[論文レビュー] Improving Student Understanding of Magnetism

Chandralekha Singh|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2017

Science Education and Pedagogy参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、微分積分学を応用した物理学コースにおける磁気に関する学生の持続的な誤った理解を、書換え式の評価、複数選択式のテスト、および講義実験インタビューを用いて調査している。その結果、学生は磁場や力の3次元的ベクトル的性質を理解するのに困難を抱えており、特に予測と実際の実験結果を一致させることで問題が生じ、直感的思考が理論的理解を上回る傾向があることが明らかになった。特に実践的文脈では、この傾向が顕著である。

ABSTRACT

Formally investigating the sources of students' difficulties around specific subjects is crucial for developing appropriate strategies to help students. We have been studying difficulties in understanding magnetism encountered by students in the calculus-based introductory physics courses. A majority of these students are engineering majors. Student difficulties were assessed by administering written free-response questions and by developing and administering a research-based multiple-choice test to students. We also conducted individual interviews with a subset of students. Some of these interviews were lecture-demonstration based interviews in which students were asked to predict the outcomes of experiments, perform the experiments and reconcile the differences between their predictions and observations. Some of the common misconceptions found in magnetism are analogous to those found in electrostatics. Some additional difficulties are due to the non-intuitive three dimensional nature of the relation between magnetic field, magnetic force and velocity of the charged particles or direction of current. Another finding is that students often used their gut feeling and had more difficulty reconciling with the idea that the magnetic force and field are perpendicular to each other when they were shown actual lecture-demonstration setups and asked to predict outcomes of experiments than when they were asked to explain relation between magnetic force and field theoretically solely based upon an equation. We discuss the implications of this research to teaching and learning.

研究の動機と目的

• 微分積分学を応用した物理学入門コースにおける磁気に関する持続的な学生の誤った理解を特定・分析すること。
• 学生の直感的思考が、磁場力、磁場、速度の垂直関係を理解するのを妨える仕組みを調査すること。
• 理論的問題を解く場合と物理実験の結果を予測する場合の学生の成績の違いを探ること。
• 講義実験に基づくインタビューが、誤った理解を明らかにし、是正するのにどの程度有効であるかを評価すること。
• 学生の困難に関する実証的研究に基づいて、磁気を教えるためのより効果的な指導戦略を提示すること。

提案手法

• 学生の磁気に関する概念的理解を評価するため、自由記述式の質問を実施した。
• 研究に基づいた複数選択式テストを開発し、大規模な学生集団における誤った理解の度合いを数量化した。
• 一部の学生に対して個別インタビューを実施し、実験の予測、観察、結果の一致を図る講義実験型のセッションを含めた。
• 学生の回答とインタビューのトランスクリプトを分析し、誤った理解や推論の誤りのパターンを特定した。
• 理論的問題と実地の予測タスクの両方における学生の成績を比較し、直感的思考と経験学習の役割を評価した。
• 定量的評価と定性的インタビューの両方のデータを用いて、学生の困難に関する結果を三角測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 微分積分学を応用した物理学入門コースにおいて、学生が磁場や力に関して持つ最も一般的な誤った理解は何か？
• RQ2 理論的推論と実地の実験的デモンストレーションの両方において、学生が磁場力の結果を予測する方法にどのような違いが生じるか？
• RQ3 直感的思考が、磁気における予測と実際の実験結果の一致を図る能力をどの程度妨げるのか？
• RQ4 磁場、力、速度の3次元的ベクトル的関係が、なぜ学生の誤った理解を生じやすいのか？
• RQ5 なぜ学生は方程式を解く際よりも、物理的デモンストレーションを観察する際に、磁場力と磁場の垂直関係を理解するのが難しいのか？

主な発見

• 微分積分学を応用した物理学コースを受講する工学部の大多数の学生が、静電気学におけるものと類似した誤った理解を抱えている。
• 学生は磁場、力、粒子の速度の3次元的ベクトル的性質を理解するのに頻繁に困難を抱えており、これが持続的な概念的誤りを引き起こしている。
• 実験の結果が期待と異なる場合、特に物理的実験の結果を予測する際には、学生が直感や感覚に頼りがちである。
• 方程式に基づく理論的問題を解く場合よりも、実地の講義デモンストレーションで予測と観察を一致させることに、学生はより困難を感じている。
• 磁場力、磁場、速度の垂直関係は、実際の装置を用いた状況では、理論的指導を受けた後でも特に理解が難しい。
• 実世界のデモンストレーションに直面した際、誤った理解はより根強く定着しており、実践的文脈では直感的思考が形式的知識を上回ることがある。