Σκοπός της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασία είναι η διερεύνηση των εννοιών του STEM και της υπολογιστικής σκέψης καθώς και του τρόπου που το Arduino και οι συναφείς πλατφόρμες, οι αισθητήρες, ο εμπράγματος προγραμματισμός και τα υπολογιστικά φύλλα μπορούν να αποτελέσουν δομικά στοιχεία STEM και CT STEM δράσεων στο μάθημα της φυσικής. Στην βιβλιογραφία υπάρχουν άφθονα STEM πρότζεκτ συναφή με την συγκεκριμένη προσέγγιση. Στην παρούσα εργασία επιλέξαμε ως παράδειγμα εφαρμογής την μελέτη των κινήσεων και συγκεκριμένα τα ζητήματα του πειραματικού προσδιορισμού θέσης – χρόνου και του αριθμητικού υπολογισμού της στιγμιαίας ταχύτητας συναρτήσει του χρόνου από πειραματικά ή υπολογιστικά δεδομένα θέσης – χρόνου. Από την μελέτη προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα: πρώτον για ένα κινούμενο σώμα ο πειραματικός προσδιορισμός θέσης – χρόνου είναι μια εύκολα υλοποιήσιμη από τους μαθητές STEM διαδικασία, δεύτερον η έννοια της στιγμιαίας ταχύτητας αν και αποτελεί μια από τις πλέον δύσκολες ως προς την σχολική διδασκαλία έννοιες τις φυσικής διευκολύνεται σε πολύ μεγάλο βαθμό από την χρήση υπολογιστικών φύλλων στα πλαίσια μιας CT STEM δράσης.
Ως προς την παιδαγωγική προσέγγιση προτείνουμε οι μαθητές να εμπλακούν σε πειραματική καταγραφή δεδομένων θέσης χρόνου με εξοπλισμό που αναπτύσσει η ίδια η τάξη. O εξοπλισμός που προτείνουμε αποτελείται από μικροελεγκτή ανοικτού κώδικα Arduino και αισθητήρα HC-SR04, η λειτουργεία των οποίων ρυθμίζεται με εμπράγματο προγραμματισμό (physical computing), τον κώδικα του οποίου οι μαθητές αντλούν από διαδικτυακές πηγές και τον οποίο συναρμόζουν και τροποποιούν για τις ανάγκες του προβλήματος. Ο πλήρης έλεγχός του εξοπλισμού από τους μαθητές επιτρέπει την άντληση μεγάλου αριθμού δεδομένων θέσης χρόνου με υψηλούς ρυθμούς δειγματοληψίας. Σε ότι αφορά την στιγμιαία ταχύτητα αυτή έπεται και η προσέγγιση που προτείνουμε είναι δασκαλοκεντρική ως προς τον ορισμό της και τις αριθμητικές μεθόδους υπολογισμού της. Οι μαθητές καθοδηγούνται να αναπτύξουν προσεγγιστικούς υπολογισμούς της στιγμιαίας ταχύτητας σε ένα υπολογιστικό φύλλο που περιέχει δεδομένα θέσης χρόνου ως προϊόν αριθμητικής προσομοίωσης και να επαναλάβουν τους υπολογισμούς σε πειραματικά δεδομένα. Η συγκεκριμένη διδακτική προσέγγιση βασίζεται σε σύγχρονες εκπαιδευτικές τεχνολογίες που εν πολλοίς αναπτύσσουν οι μαθητές και την διατρέχει η υπολογιστική και η μαθηματική σκέψη. Το εγχείρημα δεν είναι επιτηδευμένο άλλα απόλυτα συμβατό με τις διδακτικές ανάγκες, τις δυνατότητες των μαθητών και τις ρεαλιστικές προσεγγίσεις προβλημάτων κίνησης.
This postgraduate dissertation investigates STEM concepts and Computational Thinking. It also investigates the ways Arduino and other microcontrollers, sensors, embedded computing, and spreadsheets could be implemented in STEM and CT STEM actions in Physics lessons. In the bibliography, a large number of STEM projects use these elements. Our study focuses on the experimental determination of position versus time and the numerical calculation of instantaneous velocity based on experimental and numerical simulation and position-time data. Some very useful results come up: first, the experimental determination of position versus time is an easy STEM procedure for the students, second, the school teaching of instant velocity even though it is very difficult, it facilitates from the use of spreadsheets in a CT STEM frame.
We suggest students to be involved in experiments in order record positions, with equipment developed by themselves. The equipment consists of an open-source Arduino microcontroller and HC-SR04 sensor programmed by the students with embedded codes founded in the web, customized, and joined by the students, in order to fulfill the demands of the particular experiment. The ability of full control of equipment by the students allows the recording of a very large number of position-time data with a very large sampling rate.
About instantaneous velocity, we suggest the teacher define it using numerical calculations and encourage students to execute numerical approximations of instantaneous velocity in a spreadsheet. The spreadsheet will contain numerical simulation position-time data. Numerical approximations of instantaneous velocity could be performed and in experimental position-time data in case of low enough noise. The suggested teaching method is based on modern educational technologies constructed by the students and is based on computational and mathematical thinking. The project is not exaggerated but fully compatible with modern teaching, the students’ capabilities, and realistic movement problems.
Καινοτόμα στοιχεία διδασκαλίας στις Φυσικές Επιστήμες και η εφαρμογή τους στην μελέτη των κινήσεων