[論文レビュー] Learner intuitions about energy degradation

Abigail R. Daane, Rachel E. Scherr+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2013

Science Education and Pedagogy参考文献 80被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、エネルギーの『消耗』や『浪費』といった学習者たちの直感的考え—たとえばエネルギーが『使い果たされる』、『無駄にされる』といった感覚—を小学校から高校までの科学教育に統合することを提案する。これにより、日常経験とエネルギー保存の法則、および熱力学第二法則の正式な原則との橋渡しがなされる。教員の専門的発展においてこれらの直感的考えを学習目標と一致させることで、概念的理解が向上し、物理学的原則とエネルギー持続可能性といった社会的・政治的問題とのつながりが強化される。

ABSTRACT

A primary learning goal for energy in K-12 science instruction is that energy cannot be created or destroyed. However, learners' everyday ideas about energy often involve energy being used up or wasted. In physics, the concept of energy degradation can connect those everyday ideas to the principle of energy conservation. Learners' spontaneous discussions of aspects of energy degradation and the second law of thermodynamics include ideas concerning the inaccessibility, usefulness and dispersion of energy. These ideas have motivated us to introduce new learning goals into our K-12 teacher professional development courses. We identify alignments between these learning goals and learners' informal ideas and discuss instructional implications created by these alignments. Our aim is to create stronger ties between formal physics knowledge and sociopolitical issues by making these learning goals a priority in our professional development.

研究の動機と目的

• 学習者たちがエネルギーが『使い果たされる』と感じる日常的直感と、エネルギー保存の法則という科学的原則との間のギャップを埋めること。
• 学習者たちのエネルギー劣化に関する非公式な考え—エネルギーが無駄にされたり、散逸したり、もはや役に立たなくなったりすること—が、エネルギーの利用可能性の低下、有用性の減少、エネルギーの拡散といった核心的な物理学的概念とどのように一致するかを特定すること。
• これらの直感的考えを正式な物理学知識と統合する新しい小学校・中学校・高等学校向け教員の専門的発展の学習目標を開発すること。
• 対象的な指導を通じて、科学的エネルギー概念とエネルギー持続可能性といった社会的・政治的問題とのつながりを強化すること。

提案手法

• 学習者たちがエネルギー劣化や熱力学第二法則について自発的に述べる会話を分析すること。
• エネルギーが無駄にされたり、散逸したり、もはや役に立たなくなったりするという、学習者たちの非公式な推論における繰り返しテーマを特定すること。
• これらの直感的考えをエントロピーとエネルギーの拡散といった正式な物理学的概念にマッピングすること。
• これらの一致に基づいて、小学校・中学校・高等学校向け教員の専門的発展コースのための新しい学習目標を設計・実装すること。
• これらの一致した学習目標を活用して、物理学的原則と現実の社会的・政治的文脈を結びつける指導を促進すること。
• 専門的発展の場での反復的開発とフィードバックを通じて、指導へのインパクトを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 学習者たちは日常的な文脈において、エネルギー劣化をどのように自発的に説明するか？
• RQ2 学習者たちがエネルギーが『使い果たされる』と感じる非公式な考えと、熱力学第二法則のような正式な物理学的概念との間にどのようなつながりがあるか？
• RQ3 これらの直感的考えを、小学校・中学校・高等学校の科学教育における重要な学習目標とどのように体系的に一致させられるか？
• RQ4 これらの直感的考えを教員の専門的発展に統合した場合に、どのような指導戦略が生じるか？
• RQ5 エネルギー劣化の概念をどのように活用すれば、物理学教育とエネルギー効率や持続可能性といった社会的・政治的問題とのつながりを強化できるか？

主な発見

• 学習者たちは、公式な指導を受ける前から、エネルギーが『使い果たされる』、『浪費される』と頻繁に述べており、エネルギー劣化に対する直感的認識を示している。
• これらの日常的考えは、エネルギーの利用不可能性、有用性の低下、エネルギーの拡散といった核心的な物理学的概念と意味的に一致している。
• 正式な物理学と明確に結びつけられれば、これらの直感的考えは熱力学第二法則を教えるための生産的な出発点として機能する。
• これらの考えを教員の専門的発展に統合することで、教員が科学的原則と現実の問題を結びつける能力が向上する。
• 非公式な推論と正式な物理学の一致は、小学校・中学校・高等学校の教室におけるより一貫性があり意味のあるエネルギー教育を支援する。
• エネルギー教育の関連性を高めるために、エネルギー効率や持続可能性といった社会的・政治的懸念と結びつけることで、このアプローチは教育の意義を強化する。