Έρευνα

Το PhET διεξάγει έρευνα τόσο για τη σχεδίαση όσο και για τη χρήση των διαδραστικών προσομοιώσεων, προκειμένου να πετύχει καλύτερα αποτελέσματα:

Ποια χαρακτηριστικά καθιστούν αυτά τα εργαλεία αποτελεσματικά για τη μάθηση και γιατί;
Πώς εμπλέκονται και αλληλεπιδρούν με αυτά τα εργαλεία για να μάθουν και ποιες επιδράσεις έχει αυτή η διαδικασία;
Πότε, πώς και γιατί αυτά τα εργαλεία είναι αποτελεσματικά σε μια ποικιλία μαθησιακών περιβαλλόντων;

Οι αρχές σχεδίασης των προσομοιώσεων του PhET βασίζονται στην έρευνα για τους τρόπους με τους οποίους μαθαίνουν οι μαθητές (Bransford et al., 2000), καθώς και από τις συνεντεύξεις που έχουμε πραγματοποιήσει (δες Διαδικασία σχεδίασης PhET). Για κάθε προσομοίωση έχουν πραγματοποιηθεί τέσσερις έως έξι ατομικές συνεντεύξεις 'μεγαλόφωνης σκέψης' με μαθητές. Αυτές οι συνεντεύξεις παρέχουν χρήσιμες πληροφορίες για τη μελέτη και το σχεδιασμό της διεπαφής και τους τρόπους που μαθαίνουν οι μαθητές. Το αρχείο Εμφάνιση και Αίσθηση του PhET περιγράφει σύντομα τις βασικές αρχές σχεδίασης που ακολουθούμε για τη διεπαφή των προσομοιώσεων. Μια πλήρης συζήτηση για το ζήτημα είναι διαθέσιμη από Adams et al., 2008.

Bransford, J.D., Brown, A. L. And Cocking, R. R. (2000). How People Learn, Brain, Mind, Experience, and School. Washington, D.C.: National Academy Press

Απαντήσεις σε συνήθη ερωτήματα:

"Οι προσομοιώσεις του PhET μπορούν να αντικαταστήσουν ένα πραγματικό εργαστήριο;"

Οι μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί μέχρι τώρα, δείχνουν ότι οι προσομοιώσεις του PhET είναι περισσότερο αποτελεσματικές για την εννοιολογική κατανόηση. Ωστόσο, υπάρχουν πολλοί ακόμη στόχοι τους οποίους δεν μπορούν να εξυπηρετήσουν οι προσομοιώσεις. Για παράδειγμα, ειδικές ικανότητες σχετικές με τη λειτουργικότητα του εξοπλισμού. Ανάλογα με τους στόχους σας, μπορεί να είναι περισσότερο αποτελεσματική η χρήση μόνο προσομοιώσεων, ή ενός συνδυασμού προσομοιώσεων και πραγματικού εξοπλισμού.

"Μαθαίνουν οι μαθητές αν απλά τους πούμε πηγαίνετε σπίτι και παίξτε με μια προσομοίωση;"

Πολλοί μαθητές δεν καταβάλλουν την ανάλογη προσπάθεια για να παίξουν με μια επιστημονική προσομοίωση, εκτός και αν υπάρχει ένα άμεσο κίνητρο, όπως η βαθμολογία. Αυτός είναι ένας λόγος που μας προτρέπει να προσανατολίσουμε το έργο στην καλύτερη ενσωμάτωσή του στο πλαίσιο των κατ' οίκων εργασιών.

"Πού και πότε είναι καλύτερα να χρησιμοποιήσω προσομοιώσεις PhET;"

Έχει παρατηρηθεί ότι οι προσομοιώσεις του PhET είναι πολύ αποτελεσματικές στις διαλέξεις, στις δραστηριότητες που γίνονται μέσα στην τάξη, στο εργαστήριο ή στις κατ' οίκον εργασίες. Είναι σχεδιασμένες να έχουν λίγο κείμενο, ώστε να μπορούν να ενσωματωθούν σε κάθε μάθημα.

Τα άμεσα ενδιαφέροντά μας είναι:

Χρήση αναλογιών για κατανόηση: Οι μαθητές χρησιμοποιούν αναλογίες στις προσομοιώσεις ώστε να αποκτήσουν ειρμό σκέψης και να εξοικειωθούν με μη οικεία φαινόμενα. Οι αναπαραστάσεις διαδραματίζουν καίριο ρόλο στη χρήση των αναλογιών από τους μαθητές.

Οι προσομοιώσεις ως εργαλεία αλλαγής των πρακτικών της τάξης:
Οι προσομοιώσεις σχηματίζονται από τις κοινωνικο-πολιτιστικές πρακτικές της επιστήμης, ωστόσο είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν για να αλλάξουν τις παραδοσιακές πρακτικές και δομές με βάση τις οποίες οι μαθητές εμπλέκονται στη μαθησιακή διαδικασία.

Συγκεκριμένα χαρακτηριστικά των προσομοιώσεων που προωθούν την ανακαλυπτική μάθηση: Οι αρχές σχεδίασης φανερώνουν ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά των προσομοιώσεων που τις καθιστούν παραγωγικά εργαλεία για την ενεργό συμμετοχή των μαθητών. Επίσης, σχεδιάζουμε να μελετήσουμε με λεπτομέρειες κατά πόσο κάθε χαρακτηριστικό συγκρούεται με την κατανόηση των μαθητών.

Ένταξη των προσομοιώσεων στις κατ' οίκον εργασίες: Οι προσομοιώσεις διαθέτουν μοναδικά χαρακτηριστικά που δεν συναντάμε στα περισσότερα διδακτικα εργαλεία (διαδραστικότητα, κινούμενη απεικόνιση, δυναμική ανατροφοδότηση, επιτρέπει την ανακαλυπτική μάθηση).

Αποτελεσματικότητα των προσομοιώσεων Χημείας: Μόλις ξεκινήσαμε την έρευνα σχετικά με το κατά πόσο οι προσομοιώσεις χημείας μπορεί να είναι αποτελεσματικά μαθησιακά εργαλεία.

Εκδόσεις και Παρουσιάσεις

Σημαντικά χαρακτηριστικά για αποτελεσματική σχεδίαση προσομοιώσεων (δεσπόζοντα δεδομένα των συνεντεύξεων).

Factors promoting engaged exploration with computer simulations , N. S. Podolefsky, K. K. Perkins, and W. K. Adams, Phys. Rev. ST Phys. Educ., Res. 6, 020117, 2010.
Computer simulations to classrooms: tools for change , N. S. Podolefsky, K. K. Perkins and W. K. Adams, 2009 Physics Education Research - Conference Proceedings. AIP Press, in review , 2010.
Student Choices when Learning with Computer Simulations , N. S. Podolefsky, K. K. Perkins and W. K. Adams, 2009 Physics Education Research - Conference Proceedings. AIP Press, in review , 2010.
What Levels of Guidance Promote Engaged Exploration with Interactive Simulations? , W. K. Adams, A. Paulson and C. E. Wieman, PERC Proceedings, 2009.
A Study of Educational Simulations Part I - Engagement and Learning , W. K. Adams, S. Reid, R. LeMaster, S. B. McKagan, K. K. Perkins, M. Dubson and C. E. Wieman , Journal of Interactive Learning Research, 19(3), 397-419 , July 2008.
A Study of Educational Simulations Part II - Interface Design , W. K. Adams, S. Reid, R. LeMaster, S. B. McKagan, K. K. Perkins, M. Dubson and C. E. Wieman, Journal of Interactive Learning Research, 19(4), 551-577 , October 2008.
Developing and Researching PhET simulations for Teaching Quantum Mechanics , S. B. McKagan, K. K. Perkins, M. Dubson, C. Malley, S. Reid, R. LeMaster, and C. E. Wieman, American Journal of Physics, 76, 406 , May 2008.
Research-Based Design Features of Web-based Simulations , W. K. Adams, N. D. Finkelstein, S. Reid, M. Dubson, N. Podolefsky, C. E. Wieman, R. LeMaster, Talk presented at AAPT Summer Meeting, 2004.

Έρευνα για τη χρήση μέσα στην τάξη

Teaching Physics using PhET Simulations , C. Wieman, W. Adams, P. Loeblein, and K. Perkins, The Physics Teacher, in press, 2010.
A Research-Based Curriculum for Teaching the Photoelectric Effect , S. B. McKagan, W. Handley, K. K. Perkins, and C. E. Wieman, American Journal of Physics, 77, 87, January 2009.
High-Tech Tools for Teaching Physics: the Physics Education Technology Project , N. D. Finkelstein, W. K. Adams, C. K. Kller, k. K. Perkins, C. E. Wieman and the PhET Team, Journal of Online Teaching and Learning, September 2006.
Assessing the Effectiveness of a Computer Simulation in Introductory Undergraduate Environments , C. J. Keller, N. D. Finkelstein, K. K. Perkins, and S. J. Pollock, PERC Proceedings, 2006.
When learning about the real world is better done virtually: a study of substituting computer simulations for laboratory equipment , N.D. Finkelstein, W. K. Adams, C. J. Keller, P. B. Kohl, K. K Perkins, N. S. Podolefsky, S. Reid, R. LeMaster , Phys. Rev. ST Phys. Educ. Res. 1, 010103, 2005.
Assessing the effectiveness of a computer simulation in conjunction with Tutorials in Introductory Physics in undergraduate physics recitations , C. J. Keller, N.D. Finkelstein, K. K. Perkins, and S. J. Pollock, PERC Proceedings, 2005.
Incorporating Simulations in the Classroom - A survey of Research Results from the Physics Education Technology Project , K. K. Perkins, W. K. Adams, N. D. Finkelstein, M. Dubson, S. Reid, R. LeMaster and C. E. Wieman, Talk presented at AAPT Summer Meeting, 2004.
Can Computer Simulations Replace Real Equipment in Undergraduate Laboratories? , N. D. Finkelstein, K. K. Perkins, W. Adams, P. Kohl, and N. Podolefsky, PERC Proceedings, 2004.

Σχετικά με τις προσομοιώσεις του PhET

An interactive optical tweezer simulation for science education , T. T. Perkins, C. V. Malley, M. Dubson, and K. K. Perkins , Proc. of SPIE Vol. 7762, 776215, 2010.
Making Science Simulations and Websites Easily Translatable and Available Worldwide: Challenges and Solutions , W. K. Adams, H. Alhadlaq, C. V. Malley, K. K. Perkins, J. B. Olson, F. Alshaya, S. Alabdulkareem, and C. E. Wieman , Journal of Science Education and Technology, accepted, 2010.
Laptops and Diesel Generators: Introducing PhET Simulations to Teachers in Uganda , Sam McKagan, The Physics Teacher, 48, 63-66, January 2010.
Student Engagement and Learning with PhET Interactive Simulations , W. K. Adams, Multimedia in Physics Teaching and Learning Proceedings, 2010.
Making On-Line Science Course Materials Easily Translatable and Accessible WorldWide: Challenges and Solutions , W. K. Adams, H. Alhadlaq, C. V. Malley, K. K. Perkins, J. B. Olson, F Alshaya, S. Alabdulkareem, C. E. Wieman , Multimedia in Physics Teaching and Learning Proceedings, 2009.
Making On-Line Science Course Materials Easily Translatable and Accessible Worldwide: Technical Concerns , C. V. Malley, J. B. Olson, Multimedia in Physics Teaching and Learning Proceedings, 2009.
PhET: Simulations That Enhance Learning , C.E. Wieman, W.K. Adams, K.K. Perkins, Science, 322/682-683 , October 2008.
Oersted Medal Lecture 2007: Interactive simulations for teaching physics: What works, what doesn't, and why , C.E. Wieman, K.K. Perkins, W.K. Adams, American Journal of Physics, 76, 393 , May 2008.
PhET: Interactive Simulations for Teaching and Learning Physics , Katherine Perkins, Wendy Adams, Michael Dubson, Noah Finkelstein, Sam Reid, Carl Wieman, Ron LeMaster , The Physics Teacher, 44(1), 18 , 2006.
A Powerful Tool For Teaching Science , C. E. Wieman and K. K. Perkins, Nature Physics, p. 290-292 , May 2006.
Transforming Physics Education , C. E. Wieman and K. K. Perkins, Physics Today, November 2005. (pdf)
Free On-line Resource Connects Real-life Phenomena to Science , K. K. Perkins and C. E. Wieman, Physics Education, p. 93-95, January 2005.
The Physics Education Technology Project: A New Suite of Physics Simulations , K. K. Perkins, W. K. Adams, N. Finkelstein, R. LeMaster, S. Reid, M. Dubson, N. Podolefsky, K. Beck and C. Wieman, Poster Presented at AAPT Summer Meeting, 2004.
Should a Fortran-savvy educator learn Java, Flash, both, or neither? , M. Dubson, Talk presented at AAPT Summer Meeting, 2004.

Αντιλήψεις των μαθητών για τη μαθησιακή διαδικασία

Students know what physicists believe, but they don't agree: A study using the CLASS survey , Kara E. Gray, Wendy K. Adams, Carl E. Wieman, and Katherine K. Perkins, Physical Review Special Topics, November 2008.
A deeper look at student learning of quantum mechanics: the case of tunneling , S. B. McKagan, K. K. Perkins, and C. E. Wieman, Physical Review Special Topics: PER, 4, 020103 , October 2008.
Why we should teach the Bohr model and how to teach it effectively , S. B. McKagan, K. K. Perkins, and C. E. Wieman, Physical Review Special Topics: PER, 4, 010103 , March 2008.
Reforming a large lecture modern physics course for engineering majors using a PER-based design , S. B. McKagan, K. K. Perkins, and C. E. Wieman, Proceedings of the Physics Education Research Conference 2006, 2007.
A new instrument for measuring student beliefs about physics and learning physics: the Colorado Learning Attitudes about Science Survey , W. K. Adams, K. K. Perkins, N. Podolefsky, M. Dubson, N. D. Finkelstein and C. E. Wieman, Phys. Rev. ST Phys. Educ. Res. 2, 010101, 2006.
Exploring Student Understanding of Energy through the Quantum Mechanics Conceptual Survey , S. B. McKagan and C. E. Wieman, PERC Proceedings 2005, 2006.
Towards characterizing the relationship between students' interest in and their beliefs about physics , K.K. Perkins, M.M. Gratny, W.K. Adams, N.D. Finkelstein and C.E. Wieman, PERC Proceedings, 2005.
The surprising impact of seat location on student performance , K. K. Perkins and C. E. Wieman, The Physics Teacher, 43, p. 30-33 , 2005.
Minimize Your Mistakes by Learning from Those of Others , C. E. Wieman, The Physics Teacher, 43, 252-253 , 2005.
The Design and Validation of the Colorado Learning Attitudes about Science Survey , W. K. Adams, K. K. Perkins, M. Dubson, N. D. Finkelstein and C. E. Wieman, PERC Proceedings, 2004.
Correlating Student Beliefs With Student Learning Using The Colorado Learning Attitudes about Science Survey , K. K. Perkins, W. K. Adams, N. D. Finkelstein, S. J. Pollock, and C. E. Wieman, PERC Proceedings, 2004.