[论文解读] Addressing learning difficulties in Newtons 1st and 3rd Laws through problem based inquiry using Easy Java Simulation

Khoon Song Aloysius Goh, Loo Kang Wee+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2013

Teaching and Learning Programming被引用 4

一句话总结

本研究采用问题导向探究（PbI）方法，开发了一款简易Java模拟（EJS）模型，以解决学生在学习牛顿第一定律和第三定律时遇到的学习困难。该模拟通过无摩擦运动和弹簧碰撞模型，可视化展示力与运动的关系，结果显示学生在牛顿第一定律的理解上表现出显著的后测提升（p < 0.05），但对第三定律未见显著提升，学生反馈表明，动态可视化显著增强了其对第一定律的深层概念理解。

ABSTRACT

We develop an Easy Java Simulation (EJS) model for students to visualize Newtons 1st and 3rd laws, using frictionless constant motion equation and a spring collision equation during impact. Using Physics by Inquiry instructional (PbI) strategy, the simulation and its problem based inquiry worksheet aim to enhance learning of these two Newtonian concepts. We report results from Experimental (N=62 students) and Control (N=67) Groups in 11 multiple choice questions pre and post tests, conducted by three teachers in the school. Results suggest, at 95 percent confidence level, significant improvement for concept of Newtons 1st Law while not so for Newtons 3rd Law. A Focus Group Discussion revealed students confirming the usefulness of the EJS model in visualizing the 1st Law while not so much for the 3rd Law. We speculate the design ideas for constant velocity motion in the computer model coupled with the PbI worksheet did allow for making sense and experiencing of the 1st Law, where traditional pen-paper representations could not. We have improved the features for the action-reaction contact forces visualization associated with the 3rd Law and we hope other teachers will find the simulation useful for their classes and further customize them to benefit all mankind, becoming citizens for the world.

研究动机与目标

• 解决初等物理教学中学生对牛顿第一定律和第三定律的持续误解。
• 设计一款基于简易Java模拟（EJS）的互动模拟，可视化关键动力学概念，特别是匀速运动和作用力与反作用力对。
• 在真实课堂环境中实施并评估与EJS模拟整合的问题导向探究（PbI）教学策略。
• 通过前测与后测评估模拟与PbI工作表在提升概念理解方面的有效性。
• 基于学生反馈与表现数据，识别出对每一定律学习有促进作用的设计特征。

提出的方法

• 使用无摩擦匀速运动方程与基于弹簧的碰撞动力学方程，开发简易Java模拟（EJS）模型。
• 将EJS模拟与问题导向探究（PbI）工作表整合，以引导学生探索并构建概念。
• 在三位教师的三个班级中实施干预措施，实验组（N=62）与对照组（N=67）。
• 通过11道多项选择题的前测与后测，测量学生对牛顿第一定律和第三定律的概念理解程度。
• 开展焦点小组讨论，收集学生对模拟在可视化每一定律方面实际效用的定性反馈。
• 采用95%置信水平的统计分析，比较两组在前测与后测中的表现差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统教学相比，使用EJS模拟配合PbI工作表是否能显著提升学生对牛顿第一定律的理解？
• RQ2 同一干预措施在多大程度上提升了学生对牛顿第三定律的理解？
• RQ3 学生如何看待EJS模拟在可视化牛顿第一定律和第三定律中涉及的力与运动方面的实用性？
• RQ4 模拟的哪些设计特征最有效地支持学生对牛顿第一定律的概念参与？
• RQ5 基于学生反馈与表现数据，为何该模拟在牛顿第一定律上的学习成效优于第三定律？

主要发现

• 实验组学生在牛顿第一定律的理解上，经后测分数显示在95%置信水平下具有统计学显著提升。
• 与对照组相比，实验组在牛顿第三定律的理解上未观察到统计学显著提升。
• 焦点小组讨论显示，学生认为EJS模拟在可视化第一定律方面特别有帮助，尤其是匀速运动中的惯性概念。
• 学生反馈表明，该模拟在理解第三定律方面帮助有限，表明在动态碰撞中可视化作用力与反作用力对存在困难。
• 模拟的设计——特别是对匀速运动的清晰可视化——被认定为促进学生更深层次理解牛顿第一定律的关键因素。
• 作者建议，第三定律的复杂性，尤其是作用力对的时间与方向关系，可能需要增强的可视化功能，目前他们已开始进行改进。