הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל המחלקה להוראת הטכנולוגיה והמדעים למידה על אודות תופעות טבע דרך בניה של ייצוגים רובוטיים Learning about Natural Phenomena through the Construction of Robotic Representations דן קופרמן ואיגור ורנר כנס צ'ייס השנתי החמישי למחקרי טכנולוגיות למידה "האדם הלומד בעידן הטכנולוגי" כו' בשבט תש"ע,

האתגר של בין-תחומיות בחינוך מדעי טכנולוגי הוראה בגישה בינתחומית צריכה לשקף את: (1) הזיקה בין תחומי הדעת המדעיים ובינם לבין תחומי הדעת הטכנולוגיים, (2) טשטוש הגבולות החדים ביניהם, (3) השפעות הדדיות בין מדע וטכנולוגיה בחברה המודרנית (תכנית הלימודים במו"ט בחט"ב, 1996).

קשיים ביישום הוראה בינתחומית המבוססת על גישת STS: The STS movement towards a greater role for real world contexts in the teaching of science was largely negated – Technology as the bridge between Science and Society was removed. (Fensham, 2009) " חסרים בתוכנית מארגנים קוריקולריים לשילוב בין מדע וטכנולוגיה " ( קיפרמן, 2006). פערים לא מבוטלים בין תכנית הלימודים והיישום בשטח. ( מני - איקן ואפרתי, 2007). יישום שיטות של חינוך מדעי הנתמך ע " י טכנולוגיה Technology-Enhanced Science Education)) מבלי לימודי טכנולוגיה מביא לשימוש באמצעים טכנולוגיים כ - " קופסאות שחורות ". (Resnick Berg and Eisenberg, 2000)

מדע וטכנולוגיה - קשר בין שני תחומי הדעת Science is a study of the natural world, and technology extends people’s abilities to modify that world. Science and technology are different, yet symbiotic. Technology is much more than applied science and science is quite different from applied technology.... Science is dependent upon technology to develop, test, experiment, verify, and apply many of its natural laws, theories, and principles. Likewise, technology is dependent upon science for its understanding of how the natural world is structured and how it functions. (ITEA, 1996, p. 28).

מבט אפשרי אחר על הקשרים בין מדע וטכנולוגיה שאיפה של האדם לפתח טכנולוגיה המחקה או משפרת פתרונות אותם מציע הטבע, לדוגמא : ביוניקה (Steele, 1958). נסיון להסביר את הטבע דרך חקר של מערכות טכנולוגיות קיימות, לדוגמא : Information processing theory (Miller, 2003). הקרנה על חינוך מדעי טכנולוגי החזרת הטכנולוגיה לתמונה ע " י : הוראה המתמקדת באנלוגיות בין מדע וטכנולוגיה. בניית ייצוגים רובוטיים למערכות ביולוגיות. טכנולוגיה מערכת טכנולוגית מדע מערכת ביולוגי ת הומאוסטאזיס בקרה אנלוגיה טרופיזם קינמטיקה

אנלוגיות אנלוגיה : מיפוי המבנה ממרחב המקור למרחב המטרה, המפרט דמיון ושוני בין המקור למטרה (Hestenes, 2006).

מודלים מודל : הוא ייצוג של רעיון, אובייקט, ארוע, תהליך או מערכת (Gilbert and Boulter, 2000). המודל מוגדר מחמישה הביטים (Hestenes, 2006): הבט מערכתי : קומפוזיציה ( חלקים פנימיים במערכת ). סביבה ( גורמים חיצוניים הקשורים למערכת ). קשרים ( קשרים פנימיים וחיצוניים ). הבט גיאומטרי : מיקום ( יחסית למערכת ייחוס חיצונית ). תצורה ( קשרים גיאומטריים בין החלקים ). הבט עצמי : מאפיינים פנימיים מהותיים של חלקי המערכת או המערכת כולה. הבט סיבתי : מאפיינים של קשרים סיבתיים. הבט התפתחותי : השתנות המערכת במהלך הזמן.

בסיס פדגוגי לסביבה המוצעת במחקר הרציונל ללימוד מתוך בניית מודלים טכנולוגיים : לפי הגישה הקונסטרוקציוניסטית (Papert, 1991) למידה יעילה מתקיימת מתוך יצירת תוצר המשמש כמוקד חשיבה ותקשורת. במקרה שלנו התוצר הוא מערכת רובוטית - מודל דינאמי של תופעת טבע. כדי לפתח ולבנות את המודל התלמיד צריך ללמוד תכנים מדעיים וטכנולוגיים. יצירת המודל הרובוטי נעשית בהתאם לנתיבים החדשים ללימודי רובוטיקה (Rusk et al, 2008): 1)התמקדות בנושאים במקום באתגרים 2)שילוב אלמנטים אומנותיים והנדסה. 3)עידוד יצירת הקשר סיפורי סביב האובייקט הנבנה. 4)ארגון תערוכות במקום תחרויות. מילרד (Milard, 2002) מציע לצייד את הלומד במודלים אינטראקטיביים המבוססים על כלי מידול, ערכות בניה וסימולציות אשר ישמשו כמוקדי חשיבה בעולמו של הלומד. עיסוק במודלים יערב את הלומד בתהליכים קוגניטיביים וחברתיים המקדמים בניית ידע. מילרד מבדיל בין לימוד בעזרת מודלים מוכנים ובין לימוד דרך יצירת מודלים.

הערכה הרובוטית PicoCricket הערכה הרובוטית כוללת מחשב זעיר בעל היכולות הבאות : שליטה על יחידות המפיקות אור קול ותנועה. קבלת מידע ממגוון חיישנים. תקשורת אלחוטית עם מחשב מארח או עם מחשב זעיר נוסף. איסוף נתונים.

תכנת PicoBlocks

תוכנית לימודים חוג "בקרה במערכות טכנולוגיות וביולוגיות: עקרונות ומודלים" החוג כולל פרויקט של תכן וייצור המיועד לתלמידי חט"ב נושאיםשעות לימוד עקרונות בניה עם חומרת PicoCricket2 עקרונות תכנות עם תכנת PicoBlocks2 תמסורות מכניות 2 חיישנים 2 מושגי יסוד בבקרה 4 למידה עצמית של אחת ממערכות הבקרה בגוף האדם 2 תכן וייצור מודל רובוטי למערכת הבקרה שנלמדה 14 סה"כ28

התלמידים בפעיליות חקר, תכן וייצור. חיפוש מידע ברשתתכנון המערכת בניית הדגםתכנות הדגם

מודלים שפותחו במהלך המחקר תנועה בצמחים - טרופיזם הומאוסטאזיסהתנהגות בעלי חיים בקרה בגוף האדם

מטרת המחקר: פיתוח והערכת גישה המשלבת לימודי מדע וטכנולוגיה ומיישמת חשיבה אנלוגית במסגרת של בנית מודלים רובוטיים לתופעות טבע. שאלות המחקר: 1.מהם העקרונות לפיתוח מודלים פיסיים ממוחשבים ללימוד תהליכים במדעי הטבע ומהם המאפיינים של סביבה לימודית המשלבת מודלים אלו בפעילות חקר? 2.מהן עמדות הסטודנטים להוראה בנוגע לתהליכי למידה והוראה באמצעות מודלים פיסיים ממוחשבים וכיצד מושפעות העמדות מהתנסותם בהדרכת התלמידים? 3.מהן תפיסות התלמידים את האנלוגיה שבין תופעת הטבע והמודל הטכנולוגי בעקבות השתתפותם בפעילות החקר?

גישת המחקר גישה משולבת (Mixed-Method) פרדיגמות איכותניות אך גם אלמנטים כמותיים. (Tashakorri and Creswell, 2007) מחקר פעולה מרובה מקרים (Participatory Multi Case Study) איסוף נתונים ממספר סיטואציות דומות וסינתזה של פיסות מידע מהמקרים המרובים (Yin, 1984). מאפשר בחינת השיטה באוכלוסיות שונות, חיזוק יכולת ההכללה מחקר רב שכבתי (Multi Tier Design Study) מיועדת להתחקות אחר סביבה בה לוקחים חלק תלמידים, מורים וחוקרים (Kelly, Lesh & Baek, 2008). מאפשר ספקטרום רחב יותר של נתונים על התלמידים.

ממצאים בהתייחס לשאלת המחקר הראשונה, השתקפו בממצאים העקרונות הבאים: הערך הלימודי המרבי מופק מהמודל כאשר התלמידים עצמם מעורבים בבנייתו. המודל מתגבש תוך פעילות חקר וחשיבה אנלוגית. הלומד בונה ומשפר את המודל באיטראציות של פיתוח, הפעלה והערכה. תמיד ימצאו במקור תכונות או היבטים אשר אינם משתקפים במודל, וכן ימצאו במודל תכונות והיבטים הזרים למקור. "זה [המודל] לא תמיד מדוייק. זה לא מתאר את המציאות במאה אחוז... תמיד יש איזשהו משהו שהמודל לא עוקב... לכל מודל יש איזשהו עקרון שהוא פועל עליו וזה לא דוקא מה שקורה במציאות". סטודנט להוראת כימיה

ממצאים – המשך. בהתייחס לשאלת המחקר השניה, נמצא כי פרחי ההוראה נחשפו במידה מועטה מאד ללמידה בעזרת מודלים פיסיים הן במהלך לימודיהם הבית ספריים והן במהלך לימודיהם האקדמיים. למרות זאת, עמדתם חיובית מאד כלפי שימוש במודלים ככלי הוראה. עמדה זו מתחזקת בעקבות התנסותם בעבודה עם מודלים במהלך הפעילות. הסטודנטים מתארים יתרונות הגלומים בתאור ממפורש של מגבלות המודל. "ביקשתי מהם שיתארו לי את החסרונות... וברגע שהתחילו להעלות את הנקודות האלה, הבנתי שמזה...דוקא מזה הם יכולים ללמוד הרבה." סטודנט להוראת מכונות

ממצאים - המשך בהתייחס לשאלת המחקר השלישית נמצא כי: התלמידים הבינו את תופעת הטבע ואת פעולת המודל וידעו לתאר אותם. "האור נכנס לעין ועובר דרך האישון. הקשתית משנה את כמות הקרניים לפי הצורך (מווסתת) ומשם עובר דרך העדשה לרשתית (הקשתית מתכווצת או מתרפה לפי הצורך)." תלמיד חטיבת ביניים התלמידים העריכו כי: קיימת אנלוגיה בין המודל לתופעה על בסיס ההיבט המערכתי (בנוגע לקומפוזיציה וקשרים פנימיים), ההיבט העצמי וההיבט הסיבתי. התלמידים הצביעו על חוסר אנלוגיה בין המודל לתופעת הטבע על בסיס ההיבט המערכתי (בנוגע סביבה וקשרים חיצוניים), ההיבט הגיאומטרי וההיבט ההתפתחותי. עמדתם הכוללת של התלמידים העריכה אנלוגיה טובה בין המודל הרובוטי לתופעת הטבע.

סיכום ודיון הממצאים הראו כי לסטודנטים להוראה רקע מועט בלמידה ו/או הוראה בעזרת מודלים ובסיס ידע תיאורטי צר בנושא המודלים. הממצאים מתיישבים עם מחקרים בתחום (De Jong et al, 2005; Savec et al, 2006) הסטודנטים הכירו ביתרונות הגדולים של שימוש במודלים ויש להם מוטיבציה גבוהה ורצון לשימוש במודלים ככלי הוראה. חשיבה ביקורתית להערכת האנלוגיות וההבדלים בין המודל לתופעת הטבע יכולה לפתח אצל התלמידים הבנה עמוקה יותר של התכנים המדעיים והטכנולוגיים כאחד.

מסקנות 1. יש ליצר יותר הזדמנויות להוראה בעזרת מודלים. 2. יש לחזק אצל הסטודנטים להוראה את בסיס הידע התיאורטי לשימוש במודלים ככלי הוראה. 3. הסביבה המוצעת מניעה את התלמידים ללמידת חקר של תופעת טבע בדרך לפיתוח מודל רובוטי 4. הסביבה מעודדת את התלמידים לחשיבה מסדר גבוהה (חשיבה ביקורתית, חשיבה אנלוגית, חשיבה יצירתית). 5. משוב מהתלמידים לגבי האנלוגיה בכל היבט והיבט והחשיבות אותה מייחסים התלמידים לכל היבט יכולה לשמש כלי הערכה טוב בידי המורה.