Исследования в области физического образования

Тип исследования в области образования

Исследования в области физического образования (PER) — это форма дисциплинарных исследований в области образования, специально связанных с изучением преподавания и изучения физики , часто с целью повышения эффективности обучения студентов. PER черпает знания из других дисциплин, таких как социология , когнитивная наука , образование и лингвистика , ^[1] и дополняет их, отражая дисциплинарные знания и практику физики. ^[2] Около восьмидесяти пяти учреждений в Соединенных Штатах проводят исследования в области науки и физического образования.

Цели

Одной из основных целей PER является разработка педагогических методов и стратегий, которые помогут студентам более эффективно изучать физику и помогут преподавателям внедрять эти методы. Поскольку даже базовые идеи в физике могут быть запутанными, а также возможность научных заблуждений, сформированных в результате обучения с помощью аналогий, лекции часто не стирают распространенные заблуждения о физике, которые студенты приобретают до того, как им преподают физику. Исследования часто фокусируются на том, чтобы узнать больше о распространенных заблуждениях, которые студенты приносят в класс физики, чтобы можно было разработать методы, которые помогут студентам преодолеть эти заблуждения.

В большинстве вводных курсов физики механика обычно является первой изучаемой областью физики. Законы движения Ньютона о взаимодействии сил и объектов являются центральными для изучения механики. Многие студенты придерживаются аристотелевского заблуждения о том, что для поддержания движения тела требуется результирующая сила; вместо этого движение моделируется в современной физике с помощью первого закона инерции Ньютона , гласящего, что тело будет сохранять свое состояние покоя или движения, если на тело не будет действовать результирующая сила . Как и студенты , которые придерживаются этого заблуждения, Ньютон пришел к своим трем законам движения посредством эмпирического анализа, хотя он сделал это с помощью обширного изучения данных, которые включали астрономические наблюдения. Студенты могут стереть такое заблуждение в почти безтрений среде, где они обнаруживают, что объекты движутся с почти постоянной скоростью без постоянной силы.

Основные области

Основная цель сообщества PER — понять процессы, связанные с преподаванием и изучением физики, посредством тщательного научного исследования.

По данным группы PER Вашингтонского университета, одного из пионеров в этой области, ^[3] работа в рамках PER, как правило, подпадает под одно или несколько из нескольких общих описаний, включая:

• Выявление трудностей у студентов
• Разработка методов преодоления этих трудностей и измерения результатов обучения
• Разработка опросов для измерения успеваемости и других характеристик учащихся
• Исследование взглядов и убеждений студентов в отношении физики
• Изучение динамики малых и больших групп, анализ студенческих моделей с использованием фрейминга и других новых и существующих эпистемологических методов ^[4]

В работе Роберта Бейхнера «Введение в исследования в области физического образования» ^[5] определены восемь тенденций в области PER:

• Концептуальное понимание: изучение того, что знают студенты и как они это изучают, является центральным элементом PER. Ранние исследования включали выявление и устранение неверных представлений о принципах физики. С тех пор этот термин превратился в «трудности студентов» на основе рассмотрения альтернативных теоретических рамок для обучения студентов. Трудность с концепцией может быть встроена в правильную концепцию; неправильное представление искореняется и заменяется правильной концепцией. Группа PER в Университете Вашингтона специализируется на исследованиях концептуального понимания и трудностей студентов. ^[6]
• Эпистемология : PER начинался как метод проб и ошибок для улучшения обучения. Из-за недостатков такого подхода теоретические основы для исследований были разработаны на раннем этапе, в первую очередь в Университете Мэриленда . Теоретические основы PER в основном построены вокруг конструктивизма Пиажетта . Теории познания в обучении физике были выдвинуты Редишем, Хаммером, Элби и Шерром ^[7] , которые основывались на «Знании по частям» ДиСессы. Структура ресурсов ^[8] , разработанная на основе этой работы, основывается на исследованиях в области нейронауки, социологии, лингвистики, образования и психологии. Ожидаются дополнительные структуры, последней из которых является «Структура возможностей» ^[9] , которая основывается на исследованиях дедуктивного рассуждения, начатых Уэйсоном и Филиппом Джонсоном-Лэрдом .
• Решение проблем: играет важную роль в процессах, которые продвигают физические исследования, представленные в большом количестве упражнений в обычных учебниках. Большинство исследований в этой области основаны на изучении разницы между новичками и экспертами в решении проблем (первокурсники и второкурсники, а также аспиранты и постдокторанты соответственно). Подходы к исследованию решения проблем были в центре внимания группы PER Университета Миннесоты . Недавно в PRL Special Section: PER была опубликована статья, в которой было идентифицировано более 30 поведений, отношений и навыков, которые используются при решении типичной физической проблемы. Более высокая разрешающая способность и особое внимание к деталям используются в области решения проблем.
• Отношение: Университет Колорадо разработал инструмент, который выявляет отношение и ожидания студентов относительно физики как предмета и как класса. Отношение студентов часто ухудшается после традиционного обучения, но недавние работы Редиша и Хаммера показывают, что это можно обратить вспять и можно увидеть позитивные изменения отношения, если уделять внимание «разъяснению эпистемологических элементов неявной учебной программы». ^[10]
• Социальные аспекты: Исследования проводились по гендерным, расовым и другим социально-экономическим вопросам, которые могут влиять на обучение физике и другим дисциплинам. Другие исследования изучали влияние на обучение физике языка тела, групповой динамики и обстановки в классе.
• Технологии: Системы ответов учащихся (кликеры) основаны на работе Эрика Мазура в Peer Instruction. Исследования в PER изучают влияние, применение и возможности технологий в классе.
• Учебные вмешательства: учебная программа PER основана на более чем двух десятилетиях исследований в области физического образования. Известные учебники включают Tutorials in Physics , Physics by Inquiry , Investigative Science Learning Environment и Paradigms in Physics , а также множество новых учебников для вводного и младшего уровня. Исследовательская группа по физическому образованию Университета штата Канзас разработала программу Visual Quantum Mechanics (VQM) для обучения квантовой механике учащихся старших классов и колледжей, не имеющих продвинутой подготовки в области физики или математики.
• Учебные материалы: Для студентов старших курсов издатели теперь подчеркивают основу PER для своих учебников по физике как главный аргумент в пользу продажи. Один из самых ранних всеобъемлющих учебников по физике, включающих результаты PER, был написан Сервеем и Бейхнером. Помимо учебников, учебные материалы для студентов-физиков довузов теперь включают моделирование PhET (технология физического образования). Это стало возможным благодаря достижениям в области аппаратного обеспечения персональных компьютеров, платформенно-независимого программного обеспечения, такого как Adobe Flash Player и Java , а в последнее время HTML5 , ^[11] CSS3 и JavaScript . ^[12] По словам Вимана, ^[13] моделирование PhET предлагает прямой и мощный инструмент для проверки мышления и обучения студентов.

Ассоциация журналов

Научные статьи по физическому образованию в Соединенных Штатах в основном публикуются четырьмя издательствами. ^[14] Статьи, представленные в American Journal of Physics : Physics Education Research Section (PERS), в основном предназначены для потребителей исследований в области физического образования. Journal of the Learning Sciences (JLS) публикует статьи, которые касаются реальных или нелабораторных сред, часто в контексте технологий, и посвящены обучению, а не преподаванию. Между тем, статьи в Physical Review Special Topics: Physics Education Research (PRST:PER) нацелены на тех, для кого проводятся исследования в области PER, а не на потребителей. Аудитория Physics Education Research Conference Proceedings (PERC) рассчитана на смесь потребителей и исследователей. Последний дает представление о состоянии области и, как таковой, открыт для предварительных результатов и текущих исследований, а также статей, которые просто могли бы навести на размышления для сообщества PER. Другие журналы включают Physics Education (Великобритания), European Journal of Physics (Великобритания) и The Physics Teacher . Леон Сю и другие опубликовали статью о публикации и рецензировании статей в области исследований в области физического образования в 2007 году. ^[14]

Смотрите также

• Преподавание квантовой механики

Ссылки

1. Docktor, Jennifer L.; Mestre, José P. (2014-09-16). "Синтез исследований в области образования на основе дисциплин в физике". Physical Review Special Topics - Исследования в области образования в физике . 10 (2): 020119. Bibcode : 2014PRPER..10b0119D. doi : 10.1103/PhysRevSTPER.10.020119 .
2. Совет, Национальный исследовательский (2012-05-21). Исследования в области образования на основе дисциплин: понимание и улучшение обучения в области бакалавриата по естественным наукам и технике. doi : 10.17226/13362. ISBN 978-0-309-25411-3.
3. Исследования в области физического образования | Группа физического образования
4. Фернандес, ФБ (2017). «Исследование действием на уроках физики: влияние аутентичного обучения или обучения на основе исследования на изучение тепловой физики». Asia-Pacific Science Education . 3 (1): 1–20. doi : 10.1186/s41029-017-0014-z .
5. Роберт Дж. Бейхнер (2009). «Введение в исследования в области физического образования». В книге Чарльза Р. Хендерсона и Кэтлин А. Харпер. Начало работы с PER. Обзоры в PER 2.
6. Макдермотт (2010). Персональная история исследований в области физического образования и группа физического образования в Вашингтонском университете. неопубликовано. стр. 1–81.
7. «Ресурсы, фрейминг и передача»
8. Redish Edward F (2014). «Лекция Эрстеда 2013: Как нам следует думать о том, как думают наши студенты?». American Journal of Physics . 82 (6): 537–551. arXiv : 1308.3911 . Bibcode : 2014AmJPh..82..537R. doi : 10.1119/1.4874260. S2CID  119231128.
9. "Архивная копия" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2016-03-04 . Получено 2019-12-04 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
10. Редиш, Эдвард Ф.; Хаммер, Дэвид (2009-07-01). «Переосмысление физики колледжа для биологов: объяснение эпистемологической учебной программы». American Journal of Physics . 77 (7): 629–642. arXiv : 0807.4436 . Bibcode : 2009AmJPh..77..629R. doi : 10.1119/1.3119150. ISSN  0002-9505. S2CID  46304837.
11. «Инструкции по исходному коду PhET».
12. Сескир, ZC; Мигдал, П.; Вайднер, К.; Анупам, А.; Кейс, Н.; Дэвис, Н.; Декароли, К.; Эрджан, И; Фоти, К.; Гора, П.; Янкевич, К.; Ла Кур, БР; Мало, JY; Манискалько, С.; Наэми, А.; Нита, Л.; Парвин, Н.; Скафиримуто, Ф.; Шерсон, Дж. Ф.; Сурер, Э.; Вуттон, младший; Ага, Л.; Забелло, О.; Чиофало, М. (2022). «Квантовые игры и интерактивные инструменты для распространения и образования квантовых технологий». Оптическая инженерия . 61 (8): 081809–1–081809–38. arXiv : 2202.07756 . Bibcode : 2022OptEn..61h1809S. doi : 10.1117/1.OE.61.8.081809.
13. Виман, Карл; Перкинс, Кэтрин; Адамс, Венди (28.10.2007). «Лекция на вручении медали Эрстеда 2007: Интерактивное моделирование для преподавания физики: что работает, что нет и почему» (PDF) . American Journal of Physics . 76 (4 & 5): 393–399. doi :10.1119/1.2815365. S2CID  30005032.
14. Леон Хсу и др. (2007). «Публикация и рецензирование статей в исследованиях по физическому образованию». Конференция по исследованиям в области физического образования 951: 3–6.