[論文レビュー] Connecting Three Pivotal Concepts in K-12 Science State Standards and Maps of Conceptual Growth to Research in Physics Education

Chandralekha Singh, Christian D. Schunn|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2016

Science Education and Pedagogy参考文献 60被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、米国各地の小中学校の科学学習指導要領において、力と運動、エネルギー保存の法則、幾何学的光学の3つの中心的物理学的概念が一貫して強調されていることを特定した。これらの分野における概念的発達をマッピングし、物理学教育研究と結びつけることで、学生の根強い誤った理解や、概念的理解を高める根拠に基づく指導法の有効性を明らかにした。

ABSTRACT

This paper describes three conceptual areas in physics that are particularly important targets for educational interventions in K-12 science. These conceptual areas are force and motion, conservation of energy, and geometrical optics, which were prominent in the US national and four US state standards that we examined. The four US state standards that were analyzed to explore the extent to which the K-12 science standards differ in different states were selected to include states in different geographic regions and of different sizes. The three conceptual areas that were common to all the four state standards are conceptual building blocks for other science concepts covered in the K-12 curriculum. Since these three areas have been found to be ripe with deep student misconceptions that are resilient to conventional physics instruction, the nature of difficulties in these areas is described in some depth, along with pointers towards approaches that have met with some success in each conceptual area.

研究の動機と目的

• 米国小中学校の科学学習指導要領に共通して見られる3つの核心的物理学概念—力と運動、エネルギー保存の法則、幾何学的光学—を特定し分析すること。
• 多様な地理的・文化的背景を持つ地域の州レベル学習指導要領において、これらの概念がどのように構造化され、段階的に配置されているかを検討すること。
• これらのトピックにおける概念的発達を、特に学生の誤った理解に関する研究と結びつけること。
• これらの主要分野における根強い誤った理解を是正する根拠に基づく指導法を提供すること。
• 概念的発達と学習の困難に関する研究と一致するように、学習指導要領とカリキュラム設計を支援するための教師研修を支援すること。

提案手法

• 地理的・文化的背景に多様性を持つ米国4州および全国レベルの小中学校科学学習指導要領の分析。
• 力と運動、エネルギー保存、幾何学的光学における共通する概念的テーマと段階的進行の特定。
• これらの3分野における学生の誤った理解に関する既存の物理学教育研究の統合。
• 認知発達および学習研究に基づいた、各トピックの概念的発達の軌道のマッピング。
• 学習指導要領と研究に基づく指導法を統合した教育的フレームワークの構築。
• 事例研究および文献レビューを用いて、根強い誤った理解に対処する有効な指導法の同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 米国各地の小中学校の科学学習指導要領において、一貫して強調されている核心的物理学概念は何か？
• RQ2 力と運動、エネルギー保存、幾何学的光学の概念的進行は、州レベルの学習指導要領においてどのように相違または一致しているか？
• RQ3 物理学教育研究によれば、これらの3つの概念的分野において最も一般的で根強い学生の誤った理解は何か？
• RQ4 力と運動、エネルギー、光学分野における誤った理解を是正するのに効果的であると証明された根拠に基づく指導法は何か？
• RQ5 学習指導要領に基づくカリキュラムは、物理学における概念的発達と学習の困難に関する研究とどのようによりよく一致させられるか？

主な発見

• 力と運動、エネルギー保存、幾何学的光学は、分析対象の4州および全国フレームワークの両方において一貫して強調されている。
• 学生はこれらの3分野すべてにおいて、深い根強い誤った理解を示しており、たとえば「力は物体の性質である」と考える誤解が含まれる。
• 研究では、モデルに基づく推論と形成的評価を明示的に活用して誤った理解に直接対処することで、概念的変容がより効果的であることが示されている。
• 概念的焦点をもつカリキュラム、実験的モデリング、形成的フィードバックを含む指導法は、エネルギー保存および光学分野における学生の理解を著しく向上させる。
• 力と運動分野における概念的発達は、直感的な経験からフォーマルなニュートン力学へ段階的に進む Inquiry 基盤の学習によって最も効果的に支援される。
• 光線図と予測モデリングを統合した幾何学的光学の指導は、従来の講義中心の方法よりも優れた概念的習得をもたらす。