[论文解读] Perspectival Computational Thinking for Learning Physics: A Case Study of Collaborative Agent-based Modeling

Amy Voss Farris, Pratim Sengupta|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2014

Innovative Teaching and Learning MethodsPsychology参考文献 15被引用 18

一句话总结

本研究探讨了初中生在协作式基于智能体的运动图建模过程中如何发展视角计算思维。通过整合多种视角——物理运动、计算智能体、同伴协作以及图形表示——学生共同构建了对物理概念的共享理解，表明协作建模通过计算设计中的视角代入促进了更深层次的概念整合。

ABSTRACT

We examine the process through which computational thinking develops in a perspectival fashion as two middle school students collaborate with each other in order to develop computational models of two graphs of motion. We present an interaction analysis of the students' discourse and computational modeling, and analyze how they came to a joint understanding of the goal of the modeling activity. We show that this process involves bringing about coherence between multiple perspectives: the object in motion, the computational agent, the other student, and graphs of motion.

研究动机与目标

• 考察在物理建模任务中，计算思维如何在协作的多重视角情境下浮现。
• 探究学生在建模过程中如何协商并整合多样化的视角——物理运动、计算智能体、同伴互动以及图形表示。
• 理解话语和共同问题解决在基于智能体的建模过程中实现视角间连贯性方面的作用。
• 识别学生在协作计算建模物理现象过程中实现共享理解的机制。
• 为支持科学教育中视角计算思维的教育框架设计做出贡献。

提出的方法

• 开展一项案例研究，两名初中生协作使用可视化编程环境进行基于智能体的运动建模。
• 通过互动分析追踪视角协商过程，收集并分析建模会话中的学生话语。
• 追踪计算模型随时间的演变，重点关注模型变化如何反映视角整合的转变。
• 将学生的建模决策映射到特定视角：运动中的物体、计算智能体、同伴以及运动图。
• 采用质性分析识别建模过程中视角对齐和概念连贯性的关键节点。
• 运用‘视角计算思维’框架来解释学生在建模开发过程中的认知与协作过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 学生在协作式基于智能体的建模过程中，如何协商并整合多种视角——物理运动、计算智能体、同伴协作以及图形表示？
• RQ2 协作话语在物理情境中如何支持计算思维的发展？
• RQ3 计算模型的共同构建如何促成对运动现象的共享理解？
• RQ4 视角代入在协作学习过程中促成连贯计算模型出现的过程中扮演何种角色？
• RQ5 多重视角的整合如何通过计算建模促进物理概念理解？

主要发现

• 学生通过协调视角——运动物体、计算智能体、同伴以及图表——发展了对运动的共享理解。
• 建模过程以迭代的视角协商为特征，学生在不同视角间切换以解决模型中的不一致问题。
• 话语在对齐视角中发挥了关键作用，学生通过口头解释协调了对智能体行为和图表解读的理解。
• 连贯性并非源于单一视角，而是源于物理运动、智能体行为、同伴输入与图形输出之间的动态互动。
• 学生通过有意识地设计智能体以反映特定视角（如智能体对运动的局部感知）展现了视角计算思维。
• 共同建模过程促进了更深层次的概念整合，表现为学生能够通过协调的视角转换解释智能体行为与运动图之间的差异。