A novel approach for investigating students’ learning progression for the concept of phase transitions

Learning fundamental concepts in science in order to develop deep understanding of complex scientific concepts is an essential task. However, research that uses rigorous methods to investigate how students’ concepts develop over time is limited. In this article, we answer two key questions about learning progressions for the concept of phase transitions: (1) what mental models of matter and phase change do students possess across grades, and (2) what conceptual pathways do students follow for these concepts? We describe the results from a study involving fourth, fifth, and seventh through twelfth grade students (N = 832). Our work led to two main findings. First, students’ mental models of the targeted concepts gradually shifted from direct and sensory to synthetic and then to scientific-like. Second, based on our cladistics analysis, we found that some crucial concepts developed before students possessed scientific models. Our results provide a novel perspective from which to revisit learning progressions associated with the development of core scientific knowledge.

ResumenEl aprendizaje de conceptos fundamentales en ciencia con el fin de facilitar la comprensión de conceptos más complejos es una tarea educativa esencial. Sin embargo, las investigaciones que se basan en el uso de métodos rigurosos para estudiar cómo se desarrollan los conceptos de los estudiantes a través tiempo son limitadas. En este artículo respondemos a dos preguntas claves sobre progresiones de aprendizaje del concepto de transiciones de fase: (1) ¿Qué modelos mentales sobre la materia y los cambios de fase poseen los estudiantes de diferentes grados escolares? y (2) ¿Qué trayectorias conceptuales siguen los estudiantes al aprender estos conceptos? Presentamos los resultados de un estudio que involucró estudiantes en los grados cuarto, quinto y de séptimo a doceavo (N = 832). Nuestro trabajo dio lugar a dos resultados principales. Primero, los modelos mentales de los estudiantes sobre los conceptos estudiados cambiaron gradualmente de directos y sensoriales a sintéticos, y después a de tipo científico. Segundo, con base en un análisis de cladística, encontramos conceptos cruciales que deben desarrollarse antes de que los estudiantes posean los conceptos científicos. Nuestros resultados proporcionan una perspectiva novedosa desde la cual abordar el estudio de progresiones de aprendizaje sobre conocimientos científi-cos fundamentales.