και οικοδομούνται η μία πάνω στην άλλη. Η βασικότερη προϋπόθεση είναι η ανάπτυξη μιας κουλτούρας που επικεντρώνεται στη μάθηση και προάγει την πεποίθηση ότι όλοι είμαστε συλλογικά υπεύθυνοι για τα μαθησιακά αποτελέσματα. Αυτές είναι δύο διαφορετικές έννοιες, εξαιρετικά σημαντικές και οι δύο. Υπάρχουν έξι στρατηγικές και παιδαγωγικές πρακτικές κοινές σε όλα τα σχολεία αφιερωμένες σε βαθύτερα μαθησιακά αποτελέσματα για τους μαθητές. Οι εκπαιδευτικοί πρέπει:

• Να ενδυναμώνουν τους μαθητές
• Να πλαισιώνουν (contextualize) τη γνώση
• Να συνδέουν τη γνώση με εμπειρίες του πραγματικού κόσμου
• Να διευρύνουν τη μάθηση πέρα από το σχολείο
• Να εμπνέουν τους μαθητές προσαρμόζοντας τις μαθησιακές εμπειρίες
• Να ενσωματώνουν την τεχνολογία με τρόπο που ενισχύει τη μάθηση

Εικόνα 4. Το γράφημα αποδίδει την αύξηση της ανοικτότητας των σχολικών μονάδων – κόμβων του Δικτύου κατά τη διάρκεια ενός σχολικού έτους. Η μέτρηση έχει πραγματοποιηθεί μα βάση τους βασικούς δείκτες ανοικτότητας (Sotiriou et al., 2021) και αναδεικνύει τη σημαντική επίδραση των δραστηριοτήτων των σχολικών μονάδων στην αύξηση της ανοικτότητας τους.

Εικόνα 5. Το γράφημα αποδίδει την αύξηση της ανοικτότητας των σχολικών μονάδων – κόμβων του Δικτύου κατά τη διάρκεια ενός έτους σε σχέση με την αύξηση του Ενδιαφέροντος των μαθητών όπως μετρήθηκε με τυποποιημένα εργαλεία (Glynn et al., 2011). Παρατηρούμε πως όσο πιο ανοικτό είναι το σχολικό περιβάλλον τόσο μεγαλύτερο είναι το Ενδιαφέρον των μαθητών για την επιστήμη.

Στην έρευνα μας, στα σχολεία του Δικτύου, μετρήθηκε με τυποποιημένα εργαλεία (Glynn et al., 2011, Bryan et al., 2011), το Ενδιαφέρον και το Κίνητρο των μαθητών να ασχοληθούν με την επιστήμη πριν και μετά την υλοποίηση των σχετικών δραστηριοτήτων. Παρατηρήσαμε πως όσο πιο ανοικτό είναι το σχολικό περιβάλλον (σημαντική αύξηση της ανοικτότητας) τόσο μεγαλύτερο είναι το Ενδιαφέρον των μαθητών για την επιστήμη. Τα δεδομένα αυτά προέρχονται από 2117 μαθητές και μαθήτριες από τα 60 σχολεία που συμμετέχουν στο Δίκτυο. Τα αποτελέσματα αυτά αναδεικνύουν την εξαιρετική σημασία που έχει για τη βελτίωση των μαθησιακών αποτελεσμάτων η ανοικτότητα της εκπαιδευτικής κοινότητας.

Εικόνα 6. Στο πλαίσιο της έρευνας μας παρατηρήσαμε σημαντική διαφοροποίηση της στάσης των μαθητών σε πολλές παραμέτρους που διαμορφώνουν την προσωπική ευθύνη για σημαντικά κοινωνικά θέματα και προκλήσεις αλλά και τη διάθεση για συμμετοχή στα κοινά και την αίσθηση της οικειοποίησης των προβλημάτων της τοπικής κοινωνίας.

Επιπρόσθετα στο πλαίσιο της έρευνας μας για την καταγραφή της επίδρασης των δράσεων του Δικτύου στην ενεργό πολιτειότητα χρησιμοποιήσαμε τα εργαλεία που έχουν αναπτυχθεί στο πλαίσιο της μεγάλης Ευρωπαϊκής πρωτοβουλίας RRI Tools ειδικά για τον σκοπό αυτόν. Παρατηρήσαμε σημαντική διαφοροποίηση της στάσης των μαθητών σε πολλές παραμέτρους που διαμορφώνουν την προσωπική ευθύνη για σημαντικά κοινωνικά θέματα και προκλήσεις αλλά και τη διάθεση για συμμετοχή στα κοινά και την αίσθηση της οικειοποίησης των προβλημάτων της τοπικής κοινωνίας.

Το φαινόμενο του σεισμού, η μελέτη του, η καταγραφή του αλλά και οι επιπτώσεις του, μέσα από την κατάλληλη παιδαγωγική προσέγγιση που ακολουθούμε, προσφέρει μία μοναδική ευκαιρία για την ένταξη της επιστημονικής μεθοδολογίας στη σχολική τάξη ενώ ταυτόχρονα, όπως αποδεικνύουν τα ερευνητικά δεδομένα, συμβάλει σημαντικά στην ανάπτυξη βασικών δεξιοτήτων των μαθητών αλλά αποτελεί και βάση για την βελτίωση της ανοικτότητας της κάθε σχολικής μονάδας.

Ανάπτυξη του Δικτύου

Οι δράσεις του Δικτύου επεκτείνονται διαρκώς. Αυτό επιτυγχάνεται χάρη στους παρακάτω λόγους:

α. η υλοποίηση του (λειτουργία των φυσικών κόμβων) βασίζεται σε χαμηλού κόστους εξοπλισμό (κόστος σεισμογράφου μικρότερο των 300 ευρώ, λειτουργία με κανονική σύνδεση στο διαδίκτυο και στην υπάρχουσα υποδομή του σχολείου, για παράδειγμα σε οποιονδήποτε Η/Υ). Επιπρόσθετα από τη στιγμή της εγκατάστασης ο σεισμογράφος λειτουργεί χωρίς να απαιτείται κόστος συντήρησης ή να χρειάζεται επιτόπου τεχνική υποστήριξη.

β. Η φιλοξενία της διαδραστικής διαδικτυακής πλατφόρμας γίνεται στις υπάρχουσες υποδομές του Γεωδυναμικού Ινστιτούτου του Εθνικού Αστεροσκοπείου, λαμβάνοντας υπόψη την απόλυτη συμβατότητα με τις εφαρμογές και τις βάσεις δεδομένων του Γεωδυναμικού Ινστιτούτου. Πιθανές αναβαθμίσεις θα μπορούν πολύ εύκολα να λάβουν χώρα ή θα πραγματοποιούνται αυτόματα.

γ. Υπάρχει διαρκής ενημέρωση της βάσης δεδομένων καθώς υπάρχει διασύνδεση με το υφιστάμενο δίκτυο σεισμογράφων του Γεωδυναμικού Ινστιτούτου. Με τον τρόπο αυτό οι μαθητές έχουν στη διάθεση τους ένα πολύ μεγαλύτερο δίκτυο σεισμογράφων σε ολόκληρη την Ελλάδα και τις υπόλοιπες χώρες το οποίο είναι σε λειτουργία 24 ώρες την ημέρα και 365 ημέρες το χρόνο.

δ. Το εκπαιδευτικό υλικό που έχει αναπτυχθεί (αποτελεί προτεινόμενο υλικό από το ΙΕΠ για τα Εργαστήρια Δεξιοτήτων) είναι προσαρμοσμένο στο αναλυτικό πρόγραμμα της πρωτοβάθμιας και της δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης με στόχο να ενταχθεί και στα μελλοντικά στα αναμορφωμένα αναλυτικά προγράμματα που θα υιοθετούν καινοτόμες εκπαιδευτικές προσεγγίσεις (αναμένεται να εφαρμοσθούν το σχολικό έτος 2025-2026).

Συμπεράσματα

Πρόκειται για μία μοναδική διαθεματική δράση που βασίζεται στη μεταφορά της γνώσης και της ερευνητικής πρακτικής από τη σεισμολογική έρευνα και τεχνολογία στην Πρωτοβάθμια και τη Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση. Προωθείται ταυτόχρονα η καλλιέργεια νοοτροπίας του υπεύθυνου πολίτη που επιδιώκει ενημερώνεται και να ανακαλύπτει διαρκώς αλλά και αναζητά λύσεις στα προβλήματα και τις προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι τοπικές κοινωνίες. Απώτερος σκοπός της δράσης είναι η ενημέρωση και εξοικείωση των μαθητών, των εκπαιδευτικών αλλά και της τοπικής κοινωνίας με σύγχρονες επιστημονικές τεχνικές μέσα από βιωματικά εργαστήρια κατασκευών και την παραγωγή επαναχρησιμοποιούμενου ανοιχτού εκπαιδευτικού περιεχόμενου στην Επιστήμη & Τεχνολογία (π.χ. τομέας Ρομποτικής και Ηλεκτροκίνησης), η Μηχανική και ο Μηχανολογικός Σχεδιασμός και τα Μαθηματικά (STEM: Science, Technology, Engineering, Mathematics). Η διαδικτυακή πλατφόρμα του Δικτύου συνδέει τις σχολικές αίθουσες με τα σεισμόμετρα που είναι τοποθετημένα στα σχολεία του δικτύου δίνοντας την ευκαιρία σε όλους τους μαθητές να έχουν πρόσβαση στα ανοικτά επιστημονικά δεδομένα για περεταίρω χρήση στο πλαίσιο του αναλυτικού προγράμματος και ανάλυση στο πλαίσιο διαθεματικών δραστηριοτήτων. Η ερευνητική ομάδα του έργου προτείνει εκπαιδευτικές δραστηριότητες και παρέχει το απαραίτητο υποστηρικτικό υλικό (οδηγό εφαρμογής, σχέδια μαθημάτων, απαιτούμενο λογισμικό, χρήσιμες ηλεκτρονικές διευθύνσεις, κα) για τους εκπαιδευτικούς και τους μαθητές. Είναι δυνατή έτσι η διδασκαλία εννοιών και στοιχείων από τις φυσικές επιστήμες με την ενεργό συμμετοχή των μαθητών, μέσα σε ένα πλαίσιο διαθεματικής προσέγγισης. Με αυτή τη διαδικασία αναπτύσσεται ένας δημιουργικός διάλογος μεταξύ των μαθητών από διαφορετικά σχολεία που τους επιτρέπει να επικυρώνουν τα αποτελέσματα των εργασιών τους και ταυτόχρονα τους ενισχύει στην προσπάθειά τους να κατακτήσουν έννοιες των φυσικών επιστημών και να κατανοήσουν την επιστημονική μεθοδολογία. Η αξιοποίηση των προτεινόμενων τεχνολογικών εργαλείων ενισχύει, το νέο περιβάλλον διδασκαλίας και παρέχει στους μαθητές το έναυσμα για παρατήρηση, διατύπωση υποθέσεων, δυνατότητα για πειραματισμό, καταγραφή και επεξεργασία των δεδομένων, διατύπωση θεωρίας, κατασκευή μαθηματικών μοντέλων και περαιτέρω έρευνα και παρατήρηση. Τέλος τους παρέχει τη δυνατότητα να παρουσιάζουν τα αποτελέσματά τους στα πλαίσια μιας οργανωμένης ερευνητικής και εκπαιδευτικής διαδικασίας.

Αναφορές

PhD Candidate, NKUA

anippi@uoa.gr

Abstract

This paper presents the concepts of cross-curricular thematic approach and interdisciplinarity as reflected in the Interdisciplinary Integrated Curriculum Framework in primary and secondary education. With an emphasis on learning objectives rather than on the curriculum, an innovative teaching programme is implemented which aims beyond the acquisition of knowledge to cultivate competences and develop skills of students. Cross-curricular thematic approach and interdisciplinarity provide students with an integrated system of knowledge and skills that allows them to form their own worldview and worldaspect, directly linking school and life.

Key words: cross-curricular thematic approach/thematic teaching, interdisciplinarity, curriculum

Introduction

The Interdisciplinary Integrated Framework of Curricula (Δ.Ε.Π.Π.Σ.) includes uniform objectives and principles for all subjects at all levels of study. In accordance with this, the Comprehensive Curricula (Α.Π.Σ.) are drawn up for each subject, which, with the basic axiom of the “integration” and “interdisciplinarity” of knowledge, define the main axes for writing textbooks for primary and secondary education. (Υπ.Ε.Π.Θ & Π.Ι., 2003, Υπ.Ε.Π.Θ & Π.Ι., 2003²)

If one studies the Comprehensive Curricula (Α.Π.Σ.), one notices that they follow the unified approach to the teaching objects, they include the axes of the cognitive content, the general objectives of the course concerning knowledge, skills, attitudes and values and, finally, fundamental concepts of the cross-curricular thematic approach. By “cross-curricular thematic approach” we mean the use of concepts from one discipline to study another discipline. «Cross-curricular thematic approach » is not an end in itself, but a means to knowledge. Subjects may be distinct and self-contained units, but through thematic teaching, they are approached from many perspectives. Concepts are studied in a multidisciplinary way, associations are made, which lead to generalisations about their meaning and significance, for example, the terms “action” and “reaction” are found in both Physics and History. In other words, the words are treated as links for the horizontal interconnection of subjects. (Υπ.Ε.Π.Θ & Π.Ι., 2003, Υπ.Ε.Π.Θ & Π.Ι., 2003²) . (On interdisciplinarity and the teaching of history see  Αγγελάκος, Κ. & Κόκκινος, Γ. (2004). Η διαθεματικότητα στο σύγχρονο σχολείο και η διδασκαλία της ιστορίας με τη χρήση πηγών. Αθήνα:Μεταίχμιο)

In the context of the implementation of innovative educational actions, thematic teaching and interdisciplinarity as methodological approaches in the Interdisciplinary Integrated Framework of Curricula (Δ.Ε.Π.Π.Σ.) are basic prerequisites for a holistic approach to knowledge. On the one hand, cross-curricular thematic approach based on the Analytical Curriculum, bypasses discrete subjects and treats knowledge as a single whole, which is approached through the exploration of topics of interest to children (Ματσαγγούρας, 2009:48, 50), while on the other hand, interdisciplinarity maintains discrete subjects, but links their content.

Mapping the terms «interdisciplinarity» and «interdisciplinarity»

The terms “cross-curricular thematic approach, integration, thematic teaching” and “interdisciplinarity” are considered similar in the Greek literature, since both reject isolated and fragmented knowledge and promote the emergence of relationships and functions (Ματσαγγούρας, 2009:48-50) (However, cross-curricular thematic approach extends to a wider range of search for relationships and meaning-making, see. Kousoulas F., 2004). By following holistic and exploratory methods they aim to acquire knowledge.  However, some specific characteristics can be identified.

Maingain&Dufour (2003:69) argue that the term “cross-curricular thematic approach” denotes a “common space” between different knowledge, where everyone is beyond their own field of knowledge, in a space of which they are not the exclusive owner. According to Ματσαγγούρα (2009:48), the term «thematic approach» denotes the theoretical principle of organization of the Analytical Curriculum that breaks down discrete subjects and tries to approach school knowledge unified through the global study of topics of universal interest.

In addition, Θεοφιλίδης (2010:11) argues that “by the term thematic approach” we mean that form of teaching in which, on the one hand, the content of teaching is internalised and, on the other hand, the teaching is of a laboratory and inventive form.  This embodiment can concern various fields, such as school and society, for example, the coupling of theory and practice. Consequently, the  thematic approach to knowledge applies a holistic methodology and adopts a language from more than one discipline in order to address a central theme, issue, problem or experience. The cross curricular thematic approach is learner-centred and society-centred, having at its core the interest of the learner and society in a topic.

In contrast, the term “interdisciplinarity” refers to the theoretical principle of organizing the curriculum that maintains distinct subjects while attempting to relate the contents of the subjects in order to ensure a more complete and comprehensive study of them. Interdisciplinary programmes are therefore knowledge-centred. Interdisciplinarity answers the question of how different subject areas are processed, while thematic approach generally refers to the choice of subject areas for the study and processing of subjects and the approach to knowledge in general (Θεοφιλίδης, 2010:26).

Interdisciplinarity is characterised by the coherence within each teaching subject and the search for conceptual connections between the specific teaching subject and the others provided in the curriculum. The multidisciplinary organisation of knowledge contributes to the development of students” cognitive skills and, if this is achieved, contributes more broadly to the cultivation of functional literacy. The interdisciplinary approach requires knowledge and skills from different scientific fields, which also requires the involvement of teachers from different disciplines (of course, interdisciplinarity concerns not only primary and secondary education, but also higher education institutions, which are called upon to develop curricula with a wide range of content that are not based exclusively on the scientific subject of a particular department (Νόμος 4009/2011)).

Therefore, cross curricular thematic approach/thematic approach and interdisciplinarity contribute to the acquisition of knowledge, the development of skills and the cultivation of critical thinking, which is why their application in the educational process is appropriate. For example, through projects, thematic approach and interdisciplinarity can be implemented, as they combine a) the use of students” knowledge from various fields of knowledge, b) the abilities and interests of students, c) the cooperation of teachers from various disciplines, so that students acquire comprehensive knowledge about the subject under examination (Ματσαγγούρας, 2009:217-296). The term «project» comes from the Latin verb projicio which means to project. Work projects mark the opening and projection of the research result, achieved by the student, in the social environment. Work projects are defined as a differentiated and collaborative model of teaching, whose themes are derived from the content of the respective course in relation to the students” interests. Work projects are an open learning process, they aim to enable students to apply school knowledge to everyday life issues, as students should be able to manage knowledge experientially through different perspectives.

In conclusion, teachers can address the subject under study either through a multifaceted analysis of each discipline separately (thematic approach), or through the synthesis of the aggregate result of the disciplines with regard to the subject under study (interdisciplinarity).  Ultimately, learning can be achieved much more easily, quickly and effectively through the interrelationships between subjects and holistic approaches to sets.

The creation of curricula

For the compilation of the Interdisciplinary Unified Curriculum Framework (Δ.Ε.Π.Π.Σ.), a way of organization was chosen that maintains the discrete subjects as a framework for the arrangement of school knowledge, segmenting knowledge by areas of specialization, but at the same time combines the contents of the discrete subjects, so that the student understands the possibilities of an interdisciplinary approach to phenomena. This interdisciplinary correlation is ensured through (Ματσαγγούρας, 2009:59-92):

1) From the study of the individual units of each course, those interdisciplinary correlations between the topics, concepts with related and non-scientific disciplines (for example, literature and history) are highlighted.

2) From the «infusion» processes, the content of programmes is integrated into existing courses, for example, in environmental studies, actions from the broader programme of environmental education are added.

3) By course unions leading to hybrid courses, for example physics and biology leading to environmental studies.

The thematic approach to knowledge suggests that instead of discrete subjects, themes, issues and problems that are of either personal interest to students or of general interest to society and culture (universalia) should be exploited (Ματσαγγούρας, 2002). Thus, departing from the traditional teacher-centred teaching of one textbook, the Interdisciplinary Integrated Curriculum Framework places particular emphasis on learning objectives rather than on the curriculum, so it stipulates that school knowledge should: (a) be taught in a holistic approach to everyday life; (b) be linked to students” experiences in order to be comprehensible; and (c) be approached through exploratory methods so that knowledge is gradually built up by the students themselves. The knowledge provided by the school should lead to functional literacy, i.e., it should offer pupils new possibilities for thinking, judgement and action, so that they are able to manage reality effectively. (Ματσαγγούρας, 2009:95-106).

Generally, the Interdisciplinary Integrated Curriculum Framework has as its principle the active participation of students in the learning process. It encourages the application of innovative teaching methods so that students develop social and cognitive skills and attitudes, in order to be able to self-regulate their attitudes and behaviours in society.

Examples of interdisciplinarity – interdisciplinarity in the curriculum

A case of interdisciplinarity is the course of History and Modern Greek Language in secondary education. According to the Α.Π.Σ. of History, emphasis is placed on the formation of historical knowledge, declarative, procedural and conceptual (cultivation of skills, conceptual infrastructure), which makes it easier for students “to learn how to learn’, i.e. to discover knowledge through active methods (utilisation of sources, preparation of work/project plans) rather than being offered it ready-made. Students should: 1) master the basic conceptual infrastructure of history (concepts, associations, generalisations); 2) be able to understand the language of a historical text written in historical codes; 3) acquire to some extent the historian’s way of «thinking», cultivate similar skills (exploitation of historical sources) and build values, attitudes and behaviours that are commonly accepted.

Therefore, to examine comprehension of a history text, we must first examine the elements of linguistic coherence and conceptual coherence of the texts. Without these, the discourse is not a unified and coherent text with linguistic and conceptual coherence, but may resemble a telephone directory, a shopping list or a price list (Ματσαγγούρας, 2007). Linguistic cohesion refers to the various linguistic devices (grammatical, lexical, phonological) by which the text connects its surface components (words, phrases, sentences) at the syntactic level to form large units of discourse (Γεωργακοπούλου & Γούτσος, 2011; Αρχάκης, 2005).

Another case of  cross curricular thematic approach – interdisciplinarity can be the teaching of mathematics and physics in primary education, for example the examination of the phenomenon of global warming. The problem based learning (pbl) method (Boud & Feletti, 1997:137-150) is a learning process, which is differentiated from the classical traditional student-centred teaching method, aiming at the acquisition of skills such as critical thinking, problem solving, cooperation and communication. Through the application of the pbl technique, students learn how to solve problems that are connected to reality under guidance and advice. It is an active learning method based on research and constructivism. For example, students work together in small groups, activate their existing knowledge, gather new information and invoke possible theories and hypotheses to solve the problem.

Thus, they are led in a self-directed learning process to apply their new knowledge to the problem through reflection and creative approaches and to build a model to explain the problem.  The role of teachers here is to facilitate the learning process rather than to provide new knowledge, i.e. they have the role of facilitator.

In summary, the main features of the PBL method are as follows:

1. The teacher having the role of a facilitator helps the learner to decide what information he/she needs in order to be able to manage the problem.

2. The formation of small groups of students under the supervision of the teacher. In this way the students are asked to work with different people.

3. The teacher has the role of guide and coordinator. The teacher guides and advises students without confirming whether their ideas are right or wrong, gives feedback.

5. Problems are used as a motivation for learning. Presenting problems helps to understand the challenge learners are facing by providing them with motivation for learning, and in trying to understand the problem, learners understand what it is that they need to learn and increase their problem solving skills.

6. New knowledge is acquired through self-directed learning. Learners are required to gather new information through individual study and research. Learners rely on collaborative knowledge construction, sharing ideas and knowledge they have gathered by reviewing and discussing what they have learned.

Conclusion

The modern education system is characterised by inherent weaknesses as a result of the organisation of the knowledge on offer and the way in which it is taught, with the result that there is often talk of the “schooling” of knowledge. Since students acquire knowledge that is detached, fragmented and indifferent to reality, learning is focused on passing certain examinations rather than on understanding about life. This organisation of the curriculum does not help students to realise that for every phenomenon knowledge has been produced from various scientific fields, knowledge that should be understandable, interesting and attractive. Consequently, students are led to accumulate unconnected as well as dormant knowledge, without being able to use it, without any usefulness for life (Ματσαγγούρας, 2002).

Dewey (1990:91) argues that «we do not have a series of separate worlds, one of which is mathematical, another physical, another historical, etc. We live in a world where all sides are connected. All studies derive from relations of the one great common world, and as the child lives in a changing but concrete and active relation to this common world his studies are naturally unified. The connection of studies will no longer be a problem. The teacher will not have to resort to all sorts of tricks to weave a little arithmetic into the history lesson. Connect school with life and all studies will necessarily be connected». Initially, man, in order to understand the world, posed questions to which he gave answers of a universal or dogmatic nature, then systematized his knowledge through the definition of distinct sciences, so that through the exchange of knowledge and methods, the foundations for the development of the sciences were laid. Therefore, the mission of education should be to demonstrate that the natural and social worlds are interrelated, that they constitute a single reality, the parts of which influence and are influenced by each other. In other words, it is not consistent to follow and apply in the modern educational system a fragmented and fragmented knowledge.

For this reason, curricula should be characterised by a flexibility, adaptable to the needs of students and offering a variety of subjects and contents, so that the student is able to choose the subject matter he or she wants, achieving the appropriate learning objectives for the development of individual skills and competences.  In other words, they are open curricula that apply a cross curricular thematic approach  and interdisciplinary approach to knowledge.

Bibliography

Αγγελάκος, Κ. & Κόκκινος, Γ. (2004). Η διαθεματικότητα στο σύγχρονο σχολείο και διδασκαλία της ιστορίας με τη χρήση πηγών. Αθήνα: Μεταίχμιο.

Αρχάκης, Α. (2005). Γλωσσική διδασκαλία και σύσταση των κειμένων. Αθήνα: Πατάκη.

Boud, D., Feletti,I. G., (1997). The challenge of problem-based learning, 2nd ed., London&New York: Routledge.

Γεωργακοπούλου, Α. & Γούτσος, Δ. (2011). Κείμενο και επικοινωνία. Αθήνα: Πατάκη.

Dewey, J. (1990) The School and Society and The Child and the Curriculum. Chicago: The University of Chicago Press.

Θεοφιλίδης, Χ., (2010).  Διαθεματική Προσέγγιση της Διδασκαλίας. Αθήνα: Γρηγόρη.

Κούσουλας Φ. (2004). Σχεδιασμός και Εφαρμογή Διαθεματικής Διδασκαλίας. Αθήνα: Ατραπός.

Κουτσουλέλου-Μίχου, Στ. (2009). Όψεις του ακαδημαϊκού λόγου. Αθήνα: Gutenberg.

Maingain, Α., Dufour, Β. (2003). Διδακτικές προσεγγίσεις της διαθεματικότητας, μτφ. Χ. Ράπτης. Αθήνα: Πατάκης.

Ματσαγγούρας, Η. (2002). Διεπιστημονικότητα, διαθεματικότητα και ενιαιοποίηση στα νέα Προγράμματα Σπουδών: Τρόποι οργάνωσης της σχολικής γνώσης. Επιθεώρηση Εκπαιδευτικών Θεμάτων. Τεύχ. 7, σσ. 19 – 36 .

Ματσαγγούρας, Η. (2007). Σχολικός εγγραμματισμός. Αθήνα: Γρηγόρη.

Ματσαγγούρας, Η. (2009). Η διαθεματικότητα στη σχολική γνώση. Εννοιοκεντρική αναπλαισίωση και σχέδια εργασίας. Αθήνα: Γρηγόρη.

Υπ.Ε.Π.Θ., Π.Ι. (2003). Διαθεματικό Ενιαίο Πλαίσιο Προγραμμάτων Σπουδών-Αναλυτικά Προγράμματα Σπουδών Ελληνικής Γλώσσας για το Δημοτικό. (ΦΕΚ 303/13/2033, τεύχος β΄, σ.3733). Διαθέσιμο στο http://www.pi-schools.gr/programs/depps/ ανακτήθηκε την 01/09/2016.

Υπ.Ε.Π.Θ., Π.Ι. (2003²). Διαθεματικό Ενιαίο Πλαίσιο Προγραμμάτων Σπουδών-Αναλυτικά Προγράμματα Σπουδών Ιστορίας. (ΦΕΚ 303/13/2033, τεύχος β΄, σ. 3733) Διαθέσιμο στο http://www.pi-schools.gr/programs/depps/ ανακτήθηκε την 01/09/2016.

ΦΕΚ Α 195/6.9.2011, νόμος υπ΄αρ.4009, Δομή, λειτουργία, διασφάλιση της ποιότητας των σπουδών και διεθνοποίηση των ανωτάτων εκπαιδευτικών ιδρυμάτων.