Исследования в области физического образования - Physics education research

Исследования в области физического образования (PER) - это форма дисциплинарные исследования в области образования специально относящиеся к изучению преподавания и изучения физика, часто с целью повышения эффективности обучения студентов. Примерно восемьдесят пять учебных заведений в Соединенных Штатах проводят исследования в области естественных наук и физического образования.

Цели

Количество публикаций об идеях студентов относительно библиографии Duit (2005 г.)
Фрагмент	Публикация
Механика (сила)*	792
Электричество (электрическая цепь)	444
Оптика	234
Модель частицы	226
Теплофизика (тепло / темп.)	192
Энергия	176
Астрономия (Земля в космосе)	121
Квантовая физика	77
Нелинейные системы (хаос)	35
Звук	28
Магнетизм	25
Относительность	8
* Преобладающее понятие в скобках. По материалам Duit, R., H. Niedderer и H. Schecker (см. Ссылку).

Одной из основных целей PER является разработка педагогических методов и стратегий, которые помогут студентам более эффективно изучать физику и помогут преподавателям применять эти методы. Поскольку даже основные идеи в физике могут сбивать с толку, а также возможность научных заблуждений, сформированных в результате преподавания через аналогии, чтение лекций часто не стирает распространенных заблуждений о физике, которые студенты приобретают до того, как их обучают физике. Исследования часто сосредоточены на том, чтобы узнать больше об общих заблуждениях, которые студенты привносят в класс физики, чтобы можно было разработать методы, которые помогут студентам преодолеть эти заблуждения.

В большинстве вводных курсов физики механика Обычно это первая изучаемая область физики. Законы движения Ньютона о взаимодействиях между силами и объектами занимают центральное место в изучении механики. Многие студенты держат Аристотелевское заблуждение что для поддержания движения тела требуется чистая сила; вместо этого движение моделируется в современной физике с помощью Первый закон Ньютона из инерция, заявляя, что тело будет сохранять состояние покоя или движения, если сеть сила действует на организм. Подобно студентам, придерживающимся этого заблуждения, Ньютон пришел к своим трем законам движения посредством эмпирического анализа, хотя он сделал это с помощью обширного исследования данных, включая астрономические наблюдения. Учащиеся могут стереть такое заблуждение в среде, где практически отсутствует трение, когда они обнаруживают, что объекты движутся с почти постоянной скоростью без постоянной силы.

Основные направления

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

По данным группы PER Вашингтонского университета, одного из пионеров в этой области,^[1] работа в рамках PER имеет тенденцию подпадать под одно или несколько общих описаний, включая:

• выявление студенческих трудностей
• разработка методов решения этих трудностей и измерения результатов обучения
• разработка опросов для измерения успеваемости учащихся и других характеристик
• изучение отношения и убеждений студентов к физике
• изучение динамики малых и больших групп, анализ моделей учеников с использованием фреймов и других новых и существующих эпистемологических методов

"Введение в исследования в области физического образования" Роберта Байхнера,^[2] определяет восемь тенденций в PER:

• Концептуальное понимание: изучение того, что студенты знают и как они изучают это, является центральным элементом PER. Ранние исследования включали выявление и устранение неправильных представлений о принципах физики. С тех пор этот термин превратился в «студенческие трудности» на основании рассмотрения альтернативных теоретических основ обучения студентов. Сложность с концепцией может быть встроена в правильную концепцию; заблуждение искореняется и заменяется правильным представлением. Группа PER на Вашингтонский университет специализируется на исследованиях концептуального понимания и трудностей студентов.^[3]
• Эпистемология: PER начинался как метод проб и ошибок для улучшения обучения. Из-за недостатков такого подхода теоретические основы исследований были разработаны на раннем этапе, в первую очередь благодаря Университет Мэриленда. Теоретические основы PER в основном построены вокруг Конструктивизм Пиаже. Теории познания в обучении физике были выдвинуты Редишем, Хаммером, Элби и Шерром,^[4] кто построил на diSessa "Знание в кусочках". Структура ресурсов,^[5] разработана на основе этой работы, основывается на исследованиях в области нейробиологии, социологии, лингвистики, образования и психологии. В ближайшее время появятся дополнительные рамки, последняя из которых - "Структура возможностей",^[6] который основан на исследовании дедуктивного мышления, начатом Был на и Филип Джонсон-Лэрд.
• Решение проблем: оно играет важную роль в процессах, продвигающих исследования физики, о чем говорится в большом количестве упражнений в обычных учебниках. Большинство исследований в этой области основано на изучении разницы между новичками и экспертами в решении проблем (первокурсниками и второкурсниками, а также аспирантами и докторантами, соответственно). Подходы к исследованию решения проблем были в центре внимания Университет Миннесоты группа PER. Недавно в специальном разделе PRL: PER была опубликована статья, в которой было определено более 30 моделей поведения, отношения и навыков, которые используются при решении типичной физической задачи. В области решения проблем используется большее разрешение и особое внимание к деталям.
• Отношения: Колорадский университет разработал инструмент, который выявляет отношения и ожидания студентов в отношении физики как предмета и как класса. Отношение студентов часто снижается после традиционного обучения, но недавние работы Редиша и Хаммера показывают, что это можно изменить, и можно увидеть положительные изменения в установках, если уделять внимание «объяснению эпистемологических элементов имплицитной учебной программы».^[7]
• Социальные аспекты: были проведены исследования пола, расы и других социально-экономических вопросов, которые могут повлиять на обучение по физике и другим областям. Другое исследование изучало влияние языка тела, групповой динамики и настройки класса на изучение физики.
• Технология: системы реагирования студентов (кликеры) основаны на Эрик Мазур работа в Peer Instruction. Исследования в PER изучают влияние, применение и возможности технологий в классе.
• Учебные вмешательства: дизайн учебной программы PER основан на более чем двух десятилетиях исследований в области физического образования. Известные учебники включают Учебники по физике, Физика по запросу, Среда обучения исследовательской науке, и Парадигмы в физике, а также множество новых учебников для вводных и младших курсов. В Канзасский государственный университет Исследовательская группа по физическому образованию разработала программу «Визуальная квантовая механика» (VQM) для обучения квантовой механике учащихся старших классов и колледжей, не обладающих глубокими знаниями в области физики или математики.
• Учебные материалы: для студентов, издатели теперь делают упор на основе PER для своих учебников физики как на главный аргумент. Один из первых всеобъемлющих учебников физики, включающий результаты исследования PER, был написан Серуэем и Байхнером. Помимо учебников, учебные материалы для студентов-физиков перед колледжем теперь включают моделирование PhET (Physics Education Technology). Это стало возможным благодаря достижениям в аппаратном обеспечении персональных компьютеров, платформенно-независимом программном обеспечении, таком как Adobe Flash Player и Ява, и совсем недавно HTML5,^[8] CSS3 и JavaScript. По словам Вимана,^[9] Моделирование PhET предлагает прямой и мощный инструмент для исследования мышления и обучения студентов.

Ассоциация журналов

Главная категория: Журналы по физическому образованию

Научно-исследовательские работы по физическому образованию в Соединенных Штатах в основном издаются в четырех издательствах.^[10] Документы, представленные в Американский журнал физики: Отдел исследований в области физического образования (PERS) в основном предназначены для потребителей исследований в области физического образования. В Журнал обучающих наук (JLS) публикует статьи, касающиеся реальной или внелабораторной среды, часто в контексте технологий, и посвящены обучению, а не преподаванию. Между тем, документы на Физическое обозрение Специальные темы: Исследования в области физического образования (PRST: PER) предназначены для тех, для кого проводится исследование PER, а не для потребителей. Аудитория для Труды научно-исследовательской конференции по физическому образованию (PERC) предназначен как для потребителей, так и для исследователей. Последний предоставляет моментальный снимок поля и, как таковой, открыт для предварительных результатов и текущих исследований, а также для статей, которые просто заставят задуматься сообщество PER. Другие журналы включают Физическое образование (Великобритания), Европейский журнал физики (Великобритания) и Учитель физики. Леон Сюй и другие опубликовали в 2007 году статью о публикации и рецензировании статей по исследованиям в области физического образования.^[10]

Рекомендации

1. Исследования в области физического образования | Группа физического образования
2. Роберт Дж. Байхнер (2009). "Введение в исследования в области физического образования". У Чарльза Р. Хендерсона и Кэтлин А. Харпер. Начало работы в PER. Обзоры в PER 2.
3. Макдермотт (2010). Личная история исследований в области физического образования и группы физического образования Вашингтонского университета. не опубликовано. С. 1–81.
4. «Ресурсы, фрейминг и передача»
5. Рыжий Эдвард Ф (2014). «Лекция Эрстеда 2013: Как мы должны думать о том, как думают наши студенты?». Американский журнал физики. 82 (6): 537–551. arXiv:1308.3911. Bibcode:2014AmJPh..82..537R. Дои:10.1119/1.4874260.
6. http://www4.ncsu.edu/~jdgaffne/grad_symposium.pdf
7. Redish, Эдвард Ф .; Хаммер, Дэвид (2009-07-01). «Изобретая физику колледжа для биологов: экспликация эпистемологической учебной программы». Американский журнал физики. 77 (7): 629–642. arXiv:0807.4436. Bibcode:2009AmJPh..77..629R. Дои:10.1119/1.3119150. ISSN  0002-9505.
8. «Инструкции по исходному коду PhET».
9. Виман, Карл; Перкинс, Кэтрин; Адамс, Венди (2007-10-28). «Лекция, посвященная медали Эрстеда, 2007: Интерактивное моделирование для преподавания физики: что работает, что нет и почему». Американский журнал физики. 76 (4 & 5): 393–399. Дои:10.1119/1.2815365.
10. Леон Хсу и др. (2007). «Публикация и рецензирование научных статей в области физического образования». Конференция по исследованиям в области физического образования 951: 3–6.