[论文解读] Design, Customization and Implementation of Energy Simulation with 5E Model in Elementary Classroom

Sze Yee Lye, Loo Kang Wee+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2014

Teaching and Learning Programming参考文献 43被引用 5

一句话总结

本研究针对小学四年级至五年级学生，在课后辅导项目中设计、定制并实施了一款基于5E教学模式的改进型开源能效模拟系统。该方法将基于仿真的学习与教学结构相结合，通过基于TPACK和设计原则的、适合年龄的视觉丰富且可定制的互动方式，显著提升了学生对能效概念的理解与参与度。

ABSTRACT

Science simulations are popular among educators as such simulations afford for multiple visual representation and interactivity. Despite the popularity and abundance on the internet, our literature review suggested little research has been conducted on the use of simulation in elementary school. Thus, an exploratory pilot case study was conducted to address this research gap. In this study, an open source energy simulation was remixed for use in elementary school targeted at the Grade 4 & 5 students as an after-school enrichment program. We proposed 3 stages: design, customization and implementation, to provide useful insights with the aim to allow other educators to conduct their own remixed simulation lessons. The simulation design principles (e.g., learning outcomes and colour coding) with the corresponding TPACK construct that emerged from the design and customization stages were reported. Such simulation design principles would be useful to interested educators and researchers who wish to adapt and use simulation or teach others how to remix simulation. Data from the multiple sources (e.g., field observations, surveys, design notes and existing simulations) indicated that students enjoyed learning with the remixed energy simulation.

研究动机与目标

• 为解决在小学科学教育中，尤其是高年级小学阶段使用模拟教学的研究空白。
• 通过教学法和视觉定制，将现有开源能效模拟系统适配小学四年级至五年级学生。
• 在课后素质拓展环境中，使用5E教学模式（参与、探究、解释、拓展、评价）实施改造后的模拟系统。
• 识别并记录可用于其他教育工作者复用的模拟系统设计原则及基于TPACK的策略。
• 通过定性与观察数据评估学生的参与度与学习成效。

提出的方法

• 利用Easy Java Simulations（EJSS）平台，将开源能效模拟系统进行改造，以符合小学科学课程标准。
• 应用5E教学模式，将基于模拟的教学课程划分为五个阶段：参与、探究、解释、拓展和评价。
• 通过适合年龄的视觉提示、色彩编码和简化界面元素，对模拟系统进行定制，以增强低龄学习者的理解能力。
• 整合TPACK（技术-教学法-学科知识）框架，指导设计与实施过程。
• 开展试点案例研究，通过实地观察、学生问卷和设计文档，评估教学效果。
• 采用迭代式设计流程，根据反馈和可用性测试结果对模拟系统进行优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效定制现有开源能效模拟系统，以适应高年级小学科学学习者？
• RQ2 在小学科学教学中，将5E模式应用于基于模拟的教学时，其在提升学生参与度与概念理解方面有何作用？
• RQ3 在定制过程中，哪些设计原则有助于在小学教育中实现有效的模拟教学？
• RQ4 TPACK框架中的各构成要素如何指导技术、教学法与科学内容在小学科学模拟中的整合？
• RQ5 在改造后模拟系统的实施过程中，观察到哪些学生学习与参与的证据？

主要发现

• 实地观察与学生反馈显示，学生在基于模拟的教学活动中表现出高度的参与度与愉悦感。
• 通过色彩编码的能效表示和简化界面定制的模拟系统，显著提升了学生对能量转换的可视化与追踪能力。
• 5E模式提供了一个结构化框架，有效引导探究活动，并支持学生在教学序列中逐步发展概念理解。
• 识别出的关键设计原则包括明确的学习目标、直观的视觉编码以及与课程标准的一致性，这些是成功实现模拟系统适配的关键因素。
• TPACK框架有效指导了技术、教学法与科学内容的整合，使模拟教学得以实现有意义且可持续的应用。
• 多种数据来源（包括问卷与设计笔记）共同证实，改造后的模拟系统在小学科学教育中具有可行性与教育价值。