Opetusmenetelmiä ja pedagogisia strategioita virtuaalisen laboroinnin hyödyntämiseksi

Transkriptio

1 UNIT 3 Seminaari Opetusmenetelmiä ja pedagogisia strategioita virtuaalisen laboroinnin hyödyntämiseksi Kesto: 3 tuntia Sisällys: A. Johdanto B. Luonnontieteiden kokeellisesta opetuksesta C. Verkkoperustaisten kokeiden suunnittelusta D. Kokeellisuutta sisältävät oppitunnit E. Tehtävät F. Aiheeseen liittyviä dokumenttejä G. Lähteet A. Johdanto Luonnontieteiden tavoitteena on luoda ymmärrystä materiaalisen maailmankaikkeuden olemuksesta. Tähän ymmärrykseen pyritään kokeellisen tutkimuksen, luonnontieteellisten kokeiden avulla. Kokeellisen tutkimuksen avulla haastetaan olemassa olevaa käsitystä ja teorioita sekä hankitaan tietoa uusien entistä selitysvoimaisempien teorioiden kehittämiseen. Kokeellinen toiminta ei kuitenkaan ole ainoastaan tutkimuksen yhteydessä välttämätöntä vaan se on keskeisessä roolissa luonnontieteiden opetuksessa. Kokeellinen työskentely antaa oppilaalle mahdollisuuden tehdä havaintoja, testata hypoteeseja sekä testata luonnontieteellistä osaamista ja ymmärrystään todellisissa tilanteissa. Toisaalta kokeellisuus voi olla yhtä merkittävässä roolissa opiskelun motivoijana. Millaista kokeellista toimintaa tulisi tehdä ja miten toiminta tulisi järjestää maksimaalisen vaikuttavuuden aikaansaamiseksi? Chiaverinan ja kumppaneiden [1] mukaan kokeellisuuden tavoitteena koulussa on: Motivoida oppilaita tarjota konkreetteja esimerkkejä monimutkaisista käsitteistä lisätä teknologisten välineiden ymmärrystä testata ja todentaa hypoteeseja, teorioita tai malleja Kokeellinen toiminta on välttämätön osa luonnontieteellisen tiedon tuottamisessa, samoin tällainen toiminta on yhtä välttämätön osa luonnontieteiden opetuksessa sillä se mahdollistaa oppilaille autenttisen kokemuksen luonnontieteellisen tiedon muodostumisesta. Eri Module 3: Teaching methodologies using Virtual Instrumentation 1/8

2 kouluasteilla tapahtuvaan kokeelliseen opetukseen liittyy luonnollisesti monenlaisia haasteita. Samaa koejärjestelyä voidaan käyttää eritavoin riippuen siitä mitä kokeellisella toiminnalla tavoitellaan, onko toiminnan tarkoituksena motivoida oppilasta, syventää ilmiöön tai käsitteeseen liittyvää ymmärrystä vai testata teoriaa tai mallia. B. Luonnontieteiden kokeellisesta opetuksesta Luonnontieteellinen tieto perustuu osaltaan kokemuksiin, havaintoihin ja kokeellisesti todennettuihin faktoihin. Teoreettiset ideat ovat tieteessä tärkeitä mutta luotettavina niitä voidaan pitää vasta kun ne on voitu osoittaa oikeaksi myös kokeellisesti. Vaikka joitain tieteellisiä keksintöjä on löydetty osittain sattumalta, suurin osa tuloksista on seurausta huolellisesti laadituista kokeista. Tästä johtuen kokeellinen toiminta on oleellinen, erottamaton, osa kaikkien luonnontieteiden tietämystä. 21:stä vuosisataa luonnehtii alati kasvava arki- ja työelämään liittyvien teknologisten innovaatioiden määrä. Samanaikaisesti kuitenkin koulunsa päättää suuri määrä oppilaita, joilla ei ole kovinkaan hyvää käsitystä siitä millaiset luonnontieteelliset perustat teknologian kehittymisellä on taustallaan. Myös näistä syistä johtuen kokeellisuuden käyttökelpoisuutta luonnontieteellisen tiedon ja toiminnan yleisen ymmärryksen edistämisen työkaluna ja motivaattorina ei ole syytä kyseenalaistaa. Luonnontieteitä opetetaan kouluissa eri-ikäisille ja erilaisen taustan omaaville oppilaille tästä johtuen opetuksessa joudutaan asiat opettamaan eriasteisesti pelkistettyinä ja sovitettuina eri oppilasryhmien tietojen ja taitojen tason mukaan. Seuraavassa taulukossa on koostettuina muutamia luonnontieteen opetukseen ja kokeellisen työskentelyyn liittyviä kysymyksiä. Taulukko 1: Kokeelliseen työskentelyyn liittyviä ongelmia ja haasteita Yleisiä haasteita: o Mikä on hyvä suhde teoreettisen ja kokeellisen työskentelyn välillä? o Miten valita ja painottaa erilaista kokeellista työskentelyä (kuten oppilas laborointia, demonstrointia, itsenäistä tutkimista)? o Mikä on hyvä suhde kokeellisen työskentelyn ja muun havainnollistamisen ja tutkimisen välillä ml. tietokone animaatiot ja mallintaminen o Millaisessa roolissa kokeellinen työskentely on? o Miten tulisi ja voisi arvioida kokeellista työskentelyä ja sen onnistumista? o Erityiskysymyksiä: o Mitkä esimerkit edustavat modernin fysiikan keskeisiä kokeita? o Kuinka paljon malleja voidaan pelkistää oikeellisuuden kärsimättä? o kuinka valita, valmistella ja toteuttaa sopivimmat kokeet? o Miten saada aikaan riittävästi vaihtelua kokeelliseen työskentelyyn? o Miten opettaa oppilaita tekemään todellista itsenäistä tutkimista? o Vrt lopussa kohta 7. Module 3: Teaching methodologies using Virtual Instrumentation 2/8

3 C. Verkkoperustaisten kokeiden suunnittelusta Luokkatyöskentelyssä selainteknologiaan perustuvien ratkaisujen avulla erilaisia simulaatioita ja mallintamisia voidaan suorittaa nykyisin monasti ilman erillisten sovellusten asentamista. Monesti tällaiseen työskentelyyn voidaan liittää myöskin palvelimella sijaitsevan materiaalin välittäminen tai oppilaiden tuotosten varastointi tiedostoina myöhempää käyttöä varten. Opetusteknologian käytölle ei ole olemassa mitään yksikäsiteistä luokittelua, mutta Hsi:n esittämä tyypittely voi toimia jonkinlaisena mallina erityyppisistä opetuksellista ratkaisuista. Seuraavassa listassa on esitetty eräs tyypittely tieto- ja viestintäteknologiaa hyödyntävistä tavoista toteuttaa kokeellisuutta opetuksessa. Tyypittelyyn on liitetty yleinen kuvaus sekä muutamia tyyppiesimerkkejä, joiden käytöstä on olemassa design tutkimuksena toteutettuja tutkimusraportteja [3] Mikromaailmat ja simulaatiot Kokeilua ja itsenäistä tutkimista tukevat välineet, joiden käytöllä pyritään hahmottamaan abstraktien, monimutkaisten ilmiöiden välisiä yhteyksiä (ThinkerTools, Model-It, Boxer, GenScope, Cabri, Crocodile) Suoran opetuksen välineet Multimedia kurssimateriaalit, tietokannat tai (tekoäly) tutor ohjelmistot (Academic Systems, Geometry Tutor, Kane) Tiedon keräämisen ja aineistojen analysoinnin ja visualisoinnin välineet Järjestelmät joiden avulla voidaan koota ja analysoida ja visualisoida tietoja mallintaen asiantuntija toiminnan käyttämiä menetelmiä (BlueSkies / KGS, CoVis Climate S/W) Yhteistoiminnallisen oppimisen välineet verkko-oppimisympäristöt, jotka mahdollistavat ryhmässä tapahtuvan tiedonrakentelun tai ongelmanratkaisun sekä kommunikoinnin (SpeakEasy, Belvedere, Collaboratory Notebook) Opiskelu partnerina. Oppimisympäristö, jossa koostettuna joukko työvälineitä sekä itsenäistä tutkimista ja opiskelua tukevia välineitä. (KIE, CLP E-LabBook, Convince Me!, BGuILE) Computational Media Pitkälle kehittyneitä ohjelmistoja tai sovelluskehittimiä, joiden ominaisuuksia voidaan räätälöidä käyttötarpeen mukaan (Boxer, Lotus Notes) Opetusteknologian sovelluksia voidaan tyypitellä myös sen mukaan ovatko sovellukset sisältöspesifejä vai yleiskäyttöisiä, samoin sen mukaan millaista tukea tai ohjausta oppimisympäristö antaa sekä sen mukaan onko ympäristö yksilöllistä työskentelyä tukeva vai yhteistoiminnalliseen oppimiseen suunniteltu. Module 3: Teaching methodologies using Virtual Instrumentation 3/8

4 Tärkeää on myös huomioida se kuinka mukautettavissa teknologia on kunkin oppilaan tarpeisiin tai miten teknologian käyttö on sovitettavissa luokkatyöskentelyyn. Jotkin oppimisympäristöt voivat seurata oppilaan opiskelun edistymistä ja reagoida antamalla palautetta edistymisestä (esim. Belvedere, Geometry Tutor). Tällaisen palautteen sisällyttäminen järjestelmään edellyttää monimutkaisuuden vuoksi usein huolellista tutkimusta. Järjestelmän antama palaute voi olla joko sisältöspesifiä (kuten Geometry Tutorissa) tai yleisempää taitoon liittyvää (argumentointi Belvederessä)[4] Jotkin oppimisympäristöt ovat mukautettavissa opettajan toimesta opetussuunnitelman ja opetettavan oppilasryhmän tarpeiden mukaan (esim. Kie, Wise). Tällaisen järjestelmän käyttöönotossa kehittämishaluinen opettaja joutuu perehtymään huolellisesti järjestelmään sekä paneutumaan syvällisesti opetussuunnitelmalliseen kehittämiseen. Järjestelmän joustavuuteen liittyy joskus mahdollisuus opetettavien aineiden ja sisältöjen väliseen integrointiin. Suoran opetuksen välineet ja mikromaailmat tai simulaatiot voivat olla sisältöspesifistä luonteestaan johtuen huonosti mukautettavissa eri oppiaineissa käytettäväksi. Sen sijaan yhteistoiminnallisen oppimisen välineet kuten verkkoympäristöt ovat useimmiten helpommin mukautettavissa tällaiseen käyttöön D. Kokeellisuutta sisältävät oppitunnit Huolellisella tuntien suunnittelulla voidaan edesauttaa oppilaan mielenkiinnon ja opiskelumotivaation saavuttamista ja ylläpitämistä, tässä yhteydessä vuorovaikutteiset välineet voivat tulla entistä merkityksellisemmiksi. Vuorovaikutteisuutta voidaan saada aikaiseksi opetuksellisesta päämäärästä riippuen seuraavasti [5]: Valikoitujen animaatioiden käyttö. Valitsemalla opetettavaan tilanteeseen ennakolta joukko animaatioita harjoitusten tueksi voidaan saada ilmeikäs ja kiinnostava esitystapa. Oppilaan tehtävänä voi olla tällöin esimeriksi asetella joittain tutkittavan ilmiön muuttujien arvoja ratkaisujen määrittämiseksi. Tämän lähestymistavan huonona puolena kuitenkin on se että ennalta valitut animaation menetettävät kiinnostavuuden ja käyttökelpoisuutensa nopeasti, heti kun kaikki vaihtoehdot on kokeiltu. Animaatioiden laatiminen on lisäksi kohtuullisen vaativaa ja aikavievää. Simulaatiot. Monipuolinen vuorovaikutteisuus voidaan saada aikaan tilanteissa, joissa simuloidaan laboratoriokokeita joko ohjelmisto pohjaisin ratkaisuin tai virtuaaili välinein. Suhteellisen kalleuden lisäksi tämän lähestymistavan riskinä on että niissä helposti yli yksinkertaistetaan todellisia kokeita (kuten koejärjestelyt ja laitteet). Tyypillinen seuraamus tästä on puolestaan se etteivät oppilaat hahmota tutkittavien Module 3: Teaching methodologies using Virtual Instrumentation 4/8

5 ilmiöiden simulaatioiden ja todellisen reaalimaailman kokeiden yhteyttä todellisen maailman toimintojen monimutkaisuudesta johtuen. Ilman kokeellisuuden mahdollisuutta, vaikka esimerkiksi simulaatioin tai virtuaalivälinein, luonnontieteellinen oppitunti voi esittää todellisesta maailmasta kuvauksen tai kuvan ja kosketus todellisen maailman tilanteeseen siirtyy toiseen ajankohtaan. Virtuaalivälinein tehtävässä opetuksessa pyritään oppija asettamaan tilanteeseen, jossa oppija on välineiden avulla suorassa kontaktissa todellisen maailman kanssa. Tällöin oppimisen kohteena on sellaisten tietojen ja taitojen omaksuminen, jotka liittyvät kokeen suorittamisen etenemisen kontrollointiin; käsiteltävänä olevan ilmiön toimintaan liittyvän informaation käsittelyyn ja kokeen etenemiseen sekä ohjaamiseen liittyvien ohjeiden laatimiseen. Yleisesti ottaen simulaatioin tai virtuaalivälinein pyritään parantamaan opetuksen tehokkuutta monipuolistamalla oppimisympäristöä. Esimerkiksi, kun opetuksessa hyödynnetään Internettai multimedia-teknologiaa opetuksen täydentäjänä, virtuaaliopettajana, voidaan opiskelijan toimintaa tukea seuraavin keinoin: Multimedia materiaalia hyödyntävin dokumentein; joukolla harjoitustehtäviä; arviointiin liittyvillä välineillä; yhteistoiminnallisen oppimisen välineillä. WWW-perustaisen, simulaatioita hyödyntävän, luonnontieteen oppitunnin laatiminen vaatii käsiteltävänä olevaa ilmiötä mallintavan koejärjestelyn simulaatiomallin laatimisen. Tässä yhteydessä voidaan perehtyä tähän tarkoitettuihin ohjelmistoihin kuten Crocodile, Cabri tai Virtual Lab (LabvView)?, näiden sovellusten käyttö helpottaa simulaatioiden laatimista. Seuraavassa tehtävässä sinua pyydetään laatimaan oppitunti, jossa on hieman selostettu opiskeltavana olevia käsitteitä, oppilaalle suunnattavia simulaatioita hyädyntäviä vuorovaikutteisia tehtäviä sekä opiskelun arviointiin liittyviä seikkoja. Tehtävässä annettavat suunnittelumallit hyödyntävät lähteissä [7] ja [8] esitettyjä www-oppituntien laadintamallien periaatteita. E. Tehtävät Ensimmäiseksi sinua pyydetään tutustumaan muutamiin simulaatioita hyödyntäviin oppituntien suunnitelmiin, joita on alla olevassa linkkilistassa. Tutustumisen jälkeen jokaisen tulisi kehitellä ideaa omaan opetettavaan aineeseen liittyvän kokeellisen laboroinnin opettamiseksi (simulaatioiden avulla). Module 3: Teaching methodologies using Virtual Instrumentation 5/8

6 Seuraavassa taulukossa on muutama suunnittelumalli ja työskentelypohja dokumentti, Ensimmäisenä on tekstinkäsittelyohjelmalla työstettävä suunnittelumalli, toivottavin osioin varustettuna, lisäksi toisessa sarakkeessa on www-editorilla työstettävät suunnittelumallit. MICROSOFT WORD työpohja Word dokumettipohja HTML työpohjat Yksinkertainen www-työpohja Useasivuinen työpohja Seuraavassa vaiheessa sinua pyydetään valitsemaan jokin esitetyistä malleista. Tarkastele mallin osoita ja pohdi kuinka valmistelisit oppitunnin oppilaillesi. Sinun tulisi laatia ensimmäinen alustava idea. Vaikka sinulla ei välttämättä ole tiedossasi tai käytössäsi tarvittavaa simulaatioympäristöä pyri dokumentoimaan keskeisimpiä opetuksellisia ideoita, käsitteitä ja opetus ja opiskelu esimerkkejä, jotka liittyvät käsiteltävän ilmiön opettamiseen. Kurssin aikana pyrimme opastamaan ja auttamaan sinua laatimaan oppitunnissasi tarvittavan simulaation tekemisessä. F. Aiheeseen liittyviä dokumenttejä Joitakin www-sivustoja: 1. Tuntisuunnitelmia www-sivustoissa: a. b. c. d Opetuksen suunnittelusta www-ympäristöä hyödyntäen a. Viisi erilaista opetuksen suunnittelumallia; Hotlists, Multimedia Gallery, Scavenger Hunt, Sampler, Webquests. b. Tee oma www-kierros 3. Fysiikan Appletteja: a. b. c. d. e. Module 3: Teaching methodologies using Virtual Instrumentation 6/8

7 4. Kemian appletteja: VccSSe a. b. c. d. e. 5. Biologian appletteja a. b. c. d. e. 6. Matematiikan appletteja a. b. c. d. e Muita luonnontieteiden opetuksen linkkejä (other science educational sites) a. OPH avauksia opsiin, kokeellisuus b. Lavonen, Meisalo & al Opetuksen kokeellisuus, c. Aksela & Juvonen, Kemian opetus tänään. G. Lähteet [1]Chiaverina, Chris and Vollmer, Michael.Learning physics from the experiments [2] Cheatham, T. A Web-based lab manual for CS 1: an experiment [3] Field Guide to Design Experiments in Education [4] Brown, A. L. (1992). Design experiments: Theoretical and methodological challenges in creating complex interventions in classroom settings. Journal of the Learning Sciences, 2(2), [5] Chirico, M. Giudici, F. Sappia A. and Scapolla A. M.. The Real Experiment execution approach to Networking courseware [6] Patton, J. B. Iavanetti, P. "The Making of Multimedia Power Systems Control and Simulation Labware", IEEE Trans. on Education, 1996, 39 3, pp Module 3: Teaching methodologies using Virtual Instrumentation 7/8

8 [7] Working the Web for Education: Activity Formats [8] Types of web lessons Module 3: Teaching methodologies using Virtual Instrumentation 8/8