Различные подходы к исследованиям и инновациям в физическом образовании в колледже и университете


Модели университетского образования в области науки и техники анализируются и ставятся под сомнение во всем мире. Европейская Комиссия по повышению качества преподавания и обучения в высших учебных заведениях [1] выступает за внедрение нового подхода к университетскому образованию, который радикально ломает традиционные педагогические методы. Исследования в области физического образования связаны не только с анализом процесса преподавания и обучения на основе эмпирических данных, но и с инновациями в преподавании. Таким образом, мы представляем в данной работе как предложение по улучшению преподавания физики в классе и лаборатории, так и методику количественного анализа ответов студентов.

Проблема преподавания/обучения в физике, которая уже давно рассматривается - как преподавать концепции и теории современной физики. Кроме того, исследование находится в контексте, где студенты не будут выпускниками по физике, но являются медицинскими и другими студентами (например, студенты колледжей - http://infostudy-canada.com/college). Эти студенты должны знать основы современной физики, чтобы обращаться с технологическими инструментами своей собственной профессии. Однако преподавание и изучение этих концепций является сложной задачей как для преподавателя, так и для учащихся. В исследовании представлены различные альтернативы и возможные решения с использованием инструментов ИКТ. 

Предложения по обучению, ориентированные на тематически ориентированные требования

Около 20 лет назад мы начали преподавать современные идеи в физике студентам, которые обычно не изучают эти темы в университете. С точки зрения физических знаний и математических способностей, эти студенты находятся на противоположном конце спектра от тех студентов, которые обсуждались в других разделах этой статьи. Они, скорее всего, специализируются почти на чем угодно. Например, в самый последний курс были включены один студент-бизнесмен, два студента-философа, один студент-политолог и один студент среднего образования.

Знакомство с современной физикой студентов, которые не изучают физику глубоко, имеет значительные проблемы. Во-первых, активное вовлечение студентов в преподавание и обучение является важным выводом исследования физического образования. Эти педагогические стратегии, использующие практическую деятельность, могут стать настоящим вызовом при обучении современной физике для любого человека и еще большим вызовом для нашей аудитории, которая не имеет предыдущего опыта экспериментов. Во-вторых, большинство этих студентов не имеют математического образования, чтобы понять уравнения современной физики. Наша группа решила эти проблемы с помощью сочетания простого оборудования, письменных учебных пособий и обучающих технологий.

Методические материалы

Наша цель-дать возможность этим студентам получить качественное и, где это уместно, количественное понимание современной физики. Когда мы начинали, было очень мало материала, чтобы помочь студентам, не занимающимся физикой, изучать квантовую механику. Этот недостаток учебных материалов привел нас к разработке, при значительной поддержке со стороны Национального научного фонда США, визуальной квантовой механики [2]. В этом наборе учебных единиц интерактивная компьютерная визуализация сочетается с практическим опытом и письменными учебными материалами. В учебные материалы включены мероприятия, ориентированные на учащихся, которые касаются различных концепций и приложений к таким устройствам, как светоизлучающий диод. Таким образом, мы стремимся облегчить обучение, чтобы широкий круг студентов начал понимать основные понятия, следствия и интерпретации квантовой физики.

В последние годы многие другие разработчики создали учебные материалы, соответствующие нашим целям. Некоторые из наиболее заметных из них доступны из проекта Phet (Physics Education Technology) [3] и Центра визуализации в науке Kings (Kings Centre for Visualization in Science) [4]. Мы включили некоторые из этих мероприятий в наши усилия, а также попытались включить некоторые короткие видеоролики YouTube в интерактивные эссе. Кроме того, продолжение наиболее интересных исследований привело нас к включению новых тем, которые не являются квантовой физикой, таких как гравитационные волны.

Чтобы мотивировать изучение этих тем для будущих студентов-медиков, мы завершили набор уроков, которые знакомят с некоторыми приложениями современной физики к современной медицинской диагностике. Такие темы, как магнитно-резонансная томография (МРТ), были особенно сложными из-за их сложной природы, особенно в организме человека. Мы решили эти проблемы, используя практические действия, которые были аналогиями с реальным применением. [5]

Совсем недавно мы попытались провести онлайн-курс, используя многие из этих учебных разработок. Эта ситуация породила новые проблемы, в частности, как включить практическую деятельность. Мы добились частичного успеха, но все еще работаем над поддержанием высокого уровня интерактивности. На протяжении всех наших усилий мы основывали этот подход на данных исследований.

Исследовательский инструментарий

При разработке этих учебных материалов мы предпочитаем использовать результаты исследований других людей, а не проводить их самостоятельно. Однако мы должны провести некоторые исследования. Сегодня большинство исследований сосредоточено на эффективности онлайн-курса. Мы проводим клинические опросы и проводим концептуальные инвентаризации. Мы готовим уроки и проходим через процесс обучения. Затем пересмотрите уроки и снова пройдите через этот процесс. Иногда нам приходится возвращаться назад и переделывать наши исследования, когда они, казалось, не работали так, как мы ожидали.. Однако чаще всего результаты исследований кажутся хорошими, но урок требует некоторой работы.

В настоящее время имеется несколько учебных пособий, связанных с квантовой физикой. Они были разработаны для всех уровней студентов, начиная от ненаучных студентов до аспирантов-физиков. Эти перечни доступны в разделе оценки PhysPort [6], выбрав “Modern/Quantum.- из выпадающего меню "тема".

Последние результаты

Онлайн-курс разделен на четыре основных блока.

- Блок 1: Фундаментальные Силы, Законы Сохранения, Фотоэффект

- Блок 2: спектроскопия, дискретные энергетические уровни в атомах, энергетические полосы и промежутки в твердых телах

- Блок 3: качественная и графическая квантовая механика

- Блок 4: темы в новостях: самые последние гравитационные волны

Каждый блок имеет 4-10 модулей. Каждый модуль начинается с концептуальной карты. Модули можно посмотреть на веб-сайте системы управления курсами Университета штата Канзас [7]

Одним из аспектов оценки является выбор вопросов из перечня, которые фокусируются на концептуальных, а не на математических аспектах квантовой физики. Затем мы Далее выбираем пункты, связанные с понятиями, которые мы рассматриваем в нашем курсе. Результатом является инвентаризация, которую мы используем в качестве предварительного и последующего тестирования. Результаты последних двух лет представлены на Рис. 1.


Рисунок 1. Результаты предварительного и последующего тестирования для студентов в онлайн-курсе. Вопросы оценки были взяты из валидированных описей и были концептуальными вопросами, связанными с квантовой физикой

Эти и другие результаты, которые мы анализируем, показывают, что студенты на онлайн-курсе учатся по крайней мере так же хорошо, как и студенты на очном курсе, который мы преподаем в течение длительного времени. Объединение этих результатов с долгосрочными оценками от других преподавателей, которые использовали наши материалы, показывает, что можно успешно преподавать основную концепцию квантовой физики не-ученым.

2.2. Разработка, внедрение и оценка научно обоснованных учебных материалов для улучшения понимания студентами векторного исчисления в электродинамике

Использование математики в физике является важной темой в исследованиях физического образования. В различных исследованиях сообщается, что учащиеся изо всех сил пытаются включить свои математические знания в физику, потому что они сосредотачиваются на уравнениях и расчетах, а не на базовых понятиях [8-10]. Такие трудности также испытывают студенты, которые пытаются понять уравнения Максвелла в дифференциальной форме, в которой они должны интегрировать свои математические знания векторного исчисления в контексте электромагнетизма. В этом разделе мы кратко обсудим, как мы разработали, внедрили и оценили учебные материалы, основанные на исследованиях, чтобы улучшить понимание студентами векторного исчисления в электродинамике.

Оформление исследования

На более ранней стадии нашего исследовательского проекта мы выявили трудности студентов с векторным исчислением в математическом и электромагнитном контекстах. Мы провели предтест и посттест по использованию дивергенции и скручивания в промежуточном курсе электродинамики в трех университетах [11,12], провели индивидуальные полуструктурированные интервью со студентами, которые успешно закончили курс в КУ Левен [13], и исследовали способности студентов интерпретировать, строить и переключаться между представлениями векторных полей в четырех университетах [14]. Наши исследования подтвердили, что большинство студентов достаточно хорошо обучены выполнять вычисления с дивергенцией и завитком, но не имеют полного понимания векторных операторов. Кроме того, студенты, по-видимому, борются с переключением между диаграммами линий полей, векторными диаграммами полей и символическими выражениями векторных полей и испытывают трудности при попытке интерпретировать визуализации векторных полей в терминах дивергенции и скручивания. Кроме того, учащиеся часто не могут правильно применить уравнения Максвелла в дифференциальной форме в ситуациях, связанных с электромагнитными полями. Следовательно, мы разработали, внедрили и оценили конкретные учебные материалы, которые могут помочь студентам с использованием дивергенции и завитка в электродинамике. В отличие от первоначального обучения в KU Leuven, которое состояло в основном из традиционных подходов к обучению, интервенция использует учебный подход, который направлен на активное вовлечение студентов. Исследовательскими целями данного исследования были::

* разработка научно обоснованных учебных материалов, касающихся дивергенции и скручивания в контексте математики и физики.;

* реализовать учебные пособия в промежуточном курсе электродинамики в КУ Левен, которые используют разработанные рабочие листы, вовлекают студентов и вызывают студенческие дискуссии.;

* оценить эффективность вмешательства как полуколичественным, так и качественным способом: o оценить эффективность вмешательства путем сравнения результатов после тестирования с результатами предварительного тестирования и результатами, полученными после первоначальной инструкции.;

o определить мнение студентов о реализованных учебных пособиях.

Дизайн рабочих листов

Основываясь на трудностях, выявленных в наших предыдущих исследованиях, мы разработали специальные учебные материалы, которые призваны помочь студентам в использовании векторного исчисления в электродинамике. Таким образом, содержание рабочих листов сосредоточено на:

* студенты получают структурное понимание математических сущностей "дивергенция" и " завиток”;

* интерпретация визуализаций векторных полей в терминах дивергенции и скручивания с использованием концептуальных подходов: например, механизм коробки, чтобы решить, где дивергенция является nonzero1 или подход лопастного колеса, чтобы определить, где скручивание является nonzero2;

* интерпретация, построение и переключение между векторными графиками полей, линейными диаграммами полей и алгебраическими выражениями векторных полей.;

* поля с 1/r2 (сферической) и 1/s (цилиндрической) симметрией, исключительные с математической точки зрения, но очень распространенные в электромагнетизме.;

* концептуальное понимание уравнений Максвелла в дифференциальной форме с акцентом на локальный характер уравнений.;

* понимание связи между различными стратегиями определения дивергенции и скручивания, как в математическом, так и в физическом контекстах.:

  • интерпретация графических представлений векторных полей в терминах дивергенции и скручивания;

  • вычисление и интерпретация математических выражений с использованием векторных операторов;

  • применение уравнений Максвелла в дифференциальной форме.

Хотя существуют различные подходы к обучению, которые можно было бы использовать при изучении курса физики, мы выбрали подход, основанный на листах с руководящими запросами. Это означает, что пять наборов рабочих листов (дивергенция, завиток, закон Гаусса, закон Фарадея и закон Максвелла-Ампера) структурированы таким образом, что они направляют студентов через набор вопросов, которые намереваются помочь им с реконструкцией их концептуальных образов [15], изучением различных стратегий решения, обучением переключению между различными представлениями и связыванием математических сущностей с физическими явлениями. Рабочие листы можно найти в интернете [16], а руководство для инструкторов предоставляется по запросу.

Реализация учебных пособий

Существует несколько вариантов реализации рабочих листов, но по практическим соображениям мы выбрали метод обучения, в котором студенты обсуждают вопросы в небольших группах. Интервенция проходила на промежуточном курсе электродинамики в течение трех лет подряд в КУ Левен (2015-2017). В каждый из этих лет 20-30 физико-математических специальностей были зачислены на второй курс бакалавриата электродинамики в КУ Левен. Все они закончили вводный курс электричества и магнетизма, используя учебник Джанколи [17], ведущий к уравнениям Максвелла в интегральной форме, и по крайней мере один курс исчисления с главой о векторном исчислении, следуя учебнику Адамса и Эссекса [18]. Тринадцатинедельный курс электродинамики состоит из одной двухчасовой лекции и 1,5 часов занятий по решению задач в неделю, а содержание курса основано на учебнике Гриффитса [19]. В то время как студентам не давали никаких решений, ассистенты преподавателя присутствовали, чтобы помочь студентам и проверить их ответы на правильность.

Оценка результатов

Чтобы оценить эффективность учебных пособий, мы использовали тот же дизайн предварительного тестирования после тестирования, который был принят для оценки обучения после первоначальной инструкции. Результаты показывают, что студенты Ку Левен получили представление о математических понятиях дивергенции и завитка, были более успешны при интерпретации векторных графиков поля в терминах дивергенции и завитка и в целом улучшили свое понимание уравнений Максвелла в дифференциальной форме. Тем не менее, мы не хотим утверждать, что наши разработанные учебники являются единственным лучшим способом обучения дивергенции и завитку в электромагнитном контексте. Тем не менее, наши результаты показывают, что большинство студентов выигрывают от более сильного внимания к концептуальному пониманию и способности интерпретировать графические представления. Ответы на неофициальный оценочный документ показали, что учащиеся в целом получают удовольствие от работы с рабочими листами. Кроме того, большинство также чувствовали, что им бросают вызов, указывали, что они чему-то научились, и, казалось, были достаточно заинтересованы, чтобы взять дополнительные уроки. Хотя такие утверждения не всегда отражались в результатах, это показывает, что наш подход заинтересовал и мотивировал студентов. Поэтому мы рекомендуем преподавателям либо использовать рабочие листы, которые мы обсуждали, либо создавать свои собственные учебные материалы на основе представленной нами информации.

Использованные источники

[1] Ec.europa.eu. 2018 Report to the European Commission on Improving the quality of teaching and learning in Europe’s higher education institutions. [online] Available at:  ec.europa.eu/dgs/education_culture/repository/education/library/reports/modernisation _en.pdf [Accessed 9 Aug. 2018].

[2] Visual Quantum Mechanics 2006 [online] Available at  phys.ksu.edu/ksuper/research/vqm/index.html [Accessed 14 Aug. 2018].

[3] Physics Education Technology (2018) [online] Available at: phet.colorado.edu/ [Accessed 14 Aug. 2018].

[4] The Kings Centre for Visualization in Science 2018 [online] Available at:  kcvs.ca/ [Accessed 14 Aug. 2018].

[5] Modern Miracle Medical Machines 2013 [online] Available at:  phys.ksu.edu/ksuper/research/mmmm/index.html [Accessed 14 Aug. 2018].

[6] PhysPort Assessments 2018 [online] Available at:  physport.org/assessments/ [Accessed 14 Aug. 2018]

[7] K-State Online Physics 452 ZA [online] Available at:https://k- state.instructure.com/courses/38045 [Accessed 14 Aug. 2018]

[8] Kuo E, Hull M M, Gupta A and Elby A 2013 How students blend conceptual and formal mathematical reasoning in solving physics problems. Sci. Educ. 97 (1) pp 32-57

[9] Larkin J, McDermott L, Simon D P and Simon H A 1980 Expert and novice performance in solving physics problems, Science 208 (4450) pp 1335-42

[10] Sherin B L 2001 How Students Understand Physics Equations. Cogn. Instr. 19(4), pp 479–541 [11] Bollen L, van Kampen P and De Cock M 2015 Students’ difficulties with vector calculus in electrodynamics. Phys. Rev. Spec. Top. - Phys. Educ. Res. 11, p 20129

[12] Baily C, Bollen L, Pattie A, van Kampen P and De Cock M 2015 Student thinking about the divergence and curl in mathematics and physics contexts. in Phys. Educ. Res. Conf. Proc. (American Association of Physics Teachers) pp 51–54

[13] Bollen L, van Kampen P, Baily C and De Cock M 2016 Qualitative investigation into students’ use of divergence and curl in electromagnetism. Phys. Rev. Phys. Educ. Res. 12 p 20134

[14] Bollen L, van Kampen P, Baily C, Kelly M and De Cock M 2017 Student difficulties regarding symbolic and graphical representations of vector fields. Phys. Rev. Phys. Educ. Res. 13, p 20109

[15] Tall D and Vinner S 1981 Concept image and concept definition in mathematics with particular reference to limits and continuity. Educ. Stud. Math. 12 (2) pp 151–169

[16]    Tutorials in Electrodynamics 2018 [online] Available at: fys.kuleuven.be/slonwf [Accessed 14 Aug. 2018]

[17] Giancoli D C 2008 Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics, 4th Edition Addison-Wesley

[18] Adams R A and Essex C 2013 Calculus: A Complete Course, 8th Edition Pearson Education [19] Griffiths D J 2012 Introduction to Electrodynamics 4th Edition Addison-Wesley

[20] Bunning J B, Dreef, T, Fokkema, D B R A and Kuik G J 2016 Open inquiry experiments in physics laboratory courses. Paper presented at the GIREP 2016 Seminar, Krakow, Poland.

[21] Redfors A and Ryder J 2001 University physics students’ use of models in explanations of phenomena involving interaction between metals and electromagnetic radiation. Int J Sci Educ. 23(12) pp 1283-1301.

[22] Mestre J P 2002 Probing adults' conceptual understanding and transfer of learning via problem posing. J Appl Dev Psychol. 23 pp 9-50


Different approaches to research and innovation in physics education at college and university
J Guisasola, D Zolman, L Bollen, P van Kampen, C Baily, M De Cock, T Dreef, J Buning, D Fokkema, T Hijmans, G Kuik, C Fazio, O R Battaglia, K Zuza


Авторизация
Забыли свой пароль?