[논문 리뷰] Exploring student facility with "goes like'' reasoning in introductory physics

Charlotte Zimmerman, Alexis Olsho외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 20.

Science Education and Pedagogy참고 문헌 22인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 물리학 입문 수업 수강생들이 물리량 간 기능적 관계를 설명하는 데 사용하는 'goes like' 추론 방식—물리학자들이 사용하는 공변화 추론의 한 형태—에 얼마나 능숙한지 조사한다. 추론 인ventori를 통해 저자들은 학생들이 전문가 수준의 'goes like' 추론을 충분히 갖추지 못하고 있음을 발견했지만, 이는 이전 수업에서 습득한 기초적인 수학적 자원을 바탕으로 직접 지도를 통해 전문가 수준의 정량적 추론 능력을 기를 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Covariational reasoning -- reasoning about how changes in one quantity relate to changes in another quantity -- has been examined extensively in mathematics education research. Little research has been done, however, on covariational reasoning in introductory physics contexts. We explore one aspect of covariational reasoning: ``goes like'' reasoning. ``Goes like'' reasoning refers to ways physicists relate two quantities through a simplified function. For example, physicists often say that ``the electric field goes like one over r squared.'' While this reasoning mode is used regularly by physicists and physics instructors, how students make sense of and use it remains unclear. We present evidence from reasoning inventory items which indicate that many students are sense making with tools from prior math instruction, that could be developed into expert ``goes like'' thinking with direct instruction. Recommendations for further work in characterizing student sense making as a foundation for future development of instruction are made.

연구 동기 및 목표

• . 입문 수준의 물리학 수업 수강생들이 물리량 간 기능적 관계를 'goes like' 언어로 어떻게 추론하는지 조사한다.
• . 이전 수학 수업에서 습득한 유용한 학생 자원과 공변화 추론 능력의 잠재적 발달 가능성을 규명한다.
• . 일 년에 걸친 입문 수준 물리학 수업 과정 동안 학생들의 'goes like' 추론 능력이 향상되는지 여부를 확인한다.
• . 학생의 추론 자원을 바탕으로 전문가 수준의 물리학 추론 능력을 기를 수 있는 교육과정 개선 방안을 제안한다.
• . 물리 교육 연구 분야에 기여하여, 학생의 이해 기반을 마련하고 물리 수업에서 공변화 추론 능력을 기르는 데 기초를 제공한다.

제안 방법

• . 'goes like' 추론 포함, 맥락이 풍부한 과제를 포함한 추론 인벤토리를 시행하여 학생의 공변화 추론 능력을 평가한다.
• . 학생의 기능적 관계 추론를 유도하기 위해 팔라스 휠과 부탄 국기 과제를 사용한다.
• . 질적 코드화를 통해 학생의 응답을 분석하여 추론 자원, 오개념, 발달적 진전 여부를 식별한다.
• . 일 년에 걸친 입문 수준 물리학 수업 과정 동안의 성과를 비교하여 추론 능력 향상을 평가한다.
• . 비례적 및 기능적 관계의 사용을 포함해 전문가 수준의 추론 패턴과 학생의 응답을 매핑한다.
• . 수학교육 분야에서의 이전 공변화 추론 연구 결과와 통합하여 학생의 사고를 물리 수업 맥락에서 설명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 입문 수준의 물리학 수강생들이 물리량 간 기능적 관계를 'goes like' 언어로 어떻게 추론하는가?
• RQ2 . 이전 수학 수업에서 습득한 어떤 생산적인 추론 자원이 물리 수업에서 'goes like' 추론 능력을 기르는 데 도움이 될 수 있는가?
• RQ3 . 일 년에 걸친 입문 수준 물리학 수업 과정 동안 학생의 'goes like' 추론 능력은 향상되는가?
• RQ4 . 학생의 추론 패턴이 물리 수업 맥락에서 전문가 수준의 공변화 추론과 얼마나 일치하는가?
• RQ5 . 어떤 지도적 지원이 학생의 자원을 효과적으로 활용하여 전문가 수준의 'goes like' 추론 능력을 기를 수 있는가?

주요 결과

• . 일 년에 걸친 입문 수준 물리학 수업 수강 후에도 학생들은 전문가 수준의 'goes like' 추론 능력이 여전히 제한되어 있음을 보였다.
• . 학생들은 'goes like' 언어를 사용해 선형 관계에 대해 강력한 추론 능력을 보이며, 이는 비선형 관계로 확장할 수 있는 기초를 제공한다.
• . 이전 수학 수업에서 습득한 관계—특히 직각삼각형과 피타고라스 정리와 관련된 관계—는 물리 수업 전용 공변화 추론 능력을 기르는 데 활용될 수 있다.
• . 팔라스 휠 과제에 대한 응답은 학생들이 원운동과 삼각함수에 대해 추론할 수 있음을 보여주며, 전문가 수준의 추론 능력을 기르는 데 잠재력이 있음을 시사한다.
• . 학생의 추론는 종종 연속적이고 기능적인 공변화가 아닌 이산적, 덧셈적, 비기능적 사고에 기반한다.
• . 'goes like' 추론을 전용으로 발전시키는 교육과정 자료의 격차를 규명하였으며, 이는 목표 지향적 지도 개선이 필요하다는 점을 강조한다.