نوآوری‌های آموزشی

نوآوری‌های آموزشی

بررسی اثربخشی آموزش مفاهیم حرکت‌شناسی به کمک آزمایش‌های فکری بر پیشرفت تحصیلی دانش آموزان و طراحی یک محتوای الکترونیکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری فیزیک ماده چگال، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، تهران، ایران
2 دانشیار گروه فیزیک، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی ، تهران، ایران.
10.22034/jei.2026.564524.3395
چکیده
آموزش مفاهیم حرکت‌شناسی در فیزیک پایه دوازدهم، به دلیل ماهیت انتزاعی و وجود بدفهمی‌های رایج در میان دانش‌آموزان، نیازمند رویکردهای نوین آموزشی است. آزمایش‌های فکری، که پیشینه آن‌ها به آثار گالیله و اینشتین بازمی‌گردد، می‌توانند با تقویت تجسم ذهنی و استدلال علمی، در یادگیری مفاهیم انتزاعی نقش مؤثری ایفا کنند. هدف این پژوهش بررسی اثربخشی آموزش حرکت‌شناسی مبتنی بر آزمایش‌های فکری بر پیشرفت تحصیلی دانش‌آموزان و نیز طراحی و ارزیابی یک محتوای الکترونیکی مبتنی بر این رویکرد بود، این مطالعه با روش آمیخته انجام شد. در بخش کمی، پس از شناسایی بدفهمی‌های دانش‌آموزان، محتوای آموزشی مبتنی بر آزمایش‌های فکری طراحی و با طرح نیمه‌ آزمایشی پیش‌آزمون ـ پس‌آزمون بر روی دو گروه آزمایش (26 نفر) و کنترل (38 نفر) از دانش‌آموزان دختر پایه دوازدهم شهر کرج اجرا شد. ابزار سنجش، آزمون محقق‌ساخته ۲۰ سؤالی با پایایی 0.859 و روایی تأییدشده توسط متخصصان بود. تحلیل داده‌ها با آزمون‌های تی و تحلیل کوواریانس نشان داد آموزش مبتنی بر آزمایش‌های فکری تأثیر معناداری بر بهبود پیشرفت تحصیلی دارد. در بخش کیفی، محتوای تولیدشده در قالب یک محتوای الکترونیکی ارزیابی شد. تحلیل داده‌های حاصل از گروه کانونی با حضور هفت متخصص، کیفیت علمی، دقت محتوایی، تعامل‌پذیری، طراحی کاربرپسند و اثرگذاری آموزشی محتوا را تأیید کرد. متخصصان پیشنهادهایی همچون تقویت پویانمایی، امکان شخصی‌سازی و بهره‌گیری از عناصر بازی‌وارسازی برای ارتقای تجربه یادگیری ارائه دادند. نتایج کلی پژوهش نشان می‌دهد که آزمایش‌های فکری ابزاری کارآمد برای تسهیل یادگیری عمیق مفاهیم حرکت‌شناسی هستند و محتوای الکترونیکی مبتنی بر این رویکرد می‌تواند به بهبود درک مفهومی و افزایش انگیزه یادگیری دانش‌آموزان کمک کرده و در توسعه محتوای آموزشی مناسب مؤثر باشد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Investigating the Effectiveness of Teaching Kinematics Concepts Using Thought Experiments on Students' Academic Progress and Designing an Interactive E-Book

نویسندگان English

mohammad delavar 1
Fatemeh Ahmadi 2
1 PhD student in Condensed Matter Physics, Shahid Rajaee Teacher Training University, Tehran, Iran
2 Associate Professor, Department of Physics, Shahid Rajaee Teacher Training University, Tehran, Iran
چکیده English

Teaching kinematics concepts in the twelfth-grade physics curriculum presents significant challenges due to their abstract nature and the widespread misconceptions held by students. Thought experiments, with a tradition dating back to the works of Galileo and Einstein, can facilitate the learning of abstract concepts by enhancing mental visualization and scientific reasoning. This study aimed to investigate the effectiveness of thought experiment–based instruction in improving students' academic achievement in kinematics, as well as to design and evaluate an electronic educational resource based on this instructional approach. A mixed-methods research design was employed. In the quantitative phase, after identifying students' misconceptions, instructional content based on thought experiments was developed and implemented using a quasi-experimental pretest–posttest design with an experimental group (n = 26) and a control group (n = 38) consisting of twelfth-grade female students in Karaj, Iran. Data were collected using a researcher-developed 20-item achievement test with a reliability coefficient of 0.859 and content validity confirmed by subject-matter experts. Data analysis using independent-samples t-tests and analysis of covariance (ANCOVA) revealed that thought experiment–based instruction had a statistically significant positive effect on students' academic achievement. In the qualitative phase, the developed instructional content was evaluated as an electronic learning resource. Analysis of focus group data collected from seven experts confirmed the scientific quality, content accuracy, interactivity, user-friendly design, and instructional effectiveness of the electronic resource. The experts also recommended further improvements, including enhanced animations, personalization features, and the integration of gamification elements to enrich the learning experience. Overall, the findings indicate that thought experiments constitute an effective instructional strategy for promoting a deeper understanding of kinematics concepts. Furthermore, electronic educational content designed on the basis of this approach can improve students' conceptual understanding, increase their learning motivation, and contribute to the development of high-quality educational resources.

کلیدواژه‌ها English

Electronic educational content
Thought experiments
Academic achievement
Physics education
احمدی بابادی، قباد. (۱۴۰۳). تأثیر روش‌های تدریس فعال بر درک مفاهیم شیمی: مطالعه تأثیر استفاده از روش‌هایی مانند تدریس مبتنی بر مسئله، پروژه و بحث گروهی بر افزایش عمق یادگیری [مقالۀ ارائه‌شده در کنفرانس]. اولین همایش بین‌المللی ایده‌های تحول‌آفرین در زمینه مطالعات فرهنگی و آموزشی در آموزش و پرورش با تأکید بر اقدام‌پژوهی، درس‌پژوهی و روایت‌پژوهی در هزاره سوم. https://civilica.com/doc/2128491
احمدی، غلامعلی، صابری، منیژه، و احمدی، فاطمه. (۱۳۹۹). تأثیر تدریس به شیوه بحث گروهی بر توانایی استدلال دانش‌آموزان در حل مسائل فیزیک. فناوری آموزش، ۱۴(۴۹۰۱۹۱۳. https://doi.org/10.22061/tej.2020.5614.2247
محمودی، فیروز، و صادقی، فرزانه. (۱۳۹۷). فراتحلیل اثربخشی روش‌های تدریس فعال بر پیشرفت تحصیلی دانش‌آموزان. مجله مطالعات آموزش و یادگیری، ۱۰(۱)، ۲۵۵۵. https://doi.org/10.22099/jsli.2018.4915
نصرت، فاطمه، یوسفی، علیرضا، و لیاقت‌دار، محمدجواد. (۱۳۸۹). تأثیر آموزش فعال فناورانه فیزیک بر پیشرفت تحصیلی دانش‌آموزان دوره متوسطه. پژوهش در برنامه‌ریزی درسی (دانش و پژوهش در علوم تربیتیبرنامه‌ریزی درسی)، ۷(۲۵۵۳۶۴. https://sid.ir/paper/127455/fa
Banda, H. J., & Nzabahimana, J. (2021). Effect of integrating physics education technology simulations on students’ conceptual understanding in physics: A review of literature. Physical Review Physics Education Research, 17(2), Article 023108. https://doi.org/10.1103/PhysRevPhysEducRes.17.023108
Bancong, H. (2024). The past and present of thought experiments' research at Glancy: Bibliometric review and analysis. Discover Education, 3, Article 142. https://doi.org/10.1007/s44217-024-00246-z
Bao, L., & Koenig, K. (2019). Physics education research for 21st century learning. Disciplinary and Interdisciplinary Science Education Research, 1, Article 2. https://doi.org/10.1186/s43031-019-0007-8
Bascandziev, I. (2024). Thought experiments as an error detection and correction tool. Cognitive Science, 48(1), Article e13401. https://doi.org/10.1111/cogs.13401
Bascandziev, I., & Bonawitz, E. (2025, August 14). Thought experiments can enhance science learning. Harvard Graduate School of Education. https://www.gse.harvard.edu/ideas/usable-knowledge/25/08/thought-experiments-can-enhance-science-learning
Barbour, R. S., & Kitzinger, J. (Eds.). (1999). Developing focus group research: Politics, theory and practice. SAGE. https://doi.org/10.4135/9781849208857
Beichner, R. J. (1994). Testing student interpretation of kinematics graphs. American Journal of Physics, 62(8), 750–762. https://doi.org/10.1119/1.17449
Braun, V., & Clarke, V. (2006). Using thematic analysis in psychology. Qualitative Research in Psychology, 3(2), 77–101. https://doi.org/10.1191/1478088706qp063oa
Chi, M. T. H., & Wylie, R. (2014). The ICAP framework: Linking cognitive engagement to active learning outcomes. Educational Psychologist, 49(4), 219–243. https://doi.org/10.1080/00461520.2014.965823
Cohen, J. (1988). Statistical power analysis for the behavioral sciences (2nd ed.). Routledge. https://doi.org/10.4324/9780203771587
Creswell, J. W., & Plano Clark, V. L. (2018). Designing and conducting mixed methods research (3rd ed.). SAGE.
Deterding, S., Dixon, D., Khaled, R., & Nacke, L. (2011). From game design elements to gamefulness: Defining gamification. In Proceedings of the 15th International Academic MindTrek Conference: Envisioning Future Media Environments (pp. 9–15). ACM. https://doi.org/10.1145/2181037.2181040
Dönertaş, Ş. (2011). Role of thought experiments in solving conceptual physics problems [Doctoral dissertation, Middle East Technical University]. OpenMETU Repository. https://open.metu.edu.tr/handle/11511/21216
Field, A. (2018). Discovering statistics using IBM SPSS Statistics (5th ed.). SAGE Publications Ltd.
Gendler, T. S. (2004). Thought experiments rethought—and reperceived. Philosophy of Science, 71(5), 1152–1163. https://doi.org/10.1086/425239
Good, M., Maries, A., & Singh, C. (2019). Impact of traditional or evidence-based active-engagement instruction on introductory female and male students' attitudes and approaches to physics problem solving. Physical Review Physics Education Research, 15(2), Article 020129. https://doi.org/10.1103/PhysRevPhysEducRes.15.020129
Harjono, A., Gunawan, G., Adawiyah, R., & Herayanti, L. (2020). An interactive e-book for physics to improve students' conceptual mastery. International Journal of Emerging Technologies in Learning, 15(5), 40–54. https://doi.org/10.3991/ijet.v15i05.10967
Hewitt, P. G. (2017). Conceptual physics (12th ed.). Pearson Education India.
Ibáñez, M. B., & Delgado-Kloos, C. (2018). Augmented reality for STEM learning: A systematic review. Computers & Education, 123, 109–123. https://doi.org/10.1016/j.compedu.2018.05.002
Jana, S. (2023). Interactive e-books and multimedia learning: Enhancing engagement and retention in secondary English. Journal of Natural Science, 34, Article 3754. https://namibian-studies.com/index.php/JNS/article/view/3754
Machery, E. (2017). Philosophy within its proper bounds. Oxford University Press. https://doi.org/10.1093/oso/9780198807520.001.0001
Manurung, S. R., & Mihardi, S. (2016). Improving the conceptual understanding in kinematics subject matter with hypertext media learning and formal thinking ability. Journal of Education and Practice, 7(9), 91–97.  https://www.iiste.org/Journals/index.php/JEP/article/view/29626
Mayer, R. E., & Fiorella, L. (Eds.). (2022). The Cambridge handbook of multimedia learning (3rd ed.). Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/9781108894333
Mohd Dahlan, M. B., Sabri, S., Mohtaram, S., & Kamarudin, N. S. (2024). Empowering learning: The impact of interactive ebooks. Educational Administration: Theory and Practice, 30(5), 12231–12237. https://kuey.net/index.php/kuey/article/view/5079
Morgan, D. L. (2012). Focus groups and social interaction. In J. F. Gubrium, J. A. Holstein, A. B. Marvasti, & K. D. McKinney (Eds.), The SAGE handbook of interview research: The complexity of the craft (2nd ed., pp. 161–176). SAGE.
National Research Council. (2012). A framework for K–12 science education: Practices, crosscutting concepts, and core ideas. The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/13165
Redish, E. F. (2003). Teaching physics with the Physics Suite. John Wiley & Sons.
Reiner, M., & Gilbert, J. (2000). Epistemological resources for thought experimentation in science learning. International Journal of Science Education, 22(5), 489–506. https://doi.org/10.1080/095006900289741
Reiner, M., & Burko, L. (2003). On the limitations of thought experiments in physics and the consequences for physics education. Science & Education, 12(4), 365–385. https://doi.org/10.1023/A:1024438726685
Sharifi, F., Ahmadi, F., & Meshkat, M. (2025a). Investigating the effect of teaching dynamic concepts with the help of thought experiments on the academic progress and cognitive skills of students. Physics Education, 60(4), Article 045003. https://doi.org/10.1088/1361-6552/adcdb7
Sharifi, F., Ahmadi, F., Meshkat, M., & Talkhabi, M. (2025b). Investigating the effect of teaching kinematics concepts using thought experiments on students' academic progress and learning strategies. Physics Education, 60(3), Article 035018. https://doi.org/10.1088/1361-6552/adbda1
Shekarbaghani, A. S. (2016). Comparative study of physics curriculum in Iran with several other countries. International Education Studies, 9(8), 112–118. https://doi.org/10.5539/ies.v9n8p112
Sommerfeld, A. (2016). Mechanics: Lectures on theoretical physics (Vol. 1). Academic Press.
Stephens, A. L., & Clement, J. J. (2012). The role of thought experiments in science and science learning. In B. J. Fraser, K. G. Tobin, & C. J. McRobbie (Eds.), Second international handbook of science education (pp. 157–175). Springer. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-9041-7_13
Sujatmika, S., Masykuri, M., Prayitno, B. A., & Sutarno, S. (2024). Fostering critical thinking in science education: Exploring effective pedagogical models. International Journal of Advanced and Applied Sciences, 11(7), Article 16. https://doi.org/10.21833/ijaas.2024.07.016
Sun, L., & Pan, C. E. (2021). Effects of the application of information technology to e-book learning on learning motivation and effectiveness. Frontiers in Psychology, 12, Article 752303. https://doi.org/10.3389/fpsyg.2021.752303
Tortop, H. S. (2016). Why thought experiments should be used as an educational tool to develop problem-solving skills and creativity of the gifted students (ED572823). ERIC. https://files.eric.ed.gov/fulltext/ED572823.pdf
Tuminaro, J., & Redish, E. F. (2007). Elements of a cognitive model of physics problem solving: Epistemic games. Physical Review Special Topics–Physics Education Research, 3(2), Article 020101. https://doi.org/10.1103/PhysRevSTPER.3.020101
Velentzas, A., & Halkia, K. (2012). The use of thought experiments in teaching physics: The case of the principle of equivalence. In C. Bruguière, A. Tiberghien, & P. Clément (Eds.), E-Book proceedings of the ESERA 2011 Conference: Science learning and citizenship (Strand 3, Part 3, pp. 239–243). European Science Education Research Association
Wee, L. K., Chew, C., Goh, G. H., & Tan, S. (2012). Using Tracker as a pedagogical tool for understanding projectile motion. Physics Education, 47(4), 448–455. https://doi.org/10.1088/0031-9120/47/4/448
York, T. T., Gibson, C., & Rankin, S. (2015). Defining and measuring academic success. Practical Assessment, Research & Evaluation, 20, Article 5. https://doi.org/10.7275/hz5x-tx03
Zacharia, Z. C., & Anderson, O. R. (2003). The effects of an interactive computer-based simulation prior to performing a laboratory inquiry-based experiment on students’ conceptual understanding of physics. American Journal of Physics, 71(6), 618–629. https://doi.org/10.1119/1.1566427
Zhai, X., Li, M., & Chen, S. (2019). Examining the uses of student-led, teacher-led, and collaborative functions of mobile technology and their impacts on physics achievement and interest. Journal of Science Education and Technology, 28(4), 383–394. https://doi.org/10.1007/s10956-019-9767-3

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 21 شهریور 1405

  • تاریخ دریافت 20 آذر 1404
  • تاریخ بازنگری 15 اردیبهشت 1405
  • تاریخ پذیرش 21 شهریور 1405