物理教育研究

物理教育研究（PER）は、物理学の教授と学習の研究に特化した分野別教育研究の一形態であり、多くの場合、学生の学習効果の向上を目的としています。PERは、社会学、認知科学、教育学、言語学などの他の分野^{[ 1 ]}から知見を得ており、物理学の分野別知識と実践を反映することでそれらを補完しています^{[ 2 ]} 。米国では約85の機関が科学および物理教育の研究を行っています。

PERの主な目標の一つは、学生が物理学をより効果的に学習できるよう支援する教育手法や戦略を開発し、教員がこれらの手法を実践できるよう支援することです。物理学の基本的な概念でさえ混乱を招く可能性があり、類推による指導によって科学的な誤解が生じる可能性もあるため、講義だけでは、学生が物理学を学ぶ前に抱く一般的な誤解を解消することは困難です。そのため、学生が物理学の授業に持ち込む一般的な誤解についてより深く理解し、それらの誤解を克服するための手法を考案することに、研究の焦点が当てられることがよくあります。

ほとんどの入門物理学コースでは、力学が最初に教えられる物理学の分野です。力と物体の相互作用に関するニュートンの運動法則は、力学の研究の中心です。多くの学生は、物体を動かし続けるには正味の力が必要だというアリストテレス的な誤解を抱いています。しかし、現代物理学では、物体は正味の力が作用しない限り静止状態または運動状態を維持するというニュートンの第一慣性法則によって運動がモデル化されます。この誤解を抱いている学生と同様に、ニュートンも天体観測を含む広範なデータ研究を通して経験的分析によって3つの運動法則に到達しました。学生は、摩擦がほとんどない環境では、物体が一定の力を必要とせずにほぼ一定の速度で動くことを発見し、このような誤解を払拭することができます。

PERコミュニティの包括的な目標は、厳密な科学的探究を通して、物理学の教育と学習に関わるプロセスを理解することである。

この分野の先駆者の1つであるワシントン大学のPERグループによると、^{[ 3 ]} PERにおける研究は、以下のようないくつかの大まかな説明のうちの1つ以上に該当する傾向がある。

• 生徒の困難を特定する
• これらの困難に対処し、学習成果を測定する方法を開発する
• 学生の成績やその他の特性を測定するためのアンケートを作成する
• 物理学に関する学生の態度や信念を調査する
• 小規模および大規模グループのダイナミクスを研究し、フレーミングやその他の新規および既存の認識論的方法を使用して学生のパターンを分析する^{[ 4 ]}

ロバート・ベイヒナー著「物理教育研究入門」^{[ 5 ]}は、PERにおける8つの傾向を特定している。

• 概念理解：学生が何を知っていて、どのようにそれを学ぶのかを調査することは、PER の中心です。初期の研究では、物理学の原理に関する誤解を特定し、対処することに焦点を当てていました。その後、学生の学習に関する代替的な理論的枠組みを考慮すると、この用語は「学生の困難」へと進化しました。概念に関する困難は、正しい概念に組み込まれる可能性があり、誤解は根絶され、正しい概念に置き換えられます。ワシントン大学の PER グループは、概念理解と学生の困難に関する研究を専門としています。^{[ 6 ]}
• 認識論：PERは、学習を改善するための試行錯誤のアプローチとして始まりました。このようなアプローチの欠点のため、研究の理論的基盤が早期に開発され、特にメリーランド大学を通じて開発されました。PERの理論的基盤は、主にピアジェの構成主義に基づいています。物理学習における認知に関する理論は、ディセッサの「断片化された知識」を基に、レディッシュ、ハマー、エルビー、シェール^{[ 7 ]}によって提唱されました。この研究から開発されたリソースフレームワーク^{[ 8 ]}は、神経科学、社会学、言語学、教育学、心理学の研究に基づいています。追加のフレームワークが今後登場する予定で、最近では、ワソンとフィリップ・ジョンソン＝レアードによって開始された演繹的推論の研究を基にした「可能性フレームワーク」 ^{[ 9 ]}があります。
• 問題解決：物理学研究の進展プロセスにおいて重要な役割を果たし、従来の教科書では数多くの演習問題で取り上げられています。この分野の研究のほとんどは、初心者と熟練した問題解決者（それぞれ大学1年生と2年生、大学院生と博士研究員）の違いを検証することに基づいています。問題解決の研究アプローチは、ミネソタ大学のPERグループの焦点となっています。最近、PRL特別セクション：PERに論文が掲載され、典型的な物理学の問題解決に用いられる30以上の行動、態度、スキルが特定されました。問題解決の分野では、より高い解像度と細部への特別な注意が用いられています。
• 態度：コロラド大学は、物理学という科目および授業に対する学生の態度と期待を明らかにするツールを開発しました。学生の態度は、従来の指導後に低下することが多いのですが、レディッシュとハマーによる最近の研究では、暗黙のカリキュラムの認識論的要素を明確にすることに注意を払えば、これを逆転させ、肯定的な態度の向上が見られることが示されています。^{[ 10 ]}
• 社会的側面：物理学をはじめとする様々な分野における学習に影響を与える可能性のある、性別、人種、その他の社会経済的問題に関する研究が行われてきました。また、ボディランゲージ、集団力学、教室の環境が物理学の学習に与える影響についても研究されています。
• テクノロジー：学生応答システム（クリッカー）は、エリック・マズール氏のピア・インストラクションに関する研究に基づいています。ピア・インストラクション（PER）の研究では、教室におけるテクノロジーの影響、応用、そして可能性について考察します。
• 指導上の介入：PERのカリキュラム設計は、20年以上にわたる物理教育の研究に基づいています。代表的な教科書には、『Tutorials in Physics』、『Physics by Inquiry』、『Investigative Science Learning Environment』、『Paradigms in Physics』などがあり、入門レベルおよび上級レベルのコースワーク向けの新しい教科書も多数あります。カンザス州立大学物理教育研究グループは、物理学や数学の高度な知識を持たない高校生や大学生に量子力学を教えるためのプログラム「Visual Quantum Mechanics（VQM）」を開発しました。
• 教材: 学部生向けには、出版社は現在、物理学の教科書に PER ベースを採用していることを主要なセールスポイントとして強調しています。PER の知見を取り入れた初期の包括的な物理学の教科書の 1 つは、Serway と Beichner によって書かれました。教科書以外にも、大学入学前の物理学の学生向けの教材には、PhET (Physics Education Technology) シミュレーションが含まれています。これは、パーソナル コンピュータ ハードウェア、Adobe Flash PlayerやJavaなどのプラットフォーム非依存のソフトウェア、そして最近ではHTML5 ^{[ 11 ]} 、CSS3、JavaScript [ ^{12 ] の進歩によって可能になりました。Wieman [ 13 ]}に^よると、 PhETシミュレーションは^、学生の思考と学習を探るための直接的で強力なツールを提供します。

米国の物理教育研究論文は主に4つの出版媒体で発行されています。^{[ 14 ]} American Journal of Physics : Physics Education Research Section (PERS)に投稿される論文は、主に物理教育研究の消費者向けです。Journal of the Learning Sciences (JLS) は、実生活や非実験室環境に関する論文を掲載しており、多くの場合、テクノロジーの文脈で、教育ではなく学習に関するものです。一方、Physical Review Special Topics: Physics Education Research (PRST:PER) の論文は、消費者向けではなく、PER の研究を行う人を対象としています。Physics Education Research Conference Proceedings (PERC) の読者は、消費者と研究者の両方を対象としています。後者は分野の概観を提供するため、予備的な結果や進行中の研究、PER コミュニティにとって単に考えさせられるような論文にも開かれています。その他のジャーナルには、Physics Education (UK)、European Journal of Physics (UK)、The Physics Teacherなどがあります。レオン・シューらは2007年に物理教育研究における論文の出版と査読に関する記事を発表した。^{[ 14 ]}

• 量子力学を教える