I corsi di introduzione alla fisica sono richiesti per quasi tutti i corsi di laurea STEM universitari non solo perché la fisica è considerata fondamentale per quelle discipline, ma anche perché fornisce agli studenti un'esperienza pratica in matematica applicata. Quest'ultimo è particolarmente vero per i corsi di fisica basati sul calcolo, che in genere forniscono agli studenti la prima esperienza con l'uso del calcolo al di fuori delle lezioni di matematica.

Ora, un team di fisici ed educatori presso l'Università del Kansas ha sviluppato un curriculum per studenti di livello universitario che mostra la promessa nell'aiutare gli studenti nelle lezioni introduttive di fisica a esercitarsi ulteriormente e sviluppare le loro abilità di calcolo, specialmente quelli che hanno un test inferiore nelle abilità matematiche di base. Definiscono l'approccio "energy-first".

I loro risultati appaiono nella rivista peer-reviewed Revisione fisica Ricerca sull'educazione fisica .

"È quasi sempre il caso che nei corsi introduttivi di fisica agli studenti venga prima insegnata la meccanica nel contesto delle forze. Più avanti nel corso, viene dimostrato che possono anche applicare il concetto di energia per risolvere la maggior parte dei problemi che hanno già imparato a risolvere con le forze, " ha detto il coautore Christopher Fischer, direttore di fisica ingegneristica e presidente associato di fisica e astronomia presso KU. "Abbiamo deciso invece di voler insegnare prima l'energia, perché, numero uno, pensiamo che sia un modo più generalmente applicabile di pensare alla fisica. Numero due, ci consente inoltre di raggiungere il nostro obiettivo secondario di fornire agli studenti maggiori opportunità di utilizzare e mettere in pratica le loro abilità di calcolo."

Dall'autunno 2015 alla primavera di quest'anno, Fischer e i suoi colleghi della KU hanno monitorato gli studenti ed eseguito test in due lezioni introduttive di fisica presso la KU tenute principalmente da studenti che conseguono una laurea in scienze fisiche e ingegneria. Per uno, hanno ideato un curriculum "energy first". Per l'altro, hanno mantenuto un approccio più tradizionale che insegnava agli studenti le forze prima di insegnare loro l'energia.

La presenza di due diversi corsi di fisica che utilizzano diversi curricula ha naturalmente fornito l'opportunità ai ricercatori di confrontare i risultati degli studenti nei due corsi.

"Abbiamo cercato di confrontare, come meglio potevamo, mele alle mele, " ha detto Fischer. "In altre parole, abbiamo confrontato gli studenti che avevano gli stessi punteggi di matematica ACT ma che hanno seguito diversi corsi di fisica per determinare quale effetto ha avuto il nostro nuovo curriculum di fisica sui risultati degli studenti".

I ricercatori hanno lavorato con il KU Center for Teaching Excellence e l'Office of Institutional Research &Planning KU per ottenere i punteggi di matematica ACT degli studenti.

Fischer e i suoi colleghi hanno scoperto che gli studenti di ingegneria che frequentavano il nuovo curriculum di fisica "energy first" tendevano a ottenere voti più alti nelle successive classi di ingegneria (ad esempio, in una classe di ingegneria meccanica per la quale una delle due classi introduttive di fisica era un prerequisito).

"Ciò che abbiamo visto è che gli studenti di ingegneria che stavano seguendo il nostro nuovo curriculum di fisica hanno fatto meglio nelle loro lezioni di ingegneria, " Egli ha detto.

Per di più, i maggiori benefici per le prestazioni degli studenti nelle classi di ingegneria a valle sono stati osservati negli studenti che avevano punteggi ACT di matematica più bassi ma hanno preso la classe di fisica "energy first".

"I benefici erano tanto maggiori quanto più basse erano le tue abilità matematiche iniziali, " disse Fischer. "Allora, gli studenti di ingegneria che avevano punteggi di matematica ACT più bassi hanno avuto maggiori benefici dall'adozione di questo nuovo curriculum, il che ci ha fatto pensare che forse incaricare gli studenti di risolvere più problemi usando il calcolo in questa lezione di fisica li sta aiutando con le loro abilità matematiche applicate in generale, così come le loro abilità fisiche."

I colleghi di KU di Fischer sul progetto del dipartimento di fisica e astronomia KU erano l'autore principale Sarah LeGresley, professore assistente di fisica e astronomia; Jennifer Delgado, professore associato di cattedra; Cristoforo Bruner, uno studente di dottorato; e Michael Murray, professore di fisica e astronomia.

I ricercatori della KU hanno esaminato quanto bene gli studenti avessero colto il contenuto di fisica eseguendo più valutazioni, ancora una volta, trovare quelli nella coorte "energy-first" ha avuto il vantaggio su quelli della classe introduttiva di fisica vecchio stile.

"Separatamente, abbiamo fatto un confronto fianco a fianco delle prestazioni degli studenti su un test concettuale di fisica standardizzato che molte università diverse usano, " ha detto Fischer. "E abbiamo visto che tutti gli studenti del nuovo curriculum di fisica stanno andando meglio degli studenti del tradizionale curriculum di fisica".

Mentre questi risultati certamente giustificano l'adozione di un approccio "energy-first", Fischer ha sottolineato a causa della piccola dimensione del campione e dei dati demografici limitati degli studenti a un solo singolo, grande università del Midwest, il curriculum "energy first" avrebbe bisogno di essere provato su un livello più ampio prima di concludere che era un metodo superiore per insegnare fisica introduttiva agli studenti in età universitaria.

"Non avevamo decine di migliaia di studenti nel nostro studio, " Fischer ha detto. "Abbiamo guardato solo poche migliaia. Così, è importante che altre università provino questo nuovo curriculum per vedere se i nostri risultati possono essere replicati. Infatti, saremmo lieti che altre istituzioni collaborino con noi per verificare se i nostri risultati sono solidi:è essenziale."

Inoltre, i ricercatori KU sperano di sviluppare e implementare una valutazione da utilizzare nelle lezioni di fisica per comprendere meglio il transfert matematico.

"Questo nuovo modo di insegnare la fisica aiuta gli studenti a migliorare le loro abilità di calcolo applicato?" ha detto Fischer. "Per quello che ci risulta, nessuno ha costruito una valutazione mirata a quella domanda specifica. Così, stiamo cercando di capire come progettare uno strumento del genere".

Finalmente, Fischer ha affermato che il team vorrebbe sfruttare le lezioni apprese dall'implementazione dell'approccio fisico "energy-first" per modificare il curriculum di altre classi del dipartimento.

"C'è un modo per progettare qualcosa di simile, o almeno sfruttare questo tipo di metodologia di progettazione per le lezioni di fisica basata sull'algebra del nostro dipartimento?", ha affermato. "Questo naturalmente ci motiva anche a contattare le scuole superiori per trovare collaboratori che ci aiutino a sviluppare modi nuovi e migliori di insegnare la fisica in un modo che sarebbe più utile per gli studenti delle scuole superiori."