[논문 리뷰] How physics instruction impacts students' beliefs about learning physics

Adrian Madsen, Sarah B. McKagan외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 25.

Science Education and Pedagogy인용 수 7

한 줄 요약

24개의 연구를 대상으로 한 메타분석에서 CLASS 및 MPEX 설문지를 사용한 결과, 전통적인 물리수업은 일반적으로 학생들이 물리학을 배우는 데 대해 전문가 수준의 신념을 향상시키지 못하거나 오히려 악화시킨다. 모델 구축과 전문가 지식론을 강조하는 간섭 조치만이 잠재력을 보이며, 그러나 수업 규모나 학생 선별성 등의 혼동 요인으로 인해 인과관계에 대한 확실한 결론을 내리기 어렵다.

ABSTRACT

Faculty care about their students learning to think like physicists, but often don't assess this because it is not clear how to do so. Physics education researchers have created several surveys to assess one important aspect of thinking like a physicist: what students believe that learning physics is all about. In this meta-analysis, we synthesize the results of 24 studies using the Colorado Learning Attitudes about Science Survey (CLASS) and the Maryland Physics Expectations Survey (MPEX) to answer several questions: (1) How does physics instruction impact beliefs of students? We find that in typical physics classes, these beliefs deteriorate or at best stay the same. There are a few types of interventions, including an explicit focus on model-building and/or developing expert-like beliefs that appear to lead to significant improvements in beliefs. However, because the available data oversamples certain types of classes, it is unclear whether these improvements are actually due to the interventions, or to the small class size, student population or level of incoming beliefs these classes. (2) When do physics majors develop expert-like beliefs? We find that physics majors enter their undergraduate education with more favorable beliefs than non-majors and these beliefs remain relatively stable throughout their undergraduate careers. Thus, typical physics courses appear to be selecting students that already have strong beliefs, rather than supporting students in developing strong beliefs. (3) How do beliefs of students impact their learning of physics? There is a small correlation between incoming beliefs about physics and gains on conceptual mechanics surveys. This suggests that students with more expert-like incoming beliefs may learn more in their physics courses, but this finding should be further explored and replicated.

연구 동기 및 목표

• 물리수업이 학생들이 물리학을 배우는 데 대해 갖는 신념에 어떤 영향을 미치는지 조사하는 것, 특히 수업이 전문가 수준의 지식론적 신념을 키우는지 여부를 밝혀내는 것.
• 물리학 전공생들이 언제 전문가 수준의 신념을 갖게 되는지, 그리고 일반적인 수업이 이러한 발달을 지원하는지 여부를 밝혀내는 것.
• 학생들의 초기 신념과 물리학 개념 학습 성취도 간의 관계를 분석하는 것.
• CLASS 및 MPEX와 같은 설문지 도구가 신념 변화를 측정하는 데 신뢰성과 타당성이 있는지 평가하는 것.

제안 방법

• 콜로라도 대학의 과학 학습 태도 설문( CLASS )과 메릴랜드 물리학 기대 설문(MPEX)을 사용한 24개 연구의 메타분석적 종합.
• 다양한 물리 수업에서 수집된 데이터를 통합하여 학생들이 물리학을 배우는 데 대해 갖는 신념의 시간에 따른 변화를 평가.
• 통계적 분석을 통해 전통적 강의와 모델 기반 수업을 포함한 다양한 수업 접근 방식 간의 신념 변화를 비교.
• 부군집 분석을 통해 수업 규모, 학생 인구 특성, 입학 시 신념 수준이 관찰된 결과에 미치는 영향을 분리하여 분석.
• 상관관계 분석을 통해 입학 전 신념과 개념적 역학 평가 성취도 향상 간의 관계를 조사.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적인 물리수업은 학생들이 물리학을 배우는 데 대해 갖는 신념에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 어떤 수업 간섭 조치가 학생들의 전문가 수준의 신념에 측정 가능한 개선을 이끌어내는가?
• RQ3 물리학 전공생들이 학업 경력의 어느 시점에서 전문가 수준의 신념을 갖게 되는가?
• RQ4 학생들의 초기 신념이 물리학에서의 학습 성취도에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 일반적인 물리 수업에서는 학생들의 물리학을 배우는 데 대한 신념이 악화되거나 그대로 유지되어, 일반 수업이 긍정적인 영향을 미치지 못함을 시사한다.
• 모델 구축과 전문가 수준의 신념을 직접적으로 강조하는 간섭 조치는 뚜렷한 개선 효과를 보였지만, 혼동 변수로 인해 인과관계가 명확하지 않다.
• 물리학 전공생들은 비전공생보다 더 유리한 신념을 가지고 대학에 입학하며, 이러한 신념은 학업 경력 전반에 걸쳐 상대적으로 안정되어 있다.
• 학생들의 입학 시 전문가 수준의 신념과 개념적 역학 시험 성취도 향상 간에 작은 그러나 측정 가능한 상관관계가 존재한다.
• 목표 간섭 조치로 인한 신념 향상은 간섭 자체보다는 소규모 수업, 높은 성취도를 보이는 학생 인구, 또는 높은 수준의 입학 시 신념 등의 요인에 의해 영향을 받을 수 있다.