[論文レビュー] Design, Customization and Implementation of Energy Simulation with 5E Model in Elementary Classroom

Sze Yee Lye, Loo Kang Wee+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2014

Teaching and Learning Programming参考文献 43被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、小学校4年生から5年生の児童を対象に、放課後プログラムにおいて、5E指導モデルに従って、カスタマイズされ、実装された修正オープンソースエネルギーシミュレーションの設計・開発・実装を行った。このアプローチは、シミュレーションベースの学習と教育的構造を統合し、TPACKおよびデザイン原則に基づいた、年齢にふさわしく、視覚的に豊かでインタラクティブなカスタマイズを実現することで、児童の関与度とエネルギー概念の理解が向上した。

ABSTRACT

Science simulations are popular among educators as such simulations afford for multiple visual representation and interactivity. Despite the popularity and abundance on the internet, our literature review suggested little research has been conducted on the use of simulation in elementary school. Thus, an exploratory pilot case study was conducted to address this research gap. In this study, an open source energy simulation was remixed for use in elementary school targeted at the Grade 4 & 5 students as an after-school enrichment program. We proposed 3 stages: design, customization and implementation, to provide useful insights with the aim to allow other educators to conduct their own remixed simulation lessons. The simulation design principles (e.g., learning outcomes and colour coding) with the corresponding TPACK construct that emerged from the design and customization stages were reported. Such simulation design principles would be useful to interested educators and researchers who wish to adapt and use simulation or teach others how to remix simulation. Data from the multiple sources (e.g., field observations, surveys, design notes and existing simulations) indicated that students enjoyed learning with the remixed energy simulation.

研究の動機と目的

• シミュレーションを用いた小学校低学年における科学教育分野の研究ギャップを埋めるため。特に、上級小学校学年における応用を対象とする。
• 教育的および視覚的カスタマイズを施して、既存のオープンソースエネルギー シミュレーションを小学校4年生から5年生の児童に適合させる。
• 放課後補習教育の場において、5Eモデル（関与、探求、説明、拡張、評価）を用いて、改変されたシミュレーションを実装する。
• 他の教育者が再利用可能な、シミュレーション設計の原則とTPACKに基づく戦略を特定・文書化する。
• 質的および観察データを用いて、児童の関与度と学習成果を評価する。

提案手法

• 小学校の科学学習指導要領に適合させるために、Easy Java Simulations（EJSS）プラットフォームを用いて、オープンソースのエネルギー シミュレーションを改変した。
• 5つの段階（関与、探求、説明、拡張、評価）に分かれるシミュレーションベースの授業を構造化するために、5E指導モデルを適用した。
• 年齢にふさわしい視覚的キーワード、色分け、簡素化されたインターフェース要素をカスタマイズして、低学年児童の理解を促進した。
• 設計および実装プロセスをガイドするため、TPACK（技術的・教育的・内容的知識）フレームワークを統合した。
• 効果性を評価するために、現地観察、児童アンケート、設計ドキュメンテーションを用いたパイロット事例研究を実施した。
• フィードバックおよび使いやすさテストに基づいて、反復的デザインプロセスを用いてシミュレーションを改善した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存のオープンソースエネルギー シミュレーションを、上級小学校学年向けの科学学習に効果的にカスタマイズする方法は何か？
• RQ2 5Eモデルを小学校のシミュレーションベースの科学教育に適用した場合、児童の関与度と概念的理解はどのように向上するか？
• RQ3 カスタマイズプロセスから導き出される、小学校教育における効果的なシミュレーション利用を支える設計原則は何か？
• RQ4 TPACKの構成要素は、小学校の科学シミュレーションにおいて、技術、教育法、内容をどのように統合するかをどのように示唆するか？
• RQ5 改変されたシミュレーションの実装過程で、児童の学習と関与の証拠はどのように観察されたか？

主な発見

• 現場観察および児童のフィードバックから、シミュレーションベースの授業中、児童が高い関与度と満足度を示した。
• 色分けされたエネルギー表現と簡素化されたインターフェースを備えたカスタマイズ済みシミュレーションにより、児童のエネルギー変換の可視化と追跡能力が向上した。
• 5Eモデルは、段階的な概念的発展を支援する構造的フレームワークを提供し、授業全体を通じて探求学習を導いた。
• 明確な学習目標、直感的な視覚的コード、学習指導要領との整合性といった設計原則が、シミュレーションの成功した適応に不可欠であると特定された。
• TPACKフレームワークは、技術、教育法、科学的コンテンツの統合を効果的にガイドし、意味があり持続可能なシミュレーションの活用を可能にした。
• アンケートや設計ノートを含む複数のデータソースが、小学校の科学教育における改変シミュレーションの実現可能性と教育的価値を裏付けた。