Forskning om fysik

Fysisk utbildningsforskning (PER) är en form av disciplinbaserad utbildningsforskning specifikt relaterad till studier av undervisning och inlärning av fysik , ofta med syftet att förbättra effektiviteten i elevernas lärande. Ungefär åttiofem institutioner i USA bedriver forskning inom vetenskap och fysikutbildning.

Mål

Antal publikationer om studenters idéer om bibliografin av Duit (2005)
Fragment	Offentliggörande

Mekanik (kraft)*	792
Elektricitet (elektrisk krets)	444
Optik	234
Partikelmodell	226
Termisk fysik (värme/temp.)	192
Energi	176
Astronomi (Jorden i rymden)	121
Kvantfysik	77
Icke-linjära system (kaos)	35
Ljud	28
Magnetism	25
Relativitet	8

* Övervägande begrepp inom parentes. Anpassad från Duit, R., H. Niedderer och H. Schecker (se ref.).

Ett primärt mål för PER är att utveckla pedagogiska tekniker och strategier som hjälper eleverna att lära sig fysik mer effektivt och hjälpa instruktörer att implementera dessa tekniker. Eftersom även grundläggande idéer inom fysik kan vara förvirrande, tillsammans med möjligheten till vetenskapliga missuppfattningar som bildas från undervisning genom analogier, raderar föreläsningar ofta inte vanliga missuppfattningar om fysik som eleverna skaffar sig innan de får undervisning i fysik. Forskning fokuserar ofta på att lära sig mer om vanliga missuppfattningar som elever tar med sig till fysikklassrummet så att tekniker kan utarbetas för att hjälpa eleverna att övervinna dessa missuppfattningar.

I de flesta inledande fysikkurser är mekanik vanligtvis det första området av fysik som lärs ut. Newtons rörelselagar om växelverkan mellan krafter och föremål är centrala för studiet av mekanik. Många elever har den aristoteliska missuppfattningen att en nettokraft krävs för att hålla en kropp i rörelse; istället modelleras rörelse i modern fysik med Newtons första tröghetslag , som säger att en kropp kommer att behålla sitt tillstånd av vila eller rörelse om inte en nettokraft verkar på kroppen . Liksom studenter som håller denna missuppfattning, kom Newton fram till sina tre rörelselagar genom empirisk analys, även om han gjorde det med en omfattande studie av data som inkluderade astronomiska observationer. Elever kan radera sådana missuppfattningar i en nästan friktionsfri miljö, där de upptäcker att föremål rör sig med en nästan konstant hastighet utan en konstant kraft.

Stora områden

Det breda målet för PER-gemenskapen är att förstå de processer som är involverade i undervisning och inlärning av fysik genom rigorösa vetenskapliga undersökningar.

Enligt University of Washington PER-gruppen, en av pionjärerna inom området, tenderar arbete inom PER att falla inom en eller flera av flera breda beskrivningar, inklusive:

Identifiera elevers svårigheter
Utveckla metoder för att hantera dessa svårigheter och mäta inlärningsvinster
Utveckla undersökningar för att mäta elevprestationer och andra egenskaper
Undersöka elevernas attityder och övertygelser om fysik
Studera små och stora gruppdynamik analysera studentmönster med hjälp av inramning och andra nya och befintliga epistemologiska metoder

"An Introduction to Physics Education Research", av Robert Beichner, identifierar åtta trender i PER:

Begreppsförståelse: Att undersöka vad eleverna vet och hur de lär sig det är en central del av PER. Tidig forskning involverade att identifiera och behandla missuppfattningar om fysikens principer. Termen har sedan utvecklats till "elevsvårigheter" baserat på övervägande av alternativa teoretiska ramar för elevers lärande. En svårighet med ett koncept kan byggas in i ett korrekt koncept; en missuppfattning utrotas och ersätts av en korrekt uppfattning. PER-gruppen vid University of Washington är specialiserad på forskning om begreppsförståelse och elevsvårigheter.
Epistemologi : PER började som en trial-and-error-metod för att förbättra inlärningen. På grund av nackdelarna med ett sådant tillvägagångssätt utvecklades teoretiska grunder för forskning tidigt, framför allt genom University of Maryland . Den teoretiska grunden för PER är mestadels uppbyggd kring Piagateansk konstruktivism . Teorier om kognition i fysikinlärning lades fram av Redish, Hammer, Elby och Scherr, som byggde på diSessas "Knowledge in Pieces". Resursramverket, som utvecklats från detta arbete, bygger på forskning inom neurovetenskap, sociologi, lingvistik, utbildning och psykologi. Ytterligare ramverk är på väg, senast "Possibilities Framework", som bygger på forskning om deduktiv resonemang som startats av Wason och Philip Johnson-Laird .
Problemlösning: Det spelar en viktig roll i de processer som främjar fysikforskningen, med i ett stort antal övningar i konventionella läroböcker. Den mesta forskningen inom detta område vilar på att undersöka skillnaden mellan nybörjare och experter på problemlösare (förårsstudenter och andra studenter, respektive doktorander och postdoktorer). Tillvägagångssätt för att forska i problemlösning har varit ett fokus för University of Minnesotas PER-grupp. Nyligen publicerades en artikel i PRL Special Section: PER som identifierade över 30 beteenden, attityder och färdigheter som används för att lösa ett typiskt fysikproblem. Större upplösning och specifik uppmärksamhet på detaljerna används inom problemlösningsområdet.
Attityder: University of Colorado utvecklade ett instrument som avslöjar elevernas attityder och förväntningar om fysik som ämne och som klass. Elevernas attityder visar sig ofta minska efter traditionell undervisning, men färska arbeten av Redish och Hammer visar att detta kan vändas och positiva attitydvinster kan ses om man ägnar uppmärksamhet åt att "förklara de epistemologiska delarna av den implicita läroplanen".
Sociala aspekter: Forskning har bedrivits om kön, ras och andra socioekonomiska frågor som kan påverka lärande inom fysik och andra områden. Annan forskning har undersökt effekterna på inlärningsfysik av kroppsspråk, gruppdynamik och klassrumsinställning.
Teknik: Studentresponssystem (klickare) är baserade på Eric Mazurs arbete i Peer Instruction. Forskning i PER undersöker inflytande, tillämpningar av och möjligheter för teknik i klassrummet.
Instruktionsinterventioner: PER:s läroplansdesign bygger på mer än två decennier av forskning inom fysikundervisning. Anmärkningsvärda läroböcker inkluderar handledningar i fysik , fysik genom undersökning , undersökande vetenskaps inlärningsmiljö och paradigmer i fysik , såväl som många nya läroböcker i introduktions- och juniornivåkurser. Kansas State University Physics Education Research Group har utvecklat ett program, Visual Quantum Mechanics (VQM), för att lära ut kvantmekanik till gymnasie- och högskolestudenter som inte har avancerad bakgrund i fysik eller matematik.
Instruktionsmaterial: För studenter betonar förlagen nu en PER-bas för sina läroböcker i fysik som ett stort försäljningsargument. En av de tidigaste omfattande fysikläroböckerna för att införliva PER-fynd skrevs av Serway och Beichner. Förutom läroböcker inkluderar instruktionsmaterialet för fysikstudenter nu PhET-simuleringar (Physics Education Technology). Detta möjliggörs genom framsteg inom persondatorhårdvara, plattformsoberoende programvara som Adobe Flash Player och Java och på senare tid HTML5 , CSS3 och JavaScript . Enligt Wieman erbjuder PhET-simuleringar ett direkt och kraftfullt verktyg för att undersöka elevernas tänkande och lärande.

Tidningsförening

Forskningsartiklar om fysikutbildning i USA ges i första hand ut på fyra förlagsställen. Artiklar som lämnats in till American Journal of Physics : Physics Education Research Section (PERS) är främst till konsumenter av fysikundervisningsforskning. Journal of the Learning Sciences (JLS) publicerar artiklar som handlar om verkliga eller icke-laboratoriemiljöer, ofta i tekniksammanhang, och handlar om lärande, inte undervisning. Samtidigt är uppsatser på Physical Review Special Topics: Physics Education Research (PRST:PER) riktade till dem för vilka forskning bedrivs på PER snarare än till konsumenter. Publiken för Physics Education Research Conference Proceedings ( PERC) är designad för en blandning av konsumenter och forskare. Den senare ger en ögonblicksbild av fältet och är som sådan öppen för preliminära resultat och forskning som pågår, såväl som artiklar som helt enkelt skulle vara tankeväckande för PER-gemenskapen. Andra tidskrifter inkluderar Physics Education (UK), European Journal of Physics (UK) och The Physics Teacher . Leon Hsu och andra publicerade 2007 en artikel om publicering och bedömning av uppsatser inom fysikpedagogisk forskning.