Integrating immersive VR into STEM-based physics teaching: student perspectives on the Rutherford experiment simulation
ادغام واقعیت مجازی فراگیر در آموزش فیزیک مبتنی بر STEM: دیدگاه‌های دانشجویان درباره شبیه‌سازی آزمایش رادرفورد
چکیده
Introduction Teaching complex and abstract concepts in atomic physics remains challenging. Integrating STEM principles, applied-oriented learning, and immersive technologies such as virtual reality (VR) may support conceptual understanding and visualization. Methods This study combined bibliometric analysis, a quantitative meta-analysis of 15 eligible empirical studies, and a pilot VR-based assessment. The pilot involved 22 pre-service physics teachers who completed a VR-based lesson on Rutherford's experiment and evaluated the learning experience using a Likert-scale survey covering conceptual clarity, visualization and interactivity, motivation and interest, and STEM and applied orientation. Results The meta-analysis showed a strong positive effect of STEM- and applied-oriented instruction on learning outcomes, with a mean standardized difference (Cohen's d) of 1.28 (95% CI: 0.98–1.58). The pilot assessment also showed generally positive student evaluations across all four dimensions. Discussion The findings support the pedagogical potential of combining STEM-oriented, applied, and immersive approaches in atomic physics education and may inform the preparation of future physics teachers and the integration of digital technologies into secondary and higher education.
مقدمه آموزش مفاهیم پیچیده و انتزاعی در فیزیک اتمی همچنان چالش‌برانگیز است. ادغام اصول STEM، یادگیری مبتنی بر کاربرد و فناوری‌های فراگیر مانند واقعیت مجازی (VR) می‌تواند به درک مفهومی و تجسم کمک کند. روش‌ها این پژوهش با ترکیب تحلیل کتاب‌سنجی، فراتحلیل کمی ۱۵ مطالعه تجربی واجد شرایط و یک ارزیابی آزمایشی مبتنی بر VR انجام شد. در بخش آزمایشی، ۲۲ دانشجوی معلم فیزیک پیش‌خدمت در یک درس مبتنی بر VR درباره آزمایش رادرفورد شرکت کردند و تجربه یادگیری خود را با استفاده از پرسشنامه لیکرت در چهار بعد شفافیت مفهومی، تجسم و تعاملی بودن، انگیزش و علاقه‌مندی، و جهت‌گیری STEM و کاربردی ارزیابی کردند. یافته‌ها فراتحلیل نشان داد که آموزش مبتنی بر STEM و کاربردی تأثیر مثبت و قوی بر پیامدهای یادگیری دارد، با میانگین تفاوت استاندارد شده (d کوهن) برابر با ۱٫۲۸ (فاصله اطمینان ۹۵٪: ۰٫۹۸ تا ۱٫۵۸). ارزیابی آزمایشی نیز به طور کلی ارزیابی‌های مثبت دانشجویان را در هر چهار بعد نشان داد. بحث یافته‌ها از ظرفیت آموزشی ترکیب رویکردهای مبتنی بر STEM، کاربردی و فراگیر در آموزش فیزیک اتمی حمایت می‌کند و می‌تواند به آماده‌سازی معلمان آینده فیزیک و ادغام فناوری‌های دیجیتال در آموزش متوسطه و عالی کمک کند.