연구

PhET에서는 대화형 시뮬레이션에 관한 디자인과 사용의 이해 증진을 위해 다음의 연구를 수행한다.

어떤 특성이 이 도구들의 학습 효과를 높이며, 그 이유는 무엇인가?
학습을 위해 학생들은 이 도구들을 어떻게 사용하고 상호작용을 하며, 무엇이 이 과정에 영향을 끼치는가?
다양한 학습 환경에서 이 도구들이 언제, 어떻게 그리고 왜 효과적인가?

PhET 시뮬레이션 디자인의 원리는 학생들이 어떻게 학습을 하는가에 관한 연구와(Bransford et al., 2000) 시뮬레이션 인터뷰에 기반을 두고 있다.(PhET 디자인 과정 참조). 각 시뮬레이션에 대해 자기 생각을 구술하도록 하는 스타일의 인터뷰를 4-6차례 실시한다. 이들 인터뷰는 인터페이스 디자인과 학생의 학습 연구에 풍부한 자료를 제공해준다. PhET 맛보기에 인터페이스 디자인 원리가 간단히 기술되어 있으며, 보다 자세한 논의는 Adams et al., 2008의 연구논문에서 볼 수 있다..

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

연구는 다음과 같은 공통적 질문에 답을 제공해준다:

"PhET 시뮬레이션이 실제의 실험을 대체할 수 있는가?"

우리의 연구에 의하면 PhET 시뮬레이션이 개념을 이해시키는 경우에는 더 효과적이다. 그러나 시뮬레이션만으로는 달성하기 어려운 다양한 실험목표들이 있다. 실험기구와 관련된 특정 기능의 습득이 그러한 예이다. 실험의 목표에 따라 시뮬레이션만을 사용하는 것이 더 효과적일 수 있으나 시뮬레이션과 실제실험을 병행하는 것이 효과적인 경우도 있고 실제실험이 더 효과적인 경우도 있다.

"학생들에게 집에가서 시뮬레이션을 사용해보도록 하는 것만으로 학생들의 학습이 이루어지는가?"

대다수의 학생들은 자신의 성적과 같은 직접적인 동기 요인이 아니고는 과학 시뮬레이션 학습에 스스로 시간을 투입하는데 필요한 동인을 가지고 있지 않다.(시뮬레이션은 재미가 있기는 하지만 매우 재미있지는 않다) 이것이 이 프로젝트에서 어떻게 시뮬레이션을 숙제와 통합할 수 있는가에 대한 연구를 수행하는 이유 중의 하나이다.

"내 수업 중 시뮬레이션을 가장 잘 활용할 수 있는 곳은 어디인가?"

PhET 시뮬레이션은 강의, 학급내의 활동, 실험 및 숙제에 효과적임이 밝혀졌다. PhET 시뮬레이션은 최소한의 텍스트로 구성되어 있어 수업의 어느 부분과도 쉽게 통합이 가능하다.

PhET 팀의 당면 관심사는 다음과 같다.

이해의 형성을 위한 유추의 사용: PhET시뮬레이션의 사용 중 학생들은 친숙하지 아니한 현상을 파악하기 위해 유추를 활용한다. 학생들의 유추사용에서는 표상이 중요한 역할을 담당한다.

수업의 표준을 바꾸는 도구로써의 시뮬레이션: PhET시뮬레이션은 과학의 사회-문화적 규준에 의해 형성되었으나, 학생들이 교실에서 어떻게 학습에 참여하는지에 관한 전통적 표준을 바꾸는 데에도 사용이 가능하다.

학습과 탐구 참여를 증진시키는 시뮬레이션의 특성: PhET 디자인 원리는 시뮬레이션이 학생학습의 효과적인 도구가 되게 하는 특성을 확인하였으며, 앞으로 이 특성들이 어떻게 학생들의 이해에 영향을 끼치는지를 자세히 연구하고자 한다.

시뮬레이션과 숙제의 통합: 시뮬레이션은 대부분의 학습 도구들에는 없는 독특한 특성들을 갖고 있다.(상호작용, 애니메이션, 다이나믹한 피드백, 생산적 탐구의 허용)

화학 시뮬레이션의 효과: 우리는 화학 시뮬레이션이 어디에 또 어떻게 학습에 효과적인 도구가 되는지에 관한 연구를 막 시작하였다.

출판물과 발표자료

효과적인 시뮬레이션 디자인의 주요 특성 (주로 인터뷰 자료)

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.

수업 중 사용에 관한 연구

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.

PhET 시뮬레이션 소개

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.

학생들의 학습에 대한 인식

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.