[論文レビュー] Challenges in Analogical Reasoning

Shih‐Yin Lin, Chandralekha Singh|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2016

Science Education and Pedagogy参考文献 17被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、初歩的な物理学の学生がニュートンの第二法則の問題を解く際に類推的思考をどのように適用するかについて調査している。学生たちは、解かれたひもによる張力の問題を与えられ、類似の原理を摩擦に関する問題に適用するよう求められ、深い構造的類似性を特定し、効果的に推論を転送する上で顕著な困難を示した。

ABSTRACT

Learning physics requires understanding the applicability of fundamental principles in a variety of contexts that share deep features. One way to help students learn physics is via analogical reasoning. Students can be taught to make an analogy between situations that are more familiar or easier to understand and another situation where the same physics principle is involved but that is more difficult to handle. Here, we examine introductory physics students' ability to use analogies in solving problems involving Newton's second law. Students enrolled in an algebra-based introductory physics course were given a solved problem involving tension in a rope and were then asked to solve another problem for which the physics is very similar but involved a frictional force. They were asked to point out the similarities between the two problems and then use the analogy to solve the friction problem.

研究の動機と目的

• 初歩的な物理学の学生がニュートンの第二法則の問題を解く際に類推的思考をどのように用いるかを調査すること。
• なじみのある問題（ひもによる張力）とより複雑な問題（摩擦力）との間の深い構造的類似性を学生がどの程度特定できるかを評価すること。
• 類推的思考が、異なる文脈間で物理的原則を転送するのを支援する教育的ツールとしてどの程度効果的かを評価すること。
• 物理的問題解決における成功した類推的転送を妨げる、特定の認知的および概念的障壁を同定すること。

提案手法

• 代数的アプローチを用いた物理学の授業を受ける学生に、ひもによる張力に関する解決済みの問題が提示された。
• その後、摩擦を含むニュートンの第二法則の問題が別の問題として与えられた。
• 参加者には、摩擦問題を解く前に、2つの問題の類似点を明示的に特定するよう求められた。
• 研究者たちは、学生の書面による反応を分析して、その推論、類似する特徴の特定、および解決戦略を評価した。
• 分析は、学生が「合力＝質量×加速度」という基本的な物理的原則を共通の構造的要素として認識しているかどうかに焦点を当てた。
• 本研究では、学生の反応の定性的分析を用いて、類推的転送の過程における誤認知や推論の誤りのパターンを同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初歩的な物理学の学生が、ニュートンの第二法ルの問題を2つ提示された際、深い構造的類似性をどの程度うまく特定できるか。
• RQ2 学生が馴染みのある問題と類似した新しい物理的問題を比較するよう誘導された場合、類推的思考がどの程度効果的に新しい問題を解くのを支援するか。
• RQ3 馴染みのある問題から構造的に類似しているが文脈が異なる問題へと推論を転送するのを妨げる、具体的な認知的または概念的障壁は何か。
• RQ4 学生が2つの問題の類似点をどのように説明するかが、ターゲット問題の解決成功とどの程度相関しているか。

主な発見

• 多くの学生が、張力の問題と摩擦の問題との間の深い構造的類似性を認識できなかったが、両者ともニュートンの第二法則に従っていた。
• 学生はしばしば表面的な特徴（例：ひもやブロックの存在）に注目し、合力という根本的な物理的原則に注目しなかった。
• 類似点を識別できたとしても、しばしば誤った推論をし、正しい解決法を転送できなかった。
• 正しく類推して摩擦問題の正しい解を導き出した学生はごく少数にとどまった。
• 特に、張力のケースから摩擦のケースへと推論をマッピングしようとした際、力と加速度の関係に関する誤解が広く見られた。
• 本研究では、学生が文脈に依存する詳細から核心的な物理的原則を抽象化できず、類推的思考の能力が制限されていることが明らかになった。