[論文レビュー] Implicit scaffolding in interactive simulations: Design strategies to support multiple educational goals

Noah S. Podolefsky, Emily B. Moore+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2013

Educational Games and Gamification参考文献 191被引用数 24

ひとこと要約

本論文は、明示的な指示に依存せずに、内容知識、手順的スキル、学生の自律性などの教育的目標を支援する、インタラクティブシミュレーションにおける暗黙的サポートのフレームワークを提示する。このフレームワークは、提示された機能、制約、インジケーター、フィードバックを活用し、エネルギー・スケートパーク：ベーシックスシミュレーションに適用された。その結果、中学校のエネルギー概念における生徒の主体的で生産的な学びが促進され、概念的理解が深まった。

ABSTRACT

We build on theoretical foundations of tool-mediated learning, tool design, and human computer interaction to develop a framework for implicit scaffolding in learning environments. Implicit scaffolding employs affordances, constraints, cueing, and feedback in order to frame and scaffold student exploration without explicit guidance, and it is a particularly useful design framework for interactive simulations in science and mathematics. A key purpose of implicit scaffolding is to support a range of educational goals including affect, process, and content. In particular, the use of implicit scaffolding creates learning environments that are productive for content learning and are able to simultaneously support the affective goals of student agency and ownership over the learning process - goals that may not be addressed in more directed learning environments. We describe how the framework is applied in the context of the Energy Skate Park: Basics simulation, a simulation aimed at middle school student learning of energy concepts. Interview data provides an exemplar of the process by which implicit scaffolding can support productive student exploration with a computer simulation. While we present this framework for implicit scaffolding in the context of computer simulations, the framework can be extended and adapted to apply to a range of tool-mediated learning environments.

研究の動機と目的

• 明示的指導に依存せずに、インタラクティブシミュレーションにおける複数の教育的目標を支援する設計フレームワークを開発すること。
• 技術支援型科学教育において、内容学習と学生の自律性や所有感といった感情的目標のバランスをとる課題に対処すること。
• 生徒がツールを介した相互作用を通じて概念を深く探求できる学習環境を創出すること。
• 暗黙的サポートを体系的にシミュレーションに適用し、学びを導く一方で探求的自由を保つ方法を示すこと。
• シミュレーションに限らず、他のツールを介した学習環境へも応用可能な汎用的フレームワークを提供すること。

提案手法

• フレームワークは、ツールを介した学び、人間-コンピュータインタラクション、およびデザイン理論の原則を統合し、インターフェース自体に支援を埋め込む。
• 提示された機能は、ドラッグ可能な要素や視覚的フィードバックなど、自然な方法で相互作用の可能性を示唆する。
• 制約は、生産的でない行動を防ぎつつ探求を維持するようにインターフェースに組み込まれる（例：スライダの範囲制限、保存則の強制）。
• インジケーターは、視覚的・インタラクティブな信号（例：強調表示、色の変化）によって、重要な機能や関係に注意を引く。
• フィードバックは、生徒の行動に対するリアルタイムの反応（例：エネルギーバーの更新、運動の軌跡）として埋め込まれ、形成的理解を支援する。
• フレームワークは、エネルギー・スケートパーク：ベーシックスシミュレーションへの設計実装を通じて検証され、生徒のインタビュー調査データを分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 明示的ガイドなしに、暗黙的サポートをどのように設計すれば、インタラクティブシミュレーションにおける内容学習を支援できるか？
• RQ2 暗黙的サポートは、学生の自律性や所有感といった手続き的および感情的学習目標を、どのように同時に支援できるか？
• RQ3 どの設計戦略（提示された機能、制約、インジケーター、フィードバック）が、シミュレーションにおける生産的な探求を最も効果的に導くか？
• RQ4 暗黙的サポートは、エネルギー概念における深い概念的理解を育てる点で、明示的指導と比べてどのように異なるか？
• RQ5 このフレームワークは、他のツールを介した学習環境へどの程度一般化可能か？

主な発見

• エネルギー・スケートパーク：ベーシックスシミュレーションは、暗黙的サポートを備えた設計により、中学校の生徒が自発的な実験を通じてエネルギー保存と変換を探索できる環境を提供した。
• 生徒は、エネルギーの分配が異なるトラック構成でどのように変化するかを説明できるなど、エネルギー移動と保存に関する強い概念的理解を示した。
• インタビュー調査では、生徒がシミュレーションを魅力的で力強いものと感じ、学びのプロセスにおける所有感とコントロール感を多くの生徒が感じていた。
• 明示的指導が存在しなかったにもかかわらず、学習は妨げられず、むしろインターフェースの暗黙的支援によって導かれる探索を通じて、生徒はより深い概念的洞察を獲得した。
• フレームワークは自由と構造のバランスをうまくとることができ、埋め込まれた設計的インジケーターとフィードバックのおかげで、誤解の発生を最小限に抑えながら生産的な探求を可能にした。
• 本研究は、暗黙的サポートが、認知的、手続き的、感情的という複数の教育的目標を、一つの統合的学習環境内で効果的に支援できることを確認した。