中学科学中使用电子游戏模拟来学习物理外文翻译资料

科技教育技术[J].斯普林格出版

中学科学中使用电子游戏模拟来学习物理

珍妮丝L.安德森 迈克巴.内特

摘要：

这篇文章旨在说明关于使用电子游戏技术来促进中学生对基础电磁学的理解的一些发现。为了达到这个目的，我们探索了让中学生使用一个叫做“超动力”的游戏来理解电磁概念的影响和学生使用一种更加传统的探索导向的调查方法对这一概念的理解的对比和比较。这一项研究也是关于“超动力”在教学过程中使用潜力的设计研究的一部分。实验控制组通过一系列的导向探索的方法来学习电磁概念，然而实验组使用“超动力”这个游戏来学习电磁的概念。在获得前后实验评估时，发现控制组和实验组的结果上有很多的不同。此外，由于实验组的学生与“超动力” 这个游戏的互动，他们能够对电磁场的描述和和电子的距离和力的影响给出一个更为有差别的反应。研究结果显示，电子游戏可以带来积极的学习效果，这些可以从前实验与后实验的测试分数对比中表现出来。这项研究也表明，使用电子游戏这种互补的方法对于学生能够科学地理解某一概念是一个非常好的方法。此外，我们的研究还表明，电子游戏的设计者应该把像反思机会这种元认知活动引入教育性的电子游戏中，以此来为学生提供脚手架，并且提高他们正在进行的教育学习经验。

关键词：电磁学、中学科学、电子游戏、静电学

背景和介绍：

很多科学领域都涉及令学生理解以及使用知识都很困难的抽象的和多视角的现象。为了能够掌握抽象的科学概念，学生必须要能够建立一个灵活和可检测的脑力模型。这与过去那种关注事实和学习的行为方式的科学教育实践产生鲜明的对比。然而，通常情况下，学生都被要求形成一个科学的脑力模型，这种模型没有现实生活中的参照，并且这种模型结合了不可见的因素和复杂的抽象概念。

历史上，科学家和教育者曾使用计算模型来调查和探索复杂的系统和现象。科学家为了设想复杂概念和现象的计算时候使用的工具已经被结合到美国基础教育的教室来帮助学生学习和理解复杂概念。部分原因是由于教育者意识到，基于模型的推理可以促进对于自然界的科学理解的发展。此外，由于计算机能力的增强，伴随着模型软件的使用费用降低和越来愈高的可获得性，给学生创造了机会使得他们能够通过建立科学现象的计算模型来进行科学探究。

在科学的学习过程中利用游戏：

在过去的十年中，支持利用游戏来学习已经成为研究领域的焦点。通过查找文献，我们寻找到了一些基于研究的游戏的一些特别的例子，这是不同于虚拟世界的。在玩游戏的过程中，游戏利用目标导向的发展，然而3D虚拟空间更加仿真，学术空间允许探索和发现的学习。我们的文献涉及两个阶段的调查。初始阶段的调查使用各种各样的图书馆数据以及后面的来自于收集到的文章的参考文献列表的调查来检测这一领域。我们使用的调查项目包括电子游戏、游戏、科学教育、以及网络游戏。第二阶段的调查包括在线搜索，比如使用“谷歌学术”，我们排除了涉及虚拟环境包括探索探索亚特兰蒂斯或河市在内的所有的研究。

我们发现，研究表明，精心设计的游戏可以为学生学习提供有效的脚手架。一些其他的研究表明，电脑游戏可以通过交互作用和对话来促进高阶思维和学习，使得学生意识到自己的世界并且以此来促进学生的学习。国家网络学习基础委员会和美国科学联合会也通过他们有关电子游戏为学生学习提供有力工具并且改变了科学技术课程美国基础教育的报告来进一步支持这种观点。他们的发现在《科学》杂志的一项特殊期刊上反复申明。

根据《科学》杂志在2009年的一篇文章，在科学教育中使用电子游戏的风险和潜力都很大。然而，大约有450,000的学生以理工科学士学位毕业，万福利网站大约有四百万的订阅者中占主导地位的人口是8到14岁的女性。在这种背景下，一个单独的电子游戏应用就会比传统的教育更加易于扩张。这就假设“是否有可能把电子游戏作为一种媒介应用到科学教育，尤其是关于中学学生”这一问题。

方法论体系:

基于设计的研究

基于设计的研究来自于在研究过程中理论和设计的辩证关系，正如理论表明了一个更加完善的设计，设计表明了理论的多种维度。然而，理论和设计确实可以并且存在独立于双方的现象，这也是他们之间的一个内在联系。基于设计的研究是一种反复的过程，这一过程建立在通过监视和自我检测来影响教学实践的改变的结果上。

根据布朗的研究，设计实验的目标是重要的培养目标。在教室里使用基于设计的课程的学生是他们在这个过程中自己的研究者、教师和监视者。基于设计的课程强调对于反复出现的话题的主题的使用，这与宽泛的知识是相反的，它是让学生识别和理解更深程度的解释的一致性。在科技的帮助下，学生能够更加有效地学习、合作、通过对计算机数据和诸如聊天室和电子邮件等沟通工具的使用来反思。因此，这些实验能够产生出使得研究者得到关于学生学习和如何促进学生学习的合理结论的数据，去关注学生如何去使用它而不是仅仅保留他们的知识。在众多的调查中，斯卡达玛亚和布雷德纳的一些研究表明，当知识包含了学生对于知识的集体的责任感以及对内容的理解，学生就能够更加把握住对信息的发现和加工。这正是这项研究使用电子游戏“超动力”作为教学工具，从而使学生在这种环境下产生他们对内容的理解的目的。

这项研究是为了检验当3D模拟电子游戏”超动力”被应用到中学科学课堂中讲授静电学和传统课堂讲授对比的效果。尤其值得注意的是，我们主要检验：使用“超动力”这一电子游戏对学生关于静电这一概念的理解有什么影响？

方法:

这一项研究也是关于“超动力”在教学过程中使用潜力的设计研究的一部分。我们测验了当“超动力”被用在三个中学科学课堂中学习静电这一单元时，教室内的教学实践会有什么情况呈现。而这项测验是跟传统课堂中，探索导向的学习方法被实施的课堂环境相对比的。这项研究被实施在美国西北部的一个城市的中学里面。张伯伦中学有七百名学生，这些学生是七年级和八年级的学生。学生团体中，有30%是拉丁美洲人，20%的非洲裔美国人，15%的亚裔美国人（主要是印度人和越南人），25%的高加索人和10%的东欧人。此外，17%的学生被认定为需要特殊帮助和照顾的学生。这项研究是在一个8年级的教师的班级里实施的，涉及到了五个班级里面的91个学生，一共进行了超过7堂课。为了与教师配合合作，我们把其中两个班级认定为控制组（N=32），而让其他三个班级来使用“超动力”这个游戏作为实验组（N=59），每个组（控制组和实验组）都被要求学习相同的的内容。

实验组使用“超动力”这一电子游戏来学习，而控制组则参与了一系列被用来帮助他们学习跟实验组同样内容的科学的指导式探究调查方法。在这种背景之下，引导性的探究被定义为：教师来提供引导性的问题和材料给学生，并且负责对研究方法和研究结果的阐述和解释。这种调查包括，理解带电粒子周围磁场的力，被测电荷的力和距离的之间的关系，以及电磁场对电荷的影响。为了达到这个目的，控制组通过一些引导性探究方法诸如交互性报告、实验、观察、教师设计的展示以及补充性内容材料的获得来进行电磁学和静电学的教学。

两个小组使用的补充的材料包括各种各样的模拟，包括科罗拉多大学开发的相互作用的模拟、以及教室领域的网络资源和实验室背景资料。这些材料被用来在学生需要的时候提供补充性材料。

控制组的第一个研究要求学生来确定正电荷和负电荷对气球的影响，以及有多少的电荷在玻璃和塑料与皮、毛、丝绸的摩擦接触过程中，从一种物质中，转移到另一种物质中去。比如，一个实验小组会把气球和小组成员的头发相互摩擦来检测，气球是吸引还是排斥木棒。在这一过程中，学生必须小心地掌握木棒和气球的距离和距离对气球的影响。

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Learning Physics with Digital Game Simulations in Middle School Science

Janice L. Anderson bull; Mike Barnet

Abstract:

The purpose of this work is to share our findings in using video gaming technology to facilitate the understanding of basic electromagnetism with middle school students. To this end, we explored the impact of using a game called Supercharged! on middle school studentsrsquo; understanding of electromagnetic concepts compared to students who conducted a more traditional inquiry-oriented investigation of the same concepts. This study was a part of a larger design experiment examining the pedagogical potential of Supercharged! The control group learned through a series of guided inquiry methods while the experimental group played Supercharged! During the laboratory sections of the science course. There was significant difference, F(2,91) = 3.6, p�.05, g2 = 0.77,between the control and experimental groups on the gains from pre-to post-assessment. Additionally, students in the experimental group were able to give more nuanced responses about the descriptions of electric fields and the influence of distance on the forces that charges experience due to their interactions with the Supercharged! game.

Results of this study show that video games can lead to positive learning outcomes, as demonstrated by the increase in test scores from pre- to post-assessment and the student interviews. This study also suggests that a complementary approach, in which video games and hands-on activities are integrated, with each activity informing the other, could be a very powerful technique for supporting student scientific understanding. Further, our findings suggest that game designers should embed metacognitive activities such as reflective opportunities into educational video games in order to provide scaffolds for students and to reinforce that they are engaged in an educational learning experience.

Keywords : Electromagnetism Middle school science Video games Supercharged! Electrostatics

Background and Introduction

Many scientific domains deal with abstract and multidimensional phenomenon that present difficulty for students to both comprehend and apply the knowledge. In order to master abstract scientific concepts, students need to be able to build flexible and testable mental models

This is in contrast to past practices of science education that often focused on facts and behaviorist approaches to learning. Frequently, however, students are asked to develop accurate scientific mental models that have no real-life referents and to incorporate invisible factors and complex abstractions.

Historically, scientists and educators have used computational

models to investigate and explore complex systems and phenomena. Tools that practicing scientists use to build computational models intended to visualize complex concepts and phenomena have been integrated into K-12 classrooms in order to help students learn and understand complex science topics .

Leveraging Games in Science Learning

Support for games to learn has grown into a major focus of

research over the last decade. In reviewing the literature, we looked for specific instances of research-based games, which differ from virtual worlds. Games take advantage of goal directed advancement within game play, while 3D virtual worlds are more immersive, academic play-spaces that allow for inquiry and discovery learning . Our review of the literature involved a two phase search. The initial search examined the field using a variety of library databases and back searches from the reference lists of gathered articles. The search terms that were utilized included video game, game, education, science education, and gaming. The second phase of the search included online searches (e.g. Google Scholar). We eliminated all studies that involved virtual environments including studies that pertained to Quest Atlantis or River City.

What we found was that research has demonstrated that games that are well designed can provide effective scaffolds for studentsrsquo; learning (Clark et al. 2009; NRC 2011;Young et al. 2012). Other studies argued that computer games can promote higher order thinking and learning through interactive play and dialog; promote learning and engage students in a way that helps them to make sense of their world (Anderson 2010;Willamson and Facer 2004; Mayo 2007, 2009; Young et al.2012); and yield a potential increase in positive learning experiences. The National Science Foundationrsquo;s Panel on Cyber learning (2008) and the American Federation of Scientists (2006) further supported these ideas through their reports that digital games offer a powerful tool to support student learning, transforming both STEM disciplines and K-12 education. Their findings were re-iterated in a special issue of Science (Hines et al.2009).

According to the report in Science (2009), the stakes and potential for the use of games in science education are high; while approximately 450,000 students graduate with STEM bachelors degrees, WHY ville engages over 4 million subscribers with the dominant demographic being 8- to 14-year-old females (Mayo 2009). In this context, a single video game application has a much more expansive outreach than traditional education. This posits the question lsquo;lsquo;is it possible to expand the reach of STEM education with the use of video games as the medium (Mayo 2009, p. 79)rsquo;rsquo; particularly with respect to middle school students?

Methodological Framework

Design-Based Studies

Design-based research emerged from the dialectic between theory and design in research, with theory suggesting an improved design and design suggesting new dimensions to theory. While theory and design can and do exist independent of one another, there is still an inherent connection between them. Design-based research is an iterative process

that is based upon

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