[论文解读] 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 4

一句话总结

本论文介绍了一门专为生命科学专业学生重新设计的基于微积分的物理课程，将传统内容替换为以生物应用为核心的‘生命科学中的物理’课程，涵盖飞行松鼠和细胞力学等实例，使用全新教材和主动学习方法。学生在概念理解方面取得显著进步，并报告物理与他们的预医学生涯及生命科学学习的相关性增强，超过一半的学生自评认为其将物理与专业联系的能力得到提升。

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.

研究动机与目标

• 解决传统物理教育与生命科学及预医学生需求之间的脱节问题。
• 开发并实施一个强调物理在生物系统中应用的课程，以增强学生的学习动机和对课程相关性的感知。
• 通过主动学习和真实世界的生物情境，提升学生的概念理解能力。
• 评估学习成果以及学生在生命科学背景下对物理态度的变化。

提出的方法

• 采用名为《生命科学中的物理》的全新教材，以生物现象为核心组织课程内容。
• 用生命科学导向的应用问题替代标准物理习题，例如飞行松鼠的生物力学和细胞运输。
• 修订作业和实验环节，强调概念性推理和在生物系统中的应用。
• 采用主动学习方法，包括同伴教学和基于探究的实验，以促进学生参与。
• 使用标准化物理教育研究（PER）工具，定量评估学生的概念学习情况。
• 通过学生问卷和学期末访谈，定性评估学生态度和感知相关性方面变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 以生物学为中心的物理课程在多大程度上影响生命科学专业学生的概念学习进步？
• RQ2 学生在完成重新设计的课程后，对物理与生命科学及预医学生涯相关性的感知程度如何？
• RQ3 学生在一学期中应用物理概念于生物系统的能力如何变化？
• RQ4 主动学习在提升生命科学导向物理课程中学生参与度和概念理解方面发挥何种作用？
• RQ5 当物理通过生物情境进行教学时，学生对物理的态度如何转变？

主要发现

• 学生在标准化评估中表现出高水平的概念学习进步，与其它基于主动学习的物理课程相当。
• 超过一半的学生自评表示，现在能够将物理主题与自己的生命科学专业及未来职业联系起来。
• 大量受访学生表示，到学期末对物理的兴趣显著提高。
• 受访学生能够高水平地列举出物理如何应用于生物体并增强对核心课程的理解。
• 该课程成功帮助学生建立起对生物系统的物理直觉，例如使用F=ma解释飞行松鼠的力学。
• 将聚焦生物学的问题与主动学习方法相结合，显著提升了学生的参与度和对物理相关性的感知。