Παρουσίαση της προσέγγισης που ακολουθήθηκε στο σχολείο μας για την καινοτόμο δράση ΜΙΑ ΝΕΑ ΑΡΧΗ ΣΤΑ ΕΠΑΛ που απευθύνεται πρωτίστως στους μαθητές της Α τάξης.

Το σχολείο μας 6ο ΕΠΑΛ Ηρακλείου είναι Επαγγελματικό Λύκειο στο Ηράκλειο Κρήτης με άριστα εξοπλισμένα εργαστήρια στο συστεγαζόμενο 1ο Εργαστηριακό Κέντρο Ηρακλείου. Δίνουμε έμφαση στη μέθοδο project και στις καινοτόμες δράσεις και συμμετέχουμε σε πολλά προγράμματα όπως Αειφόρου Σχολείου, Σχολεία Πρέσβεις του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου, ERASMUS+.
Το σχολείο έχει τεχνικές ειδικότητες Μηχανολογίας, Ηλεκτρολογίας και Ηλεκτρονικής. Οι μαθητές έχουν εισαγωγικά θεωρητικά μαθήματα στην Α τάξη καθώς τα εργαστηριακά μαθήματα εισάγονται στη Β τάξη. Οι μαθητές της Α τάξης δεν έχουν εμπειρία από τεχνικής φύσεως κατασκευές. Παρόλα αυτά έχουν τη θέληση να δημιουργήσουν και να πειραματιστούν.
Ως συντονίστρια του 6ου ΕΠΑΛ Ηρακλείου, σε συνεννόηση με τους εκπαιδευτικούς Γενικής Παιδείας και Ειδικοτήτων προτείναμε ένα σύνολο από STEAM related projects (μηχανολογικές κατασκευές, τεχνολογικές κατασκευές, υδροπονία, διαμόρφωση περιβάλλοντος χώρου κ,ο,κ) τις οποίες συνδέσαμε μεταξύ τους και με την ύλη των μαθημάτων.
Έτσι για παράδειγμα οι μαθητές έκαναν από την αρχή μία κατασκευή για θερμοκήπιο (ανάλυση, εύρεση υλικών, μετρήσεις, κοπή, βαφή – Μαθηματικά & Μηχανολογία), το διαμόρφωσαν για υδροπονία (εγκατάσταση νεροσταλακτών και φύτευση – Χημεία, Βιολογία), εγκατέστησαν συσκευές για την ανίχνευση της υγρασίας των φυτών (Προγραμματισμός Arduino – Πληροφορική) και ζωγράφισαν τις γλάστρες και τους τοίχους (Τέχνη).
Παρά την πίεση του χρόνου, οι δράσεις υλοποιήθηκαν επιτυχώς και οι μαθητές ανταποκρίθηκαν με ενθουσιασμό. Χρησιμοποιήσαμε ώρες από τα μαθήματα Ερευνητική Εργασία στην Τεχνολογία και Ζώνη Δημιουργικών Δραστηριοτήτων καθώς και ώρες από τα αντίστοιχα μαθήματα Γενικής Παιδείας και Επιλογής της Α τάξης.
Φροντίσαμε σε όλες τις δράσεις να ακολουθήσουμε μία σφαιρική προσέγγιση έτσι ώστε οι μαθητές να έχουν την ευκαιρία να μάθουν μέσα από το πράττειν γνώσεις και δεξιότητες που θα τους είναι χρήσιμες στη μετέπειτα πορεία μαθησιακή τους πορεία, ανεξάρτητα του Τομέα ή της Ειδικότητας που θα ακολουθήσουν στη Β τάξη.

Περίληψη

Η Υπολογιστική Παιδαγωγική επεκτείνει το μοντέλο TPACK στο CPACK ενσωματώνοντας την Υπολογιστική Σκέψη, τις έννοιες computing ,computation και computational , την Επιστημολογία των Μηχανικών και την Υπολογιστική Επιστήμη, στο επιστημολογικό περιεχόμενο του STEM. 
Αιτιολογείται η ανάγκη της Υπολογιστικής Παιδαγωγικής στα αναλυτικά προγράμματα σπουδών σε όλες τις βαθμίδες της εκπαίδευσης και σε προγράμματα επιμόρφωσης.

Παρουσιάζονται παραδείγματα υπολογισμών μέσα στο πλαίσιο του υπολογιστικού πειράματος όπου οι εκπαιδευόμενοι εμπλέκονται στην επιστημολογία του STEM μέσω εφαρμογής crosscutting ιδεών σε πραγματικά προβλήματα όπου συλλέγονται και αναλύονται δεδομένα μέσω προσομοίωσης μοντέλων.

Εισαγωγή

Για την εισαγωγή και καθιέρωση μιας αποδεκτής επιστημολογίας για το STEM χρειάζεται η εισαγωγή των όρων «υπολογιστική σκέψη», «computing», της επιστημολογίας των Μηχανικών(engineering epistemology) και της Υπολογιστικής Επιστήμης(Computational Science).Η Wing (2006) εισήγαγε τον όρο «Υπολογιστική Σκέψη»-Υ.Σ. ως μια βασική ικανότητα που πρέπει να έχουν οι εκπαιδευόμενοι συμπληρωματικά με τις άλλες τρεις βασικές δεξιότητες, την ανάγνωση, τη γραφή και την αριθμητική. Η Υ.Σ. περιλαμβάνει την επίλυση προβλήματος, το σχεδιασμό συστημάτων και την κατανόηση της ανθρώπινης συμπεριφοράς, βασιζόμενη σε έννοιες που είναι θεμελιώδεις στην Επιστήμη των Υπολογιστών( Ε.Υ.).Μετά την Wing πολλοί ερευνητές έκαναν προσπάθειες ενός πληρέστερου προσδιορισμού του όρου αυτού (π.χ. Selby & Woolard, 2013, Ψυχάρης & Καλοβρέκτης, 2017). Αν και η έννοια της Υ.Σ. αντιπροσωπεύει σε κάθε περίπτωση μια γνωστική διαδικασία, υπάρχουν ερευνητικές εργασίες που θεωρούν ότι θα πρέπει να ενταχθούν σε αυτήν και άλλοι «τύποι» σκέψης,όπως: η λογική σκέψη, η αλγοριθμική σκέψη, η «σκέψη των μηχανικών» και η «μαθηματική σκέψη» (http://eprints.soton.ac.uk/372410/). Συνοψίζοντας μπορούμε να καταλήξουμε ότι κοινά αποδεκτά στοιχεία της Υ.Σ. είναι τα εξής: η αλγοριθμική σκέψη, η αναγνώριση προτύπων, η τμηματοποίηση του προβλήματος, ο αλγόριθμος και η γενίκευση. Στην χώρα μας δεν είναι εμφανές ότι έχουν ληφθεί τα παραπάνω για την ένταξη των διαστάσεων της Υ.Σ. στα αναλυτικά προγράμματα. Αντίθετα, η έμφαση δίνεται στις Τ.Π.Ε. και όχι στην Υ.Σ και στο STEM . Στην Ευρωπαϊκή Ένωση ,(βλ. π.χ. http://www.eun.org/projects/detail?articleId=674468 «The Computational Thinking Study» ,http://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/bitstream/JRC104188/jrc1, http://www.europarl.europa.eu/committees/en/ θα παρατηρήσουμε την τεκμηρίωση για την μετάβαση από τις Τ.Π.Ε. στην Υ.Σ. και το STEM. Στην βιβλιογραφία υπάρχουν αντιφατικές απόψεις σχετικά με τους όρους computing, computation και computational ενώ τα ερευνητικά άρθρα άλλοτε χρησιμοποιούν αυτές τις έννοιες ως ισοδύναμες και άλλες φορές τις διαφοροποιούν (Psycharis,2018a).Σύμφωνα με την Wing (2008) «computing» είναι το πεδίο που περιλαμβάνει την επιστήμη των υπολογιστών (computer science), το computer engineering, την επιστήμη της πληροφορίας και την τεχνολογία της πληροφορίας. Οι Katehi κ.α.. (2009) εντάσσουν το «computing» στο πλαίσιο της «σχεδίασης των μηχανικών» και των εφαρμογών των μαθηματικών (π.χ. σχεδιασμό σημάτων, υπολογισμό θέσεων σε σύστημα αναφοράς, δυναμική συστημάτων κλπ). Ο όρος computation εμφανίζεται σε πολλά ερευνητικά άρθρα. Για παράδειγμα οι (Jona κ.α.. ,2014) θεωρούν ότι το «computation» είναι μια θεμελιώδης έννοια που εντάσσεται στο STEM. Κάθε γνωστική περιοχή του STEM έχει πλέον ένα computational τμήμα, για παράδειγμα Computational Engineering, Bioinformatics κλπ . Από την βιβλιογραφία προκύπτει ότι υπάρχει σαφής σύνδεση μεταξύ των όρων computation και computational. Σύμφωνα με τους (Weintrop κ.α., (2015), «η μεταφορά υπολογιστικών(computational) εργαλείων και πρακτικών στα μαθήματα των Μαθηματικών και των Φυσικών Επιστημών, δίνει στους εκπαιδευόμενους μια πιο ρεαλιστική άποψη για αυτές τις γνωστικές περιοχές, ενώ από παιδαγωγική άποψη η νοηματοδοτούμενη χρήση των υπολογιστικών εργαλείων μπορεί να οδηγήσει σε βαθύτερη κατανόηση και μάθηση» (e.g. National Research Council 2011,Ψυχάρης & Καλοβρέκτης,2017). Οι Pedaste & Palts (2017) εισάγουν τον όρο «υπολογιστική μάθηση- computational learning» ως μια επαναληπτκή και αλληλεπιδραστική διαδικασία ανάμεσα στους εκπαιδευόμενους και στο μοντέλο του υπολογισμού(computation). Οι συγγραφείς θεωρούν την Υπολογιστική Επιστήμη ως υπερσύνολο του computing. Υπάρχουν απόψεις, όπως για παράδειγμα αυτή του Next Generation Science Standards (NGSS , 2013 ), που τονίζει την ανάγκη για μεταρρύθμιση στην εκπαίδευση των επιστημών η οποία θα πρέπει να προκύψει από την εισαγωγή του περιεχομένου της «Μηχανικής» αλλά και των πρακτικών της «Μηχανικής» στο αναλυτικό πρόγραμμα. Σύμφωνα με την Shirey(2017) η «Μηχανική» μπορεί να διαιρεθεί σε «περιεχόμενο της Μηχανικής» και σε «σχεδιασμό με την Μηχανική» (the discipline of engineering can be divided into engineering content and engineering design). Το περιεχόμενο της «Μηχανικής» προκύπτει από την «τομή» των επιστημών(π.χ. Φυσική, Βιολογία, Χημεία) και των Μαθηματικών η οποία παρέχει τα εργαλεία τα οποία μπορεί να χρησιμοποιήσει ο Μηχανικός για να σχεδιάσει λύσεις σε συγκεκριμένα προβλήματα βασιζόμενος σε κριτήρια και περιορισμούς, ώστε να κατανοηθούν σε ένα βαθύτερο επίπεδο οι έννοιες που περιέχονται στα γνωστικά αντικείμενα του STEM. Ο «σχεδιασμός της Μηχανικής» συνδέεται με την υλοποίηση ενός επαναληπτικού σχεδίου όπου θα ορίζεται το πρόβλημα, θα προτείνονται μέθοδοι για την λύση του, και στη συνέχεια θα υπάρχει μια συστηματικός τρόπος υλοποίησης με έλεγχο και βελτιώσεις μέσω αφαιρετικών διαδικασιών και μοντελοποιήσεων. Η διαδικασία αυτή θεωρείται ότι αποτελεί και μια διδακτική στρατηγική που εντάσσεται στην «επίλυση προβλήματος», ειδικότερα των προβλημάτων που δεν είναι σαφώς ορισμένα(ill defined problems). Σύμφωνα με τους (Taub κ.α.,2015) «η Υπολογιστική Επιστήμη»-Computational Science- είναι ένα αναπτυσσόμενο επιστημονικό πεδίο που περιλαμβάνει τον σχεδιασμό υπολογιστικών μοντέλων επιστημονικών φαινομένων. Το πεδίο αυτό συνδυάζει την επιστήμη, την επιστήμη των υπολογιστών(computer science) και τα εφαρμοσμένα μαθηματικά σκοπό να λύσει πολύπλοκα επιστημονικά προβλήματα». Σύμφωνα με τους (Taub κ.α,,2013),η Υπολογιστική Επιστήμη ως επιστημονικό πεδίο ασχολείται με την κατασκευή υπολογιστικών μοντέλων και επιστημολογικά χαρακτηρίζεται ως διεπιστημονικό πεδίο, ενώ διδάσκεται στα Πανεπιστήμια ενώ πρόσφατα έχει εισαχθεί και στην σχολική εκπαίδευση.Η επιστημολογία STEM στηρίζεται στην διεπιστημονική ή/και δια-επιστημονική προσέγγιση ενός ολιστικού προγράμματος με την προσέγγιση περιεχομένου(Content integration) η οποία εστιάζει στην ένωση σε μια μοναδική σε μια μοναδική δραστηριότητα αναλυτικού προγράμματος ώστε να «μελετηθούν» οι «μεγάλες/crosscutting ιδέες» από πολλαπλές γνωστικές περιοχές.

Στο άρθρο των Yasar et al. (2016) εμφανίζονται οι όροι computing και computational και οι συγγραφείς δηλώνουν ότι «η υπολογιστική παιδαγωγική(computational pedagogy) είναι το αποτέλεσμα της ολοκλήρωσης του computing, των Μαθηματικών, της Επιστήμης και της Τεχνολογίας ».Οι συγγραφείς επίσης δηλώνουν ότι η υπολογιστική μοντελοποίηση και προσομοίωση – Computational Modeling and Simulation (CMST)-είναι επέκταση της τεχνολογικής παιδαγωγικής γνώσης (TPACK). Σύμφωνα με τους (Psycharis,2016; Psycharis 2018a,b) η Υπολογιστική Παιδαγωγική προκύπτει από την «ολοκλήρωση» της Υπολογιστικής Σκέψης, του computing, της Υπολογιστικής Επιστήμης και της επιστημολογίας περιεχομένου του STEM και αντικαθιστά τις ΤΠΕ στην εκπαίδευση, ενώ ηΥπολογιστική Παιδαγωγική μπορεί να συνδεθεί και με την ολοκλήρωση της τέχνης με το STEM μέσω του computing, όπως προκύπτει από την βιβλιογραφία(βλ. π.χ. Adams,2008;Land,2013; STEAM into STEM: Linking to the Australian Curriculum http://www.acsa.edu.au/pages/images/STEAM%20into%20STEM%20Linking%20to%20the%20Australian%20Curriculum.pdf,2018)

Βιβλιογραφία

Adams, J. B. Computational Science as a Twenty-First Century Discipline in the Liberal Arts. Journal of Computing Sciences in Colleges, 23(5), May 2008, pp. 15–23.

Jona, K., Wilensky, U., Trouille, L., Horn, M. S., Orton, K., Weintrop, D., & Beheshti, E. (2014). Embedding computational thinking in science, technology, engineering, and math (CT-STEM). In future directions in computer science education summit meeting, Orlando, FL

Katehi, L., Pearson G., & Feder M. (2009). Engineering in K-12 education: Understanding the status and improving the prospects. Washington, DC: National Academy of Engineering and National Research Council.

Land, M. H. (2013). Full STEAM Ahead: The Benefits of Integrating the Arts Into STEM. Procedia Computer Science, 20, 547-552.

NGSS Lead States. Next generation science standards: For states, by states. (National Academies Press, 2013).

National Research Council. (2011) Report of a workshop of pedagogical aspects of computational thinking. The National Academies Press, Washington, DC

Pedaste,M., & Palts,T.(2017). Tasks for Assessing Skills of Computational Thinking. The 2017 ACM Conference

Psycharis, S. (2016). ‘The Impact of Computational Experiment and Formative Assessment in Inquiry Based Teaching and Learning Approach in STEM Education ; Journal of Science Education, and Technology 25(2),316-326 (JOST) DOI 10.1007/s10956-015-9595-z

Psycharis, S (2018a) STEAM in Education: A Literature review on the role of Computational Thinking, Engineering Epistemology and Computational Science. Computational STEAM Pedagogy (CSP). SCIENTIFIC CULTURE, Vol.4, No.2, 51-72. https://sci-cult.com

Psycharis, S. (2018b). Computational Thinking, Engineering Epistemology and STEM Epistemology: A primary approach to Computational Pedagogy (ICL, 2018)

Selby, C., & Woollard, J. (2013). Computational thinking: the developing definition.University of Southampton (E-prints) 6pp. Retrieved from: https://eprints.soton.ac.uk/372410/1/372410UnderstdCT.pdf

Shirey, K. (2017). Teacher Productive Resources for Engineering Design Integration in High School Physics Instruction (Fundamental). In: Proceedings of the 2017 ASEE Annual Conference, Columbus, OH, June 2017

Taub, R., Armoni, M., & Ben-Ari, M. (2013). The Contribution of Computer Science to Learning Computational Physics. In I. Diethelm & R. Mittermeir (Eds.), Informatics in Schools. Sustainable Informatics Education for Pupils of all Ages (Vol. 7780, pp. 127-137): Springer Berlin Heidelberg.

Taub, R., Armoni, M., Bagno, E., & Ben-Ari, M. (2015). The effect of computer science on physics understanding in a computational science environment. Computers & Education 87, 10-23.

Weintrop, D., Beheshti, E., Horn, M., Orton, K., Jona, K., Trouille, L., &Wilensky, U. (2016). Defining Computational Thinking for Mathematics and Science Classrooms. Journal of Science Education and Technology, 25(1), 127-147. DOI: 10.1007/s10956-015-9581-5

Wing, J. M .(2006). Computational thinking. Communications of the ACM, 49, 33-35.

Wing, J. M. (2008). Computational thinking and thinking about computing. Philosophical transactions of the royal society of London. A: mathematical, physical and engineering sciences, 366(1881), 3717-3725

Yasar O., Veronesi P., Maliekal J., Little L. J., Vattana S. E. & Yeter I. H. (2016). Presented at: ASEE Annual Conference and Exposition. Presented: June 2016. Project: SCOLLARCIT

Ψυχάρης, Σ. & Καλοβρέκτης, Κ. (2018). Διδακτική & Σχεδιασμός Εκπαιδευτικών Δραστηριοτήτων STEM & ΤΠΕ. Θεσσαλονίκη: Τζιόλ. ISBN 9789604187065

Οι εκπαιδευτικές επισκέψεις επιστρέφουν στην σχολική τάξη και αποτελούν διδακτικό εργαλείο για τα μαθήματα των θετικών επιστημών και μέσο καλλιέργειας δεξιοτήτων.
Οι μαθητές κατάφεραν να αναδείξουν την αξία και τον ρόλο των Μαθηματικών μέσα από την σύνδεση με τον κόσμο της Τέχνης, των Μουσείων, αλλά και με τον ίδια την καθημερινή ζωή. Οι μαθητές μας γίνονται οι ίδιοι συντάκτες και λύτες μαθηματικών προβλημάτων , δημιουργοί μαθηματικών ιστοριών, σχεδιαστές τρισδιάστατων ψηφιακών αντικειμένων που πλαισιώνονται από μαθηματικά προβλήματα και τέλος τα πρωτότυπα τεχνήματα τους μεταφέρουν τα δικά τους μαθηματικά μηνύματα γνώσεων με έναν ιδιαίτερα καινοτόμο τρόπο.

Αφετηρία αποτελεί η εκπαιδευτική επίσκεψη στην έκθεση μαθηματικών «Όλα είναι αριθμός» , όπου η ομορφία των πινάκων ζωγραφικής γίνεται αντικείμενο μελέτης γεωμετρικών εννοιών και προβλημάτων.
Πίνακες Ζωγραφικής & Γεωμετρικά Προβλήματα

Το Μουσείο Αρχαίας Ελληνικής τεχνολογίας , μετά από την εκπαιδευτική επίσκεψη των μαθητών, επιστρέφει στην σχολική τάξη, καθώς οι μαθητές μεταφέρουν και αξιοποιούν τις γνώσεις τους από τις θετικές επιστήμες πάνω στα εκθέματα του για την σύνθεση και επίλυση προβλημάτων.

Εκθέματα Μουσείου Αρχαίας Τεχνολογίας & Προβλήματα Θετικών Επιστημών

Αλλά και τα ίδια αντικείμενα του φυσικού μας χώρου πλαισιωνονται μεσα απο πρωτότυπες μαθηματικές ιστορίες, με βασικό στοιχείο την επίλυση μαθηματικών προβλημάτων.

Τέλος, πρωτότυποι σχεδιασμοί τεχνηματων και τρισδιάστατων αντικειμένων επικυρώνουν την δημιουργική και ενεργή σύνδεση των Μαθηματικών με την Τέχνη.

https://portal.opendiscoveryspace.eu/…/stem-art-m-museum-85…

Το καινοτόμο διεπιστημονικό σενάριο, το οποίο αποτελεί σχέδιο βιώσιμης ανάπτυξης για την προστασία του περιβάλλοντος, υλοποιήθηκε στα πλαίσια του Ευρωπαϊκού έργου «Open Schools for Open Societies». Έχει ως βασικό την σύνδεση των γνωστικών περιοχών των μαθημάτων των θετικών επιστημών και λειτουργεί ως γέφυρα για την σύνδεση των γνώσεων τους (σχολείο) με την μελέτη προβλημάτων(κοινωνία). Βασικό χαρακτηριστικό αποτελεί η άναληψη πολλαπλών ρόλων από τους μαθητές με στόχο την πολύπλευρη ανάπτυξη της προσωπικότητας τους και των δεξιοτήτων που απαιτεί η σύγχρονη κοινωνική πραγματικότητα.
Αναλυτικότερα η δομή του διδακτικού σεναρίου για την αειφορία :
-Μελέτη του φαινομένου της κλιματικής αλλαγής (αιτίες και συνέπειες).
-Πλήρης μελέτη μετεωρολογικών δεδομένων σε παγκόσμια κλίμακα από βάσεις δεδομένων για την καταγραφή των αλλαγών στο κλίμα του πλανήτη. Ιδιαίτερη αναφορά για την Αρκτική και τις μεταβαλλόμενες συνθήκες που παρατηρούνται. Για τον Ελλαδικό χώρο συνεργασία με μετεωρολογικούς σταθμούς για την πρόσβαση στα μετεωρολογικά δεδομένα των τελευταίων δεκαετιών.
Οι ρυπογόνες ουσίες της ατμόσφαιρας & ο συσχετισμός τους με το φαινόμενο της κλιματικής αλλαγής. Συνεργασία με ειδικούς φορείς για την πρόσβαση σε δεδομένα για τα ποσοστά αέριων ρύπων της Αθήνας.
-Η κατανάλωση ενέργειας και η αύξηση του διοξειδίου του άνθρακα. Έρευνα των μαθητών σε επίπεδο σχολικής μονάδας αλλά και της ευρύτερης τοπικής κοινότητας (ίσως και σε εθνικό επίπεδο) για την καταγραφή του «ενεργειακού αποτυπώματος».
-Λύσεις και προτάσεις για την αντιστάθμιση του διοξειδίου του άνθρακα ξεκινώντας από την διατροφή , τις καθημερινές συνήθειες και φτάνοντας μέχρι και τον σχεδιασμό εναλλακτικών διαδρομών και μέσω μεταφοράς.
-Τα κορίτσια ως επιστήμονες μηχανολόγοι καταρρίπτουν τους μύθους στερεότυπων και σχεδιάζουν συσκευές για εναλλακτικές μορφές ενέργειας πχ ισοθερμικά πάνελ.
-Η συμβολή της βιοτεχνολογίας στην προστασία από τις ασθένειες που προκαλούνται από ρυπογόνες ουσίες.
Οι μαθητές ως επιστήμονες μελετούν αιτίες, ως μέλη του κοινωνικού συνόλου προβληματίζονται και αναζητούν λύσεις, ως μέλη της πολιτικής προστασίας καταθέτουν προτάσεις. Αναλαμβάνουν τον ρόλο μέλους «επιστήμης των πολιτών» όπου διερευνούν πολλές και διαφορετικές πτυχές του φαινομένου της κλιματικής αλλαγής από πραγματικά δεδομένα (μετεωρολογία, ρυπογόνες ουσίες). Επικεντρωνονται στην κατάθεση προτάσεων για την μείωση των εκπομπών του διοξεδίου του άνθρακα με συγκεκριμένες λύσεις (διαιτολόγιο, μεταφορές, εναλλακτικοί σταθμοί παραγωγής ενέργειας κλπ). Σε αυτό το πλαίσιο προτεραιότητα έχει η ισότητα των δύο φύλων στην ανάληψη ρόλων, συνεργατικά παιχνίδια και συζητήσεις για ηθικά ζητήματα που ανακύπτουν από την βιοτεχνολογία.
Το σενάριο αυτό εκτός από οδηγός βιώσιμης ανάπτυξης και ευαισθητοποίησης για κρίσιμα ζητήματα δίνει την δυνατότητα σε κάθε σχολική μονάδα για την συνεργασία των εκπαιδευτικών απο διαφορετικές ειδικότητες και την σύνδεση του με επιστημονικούς φορείς και τοπικούς φορείς.
https://portal.opendiscoveryspace.eu/en/osos-project/sustainable-development-guide-protection-enviroment-854031
https://portal.opendiscoveryspace.eu/en/osos_authoring_tool/view/854031/853955

ΕΜΠΛΕΚΟΜΕΝΑ ΓΝΩΣΤΙΚΑ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΑ
Τα γνωστικά αντικείμενα που εμπλέκονται είναι η Φυσική, βασικές αρχές της Μηχανικής, τα Μαθηματικά και η Πληροφορική .
ΠΡΩΤΟΤΥΠΙΑ
Το προτεινόμενο σενάριο ακολουθεί διαφορετική προσέγγιση από το τυπικό, συμβατικό μάθημα αλλά και από ένα μάθημα ομίλου ρομποτικής ακολουθώντας τις αρχές της STEM εκπαίδευσης και της Υπολογιστικής Σκέψης.
ΤΑΞΗ ΑΝΑΦΟΡΑΣ
Το σενάριο προτείνεται για μαθητές Γυμνασίου.
ΠΑΙΔΑΓΩΓΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ
Η παιδαγωγική προσέγγιση που ακολουθείται είναι η βιωματική μάθηση, με διερευνητικές, ομαδοσυνεργατικές διαδικασίες, μέσω της επίλυσης προβλήματος.

ΣΥΜΒΑΤΟΤΗΤΑ ΜΕ ΤΟ ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ
Το σενάριο είναι συμβατό με το ΔΕΠΠΣ και το ΑΠΣ.
Όσο αναφορά τη Φυσική και την Τεχνολογία οι μαθητές πειραματίζονται με απλά υλικά και μέσω ελέγχου μεταβλητών παρατηρούν και καταλήγουν σε συμπεράσματα για το σχήμα, το πλήθος και την τοποθέτηση των πτερυγίων σε μία ανεμογεννήτρια. Επίσης, κατανοούν πως μπορούν να χρησιμοποιήσουν ένα μοτέρ DC σαν γεννήτρια ηλεκτρικού ρεύματος. Στα Μαθηματικά εμπεδώνουν τις γνώσεις τους για τα γεωμετρικά σχήματα και τις μονάδες μέτρησης μήκους και επιφάνειας, εξασκούνται στη συλλογή δεδομένων, στη δημιουργία διαγραμμάτων και γραφικών παραστάσεων. Στην Πληροφορική, μέσω του προγραμματισμού προσεγγίζουν τις δομές επιλογής και επανάληψης, τις έννοιες της μεταβλητής και των τελεστών.

ΔΙΔΑΚΤΙΚΟΙ ΣΤΟΧΟΙ
Οι μαθητές με την ολοκλήρωση της διαδικασίας θα πρέπει :
Γνωστικοί στόχοι
• να γνωρίζουν τις αρχές λειτουργίας μιας γεννήτριας ηλεκτρικού ρεύματος.
• να δημιουργούν και να ερμηνεύουν διαγράμματα.
• να συνειδητοποιήσουν το σημαντικό ρόλο των Ανεμογεννητριών ως καθαρή πηγή ενέργειας φιλική στο περιβάλλον και την επίδρασή τους στις κοινωνίες .

Στόχοι δεξιοτήτων:
• να χρησιμοποιούν δημιουργικά τα απλά υλικά στις κατασκευές τους.
• να ελέγχουν την επίδραση μεταβλητών στα αποτελέσματά τους.
• να χρησιμοποιούν και να προγραμματίζουν το μικροελεγκτή Arduino.

Στάσεις- συμπεριφορές:
• να εργάζονται συνεργατικά
• να δικαιολογούν τις απόψεις τους.

ΕΚΤΙΜΩΜΕΝΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ
Η συνολική διάρκεια εφαρμογής του σεναρίου εκτιμάται στις πέντε (5) διδακτικές ώρες.
ΡΟΛΟΙ
Για την υλοποίηση του σεναρίου οι μαθητές χωρίζονται σε ομάδες των τριών ή τεσσάρων ατόμων. Ο εκπαιδευτικός έχει ρόλο συντονιστικό και καθοδηγητικό και ως χώρος εφαρμογής προτείνεται το εργαστήριο υπολογιστών ή και τεχνολογίας.

ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑΣ
Με αφόρμηση από σχετικά βίντεο ο εκπαιδευτικός συζητά με τους μαθητές για τις βασικές αρχές λειτουργίας των Ανεμογεννητριών και τους αναθέτει να αναζητήσουν σχετικές πληροφορίες.
Στη συνέχεια οι μαθητές κάθε ομάδας συζητούν και καταλήγουν σε ένα αρχικό σχέδιο της Ανεμογεννήτριας. Τα υλικά που διαθέτουν για την κατασκευή τους είναι:
• Μακετόχαρτο, Ξύλινες σπάτουλες
• Σιλικόνη για τις κολλήσεις, Κοπίδι, Δετικά
• Σεσουάρ
• Μικροεπεξεργαστής Arduino
• Κινητήρας DC
• Led, και καλώδια
Κατασκευάζουν έλικες με τρία, τέσσερα ή και περισσότερα πτερύγια και διαφορετικά σχήματα, στερεώνουν τις έλικες στο μοτέρ. Πειραματίζονται, χρησιμοποιώντας το σεσουάρ, για το ποια μορφή έλικας και με πόσα πτερύγια, όταν περιστρέφεται δημιουργεί μεγαλύτερη διαφορά δυναμικού στα άκρα του μοτέρ. Αρχικά, παίρνουν τις μετρήσεις τους χρησιμοποιώντας ένα βολτόμετρο και δημιουργούν πίνακες και διαγράμματα για την καλύτερη καταγραφή και απεικόνιση των δεδομένων τους.
Η διαφορά του δυναμικού που δημιουργείται στα άκρα της γεννήτριας (μοτέρ) λόγω του σχετικά μικρού αριθμού περιστροφών δεν είναι επαρκής για να ανάψει απευθείας ένα led. Οπότε, χρησιμοποιούμε το Arduino συνδέοντας τον ένα πόλο του μοτέρ με μια αναλογική θύρα στο Arduino και το άλλο με το Ground. Προγραμματίζουν το Arduino με Ardublock έτσι ώστε ανάλογα με την τάση στους πόλους της γεννήτριας να ανάβει και διαφορετικό χρώματος led.

Η ενασχόληση των μαθητών/τριων προσχολικής ηλικίας με θέματα που αφορούν τις Φυσικές Επιστήμες δίνει πολλές ευκαιρίες μάθησης τόσο σε επιστημονικό επίπεδο όσο και σε κοινωνικό επίπεδο. Δίνει την ευκαιρία στα μικρά παιδιά να διατυπώσουν υποθέσεις και ερωτήματα, να κάνουν προσεκτικές παρατηρήσεις, να εμπλακούν σε απλές, να αναπτύξουν δοκιμαστικές εξηγήσεις και ιδέες (Worth K., 2010). Οι γνώσεις για τον τρόπο με τον οποίο οι άνθρωποι μαθαίνουν έχουν διαφοροποιηθεί σημαντικά τις τελευταίες δεκαετίες. Η επιτυχία στη μάθηση είναι εφικτή όταν ο μαθητευόμενος βρίσκεται στο επίκεντρο της εμπειρίας, δημιουργώντας διασυνδέσεις μεταξύ των γνωστικών αντικειμένων και του περιβάλλοντος (Alade, Lauricella, Beaudoin-Ryan & Wartella 2016).
Στην παρούσα εισήγηση θα παρουσιαστεί, η συμμετοχή του 2ου Νηπιαγωγείου Περάματος στο STEM Discovery Week, που υλοποιήθηκε 23 – 29 Απριλίου 2018 κατά το σχολικό έτος 2017 – 2018. Η εβδομάδα STEM αποτελεί μια κοινή διεθνή πρωτοβουλία που προσκαλεί προσκαλεί σχολεία, οργανισμούς και προγράμματα όχι μόνο στην Ευρώπη αλλά και σε όλο τον κόσμο να να προωθήσουν τις σπουδές και την επαγγελματική εξέλιξη των μαθητών στο πεδίο του STEM (Επιστήμη, Τεχνολογία, Μηχανική και Μαθηματικά). Ο τίτλος της καμπάνιας για το 2018 “say yes to STEM”.
Το 2ο Νηπιαγωγείο Περάματος υλοποίησε μία εκπαιδευτική δράση με τίτλο ” Junior Cosmonauts in Action”. Για δύο εβδομάδες οι μαθητές του Νηπιαγωγείου συμμετείχαν σε ένα πρόγραμμα που σχετίζεται με την αστρονομία, την ανάπτυξη διαστημικής συνείδησης, γνώρισαν το ηλιακό σύστημα, το διάστημα, τους αστροναύτες και ενεπλάκησαν σε μια σειρά δραστηριοτήτων οι οποίες βασίστηκαν στις ιδέες των ίδιων των παιδιών. Δημιούργησαν μια ψηφιακή ιστορία σχετικά με το διάστημα τους, πλανήτες και τους αστροναύτες, σχεδίασαν και δημιούργησαν παιχνίδια μνήμης και πάζλ αξιοποιώντας διαδικτυακά συνεργατικά εργαλεία (web 2.0 tools). Παράλληλα δημιούργησαν πίνακες ζωγραφικής εμπνεόμενοι από το ηλιακό σύστημα, ενώ χρησιμοποίησαν ποικίλα υλικά και τεχνικές για τη δημιουργία των εικαστικών τους έργων (πηλός, κολάζ κτλ). Επίσης αξιοποίησαν το επιδαπέδιο ρομποτ beebot σε ποικίλες δράσεις, αλλά και υλικό από την πλατφόρμα του Scientix και πιο συγκεκριμένα από το http://astroedu.iau.org. Στο τέλος της δράσης όλες οι δημιουργίες των μαθητών αλλά και το παραγόμενο υλικό, είναι πλέον διαθέσιμο στην ιστοσελίδα του Νηπιαγωγείου https://blogs.sch.gr/2nippera/stem-discovery-week/, προκειμένου να αποτελέσει πρόσκληση και για άλλα σχολεία να συμμετάσχουν στο STEM Discovery Week.

Δρ. Απόστολος Ξενάκης, Π.Δ. 407/80 Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας, Δρ. Κωνσταντίνος Kαλοβρέκτης Σπύρος Μπρέντας – Πληροφορικός, απόφοιτος ΕΠΠΑΙΚ ΑΣΠΑΙΤΕ Βόλου

Η ρομποτική στην εποχή μας συνεχώς αναπτύσσεται και εξελίσσεται καταλαμβάνοντας έτσι ένα σημαντικό κομμάτι της κοινωνίας μας. Συνέπεια αυτού είναι να εισχωρήσει και στην εκπαίδευση προτρέποντάς μας να αντιληφθούμε καλύτερα μία μεγάλη περιοχή μάθησης. Σκοπός της εισχώρησης αυτής δεν είναι η αντικατάσταση του εκπαιδευτικού αλλά να γίνει ένα σημαντικό εργαλείο και να δρα επικουρικά στη διαδικασία μάθησης. Με πλεονεκτήματα όπως η αλληλεπίδραση, το μεγάλο εύρος διαθεματικών ενοτήτων και προπαντός η φιλική από τα παιδιά αντιμετώπιση, κάνει τη ρομποτική το όχημα για τη διδασκαλία με τη μεθοδολογία της διεπιστημονικότητας. Πεδία των Φυσικών Επιστημών, της Τεχνολογίας, της Επιστήμης των Μηχανικών και των Μαθηματικών μπορούν να κατανοηθούν εάν προσεγγιστούν μέσα από το σχεδιασμό της διδασκαλίας STEM.

Αυτό ήταν και το έναυσμά μας ώστε να πραγματοποιήσουμε την εναλλακτική αυτή διδακτική προσέγγιση, ώστε να δημιουργηθεί ένα ομαδοσυνεργατικό μαθησιακό περιβάλλον, προκειμένου να επιτευχθεί η ομαλή επαφή των μαθητών με την εκπαιδευτική ρομποτική, αποβάλλοντας το ενδεχόμενο άγχος που μπορεί να προκύπτει από έννοιες που προκαλούν παρανόηση και σύγχυση. Συνάμα να επιτευχθεί η σταδιακή εξοικείωσή τους με τους τρόπους προσέγγισης αυτής μέσα από το φιλικό προγραμματιστικό περιβάλλον Ardublock και της πλατφόρμας Arduino. Οι μαθητές θα εμπλακούν και θα ενεργοποιηθούν με την παρουσίαση μίας έτοιμης ρομποτικής κατασκευής από ανακυκλώσιμα υλικά. Θα εξερευνήσουν την κατασκευή αυτή, δηλαδή από τι υλικά αποτελείτε, πως συναρμολογήθηκε, πως πραγματοποιείτε η κίνησή της, απομυθοποιώντας έτσι τις ρομποτικές κατασκευές και θα αντιληφθούν ότι δεν είναι τίποτα παραπάνω από προγραμματιζόμενες μηχανές. Θα ενθαρρυνθούν να κατασκευάσουν το «σώμα» μίας τέτοιας ρομποτικής κατασκευής με απλά ανακυκλώσιμα υλικά. Επιπλέον είναι δυνατόν να προτραπούν να αναζητήσουν, δημιουργικά, νέα ανακυκλώσιμα υλικά όπου αυτό είναι εφικτό, ώστε να αντικαταστήσουν τα προτεινόμενα υλικά κατασκευής. Κατόπιν να διερευνήσουν τις βασικές έννοιες και δομές προγραμματισμού που απαιτούνται έτσι ώστε να δώσουν «ζωή» στη ρομποτική κατασκευή ξεπερνώντας μαθησιακές δυσκολίες, αυξάνοντας έτσι το αίσθημα αυτοπεποίθησης και ικανοποίησης. Με κίνητρο την ενεργοποίηση της κατασκευής, θα δημιουργήσουν τμήματα κώδικα που απαιτούνται για τις επί μέρους λειτουργίες της ρομποτικής κατασκευής, θα πειραματιστούν και θα αλληλεπιδράσουν με αυτή. Με αναστοχασμό της νέας γνώσης μέσα από την πορεία απόκτησής της θα συνθέσουν τελικά τα τμήματα που απαιτούνται, ώστε να καταστήσουν τη ρομποτική κατασκευή λειτουργική.

Η κατασκευή

Η κατασκευή βασίζεται αποκλειστικά σε ανακυκλωμένα υλικά, εύκολα να εντοπιστούν, έτσι ώστε ο μαθητής να μυηθεί στο σκεπτικό της ανακύκλωσης και επαναχρησιμοποίησης, με σκοπό να γίνει η απαρχή ενός άλλου τρόπου έκφρασης.

Έχει ήδη δημιουργηθεί ένας οδηγός κατασκευής όπου προτείνονται ενδεικτικά υλικά και εργαλεία. Ο οδηγός αυτός έχει σκοπό να δοθούν οι κατευθυντήριες γραμμές κατασκευής και όχι η βήμα προς βήμα πιστή εφαρμογή του. Κατά την διαδικασία κατασκευής προτείνεται ο κατασκευαστής να γίνει ευρηματικός και ως προς τα υλικά αλλά και ως προς την κατασκευή, ώστε να εμπλακεί ενεργά στη διαδικασία αναζητώντας και κάνοντας χρήση εναλλακτικών υλικών και τρόπων κατασκευής.

Τα υλικά που προτείνονται είναι τα παρακάτω:

– Χαρτοκιβώτιο 8 χιλ. (σκληρό)

– Χαρτοκιβώτιο 2 χιλ. (μαλακό)

– Ακτίνες ποδηλάτου

– Μεταλλικός άξονας εκτυπωτή διαμέτρου 6 χιλ.

– Στυλό διαρκείας με σωληνάριο μελάνης 6 χιλ.

– Στυλό διαρκείας με σωληνάριο μελάνης 4 χιλ.

– Ηλεκτρικοί κινητήρες συνεχούς ρεύματος

– RGB φωτοδίοδοι (led)

– Υπερηχητικός αισθητήρας απόστασης HC-SR05

– σερβοκινητήρας

– Μπαταρίες τύπου 18650, 3,7V

– Arduino Uno V.3

Τα εργαλεία που προτείνονται είναι τα παρακάτω:

– Ψαλίδι

– Κοπίδι

– Κανόνας (χάρακας)

– Διαβήτης ή σχοινάκι με μολύβι

– Μαρκαδόρος

– Κόλλα χαρτιού ή πιστόλι θερμοκόλλησης

– Ράβδοι θερμοκόλλησης

– Κόλλα στιγμής

– Ηλεκτρικό δράπανο μπαταρίας

– Τρυπάνι 6 χιλ.

Διαδικασία Κατασκευής

Με βάση τον οδηγό κατασκευής η διαδικασία κατασκευής που προτείνεται είναι η παρακάτω.

1. Εύρεση κατάλληλων υλικών και εργαλείων.
2. Σχεδιασμός βάσει μετρήσεων των μερών της κατασκευής όπου απαιτείται και κοπή.
3. Κατασκευή του συστήματος υποστήριξης τροχών.
4. Κατασκευή τροχών.
5. Ολοκλήρωση κατασκευής σώματος και τοποθέτησης ηλεκτρικών κινητήρων συνεχούς ρεύματος.
6. Άνω μέρος κατασκευής.
7. Ολοκλήρωση κατασκευής άνω μέρους και τοποθέτηση ηλεκτρονικών εξαρτημάτων.
8. Κατασκευή ιμάντων μετάδοσης κίνησης.
9. Κατασκευή βραχιόνων.
10. Εφαρμογή άνω μέρους κατασκευής στο σώμα κατασκευής.
11. Τοποθέτηση βραχιόνων στο σώμα κατασκευής.
12. Τοποθέτηση ηλεκτρονικών εξαρτημάτων και καλωδίωση αυτών.
13. Ολοκλήρωση κατασκευής.

Το λογισμικό της κατασκευής

Για τον προγραμματισμό της κατασκευής χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό ανοιχτού κώδικα Ardublock. Το πλεονέκτημα της χρήσης του Ardublock είναι ο οπτικός προγραμματισμός σε αντίθεση με το κλασσικό περιβάλλον Arduino IDE και για το λόγω αυτό επιλέχτηκε. Έτσι ο προγραμματισμός από τους μαθητές γίνεται πιο ελκυστικός καθώς χρησιμοποιούν έτοιμα σύνολα δεδομένων ως ενότητες και «χτίζουν» τις ενότητες αυτές ώστε να δημιουργηθεί ο τελικός κώδικας.

Λειτουργίες ρομποτικής κατασκευής

Οι λειτουργίες που μπορεί να εκτελέσει η ρομποτική κατασκευή είναι οι παρακάτω:

1. Κίνηση εμπρός.
2. Σε περίπτωση εμποδίου

1. Διακοπή κίνησης
2. Οπισθοπορεία
3. Κίνηση άνω μέρους αριστερά και μέτρηση απόστασης εμποδίου
4. Κίνηση άνω μέρους δεξιά και μέτρηση απόστασης εμποδίου
5. Επιλογή κατάλληλης πορείας με στροφή.
6. Αφή φωτοδιόδων (led) RGB ανάλογα με τη λειτουργία όπως παρακάτω:

1. Κίνηση εμπρός, χρώμα πράσινο.
2. Εμπόδιο, χρώμα κόκκινο.
3. Μέτρηση απόστασης εμποδίου, χρώμα μπλε.

Σημειώνουμε ότι οι λειτουργίες που μπορεί να εκτελέσει η ρομποτική κατασκευή σταματούν στην ευρηματικότητα του κατασκευαστή. Στην περίπτωσή μας, επιλέχθηκαν οι παραπάνω βασικές λειτουργίες έτσι ώστε οι μαθητές να μπορέσουν να μάθουν τα βασικά στοιχεία κατασκευής, λειτουργίας και στη συνέχεια να πειραματιστούν, να ανακαλύψουν και να δημιουργήσουν πιο πολύπλοκες κατασκευές.

Τρόποι χρήσης της ρομποτικής κατασκευής ως εποπτικό μέσο διδασκαλίας για STEM δραστηριότητες

Από τα γνωστά για το STEM είναι ότι μεθοδολογία που ακολουθείτε είναι η διεπιστημονικότητα, δηλαδή η επίλυση προβλημάτων με τη χρήση θεωριών, εννοιών και εργαλείων από διάφορες επιστήμες που θα προκαλούσαν την επίλυση. Στην περίπτωσή μας για την ολοκλήρωση της κατασκευής μπορούν και πρέπει να συνδυαστούν σε ορισμένες περιπτώσεις, είτε άμεσα είτε έμμεσα τα γνωστικά πεδία του «STEM». Ενδεικτικά, από τη διαδικασία της αναζήτησης υλικών ακόμη, ο υπολογισμός των διαστάσεων των προς εύρεση χαρτοκιβωτίων μας εμπλέκει με τη Γεωμετρία, δηλαδή με τις βασικές γεωμετρικές έννοιες.Η εμπλοκή αυτή συνεχίζεται κατά το σχεδιασμό των γεωμετρικών σχημάτων στα χαρτοκιβώτια εμπλουτίζοντας τη με την έννοια της συμμετρίας. Κατά την κατασκευή εμπλέκουμε έννοιες της φυσικής όπως για παράδειγμα, ηλεκτρική δύναμη και φορτίο (led – αντιστάσεις), ηλεκτρικό ρεύμα (κύκλωμα ρομπότ), διάθλαση του φωτός (RGB led), κινήσεις (κίνηση ρομπότ), δυνάμεις (κίνηση ρομπότ), διάδοση και ανάκλαση του ήχου (αισθητήρας απόστασης). Ακόμη χρησιμοποιούνται έννοιες των μαθηματικών όπως για παράδειγμα, εξισώσεις και προβλήματα (εύρεση απόστασης, εύρεση PWM κινητήρων), ποσοστά (εύρεση PWM κινητήρων), θετικοί – αρνητικοί αριθμοί (εύρεση PWM κινητήρων). Τέλος χρησιμοποιούνται έννοιες της πληροφορικής όπως για παράδειγμα, ο προγραμματισμός στην πράξη, μεταβλητή, αλγόριθμος, εντολές εισόδου – εξόδου, δομή επανάληψης.