[論文レビュー] Developing a learning goal framework for computational thinking in computationally integrated physics classrooms

Daniel P. Weller, Theodore E. Bott+2 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2021

Teaching and Learning Programming参考文献 47被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、ビデオ分析を用いて学生のグループワークを検証した結果、14の実践的行動と6つのカテゴリーから成る計算的思考（CT）のフレームワークを、初歩的な物理学の授業環境に適用して開発した。このフレームワークは、CTの実践的行動を評価するための実用的指標を提供し、教育者による指導設計や研究者による計算的統合型物理学学習環境におけるCT発達の研究を支援する。

ABSTRACT

Computational thinking has been a recent focus of education research within the sciences. However, there is a dearth of scholarly literature on how best to teach and to assess this topic, especially in disciplinary science courses. Physics classes with computation integrated into the curriculum are a fitting setting for investigating computational thinking. In this paper, we lay the foundation for exploring computational thinking in introductory physics courses. First, we review relevant literature to synthesize a set of potential learning goals that students could engage in when working with computation. The computational thinking framework that we have developed features 14 practices contained within 6 different categories. We use in-class video data as existence proofs of the computational thinking practices proposed in our framework. In doing this work, we hope to provide ways for teachers to assess their students' development of computational thinking, while also giving physics education researchers some guidance on how to study this topic in greater depth.

研究の動機と目的

• 計算的思考（CT）の明確で分野特化型の学習目標が、初歩的な物理学の授業で不足しているという問題に応えること。
• CTと物理学教育に関する既存の文献を統合し、物理学の教室に適した、実行可能なかつ関連性のあるCT実践を同定すること。
• 教育者による評価と研究者による物理学指導におけるCT発達の研究を支援する、実証的根拠に基づいた実用的フレームワークを構築すること。
• 計算的統合型物理学活動における実際の教室ビデオデータの分析を通じて、CT実践の根拠に基づく指標を提供すること。
• 活動設計、グループ構成、教師のメッセージがCT実践の出現にどのように影響するかを明らかにする今後の研究を導くこと。

提案手法

• 物理学教育におけるCTおよび関連する計算科学教育フレームワークに焦点を当てた、的を絞った文献レビューを実施した。
• 問題分解、パターン認識、抽象化、アルゴリズム設計、シミュレーション、デバッグの6つのカテゴリーに分類された14の異なる計算的思考実践を統合した。
• 計算的統合型物理学授業における学生のグループワークの授業内ビデオ記録を、提案されたCT実践の存在と現れ方を示す実証的根拠として使用した。
• ビデオトランスクリプトの分析を通じて、各CT実践を具体例として示す学生の行動や相互作用を同定し、実際の教室データでフレームワークを検証した。
• 各実践の観察可能な指標をフレームワークに組み込み、形成的評価や研究応用を可能にした。
• プログラミングを必要としない文脈に焦点を当て、CTの概念的および問題解決的側面を強調することで、WingによるCTの定義「コンピュータサイエンティストのように考える」に沿った、コード作成を要しないアプローチを採った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 計算が指導に統合された際、初歩的な物理学の教室で顕在化する主な計算的思考実践は何か？
• RQ2 計算的統合型物理学活動における学生のグループワークにおいて、これらのCT実践はどのように現れるか？
• RQ3 教師や研究者が評価や分析に使用できる、各CT実践の観察可能な指標は何か？
• RQ4 グループ構成、教師のメッセージ、活動設計などの要因が、特定のCT実践の出現にどのように影響するか？
• RQ5 物理学教育において、教室のビデオデータを通じて、非プログラミング的で概念的なCTフレームワークをどの程度検証できるか？

主な発見

• 本研究では、実際の教室のビデオデータに基づいた、14の実践的行動と6つのカテゴリーから成る包括的な計算的思考フレームワークを、初歩的な物理学教育に開発した。
• 各CT実践は、問題を部分課題に分解する、データのパターンを特定するといった、学生の相互作用から導かれた観察可能な指標によって裏付けられている。
• ビデオ分析により、デバッグ、抽象化、アルゴリズム設計といった実践が、計算モデリングタスクのグループワーク中に実際に学生が実施していることが確認された。
• フレームワークは、学生がコードを書かなくてもCTを意味的に教えたり評価したりできることを示しており、WingのCTの概念的定義を支持する。
• グループワークにおける教師のメッセージと役割割分担は、学生の関与度やCTタスクへの認識に顕著な影響を与え、曖昧な指示は不満や無関心を引き起こすことが分かった。
• 本フレームワークは、今後の研究において、指導設計や教室のダイナミクスが物理学教育におけるCT実践の発達にどのように影響するかを検証する基盤を提供する。