Los cursos de introducción a la física son obligatorios para casi todos los programas universitarios de grado STEM, no solo porque la física se considera fundamental para esas disciplinas, sino también porque proporciona a los estudiantes experiencia práctica en matemáticas aplicadas. Esto último es especialmente cierto para los cursos de física basados ​​en cálculo, que suelen proporcionar a los estudiantes su primera exposición al uso del cálculo fuera de sus clases de matemáticas.

Ahora, Un equipo de físicos y educadores de la Universidad de Kansas ha desarrollado un plan de estudios para estudiantes de nivel universitario que se muestra prometedor para ayudar a los estudiantes en las clases de introducción a la física a practicar y desarrollar sus habilidades de cálculo. especialmente aquellos que obtienen calificaciones más bajas en las habilidades matemáticas básicas. Ellos denominan el enfoque "primero la energía".

Sus hallazgos aparecen en la revista revisada por pares. Revisión física Investigación en educación física .

"Casi siempre ocurre que en los cursos de introducción a la física, a los estudiantes se les enseña primero la mecánica en el contexto de las fuerzas. Más adelante en el curso, se les muestra que también pueden aplicar el concepto de energía para resolver la mayoría de los problemas que ya aprendieron a resolver con fuerzas, "dijo el coautor Christopher Fischer, director de ingeniería física y presidente asociado de física y astronomía en KU. "Decidimos, en cambio, que queremos enseñar energía primero, porque, número uno, creemos que es una forma más generalizada de pensar en física. Número dos, también nos permite lograr nuestro objetivo secundario de brindar a los estudiantes más oportunidades para usar y practicar sus habilidades de cálculo ".

Desde el otoño de 2015 hasta la primavera de este año, Fischer y sus colegas de KU monitorearon a los estudiantes y realizaron pruebas en dos clases de introducción a la física en KU, tomadas principalmente por estudiantes que buscan títulos en ciencias físicas e ingeniería. Para uno, idearon un plan de estudios "en el que la energía es lo primero". Para el otro, mantuvieron un enfoque más tradicional que enseñó a los estudiantes sobre las fuerzas antes de enseñarles sobre la energía.

La presencia de dos cursos de física diferentes que utilizan diferentes planes de estudio brindó naturalmente a los investigadores la oportunidad de comparar los resultados de los estudiantes en los dos cursos.

"Buscamos comparar, lo mejor que pudimos, manzanas a manzanas, "Dijo Fischer." En otras palabras, comparamos a los estudiantes que obtuvieron los mismos puntajes en matemáticas de ACT pero que tomaron diferentes cursos de física para determinar qué efecto tenía nuestro nuevo plan de estudios de física en los resultados de los estudiantes ".

Los investigadores trabajaron con el Centro de Excelencia en la Enseñanza de KU y la Oficina de Investigación y Planificación Institucional de KU para obtener los puntajes de matemáticas de ACT de los estudiantes.

Fischer y sus colegas encontraron que los estudiantes de ingeniería que tomaban el nuevo plan de estudios de física de "la energía primero" tendían a obtener calificaciones más altas en las siguientes clases de ingeniería (por ejemplo, en una clase de ingeniería mecánica para la cual cualquiera de las dos clases de introducción a la física era un requisito previo).

"Lo que vimos fue que los estudiantes de ingeniería que estaban tomando nuestro nuevo plan de estudios de física obtuvieron mejores resultados en sus clases de ingeniería, " él dijo.

Es más, Los mayores beneficios para el desempeño de los estudiantes en las clases de ingeniería posteriores se observaron en los estudiantes que obtuvieron puntajes más bajos en el ACT de matemáticas, pero tomaron la clase de física "primero la energía".

"Los beneficios eran aún mayores cuanto más bajas eran tus habilidades matemáticas iniciales, "Dijo Fischer." Entonces, Los estudiantes de ingeniería que obtuvieron puntajes más bajos en matemáticas en el ACT obtuvieron mayores beneficios al tomar este nuevo plan de estudios, lo que nos hizo pensar que tal vez asignarles a los estudiantes la tarea de resolver más problemas usando cálculo en esta clase de física los está ayudando con sus habilidades de matemáticas aplicadas en general, así como sus habilidades físicas ".

Los colegas de Fischer en KU en el proyecto del departamento de física y astronomía de KU fueron la autora principal Sarah LeGresley, profesor asistente de física y astronomía; Jennifer Delgado, profesor adjunto de docencia; Christopher Bruner, estudiante de doctorado; y Michael Murray, profesor de física y astronomía.

Los investigadores de KU examinaron qué tan bien los estudiantes habían captado el contenido de física al realizar más evaluaciones, de nuevo, encontrar a los de la cohorte de "energía primero" tenía una ventaja sobre los de la clase de introducción a la física al estilo antiguo.

"Por separado, Hicimos una comparación lado a lado del desempeño de los estudiantes en una prueba conceptual de física estandarizada que utilizan muchas universidades diferentes, ", Dijo Fischer." Y vimos que todos los estudiantes en el nuevo plan de estudios de física lo están haciendo mejor que los estudiantes del plan de estudios de física tradicional ".

Si bien estos resultados ciertamente abogan por la adopción de un enfoque de "energía primero", Fischer enfatizó debido al tamaño pequeño de la muestra y la demografía limitada de los estudiantes en solo un, gran universidad del medio oeste, el plan de estudios de "la energía primero" tendría que probarse en un nivel más amplio antes de concluir que era un método superior para enseñar la introducción a la física a estudiantes en edad universitaria.

"No teníamos decenas de miles de estudiantes en nuestro estudio, "Dijo Fischer." Miramos sólo unos pocos miles. Por lo tanto, es importante que otras universidades prueben este nuevo plan de estudios para ver si nuestros resultados se pueden replicar. En efecto, daríamos la bienvenida a otras instituciones a colaborar con nosotros para probar si nuestros resultados son sólidos, eso es esencial ".

Adicionalmente, Los investigadores de KU esperan desarrollar e implementar una evaluación para usar en las clases de física para comprender mejor la transferencia matemática.

"¿Esta nueva forma de enseñar física ayuda a los estudiantes a mejorar sus habilidades de cálculo aplicado?" Dijo Fischer. "Hasta donde sabemos, nadie ha construido una evaluación dirigida a esa pregunta específica. Entonces, estamos tratando de descubrir cómo diseñar un instrumento de este tipo ".

Finalmente, Fischer dijo que al equipo le gustaría aprovechar las lecciones aprendidas de la implementación del enfoque de física de "energía primero" para modificar el plan de estudios de otras clases en el departamento.

"¿Hay alguna forma de diseñar algo similar? ¿O al menos aprovechar este tipo de metodología de diseño para las clases de física basadas en álgebra de nuestro departamento? ", dijo." Esto, naturalmente, también nos motiva a llegar a las escuelas secundarias para encontrar colaboradores que nos ayuden a desarrollar formas nuevas y mejoradas de enseñar física. de una manera que sería más útil para los estudiantes de secundaria ".