Des cours d'introduction à la physique sont requis pour presque tous les programmes universitaires de diplôme STEM, non seulement parce que la physique est considérée comme fondamentale pour ces disciplines, mais aussi parce qu'il offre aux étudiants une expérience pratique en mathématiques appliquées. Ce dernier est particulièrement vrai pour les cours de physique basés sur le calcul, qui fournissent généralement aux étudiants leur première exposition à l'utilisation du calcul en dehors de leurs cours de mathématiques.

Maintenant, une équipe de physiciens et d'éducateurs de l'Université du Kansas a développé un programme pour les étudiants de niveau collégial qui est prometteur pour aider les étudiants des cours d'introduction à la physique à approfondir et à développer leurs compétences en calcul, en particulier ceux qui testent des capacités mathématiques de base plus faibles. Ils appellent l'approche « l'énergie d'abord ».

Leurs conclusions apparaissent dans la revue à comité de lecture Examen physique Recherche en éducation physique .

"C'est presque toujours le cas que dans les cours d'introduction à la physique, les étudiants apprennent d'abord la mécanique dans le contexte des forces. Plus tard dans le cours, on leur montre qu'ils peuvent également appliquer le concept d'énergie pour résoudre la plupart des problèmes qu'ils ont déjà appris à résoudre avec des forces, " a déclaré le co-auteur Christopher Fischer, directeur de l'ingénierie physique et chaire associée de physique et d'astronomie à la KU. "Nous avons décidé à la place que nous voulions enseigner l'énergie d'abord - parce que, numéro un, nous pensons que c'est une façon plus généralement applicable de penser à la physique. Numéro deux, cela nous permet également d'atteindre notre objectif secondaire de fournir aux étudiants plus d'opportunités d'utiliser et de pratiquer leurs compétences en calcul. »

De l'automne 2015 au printemps de cette année, Fischer et ses collègues de la KU ont surveillé les étudiants et effectué des tests dans deux cours d'introduction à la physique à la KU, suivis principalement par des étudiants poursuivant des études en sciences physiques et en génie. Pour un, ils ont conçu un programme d'études « d'abord l'énergie ». Pour l'autre, ils ont conservé une approche plus traditionnelle qui enseignait aux étudiants les forces avant de leur enseigner l'énergie.

La présence de deux cours de physique différents utilisant des programmes différents a naturellement permis aux chercheurs de comparer les résultats des étudiants dans les deux cours.

« Nous avons cherché à comparer, du mieux que nous pouvions, des pommes aux pommes, " Fischer a dit. " En d'autres termes, nous avons comparé des étudiants qui avaient les mêmes scores en mathématiques ACT mais qui avaient suivi des cours de physique différents pour déterminer l'effet de notre nouveau programme de physique sur les résultats des étudiants. »

Les chercheurs ont travaillé avec le KU Center for Teaching Excellence et le KU Office of Institutional Research &Planning pour obtenir les scores en mathématiques ACT des étudiants.

Fischer et ses collègues ont découvert que les étudiants en génie qui suivaient le nouveau programme de physique « l'énergie d'abord » avaient tendance à obtenir des notes plus élevées dans les cours d'ingénierie suivants (par exemple, dans un cours de génie mécanique pour lequel l'un des deux cours d'introduction à la physique était un préalable).

"Ce que nous avons vu, c'est que les étudiants en génie qui suivaient notre nouveau programme de physique ont mieux réussi dans leurs cours d'ingénierie, " il a dit.

Par ailleurs, les plus grands avantages pour les performances des étudiants dans les cours d'ingénierie en aval ont été observés chez les étudiants qui avaient des scores ACT en mathématiques inférieurs mais qui ont suivi le cours de physique « d'abord l'énergie ».

"Les avantages étaient d'autant plus importants que vos capacités initiales en mathématiques étaient faibles, " Fischer a dit. " Alors, les étudiants en ingénierie qui avaient des scores en mathématiques ACT inférieurs ont eu de plus grands avantages à suivre ce nouveau programme, ce qui nous a fait penser que peut-être charger les étudiants de résoudre plus de problèmes en utilisant le calcul dans ce cours de physique les aide avec leurs compétences en mathématiques appliquées en général, ainsi que leurs compétences en physique.

Les collègues KU de Fischer sur le projet du département de physique et d'astronomie de la KU étaient l'auteur principal Sarah LeGresley, professeur adjoint d'enseignement de physique et d'astronomie; Jennifer Delgado, professeur agrégé; Christophe Bruner, un doctorant; et Michael Murray, professeur de physique et d'astronomie.

Les chercheurs de la KU ont examiné dans quelle mesure les étudiants avaient compris le contenu de la physique en effectuant plus d'évaluations, trouver à nouveau ceux de la cohorte « d'abord l'énergie » avait l'avantage sur ceux de la classe d'introduction à la physique à l'ancienne.

"Séparément, nous avons fait une comparaison côte à côte des performances des étudiants sur un test conceptuel de physique standardisé utilisé par de nombreuses universités différentes, " a déclaré Fischer. " Et nous avons vu que tous les étudiants du nouveau programme de physique réussissent mieux que les étudiants du programme de physique traditionnel. "

Si ces résultats plaident certainement en faveur de l'adoption d'une approche « energy first », Fischer a souligné en raison de la petite taille de l'échantillon et de la démographie limitée des étudiants à un seul, grande université du Midwest, le programme "l'énergie d'abord" devrait être testé à un niveau plus large avant de conclure qu'il s'agissait d'une méthode supérieure pour enseigner la physique d'introduction aux étudiants d'âge universitaire.

"Nous n'avions pas des dizaines de milliers d'étudiants dans notre étude, " Fischer a déclaré. "Nous avons regardé seulement quelques milliers. Ainsi, il est important que d'autres universités essaient ce nouveau programme pour voir si nos résultats peuvent être reproduits. En effet, nous serions ravis d'accueillir d'autres institutions pour collaborer avec nous afin de tester si nos résultats sont solides, c'est essentiel."

En outre, les chercheurs de la KU espèrent développer et mettre en œuvre une évaluation à utiliser dans les cours de physique pour mieux comprendre le transfert mathématique.

« Est-ce que cette nouvelle façon d'enseigner la physique aide les étudiants à améliorer leurs compétences en calcul appliqué ? » dit Fischer. "A notre connaissance, personne n'a construit une évaluation ciblant cette question spécifique. Donc, nous essayons de comprendre comment concevoir un tel instrument."

Finalement, Fischer a déclaré que l'équipe aimerait s'appuyer sur les enseignements tirés de la mise en œuvre de l'approche physique « d'abord l'énergie » pour modifier le programme des autres classes du département.

"Y a-t-il un moyen de concevoir quelque chose de similaire, ou au moins profiter de ce type de méthodologie de conception pour les cours de physique basés sur l'algèbre de notre département ?", a-t-il déclaré. d'une manière qui serait plus utile pour les élèves du secondaire."