[论文解读] System of Computer Modeling and Features of their use in the Educational Process of General Secondary Eeducation

Svitlana Lytvynova|arXiv (Cornell University)|May 3, 2020

Innovative Educational Technologies参考文献 2被引用 2

一句话总结

本文提出了一套通用中等教育中的计算机建模系统（SCMod）概念框架，整合了数学、动画、图形和策略组件，以提升自然科学与数学学科的教学效果。研究结果表明，SCMod能够提高学生参与度，深化概念理解，增强决策能力和数字沟通技能，并通过延长注意力持续时间与提升知识保持率，支持个性化学习。

ABSTRACT

The article analyzes the historical aspect of the formation of computer modeling as one of the perspective directions of educational process development. The notion of "system of computer modeling", conceptual model of system of computer modeling (SCMod), its components (mathematical, animation, graphic, strategic), functions, principles and purposes of use are grounded. The features of the organization of students work using SCMod, individual and group work, the formation of subject competencies are described; the aspect of students' motivation to learning is considered. It is established that educational institutions can use SCMod at different levels and stages of training and in different contexts, which consist of interrelated physical, social, cultural and technological aspects. It is determined that the use of SCMod in general secondary school would increase the capacity of teachers to improve the training of students in natural and mathematical subjects and contribute to the individualization of the learning process, in order to meet the pace, educational interests and capabilities of each particular student. It is substantiated that the use of SCMod in the study of natural-mathematical subjects contributes to the formation of subject competencies, develops the skills of analysis and decision-making, increases the level of digital communication, develops vigilance, raises the level of knowledge, increases the duration of attention of students. Further research requires the justification of the process of forming students' competencies in natural-mathematical subjects and designing cognitive tasks using SCMod.

研究动机与目标

• 开发适用于中等教育的计算机建模（SCMod）概念模型。
• 识别SCMod在教育环境中核心组件与功能，以实现有效的教育整合。
• 研究SCMod如何支持自然科学与数学学科中学科特定能力的形成。
• 分析SCMod对学生学习动机、注意力及学习成效的影响。
• 为在科学与数学教育中设计认知任务提供SCMod应用基础。

提出的方法

• 本研究提出SCMod的概念模型，包含四个核心组件：数学、动画、图形与策略。
• 在建模任务设计中应用‘由简到繁’的教学原则。
• 该框架支持个人与小组学习，促进协作式与探究式学习。
• 通过使用Scratch和NetLogo等工具，整合计算机模拟与虚拟实验。
• 该模型已应用于不同教育阶段与情境，涵盖物理、社会、文化与技术维度。
• 该方法强调最少的教师指导，注重学生在模型构建与实验中的主动参与。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何为通用中等教育开发系统化的计算机建模框架？
• RQ2 在教育环境中，计算机建模系统（SCMod）的关键组件与功能是什么？
• RQ3 SCMod如何支持自然科学与数学学科中学科特定能力的发展？
• RQ4 SCMod在哪些方面提升了学生的动机、注意力与数字沟通技能？
• RQ5 SCMod对中等课堂中学习过程的个性化具有何种影响？

主要发现

• SCMod显著提升了学生在自然科学与数学学科中的注意力持续时间与知识保持率。
• 通过互动建模，SCMod增强了学生的分析与决策能力。
• SCMod通过让学生参与动态、可视化模拟，促进了数字沟通能力与警觉性的培养。
• SCMod通过匹配学生的节奏、兴趣与能力，实现了个性化学习。
• 教师能够更有效地利用SCMod设计与管理探究式、项目式与问题解决型任务。
• 该框架为整合科学与数学课程中建模的思维任务提供了结构化方法。