Kognitivno-vizuelni pristup zasnovan na grafičkom prikazu funkcije u rešavanju matematičkih problema

Abstract

U doktorskoj disertaciji je prezentovano pedagoško istraživanje koje se odnosi na teorijsko i eksperimentalno ispitivanje i proučavanje efekata primene kognitivno-vizuelnog pristupa zasnovanog na primeni grafičkih reprezentacija funkcija u obradi nastavnih sadržaja iz oblasti funkcija i njihovih primena. Na osnovu teorijskih principa kognitivno-vizuelnog pristupa, osmišljeni su i kreirani originalni didaktičko-metodički modeli za realizaciju sadržaja iz oblasti: matematičke analize (funkcije i izvod funkcije); problema smeše (problemi mešanja rastvora); linearne funkcije i njene primene na rešavanje problema (problemi iz oblasti algebre, fizike i realnog okruženja). Ključni aspekti predloženog metodičkog pristupa su: vizuelizacija, višestruke reprezentacije, konceptualna znanja, postepeni prelazak ka višim nivoima apstrakcije u razvoju matematičkog mšljenja, kao i planska i sistematska upotrebu računara sa odgovarajućom softverskom podrškom. Okosnicu kognitivno-vizuelnog pristupa u obradi sadržaja matematičke analize i značajnu novinu u izučavanju izvoda funkcije predstavljaju zadaci sa grafičkim sadržajima i/ili zahtevima. Prikazane su metodičke mogućnosti ovih zadataka u kreiranju multireprezentativnog okruženja za učenje čija je polazna tačka formiranje i razvoj grafičkog razumevanja matematičkih koncepata. Takođe je izložena mogućnost klasifikacije zadataka sa grafičkim sadržajima i/ili zahtevima po različitim kriterijumima, na osnovu koje je data tipologija i razrađena metodika njihove primene u nastavnoj praksi.Sprovedeno je empirijsko istraživanje u okviru koga je u periodu od 2013. do 2015. godine realizovano pet pedagoških eksperimenata sa paralelnim grupama u kojima su učestvovala 642 ispitanika (222 učenika četvrtog i 120 učenika prvog razreda gimnazije prirodno-matematičkog smera, 180 studenata osnovnih studija hemije i 120 studenata prve godine osnovnih studija fizike). Za potrebe istraživanja osmišljeni su i izrađeni nastavni materijali koji su omogućili učenicima/studentima eksperimentalnih grupa da izučavaju funkcije i njihove primene u multireprezentativnom i vizuelno-dinamičkom računarskom okruženju. Instrumenti primenjeni u istraživanjima bili su inicijalni i finalni testovi znanja. Evaluacija ostvarenih efekata primene kognitivno-vizuelnog pristupa, izvršena je poređenjem postignuća učenika/studenata eksperimentalnih (kognitivno-vizuelnih) i kontrolnih (tradicionalnih) grupa na testovima znanja. Na osnovu rezultata sprovedenih pedagoških eksperimenata, utvrđeno je da primena kognitivno- -vizuelnog pristupa zasnovanog na grafičkom i dinamičkom prikazu funkcije u prezentovanju matematičkih sadržaja i rešavanju problema, u računarskom okruženju, ima značajan uticaj na kvalitet znanja učenika/studenata i ostvarenost optimalnih rezultata u učenju i razumevanju nastavnih sadržaja iz oblasti funkcija i njihovih primena na rešavanje problema.

In the doctoral dissertation a pedagogical research related to theoretical and experimental study of effects of applying a cognitive-visual approach based on the use of graphic representations of functions in interpretation of teaching contents from the field of functions and their applications is presented. On the basis of theoretical principles of cognitive-visual approach, original didacticmethodical models for the realization of contents were designed and created in the field: of mathematical analysis (functions and function derivative); problem of mixture (problems of mixing solutions); linear functions and its applications to solve problems (problems in the field of algebra, physics and the real environment). Key aspects of the proposed methodical approach are: visualization, multiple representations, conceptual knowledge, gradual transition to higher levels of abstraction in the development of mathematical thinking, as well as the planned and systematic use of computers with appropriate software support. The background of cognitive-visual approach in interpretation of mathematical analysis content and a significant novelty in the study of function derivative represent the problems with graphical contents and/or requirements. The methodological possibilities of these problems in creation of a multi-representative learning environment whose starting point is the formation and development of a graphical understanding of mathematical concepts are presented. The possibility of problems classification with graphical contents and/or requests according to different criteria is presented, on the basis of which, the typology is proposed and methodology for their application in teaching practice is elaborated. During the period 2013-2015 an empirical research was conducted within which five pedagogical experiments were realized with parallel groups involving a total of 642 respondents (222 students of the fourth and 120 first-year high school students major in science, 180 students of bachelor chemistry studies and 120 students of the first year of bachelor physics studies). For the purpose of the research, teaching materials that enabled students of the experimental groups to study the functions and their applications in a multi-representative and visual-dynamic computing environment were created. The instruments used in the research were initial and final tests of knowledge. The realized effects of the application of cognitive-visual approach was evaluated by comparing the achievements of high school students/ students of experimental (cognitive-visual) and control (traditional) groups on knowledge tests. Based on the results of the conducted pedagogical experiments, it has been established that the application of the cognitive-visual approach based on the graphical and dynamic presentation of the function in teaching mathematical contents and in problem solving in a computer environment has a significant impact on the quality of high school students’/students’ knowledge and on the achievement of optimal learning outcomes and understanding of teaching contents from the field of functions and their application to solving problems.