Kurser i introduktionsfysik krävs för nästan alla STEM-utbildningar vid universitetet, inte bara för att fysik anses vara grundläggande för dessa discipliner, men också för att det ger eleverna praktisk erfarenhet av tillämpad matematik. Det senare gäller särskilt för kalkylbaserade fysikkurser, som vanligtvis ger eleverna sin första exponering för att använda kalkyler utanför sina matteklasser.

Nu, ett team av fysiker och utbildare vid University of Kansas har utvecklat en läroplan för studenter på högskolenivå som visar lovande när det gäller att hjälpa elever i inledande fysikklasser att fortsätta öva och utveckla sina kalkylfärdigheter, särskilt de som testar lägre i grundläggande matematiska förmågor. De kallar metoden "energi-först".

Deras resultat visas i den peer-reviewed tidskriften Fysisk översyn Fysisk utbildning Forskning .

"Det är nästan alltid så att studenter i inledande fysikkurser först undervisas i mekanik i kraftsammanhang. Senare i kursen, de visas att de också kan tillämpa begreppet energi för att lösa de flesta av de problem de redan lärt sig att lösa med krafter, " sa medförfattaren Christopher Fischer, teknisk fysikchef och biträdande ordförande för fysik &astronomi vid KU. "Vi bestämde oss istället för att vi vill lära ut energi först - eftersom, nummer ett, vi tror att det är ett mer allmänt tillämpbart sätt att tänka om fysik. Nummer två, det gör det också möjligt för oss att uppnå vårt sekundära mål att ge eleverna fler möjligheter att använda och öva sina kalkylfärdigheter."

Från hösten 2015 till våren i år, Fischer och hans KU-kollegor övervakade studenter och utförde tester i två inledande fysikklasser vid KU som mestadels togs av studenter som studerar inom fysik och ingenjörsvetenskap. För en, de utarbetade en "energi-först" läroplan. För den andra, de höll sig till ett mer traditionellt tillvägagångssätt som lärde eleverna om krafter innan de lärde dem om energi.

Förekomsten av två olika fysikkurser med olika läroplaner gav naturligtvis en möjlighet för forskarna att jämföra elevernas resultat i de två kurserna.

"Vi försökte jämföra, så gott vi kunde, äpplen till äpplen, " sa Fischer. "Med andra ord, vi jämförde elever som hade samma ACT-mattepoäng men som tog olika fysikkurser för att avgöra vilken effekt vår nya fysikläroplan hade på elevernas resultat."

Forskarna arbetade med KU Center for Teaching Excellence och KU Office of Institutional Research &Planning för att få studenternas ACT-mattepoäng.

Fischer och hans kollegor fann att ingenjörsstudenter som tog den nya "energi-först" fysikläroplanen tenderade att få högre betyg i efterföljande ingenjörsklasser (till exempel, i en maskinteknisk klass för vilken någon av de två inledande fysikklasserna var en förutsättning).

"Vad vi såg var att ingenjörsstudenterna som tog vår nya fysikläroplan gjorde det bättre i sina ingenjörsklasser, " han sa.

Vidare, de största fördelarna med elevernas prestationer i nedströms ingenjörsklasser sågs hos elever som hade lägre matte ACT-poäng men tog fysikklassen "energi-först".

"Fördelarna var ännu större ju lägre dina ursprungliga matematiska förmågor var, " sa Fischer. "Så, ingenjörsstudenter som hade lägre ACT-mattepoäng hade större fördelar av att ta den här nya läroplanen, vilket fick oss att tänka på att kanske ge elever i uppdrag att lösa fler problem med kalkyl i den här fysikklassen hjälper dem med deras tillämpade matematikkunskaper i allmänhet, såväl som deras fysikkunskaper."

Fischers KU-kollegor i projektet från KU:s fysik- och astronomiavdelning var huvudförfattaren Sarah LeGresley, biträdande lärare i fysik och astronomi; Jennifer Delgado, docent; Christopher Bruner, en doktorand; och Michael Murray, professor i fysik &astronomi.

KU-forskarna undersökte hur väl studenterna hade tagit till sig fysikinnehållet genom att göra fler bedömningar, återigen att hitta dem i "energi-först"-kohorten hade fördelen över dem i den inledande fysikklassen i gammal stil.

"Separat, vi gjorde en sida vid sida jämförelse av studentprestationer på ett standardiserat fysikkonceptuellt test som många olika universitet använder, " Sa Fischer. "Och vi såg att alla elever i den nya fysikläroplanen klarar sig bättre än eleverna från den traditionella fysikläroplanen."

Även om dessa resultat verkligen talar för antagandet av en "energi-först"-strategi, Fischer betonade på grund av den lilla urvalsstorleken och den begränsade demografin hos studenter på endast en enda, stora mellanvästernuniversitetet, "energi-först" läroplanen skulle behöva prövas på en bredare nivå innan man drar slutsatsen att det var en överlägsen metod för att lära ut introduktionsfysik till studenter i högskoleåldern.

"Vi hade inte tiotusentals studenter i vår studie, ", sa Fischer. "Vi tittade bara på några tusen. Således, det är viktigt att andra universitet provar denna nya läroplan för att se om våra resultat kan replikeras. Verkligen, vi skulle gärna välkomna andra institutioner att samarbeta med oss ​​för att testa om våra resultat är robusta – det är viktigt."

Dessutom, KU-forskarna hoppas kunna utveckla och implementera en bedömning som kan användas i fysikklasser för att bättre förstå matteöverföring.

"Hjälper det här nya sättet att lära ut fysik eleverna att förbättra sina tillämpade kalkylfärdigheter?" sa Fischer. "Så vitt vi vet, ingen har byggt en bedömning riktad mot den specifika frågan. Så, vi försöker ta reda på hur man designar ett sådant instrument."

Till sist, Fischer sa att laget skulle vilja bygga vidare på lärdomarna från implementeringen av "energi-först" fysikmetoden för att ändra läroplanen för andra klasser på avdelningen.

"Finns det något sätt vi kan designa något liknande, eller åtminstone dra nytta av den här typen av designmetodik för vår avdelnings algebrabaserade fysikklasser?" sa han. "Detta motiverar oss naturligtvis också att nå ut till gymnasieskolor för att hitta samarbetspartners som hjälper oss att utveckla nya och förbättrade sätt att undervisa i fysik på ett sätt som skulle vara mer användbart för gymnasieelever."