21st International Conference on Multimedia in Physics Teaching and Learning (MPTL 2017)  

Book of Abstracts 

13‐15 September 2017 

The Open University, Milton Keynes, UK  

Supported by  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

www.open.ac.uk/mptl2017 

Follow: @mptl2017 

#MPTL2017  

2  

Programme at a glance  

  Wednesday 13 Sep 

 

  Thursday 14 Sep   Friday 15 Sep

8.45‐

9.15 

Registration and coffee  8.45‐

9.15 

Registration and coffee  8.45‐

9.15 

Registration 

and coffee 

9.15‐

10.00 

Opening ceremony  9.15‐

10.00 

Plenary B: Bruce Mason –Mobile 

Tech Review 

9.15‐

10.15 

7A: Game 

based learning 

10.00‐

11.00 

Plenary A: Eileen 

Scanlon – Learning and 

teaching physics in the 

open 

10.00‐

11.00 

Plenary C: John Belcher –

Heaviside on the Holodeck 

10.15‐

11.15 

8A: Smart 

phones and 

mobile tech 

11.00‐

11.30 

Coffee  11.00‐

11.30 

Coffee 11.15‐

11.45 

Coffee and 

posters 

11.30‐

13.00 

1A: Virtual and remote 

labs 

11.30‐

13.00 

4A: Symposium: Remote and 

robotic observatories 

11.45‐

12.45 

Plenary D: 

Karen Masters 

– 

Astronomically 

big data, 

citizen science 

and beyond 

13.00‐

13.45 

Lunch  13.00‐

13.45 

Lunch 12.45‐

13.00 

Closing 

ceremony 

13.45‐

15.15 

2A: Symposium and 

workshop: Jupyter 

Notebooks 

13.45‐

15.15 

5A: Simulation 

and 

representation 

5B:

Symposium 

and workshop: 

STEM Labs 

and 

experimental 

simulations 

13.00‐

13.45 

Lunch and 

depart 

15.15‐

16.00 

Tea and posters  15.15‐

16.00 

Tea and posters

16.00‐

17.40 

3A:  

Developments 

in schools 

3B: 

Issues 

in 

educati

onal 

design 

16.00‐

17.30 

6A: IT and 

Arduino 

projects 

6B: 

Symposium 

and workshop: 

STEM Labs 

and 

experimental 

simulations 

18.00‐

19.00 

Drinks reception  18.00‐

22.30 

Excursion to the National 

Museum of Computing followed 

by the conference dinner 19.00 

 

Free time 

3  

Contents  

PROGRAMME AT A GLANCE  2

CONTENTS  3

ACKNOWLEDGEMENTS  6

CONFERENCE INFORMATION  7

DETAILED PROGRAMME   9

BOOK OF ABSTRACTS  14

Plenary A  Learning and teaching physics in the open 

Professor Eileen Scanlon 14

Session 1A: 

Virtual and 

remote labs 

New advances in online experiments integration into LMS         Luis de La Torre, Daniel Galan, Jacobo Saenz and Sebastian Dormido 

15

The EXPERES Project: Reflections and actions for virtual laboratories for teaching physics      Francisco Esquembre 

16

Learning in Virtual Physics Laboratories Assisted by a Pedagogical Agent      Tobias Roth, Julia Appel, Alexander Schwingel and Martin Rumpler 

17

Field of a Permanent Magnet: Remotely Controlled Measurement and Multiple Representations       Christoph Hoyer, Lars‐Jochen Thoms and Raimund Girwidz 

17

Session 2A: 

Symposium and 

workshop: 

Jupyter 

Notebooks 

Jupyter Notebooks via CoCalc for teaching undergraduate physics Mark Quinn  

18

Developing interactive visualisations with Jupyter Notebooks and Javascript Caroline Clewley, Jonathan Eastwood, Peter Török, Dimitri Vvedensky and the student UROP team 

19

Using Jupyter Notebook to Teach Physics with Computation Aaron Titus 

20

Session 2A: 

Poster 

presentation 

Developing interactive visualisations with Jupyter Notebooks and Javascript Amna Askari, Ansh Bhatnagar, Rohan Kamath, Robert King and Caroline Clewley 

21

Session 3A: 

Developments in 

schools 

The Daily Life of a Researcher Introduced with an Online Data Analysis Experience Based on Visual Programming Cristiano Lino Fontana, Stefania Lippiello, Ornella Pantano, Felix Eduardo Pino and Sandra Moretto 

22

Motion simulation programs in teaching mechanics: educational experiments Tamás Radnai, Tünde Juhász, András Juhász and Péter Jenei 

23

GeoGebra for Secondary School PhysicsPetr Kolar 

23

4  

Air resistance examination from the students’ video experiments with cone Daniel Dziob 

24

The BBC micro:bit – A Toy or a Teaching Tool? Laurence Rogers 

24

Session 3B: Issues 

in educational 

design 

An Assessment of an Interactive On‐line Course in Contemporary Physics Dean Zollman, Raiya Ebini and Ulas Ustun 

25

Instructional design of eLectures in experimental physics ‐ Bridging the gap between instruction and problem solving Sebastian Gröber, Thomas Müller and Jochen Kuhn 

26

Developing and embedding inclusive practices in online and distance teaching and learning Victoria Pearson, Kate Lister, Chetz Colwell and Trevor Collins 

27

Preparing teachers for the integration of ICT in their IBSE‐lessons Ton Ellermeijer and Trinh‐Ba Tran 

28

30 years of development: Coach 7Ton Ellermeijer 

28

Plenary B  Mobile Tech Review Bruce Mason 

29

Plenary C  Heaviside on the HolodeckJohn Belcher 

30

Session 4: 

Symposium and 

workshop: 

Remote and 

robotic 

observatories 

Remote and Robotic Telescopes for Schools and Students Fraser Lewis 

31

"Adopt a supernova" engages secondary school students with their physics syllabus Sophie Bartlett 

31

A comparative study of on‐site vs remote astronomy teaching Ulrich Kolb, Marcus Brodeur, Paul Roche, Nicholas Braithwaite and Shailey Minocha 

32

Session 5A: 

Simulation and 

representation 

Simulations in physics to enhance representational learning Sharon Ainsworth, Caroline Clewley, Antje Kohnle, Nigel Langford, Niels Walet and Andrew Whitworth 

32

Characterising representational competence: an example combining a simulation and tutorial on time‐independent perturbation theory Antje Kohnle and Gina Passante 

33

Dipole Radiation – Multiple Visual Representations to Assist Learning  Raimund Girwidz and Bianca Watzka 

34

From harmonic oscillation to chaotic motion of a compass Zoltán Csernovszky 

35

Session 5B: 

Symposium and 

workshop: STEM 

Labs and 

experimental 

simulations 

RuSTLe: Rutherford Simulation for Teaching and Learning. An Interactive Educational Simulation of the Rutherford Experiment Cristiano Lino Fontana, Andrea Lanzini, Stefania Lippiello and Sandra Moretto 

36

RuSTLe: Rutherford Simulation for Teaching and Learning. A Workshop Discovering the Rutherford’s Atomic Model Cristiano Lino Fontana, Andrea Lanzini, Stefania Lippiello and 

37

5  

Sandra Moretto  

6A: IT and 

Arduino projects 

Robotics and measuring devices based on Arduino applications Maria Pető 

38

Physics – IT based international students exchange program Sándor Gergely Pesthy and Mihály Hömöstrei 

39

Low‐cost open‐source Arduino technology for Do‐It‐Yourself labs Frederic Bouquet, Julien Bobroff, Magali Fuchs‐Gallezot, Laurence Maurines, Claire Marrache, Fabrice Bert, Catherine Even, Miguel Monteverde, Anniina Salonen, Charis Quay, Meydi Ferrier, Kensuke Kobayashi and Motoaki Bamba 

40

Session 6B: 

Symposium and 

workshop: STEM 

Labs and 

experimental 

simulations 

OpenSTEM LabsNick Braithwaite 

40

The Go‐Lab ecosystem Anjo Anjewierden 

41

Session 7A: Game based learning 

 

From Newton to Quantum Mechanics ‐ Learning Physics Through Games  Mads Kock Pedersen, Louise Kindt and Jacob Sherson 

41

Open‐ended learning experiences with Citizen ScienceLouise Kindt, Mads Kock Pedersen and Jacob Sherson 

42

Game Development for Teaching Physics Gerd Kortemeyer 

43

Session 8A: Smart phones and mobile tech 

 

App in Sound Measurements to gain a school‐work experience Daniele Buongiorno, Antonella Longo, Marisa Michelini, Domenica Ricci, Lorenzo Santi and Stefano Pagotto 

43

Real‐Life Physics: Phonocardiography, Electrocardiography, and Audiometry with a Smartphone Lars‐Jochen Thoms, Giuseppe Colicchia and Raimund Girwidz 

43

STEM laboratory in students pocket: a case history Susanna Bertelli, Rossana Centioni and Francesco Scerbo 

44

Poster 

presentations 

and displays 

Is the water still hot in this mug?Daniel Dziob 

45

Openly licensed, peer‐reviewed textbooks  Dani Nicholson, Beck Pitt and Daniel Williamson 

45

SEeDS in science learning: a tale of States of Matter Popi Anastasiou 

46

Automated marking of free‐text responses for concept inventories in physics Mark Parker, Christine Leach, David Sands, Ross Galloway, Holly Hedgeland, Nicholas Braithwaite and Sally Jordan 

47

Plenary D  Astronomically big data, citizen science and beyond  Karen Masters 

48

IOP PUBLISHING  49

NOTES  50

CAMPUS MAP  56

   

6  

Acknowledgements  We gratefully acknowledge the support of the following people who helped with various aspects of 

this conference. 

 

Scientific Advisory Board  Wolfgang Christian, Davidson College, USA Ton Ellermeijer, CMA, Amsterdam, The Netherlands Francisco Esquembre, Universidad de Murcia, Spain (President) Raimund Girwidz, University Ludwig‐Maximilians, Munich, Germany (President) Tomasz Greczylo, Wroclaw University, Poland Antje Kohnle, University of St Andrews, UK Bruce Mason, University of Oklahoma, USA Marisa Michelini, University of Udine, Italy  

Local Organising Committee  Professor Nicholas Braithwaite, The Open University, UK (Chair) Dr Maria Aristeidou, The Open University, UK Popi Anastasiou, The Open University, UK Dr Caroline Clewley, Imperial College, UK Michelle Coleman, The Open University, UK Dr Andrea Jimenez Dalmaroni, Cardiff University, UK Diane Ford, The Open University, UK Dr Antje Kohnle, University of St. Andrews, UK Dr Ulrich Kolb, The Open University, UK Professor Robert Lambourne, The Open University, UK Ian Lawrence, Institute of Physics, UK Professor Eileen Scanlon, The Open University, UK  

Invited speakers  Professor Eileen Scanlon, The Open University, UK Bruce Mason, University of Oklahoma, USA Professor John Belcher, MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, USA Dr Karen Masters, University of Portsmouth, UK  

Supported by  Institute of Physics European Physical Society IOP Publishing   Open University STEM Faculty Specialist IT Support Unit, Finance Division, Audio Visual and Estates staff. 

7  

Conference information  

Registration Conference registration will take place between 8.45 and 9.15 on the 13, 14 and 15 September in the Hub Reception next to the Hub Lecture Theatre. There is a map of the Open University campus on the back cover of this booklet.  

Helpdesk A helpdesk will be manned by MPTL conference staff in the Hub Reception throughout the conference to help you with any queries that you may have.  

Session etiquette and electronic equipment We respectfully ask that all delegates use any personal electronic equipment with respect for session presenters and fellow delegates. We suggest using mobile phones and electronic equipment in silent mode.  

WiFi If your institution subscribes to eduroam you can use your login and credentials to connect to the internet. Alternatively, you can use The Cloud (_TheCloud) which has thousands of hotspots across the UK. If you have already signed up for an account in one of these locations, you can use this to connect at the OU. Likewise, you can use the account you create at the OU to connect when you are in another Cloud location.   

Poster Presentations There will be a number of poster presentation sessions during the afternoon tea break sessions in the Hub Lecture Theatre. Please see the programme for further details.    

Session changes We will try to keep session changes to a minimum but inevitably there may be some last minute changes or cancellations. Any information about changed or cancelled sessions will be posted on the notice board by the helpdesk.  

Conference refreshments Conference registration includes tea and coffee on arrival, mid‐morning and afternoon tea, lunch and the drinks reception on the evening of the 13 September.   

Parking  Due to the volume of staff on campus parking spaces can be limited. Therefore, we recommend using the South West, Church or East Parking overspill car parks. Any vehicle clearly parked in an unauthorised location will be issued with a parking charge notice by campus security.  

8  

Security For security purposes, please ensure you wear your conference badge while on campus. If you have any emergency security issues please ring extension 53666 for the security lodge, or contact a member of the MPTL conference staff. Please do not leave personal items unattended. The University will not accept liability for loss or damage to personal items or equipment.  

Disabled access and elevators All venues at the Open University have disabled access. Please see a member of the MPTL conference staff if you require assistance. Please contact us immediately if you have any mobility requirements of which you have not made us aware.  

No Smoking Policy The Open University operates a non‐smoking policy. We ask you to respect this policy whilst on campus. All premises are designated smoke‐free. Smoking is not allowed in any part of, or entrances to, any building, including bars and eating areas. Smoking whilst on site is only allowed outdoors in designated green areas.   

Other queries MPTL conference staff will be glad to help you with any other queries you may have.  

Feedback We welcome your feedback. If you have any issues or concerns, please contact a member of the MPTL conference staff. 

   

9  

Detailed programme  

Wednesday 13 September 8.45‐9.15 

Registration and coffee  Medlar and Juniper  

9.15‐10.00  

Opening ceremony Chair: Nick Braithwaite Welcome address: Hazel Rymer, Pro Vice Chancellor (Learning and Teaching Innovation), The Open University 

Hub Lecture Theatre 

10.00‐11.00  

Plenary A: Learning and teaching physics in the open   Eileen Scanlon Chair: Nick Braithwaite 

Hub Lecture Theatre 

11.00‐11.30 

Coffee  Medlar and Juniper  

11.30‐13.00  11.30‐11.50  11.50‐12.10   12.10‐12.30  12.30‐12.50  

1A Virtual and remote labs Chair: Dean Zollman  New advances in online experiments integration into LMS         Luis de La Torre, Daniel Galan, Jacobo Saenz and Sebastian Dormido  The EXPERES Project: Reflections and actions for virtual laboratories for teaching physics      Francisco Esquembre  Learning in Virtual Physics Laboratories Assisted by a Pedagogical Agent   Tobias Roth, Julia Appel, Alexander Schwingel and Martin Rumpler  Field of a Permanent Magnet: Remotely Controlled Measurement and Multiple Representations       Christoph Hoyer, Lars‐Jochen Thoms and Raimund Girwidz 

Hub Lecture Theatre 

13.00‐13.45 

Lunch  Medlar and Juniper 

13.45‐15.15  13.45‐14.05  14.05‐14.25    14.25‐15.15 

2A Symposium and workshop: Jupyter NotebooksChair: Caroline Clewley  Jupyter Notebooks via CoCalc for teaching undergraduate physics Mark Quinn   Developing interactive visualisations with Jupyter Notebooks and Javascript Caroline Clewley, Jonathan Eastwood, Peter Török, Dimitri Vvedensky and the student UROP team  Using Jupyter Notebook to Teach Physics with Computation Aaron Titus 

Hub Lecture Theatre 

15.15‐16.00 

Tea and posters for 1A, 2A  

Hub Lecture Theatre 

   

10  

16.00‐

17.40 

  16.00‐16.20        16.20‐16.40     16.40‐17.00   17.00‐17.20    17.20‐17.40  

3A Developments in schools –CMR 11 Chair: Ian Lawrence  The Daily Life of a Researcher Introduced with an Online Data Analysis Experience Based on Visual Programming Cristiano Lino Fontana, Stefania Lippiello, Ornella Pantano, Felix Eduardo Pino and Sandra Moretto  Motion simulation programs in teaching mechanics: educational experiments Tamás Radnai, Tünde Juhász, András Juhász and Péter Jenei  GeoGebra for Secondary School Physics Petr Kolar  Air resistance examination from the students’ video experiments with cone Daniel Dziob  The BBC micro:bit – A Toy or a Teaching Tool? Laurence Rogers   

16.00‐

17.40 

 

 

16.00‐16.20     16.20‐16.40        16.40‐17.00        17.00‐17.20     17.20‐17.40 

3B Issues in educational design – CMR 15 Chair: Bob Lambourne  An Assessment of an Interactive On‐line Course in Contemporary Physics Dean Zollman, Raiya Ebini and Ulas Ustun  Instructional design of eLectures in experimental physics ‐ Bridging the gap between instruction and problem solving Sebastian Gröber, Thomas Müller and Jochen Kuhn  Developing and embedding inclusive practices in online and distance teaching and learning Victoria Pearson, Kate Lister, Chetz Colwell and Trevor Collins  Preparing teachers for the integration of ICT in their IBSE‐lessons Ton Ellermeijer and Trinh‐Ba Tran  30 years of development: Coach 7 Ton Ellermeijer 

 

18.00‐

19.00 

Drinks reception  Jennie Lee 

Nexus 

19.00  Free time 

 

 

   

11  

Thursday 14 September 8.45‐9.15 

Registration and coffee  Medlar and Juniper  

9.15‐10.00  

Plenary B: Mobile Tech Review Bruce Mason Chair: Antje Kohnle 

Hub Lecture Theatre 

10.00‐11.00  

Plenary C: Heaviside on the Holodeck 

John Belcher 

Chair: Andrea Jimenez Dalmaroni 

Hub Lecture Theatre 

11.00‐11.30 

Coffee  Medlar and Juniper  

11.30‐13.00   11.30‐11.50  11.50‐12.10   12.10‐13.00 

4A Symposium: Remote and robotic observatories 

Chair: Ulrich Kolb 

 

Remote and Robotic Telescopes for Schools and Students Fraser Lewis   "Adopt a supernova" engages secondary school students with their physics syllabus Sophie Bartlett  A comparative study of on‐site vs remote astronomy teaching Ulrich Kolb, Marcus Brodeur, Paul Roche, Nicholas Braithwaite and 

Shailey Minocha 

Hub Lecture Theatre 

13.00‐13.45 

Lunch  Medlar and Juniper 

13.45‐15.15   13.45‐14.05       14.05‐14.25      14.25‐14.45    

5A Simulation and representation – CMR 11 Chair: Bruce Mason  Simulations in physics to enhance representational learning Sharon Ainsworth, Caroline Clewley, Antje Kohnle, Nigel Langford, Niels Walet and Andrew Whitworth  Characterising representational competence: an example combining a simulation and tutorial on time‐independent perturbation theory Antje Kohnle and Gina Passante  Dipole Radiation – Multiple Visual Representations to Assist Learning  Raimund Girwidz and Bianca Watzka 

13.45‐15.15       13.45‐14.05          14.05‐15.15 

5B: Symposium and workshop: STEM Labs and experimental simulations – Hub Lecture Theatre Chair: Nick Braithwaite  RuSTLe: Rutherford Simulation for Teaching and Learning. An Interactive Educational Simulation of the Rutherford Experiment 

Cristiano Lino Fontana, Andrea Lanzini, Stefania Lippiello and Sandra Moretto   RuSTLe: Rutherford Simulation for Teaching and Learning. A Workshop Discovering the Rutherford’s Atomic Model 

 

12  

14.45‐15.05  

From harmonic oscillation to chaotic motion of a compass Zoltán Csernovszky 

Cristiano Lino Fontana, Andrea Lanzini, Stefania Lippiello and Sandra Moretto  

15.15‐16.00 

Tea and posters for 3A, 3B, 4A, 5A, 5B  

Hub Lecture Theatre 

16.00‐17.00   16.00‐16.20   16.20‐16.40    16.40‐17.00    

6A IT and Arduino projects ‐ CMR 11 Chair: Raimund Girwidz  Robotics and measuring devices based on Arduino applications Maria Pető  Physics – IT based international students exchange program Sándor Gergely Pesthy and Mihály Hömöstrei  Low‐cost open‐source Arduino technology for Do‐It‐Yourself labs Frederic Bouquet, Julien Bobroff, Magali Fuchs‐Gallezot,  Laurence Maurines, Claire Marrache, Fabrice Bert, Catherine Even, Miguel Monteverde, Anniina Salonen, Charis Quay, Meydi Ferrier, Kensuke Kobayashi and Motoaki Bamba 

16.00‐17.30      16.00‐16.45  16.45‐17.30  

6B Symposium and workshop: STEM Labs and experimental simulations – Hub Lecture Theatre Chair: Nick Braithwaite  

OpenSTEM Labs Nick Braithwaite  The Go‐Lab ecosystem Anjo Anjewierden 

 

18.00‐

22.30 

Excursion to the National Museum of Computing followed by the conference dinner 

 

 

 

 

 

   

13  

Friday 15 September 8.45‐

9.15 

Registration and coffee  Medlar and 

Juniper  

9.15‐

10.15 

 9.15‐9.35  9.35‐9.55  9.55‐10.15  

7A Game based learningChair: Ton Ellermeijer  From Newton to Quantum Mechanics ‐ Learning Physics Through Games  Mads Kock Pedersen, Louise Kindt and Jacob Sherson  Open‐ended learning experiences with Citizen Science Louise Kindt, Mads Kock Pedersen and Jacob Sherson  Game Development for Teaching Physics Gerd Kortemeyer 

Hub Lecture 

Theatre 

10.15‐

11.15 

 

10.15‐10.35   10.35‐10.55   10.55‐11.15 

8A Smart phones and mobile tech Chair: Ton Ellermeijer  App in Sound Measurements to gain a school‐work experience Daniele Buongiorno, Antonella Longo, Marisa Michelini, Domenica Ricci, Lorenzo Santi and Stefano Pagotto  Real‐Life Physics: Phonocardiography, Electrocardiography, and Audiometry with a Smartphone Lars‐Jochen Thoms, Giuseppe Colicchia and Raimund Girwidz  STEM laboratory in students pocket: a case history Susanna Bertelli, Rossana Centioni and Francesco Scerbo 

Hub Lecture 

Theatre 

11.15‐

11.45 

Coffee and posters for 6A, 6B, 7A, 8A  Hub Lecture 

Theatre 

11.45‐

12.45 

Plenary D: Astronomically big data, citizen science and beyond  Karen Masters Chair: Bob Lambourne 

Hub Lecture 

Theatre 

12.45‐

13.00 

Closing ceremony Chair: Nick Braithwaite 

Hub Lecture 

Theatre 

13.00‐

13.45 

Lunch and depart  Medlar and 

Juniper 

   

14  

Book of abstracts   

Wednesday 13 September, 10.00‐11.00 

Plenary A: LEARNING AND TEACHING PHYSICS IN THE OPEN 

Session Chair: Nick Braithwaite  

  

Professor Eileen Scanlon 

Associate Director (Research & Innovation), Learning and Teaching Innovation, The Open University, UK  

Biography  Eileen Scanlon is Regius Professor of Open Education, an award she received for her exceptional contributions to the fields of educational technology and public engagement with the sciences. Her award also reflects the exceptionally high quality of teaching and research within The Institute of  Educational Technology (IET).  Eileen has a background in science communication teaching and research, and educational technology. She holds a number of senior management roles and visiting posts. She is Associate Director of Research and Innovation in the Institute of Educational Technology at the Open University, UK. As Associate Director she has institutional responsibility for developing research strategy in educational technology. Eileen is also Visiting Professor in Moray House School of Education, University of Edinburgh and a Trustee at Bletchley Park. Previously, she has held visiting academic appointments at University of California (Berkeley) and the University of London.  Eileen began her full‐time OU career in 1975, working in the Deanery of The Science Faculty. She completed her PhD in 1990 studying cognitive models of physics problem solving. Eileen has worked in IET since 1978 where she has held a number of roles, including Director of the Computers and Learning Research Group (CALRG). She was also Director of the interfaculty centre of excellence, the Centre for Research in Education and Educational Technology (CREET). She is currently directing openTEL, an Open University priority research area which brings together people from across the University who are conducting research in technology enhanced learning.  Eileen has contributed to a number of postgraduate teaching projects, including leading roles in the development of Contemporary issues in science learning and Communicating science in the information age.  

15  

Abstract This presentation will explore some contemporary challenges for teaching and learning physics in the open. I will draw from some recent research in my own group highlighting such case studies as using Angry Birds to explore young children's conceptions of motion, helping teenagers and teachers to explore tricky topics and adults learning from citizen science activities. I will conclude by examining the prospects for transitioning between formal and informal learning settings and how these might be enabled by technology.   

Wednesday 13 Sep, 11.30‐13.00 

Session 1A: VIRTUAL AND REMOTE LABS 

Session Chair:  Dean Zollman  

1A01 – New advances in online experiments integration into LMS Luis de La Torre, Daniel Galan, Jacobo Saenz and Sebastian Dormido 

UNED, Spain 

 Introduction and Theory  Virtual and remote labs (or online experiments) are tools that, for science and engineering courses, support distance and blended learning and that provide students with more experimentation time in traditional learning. Virtual labs are computer based simulations which offer similar views and ways of work to traditional hands‐on laboratories while the latter use real setups which can be used at distance.  Learning Management Systems (LMS) are software for web applications oriented for the administration, documentation, tracking, and reporting of e‐learning programs. While online experiments and LMS are complementary tools, the combined use of these two things is not that extended and, whenever they are found together, they are usually treated as two separate things with no or very little interrelation between them.   Concept and Implementation  On the one hand, the online experiments are created using EjsS, a free and open source tool. EjsS is used for creating any type of simulations, virtual laboratories and, since connections with a broad wide variety of hardware and control software are supported, even remote laboratories. On the other hand, the online experiments are deployed (and subsequently managed) using Moodle, also a free and open source tool. Moodle is an LMS created to help learners with their learning and teachers with their teaching. By using this tool and a few plugins developed by the authors (called EJSApp), virtual and remote labs can be published in online courses in an extremely easy way. Moreover, these plugins support a variety of features that greatly enhance the use of the online experiments within a Moodle course. This work presents the latest additions to these plugins in the context of UNILabs, an international network of online experiments.   Objectives and Assessment  The objective of this work is to implement many required features in the modern teaching paradigm in the context of science and engineering online and blended learning. First, problem‐based learning is supported by the extensive use of online experiments. Second, competency‐based learning is possible thanks to the recent support of such model by both Moodle and the EJSApp plugins. Third, tracking of users’ actions and progress for the future possible application of learning analytics and/or intelligent tutoring is available. Fourth, motivating and engaging students can be achieved by the 

16  

combined use of online experiments and visual programming with Blockly.  Most of these features get continuously assessed and improved thanks to their use in UNILabs, a university network of online experiments in which several universities place their virtual courses.  

1A02 – The EXPERES Project: Reflections and actions for virtual laboratories for teaching physics Francisco Esquembre Universidad de Murcia, Spain  Introduction  The EXPERES Project is funded by the European Union ERASMUS+ program (Key Action 2 : Cooperation for innovation and the exchange of good practices), will run for 36 months (since February 2016) and is participated by the 12 public universities and the Ministry of Higher Education of Morocco, and 6 European partners (5 Universities and one company).   The project was started to face the increasing need to use virtual laboratories as part of the training in Physics for students of first years of Science and Engineering in Moroccan universities. This demand required both pedagogical and technical reflections and actions to correctly design, implement, and deploy a collection of virtual laboratories which can be effectively used by teachers and students in Morocco as part of their teaching and learning.   The project has three general goals:  Setting up a platform for remote practical work within a distance learning environment.  Enhancing the effectiveness and quality of learners' knowledge of digital skills massively used in the labour market and society.  Training of teachers and technical and administrative staff in the field of distance tutoring and digital programming of distance learning.   Implementation  The project has 12 work packages (WP) that cover all aspects of the project: Preparation,  Development, Quality Assurance and Control, Dissemination and exploitation of the results, and Management. Perhaps the most interesting are the Development packages devoted to the Conceptualisation, Programming, Deployment and Test of the virtual laboratories. These packages also include training for educators and technical staff in these areas.   As concrete work for these packages, the partners selected 12 topics of interest, grouped in four Physics areas studied in the first two years of undergraduate Physics education, that will be covered by these Virtual Laboratories:  Mechanics: Static and dynamic study of springs, Study of a simple pendulum, Conservation of mechanical energy.  Electricity: Measurement of electrical resistances, Oscilloscope, Wheatstone bridge.  Optics: Measurement of focal lengths, Diopter, Prism.  Thermodynamics: Thermal machines, Measurement of Gamma, Calorimetry.   Objectives  We describe in our talk the work carried out in the project on its first 18 months. In particular the conceptualisation of what a VL should consist of (from narrative, to practical manipulations, to self‐evaluation tests…), the reasons for our selection of programming and deployment platforms, and also the tentative versions of virtual laboratories (simulations) that have already been created. Conceptualisation and script forms have been completed for each VL, the VL are being programmed 

17  

using Web standards (HTML and JavaScript), mostly with the Easy JavaScript Simulation authoring tool, and will be deployed using Moodle.  

1A03 – Learning in Virtual Physics Laboratories Assisted by a Pedagogical Agent Tobias Roth, Julia Appel, Alexander Schwinge and Martin Rumpler 

Trier University of Applied Sciences, Germany 

 Introduction and Theory  The joint project Open MINT Labs (OML) – funded by the German Ministry of Education and Research (BMBF) – among Rhineland‐Palatinate’s universities of applied sciences Kaiserslautern, Koblenz and Trier develops and scientifically investigates virtual laboratories. This virtual offer gives students the flexibility to prepare experiments in the real laboratory – independent of place, time or used end device. Imposed on the virtual lab, a pedagogical agent plays the role of a mediator between the content and the individual student, thus aiming to increase the overall effectiveness of the learning process.   Concept and Implementation  Every virtual lab from the OML project is structured in a modular manner and consists of the following five self‐explanatory chapters: Orientation, Basic Information, Experiment, Application and Reflection, that lead the learner from the build‐up of basics to the transfer of knowledge when answering questions from everyday life or in order to deal with authentic problems from research and industry. Nevertheless, literature discusses convincing arguments in favour of pedagogical agents promoting a more successful multimedia learning. In the reported virtual lab, the pedagogical agent is a comic version of Einstein who accompanies the learner from information input to numerous activating tasks with prepared tips that are available on request. All tasks throughout the virtual unit are classified with regard to relevant skills in physics and are graduated due to Blooms taxonomy. A log file analysis records the detailed activities of the learner and reorganizes the collected data on a user‐specific feedback page, indicating statistics of the unit like current progress and giving a competence chart to clarify personal strengths and weaknesses.   Objectives and Assessment  We present the concrete realization of a virtual lab provided with a pedagogical agent. His optimized functionality and media didactics takes into account the results of a usability test on a prototype system, and the students demands on such an automated assistance as obtained from a preliminary survey. Based on the evaluation and by thoroughly inspecting the user data, we substantiate effects the pedagogical agent has on the learning process – being of motivating or stimulating nature. Interestingly, learning pathways can be envisioned, thus giving valuable insight into individual learning strategies. Since the student’s self‐assessment with the submitted answer is related to the correctness of the respective task, the feedback page enables mental reflection for a crucial review of the own learning process. The outlook addresses potential next steps to intensify communication and cooperation with the pedagogical agent and among the members of the learning group.  

1A04 – Field of a Permanent Magnet: Remotely Controlled Measurement and Multiple Representations Christoph Hoyer, Lars‐Jochen Thoms and Raimund Girwidz LMU Munich, Germany  Introduction and Theory  Keeping in mind the intrinsic authenticity real experiments have, we developed a Remotely Controlled Laboratory (RCL) which offers the opportunity of a much more sensitive measurement of 

18  

magnetic fields than it is possible in school. This is due to a set‐up which allows exact positioning of the two‐dimensional hall sensor installed. To visualize the magnetic field, two‐dimensional field line pictures are used in school books. There the density of field lines is often misleadingly stated to be proportional to the strength of the magnetic field in general. This is not completely correct. In order to prevent students from misunderstanding the topic and to enlighten different characteristics of the field, we provide multiple representations with which students can deepen their understanding of the field. According to the spiral curriculum by Bruner, German students get to know the magnetic field in various classes and on different demanding levels. For this reason, our experiment enables both qualitative and quantitative representations. Next to a direct presentation of the experiment by the teacher it is also a valuable option to use the RCL as a station in a learning circle or even as a task for homework.  Concept and Implementation  The user of the presented RCL can measure the magnetic field of a Neodymium bar magnet. Therefore, the bar magnet is located in the middle of a rotating plate and a two dimensional hall‐sensor can be moved back and forth by a linear drive. Building the construction of the experiment, special focus was laid on a completely non‐ferromagnetic set‐up so that the measurement preferably is not distorted. The recorded data can either be displayed as a Tesla value or be visualized in different representations. Furthermore, it is also possible to fade in the temporary measured data into visual presentations of a previously recorded dataset.   Objectives and Assessment  With our experiment we want to improve the students' understanding of the characteristics of magnetic fields. Furthermore, since the students can perform this experiment at home, we intend to foster the natural scientific curiosity and to overcome the students' inhibitions. We will also provide a virtual laboratory in the future so that not only one user can perform the experiment at the same time. Besides fading in visual representations into the video livestream of the experiment in the sense of augmented reality it is also our plan to implement an environment, which offers learning occasions where students can test their knowledge about magnetic fields and where they get individual feedback. First observations about users' activities when working with the RCL will be extended. A report about teaching and learning results will be given at the next conference.  

Wednesday 13 September, 13.45‐15.15 

Session 2A: JUPYTER NOTEBOOKS SYMPOSIUM & WORKSHOP 

Session Chair: Caroline Clewley  

2A01 – Jupyter Notebooks via CoCalc for teaching undergraduate physics Mark N Quinn Department of Physics and Astronomy, University of Sheffield, UK  Obstacles for students developing computational skills typically include gaining easy access to programming software and to direct feedback with teachers on their work. Over the past year we have introduced a new web‐based computational tool for undergraduate physics students at the University of Sheffield called CoCalc. An overview of the functionality of this Collaborative Calculation in the Cloud platform will be presented including the use of Jupyter Notebooks with realtime collaboration via editing, text discussion and video chat. Our experience of utilising the 

19  

course management component for ≈ 500 students in experimental and theoretical physics modules will also be discussed.  

2A02 – Developing interactive visualisations with Jupyter Notebooks and Javascript Caroline Clewley1, Jonathan Eastwood1, Peter Török1, Dimitri Vvedensky and the student UROP team 1Imperial College London, UK  Introduction and Theory  Physics students are adept at manipulating mathematical equations; however they often lack conceptual understanding of scientific principles because they have difficulty visualizing them2. Visualisations enhance cognition3,4 and are effective in helping students learn many scientific concepts5,6,7. Online interactive visualisations are versatile teaching tools: they can be implemented during lectures to explain difficult concepts, they can be used with an associated problem sheet for tutorials or coursework, and they allow students to explore concepts in preparation for flipped lectures. It is known that students need to be well supported in using the visualisations to gain maximum learning benefit. However, although the design of visualisations is well‐researched, the best way to embed visualisations into the curriculum is still an open question.  Many visualisations can be found online, but it is difficult to find external visualisations that align well with the specific learning objectives of any one course. We have therefore initiated a project to develop interactive visualisations (“Imperial Visualisations”) which are adaptable and have been created and trialled by colleagues with educational expertise.   Concept and Implementation  The Imperial Visualisations target abstract key concepts within Physics and other STEM subjects of which students struggle to gain a deep conceptual understanding, e.g. vector algebra & calculus, electricity & magnetism, and mechanics & wave behaviour, which have applications in many courses across College. The visualisations are created using open‐source Python and Jupyter notebooks, as well is in javascript and HTML. This platform is very flexible, enabling us to share source code as well as create web applications, meaning the creation and adaptation of the visualisations become powerful learning experiences in themselves. Moreover, other lecturers will be able to design further visualisations according to their own specific requirements.   Objectives and Assessment  This project has a three‐fold objective in contributing to the students’ learning experience. First, they are created by a team of students during the summer break, who gain valuable transferable skills. Second, the project is designed to promote take‐up across the whole of Imperial College, allowing a large cohort of students to gain conceptual understanding of abstract concepts. Third, advanced students will be able to edit the Jupyter notebooks to extend the Physical models underlying the visualisations and promote a deeper understanding.  We will implement the visualisations across a range of learning environments and monitor usage statistics. Subsequently, we will interview student volunteers and use surveys to gauge the effectiveness of the visualisations in these environments, as well as how they affected the students’ learning experience. This will culminate in extensive guidelines to aid the development and implementation of further visualisations.    

20  

2C. Clewley, 2016, Troublesome knowledge in Relativity, Med thesis, Imperial College; 3J. Larkin and H. Simon, H., 1987, 

Cognitive Science, 11, 65‐‐‐99; 4M. Scaife and Y. Rogers, 1996, International Journal of Human‐‐‐Computer Studies, 45, 115‐

143; 5A. Kohnle et al., American Journal of Physics, 2015, 83, 560; 6J.J. Vogel et al., Journal of Educational Computing 

Research, 2006, 34, 229; 7N.Rutten et al., Computers & Education, 2012, 58, 136. 

 

2A03 – Using Jupyter Notebook to Teach Physics with Computation Aaron Titus High Point University, USA  Jupyter Notebook (formerly iPython Notebook) is a web application to create and share code‐ and data‐driven narratives that contain live code, visualizations, and marked‐up text and equations. Teachers can write tutorials, and students can write professional, interactive reports. Accessible to students and scalable to professionals, Jupyter Notebook is ideal for both undergraduate research and for teaching physics with computational modeling, data visualization, collaborative computing, and reporting. Furthermore, the latest version of VPython runs in Jupyter Notebook.   The 2016 AAPT UCTF Computational Physics Report titled "AAPT Recommendations for Computational Physics in the Undergraduate Physics Curriculum," provides recommendations that students learn computing skills and computational physics skills, including the ability to process data; represent data visually; prepare documents and presentations that are "authentic to the discipline;" translate a model into code; choose algorithms; debug, test, and validate code; and extract physical insight. To meet these goals, I recommend Jupyter Notebook. Jupyter enables students to weave a rich narrative with data and code. By writing in markdown or HTML, students can interlace hypertext, equations (typed in LaTeX), images, videos, pdfs, and other media with code written in Python, R, Julia, or other languages. The outcome is a digital story—or narrative.   It is essential to teach the computing and computational skills outlined in AAPT's report. However, it is equally essential to teach students how to tell a story—a computational narrative—using data analysis and/or simulations. When homework problems, exam problems or projects require data analysis or writing a computational model, Jupyter Notebook allows students to richly explain their solution or results, along with their data and code. Students doing research can fully describe their work, their assumptions, their tests and their algorithms. In their notebook, they can even link to relevant papers or sources, showing their understanding of the literature and giving credit to others' work, including code. By sharing notebooks on GitHub, students learn the power of collaboration as they become a contributor to the larger open‐source community. Students and teachers can also use Jupyter for presentations. Jupyter enables the speaker to edit and run code in the presentation itself.   Objectives and Assessment  My objective is to teach students to use Jupyter Notebook for both research and coursework. In the first year, I teach students computational modeling using VPython at GlowScript.org. After students have experience in programming, I teach them Jupyter Notebook. In this presentation, I will demonstrate our use of Jupyter Notebook in homework problems and exam problems, laboratory experiments, and students’ research projects. I will also illustrate the positive impact of teaching computation on the growth of a physics program.  

   

21  

Workshop element 

2A04 – Using Jupyter Notebook to Teach Physics with Computation Aaron Titus High Point University, USA  Jupyter Notebook (formerly iPython Notebook) is a web application to create and share code‐ and data‐driven narratives that contain live code, visualizations, and marked‐up text and equations. Teachers can write tutorials, and students can write professional, interactive reports. Accessible to students and scalable to professionals, Jupyter Notebook is ideal for both undergraduate research and for teaching physics with computational modeling, data visualization, collaborative computing, and reporting. Furthermore, the latest version of VPython runs in Jupyter Notebook.   In this workshop, participants will explore Jupyter notebooks on various topics in physics and will create new notebooks, based on given examples that can be used for tutorials, projects, experiments, homework, exam problems, or research. An emphasis will be placed on writing a "computational narrative."   

Wednesday 13 September, 15.15‐16.00 

Session 2A: POSTER PRESENTATION  

Developing interactive visualisations with Jupyter Notebooks and Javascript Amna Askari, Ansh Bhatnagar, Rohan Kamath, Robert King and Caroline Clewley Imperial College London, UK  Introduction and Theory  This poster will showcase a number of Imperial Visualisations (as discussed in the accompanying talk). These interactive visualisations are created using open‐source Python in Jupyter notebooks as well as Javascript and HTML. Students will therefore be able to use two verions of the visualisations: the online javascript version to explore the concept, and the Jupyter notebooks version to dive into the details of the modeling and code behind the visualisations – even allowing students to extend and create their own visualisations.   Concept and Implementation  A multi‐disciplinary team of UROP (Undergraduate Research OPportunities) students explored and set up the architecture of the visualisations. They also coded the visualisations in Python and Javascript, in discussion with the lecturers who will implement them in their course. The visualisations will be hosted on a dedicated website. During this poster session, representatives of the UROP student team will show the visualisations; they can also be explored interactively.   Objectives and Assessment  The Imperial Visualisations will be implemented in a variety of different learning settings in the coming academic year; afterwards their effectiveness will be evaluated. We will use the knowledge gained to create further (improved) visualisations during the next summer break. Funding permitting, a rolling UROP student team will be employed on a yearly basis to create bespoke visualisations for lecturers across College.  

22  

Wednesday 13 September, 16.00‐18.00 

Session 3A: DEVELOPMENTS IN SCHOOLS 

Session Chair:  Ian Lawrence  

3A01 – The Daily Life of a Researcher Introduced with an Online Data Analysis Experience Based on Visual Programming Cristiano Lino Fontana, Stefania Lippiello, Ornella Pantano, Felix Eduardo Pino and Sandra Moretto Department of Physics "Galileo Galilei," University of Padova, Italy  Introduction and Theory  A common criticism for the Italian higher education system is the gap that separates it from the employment landscape [1]. To improve this situation, our department and schools are sponsoring internships, to expose the students to the work life. Groups of two high school students are invited to work with researchers for a week. A tutor introduces them to the research theme and proposes related activities. In order not to require previous experience with programming languages, the visual programming language Blockly is used as the development toolkit [2], for its suitability for educational activities. We developed new functionalities for Blockly purposely for the project: online reading data from a real detection system, interactive analysis, and online data visualization.   Concept and Implementation  The proposed program follows the daily activities of a researcher: problem understanding, setup, data acquisition, analysis, understanding of the underlying Physics and presentation of the results. At first, the prerequisite learning of histograms is recalled. A practical activity (e.g. throwing two dice) is employed to ease the comprehension of the operative construction of a histogram. The Physics of radioactivity and nuclear detectors are then introduced, and the histogram is contextualized to its application as an energy spectrum. A real detection system is used to measure the natural gamma ray radiation background. The students are asked first to discuss between themselves on how to develop an histogram calculator, then they actually implement an analysis program to produce the gamma rays spectrum. An introduction to the methodologies of spectra analysis follows. Then they are asked to determine the natural occurring radioactive sources detected in the spectrum. The results are presented by themselves, to the assembly of all the tutors and students in an oral presentation.   Objectives and Assessment  The goals are multiple: we want to expose the students to the daily life of a researcher, by following all the steps required to perform an experiment and finally present it to peers; we can apply the research methodology to study a modern Physics subject; the request of writing the analysis software develops the computational thinking.  The activity was successfully experienced by two students, hosted in our group. The actual implementation of the analysis algorithm was quickly achieved, even with no prior experience with data analysis. We bypassed the difficulties related to the syntax of programming languages, by employing Blockly and our added features; this allowed us to focus on the fundamental concepts. The students enjoyed the whole experience and were very proactive asking relevant questions and proposing ideas. We are presently proposing to secondary school teachers to repeat this activity in a classroom environment.   References  [1] La buona scuola, Legge 13 luglio 2015, n. 107  [2] https://developers.google.com/blockly/ 

23  

3A02 – Motion simulation programs in teaching mechanics: educational experiments Tamás Radnai, Tünde Juhász, András Juhász and Péter Jenei Eötvös Loránd University, Hungary  Students in secondary schools are all members of the so‐called Z‐generation. They grew up by using their smartphones, tablets and the Internet. It is an obvious consequence that science teaching should also exploit this spontaneous interest in IT. A possible way to utilize this trend in physics teaching is by using motion simulation programs. These software are designed to mimic real‐life physics experiments using realistic two‐dimensional visualization, while motion‐related data can be read from the graph that is displayed during motion. The usage of such programs can strengthen the previously acquainted knowledge in the topic of kinematics and dynamics, support problem solving skills, or just raise interest in the subject. The most well‐known physics simulation software are Algodoo and Physion. A Hungarian company (Intellisense) is also developing a similar software with the contribution of our research group, that can be used for free in schools and can be easily fit in Hungarian physics education. In the first part of my lecture I am going to briefly introduce the program. In recent years, there has been an increasing amount of literature about the usage of physics simulation programs, however no quantitative study has been conducted how these programs effect student performance. Our research group completed an educational experiment on teaching kinematics involving 500 students in the autumn of 2015. Half of the students used the simulation software in physics classes and at home, the other half was the control group. After a month, their development in the subject was measured with a test and the results showed significant difference between the two groups. During my lecture, I am going to outline the details and results of this experiment, and share the feedback we got from the teachers. As a continuation of the project, in the autumn of 2017, we are going to conduct another educational experiment on using simulation program in teaching dynamics involving 30 teachers and 1000 students. The teachers are going to be trained for the usage of the program before the experiment and they also will receive a ready‐made package containing demonstrational and homework simulations with descriptions. During my lecture, I am going to share the aspects of designing the experiment and show parts of a sample lesson.  

3A03 – GeoGebra for Secondary School Physics Petr Kolar Department of Physics Education, Faculty of Mathematics and Physics, Charles University, Czech  Republic  Introduction and Theory Software GeoGebra is an effective instrument for teaching mathematics at secondary schools. Possibilities how to use this software are really wide and they are often limited only by our imaginativeness. Even though, GeoGebra is mostly used during mathematics lessons, but with a little effort we can use this software even during physics lessons. So, this contribution shows some simple possibilities how to do that.  Concept and Implementation GeoGebra has wide range of options which are possible to use for teaching some particular knowledge. We can use geometry, algebra, graphing, statistics, calculus etc. For physics at secondary schools might be interesting a work with variables which can represent time and other quantities. There is also a possibility to create animations with variables changing in time. That implies we can use GeoGebra to design simple applets for physics lessons. Moreover, an elementary work with this software is so simple that even students should be able to design some applets which might help to 

24  

understand issues which they are learning. This paper deals with several ideas what applets we can design with GeoGebra for secondary physics lessons.   Objectives and Assessment Main objectives are to help physics teachers at secondary schools to make their work simpler and more effective and to show what we can do with GeoGebra. Secondary objectives are to show some applets ready to use and to offer them to download and to use.  

3A04 – Air resistance examination from the students’ video experiments with cone Daniel Dziob Jagiellonian University, Institute of Physics, Poland  Introduction and Theory  Air resistance (drag) is a force acting opposite to the relative motion of any object moving with respect to a surrounding fluid. It is usually omitted in the physics exercises at the school level or just mentioned in the algebra based task. However a challenge is to conduct experiments showing this phenomena in the school reality.   Concept and Implementation  On an falling object only two forces acting: gravity and drug. After reaches the maximum speed, the net force is equal zero, so the gravity and drug forces are the same. Determining this velocity will allow to find the drag coefficient for examined object. In the implementation students in small groups recorded a free fall of prepared paper coin and by using tracker software conduct the analysis, which finally they present on posters together with theoretical description.   Objectives and Assessment  The aim of the implementations was to familiarize students with the drag force and factors which influences its value, as well as to stimulate them to find proper set and conditions for the experiments. All together (theoretical background, research design, results and conclusions) students have to present in the form of a scientific poster, which was assessed by the teacher.  

3A05 – The BBC micro:bit – A Toy or a Teaching Tool? Laurence Rogers University of Leicester, UK   Introduction and Theory  The BBC micro:bit is a single‐board programmable computer half the size of a credit card. It contains a simple LED display, buttons and several built‐in sensors including an accelerometer. It also provides input and output pins for the connection of external sensors and which allow it to control devices such as mini‐motors, audio equipment, buzzers or more LEDs. One million units were supplied to secondary schools in the UK in 2016 as part of a national initiative to promote an understanding of the plethora of everyday gadgets that employ computer chips and programming. In little over one year, the BBC micro:bit has stimulated a vast array of classroom and after‐school activities focused on coding, control and robotics, and in a second phase, under the guidance of the Microbit Education Foundation, is now achieving international dissemination via educational partners in many different countries.    

25  

Concept and Implementation  The core activity promoted through the microbit.org website is the creation of program code which can be downloaded to the micro:bit, making it perform a variety of tasks involving sensing, messaging, graphics, control and so on. There is huge scope for students to create games, music and invent their own gadgets. Much educational emphasis has been placed on the ‘computational thinking’ that is involved in the coding process, but there is a tension between this cognitive ambition and the need for developing operational skills associated with coding. For this reason the ‘graphical block’ approach to coding has achieved great popularity compared with conventional language programming. In my research, for addressing the needs of primary school pupils, I have developed a third programming method which allows pupils to express programs in plain English sentences. This method is particularly well suited to activities for control applications and robotics.   Objectives and Assessment  Thus far, the BBC micro:bit appears to have had a wide appeal as a tool for teaching about computers and the coding associated with it. Its versatility as a control device has given it many possibilities for hobbyists and student projects. As a content‐free toy its method of working has great accessibility and invites motivation. It is less sophisticated than Arduino prototyping devices and the Raspberry Pi miniature computer, but its simplicity and accessibility promise an appeal to a much broader spectrum of users beyond the technically confident. And its full potential is still to be discovered and exploited, For example, the on‐board accelerometer presents a natural invitation to physicists to look again at experiments requiring measurements of motion and forces. Data‐logging technology has been available in education for many years, but now, at such low cost (£12 per unit), the BBC micro:bit, coupled with sensors may be able to breathe fresh life into this branch of educational technology. My presentation will show some early prototypes.   

 

Wednesday 13 September, 16.00‐18.00 

Session 3B: ISSUES IN EDUCATIONAL DESIGN 

Session Chair: Bob Lambourne  

3B01 – An Assessment of an Interactive On‐line Course in Contemporary Physics Dean Zollman1, Raiya Ebini1 and Ulas Ustun2 

1Kansas State University, USA, 2Artvin Çoruh University/Kansas State University, USA  Introduction and Theory  In 2015 we reported on the conversion to online delivery of a face‐to‐face course on quantum physics and its applications, which was aimed at students who were not majoring in physics. This course, Contemporary Physics, included hands‐on activities, computer visualizations, conceptual development and very little mathematics. Students enrolling in the course were studying disciplines ranging from philosophy to business. The online version of this course takes advantage of the vast body of physics education research which shows that students learn significantly better when they are actively involved in the teaching‐learning process. After three years of online delivery, we have used PER techniques to assess students’ learning and attitudes toward the learning environment.   Concept, Objectives and Implementation  Our primary goal is to evaluate a learning environment which would include a high level of interactivity and enable students to learn about quantum mechanics and its applications. The core of the course is Visual Quantum Mechanics (https://www.phys.ksu.edu/ksuper/research/vqm/). This 

26  

set of learning modules was originally developed for teaching concepts of quantum mechanics to secondary school students. It has been used successfully in a variety of secondary and university settings. The original materials rely heavily on worksheets in which students read introductions, conduct activities and respond in writing to questions about the activities. Teachers lead discussions after the questions have been answered. These materials were converted for use in an interactive online environment. The core materials were supplemented by concept maps, other visualizations, particularly from the Physics Educational Technology (PhET) project and videos posted by others on YouTube.   Assessment  Enrollment in the course has been relatively small. It has been offered three times to a total of ten students. Learning was assessed by administering the same examinations that were used in recent offerings of the face‐to‐face course. Additional learning assessment have used questions from various quantum mechanics concept inventories. Data collected from both clinical interviews and surveys are being used to assess students’ attitudes toward the learning environment of the course. The results have varied and seem to be correlated to the level of success in learning the course content. We will report on results so far and some lessons learned from the assessment.   Acknowledgements  The development of the original VQM materials was supported by the US National Science Foundation. Conversion to the online environment is supported by the KSU Global Campus. Dr. Üstün’s participation is supported by The Scientific and Technological Research Council of Turkey (TÜBİTAK).  

3B02 – Instructional design of eLectures in experimental physics ‐ Bridging the gap between instruction and problem solving Sebastian Gröber, Thomas Müller and Jochen Kuhn University of Kaiserslautern, Germany  Introduction and Theory  Research has shown that students in on‐campus undergraduate experimental physics courses do not develop a sufficient understanding of concepts when lectures are taught in the traditional format. This holds true when in the separated weekly recitation sessions only traditional quantitative problems are used. Typically in this widely‐used course design lectures present the subject matter alongside textbooks to the passive students, while in recitations students are challenged and often overburden to acquire actively conceptual and procedural knowledge for successful and effective problem solving.  The flexible instructional design of eLectures is predestined to overcome the described gap between passive instruction and active problem solving. Direct instruction of conceptual and procedural knowledge in the eLecture distributes the intrinsic cognitive load more equally on the whole experimental physics course and should effect more application than recognition of concepts during problem solving. Students have the opportunity to deal longer and more intensively with concepts and they can benefit from the iterative, bi‐directional acquisition of conceptual and procedural knowledge.   Concept and Implementation  The eLecture´s instructional design includes elements to support the acquisition of conceptual knowledge (advanced organizer, video‐experiments, central laws), procedural knowledge (mathematical structure of resp. example of use for central laws) and declarative knowledge (definitions, introduction of terms) of a theme in descend order of relevance. A presentation capture style with slides, audio/video of the lecturer as well as additionally added menu‐navigation and 

27  

questions fits best to this instructional design. Multiple choice questions to predict and explain results of video experiments and giving the correct answers in the ongoing eLecture is the important interactive method to enhance students’ conceptual understanding.   Objectives and Assessment  We aim at developing a theory‐based eLecture format for experimental physics courses. To assess the eLecture´s instructional design we choose the sequence “concept test → eLecture → concept test → exercise → concept test” for a pilot study with seven grammar school teacher students with a pre‐post‐test study design. The topic is the motion of variable mass bodies which has not been taught previously. We measure the effect of the eLecture and the exercises on students’ conceptual understanding as well as students’ individual conceptual knowledge development. In the talk we present the targeted concepts, the results of the pilot study and the eLecture.   Acknowledgement  This work is funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) in the framework of the joint initiative "Qualitätsoffensive Lehrerbildung" of the Federal and the Federal States of Germany for the project "U.EDU: Unified Education" (support code: 01JA1616). The authors are responsible for the content of this contribution.  

3B03 – Developing and embedding inclusive practices in online and distance teaching and learning Victoria Pearson, Kate Lister, Chetz Colwell and Trevor Collins The Open University, UK  The Open University (OU) supports more disabled students than any other UK Higher Education Institute (HEI), and there has been a year‐on‐year increase in the proportion of students with disabilities entering higher education. The largest increases in STEM are found among students with mental health issues, social/communication impairments, and specific learning difficulties (CaSE, 2014; ECU, 2015). The increased use of digital/multi‐platform delivery to support distance learning presents opportunities (e.g. viable alternative to practical work), and challenges (e.g. screen‐related issues, such as migraine and screen fatigue) that can impact on student experience and attainment. Funded by the Higher Education Funding Council for England, our project identifies the resources, processes and academic practices that enable inclusivity to become embedded, to enable equality of opportunity for disabled students.  Led by the OU, with the University of Leeds and Plymouth University, this work engages with existing successful institutional developments, including those in online labwork (e.g. OpenScience Laboratory) and other online learning activities (e.g. Virtual Landscapes), during design and implementation. By developing case studies focused on pedagogies and institutional processes, we will evidence their impact on the success of disabled students. Differences between the collaborating HEIs (i.e. student recruitment procedures, predominant delivery mode and student demographics), offer opportunities to explore inclusive practices and enable the knowledge and practice within each institution to be consolidated as collective expertise.   Through evaluation of staff, students and processes, the project aims to facilitate:  • Increased awareness of student diversity and inclusive design approaches among staff and students  • Embedded inclusive resource, module and curriculum design practices.  • Sustained and sustainable inclusive delivery practices.   The project anticipates providing recommendations, principles and practical examples of inclusive practice for the HE sector and associated professional bodies. These will critically inform institutional 

28  

policy and activities, to ensure equality of opportunity for all students. It is intended that we will present preliminary findings from the project, along with a review of existing practices.   References CaSE (2014) Improving diversity in STEM [Online] Available at: http://www.sciencecampaign.org.uk/asset/7E74D16B‐9412‐4FA7‐9CD361C8371DBD02/; ECU (2015) Equality in higher education: statistical report 2015. Part 2: students. [Online] Available at: http://www.ecu.ac.uk/wp‐content/uploads/2015/11/Equality‐in‐HE‐statistical‐report‐2015‐part‐2‐students.pdf   

3B04 – Preparing teachers for the integration of ICT in their IBSE‐lessons Ton Ellermeijer1 and Trinh‐Ba Tran2 

1CMA, Netherlands, 2Hanoi National University of Education, Vietnam 

 

A major challenge is the preparation of teachers for using technology. In a PhD research study Trinh Tran (Hanoi) recently investigated the development of an effective and relatively short course for teachers to prepare them for the use of ICT/Technology in IBSE lessons.  We applied several pedagogical principles, like the depth‐first and one theory‐practice cycle. We focused not only on learning ICT skills, but also on awareness of benefits and motivation. The final course set‐up is based on several rounds of try‐outs and improvements, and has been applied in the Netherlands, Slovak Republic and Vietnam. The course will be presented, some attention will be given to the differences in application in different settings (pre‐service and in‐service, different cultures) and also the learning effects on the participants. Interesting and important conclusion is a.o. that such a high quality course design can be applied broadly.  

3B05 – 30 years of development: Coach 7 Ton Ellermeijer CMA, Netherlands  In the mid‐80's a small group of physics educators conceptualized a learning environment for Science and Technology education, and called the idea "STOLE", Scientific and Technical Open Learning Environment. Amongst others, Jon Ogborn and Ton Ellermeijer belonged to this group. Since that moment the University of Amsterdam group lead by Ton, and later by CMA developed the Coach Learning and Authoring environment, largely influenced by the STOLE‐concept. In this presentation I will sketch the STOLE‐concept, how it has been adopted due to new technological possibilities, and at what stage Coach is at present. Furthermore will be addressed what has influenced the implementation and integration of the possibilities in everyday teaching.  

29  

Thursday 14 September, 09.15‐10.00 

Plenary B: MOBILE TECH REVIEW 

Session Chair: Antje Kohnle 

 

  

 

 

 

  

Professor Bruce Mason 

Professor of Physics, University of Oklahoma, USA  

Biography  My work focuses on efforts to enhance physics and astronomy education through web‐based resources. I am director of the ComPADRE network of educational resource collections (http://www.compadre.org), a collaboration of the American Association of Physics Teachers, the American Physical Society, and the Society of Physics Students and part of the National Science Digital Library (http://nsdl.org). I am also the editor of the physics collection on MERLOT (http://www.merlot.org), a multi‐discipline and multi‐institutional organization promoting the scholarly use of multimedia educational resources.   

Session details In a modification of the traditional MPTL review of new educational resources in a selected field of physics, Professor Mason will present an innovative review of developments in the mobile technology relevant to the interests of MPTL.    

   

30  

Thursday 14 September, 10.00‐11.00 

Plenary C: HEAVISIDE ON THE HOLODECK 

Session Chair: Andrea Jimenez Delmaroni  

 

Professor John Belcher 

Professor of Physics, MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, USA 

Biography John Belcher is a Professor of Physics at MIT. His research focus is on space plasma physics, and he is currently involved in studying flows beyond the solar wind termination shock, using data from the Voyager Interstellar Mission. He was elected a Fellow of the American Physical Society for developing 3D electromagnetic field visualization tools and for the creation of a studio‐based, active learning version of introductory physics, TEAL. To augment classroom teaching in electromagnetism, he has been involved in developing Java 3D physics simulations, as well as augmented reality and fully immersive virtual reality implementations of these simulations. 

Abstract Of all the subjects in STEM, electromagnetism arguably profits most from the use of simulations in 

instruction. That is because the most crucial aspects of E&M, the fields, are normally invisible to us, 

even though they have a profound effect on how we interact with the world. Faraday was the first to 

realize that when fields are made visible, their visible representations are easily interpreted in terms 

of the forces and tensions they transmit between material objects. Because the visualization of fields 

can be so natural to interpret, and the mathematics describing them is so abstract, I argue that any 

truly effective pedagogical approach to teaching E&M must include visualization at a sophisticated 

level. We have developed a suite of visualizations for use in classroom teaching of E&M at MIT at all 

levels. In collaboration with researchers at the MIT Media Laboratory and the Graz University of 

technology, we have ported some of these visualizations to augmented reality and fully virtual 

reality environments. I will give examples and discuss the promises of this approach, especially with 

respect to collaborative experiences between students and faculty and students and students. 

 

31  

Thursday 14 September, 11.30‐13.00 

Session 4A: REMOTE AND ROBOTIC OBSERVATORIES SYMPOSIUM AND WORKSHOP 

Session Chair: Ulrich Kolb  Space‐based astronomical observatories have necessarily always been operating robotically or via remote control, and ground‐based observatories at remote or hostile sites are following suit. Unsurprisingly, an ever increasing number of robotic or remotely operable (mostly optical) telescopes are now also deployed in education, from primary schools to higher education. Such facilities empower the students in a quite natural way to take part in authentic research – even a simple image obtained at any one time might reveal a previously unknown source, or reveal an unexpected change in a previously known source. This symposium gives a flavour of the world of robotic telescopes in education, how they are used, and how they are perceived by students.  

4A01 – Remote and Robotic Telescopes for Schools and Students Fraser Lewis  Faulkes Telescope Project/National Schools’ Observatory  I present details about the Faulkes Telescope Project (based at Cardiff and Swansea Universities) and the National Schools’ Observatory (based at Liverpool John Moores University). Both projects allow free access to 2‐metre aperture, research grade telescopes for schools, primarily from UK and Ireland but with partners in Europe and worldwide.   Observations can be made of astronomical objects such as galaxies, variable stars, open clusters and supernova remnants. These observations can be used to create colour images or more scientifically, to make measurements (such as the size and brightness of these objects) can be made to understand how these objects evolve over various timescales.   Both projects provide online resources to pupils and teachers on the background material around telescopes and techniques employed in astronomy such as photometry and spectroscopy. These resources come in the form of text, screencasts, animations, etc.   Through this work, and some of the extended projects following the Inquiry Based Science Education format, students can engage with, we aim to encourage the teaching of physics and the broader STEM subjects.  

4A02 – "Adopt a supernova" engages secondary school students with their physics syllabus Sophie Bartlett Cardiff University, UK  This presentation describes the progress of a PhD research project into the impact of astronomy‐based educational resources on students' engagement with their physics syllabus. As part of the Faulkes Telescope Project and Gaia Science Alerts, the resources allow schools to "Adopt a Supernova" and track it over time using remote robotic telescopes. Students are able to use their data to determine the Universe expansion rate through Hubble's Law and apply elements of their physics syllabus to real science and real data. Students are involved in real, current research that will prepare them for higher education. 

32  

4A03 – A comparative study of on‐site vs remote astronomy teaching Ulrich Kolb1, Marcus Brodeur1, Paul Roche2, Nicholas Braithwaite1 and Shailey Minocha1 1The Open University, UK, 2Cardiff University, UK  We report on a small‐scale educational study of foundation and first‐year astronomy students of the University of South Wales who conducted introductory projects in observational astronomy. The students experienced observational work in a dome during a field trip to an observatory as well as working on the same project in an office by accessing a robotic telescope. We studied the student perceptions of the advantages and disadvantages of remote laboratories by staged surveys, non‐participant observation and group interview sessions.  

4A04 – Workshop element  The three UK‐based robotic telescope projects that offer access to research‐grade robotic telescopes for education – the Faulkes Telescope Project (part of the Las Cumbres Observatory), the National Schools Observatory (part of the Liverpool Telescope project) and the OpenScience Observatories – will demonstrate their web portals and give hands‐on access to a sample of their resources. The workshop aims to raise awareness of the versatility of robotic telescopes in supporting the teaching of physics, and to stimulate critical reflection on how existing resources could be developed to become more effective.    

Thursday 14 September, 13.45‐15.15 

Session 5A: SIMULATION AND REPRESENTATION 

Session Chair: Bruce Mason  

5A01 – Simulations in physics to enhance representational learning Sharon Ainsworth1, Caroline Clewley2, Antje Kohnle3, Nigel Langford4, Niels Walet5 and Andrew  Whitworth5 1University of Nottingham, UK, 2Imperial College, UK, 3University of St Andrews, UK,    4University of Strathclyde, UK, 5University of Manchester, UK  Introduction and Theory  Expert physicists use representations such as equations, graphs and pictures to reason about phenomena, imagine new situations, test ideas and explain their findings. They know how representations work, how they relate to one another and how to select an appropriate representation for the task at hand. This knowledge is known as “representational competence” and whilst it is crucial, unfortunately abundant research shows that it is very difficult for University student of all levels to acquire.  One particularly promising approach is the use of interactive computer simulations, powerful technological tools that have been demonstrated to be effective in helping students learn a wide range of physics topics. Such technological tools provide multiple representations of a system or process that students can interact with at their own pace using individual learning paths. Students can make predictions, explore hypotheses, solve problems and see the results of their decisions immediately without needing complex equipment or long periods of time. According to a survey carried out by us, the majority of UK physics departments use interactive simulations in their degrees. Recent meta analyses and reviews suggest that simply providing simulations is not enough. Simulations must be high quality and pedagogically rich: they must include sufficient interactivity so that students make changes with direct feedback, provide rich and dynamic visual representations 

33  

and reduce cognitive load.   Concept and Implementation  We study a single simulation from the QuVis project. We give students a choice of two sets of guided questions for the simulation. The first one asks the students to answer a number of questions that can be answered from the simulations. The second one also asks students to make sketches for their answers, which is based on the idea that the use of multiple representation can enhance learning.   Objectives and Assessment  The objectives are:  1. to gain insight into student difficulties with the representations in the physics simulations  2. to design research‐based activities for interactive simulations for the learning and teaching of representational competence, and to assess their efficacy in multiple institutions to establish that these activities are effective for all learners;  We study students at two institutions by means of pre and post‐tests, which proved inconclusive. Of much more interest are a detailed set of one‐hour interviews and observations of 15 students. We shall discuss barriers to sketching, different styles of dealing with simulations, and the substantial leaps of abstraction some students make using a simulation.  We will conclude that we need a variety of instruments to measure the effectiveness of sketching activities in simulations. We shall also show how varied the approaches of students are, and will draw conclusions how to support a wide variety of learners towards representational competence.  

5A02 – Characterising representational competence: an example combining a simulation and tutorial on time‐independent perturbation theory Antje Kohnle1 and Gina Passante2  1School of Physics and Astronomy University of St Andrews, UK, 2California State University Fullerton, USA  Interactive computer simulations are powerful tools that have been shown to be effective in helping students learn a wide range of physics topics. They typically include rich static or dynamic visualizations and make use of multiple representations such as text, graphics, pictures and mathematics. The interactive elements can help students make sense of the representations shown and explore the relationships between them and thus support representational learning. However, studies show student difficulties with individual representations and translations between them when working with interactive simulations [1]. Thus, there is a need to assess which types of scaffolding around interactive simulations support representational learning and to characterize students’ representational abilities.   We describe work to characterize students’ spontaneous use of representations before and after working with a combined simulation and tutorial on first‐order energy corrections in the context of quantum‐mechanical time‐independent perturbation theory. The activity asks students to construct representations they will be seeing in the simulation prior to using the simulation to work on further problems. The simulation was developed as part of the QuVis Quantum Mechanics Visualization Project [2]. We collected data from two institutions using pre‐, mid‐ and post‐tests to assess short‐ and long‐term gains. We adapted the representational competence level framework from Kozma and Russell [3] to devise descriptors for the different levels for our assessment items.   We found that the combined simulation and tutorial led to an increase in the number of representations used and the consistency between them in students’ responses to the assessment items. The distribution of representational competence levels suggests a shift towards semantic use of representations based on their underlying meaning. In terms of activity design around interactive 

34  

simulations, this study indicates the need to support students in making sense of the representations shown in a simulation and in learning to choose the most appropriate representation for a given task. In terms of characterizing representational abilities, this study illustrates the need to consider how representations are used and not just their number, and the usefulness of a framework focusing on perceptual, syntactic and semantic use of representations.   References [1] V. López & R. Pintó, Identifying secondary‐school students’ difficulties when reading visual representations displayed in physics simulations, Int J Sci Educ. 2017  [2] https://www.st‐andrews.ac.uk/physics/quvis  [3] R. Kozma & J. Russell, 2005. Students becoming chemists: Developing representational competence. In Visualization in science education (pp. 121‐145). Springer Netherlands.  

5A03 – Dipole Radiation – Multiple Visual Representations to Assist Learning Raimund Girwidz and Bianca Watzka Ludwig‐Maximilians‐Universität München, Germany  Introduction and Theory  The Hertzian Dipole is a standard topic for lectures in physics. It points to the fundamental mechanism that is responsible for electromagnetic radiation and waves. Understanding the Hertzian Dipole is the first step toward understanding half‐wave antennas and other types.  Deriving the equations for the electric and magnetic fields is difficult. Moreover, it is not easy to discuss the spatial and time‐dependent behaviour, that way. Thus, visualizing the time‐dependent electric and magnetic fields which are created by a radiating dipole is quite instructive (and impressive). Suitable illustrations and animations showing the development of electromagnetic waves can help for teaching and learning. Images can highlight different features of electromagnetism from what is captured by mathematical equations and can illustrate some of the unique characteristics of fields more clearly. Moreover, the combination of multiple graphical representations can focus on relations between different aspects, e.g. between a field distribution and its corresponding flow of energy. According to Ainsworth (1999) multiple representations can "provide complementary information", "constrain possible (mis)interpretations" that arise from one illustration in the use of another, and help learners to "construct a deeper understanding".   Concept and Implementation  A HTML5‐applet was written specifically to illustrate dipole radiation with illustrations and animations. As it can even be run on smartphones it can be used in lectures as well as for individual studies. Especially the following topics can be discussed:  Radiation pattern and form of the electromagnetic field  Detachment of electric field lines and the formation of closed loops  Field lines of E and H in three dimensional illustrations and animations  Phase relationship between E and H in the "near field" and in the "far field",  Flow of energy, shown by Poynting vectors  Half wave dipole in comparison to a Hertzian dipole  Electric field lines interpreted as contour lines of a potential function.    Objectives and Assessment  The program "DipoleRadiation" is designed to illustrate features that cannot be seen directly, and to help students to get familiar with characteristics of dipole radiation. The content is not easy to understand, even for university students. In a pilot study we interviewed students to find out more about their problems. First guidelines for additional information are used to design adaptable 

35  

worksheets. Some of them will be presented. More studies, also employing an eye‐tracker, will be conducted. This shall also help to develop a concept for teaching about dipole radiation on a basic level, as dipole radiation is even included in the school curriculum of Bavaria.   Literature:  Ainsworth, S. E., (1999). A functional taxonomy of multiple representations. Computers and Education, 33(2/3), 131‐152.  

5A04 – From harmonic oscillation to chaotic motion of a compass Zoltán Csernovszky ELTE University, Budapest, Hungary   Introduction and Theory  The phenomena observed by a pendulum, like harmonic‐, damped‐, forced oscillations and chaotic motion are basic in mechanics. These types of motion are also observable by a compass, choosing analogous gravitational and magnetic fields. The study examines the influences of a uniform‐, a rotating and their superposed magnetic field on a compass. The monitoring of motions is made by Dynamic Solver software. After fixing initial conditions, control parameters and choosing time period, the software resolves the fundamental equation of dynamics of the compass.  The sequence of solutions was analysed by an angle‐rotational speed phase plane, in case of uniform‐ and rotational magnetic fields. Some motion types, their energetical conditions and an analogous description were examined. However, the compass motion in superposed magnetic field case as above, results in such complicated phase plane portraits, that a special projection, called stroboscopic, was used for analysis. Fits to periodic driven, this projection uses only the solutions of the same phase.  Using certain parameter values in a conservative case, the compass follows the oscillation once around a uniform‐, once around a rotating field: the compass motion becomes stochastic. In a dissipative case, the motion can become chaotic. This type of motion is characterized by a phase plane set, called chaotic attractor.   Concept and Implementation  To create magnetic fields Helmholtz‐coils were used. For example, the superposition of magnetic fields of two variable currents, dephasing by a quarter of period, in two perpendicular Helmholtz coils, results a rotating magnetic field. The realization of Helmholtz‐coils was arranged as upper secondary class activity. With our experimental arrangement, only harmonic‐ and damped oscillation cases were examined.  To describe more complex cases we organized a project work for computer. A group of students (17‐19 years old) used Dynamic Solver to monitoring the compass motions by iteration and represent phase‐space trajectories.   Objectives and Assessment  The experimental part of the study was based on the realization of the experiences as class activity. The reactions show that this type of activity doesn’t engage the attraction of an entire class.  As for physics education methodology, the goal was the application of the analogy pendulum‐compass. The tested students describe almost correctly the applied magnetic fields and compass motions. Some of them confessed not to understand the description of pendulum motion, before the courses.  As project work we organized the analysis of chaotic compass motion by a computer. In extra‐hours a group of students created a video using a hundred phase plane representations, to show the control parameters dependence of the chaotic attractor.  

36  

Thursday 14 September, 13.45‐15.15 

Session 5B: STEMLABS AND EXPERIMENTAL SIMULATIONS SYMPOSIUM & WORKSHOP 

Session Chair: Nick Braithwaite  

5B01 – RuSTLe: Rutherford Simulation for Teaching and Learning. An Interactive Educational Simulation of the Rutherford Experiment Cristiano Lino Fontana, Andrea Lanzini, Stefania Lippiello and Sandra Moretto Department of Physics "Galileo Galilei," University of Padova, Italy  Introduction and Theory  Concerning Physics, the reform that reorganized Italian high schools [1] was aimed at two important aspects: on one hand it emphasizes experimental and laboratory activities; on the other hand it extending the syllabus, in order to include the XX century Physics. Laboratory activities should allow the student to discuss and build concepts, design and carry out measurements and observations, and compare experiments to theory. Thanks to this reorganization, teachers should introduce the students to the bases of Quantum Mechanics and Einstein’s relativity. Moreover, at the end of the year the syllabus foresees Nuclear Physics and the relationship between science and technology. Our educational project is shaped according to the reform themes: introduce Nuclear Physics to the students with laboratory activities.   Concept and Implementation  We developed a learning activity that can integrate the followings: experimental skills, modelling and development of the theory. We propose investigations both with simulations and with experimental measurements. In particular the project aims to introduce a Nuclear Physics experiment (the Rutherford’s gold foil experiment), emphasizing the role and limits of models in physics. The learning path foresees the following scheme: introduction to the problem, simulation, experiment, data analysis, model verification. It is divided in the following sections: the students interact with a web‐based 2D simulation [2] of several spheres hitting objects with different shapes; they compute through the simulation the angular distribution of the scattered spheres; they reproduce in the lab the experiment with marbles hitting hidden obstacles of different shapes; they video record the experience; using Tracker [3] they calculate the same angular distribution of the filmed marbles; finally they compare the theoretical results with the physical experiment.   Objectives and Assessment  This project builds the opportunity to explore both phenomenology and theory. We want to stress the importance of modelization of physical experiments and, at the same time, compare the model with real data. In regards to other Rutherford inspired activities [4] we want to focus on the concept of indirectly probing something that cannot be directly seen. Moreover, this approach emphasizes the study of the angular distribution of scattered particles that is the common methodology applied in Nuclear Physics experiments. The simulation, being web‐based, is very accessible and can be used by the students on a wide range of devices. Furthermore, the simulation helps to visualize the model and allows to reason on the limits of modelling physical processes.   References  [1] Decreto interministeriale MIUR‐MEF, 7 ottobre 2010, n. 211.  [2] Box2D.js, https://github.com/kripken/box2d.js/   [3] http://physlets.org/tracker/   

37  

[4] QuarkNet: Rolling with Rutherford https://quarknet.i2u2.org/data‐portfolio/activity/rolling‐rutherford   

5B02 – RuSTLe: Rutherford Simulation for Teaching and Learning. A Workshop Discovering the Rutherford’s Atomic Model Cristiano Lino Fontana, Andrea Lanzini, Stefania Lippiello, Sandra Moretto  Department of Physics and Astronomy “Galileo Galilei,” University of Padova, Italy  Introduction and Theory The workshop will introduce a possible teaching approach following the scientific method commonly used in Nuclear Physics. We will employ the tools developed for the RuSTLe framework. During the workshop the Thomson model of the atom [1] will be briefly introduced and discussed. The model constitutes the starting point of the experience, as it will be simulated and it will be compared with the experiment data. The discussion will lead to the model’s limits and thus the necessity of the Rutherford model [2].  Concept and Implementation The workshop will start with a description and on‐line demonstration of the capabilities of the tools developed for RuSTLe. The first step will be launch the simulation of the Rutherford’s gold foil experiment, according to the Thomson model. In the meanwhile we will setup the experiment using simple, low‐cost materials suitable for a classroom environment. We will carry on the experiment together and utilize Tracker [3] to perform some demo of the data acquisition and analysis. The Tracker data files will then be analyzed with one of the developed tools, finding out that the results contradict the Thomson model. At this point we will introduce the Rutherford model to explain the inconsistencies. We will then turn back to the simulation applying the new model and collecting new theoretical data. Finally the experimental and simulated data will be quantitatively compared. Objectives and Assessment The workshop’s aim is to present one of the possible approaches for the employment of RuSTLe in a real classroom environment. The RuSTLe framework was developed to hide all the technicalities of the data analysis and of programming languages, in order to focus on the fundamental concepts. Moreover, we would like to introduce the methods followed by nuclear physicists in their research.  References [1] J.J. Thomson, Philosophical Magazine Vol. 7, Iss. 39 (1904) “XXIV. On the structure of the atom: an investigation of the stability and periods of oscillation of a number of corpuscles arranged at equal intervals around the circumference of a circle; with application of the results to the theory of atomic structure” – DOI:10.1080/14786440409463107 [2] E. Rutherford, Philosophical Magazine Vol. 21, Iss. 125 (1911) “LXXIX. The scattering of α and β particles by matter and the structure of the atom” – DOI:10.1080/14786440508637080 [3] http://physlets.org/tracker/  

 

   

38  

Thursday 14 September, 16.00‐18.00 

Session 6A: IT AND ARDUINO PROJECTS 

Session Chair: Raimund Girwidz  

6A01 – Robotics and measuring devices based on Arduino applications Maria Pető Székely Mikó High School, Romania    Introduction and Theory  What can we do when our students are not interested in the topic, they do not involve in the lesson? The Arduino board based on ATMEGA chipset or similar devices with a few sensors or robotics can be the solution. I would like to present some devices based on Arduino applications used by me during physics lessons and Science Club activity. The students designed and built a meteorological station, measuring pressure, temperature, air pollution, the UV radiation index and relative humidity. The data are collected and analyzed by the students during the geography, chemistry or physics classes.   Concept and Implementation  Arduino is an open‐source electronics platform based on easy‐to‐use hardware and software, usable for interactive school projects. We mostly use Arduino Uno board, which is a microcontroller based on the ATmega328 processor. Arduino boards are able to read inputs – from different sensors, messages ‐ and turn them into an output ‐ activating a motor, turning on a LED, send textual information about something. A set of instructions programmed through the Arduino Software (IDE) makes the microcontroller work. The board has a few communicating facilities with a computer, a second Arduino or microcontroller. The software for the Arduino includes a serial monitor, which helps us send data and simple texts from the sensor to the Arduino and computer. For our measuring devices, we use the Arduino environment with wiring library, based on C/C++ language. The students wrote a proper program to run all the data collecting process. With this program, we could activate the primary sensors and send the gathered data to the computer.  Using Arduino microcontroller my students designed: paper piano to play music, obstacle avoiding and line follower robot, printer robot and a local meteorological station for the physics lab.   Objectives and Assessment  To design an Arduino based measuring device or a robot for a specific task is very challenging and fascinating learning process for the students. During this creative process and work, they understand more deeply the internal connection between the theory taught at physics and IT classes and those practical, technical applications. These hands‐on activities help the students to improve their skills in the field of problem‐solving, team, project and time management and also they learn a lot of physics (mechanics, atmospheric physics, thermodynamics, electronics, electricity), IT, mathematics and programming. The students involved in robot building prepare presentations and group activities to present their results and to awaken the younger students’ interest and curiosity toward robot construction and engineering, technical tasks.   

   

39  

6A02 – Physics – IT based international students exchange program Sándor Gergely Pesthy1 and Mihály Hömöstrei1,2 1ELTE University Budapest, Hungary, 2German Nationality High School, Budapest  Introduction and Theory  In 2017 for the second time we have organized and carried through an international high school students exchange program based on Physics and IT. Our program’s elemental goal is that German and Hungarian students building their first Arduino controlled Robot–Car together. For this we have created a new and inspiring environment for kids to learn applicable knowledge and physical backgrounds of the modern technologies.   Concept and Implementation  At the beginning at the end of the school year German and Hungarian students are visiting each other for a week with a common purpose. In three workdays they are working in 15 pairs to getting closer to build a car with using sensors. To be able to build their car they have to understand step‐by‐step the basic physics of the used electronic elements and they have to learn the basics of the programing.   Objectives and Assessment  Our objective is to increase the knowledge of the students in the relevant themes. During the project we have used different methods and we have measured theirs effectiveness by pre‐post‐follow up testing. Because the differences of the education systems of the two countries our research has shown different but in both cases positive development of the students.  

6A03 – Low‐cost open‐source Arduino technology for Do‐It‐Yourself labs Frederic Bouquet1, Julien Bobroff1, Magali Fuchs‐Gallezot1, Claire Marrache1, Fabrice Bert1, Catherine Even1, Miguel Monteverde1, Anniina Salonen1, Charis Quay1, Meydi Ferrier1, Kensuke Kobayashi2 and Motoaki Bamba2 1Universite Paris Sud/CNRS, France, 2Osaka University, Japan  Introduction Physics is an experimental science, but teaching experimental physics can be a challenge: labs are often seen by students as pure illustration of a theory, and can be presented as a series of steps to be mandatory performed in a certain order to reach the “good” conclusion. Project‐Based Learning (PBL), on the other hand, is known to engage students and promote qualities that are essential for experimental physics: creativity, autonomy, initiative… Using PBL to introduce students to experimental physics is hardly a new idea, but the problem of the cost and the variety that is needed for the measurement devices is a real drag for this approach.   Concept and Implementation  Low‐cost open‐source Arduino family opens new possibilities for PBL students’ labs: they are easy to use, benefit from a large user community used to sharing and helping, and are compatible with various sensors and actuators, opening the road to physics quantities measurements. We have implemented and tested new types of labs using Arduino for undergraduate physics students. The students first discover the Arduino board in a learning‐by‐doing approach, and then build an experimental setup of their own choosing and perform a physics study. Students are encouraged to test whatever idea they want to pursue, provided it is not dangerous, and that some physics is involved; the diversity of the student projects shows the versatility of Arduino as a measurement tool. This implementation was assessed and results showed that Arduino environment can indeed be used in PBL at university level to engage students and let them discover experimental physics. This class is easy to duplicate: after being developed in France, it was also adapted into a Japanese course 

40  

with similar success, even though the context was vastly different.  To encourage and help other universities to consider a similar approach, we are currently developing new multimedia free‐to‐use materials: illustrated documentations, new tools to present a students’ lab report, online‐depository system to exchanging ideas and projects… We are also implementing workshop sessions for teachers and colleagues.   Objectives and Assessment  Our objective is to rethink the classical university students’ lab. We want students to discover experimental physics and all the qualities needed to perform a scientific study: experimental autonomy, perseverance, ability to solve problems when they arise, teamwork, data analysis. To assess our classes, we used surveys testing the students’ appreciation of the course, both in France and in Japan.   

Thursday 14 September, 16.00‐18.00 

Session 6B: STEMLABS AND EXPERIMENTAL SIMULATIONS SYMPOSIUM & WORKSHOP 

Session Chair: Nick Braithwaite  

6B01 – OpenSTEM Labs Nick Braithwaite  The Open University, UK  How do Open University students work at a distance with sophisticated, remote controlled experiments and robotic apparatus? How do we create an "Internet of Laboratory Things" that can be accessed 24/7 wherever you are located? How does the Open University locate its labs in cyberspace?  The award winning OpenSTEM Labs project enables learners to connect online to technical equipment such as microscopes, robots and robotic rovers, telescopes, lab‐bench experiments and analytical instruments. What this means for students is that they can study practical STEM subjects at virtually anytime from anywhere with an internet connection. This enables students who never visit the campus to access a engage in practical studies that bend real and virtual space in a supportive learning environments that emulates and exceeds the affordances of a traditional teaching laboratory.  The OpenSTEM Labs builds on the success of the OpenScience Lab through the creation of The OpenEngineering Lab (real time access to electronics apparatus and collaborative robots), The OpenScience Observatories (remote access telescopes at the Observatorio del Teide, a radio telescope in Milton Keynes), OpenScience OnCampus Labs (physical lab space in Milton Keynes for face‐to‐face teaching, participation by remote students).  The facilities are available to students studying Open University modules and may be available by subscription to other HEIs. Several thousand hours of use have already been logged, with new and existing courses across the curriculum, particularly in electronics and space science, now starting to utilise the OpenSTEM Labs.  

41  

6B02 – The Go‐Lab ecosystem Anjo Anjewierden Department of Instructional Technology, University of Twente, Netherlands.  Go‐Lab is initially intended for pre‐service and in‐service teachers in primary and secondary education and offers an innovative inquiry learning environment to support classroom activities with students from 6 to 18 years old.  With Go‐Lab, students can gain hands‐on experience with doing science and acquire 21st century skills.  A typical inquiry learning space includes generic tools (e.g. concept mapper, hypothesis creation, experiment design, quiz, questionnaire) as well as online labs on a wide variety of STEM topics (physics, chemistry, mathematics, etc.).  We provide an overview of what is currently available in the Go‐Lab ecosystem and show some learning environments that have been created by teachers and researchers.  Links www.golabz.eu: Go‐Lab portal of tools and virtual labs http://graasp.eu/: Authoring and sharing platform for inquiry learning spaces.   

Friday 15 September, 09.15‐10.15 

Session 7A: GAME BASED LEARNING 

Session Chair: Ton Ellermeijer  

7A01 – From Newton to Quantum Mechanics ‐ Learning Physics Through Games Mads Kock Pedersen, Louise Kindt and Jacob Sherson Aarhus University, Denmark  Games have permeated into many aspects of our culture and daily life. What games do really well is to create an environment in which you can feel free to fail in a safe and fun fashion, and thus learn from your experiences. This essential feature has led to games gathering an increased presence within the field of education. An example of a game not originally made for teaching, is the citizen science game Quantum Moves. This game tasks players with the challenge of controlling a potential landscape in order to manipulate an atom. The game has been used in interventions at high schools and universities as an introduction to time dependent quantum systems, which is a complex and abstract concept that challenges most students. However, a lot of the physics concepts encountered in Quantum Moves can also be understood in terms of how a classical object’s movement can be described by the potential and kinetic energy.   We aim to develop a game‐based learning‐sequence that can introduce a student with a minimum set of prerequisites within physics and enable them to understand some of the basic principles of classical and quantum physics. Thus, in order to make an intermediate step between everyday physics and Quantum Moves, we have developed Potential Penguin ‐ a game in which students are introduced to potential and kinetic energy. The game consists of a penguin sliding in a frictionless topographical landscape of ice hills and valleys. The player can manipulate the height of a hill as the penguin is sliding towards a finish line. If the penguin is on the hill when the height is changed, then the potential energy changes as well. As the penguin slides downhill the potential energy is converted into kinetic energy, i.e. it gains speed. The same mechanic applies in reverse when the penguin slides uphill, losing speed. Thus, the students obtain absolute control of the penguin’s 

42  

movements by manipulating the height of the hill in the right way. Understanding these concepts translates into the basic interface in Quantum Moves. Thus, the transition into Quantum Moves will be more likely to stay within the student's zone of proximal development. In order to offer the advanced students a seamless transition to university curriculum we are developing a Simulation Tool, which enables students to work with the quantum systems in detail, without the need for technical know‐how. They are able to write the analytical expression for any desired potential into the simulation and determine the linear combination of eigenstates that composes the initial state for the atom. Basically, the users are given all the tools required to design their own Quantum Moves level. Furthermore, Simulation Tool, also allows for a more systematic search for solution to a given problem. Users can either play their designed level the same way they would in Quantum Moves, or try to write down the formulas that could solve the problem, and experiment with the parameters.   

7A02 – Open‐ended learning experiences with Citizen Science Louise Kindt, Mads Kock Pedersen and Jacob Sherson Aarhus University, Denmark   Kids are born as researchers, with a natural curiosity and a large desire to explore and investigate the world. However, as they grow up pressure from society to fit in narrows down their approach of conduct into a mindset of limited exploration. As a scientist, you cannot only rely on a predefined set of methods, sometimes you need to think outside of the box.  A way to succumb this is to invite the general public into the world of science through a citizen science game. A game where state‐of‐the‐art research questions is presented, but where the mindset of limited exploration is removed. In a game people have a safe environment to try new ways of conduct and fail if needed.  To make the scientific challenges more accessible we are at ScienceAtHome producing citizen science games that enables people to rediscover the explorative mindset.   We aim to design game‐based learning that should be available for the traditional educational system in primary school, high school, and university settings. One of the biggest challenges is to on‐board people into such games, and to a degree that they are able to contribute. In order to do so, we are designing a series of differentiated learning paths that nudge the students towards an open‐ended learning experience. The paths consists of individual modules that concretizes otherwise abstract problems in a step‐by‐step fashion. This provide a scaffolding that guides the students’ interactions within the project in a fun, motivating, and interactive way. Each module will consists of games that provide the students with multiple presentations of the core curriculum, but there is no presentation of methodology. It is left to the student and teacher to investigate and explain the phenomenon shown. This is the open‐ended learning idea that will contribute to the development of the students’ competence, knowledge and skills on all levels.   We wish to take the student into a situation where they can actually produce real value, within the field of quantum physics. Many question within quantum physics demands enormous computational power. A power not yet obtainable. But the intuition of the human mind is still stronger than the best computers of the world and this strength we tap into with our games. We start in the student core curriculum of energy, wave mechanics, and atomic physics. We then expand the subjects stepwise into the field of quantum physics. We constantly make sure that the students continue to develop their exploration skills. This secures that when arriving at the quantum game, all skills needed for solving the quantum question have been obtained.   At our poster we will present our learning path showing in larger detail how each module works individually and in context with other modules.  

43  

7A03 – Game Development for Teaching Physics Gerd Kortemeyer Michigan State University, USA  The talk describes two first‐person computer games developed to teach physics. The game "A Slower Speed of Light" was designed to teach the effects of Special Relativity in an environment where the speed of light can gradually be decreased. The game "Kirchhoff's Revenge" is being developed to teach DC, RC, RL, and RLC circuits. The talk includes a short demo of both freely available games, discusses in‐class and informal teaching scenarios, and describes possible research avenues (for example the analysis of YouTube gameplay videos). The talk ends with an outline of future plans, e.g., the adaptation of "A Slower Speed of Light" into a planetarium show and the proposed extension of "Kirchhoff's Revenge" into a multi‐player collaborative game.   

Friday 15 September, 10.15‐11.15 

Session 8A: SMART PHONES AND MOBILE TECH 

Session Chair: Ton Ellermeijer  

8A01 – App in Sound Measurements to gain a school‐work experience Daniele Buongiorno1, Antonella Longo2, Marisa Michelini1, Domenica Ricci3, Lorenzo Santi1 and Stefano Pagotto3 1Research Unit in Physics Education, University of Udine, Italy, 2University of Salento, Italy, 3Liceo Scientifico Flaminio Vittorio Veneto, Italy   To gain autonomy in studies and work competences, the Italian Ministry of Education introduced a mandatory school‐work integration in upper secondary school curriculum (art.1 ‐ DLgs 77/05). University is one of the possible work area for that students and a lot of different proposals and experience start. Udine University and Flaminio Liceum of Vittorio Veneto, in cooperation with Salento University in Italy planned to focus on innovation in using ICT for that scope. The phases of the project are the following: choice of a topic (sound), exploration of some suggested apps for sound measurements, writing of technical cards on apps by students and relative discussion, the use of city sound scape app to monitor landscape from city center to natural reserve. During the activities problems and learning needs of students are monitored to find out the autonomy strategies, putting particular attention to the stimuli and motivational role of the app use for measurements in developing study and work competences.  

8A02 – Real‐Life Physics: Phonocardiography, Electrocardiography, and Audiometry with a Smartphone Lars‐Jochen Thoms, Giuseppe Colicchia and Raimund Girwidz LMU Munich, Germany  Introduction and Theory Student engagement in learning processes plays a crucial role in facilitating intellectual development. Especially in high schools, educators should choose teaching strategies that foster student engagement. Herrington and Oliver (2000) reviewed literature on situated learning and identified nine basic elements that led to the nine steps of the Instructional Design Framework for Authentic Learning Environments. The first two steps refer to authentic contexts and authentic 

44  

activities. Situated learning should make use of authentic contexts by means of anchored instruction in a way that emphasizes the application of the knowledge to be acquired in everyday life. Furthermore, situated learning should allow for conducting of authentic activities relevant to everyday life. Recent approaches use authentic objects as learning anchors and starting points of learning paths. Much attention is given to the use of smartphones and tablets in physics education as supplements—or even as substitutes—for conventional experimental materials. On occasion, the possibility is shown that learners can carry out their own measurements of authentic physical data with their smartphone or tablet.   Concept and Implementation To foster student motivation and engagement, we combined authentic contexts, procedures, and materials by assessing biomedical physics topics with a smartphone. Selected experiments, with simple aids, allow the examination of a student's heartbeat in various ways: e.g., electrocardiography and phonocardiography (Thoms, Colicchia & Girwidz, 2017). In addition, students can test their frequency‐dependent hearing threshold. These contexts lead to understanding of various physics concepts in a meaningful way. Furthermore, these experiments allow for discovery‐based and inquiry‐based learning. Students are able to experience and learn experimental techniques and inquiry strategies in a self‐responsible and multidisciplinary way. Since these experiments are conducted with everyday materials and may easily be replicated at home, students can also conduct inquiry‐based experiments at their own liberty.  Objectives and Assessment In the presentation, various medico‐physical experiments will be shown. First experiences we had with students conducting the experiments will be discussed.  References Herrington, J., & Oliver, R. (2000). An instructional design framework for authentic learning environments. Educational Technology Research and Development, 48(3), 23–48. https://doi.org/10.1007/BF02319856   Thoms, L.‐J., Colicchia, G., & Girwidz, R. (2017). Phonocardiography with a smartphone. Physics Education, 52(2), 23004. https://doi.org/10.1088/1361‐6552/aa51ec   

8A03 – STEM laboratory in students’ pocket: a case history Susanna Bertelli1, Rossana Centioni2, Francesco Scerbo3 1University of Ferrara, Italy, 2INFN ‐ National Institute for Nuclear Physics – Frascati, Italy,  3Liceo Scientifico "L. Siciliani" ‐ Catanzaro – Italy   Within the teaching of physics in high school, too often Italian teachers' efforts in engaging students face state of art equipment lacking and/or equipment unavailability. On the other hand every student brings in her/his pocket during lessons a “state of art” smartphone. Thanks to cpu capabilities, on board sensors richness and free on line app availability, smartphones have been proved a very powerful tool for physics and sciences experimental educational activities. An extra activity has been performed with the active participation of students from a 5th grade Italian scientific high school classroom. Students have been invited to collect information for both sensors equipment of their smartphones and apps targeting measurements of specific physics and sciences quantities. A number of no cost and easy to carry out STEM experimental activities have been selected and performed by students using their smartphones as tools for both quantitative measurements and qualitative observations. The final teaching and learning tool includes experiments spanning from classical physics, to introductory quantum theory, to optical properties 

45  

of matter, to chemistry, some of which were developed in collaboration with INFN – Frascati Labs researchers. This work presents the project development.    

Friday 15 September, 11.15‐11.45 

Session: POSTER PRESENTATIONS  

Is the water still hot in this mug? Daniel Dziob Jagiellonian University, Institute of Physics, Poland  Introduction and Theory  Tea becomes cold in a few hours. It is nothing new. Also everybody knew, that in order to have tea warmer longer, we can choose mug from different material. However, only slight part of society know, that the difference is coming from different thermal conductivity.   Concept and Implementation  Implementation based on students’ activity with computer‐controlled measurements of the temperature of the cooling water. During the experiments different mugs were used and for all examined materials the thermal conductivity were calculated.   Objectives and Assessment  The aim of the implementations was to familiarize students with the Newton’s law of cooling, thermal properties of materials, as well as to stimulate them to find proper set and conditions for the experiments. All together (theoretical background, research design, results and conclusions) students have to present in the form of a scientific report, which was assessed by the teacher.   

Openly licensed, peer‐reviewed textbooks  Dani Nicholson1, Beck Pitt2 and Daniel Williamson1  1OpenStax, USA, 2The Open University, UK  There are many well‐trodden challenges facing ‘STEM’ education such as how to engage students in the prospect of studying these subjects, and supporting the transitions to university for those who do. With the mounting student debt crisis in the UK, applicants are likely to more closely consider the cost of their study choices. STEM subjects including chemistry are also vulnerable from a university financial perspective as they are expensive to run and resource. One approach that can offer better value for students and wider flexibility for instructors is the better utilisation of open educational resources (OER) in the form of open textbooks.  In North America, use of openly licensed textbooks that are free to download or available in low‐cost print versions has grown tremendously and has had great impact on reducing education costs. Through providers such as OpenStax.org, students can access 28 titles ‐ including chemistry and physics ‐ that are peer‐reviewed, openly licensed, and form comprehensive digital texts in multiple formats. The books cover basic levels typically taught at foundation or early years of university study. These texts include integrated digital resources, such as videos and simulations, and their open license allows instructors to use and modify the content to fit the needs of their course.  This poster presentation will illustrate how an openly licensed textbook can meet the myriad needs of teachers and students in a variety of courses. It will provide information about a new Hewlett 

46  

Foundation funded UK open textbook project (UKOpenTextbooks.org) involving UK HEI’s The Open University (UK), University of the West of England (UWE) working in collaboration with WonkHE, OpenStax and Open Textbook Library. Through this work we hope to reduce study costs for students and encourage teachers and instructors to explore open pedagogies that can facilitate inclusive and more equitable study opportunities.   

POSTER DISPLAYS   

SEeDS1 in science learning: a tale of States of Matter  Popi Anastasiou The Open University, UK  Introduction and Theory  Digital storytelling as an aiding tool in the classroom has gained lot of attention in the past decade, because it can generate children’s interest, attention and motivation and keep them engaged in the learning process (Robin, 2008, 2006). Researchers argue that, children can use digital storytelling to develop their cognitive skills, such as thinking, explaining, making‐sense, understanding (Robin, 2008, 2006; Chen et al., 2003), and to improve their competence in collaboration, communication and creativity (Σεραφείμ και Φεσάκης, 2005). Although digital storytelling spans the curriculum (Frazel, 2010), it is most commonly used in subjects such as literacy or history, whereas it rarely appears in STEM subjects. STEM concepts are often described as ‘troublesome knowledge (Perkins, 1999) because they are considered conceptually difficult, ‘alien’ or even “intellectually absurd at face value” (Land and Meyer, 2006, p. 4). Troublesome knowledge presents a barrier to pupils’ understanding of core concepts or Threshold Concepts (Meyer and Land 2006; 2003). Threshold concepts are comprehended only when learners manage to overcome and understand ‘troublesome knowledge’. This study aims to use digital storytelling to facilitate elementary children’s understanding of the Tricky Topic of States of Matter in science. Tricky Topics are topics that students struggle to understand. They are a practical application of Threshold Concepts.   Concept and Implementation  Based on the exploratory nature of the inquiry and the requirements of the research questions, that are practice‐based to inform teachers, this study employed a mixed‐methods approach. A sample of 64 elementary children, aged 10‐12 years old (Grade 5 and Grade 6), were selected from a Greek elementary school in the suburbs of Athens, Greece. Children were divided in one experimental and control group. Children in both groups worked together in small teams of 3‐4s to create a digital story on an iPad. A short‐in‐length digital story was prepared by the researcher on the topic of States of Matter in science. Putting together animated videos that were available online, the researcher prepared a digital story that did not have any audio‐narration or text‐bubbles. For the Experimental group, the story was broken down into 15 short clips of about 10‐20seconds each, which were presented to children in a random order (SEeDS). Children had to put them in the right – according to them – order, invent the plot of the story and narrate it. The sequence of events was evaluated regarding the Stumbling Blocks of the specific Tricky Topic. For the Control group, the same story, but in a sequenced order, was presented to children, who had to also invent the plot and narrate it.        

47  

Objectives and Assessment  The purpose of this study is to explore how the use of SEeDS approach in science learning can facilitate pupils’ understanding of the topic of States of Matter, and thus impact upon teaching practice. More specifically, the driving research questions are:  1) What role does the storytelling process play in facilitating pupils understanding of a specific science topic?  

2) What role do digital tools play in engaging pupils in the storytelling process?   To evaluate the role of the SEeDS approach, pre‐ and post‐ intervention quizzes were given to all 

pupils to test whether there had been an improvement in their understanding of the states of 

matter. Using SPSS to analyse the quizzes’ results showed that SEeDS made a difference (p<.001) in 

facilitating their understanding. Further qualitative analysis of children’s stories and of their talking 

during the storytelling process helped triangulate data and strengthen its validity. 

 

1 SEeDS = Sequencing of Events enabling Digital Storytelling 

 

Automated marking of free‐text responses for concept inventories in physics Mark Parker1, Christine Leach1, David Sands2, Ross Galloway3, Holly Hedgeland1, Nicholas Braithwaite1 and Sally Jordan1 1The Open University, 2The University of Hull, 3The University of Edinburgh  The Force Concept Inventory (FCI) [1] was constructed due to the lack of conceptual understanding of Newtonian mechanics found among students in physics classes worldwide. The conventional FCI probes for conceptual understanding using a multiple‐choice format, with one correct answer to each question and four incorrect distractor options. The distractor options are designed to correspond to common student misconceptions. It is impossible to come up with options that cover all possible student thought processes. Additionally, there have been concerns that the distractor options themselves are not effective enough [2].   In order to better understand the thought processes and conceptual understanding of students taking the FCI, it would be appropriate to give students the chance to construct their own responses to the questions. This is possible through the pattern‐match question type available in the Moodle quiz engine. In order for this approach to be effective, sets of automated marking rules need to be prepared, and these in turn require student answers to the questions for training the algorithms.   The poster describes and explains the re‐casting of the multiple‐choice FCI into a new online format using different question types using free‐text responses.   References [1] Hestenes, D., Wells, M., Swackhamer, G. (1992) ‘Force concept inventory’, The Physics Teacher, vol. 30, pp. 141‐158.  [2] Rebello, N. S., Zollman, D. A. (2004) ‘The effect of distracters on student performance on the force concept inventory’, American Journal of Physics, vol. 72, pp. 116‐125.      

48  

Friday 15 September, 11.45‐12.45 

Plenary D: ASTRONOMICALLY BIG DATA, CITIZEN SCIENCE AND  

BEYOND 

Session Chair:  Bob Lambourne 

 

Dr Karen Masters 

Reader in Astronomy and Astrophysics, Institute of Cosmology and Gravitation 

University of Portsmouth, UK  

Biography Dr. Karen Masters (@KarenLMasters) is a Reader in Astronomy and Astrophysics at the Institute of Cosmology and Gravitation, University of Portsmouth. Her research interests are in the area of extragalactic astronomy typically using data from large surveys. She is the Spokesperson for the Sloan Digital Sky Survey (SDSS‐IV; @sdssurveys), a job which involves maintaining the scientific collaboration, working on press releases and co‐ordinating the SDSS Data Release paper among other things. Karen regularly observes with the Green Bank Telescope at 21cm to measure the neutral hydrogen content of galaxies in the SDSS‐IV MaNGA (Mapping Nearby Galaxies at APO; @MaNGAsurvey) survey sample. She is also the Project Scientist for Galaxy Zoo (@galaxyzoo) and often uses information on galaxy shapes and types collected from this citizen science project in her research.  

Abstract The use of hands on exercises making use of online open data resources (e.g. the Sloan Digital Sky Survey data sets) will be discussed, along with how citizen science can be used in teaching (from engaging students in ongoing projects to setting up small projects to support a class). If time allows I'll demonstrate how quickly a simple citizen science project can be set up and/or demonstrate the use of the SciServer environment to make a colour‐luminosity diagram from real data. 

   

49  

   

50  

Notes   

51  

Notes   

52  

Notes   

53  

Notes   

54  

Notes   

55  

Notes   

56  

Campus map