Forskning tyder på, at der er en bedre måde at undervise universitetsstuderende i fysik på

Kurser i indledende fysik er påkrævet for næsten alle universitets STEM-uddannelser, ikke kun fordi fysik anses for at være grundlæggende for disse discipliner, men også fordi det giver eleverne praktisk erfaring i anvendt matematik. Sidstnævnte gælder især for calculus-baserede fysikkurser, som typisk giver eleverne deres første eksponering for at bruge calculus uden for deres matematiktimer.

Nu, et team af fysikere og undervisere ved University of Kansas har udviklet et pensum for studerende på universitetsniveau, der viser løfte i at hjælpe studerende i indledende fysikklasser med at øve sig yderligere og udvikle deres calculus-færdigheder, især dem, der tester lavere i grundlæggende matematiske evner. De kalder tilgangen "energi-først."

Deres resultater vises i det peer-reviewede tidsskrift Fysisk gennemgang Fysisk uddannelsesforskning .

"Det er næsten altid sådan, at eleverne på de indledende fysikkurser først undervises i mekanik i kræftsammenhæng. Senere i forløbet vil man bl.a. de får vist, at de også kan anvende energibegrebet til at løse de fleste af de problemer, de allerede har lært at løse med kræfter, " sagde medforfatter Christopher Fischer, ingeniørfysikdirektør og associeret formand for fysik &astronomi på KU. "Vi besluttede i stedet for, at vi ville undervise i energi først - fordi, nummer et, vi synes, det er en mere generelt anvendelig måde at tænke fysik på. Nummer to, det giver os også mulighed for at nå vores sekundære mål om at give eleverne flere muligheder for at bruge og øve deres calculus færdigheder."

Fra efteråret 2015 til foråret i år, Fischer og hans KU-kolleger overvågede studerende og udførte test i to indledende fysikklasser på KU, som hovedsagelig blev taget af studerende, der læste i fysiske videnskaber og ingeniørvidenskab. For en, de udtænkte en "energi-først" læseplan. For den anden, de holdt sig til en mere traditionel tilgang, der lærte eleverne om kræfter, før de lærte dem om energi.

Tilstedeværelsen af ​​to forskellige fysikkurser ved hjælp af forskellige læseplaner gav naturligvis forskerne mulighed for at sammenligne resultaterne af studerende i de to kurser.

"Vi søgte at sammenligne, så godt vi kunne, æbler til æbler, " sagde Fischer. "Med andre ord, vi sammenlignede elever, der havde de samme ACT-matematikresultater, men som tog forskellige fysikkurser for at bestemme, hvilken effekt vores nye fysikpensum havde på elevernes resultater."

Forskerne arbejdede sammen med KU Center for Teaching Excellence og KU Office of Institutional Research &Planning for at opnå de studerendes ACT-matematikresultater.

Fischer og hans kolleger fandt ud af, at ingeniørstuderende, der tog det nye "energi-først" fysikpensum havde en tendens til at opnå højere karakterer i efterfølgende ingeniørklasser (f.eks. i en maskinmesterklasse, for hvilken en af ​​de to indledende fysikklasser var en forudsætning).

"Det, vi så, var, at de ingeniørstuderende, der tog vores nye fysikpensum, klarede sig bedre i deres ingeniørtimer, " han sagde.

Desuden, de største fordele for elevernes præstationer i downstream ingeniørklasser blev set hos elever, der havde lavere matematiske ACT-score, men tog "energi-først" fysikklassen.

"Fordelene var endnu større, jo lavere dine oprindelige matematiske evner var, " sagde Fischer. "Så, ingeniørstuderende, der havde lavere ACT-matematikresultater, havde større fordele ved at tage denne nye læseplan, hvilket fik os til at tænke på måske at give eleverne til opgave at løse flere problemer ved hjælp af calculus i denne fysiktime, hjælper dem med deres anvendte matematiske færdigheder generelt, såvel som deres fysikfærdigheder."

Fischers KU-kolleger på projektet fra KU-fysik- og astronomiafdelingen var hovedforfatter Sarah LeGresley, assisterende lærer i fysik og astronomi; Jennifer Delgado, lektor; Christopher Bruner, en ph.d.-studerende; og Michael Murray, professor i fysik og astronomi.

KU-forskerne undersøgte, hvor godt de studerende havde opfanget fysikindholdet ved at udføre flere vurderinger, igen at finde dem i "energi-først"-kohorten havde fordelen i forhold til dem i den gammeldags indledende fysiktime.

"Særskilt, vi lavede en side-om-side-sammenligning af studerendes præstationer på en standardiseret fysikkonceptuel test, som mange forskellige universiteter bruger, " sagde Fischer. "Og vi så, at alle eleverne i det nye fysikpensum klarer sig bedre end eleverne fra det traditionelle fysikpensum."

Selvom disse resultater bestemt taler for vedtagelsen af ​​en "energi-først"-tilgang, Fischer understregede på grund af den lille stikprøvestørrelse og begrænsede demografi af studerende på kun en enkelt, stort universitet i Midtvesten, "energi-først" læseplanen skulle afprøves på et bredere plan, før man konkluderede, at det var en overlegen metode til at undervise introduktionsfysik til studerende i universitetsalderen.

"Vi havde ikke titusindvis af studerende i vores undersøgelse, " sagde Fischer. "Vi kiggede kun på nogle få tusinde. Dermed, det er vigtigt, at andre universiteter prøver dette nye læseplan for at se, om vores resultater kan kopieres. Ja, vi vil gerne byde andre institutioner velkommen til at samarbejde med os for at teste, om vores resultater er robuste - det er vigtigt."

Derudover KU-forskerne håber at udvikle og implementere en vurdering til brug i fysiktimerne for at forstå matematikoverførsel bedre.

"Er denne nye måde at undervise i fysik på, der hjælper eleverne med at forbedre deres anvendte calculus færdigheder?" sagde Fischer. "Så vidt vi ved, ingen har lavet en vurdering rettet mod det specifikke spørgsmål. Så, vi forsøger at finde ud af, hvordan man designer sådan et instrument."

Endelig, Fischer sagde, at holdet gerne vil bygge videre på erfaringerne fra implementeringen af ​​"energy-first" fysiktilgangen for at ændre læseplanen for andre klasser i afdelingen.

"Er der en måde, vi kan designe noget lignende, eller i det mindste drage fordel af denne form for designmetodologi til vores afdelings algebra-baserede fysikklasser?" sagde han. "Dette motiverer os naturligvis også til at nå ud til gymnasier for at finde samarbejdspartnere til at hjælpe os med at udvikle nye og forbedrede måder at undervise i fysik på. på en måde, der ville være mere nyttig for gymnasieelever."