[논문 리뷰] Design, Customization and Implementation of Energy Simulation with 5E Model in Elementary Classroom

Sze Yee Lye, Loo Kang Wee외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 29.

Teaching and Learning Programming참고 문헌 43인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 초등학교 4~5학년 학생들을 대상으로 후속 학교 프로그램에서 5E 수업 모델을 활용하여 수정된 오픈소스 에너지 시뮬레이션을 설계, 맞춤화 및 구현한다. 이 접근법은 시뮬레이션 기반 학습과 교육적 구조를 융합하여 TPACK 및 설계 원칙에 기반한 연령에 적합하고 시각적으로 풍부한 맞춤화를 통해 학생들의 참여도와 에너지 개념에 대한 이해를 향상시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 시뮬레이션을 활용한 초등 과학 교육, 특히 고학년 초등학교 교육 분야에서의 연구 격차를 해소하기 위해.
• 교육적 및 시각적 맞춤화를 통해 기존 오픈소스 에너지 시뮬레이션을 초등학교 4~5학년 학생들에게 적합하도록 조정하기 위해.
• 후속 학교 교육 프로그램 환경에서 시뮬레이션 기반 수업을 5E 모델(관심 유도, 탐색, 설명, 확장, 평가)을 활용해 구현하기 위해.
• 다른 교사들이 재사용할 수 있도록 시뮬레이션 설계 원칙과 TPACK 기반 전략을 식별하고 문서화하기 위해.
• 질적 및 관찰 데이터를 통해 학생의 참여도와 학습 성과를 평가하기 위해.

제안 방법

• 초등 과학 기준에 부합하도록 오픈소스 에너지 시뮬레이션을 Easy Java Simulations(EJSS) 플랫폼을 활용해 수정하였다.
• 5E 수업 모델을 적용하여 시뮬레이션 기반 수업을 다섯 단계(관심 유도, 탐색, 설명, 확장, 평가)로 구성하였다.
• 연령에 적합한 시각적 신호, 색상 코드, 단순화된 인터페이스 요소를 도입하여 어린 학생들의 이해도를 향상시켰다.
• 설계 및 구현 과정을 안내하기 위해 TPACK(Technological Pedagogical Content Knowledge) 프레임워크를 통합하였다.
• 현장 관찰, 학생 설문조사, 설계 문서를 활용한 피LOT 사례 연구를 수행하여 효과성을 평가하였다.
• 피드백과 사용성 테스트 기반으로 반복적인 설계 과정을 통해 시뮬레이션을 개선하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 오픈소스 에너지 시뮬레이션을 어떻게 효과적으로 고학년 초등 과학 학습자에게 맞춤화할 수 있는가?
• RQ2 5E 모델이 초등 교실의 시뮬레이션 기반 과학 수업에 적용되었을 때 학생들의 참여도와 개념적 이해도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 성공적인 시뮬레이션 적응을 위해 설계 과정에서 도출된 설계 원칙은 무엇인가?
• RQ4 TPACK 구성요소는 초등 과학 시뮬레이션에서 기술, 교육법, 과학 내용을 어떻게 통합하는가?
• RQ5 수정된 시뮬레이션 구현 과정에서 학생의 학습과 참여도에 대한 증거는 무엇인가?

주요 결과

• 현장 관찰 및 학생 피드백에 따르면, 학생들은 시뮬레이션 기반 수업 동안 높은 수준의 참여도와 즐거움을 보였다.
• 색상 코드로 표현된 에너지와 단순화된 인터페이스를 갖춘 맞춤화된 시뮬레이션은 학생들이 에너지 전환을 더 잘 시각화하고 추적하는 데 도움이 되었다.
• 5E 모델은 탐구를 이끌고 수업 일련의 진행 단계에서 점진적인 개념 발달을 지원하는 체계적인 프레임워크를 제공하였다.
• 명확한 학습 목표, 직관적인 시각적 코드, 교육과정 기준과의 일치 등 설계 원칙이 성공적인 시뮬레이션 적응에 핵심 요소로 확인되었다.
• TPACK 프레임워크는 기술, 교육법, 과학 내용의 통합을 효과적으로 이끌었으며, 의미 있고 지속 가능한 시뮬레이션 사용을 가능케 하였다.
• 설문조사 및 설계 노트 등 다양한 자료원이 수정된 시뮬레이션의 실현 가능성과 초등 과학 교육에서의 교육적 가치를 확인해주었다.