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