עקרון הפעלה: חקירת תופעות ורעיונות מורכבים ע"י שימוש אינטראקטיבי במודלים ובסימולציות

מודלים וסימולציות מספקים ביטוי ויזואלי לתופעות ותהליכים מורכבים מוחשיים (למשל, אפקט החממה) או מופשטים (למשל, תנועת מולקולות). ניתן להשתמש במודלים וסימולציות  כ"מעבדות וירטואליות" כשבלתי אפשרי, קשה מדי, יקר מדי או לא מוסרי (למשל, במקרה של מחקר בבעלי חיים) לערוך ניסוי אמיתי. מודלים וסימולציות מאפשרים לראות באופן מוחשי תהליכים מורכבים ומופשטים אלו, ולהעמיק בחקירתם. בכך, הם עשויים לסייע במקרים אלו. 

מודל הינו הפשטה של תופעה נחקרת, אשר מייצגת היבטים נבחרים של התופעה ואת הקשרים ביניהם, במטרה להסביר, לתאר, לנבא או לחקור תופעה מסוימת, בהתאם להקשר בו היא נחקרת. מודל יכול לכלול ייצוג אינרקטיבי ממוחשב (למשל אנימציות) של תהליך מדעי המאפשר לתלמידים לערוך בו שינויים שונים במטרה לחקור את התופעה הנחקרת (למשל, בחינת קשר בין סוג החומר וטמפרטורה של נורות). סימולציה ניתנת להתייחסות כעושה שימוש במודל לצורך חקירת ההתנהגות ואופן ההתרחשות של תופעה כלשהי ותהליכים הכרוכים בה (למשל, התנהגות התלוייה בזמן או בחינת היווצרות של תוצרים הנוצרים כחלק מהתופעה). העיקרון הנוכחי עוסק בשימוש בסימולציות ובמודלים לצורך חקירת תופעות ולא בתהליכי מידול המתייחסים אל תהליכי בניית מודלים וסימולציות. 

מטרת חקירת המודלים והסימולציות יכולה להשתנות על פי הצורך: לדוגמא, הכרת היבטים מסויימים בתופעה הנחקרת, הסברת היבטים אלו או חקירתם. חקירה של מודל או סימולציה כרוכה ב"משחק" עם משתנים, למשל על ידי בחינת כיצד התופעה מתנהגת במגוון סיטואציות, כולל במצבים חריגים, או על ידי שינוי משתנה אחד בכל פעם בכדי לבדוק מהי ההשפעה הייחודית של כל משתנה על המערכת, ועוד. משחק זה נעשה ללא שינוי המבנה הכללי של המודל או הסימולציה אלא לצורך חקירתם. לומדים יכולים להפיק רבות מחקירה מעין זו,  במיוחד כאשר ההמחשה כוללת ייצוגים שונים המקושרים זה לזה. הלומדים יכולים באופן הזה להעמיק בהבנת התופעה. 

לעיתים ניתן להמחיש את התופעה או הרעיון במספר דרכים. לדוגמה, מודל המייצג מצבי צבירה של חומר באמצעות השפה הכימית (ייצוג סימבולי), מודל המתאר את תמונת החומר בעולם הפיזי (ייצוג ברמת המאקרו), וייצוג גרפי של המודל החלקיקי (ייצוג ברמת המיקרו). חקירת ייצוגים אלו זה לצד זה, עשוייה לאפשר ללומדים לעמוד על הקשרים בין הייצוגים ולבחון את ההבדלים ביניהם, ובכך להעמיק את ההבנה שלהם ביחס לתופעה הנחקרת. 

במיזם הראדון, תלמידים חוקרים סימולציה המתארת את התפלגות גז הראדון בזמנים שונים, במטרה ללמוד על תופעת גז הראדון. התלמידים דוגמים מהסימולציה מדגמים בגודל מסויים הכוללים את נתוני רמות גז הראדון לאורך היממה. הם בוחנים את רמות הגז במדגמים שונים ולומדים כיצד עשוי הגז להתנהג לאורך היממה. "משחק" עם גדלי המדגמים הנדגמים מהסימולציה מאפשר לתלמידים לשפר את ההשערות שלהם לגבי התנהגות גז הראדון, וכן ללמוד על רעיונות סטטיסטיים מורכבים הקשורים לאקראיות, התנהגות מדגמים, אי וודאות ועוד. 

עיקרון זה מיושם פעמים רבות עם העיקרון: "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 ("חקירת תופעות ורעיונות מורכבים ע"י שימוש אינטראקטיבי במודלים ובסימולציות") מתייחס לשימוש אינטרקטיבי במודלים ובסימולציות על ידי תלמידים, כדי לחקור תופעות מורכבות, בדומה למדענים אשר עושים שימוש במודלים וסימולציות במגוון תחומי דעת כגון כלכלה, מתמטיקה, פיזיקה, מטאורולוגיה, ביולוגיה, ומדעי החברה. 

ההיסטוריה של העיקרון: העיקרון הופיע לראשונה במאגר עקרונות העיצוב (Design Princples Database, Kali, 2008) בשם "שימוש בסימולציות ומודלים לחקירת 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 אמצעי המחשה ממוחשבים בהוראת הכימיה. לוי ווילנסקי (2009) מתארים ידע תוכני בכימיה כמורכב משלושת רכיבי הידע הבאים: רמת התת-מיקרו (אטומים, מולקולות ותגובות כימיות), רמת המאקרו (תופעות מוחשיות ונראות) ורמת הייצוגים (סמלים של ישויות כימיות, משוואות כימיות וייצוגים מתמטיים). מומחים בכימיה ישלטו בשלושת רכיבי ידע אלו וינועו בחופשיות ביניהם. נוסף על היכולת לעבור בין רכיבי ידע אלו, הבנה עמוקה של תופעות כימיות כרוכה בהדמייה מנטלית של אוכלוסיה של גופים נעים, אשר מציגה את ההתנהגויות השונות של מולוקולות רבות, ואת הדפוס העולה מהתנהגויות אלו. מודל מנטלי זה הינו הבסיס להבנת הטבע החלקיקי של החומר, והכרחי להבנת רעיונות מרכזיים כמו שיווי משקל כימי ותגובות כימיות. לוי ווילנסקי (2009) מתארים תוכנית לימודים בכימיה אשר מחצינה את רכיב התת-מיקרו, ומעודדת עריכת קשרים בין שלושת הרכיבים. תוכנית לימודים זו נשענת בין היתר על חקירת מודלים וייצוגים שונים של המערכת הנחקרת. 

מחקרים מראים כי השימוש במודלים ממוחשבים המאפשרים חקירת ייצוגים גרפיים שונים, תומך בלמידת שלושת רכיבי הידע בכימיה ובהעמקת ההבנה של תופעות כימיות. שימוש זה נחשב יעיל במיוחד כאשר נוצרים קישורים סימולטניים, דינאמיים וסינכרוניים בין הייצוגים השונים, וכן כאשר מעודדים את הלומדים לשים לב להבדלים ולדמיון בין הייצוגים השונים של אותה תופעה כימית. 

מאפיינים מהותיים של אמצעי המחשה מבוססי טכנולוגיה בלמידה. על פי Kali ו- Linn א(2008), בכיתות היסודי וחטיבת הביניים, לאמצעי המחשה תפקיד חשוב במיוחד, מכיוון שהם מאפשרים לראות באופן מוחשי תהליכים מורכבים ומופשטים. אמצעי המחשה מבוססי טכנולוגיה עשויים לקדם למידת מדעים. ויזואליזציה (או אמצעי המחשה) מבוססת טכנולוגיה, הינה כל ייצוג אינטרקטיבי (כולל אנימציות) של תהליך מדעי המאפשר לתלמידים לערוך בו שינויים שונים לבחינת התופעה הנחקרת (למשל, ויזואליזציה וירטואלית המאפשרת עריכת שינויים בסוגי החומרים ובחינת מידת החום של נורות המורכבות מחומרים אלו). 

כדי שאמצעי המחשה אלו יתרמו באופן יעיל ללמידת מדעים, עליהם לתמוך בהבניית ידע אינטגרטיבי (Knowledge integration). כלומר, עליהם לעזור ללומדים לערוך אינטגרציה והבניה של ידע בהקשר של התופעה הנחקרת, על ידי הכרת הרעיונות השונים שלהם, מיון וסינון רעיונות אלו ויצירת קשרים חדשים בין רעיונות אלו. Kali ו- Linn א(2008) זיהו ארבעה עקרונות אשר התומכים בשילוב אמצעי המחשה בתוכנית הלימודים: א. צימצום המורכבות החזותית, בכדי לאפשר ללומדים לזהות את המידע הבולט בייצוג. ב. פיגום תהליך העלאת ההסברים. ג. תמיכה בלומדים בתהליכי מידול של תופעות מדעיות מורכבות. ו-ד. שימוש בייצוגים רבים ומקושרים. 

הנחיות לשילוב של אמצעי המחשה מבוססי טכנולוגיה בסביבות למידה. על פי Smetana ו- Bellצ(2012), סימולציות ומודלים ממוחשבים הינם בעלי תפקיד חשוב בלמידת והוראת המדעים. במקרים רבים כלים אלו תורמים תרומה רבה לקידום הידע והמיומנויות בתחום המדעים, במיוחד כשאלו מערבים את התלמידים בחקר אותנטי. עם זאת, התועלת בשימוש בסימולציות ממוחשבות תלוייה באופן שבו היא מוטמעת בסביבת הלמידה. הכותבים מתארים ארבע הנחיות מבוססות מחקר, לשילוב של סימולציות ממוחשבות בסביבת הלמידה: א. על הסימולציות לשמש ככלי עזר התומך בלמידה ולא כמוקד העיקרי בה. ב. הסימולציות הינן חלק מתהליך למידה מובנה. ג. השימוש בסימולציה מעודד את הלומדים לערוך רפלקציה. ו-ד. השימוש בסימולציה מזמן ללומדים קונפליקטים קוגניטיביים. 

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. יתרה מזאת, השימוש בטכנולוגיה מאפשר הצגה וחקירה של ייצוגים רבים, אשר הבנתם בניפרד מאתגרת. כך שעל לומדים ובמיוחד אלו הלומדים מדעים, להעמיק במצבים השונים ובו בזמן, לעבור ביניהם, ללמוד איך לשלב ביניהם, להעריך אותם ואת תפקידם ועוד. לכן, עליהם להפוך למטה-קוגנטיביים ביחס לויזואליזציה, כלומר, עליהם להיות בעלי יכולת מטה-ויזואלית. 

משאבים נוספים

הנס, מ., קלי, י., ויאיר, י. (2011). פיתוח יכולות מרחביות באמצעות שילוב טכנולוגיות ידע עם אמצעים פיזיים פשוטים. בתוך: ג. קורץ וד. חן (עורכים). תקשוב, למידה והוראה. (עמ' 101-124) הוצאת המרכז ללימודים אקדמיים - אור יהודה.  Download

רשימת מקורות:

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., & Linn, M. C. (2008). Designing effective visualizations for elementary school science. Elementary School Journal, 109(2), 181-198. (link)

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

Levy, S. T., & Wilensky, U. (2009). Crossing levels and representations: The connected chemistry (CC1) curriculum. Journal of Science Education and Technology, 18(3), 224-242 (Link).

Smetana, L., & Bell, R. (2012). Computer Simulations to Support Science Instruction and Learning: A critical review of the literature. International Journal Of Science Education, 34(9), 1337-1370.