The Levels of Inquiry Model of Science Teaching (Shaded sections added January 2012; refer to Wenning (2010) for explications of real-world applications component of the Inquiry Spectrum.)

Carl J. Wenning, Ed.D., Department of Physics, Illinois State University, Normal, Illinois, USA, email : wenning@phy.ilstu.eduThe Levels of Inquiry Model of Science Teaching is reviewed and explicated. The Model’s levels – discovery learning, interactive demonstrations, inquiry lessons, inquiry labs, and hypothetical inquiry – are integrated with a new 5-stage learning cycle to produce a refined model for science teaching. By systematically addressing levels of inquiry with the use of the associated learning cycle, students develop a wider range of intellectual and scientific process skills. Syntaxes are presented to explain how best to implement learning sequences that promise to lead to a more comprehensive form of scientific literacy. An example of a learning sequence that incorporates the new learning cycle is provided.Models of Science TeachingModels of teaching provide a basis upon which coherent instructional practices can be based. Instructional models help practitioners understand the importance of and relationships between various activities associated with teaching. Instructional models also provide the framework for interactions between teacher and students. For instance, in a teacher-centered instructional model the focus is placed more on the teacher transmitting information, whereas in a student-centered instructional model the focus is placed more on students constructing knowledge from experiences. The goal of an instructional model is to help students learn. Any such model should be based upon supportable theories of learning. While more than 20 models of teaching were described by Joyce & Weil (1986), a small subset of these models seem most suitable to science instruction. Among these are constructivist, sociocultural, inquiry, and direct/interactive models. These models stem from ideasproffered by educational theorists such as Dewey, Brunner, Piaget, Vygotsky, and others. Based upon the works of these theorists, as well as on the efforts of science education researchers, many scienceteachers and science teacher educators today will agree that there are emerging themes that all science teaching models should incorporate. Hassard and Dias (2005) identified five such themes. According to Hassard & Dias, science instruction should be active, experiential, constructivist, address prior knowledge, and include cooperative and collaborative work. Learning sequences based upon theLevels of Inquiry model of science teaching incorporates these themes, and even more.A Levels of Inquiry ReduxEarlier works by Wenning (2005a, 2010) introduced the Levels of Inquiry Model for science teaching and later explicated the associated learning sequences. The author pointed out that by systematically addressing the various Levels of Inquiry – discovery learning, interactive demonstrations, inquiry lessons, inquiry labs, and hypothetical inquiry (collectively known as the inquiry spectrum) – teachers would help students develop a wider range of intellectual and scientific process skills. Now included in the inquiry spectrum is real-world applications with its two variants – solving end-of-chapter textbook problems and solving authentic problems. When the general inquiry spectrum is translated into day-to-day classroom lessons, a learning sequence results. To more fully appreciate what the inquiry spectrum does for both teacher and students, it is imperative to examine the primary pedagogical purposes of each of the levels of scientific inquiry. They are outlined in Table 1.Level of Inquiry Primary Pedagogical PurposeDiscoveryLearningStudents develop concepts on the basis of first-hand experiences (a focus on active engagement to construct knowledge).InteractiveDemonstrationStudents are engaged in explanation and prediction-making that allows teacher to elicit, identify, confront, and resolve alternative conceptions (addressing prior knowledge).InquiryLessonStudents identify scientific principles and/or relationships (cooperative work used to construct more detailed knowledge).

Tingkat Tujuan Kirim Pedagogical PrimerpenemuanbelajarSiswa mengembangkan konsep berdasarkan pengalaman pertama-tangan (fokus pada keterlibatan aktif untuk membangun pengetahuan).interaktifdemonstrasiSiswa terlibat dalam penjelasan dan prediksi keputusan yang memungkinkan guru untuk memperoleh, mengidentifikasi, menghadapi, dan menyelesaikan konsepsi alternatif (pengalamatan pengetahuan sebelumnya).penyelidikanpelajaranSiswa mengidentifikasi prinsip-prinsip ilmiah dan

InquiryLaboratoryStudents establish empirical laws based on measurement of variables (collaborative work used to construct more detailed knowledge).Real-worldApplicationsStudents solve problems related to authentic situations while working individually or in cooperative and collaborative groups using problembased & project-based approaches.HypotheticalInquiryStudents generate explanations for observed phenomena (experience a more realistic form of science).Table 1. Focus of each of the model’s six levels of inquiry.This table is suggestive, not definitive.

/ atau hubungan (kerja koperasi digunakan untuk membangun pengetahuan yang lebih rinci).penyelidikanlaboratoriumSiswa menetapkan hukum empiris berdasarkan pengukuran variabel (kerja kolaboratif digunakan untuk membangun pengetahuan yang lebih rinci).Dunia nyataaplikasiSiswa memecahkan masalah yang berkaitan dengan situasi otentik saat bekerja individu atau dalam kelompok kooperatif dan kolaboratif menggunakan pendekatan problembased & berbasis proyek.hipotesispenyelidikanSiswa menghasilkan penjelasan untuk fenomena yang diamati (mengalami bentuk yang lebih realistis ilmu).Tabel 1. Fokus dari masing-masing enam model tingkat penyelidikan.Tabel ini adalah sugestif, bukan definitif.

The Levels of Inquiry Model of Science Teaching is based in part on John Dewey’s turn-of-the-twentieth-century call for experiential learning. Dewey’s call for the use of experiential learning and inquiry practice was directed toward enhancing the general scientific literacy of school children. He argued that teaching theory should be more closely associated with desired outcomes (1904), and thatthe best way to get students to become more scientifically aware and informed is through the processes of experiential learning – having students learn science by mimicking the work of scientists. Six years later, Dewey (1910, p. 25) noted, “Science teaching has suffered because science has been so frequently presented just as so much ready-made knowledge, so much subject-matter of fact and law, rather than as the effective method of inquiry into any subjectmatter.” Dewey envisioned learning driven by a series of rudimentary learning cycles (modern parlance) in which students would receive an impulse, make an observation, derive a conclusion from that observation, and make a judgment as to its worth. The students would then complete another such cycle of learning triggered by a new impulse. By completing a series of such cycles, students would build up knowledge on the basis of experience. (See Figure 1.)

Figure 1. John Dewey’s 1904 Model of Experiential Learning

While Dewey’s was a thought-provoking idea, it was never widely adopted. From a modern perspective, the problem with Dewey’s model of experiential learning is that it is essentially “horizontal.” While it does utilize a very rudimentary form of learning cycle, the model did not directly call for development of progressively more sophisticated scientific and intellectual process skills that we want to inculcate among students today in this vastly more advanced technological age. The Levels of Inquiry Model of Science Teaching takes these factors into account and uses a more sophisticated form of learning cycle that more closely mirrors the work of professional

scientists. This newer 5- phase learning cycle and its relationship to the inquiry spectrum is shown in

Figure 2. Figure 2. Levels of Inquiry Model of Science TeachingThe Inquiry Spectrum’s Relationship to Learning CyclesMany different learning cycles have been proffered since Robert Karplus introduced his learning cycle in 1962. The number of learning cycles has proliferated substantially since that time, each with its own emphasis and viewpoint on teaching. Table 2 gives a number of learning cycles that have been applied to science teaching more recently. Learning cycles are essential elements of science instruction because they help teachers sequence learning activities. They can provide structure for lesson planning and delivery. By using learning cycles as guides, teachers can more easily plan instruction that mimics the way that scientists tend to work. By integrating a learning cycle into each components of the inquiry spectrum, students can gain a much more comprehensive understanding of all the intellectual and scientific process skills that are inherent in each of the levels of inquiry. Indeed, the Levels of Inquiry Model of Science Teaching is a series of learning cycles operating within the context of a larger cycle that encompasses different levels of inquiry. The over arching levels of inquiry cycle will be initiated each time new subject matter is introduced. The various levels of inquiry – discovery learning, interactive demonstrations, inquiry lessons, inquiry labs, and hypothetical inquiry – are more fully explicated with the use of a learning cycle. A new 5-stage learning cycle introduced with this article provides additional structure to each level of the inquiry spectrum. By moving through thevarious stages of a learning cycle and levels of the inquiry spectrum, a student more fully comprehends science as both process and product, and gains a much deeper understanding of the scientific enterprise. This new 5-stage learning cycle constitutes the basic syntax for each level in the Levels of Inquiry Model of Science Teaching.3-StageKarplus4-Stage Art ofTeaching Science4-StageDykstra5-StageBybee7-StageEisenkraft5-Stage Levelsof InquiryExplorationInventionDiscoveryInvitationExplorationExplanationTaking ActionElicitationComparisonResolutionApplicationEngageExploreExplainElaborateEvaluateElicitEngageExploreExplainElaborateEvaluate

3-TahapKarplus4-Tahap Senipengajaran Ilmu4-TahapDykstra5-TahapBybee7-TahapEisenkraft5-Tahap TingkatPenyelidikaneksplorasipenemuanpenemuanundanganeksplorasipenjelasanmengambil Tindakanpendatanganperbandinganresolusiaplikasiterlibatmenyelidikimenjelaskanmenguraikanmengevaluasimemperoleh

ExtendObservationManipulationGeneralizationVerificationApplication

terlibatmenyelidikimenjelaskanmenguraikanmengevaluasimemperpanjangpengamatanmanipulasigeneralisasiverifikasiaplikasi

Table 2. Learning cycles applied in science teaching; modified from Gallagher (2006)The 5-Stage Levels of Inquiry Learning CycleThe new 5-stage Levels of Inquiry learning cycle originated from some 15 years of teaching experience within the Illinois State University physics teacher education program. While not substantially different from any of the learning cycles identified in Table 2, this 5-stage learning cycle places a consistent and stronger emphasis on the action of students rather than on the actions of the teacher, and – in the author’s opinion – perhaps more simply and more closely mimics the overall processes of rudimentary physical science. The five stages of the Levels of Inquiry learning cycle are as follows:Observation – Students observe a phenomenon that engages their interest and elicits their response. Students describe in detail what they are seeing. They talk about analogies and other examples of the phenomenon. A leading question is established that is worthy of investigating.Manipulation – Students suggest and debate ideas that might be investigated and develop approaches that might be used to study the phenomenon. They make plans for collecting qualitative and quantitative data and then execute those plans.Generalization – Students construct new principles or laws for phenomena as needed. Students provide a plausible explanation of the phenomenon.Verification – Students make predictions and conduct testing using the general law derived from the previous stage.Application – Students set forth their independently derived and agreed-upon conclusions. The conclusions are then applied to additional situations as warranted.Throughout this 5-stage process, students continuously communicate ideas, approaches, processes, data, and results – including difficulties and tribulations. They share in successes and redress failures. They operate as members of both small and whole group communities to develop, confirm, and apply findings derived at each level of inquiry.General Syntaxes of the Various Levels of InquiryWhile the 5-stage learning cycle constitutes the basic syntax of teaching within the inquiry spectrum, it is very broad and subject to modification when utilized. Several examples are now provided that represent (if not with perfect precision) how learning cycles are implemented within the Levels of Inquiry Model. In the strictest sense of the term “syntax”, there are no specific steps that must always be followed. In a more pragmatic sense, general syntaxes will flow from but not slavishly adhere to the 5- stage learning cycle.The reader should keep in mind that teaching is more of an art form than a science. There is no established set of rules that educators can point to and say, “Do this; it will work every time.” The educational process is complex and there are as many ways of teaching as there are teachers. Nonetheless, the Levels of Inquiry Model of Science Teaching suggests certain general practices and approaches that are described here as syntaxes.As students move from guided to bounded to free inquiry labs and then on to hypothetical inquiry, the locus of control shifts from the teacher to the students. As students – perhaps working individually – move through the forms of hypothetical inquiry, their work becomes intensely individualistic and even private. As a result, syntactic steps are not presented for either more advanced labs and hypothetical inquiry because it is now primarily up to students to design and conduct their own lab activities and provide and work out their own hypothetical explanations. These processes necessarily will be idiosyncratic in nature and cannot therefore be supplied.How subject matter is introduced to students will depend strongly on the nature of that subject matter. In some subject matter various aspects of the 5-stage learning cycle will be emphasized and others deemphasized, or perhaps skipped altogether. For instance, helping students to discover concepts related to motion (a very concrete activity) will likely be considerably different from learning about the concepts related to relativity (a much more abstract form of student learning). Nonetheless, it is still possible to provide useful generalities.Discovery LearningDiscovery learning entails developing conceptual understanding on the basis of experience. Descriptions of the

phenomenon (answers to “what” and “how” questions) are elicited. Explanations of the phenomenon (answers to “why” questions) are not elicited. However, if unsolicited explanations do arise, they should be set aside for future investigation. The following general steps can be used to develop concepts at this level of the inquiry spectrum:1. The teacher introduces students to one or more interesting physical examples of a phenomenon to be studied. Students are attracted to and intrigued by the display of the phenomenon.2. The teacher asks students to describe (not explain) what they are seeing, and to relate commonalities they are seeing between the various examples.3. The teacher encourages students to identify, and describe other analogous physical situations where the phenomenon also might be observed.4. The teacher encourages students, now working in small groups, to interact with various examples of the phenomenon, encouraging them to change variables and see what the effect is on the phenomenon.5. The teacher asks students to discuss ideas, identify relationships, draw conclusions, and develop insights as to what is happening – what accounts for the phenomenon being observed.6. As appropriate, the teacher provides names for the concepts so developed.Interactive DemonstrationSokoloff & Thornton (2004) provide an 8-step approach for conducting interactive lecture demonstrations, the first seven of which are generally consistent with the interactive demonstration component of the inquiry spectrum as well as the model’s 5-stage learning cycle. Paraphrasing their first seven steps and replacing their eighth, provides the following general syntax for the inquiry spectrum’s interactive demonstrations:1. The teacher introduces a demonstration describing the mechanical process that will be followed to exhibit the desired phenomenon. This is done entirely without explanation or a statement of outcome.2. The teacher asks students to think about what will happen and why it will happen when the demonstration takes place, and to state their individual predictions and explanations in writing.3. The students are engaged in small group discussions with their one or two nearest neighbors, the purpose of which is to share their predictions and explanations in the hope that they will self correct in the light of alternative predications and explanations.4. The teacher elicits from the students a common prediction and explanation using a consensus-building process.5. The students record, each on their own record sheet, the group’s final prediction and explanation.6. The teacher carries out the demonstration in an obvious fashion with results being clearly evident. The demonstration is repeated as necessary until the outcome is clear.7. The teacher asks the students to compare the results of the demonstration with both sets of predictions. The teacher identifies any alternative conceptions that have been elicited.8. If authentic alternative conceptions are identified (as opposed merely to student learning difficulties), the teacher confronts and resolves the alternative conceptions, and reinforces new learning using theElicit-Confront-Identify-Resolve-Reinforce (ECIRR) approach for dealing more effectively with alternative conceptions (Wenning, 2008).Inquiry LessonThe inquiry lesson employs a think-aloud protocol in which the teacher encourages students to act like scientists in a more formal experimental setting where efforts are now taken to define a system, and both control and manipulate a single independent variable to see its effect on the single dependent variable. The following general procedures should be used:1. The teacher identifies the phenomenon to be studied, including the goal of the investigation. The teacher clearly enunciates the guiding question for the investigation to follow.2. The teacher encourages students to identify the system to be studied, including all pertinent variables. Students are asked to distinguish between pertinent and extraneous variables.3. The teacher encourages students to identify those independent variables that might have an effect on the dependent variable.4. The teacher asks students to devise and explain a series of controlled experiments to determine qualitatively any effects of the independent variables on the dependent variable. The teacher uses a think-aloud protocol to explain what is happening experimentally and why it is being done in the fashion demonstrated.5. The students, under the watchful eye of the teacher, conducted a series of controlled experiments to determine qualitatively if any of the independent variables has an affect on the dependent variable under controlled conditions.6. The students, with the assistance of the teacher, state simple principles that describe all relationships observed between the input and output variables.7. The teacher, with the aid of the students, clearly identifies those independent variables that need to be further studied in relation to the dependent variable in a follow-up inquiry lab that will be used to identify more precise relationships between variables.Inquiry Labs, Real-world Applications, and Hypothetical Inquiry

Because students become more and more knowledgeable about the processes of science as they repeatedly progress through the inquiry spectrum employing the associated 5-stage learning cycle, they become more and more independent in both thought and action despite the fact that the intellectual sophistication of the tasks before them increases with each level. Because this is so, it is less incumbent upon the teacher to provide students with a script for action. While this might be necessary to so during the early part of a course, it becomes much less necessary – and perhaps an anathema as students see it – as the school year progresses. As a result, the locus of control shifts from the teacher to the students and the need for a general syntax – even the advisability of such syntax – becomes questionable. Nonetheless, the teacher should still proctor student work and be prepared to respond to questions when the students are confounded. Students should be reminded to follow in general the five-stage learning cycle associated with the Levels of Inquiry Model that tends to be characteristic of the work of scientists. Teachers generally should avoid directly answering student questions; rather, they should gently coax them to answer their own questions with the use of leadingquestions, and provide hints as necessary.Learning sequence example from opticsAn example is now provided showing how levels and inquiry and learning cycles can be integrated to produce a learning sequence dealing with lenses. The general idea for the lesson was derived from the Modeling Method of Instruction, and assumes that students understand shadow formation and that light propagates in straight lines. The main goal of the learning sequence is to have students construct an understanding of how a refracting telescope works.Discovery Learning (using lenses as hand magnifiers)Observation – Students are given two convex lenses, one thick compared to the edge (short focal length) and one thin compared to the edge (long focal length). At the teacher’s direction, students describe the differences in shape and any other things they can determine about the lenses – what they do, how they perform and so on. Students write their findings on whiteboards that include such things as ability to provide erect and inverted imagesManipulation – Students are asked to determine if there is any relationship between the “thickness” of the lenses and the size of images (magnification) they view through them if held the same distance from a printed page. Or, they might be asked to determine the relationship between the distance of an object from the lens and the lens’ ability to product erect or inverted images.Generalization – Students generate one or more rules for convex lenses such as, “Thick lenses produce larger images than do thin lenses when held at the same distance from a piece of newsprint.” or “There is a specific distance for each lens where the image shifts from erect to inverted. The distance appears to be related to the thickness of each lens.”Verification – Because scientific conclusions are the purview of the scientific community and not theindividual or even a small group within the community, these findings are again shared with the whole group so that the conclusions can be checked and verified.Application – Once the community of learners has verified the findings of individuals and groups, students apply what they have learned to new situations. For example, students complete a worksheet or answer a series of “what if” questions from the teacher that apply the knowledge to specific situations.Interactive Demonstration (using a lens to project)Observation – Students observe as the teacher uses a large convex lens to project an image of a bright outdoor scene onto a screen within the darkened classroom. With the instructor’s use of leadingquestions, the students note such things as the focal distance and that the image is inverted and in color.Manipulation – The teacher, referring to this set up, suggest a number of experiments to determine what controllable factors influence the production of the image. For example, the teacher suggests the change in lens thickness (using another lens) to see how it affects the focal distance. Students make predictions and then the demonstration is carried out. They might suggest changing the effective size of the lens by masking its edge to see what effects diameter have on the image production. Again, students make predictions before the demonstration is carried out. The teach might ask what would happen if a hand – held far from the lens and the very close to the lens – was used to cast shadows on the lens to see effect on the image produced. The students again predict and their forecasts checked with another set of demonstrations.Generalization – Based on their experiences with the demonstrations, students draw conclusions and document their findings in writing.Verification – Students then receive two index cards from the teacher – one with a pinhole in the center and the other without a pinhole. They are asked to hold the index card with the pinhole nearer the window and place the second index card in the shadow of the first. They can then study the new image and compare with the results from the lensed projection.Application – The teacher asks the students to determine whether or not a pinhole acts like a convex lens and visa versa. If so, to what extent? How are pinholes and convex lenses different?Inquiry Lesson (understanding image projection)

Observation – Students watch as the teacher explains how to use a pinhole projector to produce the image of a light bulb on a screen. (A small box with a pinhole in one end and a cut out with a wax paper screen on the other does well. The box is cut in half allowing the two sections to slide in and out of one another allowing the distance between the pinhole and screen vary.)Manipulation – During this phase, students are asked to describe which pertinent and controllable factors might influence the shape, size, orientation, and overall appearance of the projected image. Only one of the many possibilities are actually implemented during this phase without making precise measurements, reserving the other possibilities for study during a follow-up laboratory activity.Generalization – Modeling scientific inquiry, students are asked to generalize the findings from the prior phase using appropriate terminology.Verification – The students are now given pinhole projectors and light bulbs of their own and asked to verify individually or in small groups the single finding of the whole group.Application – The students are informed that they will now use variations of the approach just used to conduct a qualitative study of the other components of the pinhole camera system.Guided Inquiry Lab (finding qualitative relationships among variables using controlled experiments)Observation – The teacher, reviewing the inquiry lesson, asks students to conduct controlled experiments with the pinhole projector and light source such that there is only one independent variable and one dependent variable. The teacher gets students to define pertinent variables such as do (distance of the objective from the pinhole), d i (distance of the image from the pinhole), ho (height of the light bulb filament), and hi (height of the filament image) prior to beginning the next phase.Manipulation – Students, conducting controlled qualitative experiments (no measuring instrumentspermitted), change one variable at a time while holding two constant and allowing the fourth the vary to see the consequences of changes in the first.Generalization – Students, making a series of observations while changing the independent variableover a wide range, write their findings in words (no mathematic equations) on a whiteboard or other surface that can readily be shared with the entire group.Verification – By communicating results, students find that other study groups have drawn the sameconclusions from evidence. If there are any conflicts additional data are collected until such time as it is clear that nature does act uniformly and that differences that arise are likely the result of human error. This helps students to understand the nature of science (Wenning, 2006).Application – The students complete a worksheet that includes multiple examples of ray tracings that explain why the image is fuzzier when using a large pinhole, why images are inverted in relation to the object, why the image is larger if the screen is made more distant from the pinhole and visa versa, why the image gets smaller for a fixed pinhole-screen distance if the distance between the lamp and the pinhole gets smaller and visa verse, how changing the orientation or size of the light bulb affects the image, why multiple pinholes produce multiple images and so on.Bounded Inquiry Lab (finding relationships among quantifiable variables using controlled experiments)Observation – In a follow-up discussion, students discover that other students observed the same basic relationships (e.g., as di increases, hi increases under the condition of fixed system parameters).Manipulation – The teacher jigsaws the larger problem into smaller components (e.g. two groups conduct a controlled study of the relationship between di and hi, another two groups study the relationship between do and hi, etc.)Generalization – Students collect pertinent data and generate mathematical relationships using graphical analysis.Verification – Students share their mathematical findings (e.g., di αhi, di α1/ho, do αhi, and do

α1/ho) with other groups, and confirm findings as appropriate.Application – Students combine the small group findings to produce a general relationship betweenquantifiable variables (e.g., hi/ho = di/do). Students are encouraged to find a definition of magnification, M. They should easily be able to produce the following relationship: M = hi/ho.(continued next page)Real-world Applications (developing a working definition of magnification)Observation – Students are provided with an optical bench and a set of three of lenses consisting of one long, one intermediate, and one short focal length lens. They are then asked to “invent” a telescope that produces a maximum magnification of a distant object.Manipulation – Students – already knowing what a telescope looks like – switch out various lenses to serve as objective and eyepiece. They conclude that the maximum magnification is achieved when the longest focal length lens is used as an objective and the shortest focal length lens is used as an eyepiece.Generalization – Students enunciate a rule to the effect that magnification, M, is proportional to the focal length of the objective, F, and inversely proportional to the focal length of the eyepiece, f.Verification – Students exchange various combinations of lenses for objective and eyepiece and verify if the rule they have proposed, M ∝F/f, is likely to be correct.

Application – Students determine the focal lengths of all lenses by projecting images of very distant objects onto a sheet of paper and measuring the distance between the lens and the paper. From these data, they calculate the magnifications of various combinations of lenses.Applied Hypothetical Inquiry (explain how a refracting telescope works)Observation – Students observe as the teacher uses two lenses in combination to produce images as with a refracting telescope. Student attention is drawn to the fact that the image is inverted despite the fact that light from the object pass through two lenses.Manipulation – Students are given one long and one short focal length convex lens and told to “invent” their own telescope.Generalization – Students attempt to explain the role of the lenses to both project a real image (using the long focal length objective lens) and to examine that image with the use of a short focal length hand magnifier (eyepiece).Verification – Students verify that a real image is indeed produced between the objective and the eyepiece by inserting an index card in the focal plane of the objective lens.Application – Students use their knowledge of how a refracting lenses work to provide an explanation of how a refracting telescope works something to the effect that, “An objective lens produces a real image on a plane and an eyepiece is used beyond that focal plane to both to view and magnify the resulting image.”

JPTEOPure Hypothetical Inquiry (accounting for the nature of the magnification relationship)Observation – Students look through a telescope set up on an optical bench that consists only of an objective lens and an eyepiece lens. The telescope is focused on a very distant object. The teacher introduces a sheet of paper into the focal plan of the objective where the students clearly see that a real image is formed.Manipulation – Students are informed of the focal lengths of both lenses and ask to determine therelationship between these focal lengths and the separation between the lenses when a very distant object is clearly focused. They conclude that the separation is F + f, the sum of the focal lengths of the objective and eyepiece lenses.Generalization – Students draw a ray diagram for the distant object, objective lens, eyepiece, and eye. Between the objective and the eyepiece, they denote the position of the objective’s image plan and draw an inverted real image produced by the objective such as an arrow. From this construct and by comparing the true angular size of the object with the apparent size of the object as seen through the eyepiece, students determine that the magnification of the system is simply a ratio of the focal lengths of the objective and eyepiece, F/f.Verification – Students can confirm the above relationship by comparing it with outcomes from thepinhole projection activity in which M = hi/ho = di/do

Application – Students compare the results of magnification from the formula, M = F/f, and the ratioof true and apparent angular sizes of the object.Implementing the Levels of Inquiry ModelCreating effective learning sequences can be a daunting and time consuming task, as the author’s experiences have shown. Perhaps that is because many of us as teachers don’t have many experiences explicitly developing detailed, progressive, and increasingly sophisticated lessons for ourstudents. If learning sequences based on the Levels of Inquiry Model of Science Teaching are to be generated, perhaps they should be the effort of work groups such as used with the lesson study process (Stigler & Hiebert, 1999). This approach has been used with considerable success in the Physics Teacher Education program at Illinois State University (Wenning & Khan, 2011).Clearly, the time required to prepare and teach a learning sequence using the Levels of Inquiry Model of Science Teaching is considerable. This is only one of the many reasons that some science teachers fail to include inquiry practices in their instruction (Costenson & Lawson, 1986). Other reasons include time and energy, too slow, reading too difficult, risk too high, tracking, student immaturity, teaching habits, sequential text, discomfort, too expensive, and lack of teaching materials suitable for handson learning. These problems, either perceived or real, and how to address them have been dealt with earlier by Wenning (2005b). In-service teachers should be aware of the fact that as students move repeatedly through the various levels of inquiry and the associated learning cycles, the whole process of developing these kinds of learning activities becomes second nature to the teacher. There are additional sources of resistance to inquiry that comes from sources such as peer teachers, school administrators, parents, and even the students themselves. The author has addressed how teachers can effectively deal with these types of resistance through the processes of climate change (Wenning, 2005c). Granted, no teacher who is concerned with breadth of coverage as well as depth of instruction will want to use learning sequences exclusively. That is acceptable and understandable. However, to use more didactic approaches (e.g., direct instruction) to the near exclusion of inquiryoriented teaching is troubling, as teaching by telling is known not to be terribly effective for developing long-term understanding. Equation-based teaching often leaves students with precious little conceptual understanding that can be readily applied to real world

experiences. Levels of inquiry, the inquiry spectrum, learning sequences, and classification of their associated skills will continue to be refined as more learning sequences are developed. Such is the development of an educational model.Acknowledgement: The author wishes to acknowledge the helpful contributions of Manzoor Ali Khan and Rebecca Vieyra who reviewed the original manuscript for accuracy and made numerous suggestions for improvement. The author hereby expresses his thanks for their contributions.

TERJEMAHAN

Tingkat Model Kirim Pengajaran Sains (bagian Berbayang ditambahkan Januari 2012; lihatWenning (2010) untuk explications dunia nyata komponen aplikasi dari Spectrum Pilihan.)Carl J. Wenning, Ed.D., Departemen Fisika, Illinois State University, Normal, Illinois, USA, email: wenning@phy.ilstu.edu

Tingkat Model Kirim Pengajaran Ilmu ditinjau dan dijelaskan. Model ini tingkatan -Penemuan belajar, demo interaktif, pelajaran penyelidikan, laboratorium penyelidikan, dan penyelidikan hipotetis – adalah terintegrasi dengan siklus 5-tahap pembelajaran baru untuk menghasilkan model halus untuk pengajaran sains. Oleh sistematis mengatasi tingkat penyelidikan dengan menggunakan siklus belajar yang terkait, siswa mengembangkan lebih luas berbagai keterampilan proses intelektual dan ilmiah. Syntaxes disajikan untuk menjelaskan bagaimana cara terbaik untuk menerapkan urutan pembelajaran yang menjanjikan untuk mengarah ke bentuk yang lebih komprehensif melek ilmiah. Sebuah contoh urutan belajar yang menggabungkan siklus pembelajaran baru disediakan.

Model Pengajaran Sains

Model pengajaran memberikan dasar atas mana praktik pembelajaran yang koheren dapat didasarkan. Model pembelajaran membantu praktisi memahami pentingnya dan hubungan antara berbagai kegiatan yang terkait dengan mengajar. Model instruksional juga menyediakan kerangka kerja untuk interaksi antara guru dan siswa. Misalnya, dalam model yang berpusat pada guru instruksional fokus ditempatkan lebih pada informasi kepada guru transmisi, sedangkan pada model pembelajaran yang berpusat pada siswa fokus ditempatkan lebih pada siswa membangun pengetahuan dari pengalaman.

Tujuan dari model instruksional adalah untuk membantu siswa belajar. Setiap model tersebut harus didasarkan pada teori dukung pembelajaran. Sementara lebih dari 20 model pengajaran digambarkan oleh Joyce & Weil (1986), sebagian kecil dari model ini tampaknya paling cocok untuk instruksi ilmu pengetahuan. Di antaranya adalah konstruktivis, sosial budaya, penyelidikan, dan model langsung / interaktif. Model ini berasal dari ide-ide disodorkan oleh teori pendidikan seperti Dewey, Brunner, Piaget, Vygotsky, dan lainnya.

Berdasarkan karya-karya ahli teori ini, serta pada upaya peneliti pendidikan sains, ilmu pengetahuan banyak guru dan pendidik guru ilmu pengetahuan hari ini akan setuju bahwa ada tema yang muncul bahwa model mengajar semua ilmu pengetahuan harus memasukkan. Hassard dan Dias (2005) mengidentifikasi lima tema tersebut. Menurut Hassard & Dias, instruksi ilmu harus aktif, pengalaman, konstruktivis, alamat pengetahuan sebelumnya, dan termasuk kerja kooperatif dan kolaboratif. Belajar urutan berdasarkan Tingkat model Kirim pengajaran ilmu menggabungkan tema-tema, dan bahkan lebih.

A Level Penyelidikan Redux

Karya sebelumnya oleh Wenning (2005a, 2010) memperkenalkan Tingkat Model Permintaan untuk mengajar ilmu pengetahuan dan kemudian explicated urutan belajar yang terkait. Penulis menunjukkan bahwa dengan sistematis mengatasi berbagai Tingkat Permintaan - penemuan belajar, demo interaktif, pelajaran penyelidikan, laboratorium penyelidikan, dan penyelidikan hipotetis (yang dikenal sebagai spektrum Permintaan) - guru akan membantu siswa mengembangkan lebih luas intelektual dan ilmiah proses keterampilan. Sekarang termasuk dalam spektrum penyelidikan adalah aplikasi dunia nyata dengan dua varian - pemecahan akhir-bab masalah buku pelajaran dan memecahkan masalah otentik. Ketika spektrum penyelidikan umum diterjemahkan ke dalam hari-hari pelajaran kelas, hasil urutan belajar.

Untuk lebih menghargai apa spektrum penyelidikan tidak untuk guru dan siswa, sangat penting untuk memeriksa tujuan pedagogis utama dari setiap tingkat penyelidikan ilmiah. Mereka diuraikan pada Tabel 1.

Level of Inquiry Primary Pedagogical Purpose

Discovery

Tingkat Tujuan Kirim Pedagogical Primerpenemuanbelajar

Learning

Students develop concepts on the basis of first-hand experiences (a focus on active engagement to construct knowledge).

Interactive

Demonstration

Students are engaged in explanation and prediction-making that allows teacher to elicit, identify, confront, and resolve alternative conceptions (addressing prior knowledge).

Inquiry

Lesson

Students identify scientific principles and/or relationships (cooperative work used to construct more detailed knowledge).

Inquiry

Laboratory

Students establish empirical laws based on measurement of variables (collaborative work used to construct more detailed knowledge).

Real-world

Applications

Students solve problems related to authentic situations while working individually or in cooperative and collaborative groups using problembased & project-based approaches.

Hypothetical

Inquiry

Students generate explanations for observed phenomena (experience a more realistic form of science).

Siswa mengembangkan konsep berdasarkan pengalaman pertama-tangan (fokus pada keterlibatan aktif untuk membangun pengetahuan).interaktifdemonstrasiSiswa terlibat dalam penjelasan dan prediksi keputusan yang memungkinkan guru untuk memperoleh, mengidentifikasi, menghadapi, dan menyelesaikan konsepsi alternatif (pengalamatan pengetahuan sebelumnya).penyelidikanpelajaranSiswa mengidentifikasi prinsip-prinsip ilmiah dan / atau hubungan (kerja koperasi digunakan untuk membangun pengetahuan yang lebih rinci).penyelidikanlaboratoriumSiswa menetapkan hukum empiris berdasarkan pengukuran variabel (kerja kolaboratif digunakan untuk membangun pengetahuan yang lebih rinci).Dunia nyataaplikasiSiswa memecahkan masalah yang berkaitan dengan situasi otentik saat bekerja individu atau dalam kelompok kooperatif dan kolaboratif menggunakan pendekatan problembased & berbasis proyek.hipotesispenyelidikanSiswa menghasilkan penjelasan untuk fenomena yang diamati (mengalami bentuk yang lebih realistis ilmu).

Tabel 1. Fokus dari masing-masing enam model tingkat penyelidikan. Tabel ini adalah sugestif, bukan definitif.

Tingkat Model Kirim Pengajaran Ilmu didasarkan sebagian pada John Dewey turn-of-the-abad kedua puluh panggilan untuk pengalaman belajar. Panggilan Dewey untuk penggunaan pengalaman belajar dan praktek penyelidikan diarahkan menuju peningkatan literasi ilmiah umum anak-anak sekolah. Dia berargumen bahwa teori pengajaran harus lebih erat dikaitkan dengan hasil yang diinginkan (1904), dan bahwa cara terbaik untuk mendapatkan siswa untuk menjadi lebih ilmiah sadar dan informasi adalah melalui proses pengalaman belajar - setelah siswa belajar sains dengan meniru karya ilmuwan. Enam tahun kemudian, Dewey (1910, hal. 25) mencatat, "pengajaran Ilmu pengetahuan telah menderita karena ilmu pengetahuan telah begitu sering disajikan seperti begitu banyak pengetahuan yang sudah jadi, begitu banyak subjek-soal fakta dan hukum, bukan sebagai efektif metode penyelidikan subjectmatter apapun. "membayangkan Dewey belajar didorong oleh serangkaian siklus belajar dasar (istilah modern) di mana siswa akan menerima dorongan, membuat observasi, memperoleh kesimpulan dari pengamatan itu, dan membuat keputusan untuk nilainya . Para siswa kemudian akan menyelesaikan siklus lain seperti pembelajaran yang dipicu oleh impuls baru. Dengan menyelesaikan serangkaian siklus tersebut, siswa akan membangun pengetahuan berdasarkan pengalaman. (Lihat Gambar 1.)

Gambar 1. John Dewey 1904 Model Experiential Learning

Sementara itu Dewey adalah ide pemikiran, tidak pernah diadopsi secara luas. Dari perspektif modern, masalah dengan model Dewey pembelajaran pengalaman adalah bahwa pada dasarnya Meskipun tidak memanfaatkan bentuk yang sangat dasar pembelajaran siklus "horisontal.", Model ini tidak secara langsung menyerukan untuk pengembangan proses ilmiah dan intelektual progresif lebih canggih keterampilan yang kita ingin menanamkan kalangan siswa hari ini di era teknologi jauh lebih maju. Tingkat Model Kirim Pengajaran Sains mengambil faktor-faktor ini dan menggunakan bentuk yang lebih canggih dari siklus belajar yang lebih dekat mencerminkan karya ilmuwan profesional. Ini baru 5 - fase pembelajaran siklus dan hubungannya dengan spektrum pertanyaan ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Tingkat Permintaan Model Pengajaran Sains.

Spektrum Kirim Hubungan untuk Siklus Belajar

Banyak siklus belajar yang berbeda telah ditawarkan sejak Robert Karplus diperkenalkan siklus belajarnya pada tahun 1962. Jumlah siklus belajar telah berkembang dengan pesat sejak saat itu, masing-masing dengan penekanan sendiri dan sudut pandang pada pengajaran. Tabel 2 memberikan sejumlah belajar siklus yang telah diterapkan untuk pengajaran ilmu pengetahuan baru-baru ini.

Siklus belajar adalah elemen penting dari instruksi ilmu pengetahuan karena mereka membantu kegiatan guru urutan belajar. Mereka dapat menyediakan struktur untuk perencanaan pelajaran dan pengiriman. Dengan menggunakan siklus belajar sebagai pemandu, guru dapat lebih mudah merencanakan instruksi yang meniru cara ilmuwan cenderung bekerja. Dengan mengintegrasikan siklus belajar ke masing-masing komponen dari spektrum penyelidikan, siswa dapat memperoleh pemahaman yang lebih komprehensif dari semua keterampilan proses intelektual dan ilmiah yang melekat di setiap tingkat penyelidikan. Memang, Tingkat Model Kirim Pengajaran Ilmu adalah serangkaian pembelajaran siklus operasi dalam konteks siklus yang lebih besar yang meliputi berbagai tingkat penyelidikan. Di atas tingkat melengkung siklus penyelidikan akan dimulai setiap mata pelajaran saat baru diperkenalkan.

Berbagai tingkat Permintaan - penemuan belajar, demo interaktif, pelajaran penyelidikan, laboratorium penyelidikan, dan penyelidikan hipotetis - yang lebih lengkap explicated dengan menggunakan siklus belajar. Sebuah 5-tahap baru belajar siklus diperkenalkan dengan artikel ini memberikan struktur tambahan untuk setiap tingkat dari spektrum penyelidikan. Dengan bergerak melalui berbagai tahap siklus pembelajaran dan tingkat dari spektrum penyelidikan, siswa lebih lengkap memahami sains sebagai proses dan produk, dan memperoleh pemahaman yang lebih dalam dari perusahaan ilmiah. Siklus 5-tahap pembelajaran baru merupakan aturan dasar untuk setiap tingkat di Tingkat Model Kirim Pengajaran Sains.

3-Stage

Karplus

4-Stage Art of

Teaching Science

4-Stage

3-TahapKarplus4-Tahap Senipengajaran Ilmu4-TahapDykstra

Dykstra

5-Stage

Bybee

7-Stage

Eisenkraft

5-Stage Levels

of Inquiry

Exploration

Invention

Discovery

Invitation

Exploration

Explanation

Taking Action

Elicitation

Comparison

Resolution

Application

Engage

Explore

Explain

Elaborate

Evaluate

Elicit

Engage

Explore

Explain

Elaborate

Evaluate

Extend

Observation

Manipulation

Generalization

Verification

Application

5-TahapBybee7-TahapEisenkraft5-Tahap TingkatPenyelidikaneksplorasipenemuanpenemuanundanganeksplorasipenjelasanmengambil Tindakanpendatanganperbandinganresolusiaplikasiterlibatmenyelidikimenjelaskanmenguraikanmengevaluasimemperolehterlibatmenyelidikimenjelaskanmenguraikanmengevaluasimemperpanjangpengamatanmanipulasigeneralisasiverifikasiaplikasi

Tabel 2. Siklus belajar diterapkan dalam pengajaran sains; dimodifikasi dari Gallagher (2006)

Sistem 5-Tahap Tingkat Siklus Kirim Belajar

Sistem 5-tahap baru Tingkat siklus Kirim belajar berasal dari beberapa 15 tahun pengalaman mengajar dalam program Negara Illinois University guru pendidikan fisika. Meskipun tidak secara substansial berbeda dari salah satu siklus belajar diidentifikasi dalam Tabel 2, siklus belajar 5-tahap menempatkan penekanan yang konsisten dan kuat pada tindakan siswa bukan pada tindakan guru, dan - menurut penulis - mungkin lebih sederhana dan lebih erat meniru proses keseluruhan dari ilmu fisika dasar. Lima tahap Tingkat siklus Kirim pembelajaran adalah sebagai berikut:

Observasi - Siswa mengamati fenomena yang melibatkan minat mereka dan memunculkan respons mereka. Siswa menjelaskan secara rinci apa yang mereka lihat. Mereka berbicara tentang analogi dan contoh-contoh lain dari fenomena tersebut. Sebuah pertanyaan terkemuka didirikan yang layak menyelidiki.

Manipulasi - Siswa menyarankan dan debat pendapat yang mungkin menyelidiki dan mengembangkan pendekatan yang dapat digunakan untuk mempelajari fenomena tersebut. Mereka membuat rencana untuk mengumpulkan data kualitatif dan kuantitatif dan kemudian jalankan rencana tersebut.

Generalisasi - Siswa membangun prinsip-prinsip baru atau hukum untuk fenomena yang diperlukan.Siswa memberikan penjelasan yang masuk akal dari fenomena tersebut.

Verifikasi - Siswa membuat prediksi dan pengujian perilaku menggunakan hukum umum yang berasal dari tahap sebelumnya.

Aplikasi - Mahasiswa ditetapkan kesimpulan mereka secara independen berasal dan disepakati. Kesimpulan ini kemudian diterapkan pada situasi tambahan sebagaimana yang dijaminkan.

Sepanjang proses ini 5-tahap, siswa terus menerus mengkomunikasikan ide-ide, pendekatan, proses, data, dan hasil - termasuk kesulitan dan kesengsaraan. Mereka berbagi dalam keberhasilan dan ganti rugi kegagalan. Mereka beroperasi sebagai anggota komunitas kelompok kecil dan secara keseluruhan untuk mengembangkan, konfirmasi, dan menerapkan temuan yang diperoleh pada setiap tingkat penyelidikan.

Umum sintaks dari Berbagai Tingkat Penyelidikan

Sedangkan siklus belajar 5-tahap merupakan sintaks dasar mengajar dalam spektrum penyelidikan, sangat luas dan tunduk pada modifikasi ketika digunakan. Beberapa contoh yang sekarang disediakan yang mewakili (jika tidak dengan ketepatan yang sempurna) bagaimana siklus belajar diterapkan dalam Tingkat Model Pilihan. Dalam arti ketat dari "sintaks" panjang, tidak ada langkah-langkah spesifik yang harus selalu diikuti. Dalam pengertian yang lebih pragmatis, sintaks umum akan mengalir dari tetapi tidak sangat merendahkan diri mengikuti 5 - siklus tahap belajar.

Pembaca perlu diingat bahwa mengajar adalah lebih dari sebuah bentuk seni daripada sebuah ilmu pengetahuan. Tidak ada didirikan seperangkat aturan bahwa pendidik dapat menunjuk dan berkata, "Apakah ini; ia akan bekerja setiap waktu." Proses pendidikan adalah kompleks dan ada banyak cara pengajaran karena ada guru. Meskipun demikian, Tingkat Model Kirim Pengajaran Ilmu menunjukkan praktek-praktek umum tertentu dan pendekatan yang dijelaskan di sini sebagai sintaks.

Sebagai siswa berpindah dari dipandu untuk dibatasi untuk laboratorium pemeriksaan yang bebas dan kemudian ke pertanyaan hipotetis, lokus kontrol pergeseran dari guru kepada siswa. Sebagai siswa - mungkin bekerja secara individu - bergerak melalui bentuk pertanyaan hipotetis, pekerjaan mereka menjadi sangat individualistis dan bahkan swasta. Akibatnya, langkah sintaksis tidak disajikan baik untuk laboratorium lebih maju dan pertanyaan hipotetis karena sekarang terutama hingga siswa untuk merancang dan melakukan kegiatan mereka sendiri dan menyediakan laboratorium dan bekerja di luar penjelasan mereka sendiri hipotetis. Proses ini tentu akan menjadi istimewa di alam dan karenanya tidak dapat disediakan.

Bagaimana materi pelajaran diperkenalkan kepada siswa akan sangat bergantung pada sifat bahwa materi pelajaran. Pada beberapa materi pelajaran berbagai aspek dari siklus belajar 5-tahap akan diarahkan dan lain perlombaan, atau mungkin dilewati sama sekali. Misalnya, membantu siswa untuk menemukan konsep yang berkaitan dengan gerak (kegiatan yang sangat beton) kemungkinan akan sangat berbeda dari belajar tentang konsep yang berkaitan dengan relativitas (bentuk yang jauh lebih abstrak belajar siswa). Meskipun demikian, masih mungkin untuk memberikan generalisasi yang bermanfaat.

Penemuan Pembelajaran

Penemuan pembelajaran memerlukan pengembangan pemahaman konseptual atas dasar pengalaman. Deskripsi dari fenomena (jawaban atas "apa" dan "bagaimana" pertanyaan) yang diberikan. Penjelasan dari fenomena tersebut (jawaban untuk "mengapa" pertanyaan) tidak diberikan. Namun, jika penjelasan yang tidak diinginkan dapat saja terjadi, mereka harus disisihkan untuk penyelidikan masa depan. Langkah-langkah umum berikut dapat digunakan untuk mengembangkan konsep pada tingkat spektrum Permintaan:

1. Guru memperkenalkan siswa untuk satu atau lebih contoh fisik yang menarik dari fenomena yang akan dipelajari. Siswa tertarik dan penasaran dengan tampilan dari fenomena tersebut.

2. Guru meminta siswa untuk mendeskripsikan (tidak menjelaskan) apa yang mereka lihat, dan untuk berhubungan kesamaan mereka melihat antara berbagai contoh.

3. Guru mendorong siswa untuk mengidentifikasi, dan menjelaskan situasi lain fisik analog dimana fenomena tersebut juga mungkin diamati.

4. Guru mendorong siswa, sekarang bekerja dalam kelompok kecil, untuk berinteraksi dengan berbagai contoh dari fenomena tersebut, mendorong mereka untuk mengubah variabel dan melihat apa efeknya pada fenomena tersebut.

5. Guru meminta siswa untuk mendiskusikan ide-ide, mengidentifikasi hubungan, menarik kesimpulan, dan mengembangkan wawasan mengenai apa yang terjadi - apa yang menjelaskan fenomena yang diamati.

6. Jika sesuai, guru memberikan nama untuk konsep yang begitu berkembang.

Demonstrasi Interaktif

Sokoloff & Thornton (2004) memberikan pendekatan 8-langkah untuk melakukan demonstrasi kuliah interaktif, tujuh pertama yang umumnya konsisten dengan komponen demonstrasi interaktif dari spektrum penyelidikan serta 5-tahap siklus belajar model. Mengutip pertama mereka tujuh langkah dan mengganti kedelapan mereka, menyediakan sintaks umum berikut untuk demonstrasi interaktif spektrum pertanyaan itu:

1. Guru memperkenalkan demonstrasi menggambarkan proses mekanis yang akan diikuti untuk menunjukkan fenomena yang diinginkan. Hal ini dilakukan sama sekali tanpa penjelasan atau pernyataan hasil.

2. Guru meminta siswa untuk berpikir tentang apa yang akan terjadi dan mengapa hal itu akan terjadi ketika demonstrasi berlangsung, dan untuk menyatakan prediksi masing-masing dan penjelasan secara tertulis.

3. Para siswa terlibat dalam diskusi kelompok kecil dengan satu atau dua tetangga terdekat mereka, yang tujuannya adalah untuk berbagi prediksi dan penjelasan dengan harapan bahwa mereka akan memperbaiki diri dalam terang predikat.Juga alternatif dan penjelasan.

4. Guru memunculkan dari siswa prediksi umum dan penjelasan menggunakan proses pembangunan konsensus.5. Catatan siswa, masing-masing pada lembar catatan mereka sendiri, prediksi akhir kelompok dan penjelasan.6. Guru melakukan demonstrasi dengan cara yang jelas dengan hasil yang jelas terlihat. Demonstrasi ini diulangi

yang diperlukan sampai hasilnya jelas.7. Guru meminta siswa untuk membandingkan hasil demonstrasi dengan kedua set prediksi. Guru mengidentifikasi

setiap konsepsi alternatif yang telah diberikan.8. Jika konsepsi alternatif otentik diidentifikasi (bukan hanya untuk siswa kesulitan belajar), guru menghadapi dan

menyelesaikan konsepsi alternatif, dan memperkuat pembelajaran baru dengan menggunakan Memperoleh-Hadapi-Identifikasi-Resolve-Memperkuat (ECIRR) pendekatan untuk menangani lebih efektif dengan konsepsi alternatif (Wenning, 2008).

Kirim Pelajaran

Pelajaran Permintaan mempekerjakan protokol berpikir-keras dimana guru mendorong siswa untuk bertindak seperti ilmuwan dalam setting eksperimen yang lebih formal dimana upaya kini dilakukan untuk menentukan suatu sistem, dan kontrol dan memanipulasi satu variabel bebas untuk melihat efeknya pada tunggal variabel dependen. Prosedur umum berikut harus digunakan:

1. Guru mengidentifikasi fenomena yang dipelajari, termasuk tujuan penyelidikan. Guru jelas meluruskan pertanyaan pemandu untuk penyelidikan untuk mengikuti.

2. Guru mendorong siswa untuk mengidentifikasi sistem yang akan dipelajari, termasuk semua variabel yang bersangkutan. Siswa diminta untuk membedakan antara variabel yang bersangkutan dan asing.

3. Guru mendorong siswa untuk mengidentifikasi variabel independen yang mungkin memiliki efek pada variabel dependen.

4. Guru meminta siswa untuk menyusun dan menjelaskan serangkaian percobaan terkontrol untuk menentukan secara kualitatif efek dari variabel independen terhadap variabel dependen. Guru menggunakan protokol berpikir-keras untuk menjelaskan apa yang terjadi eksperimental dan mengapa itu dilakukan dengan cara yang ditunjukkan.

5. Para siswa, di bawah pengawasan ketat dari guru, melakukan serangkaian percobaan terkontrol untuk menentukan secara kualitatif jika salah satu variabel bebas memiliki pengaruh terhadap variabel terikat dalam kondisi yang terkendali.

6. Para siswa, dengan bantuan guru, prinsip sederhana negara yang menggambarkan semua hubungan diamati antara input dan variabel output.

7. Para guru, dengan bantuan para siswa, jelas mengidentifikasi variabel-variabel independen yang perlu dipelajari lebih lanjut dalam kaitannya dengan variabel terikat di laboratorium penyelidikan tindak lanjut yang akan digunakan untuk mengidentifikasi hubungan yang lebih tepat antara variabel.

Kirim Labs, dunia nyata Aplikasi, dan Permintaan Hipotesis

Karena siswa menjadi lebih dan lebih luas tentang proses ilmu pengetahuan karena mereka berulang kali maju melalui spektrum penyelidikan menggunakan siklus 5-tahap pembelajaran yang terkait, mereka menjadi lebih dan lebih mandiri baik dalam pikiran dan tindakan meskipun fakta bahwa kecanggihan intelektual tugas sebelum mereka meningkat dengan setiap tingkat. Karena ini sangat, sangat kecil wajib bagi guru untuk memberikan siswa dengan script untuk bertindak. Meskipun hal ini mungkin diperlukan untuk jadi selama bagian awal tentu saja, akan jauh kurang perlu - dan mungkin sebuah kutukan sebagai siswa melihatnya - sebagai tahun ajaran berlangsung. Akibatnya, lokus kontrol bergeser dari guru ke siswa dan kebutuhan untuk sintaks yang umum - bahkan kelayakan sintaks seperti - menjadi dipertanyakan. Meskipun demikian, guru harus tetap mahasiswa proctor bekerja dan bersiaplah untuk menjawab pertanyaan ketika siswa bingung. Siswa harus diingatkan untuk mengikuti pada umumnya siklus lima-tahap pembelajaran yang terkait dengan Tingkat Model Permintaan yang cenderung karakteristik karya ilmuwan. Guru umumnya harus menghindari menjawab langsung pertanyaan-pertanyaan siswa, melainkan, mereka harus lembut membujuk mereka untuk menjawab pertanyaan mereka sendiri dengan menggunakan terkemuka pertanyaan, dan memberikan petunjuk yang diperlukan.

Belajar contoh urutan dari optik

Contohnya sekarang diberikan menunjukkan bagaimana tingkat dan siklus penyelidikan dan pembelajaran dapat diintegrasikan untuk menghasilkan urutan belajar berurusan dengan lensa. Ide umum untuk pelajaran ini berasal dari Metode Pemodelan Instruksi, dan mengasumsikan bahwa siswa memahami pembentukan bayangan dan cahaya yang merambat dalam garis lurus. Tujuan utama dari urutan belajar adalah memiliki siswa membangun pemahaman tentang cara kerja teleskop pembiasan.

Penemuan Learning (menggunakan lensa sebagai bantu tangan)

Observasi - Siswa diberi dua lensa cembung, satu tebal dibandingkan dengan tepi (focal length pendek) dan satu tipis dibandingkan dengan tepi (focal length panjang). Pada arah guru, siswa menjelaskan perbedaan bentuk dan hal-hal lain yang mereka dapat menentukan tentang lensa - apa yang mereka lakukan, bagaimana mereka melakukan dan sebagainya. Siswa menulis temuan mereka pada papan tulis putih yang mencakup hal-hal seperti kemampuan untuk menyediakan gambar tegak dan terbalik

Manipulasi - Siswa diminta untuk menentukan apakah ada hubungan antara "ketebalan" dari lensa dan ukuran gambar (perbesaran) mereka melihat melalui mereka jika diadakan jarak yang sama dari halaman dicetak. Atau, mereka mungkin akan diminta untuk menentukan hubungan antara jarak benda dari lensa dan kemampuan lensa untuk gambar produk tegak atau terbalik.

Generalisasi - Siswa menghasilkan satu atau lebih aturan untuk lensa cembung seperti, "menghasilkan lensa tebal gambar yang lebih besar daripada lensa tipis saat dipegang pada jarak yang sama dari sepotong kertas koran." Atau "Ada jarak yang spesifik untuk setiap lensa di mana gambar bergeser dari tegak ke terbalik. Jarak tampaknya berhubungan dengan ketebalan lensa masing-masing. "

Verifikasi - Karena kesimpulan ilmiah lingkup komunitas ilmiah dan bukan individu atau bahkan sebuah kelompok kecil dalam masyarakat, temuan ini lagi bersama dengan seluruh kelompok sehingga kesimpulan dapat diperiksa dan diverifikasi.

Aplikasi - Setelah komunitas pelajar telah diverifikasi temuan individu dan kelompok, siswa menerapkan apa yang telah mereka pelajari dengan situasi baru. Sebagai contoh, siswa menyelesaikan worksheet atau menjawab serangkaian "bagaimana jika" pertanyaan dari guru yang menerapkan pengetahuan untuk situasi tertentu.

Interaktif Demonstrasi (menggunakan lensa untuk proyek)

Observasi - Siswa mengamati sebagai guru menggunakan lensa cembung besar untuk memproyeksikan gambar dari adegan di luar ruangan yang terang ke layar dalam kelas yang gelap. Dengan menggunakan instruktur terkemukapertanyaan, para siswa mencatat hal-hal seperti jarak fokus dan bahwa gambar terbalik dan dalam warna. Manipulasi - Guru, mengacu pada set up, menyarankan sejumlah eksperimen untuk menentukan apa faktor-faktor terkendali mempengaruhi produksi dari gambar. Misalnya, guru menunjukkan perubahan ketebalan lensa (menggunakan lensa lain) untuk melihat bagaimana hal itu mempengaruhi jarak fokus. Siswa membuat prediksi dan kemudian demonstrasi itu dilakukan. Mereka mungkin menyarankan perubahan ukuran efektif lensa dengan menutupi tepi untuk melihat apa efek diameter pada produksi memiliki gambar. Sekali lagi, siswa membuat prediksi sebelum demonstrasi dilakukan. Mengajar mungkin bertanya apa yang akan terjadi jika tangan - diadakan jauh dari lensa dan sangat dekat dengan lensa - digunakan untuk menangkap bayangan pada lensa untuk melihat

efek pada gambar yang dihasilkan. Para siswa lagi memprediksi dan perkiraan mereka diperiksa dengan satu set demonstrasi. Generalisasi - Berdasarkan pengalaman mereka dengan demonstrasi, siswa menarik kesimpulan dan mendokumentasikan temuan mereka secara tertulis.

Verifikasi - Siswa kemudian menerima dua kartu indeks dari guru - satu dengan lubang jarum di tengah dan yang lainnya tanpa lubang jarum. Mereka diminta untuk memegang kartu indeks dengan lubang jarum lebih dekat jendela dan tempat kartu indeks kedua di bawah bayangan yang pertama. Mereka kemudian dapat mempelajari gambar baru dan membandingkan dengan hasil dari proyeksi lensanya.

Aplikasi - Guru meminta siswa untuk menentukan apakah atau tidak lubang jarum bertindak seperti sebuah lensa cembung dan sebaliknya. Jika demikian, sampai sejauh mana? Bagaimana lubang kecil dan lensa cembung yang berbeda?

Kirim Pelajaran (pemahaman proyeksi gambar)

Observasi - Siswa menonton sebagai guru menjelaskan cara menggunakan proyektor lubang jarum untuk menghasilkan gambar bola lampu pada layar. (Sebuah kotak kecil dengan lubang jarum di satu ujung dan dipotong dengan layar kertas lilin di sisi lain tidak baik. Kotak itu dipotong setengah memungkinkan dua bagian untuk meluncur masuk dan keluar dari satu sama lain yang memungkinkan jarak antara lubang jarum dan layar bervariasi.)

Manipulasi - Selama fase ini, siswa diminta untuk menggambarkan faktor yang terkait dan terkendali mungkin mempengaruhi bentuk, ukuran, orientasi, dan penampilan keseluruhan dari gambar yang diproyeksikan. Hanya satu dari banyak kemungkinan benar-benar diterapkan selama fase ini tanpa membuat pengukuran yang tepat, sisakan kemungkinan lain untuk studi selama kegiatan laboratorium tindak lanjut.

Generalisasi - Pemodelan penyelidikan ilmiah, siswa diminta untuk menggeneralisasi temuan dari fase sebelum menggunakan terminologi yang tepat.

Verifikasi - Para siswa sekarang diberikan proyektor lubang jarum dan bola lampu dari mereka sendiri dan diminta untuk memverifikasi secara individu atau dalam kelompok kecil temuan tunggal dari seluruh kelompok.

Aplikasi - Para siswa diberitahu bahwa mereka sekarang akan menggunakan variasi dari pendekatan hanya digunakan untuk melakukan studi kualitatif dari komponen lain dari sistem kamera lubang jarum.Dipandu Kirim Lab (menemukan hubungan antara variabel kualitatif dengan menggunakan eksperimen terkontrol)

Observasi - Guru, meninjau pelajaran penyelidikan, meminta siswa untuk melakukan percobaan terkontrol dengan proyektor lubang jarum dan sumber cahaya sehingga hanya ada satu variabel bebas dan satu variabel dependen. Guru mendapatkan siswa untuk mendefinisikan variabel terkait seperti melakukan (jarak tujuan dari lubang jarum), di (jarak gambar dari lubang jarum), ho (tinggi dari filamen bola lampu), dan hi (tinggi gambar filamen ) sebelum memulai tahap berikutnya.

Manipulasi - Siswa, melakukan eksperimen kualitatif terkontrol (tidak ada alat ukur diizinkan), mengubah satu variabel pada suatu waktu sambil memegang dua konstan dan membiarkan keempat bervariasi untuk melihat akibat dari perubahan pertama.

Generalisasi - Siswa, membuat serangkaian pengamatan saat mengganti variabel independen melalui berbagai, menulis temuan mereka dalam kata-kata (tidak ada persamaan matematis) pada papan tulis atau permukaan lain yang mudah bisa dibagi dengan seluruh kelompok.

Verifikasi - Dengan mengkomunikasikan hasil, siswa menemukan bahwa kelompok-kelompok studi lain telah ditarik samakesimpulan dari bukti. Jika ada konflik data tambahan dikumpulkan sampai saat jelaslah bahwa alam tidak bertindak seragam dan bahwa perbedaan yang muncul adalah kemungkinan hasil dari kesalahan manusia. Ini membantu siswa untuk memahami sifat ilmu (Wenning, 2006).

Aplikasi - Para siswa menyelesaikan lembar kerja yang mencakup beberapa contoh dari menjiplak ray yang menjelaskan mengapa foto tersebut fuzzier bila menggunakan lubang jarum besar, mengapa gambar terbalik dalam kaitannya dengan objek, mengapa gambar lebih besar jika layar dibuat lebih jauh dari lubang jarum dan sebaliknya, mengapa gambar semakin kecil untuk jarak lubang jarum layar tetap jika jarak antara lampu dan lubang jarum mendapatkan ayat yang lebih kecil dan visa, bagaimana mengubah orientasi atau ukuran bola lampu mempengaruhi gambar, mengapa lubang kecil beberapa menghasilkan beberapa gambar dan sebagainya.

Dibatasi Kirim Lab (menemukan hubungan antara variabel dihitung dengan menggunakan eksperimen terkontrol)

Observasi - Dalam sebuah diskusi lanjutan, siswa menemukan bahwa siswa lainnya mengamati hubungan dasar yang sama (misalnya, sebagai peningkatan di, hi meningkat di bawah kondisi parameter sistem tetap).

Manipulasi - puzzle Guru masalah yang lebih besar menjadi komponen-komponen yang lebih kecil (misalnya dua kelompok melakukan studi terkontrol hubungan antara di dan hi, dua kelompok mempelajari hubungan antara melakukan dan hi, dll)

Generalisasi - Siswa mengumpulkan data yang bersangkutan dan menghasilkan hubungan matematis menggunakan analisis grafis.

Verifikasi - Siswa berbagi temuan matematika mereka (misalnya, di α 1/ho) dengan hai, dan melakukan α 1/ho, do α hai, di α kelompok lain, dan mengkonfirmasi temuan yang sesuai.

Aplikasi - Siswa menggabungkan temuan-temuan kelompok kecil untuk menghasilkan hubungan yang umum antara kuantitatif variabel (misalnya, hi / ho = di / lakukan). Siswa didorong untuk menemukan definisi dari pembesaran, M. Mereka dengan mudah harus dapat menghasilkan hubungan berikut: M = hi / ho.(Halaman berikutnya lanjutan)

Dunia nyata Aplikasi (pengembangan definisi kerja perbesaran)

Observasi - Siswa dilengkapi dengan sebuah bangku optik dan satu set tiga lensa terdiri dari satu panjang, satu menengah, dan satu lensa panjang pendek fokus. Mereka kemudian diminta untuk "menciptakan" sebuah teleskop yang menghasilkan perbesaran maksimum sebuah objek yang jauh.

Manipulasi - Siswa - sudah mengetahui apa yang tampak seperti teleskop - beralih dari berbagai lensa untuk menjadi obyektif dan lensa mata. Mereka menyimpulkan bahwa perbesaran maksimal tercapai bila lensa panjang fokus terpanjang digunakan sebagai obyektif dan lensa panjang fokus terpendek digunakan sebagai lensa mata sebuah.

Generalisasi - Siswa melafalkan aturan yang menyatakan bahwa pembesaran, M, sebanding dengan panjang fokus tujuan, F, dan berbanding terbalik dengan panjang fokus lensa mata, f.

Verifikasi - kombinasi pertukaran Mahasiswa berbagai lensa untuk objektif dan okuler dan memverifikasi jika aturan yang mereka telah F / f, kemungkinan benar.mengusulkan, M α

Aplikasi - Siswa menentukan panjang fokus semua lensa dengan memproyeksikan gambar objek yang sangat jauh ke atas selembar kertas dan mengukur jarak antara lensa dan kertas. Dari data ini, mereka menghitung perbesaran dari berbagai kombinasi lensa.

Hipotesis Kirim Terapan (menjelaskan bagaimana teleskop pembiasan bekerja)

Observasi - Siswa mengamati sebagai guru menggunakan dua lensa dalam kombinasi untuk menghasilkan gambar seperti dengan teleskop pembiasan. Perhatian siswa tertarik pada kenyataan bahwa gambar terbalik meskipun fakta bahwa cahaya dari objek melewati dua lensa.

Manipulasi - Siswa diberi satu panjang dan satu pendek panjang fokus lensa cembung dan diperintahkan untuk "menciptakan" teleskop sendiri.

Generalisasi - Siswa mencoba untuk menjelaskan peran lensa untuk kedua proyek gambar nyata (menggunakan lensa panjang Tujuan jangka fokus) dan untuk memeriksa gambar yang dengan menggunakan kaca pembesar tangan pendek panjang fokal (lensa mata).

Verifikasi - Siswa memverifikasi bahwa bayangan nyata memang diproduksi antara obyektif dan lensa mata dengan memasukkan kartu indeks pada bidang fokus lensa objektif.

Aplikasi - Siswa menggunakan pengetahuan mereka tentang bagaimana sebuah lensa pembiasan bekerja untuk memberikan penjelasan tentang bagaimana teleskop pembiasan bekerja sesuatu yang menyatakan bahwa, "Sebuah lensa objektif menghasilkan gambar nyata pada pesawat dan lensa mata yang digunakan di luar itu bidang fokus baik untuk melihat dan memperbesar gambar yang dihasilkan. "

JPTEO

Murni hipotetis Permintaan (akuntansi untuk sifat dari hubungan perbesaran)

Observasi - Siswa melihat melalui teleskop diatur pada bangku optik yang hanya terdiri dari lensa obyektif dan lensa okuler. Teleskop ini difokuskan pada objek yang sangat jauh. Guru memperkenalkan selembar kertas ke dalam rencana fokus tujuan dimana siswa jelas melihat bahwa bayangan nyata terbentuk.

Manipulasi - Siswa informasi mengenai panjang fokus kedua lensa dan meminta untuk menentukanhubungan antara panjang fokus dan pemisahan antara lensa jika benda yang sangat jauh dengan jelas terfokus. Mereka menyimpulkan bahwa pemisahan adalah F + f, jumlah dari panjang fokus lensa obyektif dan lensa mata.

Generalisasi - Siswa menggambar diagram ray untuk objek yang jauh, lensa objektif, lensa mata, dan mata.Antara obyektif dan lensa mata, mereka menunjukkan posisi gambar rencana tujuan dan menggambar bayangan nyata terbalik dihasilkan oleh obyektif seperti panah. Dari konstruksi ini dan dengan membandingkan ukuran sudut sebenarnya dari objek dengan ukuran nyata dari objek seperti yang terlihat melalui lensa mata, siswa menentukan bahwa pembesaran sistem hanyalah sebuah rasio dari panjang fokus obyektif dan lensa mata, M / f

Verifikasi - Siswa dapat mengkonfirmasi hubungan di atas dengan membandingkannya dengan hasil darilubang jarum proyeksi aktivitas di mana M = hi / ho = di / melakukan

Aplikasi - Siswa membandingkan hasil perbesaran dari rumus, M = F / f, dan rasio ukuran sudut yang benar dan jelas objek.

Melaksanakan Tingkat Model Permintaan

Membuat urutan pembelajaran yang efektif dapat menjadi pekerjaan yang memakan menakutkan dan waktu, karena pengalaman penulis menunjukkan. Mungkin itu adalah karena banyak dari kita sebagai guru tidak memiliki banyak pengalaman secara eksplisit mengembangkan pelajaran rinci, progresif, dan semakin canggih untuk kami siswa. Jika urutan belajar berdasarkan Tingkat Model Kirim Pengajaran Sains yang akan dihasilkan, mungkin mereka harus menjadi upaya kelompok kerja seperti yang digunakan dengan proses pembelajaran pembelajaran (Stigler & Hiebert, 1999). Pendekatan ini telah digunakan dengan cukup sukses dalam program Pendidikan Guru Fisika di Illinois State University (Wenning & Khan, 2011).

Jelas, waktu yang dibutuhkan untuk mempersiapkan dan mengajarkan urutan belajar menggunakan Model Tingkat Kirim Pengajaran Ilmu cukup besar. Ini hanya salah satu dari banyak alasan bahwa beberapa guru sains gagal untuk memasukkan praktek penyelidikan dalam pengajarannya (Costenson & Lawson, 1986). Alasan lain termasuk waktu dan energi, terlalu lambat, membaca terlalu sulit, risiko terlalu tinggi, pelacakan, mahasiswa ketidakdewasaan, kebiasaan pengajaran, teks berurutan, rasa tidak nyaman, terlalu mahal, dan kurangnya bahan ajar yang memadai untuk belajar handson. Masalah-masalah ini, baik yang dirasakan atau real, dan bagaimana untuk mengatasinya telah dibahas sebelumnya oleh Wenning (2005b). In-service guru harus menyadari fakta bahwa sebagai siswa pindah berulang kali melalui berbagai tingkat penyelidikan dan siklus belajar yang terkait, seluruh proses mengembangkan jenis-jenis kegiatan belajar menjadi sifat kedua untuk guru.

Ada sumber tambahan perlawanan terhadap penyelidikan yang berasal dari sumber seperti guru sebaya, administrator sekolah, orang tua, dan bahkan siswa sendiri. Penulis telah dibahas bagaimana para guru dapat secara efektif menangani jenis resistensi melalui proses-proses perubahan iklim (Wenning, 2005c).

Memang, tidak ada guru yang berkaitan dengan luasnya cakupan serta kedalaman instruksi akan ingin menggunakan urutan belajar secara eksklusif. Yang dapat diterima dan dimengerti. Namun, untuk menggunakan pendekatan didaktis lebih (misalnya, instruksi langsung) dengan mengesampingkan dekat pengajaran inquiryoriented adalah mengganggu, seperti pengajaran dengan mengatakan dikenal bukan untuk menjadi sangat efektif untuk mengembangkan jangka panjang pemahaman. Pengajaran Persamaan berbasis sering membuat siswa dengan pemahaman konseptual sedikit berharga yang dapat segera diterapkan untuk pengalaman dunia nyata.

Tingkat penyelidikan, spektrum penyelidikan, urutan belajar, dan klasifikasi keterampilan mereka terkait akan terus disempurnakan sebagai urutan belajar yang lebih dikembangkan. Tersebut adalah pengembangan model pendidikan.

Pengakuan: Penulis ingin mengakui kontribusi yang bermanfaat untuk Manzoor Ali Khan dan Rebecca Vieyra yang mengkaji naskah asli untuk akurasi dan membuat banyak saran untuk perbaikan. Penulis dengan ini menyatakan terima kasih atas kontribusi mereka.