Student engagement and conceptual change through gamified flipped classrooms in biology education

Abstract

The gamified flipped classroom (GFC) is an extension of the traditional flipped classroom (FC) that embeds gamification elements into digital independent learning prior to face-to-face sessions. This study addresses the limited student engagement and persistent misconceptions commonly found in ecosystem learning by comparing students’ cognitive engagement, conceptions, and conceptual change patterns when learning through FC and GFC. A quasi-experimental design was employed involving 70 tenth-grade students assigned to FC and GFC groups, with learning conducted over four meetings. Cognitive engagement was measured using the four-scale Student Course Cognitive Engagement Instrument (SCCEI) after the intervention, supported by semi-structured interviews and documentation of student learning notes. Students’ conceptions were assessed using a four-tier multiple-choice test administered before and after learning, and conceptual change patterns were examined based on shifts in conception categories from pretest to posttest. The data were analyzed descriptively. The results indicate that students who learned through GFC demonstrated higher cognitive engagement across all indicators, developed more scientifically accurate conceptions, and exhibited more positive conceptual change patterns than those who learned through FC. GFC was particularly effective in reducing misconceptions, increasing sound understanding, and promoting construction-type conceptual changes. These findings suggest that integrating gamification into flipped classroom learning can enhance cognitive engagement and support deeper reconstruction of students’ conception in biology education. It is recommended that GFC be considered as an alternative instructional strategy to improve concept mastery in ecosystem learning and to support more meaningful student engagement.Kelas terbalik yang diintegrasikan dengan elemen permainan (gamified flipped classroom, GFC) merupakan pengembangan dari kelas terbalik tradisional (flipped classroom, FC) yang mengintegrasikan elemen permainan ke dalam pembelajaran mandiri digital sebelum sesi tatap muka. Studi ini membahas keterlibatan siswa yang terbatas dan kesalahpahaman yang persisten yang sering ditemukan dalam pembelajaran ekosistem dengan membandingkan keterlibatan kognitif, konsepsi, dan pola perubahan konseptual siswa saat belajar melalui FC dan GFC. Desain quasi-eksperimental digunakan melibatkan 70 siswa kelas X yang dibagi secara merata ke dalam kondisi FC dan GFC. Pembelajaran dilakukan melalui empat pertemuan. Keterlibatan kognitif diukur menggunakan instrumen Student Course Cognitive Engagement Instrument (SCCEI) empat skala setelah intervensi, didukung oleh wawancara semi-terstruktur dan dokumentasi catatan belajar siswa. Konsepsi siswa dievaluasi menggunakan tes pilihan ganda empat tingkatan yang diberikan sebelum dan setelah pembelajaran, sedangkan pola perubahan konseptual dianalisis berdasarkan pergeseran kategori konsepsi dari pra-tes ke pasca-tes. Data dianalisis secara deskriptif. Temuan menunjukkan bahwa siswa yang belajar melalui GFC menunjukkan keterlibatan kognitif yang lebih tinggi pada semua indikator, mengembangkan konsepsi yang lebih akurat secara ilmiah, dan menunjukkan pola perubahan konseptual yang lebih positif dibandingkan dengan mereka yang belajar melalui FC. GFC secara signifikan mengurangi kesalahpahaman, meningkatkan proporsi siswa yang mencapai pemahaman yang kokoh, dan menghasilkan persentase yang lebih tinggi dari perubahan konseptual tipe konstruksi. Secara keseluruhan, hasil ini menyoroti potensi GFC untuk memperkuat keterlibatan kognitif dan mempromosikan rekonstruksi konseptual yang lebih dalam dalam pembelajaran biologi, terutama pada topik ekosistem.