[논문 리뷰] From F=ma to Flying Squirrels: Curricular Change in an Introductory Physics Course

Brian W. O’Shea, Laura Terry외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 07.

Genetics, Bioinformatics, and Biomedical Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 생명과학 전공 학부생을 위한 재설계된 미적분 기반 물리학 과정을 제시한다. 기존의 전통적 내용을 '생명과학의 물리학' 교육과정으로 대체하여 비행사슴쥐와 세포 기계학적 성질과 같은 생물학적 응용 중심으로 구성하였으며, 새로운 교재와 능동적 학습 기법을 활용하였다. 학생들은 개념적 학습 향상이著명했고, 물리학이 예비의학 및 생명과학 학습과 관련이 있다는 인식이 높아졌으며, 50퍼센트 이상이 물리학을 자신의 전공과 연결할 수 있는 능력이 향상되었다고 자가 평가하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 물리학 교육과 생명과학 및 예비의학 전공 학생들의 요구 사이의 괴리를 해소하기 위해.
• 생물학적 시스템에서의 물리학 응용을 강조하는 교육과정을 개발하고 구현하여 학생들의 학습 동기와 관련성 인식을 향상시키기 위해.
• 실생활 생물학적 맥락과 능동적 학습을 통해 학생들의 개념적 이해 수준을 향상시키기 위해.
• 생명과학 분야에서의 학습 성과와 물리학에 대한 태도 변화를 평가하기 위해.

제안 방법

• 생물학적 현상 중심의 강의를 구성하기 위해 '생명과학의 물리학'이라는 새로운 교재를 도입하였다.
• 표준 물리 문제를 비행사슴쥐의 운동역학 및 세포 내 물질 이동과 같은 생명과학 중심의 응용 문제로 대체하였다.
• 과제 및 실험 과정을 재편하여 개념적 추론과 생물학적 시스템에의 적용을 강조하였다.
• 동료 지도 및 탐구 기반 실험을 포함한 능동적 학습 기법을 활용하여 학생들의 참여도를 높였다.
• 표준화된 물리교육연구(PER) 도구를 활용하여 개념적 학습 수준을 정량적으로 평가하였다.
• 학생 설문조사와 수강 후 인터뷰를 실시하여 태도 변화 및 관련성 인식 변화를 정성적으로 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 생물학 중심의 물리학 교육과정은 생명과학 전공 학생들의 개념적 학습 향상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 재설계된 과정을 수강한 후 학생들은 물리학이 자신의 생명과학 및 예비의학 전공과 얼마나 관련이 있다고 느끼는가?
• RQ3 수강 과정 중에 학생들의 생물학적 시스템에 물리 개념을 적용하는 능력은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 능동적 학습은 생명과학 중심의 물리학 과정에서 학생들의 참여도와 개념적 이해 수준을 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 생물학적 맥락을 통해 물리학을 가르칠 경우 학생들의 물리학에 대한 태도는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 표준화된 평가를 통해 학생들은 다른 능동적 학습 기반 물리학 과정과 유사한 수준의 높은 개념적 학습 향상을 보였다.
• 50퍼센트 이상의 학생이 물리학 수업 내용을 자신의 생명과학 전공과 미래 진로에 연결할 수 있게 되었다고 자가 평가하였다.
• 인터뷰한 학생의 다수는 수강 후 물리학에 대한 관심이 증가했다고 보고하였다.
• 인터뷰한 학생들은 살아있는 생물체에 물리학이 어떻게 적용되는지 예시를 잘 제시하였으며, 주요 수업 과목의 이해도 향상에 기여한다고 평가하였다.
• 교과과정은 비행사슴쥐의 운동 메커니즘을 F=ma로 설명함으로써 생물학적 시스템에 대한 물리적 직관을 학생들이 잘 기를 수 있도록 도왔다.
• 생물학 중심의 문제와 능동적 학습 기법의 통합은 학생들의 참여도 향상과 물리학의 관련성 인식 향상에 기여하였다.