[論文レビュー] Addressing learning difficulties in Newtons 1st and 3rd Laws through problem based inquiry using Easy Java Simulation

Khoon Song Aloysius Goh, Loo Kang Wee+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2013

Teaching and Learning Programming被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、問題ベースの探求学習（PbI）アプローチを用いて、ニュートンの第1法則と第3法則の学習の困難を克服するため、Easy Java Simulation（EJS）モデルを開発した。このシミュレーションは、摩擦のない運動とばね衝突モデルを用い、力と運動を可視化する。第1法則に関しては、後測定での理解度の上昇が顕著に認められ（p < 0.05）、第3法則に関しては認められなかった。学生の報告では、動的可視化により第1法則の概念的理解が深まったとされている。

ABSTRACT

We develop an Easy Java Simulation (EJS) model for students to visualize Newtons 1st and 3rd laws, using frictionless constant motion equation and a spring collision equation during impact. Using Physics by Inquiry instructional (PbI) strategy, the simulation and its problem based inquiry worksheet aim to enhance learning of these two Newtonian concepts. We report results from Experimental (N=62 students) and Control (N=67) Groups in 11 multiple choice questions pre and post tests, conducted by three teachers in the school. Results suggest, at 95 percent confidence level, significant improvement for concept of Newtons 1st Law while not so for Newtons 3rd Law. A Focus Group Discussion revealed students confirming the usefulness of the EJS model in visualizing the 1st Law while not so much for the 3rd Law. We speculate the design ideas for constant velocity motion in the computer model coupled with the PbI worksheet did allow for making sense and experiencing of the 1st Law, where traditional pen-paper representations could not. We have improved the features for the action-reaction contact forces visualization associated with the 3rd Law and we hope other teachers will find the simulation useful for their classes and further customize them to benefit all mankind, becoming citizens for the world.

研究の動機と目的

• 入門的物理学教育における、ニュートンの第1法則と第3法則に関する学生の誤解を是正すること。
• 特に一定速度運動と作用・反作用の力のペアを可視化する、Easy Java Simulation（EJS）を用いたインタラクティブなシミュレーションの設計。
• 実教室環境において、EJSシミュレーションと統合された問題ベースの探求学習（PbI）指導戦略の実装と評価。
• 前後テストを用いた前後比較により、シミュレーションとPbIワークシートの有効性を概念的理解の向上の観点から評価すること。
• 学生のフィードバックと成績データに基づき、それぞれの法則の学習を促進する設計要因を同定すること。

提案手法

• 摩擦のない一定速度運動およびばねを用いた衝突ダイナミクスの式を用いた、Easy Java Simulation（EJS）モデルの開発。
• 学生の探求と概念的構築を促すため、EJSシミュレーションと問題ベースの探求学習（PbI）ワークシートを統合。
• 3名の教員の授業で実施した介入において、実験群（N=62）と対照群（N=67）の両方を含む。
• ニュートンの第1法則と第3法則の概念的理解を測定するため、11問の選択式の前後テストを実施。
• シミュレーションがそれぞれの法則の可視化にどの程度有用に感じられたかを把握するため、フォーカスグループディスカッションを実施。
• 95%信頼水準での統計的分析を用い、両群の前後テスト成績を比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EJSシミュレーションとPbIワークシートを併用することで、従来の指導法と比較して、学生のニュートンの第1法則の理解度が有意に向上するか？
• RQ2 同様の介入によって、ニュートンの第3法則の理解度はどの程度向上するか？
• RQ3 学生は、EJSシミュレーションがニュートンの第1法則および第3法則における力と運動の可視化に、どの程度有用だと感じているか？
• RQ4 シミュレーションのどの設計要因が、ニュートンの第1法則の概念的関与を最も効果的に支援しているか？
• RQ5 学生のフィードバックと成績データに基づくと、なぜこのシミュレーションは第1法則よりも第3法則において学習の向上が顕著でないのか？

主な発見

• 実験群の学生は、後テスト成績を用いて、95%信頼水準でニュートンの第1法則の理解度に有意な向上を示した。
• 実験群と対照群の間で、ニュートンの第3法則について有意な向上は認められなかった。
• フォーカスグループディスカッションの結果、学生はEJSシミュレーションが、特に一定速度運動における慣性の概念の可視化に特に役立ったと感じていた。
• 学生は、第3法則の理解においては、シミュレーションの恩恵を限定的だと報告しており、動的衝突における作用・反作用の力のペアを可視化することが難しいと示唆している。
• 特に一定速度運動の明確な可視化がなされたシミュレーションの設計が、ニュートンの第1法則に対するより深い概念的関与を可能にする要因であると特定された。
• 著者らは、第3法則の複雑さ、特に力のペアのタイミングや方向の問題が、強化された可視化機能を必要とすると提案しており、既にその改善を開始している。