[論文レビュー] From F=ma to Flying Squirrels: Curricular Change in an Introductory Physics Course

Brian W. O’Shea, Laura Terry+1 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2013

Genetics, Bioinformatics, and Biomedical Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、生命科学専攻の学生を対象に、物理学の基礎的カリキュラムを再設計した教育課程を提示している。伝統的な内容に代わり、飛行サルの行動や細胞内力学といった生物学的応用を核とする「生命科学の物理学」カリキュラムを採用し、独自の教科書と能動的学習を組み合わせた。学生たちは顕著な概念的理解の向上を示し、物理学が自身の予備医学および生命科学の学習にとって関連性があると感じており、半数以上が物理学を自分の専門分野に関連付ける能力が向上したと自己報告した。

ABSTRACT

We present outcomes from curricular changes made to an introductory calculus-based physics course whose audience is primarily life science majors, the majority of whom plan to pursue post-baccalaureate studies in medical and scientific fields. During the 2011-12 academic year, we implemented a "Physics of the life sciences" curriculum centered on a draft textbook that takes a novel approach to teaching physics to life science majors. In addition, substantial revisions were made to the homework and hands-on components of the course to emphasize the relationship between physics and the life sciences and to help the students to learn to apply physical intuition to life science-oriented problems. Student learning and attitudinal outcomes were assessed both quantitatively, using standard physics education research instruments, and qualitatively, using student surveys and a series of post-semester interviews. Students experienced high conceptual learning gains, comparable to other active learning-based physics courses. Qualitatively, a substantial fraction of interviewed students reported an increased interest in physics relative to the beginning of the semester. Furthermore, more than half of students self-reported that they could now relate physics topics to their majors and future careers, with interviewed subjects demonstrating a high level of ability to come up with examples of how physics affects living organisms and how it helped them to better understand content presented in courses in their major.

研究の動機と目的

• 伝統的な物理学教育と生命科学および予備医学専攻の学生のニーズとの間のギャップを是正すること。
• 生物学的システムにおける物理学の応用を強調するカリキュラムの開発および実装を通じて、学生の学習意欲および関連性の認識を高めること。
• 生物学的システムを含む現実世界の文脈を通じて、能動的学習を用いて学生の概念的理解を向上させること。
• 生命科学の文脈において、学習成果および物理学に対する学生の態度の変化を評価すること。

提案手法

• 生物学的現象を中心とするカリキュラムを構築するために、『生命科学の物理学』を題する独自の教科書を採用した。
• 標準的な物理学の問題を、飛行サルのバイオメカニクスや細胞内輸送といった生命科学志向の応用問題に置き換えた。
• 宿題および実験の構成を見直し、概念的推論および生物学的システムへの応用を重視した。
• ペアインストラクションや探求型実験を含む能動的学習技法を用いて、学生の関与を促進した。
• 物理学教育研究（PER）の標準化された道具を用いて、概念的理解の定量的評価を実施した。
• 学生のアンケート調査および学期末のインタビューを通じて、態度の変化および関連性の認識の質的評価を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 生物学志向の物理学カリキュラムは、生命科学専攻の学生における概念的理解の向上にどのような影響を与えるか？
• RQ2 再設計されたコースを履修した後、学生は物理学が自分の生命科学および予備医学の学習にどの程度関連していると感じているか？
• RQ3 学生の生物学的システムへの物理学概念の適用能力は、学期を通じてどのように変化するか？
• RQ4 能動的学習は、生命科学志向の物理学コースにおいて、学生の関与度および概念的理解をどのように向上させるか？
• RQ5 生物学的文脈を通じて物理学が教授されると、学生の物理学に対する態度はどのように変化するか？

主な発見

• 標準化された評価により測定された結果、学生は、他の能動的学習に基づく物理学コースと同等の高い概念的理解の向上を示した。
• 半数以上が、今や物理学のトピックを自分の生命科学専攻や将来のキャリアに関連付けることができるようになったと自己報告した。
• インタビューを受けた学生の多くが、学期末には物理学への関心が高まったと報告した。
• インタビューを受けた学生は、生き物に物理学がどのように応用されるか、および主要な授業の理解を深めるのに物理学がどのように役立つかの具体例を提示する能力が非常に高かった。
• カリキュラムは、F=maを用いて飛行サルの力学を説明するなど、生物学的システムに対する物理的直感を学生が身に付けるのを効果的に支援した。
• 生物学志向の問題と能動的学習技法の統合により、学生の関与度および物理学の関連性の認識が向上した。