Effects of conceptual and contextual task characteristics on students’ activation of mechanics conceptions

Abstract

For promoting student learning in Newtonian mechanics, tailoring instruction to students’ conceptual needs is important. Although students’ conceptions can be inferred from research results, planning instruction is challenged by the fact that students may activate different conceptions for similar mechanics phenomena. For instance, changing the context or the wording of a task can evoke different conceptions. This article describes an approach to understanding how specific conceptual task characteristics (variations in the underlying concept or how the concept is approached) and contextual task characteristics (variations in the situation to which a concept applies) correlate with the activation of students’ conceptions in Newtonian mechanics. We employed a total of 72 single-choice tasks varying systematically conceptual and contextual task characteristics. Tasks were distributed over four test booklets and administered to a sample of undergraduates with physics as a major (N = 85) and minor subject (N = 114) as well as to high school students (age: ∼ 16, N = 157). Inferential statistical analysis was conducted to investigate if tasks with specific characteristics differed in their mean solution probabilities, revealing varying conceptions. Our findings suggest that even slight differences in how a task is situated (contextual characteristics), which law it addresses, and whether we ask for forces or for the state of motion (conceptual characteristics) result in significant differences regarding activated conceptions. For example, for Newton’s 1st law (with v = const. but ≠ 0) students activate more appropriate conceptions (higher solution probability) when tasks describe forces and ask for the resulting motion than vice versa. For planning instruction, it seems to be important to pay attention to the task characteristics used, to select them consciously, and to explicitly compare tasks that vary according to a particular characteristic.

Conceptual understanding of Newtonian dynamics in a comparative study of computational modeling and video motion analysis

“…This again shows the direction of argumentation in the intervention does not play an important role in the outcome. It can, however, be argued that the improvement in this category can be explained by a reduction in the preconception, that a moving object must experience a force in the direction of motion [28], since this preconception is widely present in students and would produce a wrong answer in these items. Students would choose a net force in the direction of motion if this preconception was activated.…”

“…The two methods therefore differ in their direction of argumentation between forces and motion. The direction of that argumentation in general is known to make a difference for students regarding the difficulty of an item and the activated preconception [28]. It is not known though whether one of the two methods discussed above increases the probability of a correct response in items that use one direction of reasoning more than the other, i.e., whether computational modeling improves the ability to argue from forces to motion more, whereas video motion analysis improves the ability to argue from motion to forces more.…”

Mathematische Modellbildung und Videoanalyse zum Lernen der Newtonschen Dynamik im Vergleich

“…Im Bereich der Dynamik gibt es Erhebungen, die zeigen, dass es für Schüler*innen einen Unterschied macht, ob sie argumentativ von den wirkenden Kräften auf die Eigenschaften der kinematischen Größen der Bewegung schließen sollen oder umgekehrt. Speziell im Bereich des ersten Newtonschen Gesetzes mit einem sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegenden Objektes haben Testitems, die von Kräften auf die Bewegung schließen, eine andere Lösungswahrscheinlichkeit als die analogen Testitems, die sich nur in ihrer Argumentationsrichtung unterscheiden (Just et al, 2021). Erklärt wird dies von den Autor*innen durch die unterschiedliche Aktivierung von Schülervorstellungen.…”

“…Es gibt in der Literatur Hinweise darauf, dass es für Schüler*innen einen Unterschied macht, ob von den Kräften argumentativ auf die Eigenschaften der Bewegung geschlossen wird oder andersherum (siehe Just et al, 2021). Zudem wurde in Kapitel 8.4.3 bereits gezeigt, dass die im Testinstrument verwendeten Items mit der gleichen Argumentationsrichtung stärker miteinander korrelieren und damit bei der Faktorenanalyse jeweils auf einen Faktor laden.…”

“…Das spricht dafür, dass dieses Merkmal einer Testaufgabe für Schüler*innen bei der Beantwortung relevant ist. Auch wenn es zwischen den Ergebnissen der beiden Gruppen in beiden Argumentationsrichtungen keinen Unterschied gab, kann untersucht werden, in welcher Weise sich die Erkenntnisse von Just et al (2021), die die Effekte in Singe-Choice-Testitems untersuchten, auf natürliche Gespräche über physikalische Größen übertragen lassen. Dafür wurden die aufgezeichneten Bildschirmvideos unter diesem Gesichtsprunkt ausgewertet.…”