Pedagógiai kutatás

A PhET kutatásokat folytat az interaktív szimulációkkal kapcsolatban mind a tervezés, mind a felhasználás tekintetében, hogy választ találjon a következő kérdésekre:

Mely jellemzők teszik hatékonyabbá ezeket az eszközöket tanulás szempontjából és miért?
Hogyan használják a diákok ezeket az eszközöket tanulásra, és milyen tényezők befolyásolják ezt a folyamatot?
Mikor, hogyan és miért hatékonyak ezek az eszközök a különböző tanulási környezetekben?

A PhET szimulációtervezési alapelvei olyan kutatás eredményein nyugszanak, mely azt vizsgálta, hogyan tanulnak a diákok (Bransford et al., 2000), de figyelembe vesszük a saját szimulációinkról szóló interjúkat is (lásd A PhET fejlesztési folyamata c. angol pdf-et, mely magyarul innen érhető el). Minden szimulációval kapcsolatban 4-6 "gondolkodjunk hangosan" típusú interjú készül diákokkal. Ezek az interjúk gazdag adatforrásként szolgálnak az interfésztervezéshez és a tanulási folyamat elemzéséhez. A PhET: külalak és érzés (angol pdf) röviden felvázolja interfésztervezési alapelveinket. (Ugyanez magyarul innen érhető el.) A részletesebb tárgyalás két szakkcikkben szerepel (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

Kutatói válaszok gyakran feltett kérdésekre:

"Pótolhatják a PhET szimulációi a valódi laborberendezéseket?"

Kutatásaink szerint a PhET szimulációi hatékonyabbak a fogalmak megértetésében; a tényleges laborgyakorlatnak ugyanakkor több olyan célja is lehet, ami nem szerepel egy szimuláció céljai között. Például speciális készségek elsajátítása egy konkrét berendezés használatával kapcsolatban. A laborgyakorlat céljától függően néha hatékonyabb, ha csak szimulációt használnak, máskor a szimuláció és az igazi berendezés kombinációja a megfelelőbb.

"Tanulnak valamit a diákok, ha azzal küldöm őket haza, hogy játsszanak egy szimulációval?"

Legtöbb diák nem elég motivált ahhoz, hogy magától időt fordítson arra, hogy egy tudományos szimulációval játszadozzon (ami móka ugyan, de annyira azért nem). A motiváció némi rásegítést is igényel osztályzat formájában. Ez az egyik oka annak, mért olyan fontos számunkra kideríteni, hogyan integrálhatók be legjobban szimulációink a tanár által kiadott házi feladatba.

"Hol a legjobb helyük a PhET szimulációinak a tantárgyam esetében?"

Úgy találtuk, hogy a PhET szimulációi nagyon hatékonyan segítik az előadást, a diákok bevonását különböző problémák közös megoldásába, továbbá használhatók a laborban és a házi feladatokban. Szándékosan kevés szöveget tartalmaznak, hogy a legsokoldalúbban lehessen felhasználni őket az adott tantárgy igényei szerint.

Érdeklődésünk fókuszpontjai:

Analógiák felhasználása a megértetésben: A diákok a szimulációkban analógiákkal találkoznak, melyek segítenek nekik abban, hogy közelebb vigye őket a számukra szokatlan jelenségekhez. A reprezentációk kulcsszerepet játszanak az analóg képzetek kialakításában.

Szimulációk mint a tantermi normák megváltoztatásának eszközei: A szimulációkat a tudomány szocio-kulturális normái alakítják. A szimulációk viszont alkalmasak arra, hogy megváltoztassák azokat a hagyományos normákat, melyek a diákok órai foglakoztatását jellemzik.

A szimulációk speciális vonásai, melyek segítik a tanulást és az ismeretek aktív elsajátítását: Tervezési alapelveink a szimulációk olyan kulcsjellemzőit veszik tekintetbe, melyek eszközei lehetnek a diákok aktivizálásának. Jelenlegi célunk annak részletes feltárása, hogyan befolyásolják az egyes vonások a megértés folyamatát.

A szimulációk beintegrálása a házi feladatokba: A szimulációk olyan sajátos vonásokkal rendelkeznek, amelyek a legtöbb tanulási segédeszközből hiányoznak (interaktivitás, animáció, dinamikus visszajelzés, az anyag önálló feltárása).

A kémiai szimulációk hatékonysága: Épp most kezdtük el annak felderítését, hogyan válhatnak a kémiai szimulációk hatásos tanulási segédeszközzé.

Publikációk és prezentációk

A hatékony szimulációk lényeges vonásai (elsősorban interjúadatok)

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.

Tanórai felhasználás kutatása

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.

A PhET szimulációiról

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.

Diákok képzetei a tanulásról

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.