Cursussen in inleidende natuurkunde zijn vereist voor bijna alle universitaire STEM-opleidingen, niet alleen omdat natuurkunde als fundamenteel wordt beschouwd voor die disciplines, maar ook omdat het studenten praktische ervaring opdoet in toegepaste wiskunde. Dit laatste geldt vooral voor op calculus gebaseerde natuurkundecursussen, die studenten doorgaans voor het eerst kennis laten maken met het gebruik van calculus buiten hun wiskundelessen.

Nutsvoorzieningen, een team van natuurkundigen en docenten aan de Universiteit van Kansas heeft een curriculum ontwikkeld voor studenten op universitair niveau dat veelbelovend is voor het helpen van studenten in inleidende natuurkundelessen om hun rekenvaardigheden verder te oefenen en te ontwikkelen, vooral degenen die lager testen in wiskundige basisvaardigheden. Ze noemen de benadering 'energie eerst'.

Hun bevindingen verschijnen in het peer-reviewed tijdschrift Physical Review Natuurkunde Onderwijs Onderzoek .

“Bij inleidende natuurkundevakken komt het vrijwel altijd voor dat studenten eerst mechanica leren in de context van krachten. Later in de cursus wordt ze laten zien dat ze het concept energie ook kunnen toepassen om de meeste problemen op te lossen die ze al met krachten hebben leren oplossen, " zei co-auteur Christopher Fischer, technisch directeur natuurkunde en universitair hoofddocent natuurkunde en sterrenkunde aan de KU. "In plaats daarvan hebben we besloten dat we eerst energie willen onderwijzen, omdat, nummer een, wij denken dat het een meer algemeen toepasbare manier van denken over natuurkunde is. Nummer twee, het stelt ons ook in staat om ons secundaire doel te bereiken om de leerlingen meer mogelijkheden te bieden om hun rekenvaardigheden te gebruiken en te oefenen."

Van het najaar van 2015 tot het voorjaar van dit jaar, Fischer en zijn KU-collega's volgden studenten en voerden tests uit in twee inleidende natuurkundelessen aan de KU, die voornamelijk werden gevolgd door studenten die een diploma in de natuurwetenschappen en techniek volgden. Voor een, ze bedachten een "energy-first" curriculum. Voor de andere, ze hielden vast aan een meer traditionele benadering die studenten leerde over krachten voordat ze hen leerden over energie.

De aanwezigheid van twee verschillende natuurkundecursussen met verschillende curricula bood de onderzoekers natuurlijk de mogelijkheid om de resultaten van studenten in de twee cursussen te vergelijken.

"We probeerden te vergelijken, zo goed als we konden, appels naar appels, " zei Fischer. "Met andere woorden, we vergeleken studenten die dezelfde ACT-wiskundescores hadden maar verschillende natuurkundecursussen volgden om te bepalen welk effect ons nieuwe natuurkundecurriculum had op de resultaten van studenten."

De onderzoekers werkten samen met het KU Centre for Teaching Excellence en het KU Office of Institutional Research &Planning om de ACT-wiskundescores van de studenten te verkrijgen.

Fischer en zijn collega's ontdekten dat technische studenten die het nieuwe "energy-first" natuurkundecurriculum volgden, de neiging hadden hogere cijfers te halen in daaropvolgende technische lessen (bijvoorbeeld in een werktuigbouwkundeles waarvoor een van de twee inleidende natuurkundelessen een vereiste was).

"Wat we zagen was dat de technische studenten die ons nieuwe natuurkundecurriculum volgden, het beter deden in hun technische lessen, " hij zei.

Verder, de grootste voordelen voor de prestaties van studenten in downstream-technische lessen werden gezien bij studenten die lagere ACT-scores voor wiskunde hadden, maar de "energie-eerst" natuurkundeles volgden.

"De voordelen waren nog groter naarmate je aanvankelijke wiskundige vaardigheden lager waren, " zei Fischer. "Dus, technische studenten die lagere ACT-wiskundescores hadden, hadden grotere voordelen van het volgen van dit nieuwe curriculum, wat ons aan het denken zette, misschien is het helpen van studenten met het oplossen van meer problemen met behulp van calculus in deze natuurkundeles hen met hun toegepaste wiskundige vaardigheden in het algemeen, evenals hun fysieke vaardigheden."

Fischer's KU-collega's aan het project van de afdeling natuurkunde en sterrenkunde van de KU waren hoofdauteur Sarah LeGresley, universitair docent natuurkunde &sterrenkunde; Jennifer Delgado, universitair hoofddocent; Christoffel Bruner, een doctoraatsstudent; en Michael Murray, hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde.

De KU-onderzoekers onderzochten hoe goed studenten de natuurkunde-inhoud hadden opgepikt door meer assessments uit te voeren, opnieuw het vinden van degenen in het "energie-eerst" cohort had de voorsprong op die in de inleidende natuurkundeklas van de oude stijl.

"Afzonderlijk, we hebben de prestaties van studenten naast elkaar vergeleken op een gestandaardiseerde conceptuele natuurkundetest die veel verschillende universiteiten gebruiken, Fischer zei. "En we zagen dat alle studenten in het nieuwe natuurkundecurriculum het beter doen dan de studenten uit het traditionele natuurkundecurriculum."

Hoewel deze resultaten zeker pleiten voor een "energy-first"-benadering, Fischer benadrukte vanwege de kleine steekproefomvang en de beperkte demografie van studenten op slechts één, grote universiteit in het Midwesten, het 'energie-eerst'-curriculum zou op een breder niveau moeten worden uitgeprobeerd voordat geconcludeerd kon worden dat het een superieure methode was om inleidende natuurkunde aan studenten van de universiteitsleeftijd te onderwijzen.

"We hadden geen tienduizenden studenten in onze studie, " zei Fischer. "We hebben er maar een paar duizend bekeken. Dus, het is belangrijk dat andere universiteiten dit nieuwe curriculum proberen om te zien of onze resultaten kunnen worden gerepliceerd. Inderdaad, we zouden graag andere instellingen verwelkomen om met ons samen te werken om te testen of onze resultaten robuust zijn - dat is essentieel."

Aanvullend, de KU-onderzoekers hopen een assessment te ontwikkelen en te implementeren voor gebruik in de natuurkundelessen om wiskundeoverdracht beter te begrijpen.

"Helpt deze nieuwe manier om natuurkunde te onderwijzen studenten om hun toegepaste rekenvaardigheden te verbeteren?" aldus Fischer. "Voor zover we weten, niemand heeft een beoordeling gemaakt die op die specifieke vraag is gericht. Dus, we proberen erachter te komen hoe we zo'n instrument kunnen ontwerpen."

Eindelijk, Fischer zei dat het team wil voortbouwen op de lessen die zijn getrokken uit de implementatie van de "energie-eerst" fysica-benadering om het curriculum van andere klassen op de afdeling aan te passen.

"Is er een manier waarop we iets soortgelijks kunnen ontwerpen, of op zijn minst profiteren van dit soort ontwerpmethodologie voor de op algebra gebaseerde natuurkundelessen van onze afdeling?', zei hij. op een manier die nuttiger zou zijn voor middelbare scholieren."