עקרון הפעלה: המחשת תופעות ורעיונות מורכבים על ידי שימוש בעזרים חזותיים

הבנת תופעות מורכבות (כמו למשל התנהגות בעלי חיים, צמחים או חומרים בסביבתם הטבעית) הינה מאתגרת, בשל הרעיונות הרבים שיש לתפוס, ובשל אופיין המופשט של תופעות אלו. ויזואליזציה (או אמצעי המחשה) הינה כל ייצוג ממוחשב (למשל סרטוני וידאו) או שאינו ממוחשב (שרטוטים, תמונות, דגמים) של תהליך מדעי המאפשר לתלמידים לבחון את התופעה הנחקרת. מחקרים מראים כי המחשה בעזרת עזרים חזותיים, דינמיים (כמו סירטוני וידאו) או סטטיים (למשל, שרטוטים, דגמים), מאפשרת לתאר ולהסביר תופעות ורעיונות מורכבים, או היבטים מסויימים בהם. שימוש מעין זה, מאפשר לערוך הפשטה לתופעות ורעיונות מורכבים. הצפייה בעזרים חזותיים אלו, מאפשרת ללומדים לראות ו"לחוש" היבטים מהתופעה. דבר העשוי לתרום להבנת התופעה המורכבת ואף להוביל להעלאת הסברים הקשורים אליה. המחשה מעין זו עשוייה להוביל לשיפור מיומנויות שונות כגון, היכולות המרחביות של הלומדים, חשיבה ביקורתית ועוד. דוגמה להמחשה לתופעה מורכבת היא למשל, שימוש בייצוגים דינמיים שמראים את התופעה מכיוונים שונים במרחב (למשל, מלמעלה ומהצד), כדי לעזור ללומדים לתפוס תופעות תלת מימדיות (למשל מבנה האטום או איבר בגוף). ייצוגים מעין אלו, עשויים לעודד את התלמידים לחקור בהמשך תכונות פנימיות וחיצוניות של התופעות (למשל, לבחון איך ייראה חתך של מבנה גיאולוגי תלת-מימדי המאפשר בחינת תכונות פנימיות של חתך זה). 

נשים לב לכך שהבנת הייצוג עצמו כרוכה באוריינות מידע חזותי המאפשרת להבין רעיונות המובעים באמצעות עזרים חזותיים. על כן, בבחירת אופן המחשת התופעה, חשוב  להתייחס למורכבות הייצוג החזותי ולמצוא את האיזון המתאים בין פירוט רב שיסב את תשומת הלב מהרעיון המרכזי לבין הפשטה רבה מדי העלולה לפגוע בלמידה. איזון זה צריך להיות מותאם למטרת הלמידה הספציפית, לקהל היעד, ולרעיונות התלמידים. יש מקרים בהם איור פשוט (למשל, ייצוג חזותי של משפט פיתגורס) מספיק להבנת רעיון מורכב.

דוגמה לשימוש בעיקרון זה במדע אזרחי היא השימוש באמצעי המחשה חזותי דינמי  במיזם הראדון, מטעם מרכז TCSS. במיזם זה, תלמידים ביקרו במעבדת הראדון במכון הלאומי לחקר הבנייה בטכניון, שם הודגם בפניהם כיצד מודדים את רמות גז הראדון בסביבות שונות (מדידה ישירות מהאדמה, מדידה בחדר ועוד) בעזרת כלי מדידה מתאימים, וכיצד מדידות אלו מומחשות בעזרת ייצוגים גרפיים (גרפים וטבלאות שונים). המחשות אלו, העלו שאלות שונות לגבי התנהגות גז הראדון והגורמים העשויים להשפיע עליו, אופני המדידה השונים, יעילותם ומהימנותם, ועוד. 

עיקרון זה מיושם פעמים רבות עם העקרונות "עיסוק בתכנים מורכבים". בנוסף, עיקרון זה הינו אחד משלושה עקרונות המתארים אסטרטגיות שונות להבנת מורכבותן של תופעות: "המחשת תופעות ורעיונות מורכבים ע"י שימוש בעזרים חזותיים", "חקירת תופעות ורעיונות מורכבים ע"י שימוש אינטראקטיבי במודלים ובסימולציות" ו"פענוח תופעות ורעיונות מורכבים ע"י תכנון ויצירת מודלים". עקרונות אלו נבדלים בגישה החינוכית המנחה את מידת מעורבותם של הלומדים. העיקרון הנוכחי ("המחשת תופעות ורעיונות מורכבים ע"י שימוש בעזרים חזותיים"), מתייחס להצגת עזרים חזותיים על ידי מורים בכדי להמחיש לתלמידים הצופים, תופעות מורכבות, בעוד שבשני העקרונות האחרים התלמידים מעורבים באופן פעיל בשימוש או בבניית מודלים. 

ההיסטוריה של העיקרון: העיקרון הופיע לראשונה במאגר עקרונות העיצוב (Design Princples Database, Kali, 2006) בשם "שימוש בעזרים חזותיים להמחשת תופעות ורעיונות מורכבים". שמו שונה לשם הנוכחי בכדי לחדד את ההבדלים בין שלושת העקרונות שהוזכרו לעיל. 

לציטוט העיקרון: ארידור, ק., לביא אלון, נ., ולין, ג., שחם דולב, ר., קלי, י., שגיא, א., וחברי קהילת TCSS (2021). עקרונות הפעלה, insights.edu.haifa.ac.il

העמקה והרחבה:

חשיבות השימוש באמצעי המחשה במדעים. הספר Science Teachers’ Use of Visual Representations בעריכתם של עילם וג'ון גילברט (2014), מתייחס תחילה לחשיבות הרבה שבשימוש בייצוגים ויזואליים  בהוראת המדעים ולתועלת שיש בהם בתהליכי החקר המדעי ובפרט בלמידה והוראת מדעים. לדוגמה, שימוש בויזואליזציות להצגת תופעה קונקרטית לצד הרעיונות המופשטים העומדים בבסיסה, עשוי לתת מענה לאתגרים הרבים שבלמידת רעיונות מדעיים אלו. השימוש בויזואליזציות, וביחוד ויזואליזציות ממוחשבות, הפך אם כן, להיבט מרכזי בשדה המדעי. 

הכותבים מתייחסים לשלושה גורמים העשויים לתרום לייעילות השימוש בויזואליזציות על ידי מורים: 1. על ידע המורים לגבי המושגים המדעיים המרכזיים להיות מדוייק ככל האפשר, בכדי שיוכלו להציע הדמיות מתאימות. 2. על ויזואליזציות של רעיונות מדעיים שונים בתוכנית הלימודים להתייחס לרעיונות אלו ולקשרים ביניהם באופן דומה ועיקבי, גם אם אלו מופיעים בתוכנית הלימודים כנפרדים.  3. על המורים העושים שימוש בויזואליזציות השונות להיות מסוגלים להשוות בין הויזואליזציות השונות, מטרותיהן והתכנים שהן מייצגות. עליהם להבין את מטרות הלמידה ולהתייחס אליהן בהתאמת הויזואליזציה ובאופן הצגתה. ו-4. על המורים למקד את השימוש או הבחירה בויזואליזציה, ביחס לרמת התופעה אליה הם שואפים להתייחס: רמת המאקרו, המיקרו או הסימבולית. בהמשך, הספר מתאר שימושים שונים לייצוגים ויזואליים בבתי הספר וכן במרחבים לא פורמליים כגון מוזיאונים. בנוסף, הספר סוקר ומעריך פדגוגיות ייחודיות המשלבות ייצוגים ויזואליים בהוראת המדעים. 

מיומנויות הכרוכות בפרשנות והבנת המחשות. גילברט (2005) מציג את המורכבות של המונח ויזואליזציה (המחשה) בעזרת הצגת שתי ההגדרות המילוניות למונח: 1. יצירת תמונה מנטאלית ל.. לדמיין. 2. להפוך לנראה לעין. ויזואליזציות שונות עשויות להציג מידע בטבלאות, גרפים ועוד, אך יש להבין איך הלומדים מפרשים ומה הם מבינים מויזואליזציות אלו (מהי התמונה המנטאלית שהם יוצרים?). כדי ללמוד על שאלה זו, בפרט בתחום למידת והוראת המדעים, גילברט מציע את ההתייחסות הבאה אל המונח ויזואליזציה (המחשה): ויזואליזציה מתייחסת או מייצרת אוסף של מצבים או תתי מצבים: 1. המצב החומרי - מתייחס לחומר ממנו עשויה הויזואליזציה 2. המצב המילולי - מתיחס לאופן שבו מוסברים הרכיבים בויזואליזציה והקשרים ביניהם, כמו גם למטאפורות או האנלוגיות עליהן הויזואליזציה מתבססת 3. המצב הסימבולי - מתייחס לסמלים, לביטויים או לנוסחאות המעורבות בויזואליזציה 4. המצב הויזואלי - מתייחס לגרפים, לדיאגרמות, לאנימציות ועוד המוצגים בויזואליזציה 5. מצב וירטואלי - מתייחס לויזואליזציות ממוחשבות. 6. מצב המחוות - מתייחס לתנועות הגוף או חלקיו המעורבות הויזואליזציה. 

מצבים אלו לרוב מעורבים זה בזה. כך שעל לומדים ובמיוחד אלו הלומדים מדעים, להעמיק במצבים השונים ובו בזמן, לעבור ביניהם. לכן, עליהם להפוך למטה-קוגנטיביים ביחס לויזואליזציה, כלומר, כלומר, עליהם להיות בעלי יכולת מטה-ויזואלית. משמעות המושג מטה-קוגניציה היא, הידע של הפרט על תהליכי ותוצרי החשיבה שלו. אלו כוללים ידע על תהליכי החשיבה של הפרט, ידע על המשימה ועל הכלים להם יזדקק הפרט כדי להתמודד עם המשימה. הלומדים הקוגניטיביים אם כן, יבינו את תפקיד הניטור, אינטגרציה והרחבת תהליכי הלמידה האישיים שלהם. בהקשר של ויזואליזציה, ויזואליזציות ובפרט אלו הממוחשבות, מספקות ייצוגים ותמונות רבות, אשר אינן יכולות להלמד בנפרד בתהליך הלמידה. על הלומדים להתמודד עם אתגר זה, ואף ללמוד איזו תמונה, ייצוג או מקבצי תמונות יהיו רלוונטיים וחשובים להמשך. על לומדים מטה-ויזואליים אם כן, לחשוב על תהליכי החשיבה שלהם ביחס לויזואליזציות. 

אתגרים בשימוש באמצעי המחשה ויזואליים סטטטיים. עילם (2013) מתמקדת בלמידת והוראת ביולוגיה. לצד הדגשת חשיבות השימוש בייצוגים ויזואליים יעילים בלמידת והוראת ביולוגיה, עילם מתארת את האתגרים השונים אשר עלולים להוביל את התלמידים לפרשנות שגוייה של הייצוג הויזואלי ולתפיסות שגויות הן ביחס לתחום הדעת והן ביחס לייצוגים ויזואליים באופן כללי. עילם מציעה להתייחס בעת עיצוב או בחירת הייצוג הויזואלי ליכולות הויזואליות של התלמידים, לידע התוכני הקודם שלהם, לנסיון התלמידים ולגילם, למאפייני הפעילות והפדגוגיות המיושמות בה. בנוסף, בשימוש בייצוגים הויזואליים להתייחס למאפיינים המגוונים של ייצוגים שונים ועודד את  התלמידים להשוות בין הייצוגים השונים.

משאבים נוספים:

ברק מ. (2012). שימוש בהדמיות ממוחשבות בהוראת המדעים: האם אנימציה שווה אלף מילים?, מוט"ב כעת, גיליון מס' 9 ,תשע"ב, 2012.

רשימת מקורות:

Eilam, B., & Gilbert, J. K. (2014). Science teachers' use of visual representations. Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-319-06526-7

Eilam, B. (2013). Possible Constraints of Visualization in Biology: Challenges in Learning with Multiple Representations. In Treagust D., Tsui CY. (eds) Multiple Representations in Biological Education. Models and Modeling in Science Education, vol 7. Springer, Dordrecht. https://doi.org/10.1007/978-94-007-4192-8_4

Gilbert, J. K. (2005). Visualization: A metacognitive skill in science and science education. In Visualization in science education (pp. 9-27). Springer, Dordrecht. (link)

Kali, Y., (2006). Collaborative knowledge-building using the Design Principles Database. International Journal of Computer-Supported Collaborative Learning, 1(2), 187-201.