几乎所有大学STEM学位课程都需要入门物理学课程,这不仅是因为物理被认为是这些学科的基础,而且还因为它为学生提供了应用数学的实践经验。后者对于基于微积分的物理课程尤其如此,该课程通常为学生提供在数学课之外首次使用微积分的机会。

现在,堪萨斯大学的一组物理学家和教育工作者已经为大学水平的学生开发了一套课程,在帮助入门物理课的学生进一步练习和发展其微积分技能方面,尤其是那些考核核心数学能力较低的人,显示出很大的希望。他们将这种方法称为“能源至上”。

他们的发现发表在同行评审期刊《物理评论物理教育研究》上。

“几乎总是在入门物理课程中首先在力的背景下教授力学的情况。后来的课程显示,他们还可以应用能量的概念来解决他们已经学会解决的大多数问题的合著者之一。”工程物理总监兼KU物理与天文学副主席Christopher Fischer说道。“相反,我们决定首先讲授能量-因为第一,我们认为这是一种更普遍适用的物理思维方式。第二,它还使我们达到了为学生提供更多使用机会的次要目标。并练习他们的微积分技巧。”

从2015年秋季到今年春季,Fischer和他的KU同事监视了学生,并在KU的两个物理入门课程中进行了测试,这些课程主要由攻读物理科学和工程学学位的学生参加。首先,他们设计了“能源第一”课程。另一方面,他们继续采用更传统的方法,即在向学生传授能量之前,先向他们传授力量。

两种使用不同课程的物理课程的出现自然为研究人员提供了机会来比较两种课程中学生的成绩。

菲舍尔说:“我们试图尽最大可能将苹果与苹果进行比较。”“换句话说,我们比较了具有相同ACT数学成绩但修读不同物理课程的学生,以确定我们的新物理课程对学生成绩的影响。”

研究人员与KU卓越教学中心和KU机构研究与计划办公室合作,获取学生的ACT数学成绩。

Fischer和他的同事发现,修读新的“能源第一”物理课程的工程专业学生往往会在随后的工程课程中获得更高的成绩(例如,在机械工程课程中,必须要有两个入门物理课程中的任何一个)。

他说:“我们看到的是正在学习我们新的物理课程的工程专业学生在他们的工程专业上表现更好。”

此外,在下游工程课上对学生表现的最大好处是在数学ACT分数较低但参加了“能量优先”物理课的学生中。

菲舍尔说:“您的初始数学能力越低,收益就越大。”“因此,ACT数学成绩较低的工程专业学生通过参加这一新课程会获得更大的收益,这使我们认为,也许在本物理课中要求学生使用微积分解决更多问题的方法也能帮助他们提高他们的应用数学技能作为他们的物理技能。”

费舍尔大学KU物理与天文学系的KU同事是该论文的第一作者,物理与天文学助理教授Sarah LeGresley。詹妮弗·德尔加多(Jennifer Delgado),副教授;克里斯托弗·布鲁纳(Christopher Bruner),博士研究生;物理与天文学教授Michael Murray。

KU的研究人员通过进行更多评估来检查学生对物理内容的了解程度,再次发现“能量优先”队列中的学生比老式物理入门课程中的学生具有优势。

菲舍尔说:“另外,我们在许多不同大学使用的标准化物理概念测试中对学生的表现进行了并排比较。”“而且我们发现,新物理课程的所有学生的成绩都比传统物理课程的学生要好。”

尽管这些结果肯定表明采用“能源第一”方法,但Fischer强调,由于样本量小且仅在一所大型中西部大学中的学生人数有限,“能源第一”课程将需要在得出结论认为这是向大学生学习物理入门的一种很好的方法之前,我们尝试了更广泛的尝试。

菲舍尔说:“我们的研究没有成千上万的学生。”“我们只看了几千本。因此,其他大学尝试这一新课程以查看我们的结果是否可以复制是很重要的。确实,我们很高兴地欢迎其他机构与我们合作测试我们的结果是否可靠-那是必要。”

此外,KU研究人员希望开发并实施一种评估,以用于物理课程中,以更好地理解数学迁移。

“这种新的物理教学方法是否可以帮助学生提高应用的微积分技能?”菲舍尔说。“据我们所知,没有人针对这一特定问题进行评估。因此,我们正在尝试找出如何设计这样的工具。”

菲舍尔最后说,该团队希望从实施“能量优先”物理方法中学到的经验教训来修改该部门其他班级的课程。

“有没有办法设计类似的东西,或者至少对我们系基于代数的物理课利用这种设计方法?”他说。“这自然也激发我们去高中寻找合作者,以帮助我们开发新的和改进的物理教学方法,从而对高中生更有用。”