Modeling strategies enhanced by metacognitive tools in high school physics to support student conceptual trajectories and understanding of electricity

Abstract

Modeling is considered an important scientific practice, and modeling instruction has the potential to support conceptual change in students in physics. However, when students are not taught how to think about modeling, and how to develop and use models, the learning potential of modeling may be limited. This paper argues that the use and explicit teaching of metacognitive tools like interactive questioning and individual reflection increase students' ability to use and make sense of models. We present a sequence of activities incorporating metacognitive tools with a variety of models (mental, physical, simulated, and mathematical) in a high school physics unit of electricity. Using data from classroom observations, individual student reflections, group-created posters, and classroom discussion, we found evidence to demonstrate the complicated nature of conceptual change, the importance of using a variety of different representations (models) of a phenomenon, and the critical role of the teacher in learning. Teachers need to be aware of this process and able to give students the time they need to fully explore and develop multiple models and support to think critically about models. Although many classrooms are limited in time, this process is necessary to move beyond rote memorization toward meaningful conceptual change.

Learning Science in Primary Education with STEM Workshops: Analysis of Teaching Effectiveness from a Cognitive and Emotional Perspective

“…The above data confirm the importance of using active practical methodologies that include student hands-on workshops in order to achieve meaningful and long-term learning of STEM content worked on in the classroom. Likewise, these results complement previous research which shows that hands-on learning is a way of enhancing meaningful learning because it favors mental constructions of more abstract contents [15,42,[55][56][57][58].…”

Divisão celular: modelização em Genética e Biologia Molecular

“…Os resultados analisados por meio das construções didáticas dos estudantes demonstram a necessidade do uso de metodologias práticas com o intuito de alcançar uma melhor aprendizagem em sala de aula. As observações corroboram com pesquisas anteriores que demostram que o ensino a partir de metodologias práticas constitui uma forma de melhorar a aprendizagem, possibilitando construções cognitivas de temáticas mais abstratas (Gabel, 1993;Noh, Scharmann, 1997;Sanger, 2000;Martínez et al, 2018;Wade-Jaimes et al, 2018;Baldwin, Orgill, 2019;Silva, 2021). A oficina proporcionou a apropriação do conteúdo abordado, assim como incentivou a criatividade dos estudantes ao trabalhar com um tema que é abstrato por ser de nível celular, proporcionando-lhes uma ótica mais concreta sobre a temática.…”

Avaliando a eficácia de uma oficina orientada a “Síntese Proteica”

“…Os resultados observados por meio da produção dos estudantes confirmam a importância do uso de metodologias práticas a fim de obter um melhor aprendizado em sala de aula. Nossas observações vão ao encontro de pesquisas anteriores mostrando que o ensino por meio de atividades prática é uma maneira de aprimorar a aprendizagem, favorecendo construções mentais de conteúdos mais abstratos [10][11][12][13]21,23]. A oficina facilitou a assimilação do tema abordado, bem como estimulou a criatividade dos estudantes ao lidar com um assunto que é abstrato por ser de nível molecular, possibilitando-lhes uma visão mais concreta sobre o assunto.…”