[논문 리뷰] Exploring Pedagogical Content Knowledge of Physics Instructors and Teaching Assistants Using the Force Concept Inventory

Alexandru Maries, Chandralekha Singh|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 26.

Science Education and Pedagogy참고 문헌 54인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 물리 교사와 교수조교(TA)의 수업 지도 지식(PCK)을 분석하기 위해 그들이 힘 개념 검사(FCI)에서 흔히 나타나는 오개념을 예측할 수 있는 능력을 평가한다. 약 900명의 학생으로부터 확득한 FCI 사전시험 데이터를 바탕으로, 전문성은 있음에도 불구하고 교사와 TA는 일반적으로 학생들이 보이는 오개념을 정확히 파악하지 못했으며, 이러한 능력은 수업 경험과도 상관관계가 없었다.

ABSTRACT

The Force Concept Inventory (FCI) has been widely used to assess student understanding of introductory mechanics concepts by a variety of educators and physics education researchers. One reason for this extensive use is that many of the items on the FCI have strong distractor choices that correspond to students' alternate conceptions in mechanics. Instruction is unlikely to be effective if instructors do not know the common alternate conceptions of introductory physics students and explicitly take into account students' initial knowledge state in their instructional design. Here, we discuss research involving the FCI to evaluate the pedagogical content knowledge of both instructors and teaching assistants (TAs) of varying teaching experience. For each item on the FCI, the instructors and TAs were asked to identify the most common incorrect answer choice of introductory physics students. We also discussed the responses individually with a few instructors. Then, we used the FCI pre-test and post-test data from a large population (~900) of introductory physics students to assess the pedagogical content knowledge of physics instructors and TAs. We find that while both physics instructors and TAs, on average, performed better than random guessing at identifying introductory students' difficulties with FCI content, they did not identify many common difficulties that introductory physics students have, even after traditional instruction. Moreover, the ability to correctly identify students' difficulties was not correlated with the teaching experience of the physics instructors.

연구 동기 및 목표

• 초보 물리학 수업에서 흔히 나타나는 학생의 오개념에 관해 물리 교사와 TA의 수업 지도 지식(PCK)을 평가하기 위해.
• 수업 경험과 FCI에서 학생의 대안 개념을 파악할 수 있는 능력 간 상관관계가 있는지 조사하기 위해.
• FCI 오답 선택지 분석을 교사의 PCK 진단 도구로 사용할 수 있는지 평가하기 위해.
• 전문 지식과 물리 교육에서 학생의 곤경에 대한 인식 간 격차를 탐색하기 위해.

제안 방법

• 약 900명의 초보 물리 수업 학생들에게 FCI를 시행하여 오개념에 대한 사전시험 데이터를 확보하였다.
• 각 FCI 문제를 교사와 TA에게 제시하고, 학생들이 가장 자주 잘못 선택할 만한 선택지를 예측하도록 요청하였다.
• 교사와 TA의 응답을 수집하고 분석하여 학생의 오개념을 예측하는 정확도를 평가하였다.
• 예측의 근거가 되는 사고 과정을 파악하기 위해 일부 교사를 대상으로 개인 인터뷰를 실시하였다.
• 교사와 TA의 성과를 무작위 추측과 비교하기 위해 통계적 분석을 수행하였다.
• 교사의 예측 정확도와 수업 경력 연수를 상관관계 분석하여 경험의 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물리 교사와 TA는 FCI에서 학생들이 가장 자주 잘못 선택할 만한 오답 선택지를 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ2 수업 경력과 FCI에서 학생의 오개념을 파악할 수 있는 능력 간에 유의미한 상관관계가 있는가?
• RQ3 교사와 TA의 예측 패턴은 FCI 문제에서 실제 학생 성과와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 교사에 대한 개인 인터뷰를 통해 오개념을 예측할 때의 사고 방식에 대해 어떤 통찰을 얻을 수 있는가?
• RQ5 기존의 물리학 교육과 경험은 학생의 대안 개념에 대한 효과적인 인식을 이끌어내는가?

주요 결과

• 평균적으로 물리 교사와 TA는 FCI에서 가장 흔한 잘못된 선택지를 예측하는 데 랜덤 추측보다 더 높은 성과를 보였다.
• 이러한 상당한 성과에도 불구하고, 교사와 TA는 FCI 사전시험 데이터에 나타난 많은 흔한 학생의 오개념을 정확히 파악하지 못했다.
• 학생의 오개념을 예측할 수 있는 능력은 물리 교사의 수업 경력 연수와 유의미한 상관관계가 없었다.
• 기존의 교육을 받은 후에도 많은 교사와 TA는 사전시험 데이터에서 명확하게 드러난 흔한 대안 개념을 인식하지 못했다.
• 잘 알려진 학생의 오개념을 반영하는 FCI 오답 선택지 중 다수는 대부분의 교사와 TA가 인식하지 못했다.
• 이 연구는 전문 물리학 지식과 학생의 오개념에 대한 인식 간에 뚜렷한 격차가 있음을 드러내며, 물리 교육자들 사이에 수업 지도 지식(PCK)의 부족함을 시사한다.