نوع مقاله : مقاله پژوهشی-شماره انگلیسی

نویسندگان

• فاطمه خدادادی آزادبنی
• جواد کمالی

گروه آموزش فیزیک، دانشگاه فرهنگیان، صندوق پستی889- 14665تهران، ایران

چکیده

پیشینه و اهداف: موضوع الکتریسیته اغلب یک مفهوم چالش برانگیز و انتزاعی در فیزیک در نظر گرفته می‌شود. یادگیری مفاهیم علمی غیر شهودی می‌تواند برای دانش آموزان چالش برانگیز باشد، زیرا آنها اغلب تصورات نادرستی در مورد پدیده‌های طبیعی دارند که آنها را به سمت خطا سوق می‌دهد. شناسایی و اصلاح باورهای غلط فیزیک الکتریسیته برای ارتقای یادگیری معنادار و درک مفهومی ضروری است. امروزه استفاده از فناوری در محیط‌های آموزشی یکی از جنبه‌های ضروری آموزش و یادگیری محسوب می‌شود.  استفاده از فناوری مانند نرم‌افزار شبیه‌سازی کامسول می‌تواند به تجسم و درک بهتر این مفاهیم کمک کند. این تحقیق با هدف شناسایی و اصلاح سوء تفاهمات دانش‌آموزان پایه یازدهم در یادگیری مفاهیم الکتریسیته با شبیه‌سازی نرم‌افزار کامسول انجام شده است.
روش‌ها‌: روش پژوهش حاضر از نظر هدف یک پژوهش کاربردی و از نظر نوع روش، یک تحقیق ترکیبی است.  بخش کیفی با روش تحلیل محتوا با هدف استخراج مقوله‌های کج فهمی‌های فیزیک الکتریسیته انجام گرفته است. در این راستا، از پروتکل مصاحبه‌های نیمه ساختار یافته از 6 معلم با روش نمونه‌گیری هدفمند استفاده گردید.  در این بخش از پژوهش، از سه نوع کدگذاری باز، محوری و انتخابی استفاده گردید. مقوله‌های اصلی کج فهمی‌ها از این نوع کدگذاری استخراج گردید. مقوله‌های اصلی الگوی سوء تفاهم‌های مفاهیم فیزیک الکتریسیته عبارت شدند از: قانون کولن، شکل خطوط میدان بین دو بار نقطه‌ای، میدان الکتریکی بین صفحات خازن، حرکت بار الکتریکی در میدان الکتریکی خارجی، توزیع بار روی سطوح و اثر میدان الکتریکی خارجی بر روی پوسته‌های رسانا و نارسانا. براساس این الگو، پرسشنامه 6 سوالی برای اعتباریابی الگوی سوء تفاهم‌های مفاهیم فیزیک الکتریسته دانش‌اموزان طراحی گردید. برای اعتباریابی الگوی استخراجی و روایی محتوایی پرسشنامه از نظر متخصصان حوزه اموزش فیزیک استفاده شد. بخش کمّی پژوهش حاضر یک تحقیق شبه آزمایشی با طرح پیش آزمون- پس آزمون با گروه کنترل بود. جامعه آماری  کلیه دانش‌آموزان پسر پایه یازدهم دبیرستان شهر بجنورد در سال تحصیلی 1401-1402 بود. با بهره‌گیری از روش نمونه‌گیری تصادفی، 30 دانش‌آموزان برای هر گروه انتخاب شدند. در مرحله اول از هر دو گروه پیش آزمون به عمل آمد. سپس بر روی گروه آزمایش، متغیر مستقل (آموزش مبتنی بر مدل‌سازی با نرم‌افزار شبیه‌ساز کامسول) طی 6 جلسه، 90 دقیقه‌ای انجام شد. همزمان، در گروه گواه از آموزش سنتی (سخنرانی) استفاده گردید. پس از مداخله، بر روی هر دو گروه ( آزمایش و کنترل) متغیر وابسته (آزمون سوء تفاهم‌های مفاهیم فیزیک الکتریسته) اجرا شد. داده‌ها با استفاده از روش آماری تحلیل کوواریانس با کمک نرم‌افزار SPSS مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.
یافته‌ها: نتایج پس از آزمون نشان داده‌اند که استفاده از کامپیوتر و نرم‌افزار شبیه‌سازی کامسول، بهبود قابل توجهی در تمرکز دانش‌آموزان، اصلاح کج‌فهمی و افزایش سطح یادگیری آن‌ها داشته است. همچنین، این روش به دانش‌آموزان در درک بهتر مفاهیم کمک کرده است. نتیجه حاصل از این تجزیه تحلیل نشان داد که میزان یادگیری و پیشرفت دانش آموزان گروه آزمایش نسبت به گروه گواه تفاوت معناداری دارد (05/0>p). اشتباهات گروه آزمایش نسبت به گروه کنترل به‌طور قابل توجهی تغییر کرده است. در مباحث مورد بررسی کمترین درصد اصلاح کج فهمی در گروه آزمایش %66/46 می‌باشد. در حالی که کمترین درصد اصلاح کج فهمی در گروه گواه % 66/36 مشاهده شده است.
نتیجه‌گیری: نتایج پژوهش نشان داده‌اند که با استفاده از نرم‌افزار شبیه‌سازی کامسول، دانش‌آموزان قادر به تصویرسازی و تعامل با مفاهیم انتزاعی می‌شوند که آنها را قابل درک‌تر و قابل فهم‌تر می‌کند. با استفاده از کامسول، دانش‌آموزان می‌توانند متغیرهای مختلف در سیستم‌های الکتریکی را تغییر داده، تأثیرات آن را مشاهده کرده و به اصول پایه آن بیشتر آگاه شوند. این رویکرد عملی به دانش‌آموزان در اصلاح کج‌فهمی‌ها و بهبود درک آنان از الکتریسیته در فیزیک کمک می‌کند. با ارائه نمایش تعاملی و تصویری از پدیده‌های الکتریکی، نرم‌افزار شبیه‌سازی موضوع را قابل دسترس و جذاب می‌سازد و در نتیجه، بهبود عملکرد و یادگیری دانش‌آموزان را به همراه دارد. بر اساس نتایج بدست آمده، پیشنهاد می‌شود که فناوری آموزشی و مدل‌سازی با استفاده از نرم‌افزار کامسول در برنامه‌های توسعه حرفه‌ای معلمان ترویج یابد. این اقدام می‌تواند به توسعه دانش محتوای آموزشی و اصلاح کج‌فهمی مفاهیم کمک کند.

کلیدواژه‌ها

• سوء تفاهم
• کج فهمی
• مفاهیم فیزیک الکتریسیته
• شبیه سازی کامسول

موضوعات

• آموزش الکترونیکی

عنوان مقاله [English]

The Effect of Education based on Modeling with COMSOL Simulation Software on Correcting Misunderstandings and Misconceptions of Electricity Physics Concepts

نویسندگان [English]

• F. Khodadadi Azadboni
• J. kamali

Department of Physics Education, Farhangian University, P.O. Box 14665-889, Tehran, Iran

چکیده [English]

Background and Objectives: The topic of electricity is often considered a challenging and abstract concept in physics. Learning non-intuitive scientific concepts can be challenging for students because they often hold incorrect conceptions about natural phenomena that lead them toward errors. Many students struggle to understand the underlying principles and behaviors of electrical systems. Identifying and correcting misconceptions about electricity physics is essential for promoting meaningful learning and conceptual understanding. Nowadays, using technology in educational settings is considered an essential aspect of teaching and learning. Utilizing technology, such as simulation software like COMSOL, can help to visualize and better understand these concepts. This research has been done with the aim of identifying and correcting the misunderstandings of 11th-grade high school students in learning the concepts of electricity by simulating COMSOL software.
Materials and Methods: The present research is an applied study in terms of its objective and a mixed-methods research in terms of its methodology. The qualitative section utilized content analysis to extract misconceptions about the concepts of electricity in physics. Semi-structured interviews were conducted with SIX teachers using purposive sampling. Three types of coding, namely open, axial, and selective, were employed to extract the main misconceptions. The main misconceptions identified were Coulomb's law, the shape of field lines between two point charges, the electric field between capacitor plates, the motion of electric charges in an external electric field, charge distribution on surfaces, and the effect of an external electric field on conductive and non-conductive shells. Based on this pattern, a 6-item questionnaire was designed to validate the pattern of misconceptions about electricity concepts among students. The validation of the extracted pattern and the content validity of the questionnaire were assessed by experts in the field of physics education. The quantitative section of the research was a quasi-experimental study with a pretest-posttest design and a control group. The target population consisted of all male eleventh-grade students in high schools in Bojnurd city during the academic year 2022-2023. Using random sampling, 30 students were selected for each group. In the first stage, both groups took a pretest. Then, the experimental group received the independent variable (simulation-based learning using the COMSOL software) in six sessions of 90 minutes each. Meanwhile, the control group received traditional lecture-based instruction. After the intervention, both groups (experimental and control) took the dependent variable (the misconceptions test on electricity concepts). The data were analyzed using ANCOVA (Analysis of Covariance) with the help of SPSS software.  
Findings: The post-test results showed that in addition to correcting students' misconceptions and increasing their learning level, the use of computer and COMSOL simulation software helped them better understand the concepts and increased their concentration. The results of this analysis showed a significant difference (p<0.05) between the learning and progress of the experimental group and the control group. The errors of the experimental group changed significantly compared to the control group.  In the topics under investigation, the minimum percentage of misconception correction in the experimental group was 46.66%. Meanwhile, the minimum percentage of misconception correction in the control group was observed to be 36.66%.
Conclusions: The research results have demonstrated that Simulation software enables students to visualize and interact with abstract concepts, making them more tangible and easier to comprehend. By using COMSOL, students can manipulate different variables in electrical systems, observe the effects, and gain insights into the underlying principles. This hands-on approach can correct misconceptions and improve students' understanding of electricity in physics. By providing interactive and visual representations of electrical phenomena, simulation software can make the subject more accessible and engaging, leading to improved learning outcomes. According to the obtained results, it is suggested that educational technology and modeling using COMSOL software be promoted in teachers' professional development programs. This action can lead to the development of knowledge of educational content and the correction of misunderstandings of concepts.

کلیدواژه‌ها [English]

• Misunderstanding
• Misconception
• Electricity Physics Concepts Comsol Simulation

COPYRIGHTS 
© 2025 The Author(s).  This is an open-access article distributed under the terms and conditions of the Creative Attribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0) (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/)