[논문 리뷰] Flipping the Large-Enrollment Introductory Physics Classroom

Chad T. Kishimoto, Michael G. Anderson외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 10.

Experimental Learning in Engineering참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 대규모 입문 물리 수업(N > 100)을 대상으로 기존의 강의 중심 교육 방식을 대체하여 학생 주도의 활동 워크시트를 도입한 뒤집어진 수업 모델을 제시한다. 이는 개념적 학습 향상과 기존 강의 중심 교육 방식 대비 성별 격차 감소를 가져오며, 대규모 과학·기술·공학·수학(STEM) 교육 환경에서 개념 이해도 향상과 참여도 향상을 위한 구조화된 수업 방식을 제공한다.

ABSTRACT

Most STEM students experience the introductory physics sequence in large-enrollment (N $\gtrsim$ 100 students) classrooms, led by one lecturer and supported by a few teaching assistants. This work describes methods and principles we used to create an effective "flipped classroom" in large- enrollment introductory physics courses by replacing a majority of traditional lecture time with in-class student-driven activity worksheets. In this work, we compare student learning in courses taught by the authors with the flipped classroom pedagogy versus a more traditional pedagogy. By comparing identical questions on exams, we find significant learning gains for students in the student-centered flipped classroom compared to students in the lecturer-centered traditional classroom. Furthermore, we find that the gender gap typically seen in the introductory physics sequence is significantly reduced in the flipped classroom.

연구 동기 및 목표

• 대규모 입문 물리 수업에서 학생 참여도와 이해도가 낮은 상황에서 지속적으로 발생하는 개념적 학습 저하 문제를 해결하기 위해.
• 제한된 수업 시간과 TA 지원 등의 기관적 제약 조건 속에서 대규모 입문 물리 수업에 뒤집어진 수업 모델을 구현하고 평가하기 위해.
• 강의 시간을 학생 주도의 워크시트로 대체할 경우 학업 성과 향상과 입문 물리 시험에서 관찰되는 성별 격차 감소 여부를 조사하기 위해.
• 확장 가능한 프레임워크를 제공하여 대규모 강의 수업을 자원이 제한된 환경에서 활동 중심의 학생 중심 수업 환경으로 전환할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 기존의 수업 시간 강의를 대체하여 개념 이해도 향상과 문제 해결 능력 향상을 유도하는 구조화된 학생 주도 활동 워크시트를 도입하였다.
• 비디오 강의 대신 독서 목표, 추천 독서 자료 및 서면 개요를 제공하여 학생들이 수업 전 준비를 할 수 있도록 하였다.
• 수업 시간에는 소그룹 내 협업 문제 해결, 동료 토론 및 워크시트 질문에 대한 학생 반응을 바탕으로 한 목표 지향적 인structor 개입을 중심으로 운영하였다.
• 사색적 질문과 클릭러 스타일 질문을 도입하여 사고 유도 및 실시간 이해도 평가를 수행하였다.
• 기존의 물리 교육 자료(예: Knight, McDermott & Shaffer)를 다양한 수준의 지원 구조를 가진 워크시트 형식으로 변환하여 학습 목표를 충족시켰다.
• 비교 그룹 간 동일한 커리큘럼 내용과 동일한 강사가 유지되어 수업 방법의 영향을 유일하게 분리하여 분석할 수 있도록 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 입문 물리 수업에서 기존 강의 방식을 학생 주도의 워크시트로 대체할 경우, 학생의 학습 성과에 측정 가능한 향상이 이루어지는가?
• RQ2 뒤집어진 수업 모델이 개념 물리 시험 성과에서 관찰되는 성별 격차를 어느 정도 감소시키는가?
• RQ3 대규모 수업 환경에서 뒤집어진 수업과 기존 강의 방식 간 학생의 참여도와 개념 이해도는 어떻게 비교되는가?
• RQ4 제한된 교육 자원과 시간이 있는 대학에서 뒤집어진 수업 모델을 효과적으로 구현할 수 있는가?

주요 결과

• 동일한 시험 문제를 사용한 평가에서, 뒤집어진 수업에 참여한 학생들은 기존 강의 중심 수업에 비해 뚜렷한 학습 향상을 보였다.
• 뒤집어진 수업에서 입문 물리 성과에 대한 성별 격차가 유의미하게 감소했지만 완전히 사라지지는 않아, 학습 성과의 형평성이 향상된 것으로 나타났다.
• 구조화된 워크시트와 수업 내 협업 활동의 도입으로, 기존 강의 중심 교육 방식보다 높은 수준의 학생 참여도와 개념 이해도 향상이 이루어졌다.
• 비디오 콘텐츠가 최소화되고 공식적인 비디오 강의가 없는 상황에서도, 뒤집어진 수업 모델이 깊은 개념적 학습을 촉진하는 데 기존 강의 방식을 능가했다.
• 이러한 방법은 대규모 수업 규모와 제한된 TA 지원 등의 기관적 제약 조건 속에서도 확장 가능하고 효과적인 것으로 입증되었다.
• 본 연구는 학생 중심 활동, 특히 소그룹 활동이 수업 내 암묵적 성별 편향을 완화하고 모든 학생의 학습 향상에 기여할 수 있음을 시사한다.