Forskning afslører chokerende svaghed ved laboratoriekurser

Med den nye vægt på hands-on, aktiv læring gennem de videregående uddannelser, laboratoriekurser ser ud til at have en fordel - hvad kunne være mere aktivt end at lave eksperimenter? Men overraskende ny forskning afslører, at traditionelle laboratorier ikke lever op til deres pædagogiske mål.

I et papir udgivet 2. januar i Fysik i dag , "Introduktionsfysiklabs:Vi kan gøre det bedre, "Natasha Holmes, Cornell assisterende professor i fysik, og nobelpristageren Carl Wieman fra Stanford University rapporterer om deres analyse af ni indledende fysiklaboratoriekurser ved tre institutioner, undervist af syv instruktører og involverer næsten 3, 000 elever. Laboratorierne var alle designet til at understøtte elevernes læring af det tilknyttede forelæsningskursusindhold. Fordi laboratorieafsnittene var valgfrie, forskerne kunne sammenligne resultaterne med en kontrolgruppe af studerende, der ikke tog laboratoriekurserne.

Resultaterne var så konsistente, og så afgrundsdyb, at forskerne kalder det "chokerende". De skriver, at "med en høj grad af præcision, der var ingen statistisk målbar laboratoriefordel. ... Ingen af ​​de gennemsnitlige virkninger var større end 2 procent statistisk; de kunne alle ikke skelnes fra nul."

Selv når forskerne begrænsede deres analyse til eksamensspørgsmål, der ikke krævede kvantitative beregninger, men kun konceptuel ræsonnement, der burde have været forbedret i et laboratoriekursus, de fik de samme resultater for laboratoriefordelen:nul.

Det er meningen, at laboratoriekurser skal gøre det muligt for studerende at se, hvordan fysikprincipper fungerer i det virkelige liv; at udføre eksperimenter skal hjælpe dem med at forstå fysik bedre og styrke klasseundervisningen. Hvorfor sker det ikke?

"Selvom man kan tro, at laboratorier i sagens natur er aktive, vores forskning viser, at i traditionelle laboratorier kan eleverne være aktive med deres hænder, men de er ikke rigtig aktive med deres hjerner, " siger Holmes. "At følge udenadsprocedurer for at få et forbudt resultat i slutningen gør ikke en hel masse."

I omfattende interviews med studerende, Holmes og Wieman skriver, at de fandt, "den eneste tanke, de studerende sagde, de gjorde i strukturerede og indholdsfokuserede laboratorier ... var i at analysere data og kontrollere, om det var muligt at afslutte laboratoriet i tide."

I en typisk laboratorieaktivitet, "de relevante ligninger og principper er fastlagt i præamblen; eleverne får at vide, hvilken værdi de skal få for en bestemt måling eller får ligningen til at forudsige denne værdi; de får at vide, hvilke data de skal indsamle, og hvordan de skal indsamle dem; og ofte får endda at vide, hvilke knapper der skal trykkes på udstyret for at producere det ønskede output, " skriver forskerne.

Studerende i traditionelle laboratorier, derfor, behøver ikke at tænke på fysikindhold, men kun hvordan man følger instruktionerne korrekt. Men, skriv Holmes og Wieman, "at overvinde forhindringer og lære af fiasko er vitale færdigheder for enhver eksperimentel videnskabsmand... Også vigtigt [er] at have tid både til at reflektere over disse beslutninger og deres resultater og til at rette og forbedre eksperimenterne iterativt."

Det innovative laboratoriedesign, som Holmes og Wieman tilbyder som et alternativ i deres papir - strukturerede kvantitative undersøgelseslaboratorier (SQILabs) - understreger iterativ eksperimentering, beslutningstagning og udvikling af kvantitativ kritisk tænkning. Mens SQILab-aktiviteter giver eleverne et begrænset og realistisk mål, eleverne bestemmer, hvordan eksperimentet skal udføres og fortolker dataene. De har mulighed for at fejlfinde, revidere og teste modeller, og prøve nye ting.

Forskerne fandt ud af, at SQILab-aktiviteter er sjovere for eleverne og mindsker deres følelse af frustration, når tingene ikke går som planlagt. Eleverne var også mindre tilbøjelige til at manipulere dataene til et ønsket resultat.

"I stedet for at blive set af eleverne som meningsløse og frustrerende bøjler, der skal springes igennem, indledende fysiklaboratorier kan i stedet tilbyde givende intellektuelle oplevelser, " konkluderer Holmes og Wieman.