Физика 10-11 класс. Примеры решения задач из учебников Мякишева
Физика 10-11 класс. Примеры решения задач из учебников Мякишева
Задачи по физике – это просто!
Здесь приведены примеры решения задач по физике для учащихся 10-11 классов из учебников “Физика. 10 класс” (авт. Мякишев, Буховцев, Сотский) и “Физика. 11 класс” (авт. Мякишев, Буховцев, Чаругин).
Физика – 10 класс
по теме «Равномерное прямолинейное движение» ………. смотреть
по теме «Сложение скоростей» ………. смотреть
по теме «Движение с постоянным ускорением» ………. смотреть
по теме «Движение с постоянным ускорением свободного падения» ………. смотреть
по теме «Кинематика твёрдого тела» ………. смотреть
по теме «Второй закон Ньютона» ………. смотреть
по теме «Закон всемирного тяготения» ………. смотреть
по теме «Первая космическая скорость» ………. смотреть
по теме «Силы упругости.
по теме «Силы трения» ………. смотреть
по теме «Силы трения» (продолжение) ………. смотреть
по теме «Закон сохранения импульса» ………. смотреть
по теме «Кинетическая энергия и её изменение» ………. смотреть
по теме «Закон сохранения механической энергии» ………. смотреть
по теме «Динамика вращательного движения абсолютно твёрдого тела» ………. смотреть
по теме «Равновесие твёрдых тел» ………. смотреть
по теме «Основные положения МКТ» ………. смотреть
по теме «Основное уравнение молекулярно-кинетической теории» ………. смотреть
по теме «Энергия теплового движения молекул» ………. смотреть
по теме «Газовые законы» ………. смотреть
по теме «Определение параметров газа по графикам изопроцессов» ………. смотреть
по теме «Насыщенный пар. Влажность воздуха» ………. смотреть
по теме «Внутренняя энергия.
Работа» ………. смотреть по теме: «Количество теплоты. Уравнение теплового баланса» ………. смотреть
по теме: «Первый закон термодинамики» ………. смотреть
по теме: «КПД тепловых двигателей» ………. смотреть
по теме «Закон Кулона» ………. смотреть
по теме «Потенциальная энергия электростатического поля. Разность потенциалов» ………. смотреть
по теме «Электроёмкость. Энергия заряженного конденсатора» ………. смотреть
по теме «Закон Ома. Последовательное и параллельное соединения проводников» ………. смотреть
по теме «Работа и мощность постоянного тока. Закон Ома для полной цепи» ………. смотреть
по теме «Электрический ток в различных средах» ………. смотреть
Физика – 11 класс
по теме “Магнитное поле” ………. смотреть
по теме “Электромагнитная индукция” ………. смотреть
……… смотреть по теме “Геометрическая оптика” ………. смотреть
по теме “Волновая оптика” ………. смотреть
Успехов в разборе «полетов»!
Знаете ли вы?
Оптика и живая природа
Оказывается, у человека в глазу хрусталик выполняет роль не только линзы, но и светофильтра. Хрусталик нашего глаза отсекает от видимой части спектра ультрафиолетовые лучи. Не будь у нас его, мы тоже могли бы видать мир в ультрафиолетовых лучах.
В самом деле, люди у которых удален помутневший хрусталик и заменен стеклянной линзой – очками, видят предметы в ультрафиолетовом свете. Они даже читают таблицу для проверки зрения лишь при ультрафиолетовом освещении. Тогда как обычные люди при таком свате совершенно ничего не видят.
Могло бы насекомое, обладающее сложными глазами, воспринимать телевизионную передачу или смотреть кино? Если нам показывать 10 изображений в секунду, мы еще различим отдельные зрительные образы, а если 16, то все сольется в непрерывное действие.
Мухе или пчеле надо 200 смен кадров в секунду, чтобы она восприняла непрерывное движение. Поэтому на наших телевизорах и киноэкранах насекомые видели бы отдельно меняющиеся картинки. А свет ламп дневного света, зажигающихся и гаснущих 50 раз в секунду, который мы воспринимаем как постоянный, для ник представляется всегда мигающим.
Мало кто слышал о сканирующем глазе, который работает по тому же принципу, что и телевизионная трубка. Сканирующий глаз можно найти у маленького членистоногого капилия. Большой красивый хрусталик смотрит на мир. Он фокусирует изображение на… нет, не на сетчатку, а в пустое пространство глазной камеры.
Изображение улавливается всего-навсего одним светочувствительным рецептором, прикрепленным к тонкому мышечному пучку, который перемещает его в глазу, словно электронный луч в светочувствительной трубке телекамеры.
Другие животные обходятся без хрусталика, и глаз у них построен наподобие камеры с точечным отверстием. Головоногий моллюск наутилус, родственник осьминога и кальмара со странными большими глазами м очень маленьким зрачком, как раз использует для своего зрения настоящую камеру Обскура.
У такой камеры-глаза есть большое преимущество: на каком бы расстоянии ни рассматривался предмет, его изображение всегда будет сфокусировано на сетчатке. Жаль только, что через узкое отверстие зрачка проходит мало световых лучей, поэтому при плохом освещении наутилус многого не различает.
Источник: “Юный натуралист”
Примеры решенных задач по физике на тему “Давление света”
Ниже размещены условия задач и отсканированные решения. Если вам нужно решить задачу на эту тему, вы можете найти здесь похожее условие и решить свою по аналогии. Загрузка страницы может занять некоторое время в связи с большим количеством рисунков. Если Вам понадобится решение задач или онлайн помощь по физике- обращайтесь, будем рады помочь.
Физическое явление – давление света на поверхность – можно рассматривать с двух позиций – корпускулярной и волновой теорий света. Согласно корпускулярной(квантовой) теории света, фотон является частицей и имеет импульс, который при попадании фотона на поверхность полностью или частично передается поверхности.
Свет длиной волны 620 нм падает нормально на зачерненную поверхность и оказывает давление 0,1 мкПа. Какое количество фотонов падает на поверхность площадью 5 см2 за время 10с?
Свет падает нормально на зеркальную поверхность и оказывает на нее давление 40 мкПа. Какова энергетическая освещенность поверхности?
Свет длиной волны 600 нм падает нормально на зеркальную поверхность и оказывает давление 4 мкПа. Какое количество фотонов попадает на поверхность площадью 1 мм
Свет с длиной волны 590 нм падает на зеркальную поверхность под углом 60 градусов. Плотность светового потока 1 кВт/м2. Определить давление света на поверхность.
Источник находится на расстоянии 10 см от поверхности.
Давление света на поверхности равно 1 мПа. Найти мощность источника.
Световой поток мощностью 0,8 Вт падает нормально на зеркальную поверхность площадью 6 см2. Найти давление и силу давления света.
Световой поток мощностью 0,9 Вт падает нормально на зеркальную поверхность. Найти силу давления света на эту поверхность.
Свет падает нормально на поверхность с коэффициентом отражения 0,8. Давление света, оказываемое на эту поверхность, равно 5,4 мкПа. Какую энергию принесут падающие на поверхность площадью 1 м2 фотоны за время 1с?
Найти давление света, оказываемое на зачерненную поверхность колбы лампы накаливания изнутри. Колбу считать сферой радиуса 10см, спираль лампы принять точечным источником света мощностью 1 кВт.
Световой поток мощностью 120 Вт/м2 падает нормально на поверхность и оказывает давление 0,5 мкПа. Найти коэффициент отражения поверхности.
Световой падает нормально на идеально отражающую поверхность площади 5 см2.
На зеркальную поверхность площадью 4,5 см2 падает свет. Энергетическая освещенность поверхности 20 Вт/см2. Какой импульс передадут фотоны поверхности за время 5с?
Свет падает нормально на зачерненную поверхность и за время 10 мин приносит энергию 20 Дж. Площадь поверхности 3 см2. Найти энергетическую освещенность поверхности и давление света.
Свет с мощностью потока 0,1 Вт/см2 падает на зеркальную поверхность под углом падения 30 градусов. Определить давление света на поверхность.
Задачки по физике не решаются
На встречах с одноклассниками друзья до сих пор подшучивают надо мной, вспоминая истошные крики учителя физики “Какое у лошади может быть ускорение!!!”, далее следовали непечатные выражения, которые я здесь приводить не буду. Физика была моим любимым предметом в школе и решать задачки по ней успешно удавалось только паре учеников в классе, мне в том числе.
Теперь уже ко мне приходят ученики, чтобы научиться решать задачи по физике. Подавляющее большинство формулирует свои проблемы так: “по физике я понимаю и знаю всю теорию, но задачи решать не получается”.
Это первое заблуждение, от которого надо избавиться школьнику. Только глубокое понимание теории даст нам ключ к решению задач. С проблемой решения задач сталкиваются в первую очередь те, кто недостаточно понимает теоретический материал. Я обратила внимание на то, что школьники просто не открывают теоретическую часть учебника, которая находится всего в 1-2-х страницах от заданной задачи. Утверждение “я понимаю теоретическую часть” основано на том, что он слышал на уроке объяснения учителя и у него не возникло вопросов. Но объяснением учителя не исчерпывается необходимый для решения задач материал! Что я пытаюсь донести до школьников, это необходимость читать и искать ответы на вопросы, которые непременно возникнут в процессе чтения. Да здравствует прогресс, найти ответ на вопрос по физике сейчас не составляет труда – GOOGLE знает все.
Моей основной задачей, как репетитора по физике, является, в первую очередь, научить ребенка формулировать вопросы, а для этого, прежде всего, он должен научиться вдумчиво читать. Если у ученика не возникает вопросов в процессе учебы – это верный признак того, что он не понимает материал. Ну и как следствие – проблемы с решением задач.
Теперь более детально объясню, что значит не понимать теорию. Это, в первую очередь, не знать связей между формулами, которые приводятся в теоретической части учебника. Для этого необходимо самому провести все выкладки и доказательства. В процессе доказательства возникнет несколько вопросов, разобравшись с которыми, ученик усвоит теоретическую часть материала и, следовательно, облегчит себе решение задач по этой теме.
Вычислив g таким способом, не лишним было бы заметить, что эту же константу можно расчитать опытным путем, бросая шарик с высоты и засекая время падения, напомнив тем самым формулы, описывающие свободное падение.
Вообще, всегда полезно делать замечания, основанные на пройденном материале настолько часто, насколько это возможно. Тогда ученики будут воспринимать каждую тему во взаимосвязи с предыдущими, и вероятность услышать от него вопросы по теме будет значительно выше. А правильно сформулированный вопрос это уже половина ответа.
Часто проблемы возникают и в процессе вычислений по формулам. Казалось бы – чего проще – подставить числа, данные в условии задачи, в готовую формулу и посчитать ответ с помощью калькулятора. Да не тут-то было – ответ не сходится. В чем может быть проблема? Чаще всего это несоответствие размерностей – например, длина дана в метрах, а скорость в километрах в секунду. Так что, первый вопрос, который должен задать себе ученик, это все ли в порядке в его задаче с размерностями и только после приведения размерностей можно приступать к подстановке данных в формулы.
Ну и вторая проблема, не менее распространенная это элементарное незнание математики и неумение применять математические навыки в жизни.
99,9% учащихся пытаются облегчить себе жизнь с завидным упорством вбивая бесконечные нули в окошко калькулятора. А ведь это тот самый случай, где лень является двигателем прогресса. Но нет, на занятии физикой все знания, приобретенные на уроке математики, испаряются бесследно. Здесь и сейчас самое время показать ученику для чего эти знания могут понадобиться.
Конечно, описанные проблемы – не единственные при решении задач по физике, но, решив хотя бы их, вы уже ощутите улучшение ситуации и поможете своим детям избавиться от страха перед задачами, а возможно, и привить интерес к решению незнакомых задач.
Какие рекомендации я могу дать родителям? Прежде чем звонить репетитору усадите ребенка прочитать последний, заданный ему параграф по физике, предшествующий тем задачам, с которыми у него возникли проблемы. Задайте ему вопросы, которые есть в конце каждого параграфа. Попробуйте рассуждать вместе с ребенком, отвечая на вопрос. Вы можете даже подискутировать. Для этого, конечно, вам придется тоже полистать учебник, в котором “многа букав”.
Опять же есть гугл, который все знает. Это тернистый путь, но он может принести прекрасные плоды. Если все же проблема остается, репетиторов более чем достаточно. Важно избегать ситуации, в которой репетитор просто решает на занятиях домашнюю работу за своего ученика. Я считаю, что моя задача научить решать самостоятельно, находить нужную информацию для решения в учебнике и в сети, а для этого правильно задавать и формулировать вопросы.
В следующих Заметках я расскажу, как проверить правильность решения задачи, если нет возможности подсмотреть ответ. Это может оказаться полезным на контрольных и, кроме того, помогает запоминать необходимые формулы.
С любезного разрешения администрации добавляю свои контактные данные:
Skype: olga.kalyakina
email: [email protected]
Tel. 8-9649559520
Студия дополнительного образования ЭΛΛАС. Греческий язык.Математика. Подготовка к ЕГЭ по математике. Берусь за безнадежные случаи.
Как решить задачи по физике по термометру? Например, 1.
Мензурка 2.Объем: V и т.д.Ответ в объяснении
Объяснение:
1) Задачи по физике по термометру.
Для задач по термометру пригодится несколько вещей:
1. Знать цену деления термометра( также и другого любого измерительного устройства, мензурка тоже подходит) – расстояние между ближайшими штрихами шкалы, выраженная в единицах измеряемой величины.
Как видно на первом термометре(рис.1) мы можем посчитать цену деления, для этого возьмем 1 и 0(расстояние между двумя ближайшими штрихами, можно взять два любых других ближайших чисел)
1. Отнимаем от большего меньшее
1-0=1
2. Делим на количество делений между 1 °С и 0 °С(здесь у нас их два)
1/2=0.5
3. Вот такая формула в дробях
Можем сделать вывод, что цена деления 0,5 °С
2. Знать верхний предел измерения(максимальная температура) и нижний предел измерения(минимальная температура)
2) Задачи по физике по мензурке
Для задач по мензурке пригодится несколько вещей:
1.
Знать цену деления мензурки(пример с термометром выше)
2. Знать экспериментальные способы решения задач.
Задача
Как видим из рисунка 2, нам нужно найти объем твердого тела которое помещают в мензурку.
1) Считаем цену деления:
мл
2) Измеряем объем воды без погруженного тела
V₁ = 200 мл.
3) Погружаем тело .
4) Видим изменения в объеме воды.
5) V₂ = 450 мл.
6) Отнимаем V₂ – V₁ , чтобы узнать объема тела.
Vтел. = V₂ – V₁=450-200=250 мл.
Vтел. = 250 мл.
Ответ: Объем тела 250 мл.
Все просто. Если хорошо изучишь мою информацию, сможешь с легкостью решать физические задачи. Если будут сложности можешь изучить первые параграфы из учебника по физике Божиновой 7 класс.
Решение задач по теме “Статика”
Цели урока:
- Повторить условия равновесия тел;
- Углубить знания учащихся по данной теме;
- Продемонстрировать возможности поэтапного решения задач по теме “Статика” с использованием предложенного плана и отработать умение пользоваться им при решении задач различного уровня сложности;
- Развивать умение мыслить логически, выражать неизвестную величину из полученной формулы, совершенствовать счетные навыки ребят
Оборудование: презентация.
Ход урока
1. Оргмомент. Вводное слово учителя.
2. Повторение изученного материала:
(Слайды № 2- 6)
- На столе лежат три книги (рис.1). Значения сил тяжести, действующих на каждую книгу, указаны на рисунке. Какова величина суммарной силы, действующей на книгу №2?
1) 0. 2) 12 Н. 3) 5 Н. 4) 9 Н.
- Однородный куб опирается одним ребром на пол, другим – на вертикальную
Стену (рис 2). Плечо силы упругости N
1) 0 2) О2О1 3) О1О 4)О2О
- Труба массой М = 1 т лежит на земле.
Какую силу (в
кН) надо приложить, чтобы приподнять краном трубу
за один из ее концов?
1) 10 кН 2) 5 кН 3) 15 кН 4) 20 кН
- На рисунке (рис.3) схематически изображена металлическая труба, прислонённая к гладкой стене. Каков момент силы трения FTP, действующей на трубу, относительно точки A?
1) 0 2) FТР·OD 3) FТР·AB 4) FТР·AM
- Чему равен момент силы тяжести груза массой 40 кг, подвешенного на кронштейне АВС, относительно точки В, если АВ=0,5 м и угол =450 (рис.4)
1) 10 Н·м. 2)5 Н·м. 3) 0 Н·м. 4) 200 Н·м.
(Опрос ведется в достаточно быстром темпе, все ответы даются с объяснением)
3. Сообщение темы урока. Изложение нового материала.
Ребята! Сегодня мы продолжим решать расчетные задачи по теме “Статика”.
Повторим алгоритм решения задач по данной теме.
(слайд № 7)
При решении задач на равновесие тел:
1. Сделать рисунок, показать все силы, действующие на тело (или тела системы), находящиеся в положении равновесия, выбрать систему координат и определить направление координатных осей.
2. Для тела, не имеющего оси вращения, записать первое условие равновесия в векторной форме F = 0, затем записать это условие равновесия в проекциях на оси координат и получить уравнение в скалярной форме.
3. Для тела, с закрепленной осью
вращения, следует определить плечи всех сил
относительно этой оси и использовать второе
условие равновесия (правило моментов): М = 0. Если из
условия задачи следует, что ось вращения тела не
закреплена, то необходимо использовать оба
условия равновесия.
При этом положение оси
вращения следует выбирать так, чтобы через нее
проходило наибольшее число линий действия
неизвестных сил.
4. Решить полученную систему уравнений и определить искомые величины.
Задачи без рисунка, даже решенные правильно, я не рассматриваю!
Итак, начнем с поэтапного решения первой задачи
(слайд №8)
(Рассматривается ход решения предложенной задачи с пошаговой опорой на анимированный слайд. Причем, делается акцент на каждом шаге на умение правильно использовать ранее изученный (и проработанный вначале урока) материал в процессе решения задачи. При решении задачи применяется и первое, и второе условия равновесия. Выбор оси вращения в центре шара устраняет момент неизвестной силы тяжести.)
4. Решение задач у доски (слайды №№ 9–15).
Учащиеся выходят по очереди к доске и с опорой на предложенный план решают остальные задачи и сравнивают с предложенным решением
Задача №1. К гвоздю, вбитому в стенку, привязана нить, намотанная на катушку. Катушка висит, касаясь стенки, как показано на рисунке. Радиус оси катушки r = 0,5 см, радиус ее щечек R = 10 см. Коэффициент трения между стенкой и катушкой = 0,1. При каком угле между нитью и стенкой катушка висит неподвижно? (рис.5)
Задача №2. Цилиндр массой m = 150 кг удерживается на наклонной плоскости с помощью ленты, с одной стороны закрепленной на наклонной плоскости, а с другой направленной параллельно плоскости. Найти силу натяжения ленты. Угол наклона плоскости = 30°. (рис.6)
(Задачу можно решить, применяя либо только первое условие равновесия, либо только второе)
Задача №3.
Однородный шар радиуса R
подвешен на нити длиной l, конец которой
закреплен на вертикальной стене. Точка крепления
к шару находится на одной вертикали с центром
шара. Каков должен быть коэффициент трения между
шаром и стеной, чтобы шар находился в равновесии?
(рис.7)
(При решении задачи применяются и первое, и второе условия равновесия)
Задача №4. Какой минимальной горизонтальной силой можно опрокинуть через ребро куб, лежащий на горизонтальной плоскости?
Дополнительно для сильных учеников задача №5. Тонкостенная полусфера массой M и радиусом R покоится на горизонтальном столе. На какую высоту опустится край полусферы, если на него сядет муха массой m? Центр тяжести полусферы расположен на расстоянии a = 1/2R от ее центра. (Рис.8) (слайд № 16-17)
5. Подведение итогов урока.
Домашнее задание (слайд № 18)по сборнику Л.А.Кирик. Физика. Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы по физике 9 класс. Москва, Илекса,2006.
Решение задач
Некоторые предложения о том, как преуспеть в физике и Десять заповедей Гарнерса по решению проблем
Некоторые предложения о том, как преуспеть в физике и Десять заповедей Гарнерса по решению проблемНесколько советов о том, как преуспеть в физике и десять заповедей Гарнерса по решению проблем.
Вопреки тому, что вы, возможно, слышали, физика временами бывает сложной и утомительной. Вот несколько советов, которые я нашел полезными для студентов-физиков.
Прежде чем я перечислю их, у меня есть комментарий. Изучение физики похоже на обучение игре на музыкальном инструменте или спорту. Чтобы сделать это хорошо, требуется много усилий и ежедневной практики. Перефразируя древнегреческого философа, который был наставником царя, «нет царских дорог к физике», с которой каждый должен бороться.
· Посвятите курсу достаточно времени.
Каждый час в классе вы должны проводить около двух-трех часов вне класса.Регулярно посещайте занятия. Не расслабляйтесь к концу семестра.
· Прочтите учебник и заметки перед лекцией.
Не пытайтесь делать домашнее задание, пока не прочтете учебник.
· Не стесняйтесь задавать вопросы.
У меня нет другого способа узнать, где у вас проблемы, кроме как услышать от вас.
· Проработайте как можно больше задач, и если вам нужна помощь, обратитесь к инструктору или репетиторам.
Не откладывайте рабочие проблемы на последнюю минуту. Работайте над несколькими задачами каждый день. Много раз, если вы застреваете на проблеме и откладываете ее на некоторое время, когда вы снова возьметесь за нее, вы сможете быстро ее решить. В учебнике много примеров, в лекции есть примеры, в учебном пособии для студентов есть примеры, но в какой-то момент вам нужно решать задачи самостоятельно. Вы не можете стать скрипачом, просто наблюдая, как другие скрипачи играют на скрипке. (См. Ниже дополнительные указания по решению проблем.)
· Проблемы с головой на ранней стадии.
Если вы плохо сдаете экзамен, обратитесь к инструктору, чтобы посмотреть ключ и задать вопросы о том, где у вас возникли проблемы.
· Сохраняйте позитивное отношение к курсу.
· Поработайте с одним или двумя другими студентами.
Собирает десять заповедей по задачам
«Я прочитал главу и следил за лекцией.Но когда приходит время делать домашнее задание, я теряю ».
Я слышал этот комментарий тысячи раз. Решение проблем – это искусство, которое развивается только со временем и после тяжелой работы. Чем больше проблем вы решите, тем лучше вы это сделаете. Вот несколько советов, как научиться решать проблемы.
- Прочтите текст и веб-заметки, а затем начните решать задачи с медленного прочтения проблемы, чтобы убедиться, что вы поняли вопрос.
- Сделайте большую цифру .Запишите и обведите неизвестные. Введите символов для всех величин – не работайте с числами.
- Найдите, какие основные принципы физики применимы к проблеме. Затем вы выразите эти принципы с помощью символов, которые вы ввели во II.
- Выполните математику , то есть решите уравнения, которые вы нашли в III для неизвестного.
- Убедитесь, что единиц правильные.
- Спросите себя, кажется ли мой ответ разумным .
- Уровень сложности задач существенно различается. Некоторые задачи будут простыми, они просто привыкнут к терминологии. Некоторые проблемы вы не сможете решить. Многие проблемы вы сможете решить, если уделите проблеме достаточно времени.
- Если вы не можете решить проблему, отложите ее и займитесь ею позже. Много раз вы сможете быстро решить эту проблему.
- Работа в команде из двух или максимум трех студентов.Вы можете помогать друг другу учиться.
- Самые сложные проблемы жизни требуют, чтобы вы спросили: «Существует ли решение, и если да, то является ли оно уникальным».
См. Также Как решить , Г. Поля, второе издание (Princeton University Press, 1957).
Решение концептуальных задач в физике
https://doi.org/10.1016/B978-0-12-387691-1.00009-0 Получить права и содержаниеАннотация
Студенты вводных курсов физики сосредотачиваются на количественных манипуляциях за счет обучения концепции и понимание того, как они применяются для решения проблем.Эта склонность к манипулированию уравнениями приводит к поверхностному пониманию и плохому долгосрочному удержанию. Мы обсуждаем альтернативный подход к решению физических проблем, который мы называем концептуальным решением проблем (CPS), который подчеркивает и подчеркивает роль концептуального знания в решении проблем. Мы представляем исследования, в которых изучалось влияние трех различных реализаций CPS на концептуальное обучение и решение проблем. Одно было лабораторным исследованием с использованием компьютерных инструментов для концептуального анализа проблем.Еще одно исследование проводилось в классе в рамках большого вводного курса колледжа, в ходе которого студенты писали концептуальные стратегии до решения задач. Третий вариант был реализован в классах средней школы, где учащиеся определили соответствующий принцип, написали обоснование того, почему принцип может быть применен, и предоставили план выполнения этого принципа (который затем использовался для создания уравнений). Во всех трех реализациях были обнаружены преимущества, которые измерялись различными концептуальными оценками и оценками решения проблем.В заключение мы подводим итоги того, что мы узнали из подхода CPS, и предлагаем некоторые взгляды на текущее и будущее состояние преподавания физики.
Ключевые слова
Оценка
Концептуальная
Средняя школа
Вводная физика
Решение проблем
Написание стратегии
Естественное образование
Познание науки
Оценка науки
Решение концептуальной задачи
Решение концептуальной задачи
статьи (0)
Полный текстCopyright © 2011 Elsevier Inc.Все права защищены.
Рекомендуемые статьи
Цитирующие статьи
Решение проблем: интерактивное взаимодействие на основе физического моделирования
Практически во всех вводных курсах физики решение задач является основной частью курса (Hsu, Brewe, Foster, & Harper, 2004). В главах учебника физики есть не только много упражнений и практических задач, которые хорошо определены и содержат всю необходимую информацию, но и много решенных примеров проблем (Foster, 2000).Традиционные лекции полны стандартных задач, решаемых преподавателем. Таким образом, оценка знаний студентов по физике основана на том, что студенты решают стандартные задачи по физике. С другой стороны, студенты должны уметь применять свои знания физики и математики как качественно, так и количественно. Даже физикам нужны умения решать проблемы в дополнение к пониманию концепций.
В чем именно проблема? Это проблемы-вопросы в конце главы в учебнике физики? Чтобы ответить на эти вопросы, были введены два типа задач.
Типы проблем
Задачи упражнений и практики : Их также называют стандартными задачами (Maloney, 1994). Эти задачи требуют от студентов вспомнить, понять или применить данные правила и принципы (Хендерсон, 2002).
Реальные проблемы: Их также называют настоящими проблемами. Согласно Hayes (1989), «всякий раз, когда есть разрыв между тем, где вы сейчас находитесь, и тем, где вы хотите быть, и вы не знаете, как найти способ преодолеть этот разрыв, у вас возникает проблема.”(Стр. Xii). Некоторые примеры, приведенные Хейсом, хорошо объясняют, что он подразумевает под проблемой. Например, если вы находитесь на одной стороне реки и хотите перейти на другую сторону, но не знаете, как перейти на другую сторону, то у вас проблема. Другой пример: если вы пишете письмо и просто не можете найти вежливый способ сказать: «Нет, мы не хотим, чтобы вы приехали и остались на месяц», у вас есть проблема (стр. Xii).
Реальные задачи часто требуют более одного шага для их решения, и учащимся обычно нужно разбивать задачи на части.После этого ученикам необходимо соединить детали. Кроме того, реальные физические задачи могут не содержать всей необходимой информации или могут содержать больше информации, чем требуется. Цель состоит в том, чтобы дать учащимся понять, что некоторые задачи могут содержать недостающую или дополнительную информацию. В случае отсутствия информации они должны делать оценки и приближения (Henderson, 2002). В физике эти задачи называются по-другому. Их называют проблемами с богатым контекстом (Heller, Keith, & Anderson, 1992) или задачами для изучения конкретных ситуаций (Van Heavelen, 1991).
В следующих разделах, когда я говорю о проблемах, я имею в виду реальных, (истинных) проблем, которые могут быть проблемами с богатым контекстом или проблемами из практики.
Различия между экспертом и новичком в решении проблем
Эксперты и новички обеспечивают полезную основу для изучения решения физических задач (Фостер, 2000). Поэтому мы должны посмотреть, как специалисты и новички подходят к физическим задачам и решают их.
Эксперты знают больше и знают, как использовать эти знания (Фостер, 2000): Разница между экспертами и новичками в физике заключается в том, что эксперты знают больше физики.Согласно Chi, Feltovich, & Glaser (1981), новички использовали поверхностные особенности проблемы для решения проблем. Поверхностные элементы – это объекты, физические термины и физические конфигурации в данной задаче. Специалисты не использовали эти характеристики поверхности для решения задач. В решении они использовали принципы физики.
Эксперты действуют осознанно и планируют, прежде чем решать проблему (Foster, 2000): Эксперты тщательно анализируют проблему перед ее решением, а не напрямую используют уравнения для ее решения.Этот анализ, сделанный экспертами, представляет собой качественное описание, основанное на принципах, а не на математических расчетах (Larkin, 1979). Таким образом, качественный анализ – это интерпретация проблемы лицом, решающим проблему. Ларкин и Рейф (1979) назвали качественный анализ представлением, специфичным для предметной области. В своем исследовании они предлагали экспертам и новичкам решать физические задачи с помощью протокола «мысли вслух». Они обнаружили, что у экспертов есть качественные физические объяснения. Новичкам не хватало знаний физики, чтобы дать качественное физическое объяснение.
Ларкин (1983) показал, что эксперты использовали свои предметно-ориентированные представления в качестве руководства для решения задач до того, как начали использовать математику. Представления, зависящие от предметной области, включают в себя схемы чертежей. Эксперты обычно рисуют цифры, чтобы понять проблему перед ее решением, тогда как новички не обладают этим навыком (Schultz & Lockhead, 1991). Согласно Алану Ван Хевелену (1991), студенты не рисуют диаграммы, потому что не понимают концепций и принципов. Кроме того, студентов не учат создавать свои собственные диаграммы, а их альтернативные концепции противоречат тому, что они знают.
Процесс решения проблемы экспертом состоит из трех этапов (Reif & Heller, 1982). Первый – это этап описания, который представляет собой перевод постановки проблемы в четкое описание проблемы. Это создает представление, зависящее от предметной области. Второй – этап поиска решения, использующий общепринятые процедуры. Последний – оценка стадии решения, чтобы увидеть, соответствует ли решение критериям правильной интерпретации и полноты.
Ларкин (1980) показал, что перед решением проблемы эксперты использовали этапы сборки, планирования, решения и проверки. Это означает, что планирование важно для специалистов. Новички не используют планирование (Foster, 2000).
Эксперты часто работают вперед и оценивают (Фостер, 2000): Эксперты склонны двигаться вперед от заданных значений и известных величин к желаемому количеству, тогда как новички склонны работать в обратном направлении от желаемого количества к данным переменным (Ларкин, Макдермотт , Саймон и Саймон, 1980).Эксперты отслеживают и контролируют свои стратегии при решении проблем. Они задают такие вопросы, как. “Что я делаю?” «Почему я это делаю?» и “Как это мне помогает?” (Schoenfield, 1992). Ответы на эти вопросы помогают им оценить свой прогресс и дают представление о том, что делать на следующем этапе. Напротив, новички не склонны задавать подобные вопросы во время решения проблем (Hendersen, 2002). Новички вряд ли оценят свои ответы (Мэлони, 1994).
Таким образом, хотя подходы экспертов к решению проблем немного различаются в зависимости от литературы, в каждой из них используются одни и те же основные темы (Heller, Keith, & Anderson, 1992).
Это исследование представляет собой исследование влияния подхода интерактивного обучения, основанного на моделировании, на способность учащихся решать физические задачи. Другими словами, стремятся ли студенты стать экспертами?
Метод обучения: интерактивное взаимодействие на основе моделирования
В курсе использовался метод интерактивного обучения, основанный на моделировании. «Моделирование», используемое здесь, имеет значение, отличное от «моделирования», используемого в обозначении естественнонаучного образования.Когда мы говорим о физическом моделировании, в физике моделирование используется иначе; несколько конкретных фундаментальных принципов используются для построения физических моделей, таких как принцип количества движения, принцип энергии и принцип момента количества движения. Таким образом, это отличается от моделирования, используемого в естественнонаучном образовании.
Вкратце, моделирование в физике определяется как «создание упрощенной, идеализированной физической модели беспорядочной реальной ситуации с помощью приближений» (Chabay & Sherwood, 1999). В сообществе физиков это также называется «физическим моделированием».В этом курсе физическое моделирование и компьютерное моделирование используются для содействия концептуальному пониманию с использованием метода интерактивного взаимодействия. Хэйк (1998) определяет “методы интерактивного взаимодействия (IE) как методы, разработанные, по крайней мере, частично для содействия концептуальному пониманию посредством вовлечения студентов в непосредственные (всегда) и практические (обычно) действия, которые дают немедленную обратную связь посредством обсуждения со сверстниками. и / или преподаватели … »(Hake, 1998, стр. 65). Это метод, который улучшает концептуальное понимание учащимися посредством их взаимодействия друг с другом, поощряя решение проблем и некоторые практические занятия.Этот метод обеспечивает немедленную обратную связь с коллегами, помощниками преподавателей и / или инструкторами.
Интерактивное обучение, основанное на моделировании, включает в себя физическое моделирование и компьютерное моделирование, которые направлены на развитие концептуального понимания физических принципов и содействие способности студентов решать проблемы (Chabay & Sherwood, 2008).
Физическое моделирование
Физическая модель в физическом образовательном сообществе – это «упрощенная и идеализированная физическая система, явление или идеализация.Согласно Greca & Moreira (2002), физические модели определяют, например, упрощения, связи и необходимые ограничения. В качестве примера можно представить модель системы с точечными частицами в классической механике. Другой пример – простой маятник, который представляет собой идеализированную систему, состоящую из массовой частицы на безмассовой струне постоянной длины, движущейся в однородном гравитационном поле Земли без сопротивления воздуха (Czudkovà & Musilovà, 2000).
На вводных курсах физики, основанных на исчислении, студенты не используют заранее определенные модели.Они применяют фундаментальные принципы и создают модели, создавая упрощенную, идеализированную физическую модель беспорядочной реальной ситуации с помощью приближений. Затем результаты или прогнозы модели сравниваются с реальной системой. Заключительный этап – доработка модели для получения лучшего согласия, если это необходимо. Иногда может не потребоваться варьировать модель, чтобы получить более точное согласие с явлениями реального мира. Даже если согласие может быть отличным, оно никогда не будет точным, поскольку в окружающей среде всегда есть некоторые влияния, которые нельзя учесть при построении моделей.Например, в эксперименте, когда камень падает, при этом основное влияние оказывают гравитационное притяжение земли и сопротивление воздуха. Однако есть и другие эффекты, такие как влажность, ветер и погода, а также вращение Земли и других планет (Chabay & Sherwood, 1999).
На основе физического моделирования (Chabay & Sherwood, 1999) процедура резюмируется следующим образом:
(i) исходить из фундаментальных принципов, таких как принцип количества движения, принцип энергии и принцип момента количества движения; (ii) оценка количества; (iii) делать предположения и приближения; (iv) решить, как моделировать систему; (v) объяснять-предсказывать реальное физическое явление в системе; и, наконец, оцените объяснение или предсказание.
Таким образом, физическое моделирование – это анализ сложных физических систем путем сознательных приближений, упрощений и идеализаций. Когда учащиеся делают приближения или упрощения, они должны быть в состоянии объяснить, почему они их делают. Например, при моделировании падающего шара сопротивлением воздуха обычно пренебрегают, поэтому сопротивление воздуха не влияет на силу. Хотя учащиеся пренебрегают сопротивлением воздуха, они должны уметь объяснить, почему сопротивлением воздуха пренебрегают.Например, одна из причин заключается в том, что эффекты сопротивления воздуха часто очень малы, поэтому они по большей части могут им пренебречь при решении проблем путем приближения.
В следующем примере показано, как использовать физическое моделирование для объяснения реального явления, которое также можно рассматривать как физическую проблему.
Аттракцион в парке развлечений (Chabay & Sherwood, 2002, стр.106) : Есть аттракцион, который некоторые люди любят, а другие ненавидят, когда группа людей стоит у стены цилиндрической комнаты радиуса R. , и комната начинает вращаться с все большей угловой скоростью ω (рис. 1).Когда достигается определенная критическая угловая скорость, пол падает, оставляя людей прижатыми к вращающейся стене. Объясните, почему люди держатся за стену, не падая. Включите тщательно обозначенную диаграмму сил человека и обсудите, как изменяется импульс человека и почему.
Рис. 1. Аттракцион аттракционов (Chabay & Sherwood, 2002, стр.106)
Рисунок 2. Физическая диаграмма человека (Chabay & Sherwood, 2002, p.106)
Исходя из фундаментального принципа физики, который в данной ситуации является принципом импульса, мы можем определить известные силы и нарисовать силовую диаграмму (рис. 2). На диаграмме человек с массой m, когда человек находится справа, движется в направлении –z. Земля прилагает силу, которая направлена вниз. Стена оказывает силу, которая имеет компонент y + f, потому что человек не падает, и компонент x -F N перпендикулярно стене, потому что импульс человека меняет направление.Есть изменение импульса. Поскольку результирующая сила не равна нулю, человек не движется по прямой. Из кругового движения (без изменения направления y) и принципа импульса,
Объединяя эти два,
Вертикальная составляющая силы стенки f является силой трения. Если у стены слишком низкое трение, человек не будет прилипать к стене.Итак, f мкФ N (μ – коэффициент трения). μ имеет значение от 0,1 до 1,0. Угловая скорость должна быть достаточно большой. Таким образом, . Чем меньше трение, тем выше требуется угловая скорость. Когда сила трения меньше силы тяжести, люди не могут прилипнуть к стене и соскользнуть вниз. По этой причине угловая скорость должна быть достаточно большой, чтобы сила трения превышала силу тяжести.
Компьютерное моделирование
В этом курсе студенты пишут программы компьютерного моделирования для моделирования физических систем с помощью VPython (Scherer, Dubois, & Sherwood, 2000). Программа компьютерного моделирования VPython подходит для учебной программы Chabay & Sherwood, поскольку учащимся не обязательно иметь опыт программирования. Chabay & Sherwood (1999) объясняют, почему программа компьютерного моделирования VPython подходит для такого типа среды обучения:
Желательно, чтобы студенты сами писали компьютерные программы, чтобы не было непробиваемых «черных ящиков».«… Также желательно, чтобы студенты создавали трехмерные анимации физических систем, электрических и магнитных полей, а не только графики, но в стандартных средах программирования это было очень сложно сделать, и студенты вводного курса физики, основанного на исчислении очень хорошо осведомлены обо всех сферах применения компьютеров, за исключением одного: программирования … Некогда учить программированию, тем более, как создавать трехмерные графики, поэтому очень важно иметь подходящую среду программирования, которая требует небольшого обучения.VPython предоставляет подходящую среду для этой цели (стр. 11–12).
Дэвид Шерер (Scherer et al., 2000), студент курса «Материя и взаимодействия» в Карнеги-Меллон, создал VPython в 2000 году. Программа VPython требует, чтобы студенты сосредоточились на физических вычислениях для получения трехмерных визуализаций. VPython поддерживает стандартные векторные оценки, поэтому учащиеся могут представлять вычисления в векторной форме. Другими словами, учащиеся могут выполнять истинные векторные оценки, что улучшает их понимание полезности векторов и векторных обозначений.Например, студенты могут изучить движение Земли по орбите вокруг Солнца, написав программу на VPython. Распечатка моделирования показана на рисунке 1.
Рис. 3. Визуализация планетарных орбит VPython (Орнек, 2008).
На рисунке 3 показано, что планета с массой 1/2 массы Солнца вращается вокруг Солнца по почти круговой орбите, в то время как Солнце вращается по своей орбите. Хотя студенты пишут свои собственные программы компьютерного моделирования и могут изменять массу Солнца и массу планеты, им необходимо иметь дело с физикой.Таким образом, студенты могут понять, как закон гравитационной силы действует между Солнцем и Землей, и как работает принцип импульса (G – универсальная гравитационная постоянная, m 1 , m 2 представляют массы двух объектов – вот массы Земли и Солнца и расстояние, разделяющее центры объектов.Это хороший пример сложного поведения, возникающего из простых физических принципов, в данном случае принципа импульса и закона силы тяжести.Это иллюстрирует мощь принципов фундаментальной физики и дает наглядный пример характера эволюции во времени принципа импульса (Ornek, 2008). Пример приведен в таблице 1.
Таблица 1 . VPython Программа для создания трехмерной анимации в реальном времени на Рисунке 1 Земли, движущейся по орбите вокруг Солнца (Орнек, 2008).
|
| Примечание: пояснения в [] являются физическими соотношениями, которые должны быть установлены учащимися. Установка этих физических соотношений – это этап построения модели. |
Согласно Chabay & Sherwood (2002), метод интерактивного взаимодействия, основанный на моделировании, может предложить потенциал для содействия концептуальному пониманию физики. Орнек (2007) обнаружил, что метод интерактивного обучения, основанный на моделировании, помогает учащимся улучшить их понимание и построение знаний по физике.В исследовании Ornek, Robinson & Haugan (2008) было обнаружено, что студенты Университета Пердью в США имеют более близкие взгляды с большинством ученых (более благоприятные взгляды) в начале и в конце курса, чем студенты других вузов. Этот вывод предполагает, что ожидания, отношения и убеждения студентов относительно курса физики, основанного на моделировании и интерактивном взаимодействии, более сложны и профессиональны, чем у студентов других курсов физики в других университетах.Поэтому мы хотели выяснить, как этот метод обучения способствует развитию у студентов способности решать проблемы и действуют ли они как эксперты, решая физические задачи.
Цель исследования и вопросы исследования
Целью данного исследования было изучить успеваемость студентов по решению физических задач. В фокусе исследования:
- Как подход к обучению, основанный на моделировании интерактивного взаимодействия, способствует развитию у студентов способности решать проблемы?
- Действуют ли студенты как эксперты, решая физические задачи?
Как мы можем улучшить решение проблем в биологии бакалавриата? Применение уроков 30 лет исследований в области физического образования
CBE Life Sci Educ.2013 Лето; 12 (2): 153–161.
А.-М. Хоскинсон
* Департамент экологии и эволюционной биологии, Университет Колорадо – Боулдер, Боулдер, Колорадо 80309
Доктор медицины Кабальеро
† Физический факультет Университета Колорадо – Боулдер, Боулдер, штат Колорадо 80309
JK Knight
‡ Кафедра молекулярной, клеточной биологии и биологии развития, Университет Колорадо-Боулдер, Боулдер, Колорадо 80309Эрик Брев, редактор мониторинга
* Департамент экологии и эволюционной биологии, Университет Колорадо-Боулдер, Боулдер, штат Колорадо 80309
† Физический факультет Колорадского университета в Боулдере, Боулдер, Колорадо 80309
‡ Кафедра молекулярной, клеточной биологии и биологии развития, Колорадский университет в Боулдере, Боулдер, штат Колорадо 80309
Поступило 3 сентября 2012 г. ; Пересмотрено 20 февраля 2013 г .; Принята в печать 20 февраля 2013 г.
Авторские права © 2013 A.-M. Hoskinson et al. CBE – Образование в области естественных наук © Американское общество клеточной биологии, 2013 г. Эта статья распространяется Американским обществом клеточной биологии по лицензии авторов. Он доступен для широкой публики по непортированной лицензии Creative Commons с указанием авторства и некоммерческого использования 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0).«ASCB®», «Американское общество клеточной биологии®» и «Молекулярная биология клетки®» являются зарегистрированными товарными знаками Американского общества клеточной биологии.
Эта статья цитируется в других статьях в PMC.Abstract
Если студенты, как ученые и граждане, хотят успешно решать настоящие, сложные биологические проблемы, им необходима практика в решении таких проблем во время учебы в бакалавриате. Исследователи в области физического образования изучали решение проблем студентов в течение последних трех десятилетий. Хотя проблемы физики и биологии различаются по структуре и содержанию, учебные цели тесно связаны: объяснение закономерностей и процессов в мире природы и создание прогнозов о физических и биологических системах.В этой статье мы обсуждаем, как поддерживаемые исследованиями подходы, разработанные исследователями в области физического образования, могут быть приняты биологами для улучшения навыков решения проблем учащимися. Во-первых, мы сравниваем проблемы, которые обычно просят решить студентов-биологов, с аутентичными, сложными задачами. Затем мы описываем разработку подтвержденных исследованиями учебных программ по физике, уделяя особое внимание процессуальным навыкам при решении проблем. Мы показываем, что решение аутентичных сложных биологических проблем требует многих из тех же навыков, которые практикующие физики и биологи используют при представлении проблем, поиске взаимосвязей, прогнозировании, а также проверке или проверке решений.Мы утверждаем, что приобретение этих навыков может помочь студентам-биологам стать компетентными в решении проблем. Наконец, мы предлагаем, как ученые-биологи могут применять уроки физического образования в своих классах и вдохновлять на новые исследования в области биологических исследований.
ВВЕДЕНИЕ
В 2009 году более 85 000 студентов получили степень бакалавра биологии в колледжах и университетах США. Эти студенты представляют собой вторую по численности популяцию специальностей естественных наук в американских колледжах и университетах, уступая только психологии (National Science Board, 2012).Кроме того, в 2009 году из примерно 74 000 студентов, впервые поступивших на программы научного высшего образования, 40% были в биологии или связанных с медициной областях (Национальный научный совет, 2012 г.), в которых прочный фундамент в решении проблем будет способствовать их успеху. (Национальная академия наук [НАН], 2011 г.). Независимо от того, будут ли студенты, получившие степень бакалавра биологии, использовать биологию в своей профессии, они, несомненно, столкнутся со сложными проблемами как граждане: принятие медицинских решений, участие в планировании сохранения и понимание изменения климата.Таким образом, независимо от их будущей карьеры, чрезвычайно важно, чтобы студенты, изучающие биологические науки, научились решать сложные проблемы (Американская ассоциация содействия развитию науки [AAAS], 2011).
Исходя из вступительного набора естественных наук, биология, вероятно, является дисциплиной бакалавриата, в которой большинство студентов впервые знакомятся с навыками научного процесса , такими как разработка гипотез, интерпретация данных, создание аргументов, основанных на фактах, а также использование и оценка моделей систем ( Национальный научный совет, 2012 г.).Эти навыки процесса называются научных практик в большей части литературы по физическому образованию и в готовящихся к выпуску K – 12 научных стандартах нового поколения (Национальный исследовательский совет [NRC], 2012b; www.nextgenscience.org). Помощь студентам в приобретении таких навыков способствует их развитию в компетентных лицах, решающих проблемы, и знакомит их с тем, как ученые думают о сложных идеях в своих дисциплинах (Dunbar, 2000; Taconis et al ., 2001). Если студенты хотят добиться успеха в решении таких проблем в дальнейшей жизни, им необходимо широко практиковать такие навыки на своих курсах естествознания в бакалавриате (AAAS, 2011; Jonassen, 2011; NAS, 2011).
Фраза «решение проблем» регулярно появляется в литературе по исследованиям в области биологического образования (BER), и почти все согласны с тем, что решение проблем – это ценный навык для студентов-биологов, который необходимо изучить и применить на практике (AAAS, 2011; NAS, 2011) . Исследование определения соответствующих биологических проблем, того, как студенты решают биологические проблемы, и какие концептуальные знания они используют при решении биологических задач, все еще находится на стадии становления. Кроме того, разработка эффективных учебных программ по биологии, включающих решение проблем, будет зависеть от результатов такого исследования (AAAS, 2011; NRC, 2012a).Чтобы помочь направить будущее решения проблем в биологии, ученые BER могут получить представление о работе в других областях исследований в области образования (DBER), а именно, в исследованиях в области физического образования (PER).
Ученые PER исследовали решение проблем в физике в течение последних трех десятилетий (Hsu et al ., 2004), определяя проблемы (Heller and Reif, 1984), исследуя, как студенты решают задачи (Larkin et al ., 1980. ), исследуя роль концептуальных знаний в решении проблем (Reif, 2008), и разрабатывая педагогические и учебные инструменты, которые способствуют более глубокому обучению (Heller and Hollabaugh, 1992; Mestre et al ., 1993; Pawl et al ., 2009). Исторически сложилось так, что такие исследования были сосредоточены на развитии у студентов способностей решать физические задачи в конце главы, фокусируя внимание студентов сначала на анализе основных принципов физики (т. Е. концептуальных знаний ). Эта работа охватывала уровни обучения от курсов средней и старшей школы до курсов бакалавриата для старших классов, помогла улучшить концептуальные знания учащихся (Kohlmyer et al ., 2009), а в некоторых случаях привело к развитию основанной на исследованиях практики обучения решению проблем (Heller and Hollabaugh, 1992; Heller et al ., 1992). Совсем недавно сообщество PER обнаружило, что, делая упор на научные практики ( навыков процесса секунд в BER) как в учебных планах, так и в педагогике, можно добиться улучшения навыков решения проблем (Hestenes, 2000). Сообщество PER расширило определение решения проблем, включив в него аспекты профессиональной науки, например, использование концептуальных знаний для планирования экспериментов, разработки и тестирования моделей и критики научной информации (Meltzer and Thornton, 2012).
В этой статье мы обсуждаем основанные на исследованиях подходы, впервые разработанные учеными PER, которые могут использоваться биологами для повышения мастерства учащихся в решении проблем и для информирования будущих исследований в области решения проблем в биологии. Сопоставляя подлинные сложные проблемы с проблемами, которые обычно просят решить студентов-биологов (см. Следующий раздел), мы подчеркиваем значительный разрыв между существующими учебными методами и профессиональной практикой биологов.Мы резюмируем работу, проделанную учеными PER, которая сузила аналогичный разрыв между физическим образованием и практикой физики в Сужение разрыва между курсовой работой и практикой в физике . В заключение мы обсудим, как преподаватели биологии могут применить уроки из PER на практике, и предложим новые направления исследований в области теории и практики решения биологических проблем (см. Как PER может информировать BER о решении проблем?).
БИОЛОГИЯ БАКЛАССА И СЛОЖНЫЕ ПРОБЛЕМЫ: ПРОБЕЛ «РАБОТА КУРСА – ПРАКТИКА»
Есть много способов описать процессы решения проблем.Здесь мы сосредоточены на проблемах и стратегиях решения проблем. Когда исследователи-биологи исследуют какую-либо тему, они участвуют в разнообразных научных практиках, которые являются рутинными для ученых, но часто трудными для студентов: это аутентичные и сложные проблемы (Chi, 2005; AAAS, 2011). Действия по решению проблем, разработанные для студентов, можно охарактеризовать по двум осям: по содержанию , и структуре , по структуре проблем, которые предстоит обнаружить и решить; и навыков процесса или научных практик , которые решатели проблем должны задействовать для достижения решения (; Fischer and Greiff, 2012).
Таблица 1.
Признаки решения проблемы, характеризующиеся особенностями проблемы и необходимыми навыками, с несколькими примерами простых задач или упражнений (A – C) и сложных задач (D – F), иллюстрирующих отличительные особенности простых и сложных проблемы
| Характеристики проблемы | Процессные навыки (практики) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Пример задачи | Элементы | Взаимоотношения | Решения | Когнитивные навыки более высокого порядка Требуются когнитивные навыки более высокого порядка 905 требуемые навыки | ||
| A.Упражнение по простой генетике | Муковисцидоз – аутосомно-рецессивное заболевание. Если два человека, которые являются носителями одной и той же мутации кистозного фиброза, имеют ребенка вместе, какова вероятность того, что их ребенок будет носителем? | Аллели, сегрегация хромосом, вероятность | Детерминированная вероятность | Один | Вспомните факты о наследовании и вероятности Решите уравнение | Превратите словесное представление в уравнение |
| B.Простое упражнение по экологии | Учитывая текущую численность популяции и естественную скорость роста, спрогнозируйте будущую численность популяции. | Размер популяции, темп роста | Детерминированный | Один | Вспомните факты о росте населения Решите уравнение | Превратите словесное представление в уравнение |
| C. Простое физическое упражнение | скорость 20 м / с с 40-метровой башни. Как далеко от основания башни приземляется объект? | Положение, скорость, ускорение | Детерминированный | Один | Определите термины Решите уравнение | Превратите словесное представление в уравнение |
| D.Сложная генетическая проблема | Используя данные секвенирования генов муковисцидоза (CF), сайтов рестрикционного переваривания и вероятностей мутаций, предскажите, будут ли дети, рожденные от родителей-носителей CF, иметь CF или будут носителями, и предложите, как объяснить свой прогноз родителям. | Аллели, сегрегация хромосом, вероятности, использование сайтов рестрикционного расщепления для анализа последовательностей ДНК, результаты молекулярного анализа | Стохастическая вероятностная эмерджентность: анализ молекулярных данных | Многие | Вспомните факты о наследовании и вероятности Решите уравнение | Анализ взаимосвязей Сокращение и фильтрация информации Уточнение неоднозначных состояний цели Синтез данных Оценка доказательств Аргумент на основе доказательств Размышление о состоянии цели и прогрессе |
| E.Сложная экологическая проблема | Разработайте стратегию управления небольшим городским водосбором с участием множества заинтересованных сторон для максимального увеличения водозабора и водосбора, рекреации, сохранения видов и качества воды. | Множественные заинтересованные стороны, биоразнообразие, показатели качества воды, объем водосбора | Динамическое появление: внутри- и межгодовые колебания количества осадков, продолжительность осадков, время, интервалы, ответы видов, инвестиции заинтересованных сторон | Многие | Вспомните факты о росте населения Решите уравнение | Анализируйте взаимосвязи Сокращайте и фильтруйте информацию Уточняйте неоднозначные состояния целей Синтезируйте данные Оценивайте свидетельства Аргументы на основе свидетельств Размышляйте о состоянии цели и прогрессе |
| F.Сложная физическая задача | Создайте катапульту, которая выбрасывает арбуз так, чтобы он прошел через стойки полевых ворот. | Катапульта и эластичный, арбуз, переменные воздух / ветер | Детерминированная | Многие | Определить термины Решить уравнение | Построить модель Оценить доказательства Аргументы на основе доказательств Размышление о состоянии и прогрессе цели |
Фраза «подлинная» проблема »имеет множество значений в BER, включая проблемы реального мира (Jonassen, 2011; Gormally et al ., 2012), проблемы с личной и социальной значимостью (Hanauer et al ., 2006; Wenglinsky and Silverstein, 2007) и проблемы с множеством возможных решений (Steen, 2005; AAAS, 2011; Brownell et al ., 2011). ). Точно так же «сложность» имеет как разговорные, так и специфические для дисциплины значения. Однако существует хорошее согласие относительно того, что составляет сложную проблему, будь то в физике или биологии (Goldenfeld, 1999; Fischer and Greiff, 2012). Во-первых, сложные проблемы часто исследуют системы и явления, которые являются динамическими, нелинейными, стохастическими и / или возникающими (например,g., взаимодействия между последовательностями генов, вероятностные мутации и хромосомная сегрегация при наследовании; взаимодействие между животными, растениями, климатом, питательными веществами и т. д. в водоразделе; соответствующая модель, необходимая для создания рабочей катапульты; ). Сложные проблемы имеют множество элементов, характеристик или переменных системы, которые необходимо учитывать (т. Е. Элементы наследования включают последовательности генов, участки мутаций, ферменты и хромосомы; элементы экосистемы включают организмы, окружающую среду и питательные вещества; элементы динамики включают силу, ускорение, скорость и положение).Элементы имеют различные отношения друг с другом, которые не обязательно определены в описании проблемы (т. Е. Отношения между генами и их экспрессией регулируются вероятностной мутацией и генной регуляцией; взаимосвязь между элементами городских потоков определяется внутри- и межгодовыми условиями. изменение климата; отношения, управляющие движением, – это Второй закон Ньютона и кинематика).
Сложные проблемы также можно рассматривать с точки зрения того, как лицо, решающее проблемы, должно взаимодействовать с проблемами, используя определенные навыки и методы.В отличие от рутинных задач или упражнений (Smith and Good, 1984), сложные проблемы нельзя решить простым воспроизведением фактов из памяти или использованием простого алгоритма. Вместо этого для решения сложных проблем требуется, чтобы лица, решающие проблемы, участвовали в более широком спектре научных практик – процессов и навыков, конкретно определяемых в литературе как решение сложных проблем (CPS) (Frensch and Funke, 1995; Jacobson, 2001; Fischer et al. , 2012). Этот второй аспект решения проблемы подчеркивает уровни когнитивного функционирования или экспертных навыков, необходимых для решения проблемы.Проблемы, связанные с научными практиками, такими как анализ данных, оценка результатов, использование концептуальных знаний и планирование экспериментов, требуют более высокого уровня когнитивного функционирования, чем упражнения, требующие простого вспоминания простых фактов (Bloom, 1956).
Помимо необходимого более высокого уровня когнитивного функционирования, CPS требует, чтобы лица, решающие проблемы, характеризовали проблемы экспертным образом. Известно, что специалисты по решению проблем и новички различаются как по своим характеристикам сложных проблем (Chi and Slotta, 1994; Jacobson, 2001), так и по процессам, методам и навыкам, которые каждая группа использует для их решения.Новички чаще приписывают внешний контроль сложным системам и сосредотачиваются на пошаговых решениях. Эксперты признают такие атрибуты сложных систем, как возникновение и стохастичность (Chi et al ., 1981; Chi, 2008). Эксперты также ищут несколько путей решения (Taconis et al ., 2001), используют более сложные эвристики (Nicolson et al ., 2002; Fischer and Greiff, 2012) и применяют когнитивную гибкость и фильтрацию (DeHaan, 2009) для уменьшить пространство для решения и возможные пути решения ().
Многие биологи согласны с тем, что студенты должны научиться решать биологические задачи, требующие сложных навыков решения проблем (Taconis et al ., 2001; Jonassen, 2011). Однако часто проблемы, которые студенты решают на уроках биологии, представляют собой простые упражнения, в которых система хорошо изучена, большинство или все переменные и взаимосвязи указаны, путь решения (алгоритм) задан или известен, а решение или ответ предопределены. Рассмотрим пример упражнения, над которым работают многие студенты-генетики ().В этом случае система – хромосомная наследственность – хорошо изучена. Даны все переменные, и есть один правильный способ вычислить единственный правильный ответ. Подобные примеры имеются в большом количестве в других областях биологии () и физики ().
В качестве альтернативы рассмотрите виды проблем, которые должны быть в состоянии решить научно грамотные граждане (). В этих и многих других задачах понимание системы расплывчато или может не разделяться среди тех, кто решает проблемы. Это может привести к появлению множества потенциально конкурирующих идей о том, что представляет собой решение или ответ (Николсон и др. ., 2002; Фишер и Грайфф, 2012). Представления как элементов проблемы, так и взаимосвязей между элементами плохие (Jonassen, 2011; Fischer and Greiff, 2012). По мере увеличения количества элементов и взаимосвязей их взаимозависимость делает более простые представления проблем и решения на бумаге и карандаши отдельными людьми менее выполнимыми. Следовательно, для адекватного представления и решения проблемы может потребоваться сотрудничество между несколькими людьми – популяционными экологами, химиками-экологами, экономистами, политиками и гражданами ().Также может быть отмечена необходимость общения между экспертами и неспециалистами ().
Для решения этих аутентичных сложных проблем участники используют более широкий спектр научных практик, чем при решении простых упражнений. Проблемы такого рода нечасто представлены в большинстве программ бакалавриата по биологии; таким образом, остается значительный разрыв между типом задач, которые студенты могут решить, и типом задач, которые они должны уметь решать.
УЗНАТЬ ПРОБЕЛ КУРСНОЙ РАБОТЫ И ПРАКТИКИ В ФИЗИКЕ
За последние 30 лет исследователи в области физического образования исследовали, как студенты учатся решать задачи на курсах физики с различных точек зрения (McDermott and Redish, 1999; Hsu et al ., 2004). Эта работа привела к появлению значительного числа основанных на исследованиях учебных и педагогических инструментов, которые улучшают обучение студентов по физике (Meltzer and Thornton, 2012). Несмотря на значительные успехи, достигнутые PER, многие исследователи и преподаватели только сейчас начинают использовать аутентичные сложные задачи. В PER еще предстоит проделать большую работу, чтобы описать, как выглядят аутентичные и сложные физические задачи, как учащиеся участвуют в научной практике при решении таких задач и как учащиеся, которые учатся решать аутентичные и сложные физические задачи, выполняют более традиционные оценки решение проблем.
Ранняя работа в PER подчеркнула существенные различия между тем, как студенты-физики и эксперты думают о природе науки, в том числе о том, как организованы и используются их знания физических принципов и какие методы они применяют для решения физических задач (Chi et al . , 1981, 1989; Рейф, 2008). Репрезентативные задачи были типичными упражнениями. Это исследование показало, как студенты могут успешно решать упражнения, не обладая концептуальным знанием основной физики.
В отличие от начинающих студентов, физики редко начинают решать задачи с помощью математических уравнений. Как и в биологических науках, эксперты-физики часто думают о нескольких управляющих принципах и эвристиках, а затем конструируют модели, чтобы понять физические явления. Часто они начинают со своего концептуального знания проблемы, а затем развивают ее, чтобы включить математические представления. Дальнейшее уточнение и математические манипуляции приводят к соответствующим формулировкам проблемы (Reif, 2008).
Новички, с другой стороны, часто думают о физике как о беспорядочном наборе идей и уравнений с небольшим количеством связей между ними или без них (Chi et al ., 1981). При решении упражнений студенты редко используют свои концептуальные знания, предпочитая вместо этого искать уравнения, содержащие все элементы (например, скорость, ускорение, массу), указанные в постановке задачи (Chi et al ., 1989; Reif, 2008). . Такие практики, как поиск по уравнениям, делают упор на стратегии запоминания, которые способствуют хорошей успеваемости учащихся на традиционных экзаменах, которые обычно состоят из упражнений.Традиционные экзамены, как правило, поощряют поиск единственного решения упражнения (выработку ответов), а не демонстрируют глубокое понимание принципов и методов (осмысление; McDermott and Redish, 1999; Meltzer and Thornton, 2012).
Ранняя работа в PER показала, что, помимо применения концептуальных знаний для решения упражнений, учащиеся должны научиться конструировать различные представления физических систем, координировать эти представления и выполнять необходимые математические операции для успешного решения задач в физика.Хотя эта ранняя работа не была направлена на определение подлинности или сложности проблем как таковых, она действительно обеспечила исследователям и преподавателям необходимую основу для разработки преобразующих методов обучения. Подчеркивая ряд научных практик, которые не присутствовали в традиционных курсах лекций, методы обучения подчеркивали подлинные проблемы. Например, когда стандартное упражнение преобразовывается в проектную деятельность (), учащиеся должны столкнуться с тем, как определяется проблема, как может быть построена модель и как можно уменьшить переменные, чтобы проблема могла быть решена с использованием элементарной физики и математику они изучают.
Опираясь на работы Чи, Макдермотта, Рейфа и других, Хеллер и его коллеги формализовали задачи, необходимые для решения типичных упражнений, в согласованную структуру (Heller and Heller, 1995). В одном экземпляре этой структуры Хеллер и его коллеги разработали набор аутентичных задач, которые обычно не представлены в учебных программах по физике. Хотя эти проблемы не обязательно были сложными (они все еще были решены в виде единого решения), они были подлинными ( контекстно-насыщенный в Heller and Heller [1995] или сценарии реального мира, часто имеющие личную значимость).Эти задачи предоставили учащимся сценарии из реального мира («вы – каскадер, прыгающий через серию автобусов»), в которых необходимо было принять решение о конкретных переменных (например, масса автомобиля + водитель, начальная скорость после съезда с рампы), чтобы облегчить решение (например, безопасная посадка). Для решения этих задач учащиеся использовали пошаговую схему: 1) сосредоточьтесь на проблеме, 2) опишите физику, 3) спланируйте решение, 4) выполните план и 5) оцените ответ. Эта структура явно использует концептуальные знания на этапах 1 и 2 и напрямую связывает эти знания с математическим представлением проблемы на этапе 3 (Heller and Heller, 1999).
В дополнение к использованию задач, которые были контекстно-насыщенными, Хеллер и Хеллер также использовали совместные группы, которые вовлекали студентов во все аспекты процесса решения проблем, предлагали студентам возможности критиковать методы решения проблем своих сверстников. и облегчили использование более сложных задач (Heller and Hollabaugh, 1992; Heller et al ., 1992). Явное обучение методам решения проблем таким образом (например, активация и использование концептуальных знаний на ранних этапах процесса решения проблем) помогло учащимся быстрее развить такие навыки, и эти учащиеся лучше справились с качественными экзаменационными вопросами, чем студенты, которых традиционно учили (Фостер, 2000).
Привлечение учащихся к решению проблем, связанных с контекстом, в формате совместной группы – это лишь одна из множества попыток сообщества PER развить у учащихся способности решать проблемы в традиционном смысле. В другом примере О’Кума и его коллеги (2000) разработали серию заданий на ранжирование, чтобы выявить у студентов представления о физических системах, а не заученные ответы. Структура и содержание таких задач не были особенно аутентичными (например, ограниченная личная или социальная значимость), но эти задачи усложняли обычную учебную деятельность.Учащиеся рассмотрели несколько элементов в одном сценарии (например, массу и скорость автомобиля), одновременно рассматривая отношения внутри групп элементов и между сценариями (например, ранжируя сценарии автокатастроф в порядке силы). Такие задания способствовали развитию как концептуальных знаний учащихся, так и их традиционных навыков решения проблем (O’Kuma et al ., 2000). Эти задачи были расширены, чтобы включить множество альтернативных типов задач и вовлечь студентов в более аутентичную научную практику.Многие из новых видов деятельности требуют, чтобы студенты использовали свои концептуальные знания для объяснения своих решений сверстникам или для критики решения, предлагаемого другими (Hieggelke et al ., 2006a, b). Другие использовали альтернативные представления (словесные описания, диаграммы, графики и уравнения), чтобы сосредоточить внимание начинающих решателей проблем на выполнении концептуального анализа путем предварительной координации между различными представлениями (Van Heuvelen and Maloney, 1999; Van Heuvelen and Zou, 2001)
Совсем недавно PER начал работу на уровне старших курсов бакалавриата, в котором цели курса и деятельность, преследующая эти цели, значительно усложняются (например,g., используя и соединяя более сложные математические и физические идеи). Для типичных задач высшего уровня учащиеся часто сталкиваются со сложными системами в дополнение к рассмотрению того, как несколько элементов и их взаимосвязи способствуют решению (например, использование вариационного исчисления для определения закона Снеллиуса). Более того, студенты высших учебных заведений приобщаются к научной практике профессиональных физиков (например, к разработке и использованию моделей, сбору доказательств, оценке результатов).Несмотря на возрастающую сложность этих проблем, многие физические задачи для старших классов по-прежнему не соответствуют действительности (идеализированные модели систем с ограниченной личной значимостью), и учащиеся старших классов изо всех сил пытаются решить эти проблемы (Pepper et al ., 2012). Чтобы выяснить, почему студенты борются, Кабальеро и его коллеги разработали структуру, которая использовалась для анализа того, как студенты решают задачи на курсах физики для старших классов (Caballero et al ., 2013; Wilcox et al ., 2013 ). В их работе исследуется, как студенты сочетают свои концептуальные знания с практикой решения проблем для достижения решений. Предварительные результаты показывают, что основные трудности этих студентов-физиков заключаются в построении точных моделей и оценке целесообразности решений. Эти два вида научных практик используются профессиональными физиками ежедневно, и необходимо решить проблемы, с которыми сталкиваются студенты, чтобы улучшить их профессиональную подготовку.
В то время как предыдущие примеры инструментов, основанных на исследованиях, в разной степени подчеркивали либо подлинные, либо сложные проблемы, преподавание физики, которое фокусируется на развитии способности студентов участвовать в научной практике, как правило, использует и то, и другое.В физике научная практика включает построение и оценку моделей, планирование и проведение экспериментов, а также участие в аргументации, основанной на доказательствах. Научные практики лежат в основе того, что значит заниматься комплексным решением проблем; Фактически, это методы, которые профессиональные ученые используют для решения сложных проблем в своей собственной работе (NRC, 2012a). Через эту призму недавние реформы вводной физики расширили традиционное определение решения проблем, включив в него занятия профессиональной наукой.Снова рассмотрим проблему дизайна, поставленную в; такая проблема вовлекает студентов в научную практику и, таким образом, может быть охарактеризована как подлинная и сложная проблема.
Существует ряд примеров учебных программ, которые подчеркивают научную практику и, следовательно, это более широкое определение решения проблем, например, Workshop Physics (Laws, 1991; Etkina and Van Heuvelen, 2007). Инструкция по моделированию (Hestenes, 1987) – еще один подход, получивший более широкое признание как в PER, так и в более широком сообществе физиков.Инструкцию по моделированию стоит описать более подробно, поскольку она была реализована как в средней школе (Hestenes et al ., 1995), так и в университете (Brewe, 2008). Более того, около 10% национальных учителей физики в старших классах школы прошли формальную подготовку в области обучения моделированию.
Инструкция по моделированию использует теоретическую основу (цикл моделирования), вокруг которой организована деятельность учащихся. Студенты участвуют в открытых экспериментальных и теоретических процедурах, проводя наблюдения в реальном мире, а затем предлагают возможные измерения, которые могут помочь описать наблюдаемые закономерности.На основе этих измерений учащиеся наблюдают тенденции и закономерности, которые помогают им разработать репрезентативные модели. Затем они проверяют свои модели на соответствие дополнительным наблюдениям, чтобы оценить способность своих моделей объяснять наблюдаемые явления. Впоследствии учащиеся повторяют этот цикл наблюдения – развития – оценки новых явлений. В этом цикле учащиеся обнаруживают необходимые элементы и их отношения, которые описывают наблюдаемую систему. Хотя физика и математика не особенно сложны, студенты используют несколько научных практик в течение одного цикла: разработка и использование моделей, поиск закономерностей, проверка гипотез.Учебная программа обучения моделированию продемонстрировала свою эффективность в преподавании концепций физики (Hestenes, 2000), развитии у студентов самоэффективности (Sawtelle et al ., 2010), обогащении их представлений о природе науки (Brewe et al ., 2009), а также улучшение традиционной компетенции учащихся по решению проблем (Malone, 2008). И семинар по физике, и учебная среда по исследовательской науке (ISLE) одинаково организованы, с немного различающейся педагогикой, но одинаково эффективными результатами (Redish and Steinberg, 1999; Etkina, 2006).Курсы физики, делающие упор на научную практику, скорее всего, будут полезны студентам в их будущей курсовой работе и за ее пределами.
Хотя многие методы обучения были разработаны сообществом PER, эффективность часто оценивается с помощью концептуальных оценок в конце курса. Инвентаризация концепций (оценки) позволяет определить, могут ли учащиеся продемонстрировать доказательства более глубокого обучения с помощью определенных учебных стратегий (Hestenes et al ., 1992; Beichner, 1994; Ding et al ., 2006). Измеряя успеваемость учащихся, эти оценки продемонстрировали преимущества использования активных научных практик в обучении (Hake, 1998; Hestenes, 2000; Pollock and Finkelstein, 2013). Описания концепций также использовались для количественной оценки результатов вводных и старших курсов физики (Kohlmyer et al ., 2009; Caballero et al ., 2012; Chasteen et al ., 2012). Несмотря на свою ценность, большинство описей физических концепций не измеряют напрямую решение проблем, даже в узком смысле.Таким образом, они могут служить или не служить хорошими предикторами таких навыков у студентов. Одним из инструментов, который начинает характеризовать навыки учащихся по решению проблем в упражнениях, является Базовый тест по механике (MBT; Hestenes and Wells, 1992). Однако этот инструмент не может напрямую оценивать подлинные навыки научной практики, потому что формат множественного выбора MBT не поддается исследованию того, как студенты применяют научную практику. Дальнейшая работа в PER необходима для оценки того, как студенты применяют научную практику.
КАК ИНФОРМИРОВАТЬ BER ПО РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМ?
Теоретически биологи должны уметь применять подходы, которые исследователи в области физического образования сочли успешными для улучшения обучения и обучения студентов, особенно потому, что некоторые из тех же научных практик уже были определены как важные в биологии (например, формулирование гипотез, сбор и оценка доказательств и использование доказательств для построения аргументов). Тем не менее, исследователи биологического образования все еще работают над тем, чтобы определить, как студенты решают сложные задачи по биологии.Ниже мы сосредоточимся на том, как результаты решения проблем в PER могут конкретно повлиять на разработку учебной программы и исследования по решению проблем в биологии.
Решение проблем в классе биологии
Новые учебные программы для студентов-биологов должны включать способы, позволяющие студентам использовать научные методы и навыки процесса и участвовать в решении сложных проблем, как описано выше. В настоящее время многие задачи, которые предстоит решить студентам-биологам, представляют собой упражнения. Рассмотрим упражнение, с которым студент-биолог может столкнуться на вводном курсе генетики: вычисление вероятностей наследования связанных с полом признаков.Задачу по этой теме можно представить следующим образом:
Предположим, что гемофилия – это Х-сцепленный рецессивный признак. Если мать является носителем гемофилии, а отец здоров, каков шанс, что у их сына будет гемофилия?
Чтобы сделать проблему более сложной и вовлечь учащихся в более аутентичные методы решения проблем, в подсказке может быть подчеркнуто построение (дизайн) возможной родословной, например:
Сгенерируйте возможную родословную для трех поколений, указав здоровых, больных и носителей в родословной для гемофилии.Поделитесь своей родословной с соседом. Чем отличаются две родословные? Что более вероятно, учитывая гемофилию в анамнезе?
Этот подход (как и другие включенные в него примеры) превращает типичное упражнение в сложную задачу, предлагая студентам генерировать возможные сценарии, применяя свои знания об обобщенной системе (хромосомное наследование) в конкретном приложении.
Такие задачи также могут быть представлены учащимся в виде концептуальных вопросов-ответов.В модели обучения сверстников, первоначально предложенной Мазуром (1997), вопросы в классе с множественным выбором могут использоваться для стимулирования дискуссии среди учащихся, вовлекая их в сообщество тех, кто решает проблемы. Кликеры хорошо подходят для реализации этого метода активного обучения как в биологии, так и в физике, потому что их легко использовать, особенно в больших классах, и они могут обеспечить немедленную обратную связь как со студентами, так и с преподавателем (Wood, 2004). Некоторые могут рассматривать вопросы с несколькими вариантами ответов как ограниченные, потому что потенциальные ответы уже определены; тем не менее, можно писать вопросы с несколькими вариантами ответов, которые требуют мышления более высокого порядка и требуют от студентов участия в решении сложных задач (Crowe et al ., 2008). Учебные планы, которые поощряют использование комплексного решения проблем в классе, в качестве практики или как часть формирующего оценивания, могут способствовать развитию у учащихся навыков решения сложных проблем (DeHaan, 2009; Maskiewicz et al ., 2012)
Цикл «наблюдение – разработка – оценка» Инструкции по моделированию также может быть адаптирован к биологическим проблемам и реализован в различных классах. Уже существуют некоторые ресурсы по биологии, которые можно было бы адаптировать для этой цели, например, тематические исследования (Национальный центр практического обучения в науке, 2012 г .; Экологическое общество Америки, 2013 г.) и сценарии, основанные на проблемах (Норман и Шмидт, 2000 г.).Эти примеры начинаются с аутентичных, запоминающихся историй, вызывающих интерес студентов, обычно описывающих наблюдения с точки зрения студентов, изучающих естественные науки, а не ученых-экспертов (личная значимость). Затем студенты проводят эксперименты, чтобы проверить гипотезы, изучить чувствительность модели к изменениям переменных или параметров или предложить и обосновать, какие дальнейшие измерения они будут проводить (аутентичная научная практика). Последний шаг в учебной программе, основанной на конкретных случаях или проблемах, – это оценка свидетельств против наблюдений и построение аргументов для решения проблемы или дилеммы.Таким образом, такая учебная программа способствует развитию навыков процесса более высокого порядка, которые помогают учащимся решать проблемы.
Следуя работе ученых PER, которые представили важность измерения концептуального понимания и осмысления с помощью описи концепций (например, Hestenes et al ., 1992), биологи недавно разработали множество таких оценок в различных субдисциплинах биологии. (Д’Аванзо, 2008). Не все реестры концепций были разработаны с учетом доказательств их валидности и надежности (Huffman and Heller, 1995), и лишь некоторые из них напрямую измеряют навыки решения проблем или критического мышления (Smith and Tanner, 2010), как также описано выше.Тем не менее, некоторые из недавно разработанных описей / оценок концепций биологии продемонстрировали полезность в раскрытии концепций, с которыми студенты постоянно сталкиваются с трудностями (Garvin-Doxas and Klymkowsky, 2008; Parker et al. ., 2012; Smith and Knight, 2012). Кроме того, несколько недавно разработанных оценок посвящены, по крайней мере, частично, конкретному измерению решения проблем (например, кластеры диагностических вопросов [DQC]; Parker et al ., 2012), критическому мышлению (Bissell and Lemons, 2006) и базовым навыки процесса (Gormally et al ., 2012). Фактически, оценка того, как студенты участвуют в научной практике, важна для всех сообществ DBER (NRC, 2012a). Успеваемость учащихся по этим видам инструментов в сочетании с результатами формирующих оценок, посвященных решению проблем, может быть полезна для дальнейшего информирования об изменении учебной программы.
Исследования
Хотя пробелы между теорией и практикой остаются, эти пробелы также открывают широкие возможности для исследований. Например, как описано в «Биология бакалавриата и сложные проблемы: пробел между курсовой работой и практикой» , некоторые ученые BER начали исследовать, чем концепции студентов биологических принципов и процессов отличаются от представлений экспертов.Один из подходов к укреплению нашего понимания решения биологических проблем – это спросить, какие навыки процесса новички обычно используют при решении проблем, и сравнить эти навыки с навыками, которые обычно используют эксперты. Подобные исследования были полезны при разработке основанных на исследованиях учебных материалов для вводных курсов физики (McDermott and Shaffer, 2002). Понимание процессов, которые опытные биологи используют для решения проблем, может быть использовано для обучения студентов базовым знаниям как по содержанию, так и по процессным навыкам.Навыки процесса также могут быть важным механизмом, связывающим деятельность по решению проблем и концептуальные знания.
Хотя существуют способы измерения некоторых аспектов решения проблем и другие методы оценки концептуальных знаний, было проведено несколько исследований способов измерения концептуальных знаний с использованием процессов решения проблем (Nehm, 2010). Методы DQC (Parker et al ., 2012) и Bissell and Lemons (2006) являются обнадеживающими шагами к установлению и изучению этих связей.Работа, которая исследует виды связей между концептуальным знанием и осмыслением с фактической компетенцией в решении проблем, также должна быть сосредоточена на разработке проверенных и простых в применении оценок.
Одно из важных различий между физикой и биологией заключается в том, как проблемы представляют поведение систем. В физических задачах упор делается на количественные представления. Качественные, концептуальные и графические представления широко используются в физике, но, в конечном итоге, цель многих задач – соединить физику с математикой для создания прогнозов.Независимо от того, простые или сложные, такие проблемы требуют, чтобы решатель проблем использовал количественные представления, такие как уравнения, графики или прогнозные модели. В то время как некоторые биологические проблемы являются количественными, многие другие полагаются на различные представления, включая схематические или графические представления, такие как те, которые используются для представления сигнальных путей, биологических циклов или взаимосвязей между циклами (например, жизнь, углерод, питательные вещества, популяции). В нескольких исследованиях изучается, как студенты воспринимают и интерпретируют представления, нарисованные экспертами (Schönborn and Anderson, 2009), и как такие представления могут вводить и закреплять неправильные представления (Catley and Novick, 2008), но относительно того, как студенты генерируют их собственные представления (Kose, 2008) или то, как их представления влияют на их навыки решения проблем.
Понимание и координация представлений – это всего лишь одна отличительная черта и многообещающая область исследований в области решения сложных проблем в биологии. Другие навыки процесса могут быть столь же необходимы и важны для изучения студентами-биологами. Метапознание широко признано важным для обучения (Tanner, 2012), и оно может быть особенно важно в CPS для проверки прогресса и согласования обратной связи между потенциальными решениями, представлениями и ментальными моделями. Принятие решений как процессный навык также может иметь фундаментальное значение для CPS (Nicolson et al ., 2002; Фишер и Грайфф, 2012).
Хотя мы определили несколько структур и процессов, общих для решения сложных проблем, это ни в коем случае не исчерпывающий список или операционная модель для разработки проблем или оценки решения проблем. Разработка операционных моделей процессов CPS поможет определить поведение и навыки, необходимые учащимся для решения настоящих сложных проблем в классе и в своей жизни. Мы живем в то время, когда сложные биологические проблемы – это не только область или ответственность высококвалифицированных ученых.Людям, которые в настоящее время являются нашими студентами, необходимо будет присоединиться к нам как гражданам после того, как они покинут колледж. Таким образом, это помогает всем нам участвовать в решении проблем, которые могут возникнуть в нашем коллективном будущем.
БЛАГОДАРНОСТИ
Научно-образовательная инициатива Университета Колорадо в Боулдере поддержала A.-M.H. и M.D.C. Авторы благодарят Б. Коуча, Дж. Джексона, Б. Цвикла и трех анонимных рецензентов за комментарии, улучшившие рукопись.
ССЫЛКИ
- Американская ассоциация развития науки.Видение и изменения в бакалавриате биологического образования: призыв к действию. Вашингтон, округ Колумбия: 2011. [Google Scholar]
- Beichner RJ. Тестирование студентами интерпретации кинематических графиков. Am J Phys. 1994. 62: 750–762. [Google Scholar]
- Бисселл А.Н., Лимоны П.П. Новый метод оценки критического мышления в классе. Биология. 2006; 56: 66–72. [Google Scholar]
- Блум BS. Таксономия образовательных целей, Справочник I: Когнитивная область. Нью-Йорк: Дэвид Маккей; 1956 г.[Google Scholar]
- Бреве Э. Применяемая теория моделирования: Инструкция по моделированию для вводной физики. Am J Phys. 2008; 76: 1155. [Google Scholar]
- Бреве Э., Крамер Л., О’Брайен Г. Инструкция по моделированию: положительные сдвиги в установках во вводной физике, измеренные с помощью CLASS. Phys Rev Spec Top Phys Educ Res. 2009; 5: 013102. [Google Scholar]
- Brownell SE, Kloser MJ, Fukami T., Shavelson R. Лабораторные курсы по биологии для бакалавров: сравнение влияния традиционных «поваренных книг» и подлинных курсов, основанных на исследованиях, на опыт студентов в лабораторных условиях.J Coll Sci Teach. 2011; 41: 36–45. [Google Scholar]
- Caballero MD, Greco EF, Murray ER, Bujak KR, Jackson Marr M, Catrambone R, Kohlmyer MA, Schatz MF. Сравнение больших программ лекций по механике с использованием инвентаря Force Concept Inventory: исследование пяти тысяч студентов. Am J Phys. 2012; 80: 638. [Google Scholar]
- Caballero MD, Wilcox BR, Pepper RE. В: Конференция по исследованиям в области физического образования, 2012 г., Материалы конференции AIP, т. 1513. Нью-Йорк: AIP; 2013. ACER: концепция использования математики в физике высшего образования; стр.90–93. [Google Scholar]
- Кэтли К.М., Новик Л.Р. Видеть лес за деревьями: анализ эволюционных диаграмм в учебниках биологии. Биология. 2008. 58: 976–987. [Google Scholar]
- Честин С., Пеппер Р.Э., Кабальеро, доктор медицины, Поллок С.Дж., Перкинс К., Колорадо, Электростатическая диагностика высшего подразделения: концептуальная оценка для младшего школьного возраста. Phys Rev Spec Top Phys Educ Res. 2012; 8: 020108. [Google Scholar]
- Чи М. Здравые представления о возникающих процессах: почему некоторые заблуждения устойчивы.J Learn Sci. 2005; 14: 161–199. [Google Scholar]
- Чи М. Три типа концептуальных изменений: пересмотр убеждений, трансформация ментальной модели и категориальный сдвиг. В: Воснядов С., редактор. Справочник по исследованиям концептуальных изменений. Хиллсдейл, Нью-Джерси: Лоуренс Эрлбаум; 2008. С. 61–82. [Google Scholar]
- Чи М., Слотта Дж. От вещей к процессам: теория концептуальных изменений для изучения научных концепций. Изучите Instr. 1994; 4: 27–43. [Google Scholar]
- Chi MTH, Bassok M, Lewis MW, Reimann P, Glaser R.Самостоятельные объяснения: как учащиеся изучают и используют примеры в обучении для решения задач. Cogn Sci. 1989. 13: 145–182. [Google Scholar]
- Chi MTH, Feltovich PJ, Glaser R. Классификация и представление физических проблем экспертами и новичками. Cogn Sci. 1981; 5: 121–152. [Google Scholar]
- Кроу А., Диркс С., Вендерот, член парламента. Биология в цвету: внедрение таксономии Блума для улучшения обучения студентов биологии. CBE Life Sci Educ. 2008. 7: 368–381. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
- D’Avanzo C.Опись концепции биологии: обзор, статус и следующие шаги. Биология. 2008; 58: 1–7. [Google Scholar]
- DeHaan RL. Обучение творчеству и решению изобретательских задач в науке. CBE Life Sci Educ. 2009. 8: 172–181. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
- Динг Л., Шабай Р., Шервуд Б., Байхнер Р. Оценка инструмента для оценки электричества и магнетизма: краткая оценка электричества и магнетизма. Phys Rev Spec Top Phys Educ Res. 2006; 2: 010105. [Google Scholar]
- Данбар К.Как ученые думают в реальном мире: значение для естественнонаучного образования. J Appl Dev Psychol. 2000; 21: 49–58. [Google Scholar]
- Экологическое общество Америки. 2013. Электронная библиотека EcoEd. http://ecoed.esa.org/index.php?P=Home (по состоянию на 19 февраля 2013 г.) [Google Scholar]
- Эткина Е. Научные способности и их оценка. Phys Rev Spec Top Phys Educ Res. 2006; 2: 020103. [Google Scholar]
- Эткина Э., Ван Хёвелен А. Научно-исследовательская среда обучения – подход к изучению физики, основанный на научном процессе.В: Редиш Э.Ф., Куни П.Дж., редакторы. Реформа университетской физики, основанная на исследованиях. Колледж-Парк, Мэриленд: Американская ассоциация учителей физики; 2007. [Google Scholar]
- Фишер А., Грайфф С., Функе Дж. Процесс решения сложных проблем. J Prob Solv. 2012; 4: 19–42. [Google Scholar]
- Foster TM. Миннеаполис: Университет Миннесоты; 2000. Развитие у учащихся навыков решения проблем на основе обучения с упором на качественное решение проблем. Докторская диссертация, [Google Scholar]
- Frensch PA, Funke J.Определения, традиции и общие рамки для понимания решения сложных проблем. В: Frensch PA, Funke J, editors. Решение сложных проблем: европейская перспектива. Хиллсдейл, Нью-Джерси: Лоуренс Эрлбаум; 1995. С. 3–26. [Google Scholar]
- Гарвин-Доксас К., Климковский М.В. Понимание случайности и ее влияния на учебу учащихся: уроки, извлеченные из составления перечня концепций биологии (BCI) CBE Life Sci Educ. 2008; 7: 227–233. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
- Голденфельд Н.Простые уроки сложности. Наука. 1999. 284: 87–89. [PubMed] [Google Scholar]
- Гормалли К., Брикман П., Лутц М. Разработка теста на научную грамотность (TOSLS) в биологии: измерение оценки студентами научной информации и аргументов. CBE Life Sci Educ. 2012; 11: 364–377. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
- Hake R. Интерактивное взаимодействие по сравнению с традиционными методами: опрос шести тысяч студентов, посвященный тестовым данным механики для вводных курсов физики.Am J Phys. 1998. 66: 64–74. [Google Scholar]
- Ханауэр Д.И., Якобс-Сера Д., Педулла М.Л., Кресон С.Г., Хендрикс Р.В., Хатфул Г.Ф. Преподавание научного исследования. Наука. 2006; 314: 1880–1881. [PubMed] [Google Scholar]
- Хеллер Дж., Рейф Ф. Предписание эффективных человеческих процессов решения проблем: описание проблемы в физике. Cogn Instr. 1984; 1: 177–216. [Google Scholar]
- Хеллер П., Хеллер К. Компетентный решатель проблем: стратегия решения проблем в физике. Миннеаполис, Миннесота: Макгроу-Хилл; 1995 г.[Google Scholar]
- Хеллер П., Хеллер К. Решение совместных задач в физике. Миннеаполис: Университет Миннесоты; 1999. http://groups.physics.umn.edu/physed/Research/CGPS/Green%20Book/cover_tc.pdf. [Google Scholar]
- Хеллер П., Холлабо М. Обучение решению проблем посредством совместной работы в группах. Часть 2: проектирование проблем и структурирование групп. Am J Phys. 1992. 60: 637–644. [Google Scholar]
- Хеллер П., Кейт Р., Андерсон С. Обучение решению проблем посредством совместной работы в группах.Часть 1: групповое или индивидуальное решение проблем. Am J Phys. 1992. 60: 627–636. [Google Scholar]
- Хестенес Д. К теории моделирования в обучении физике. Am J Phys. 1987. 55: 440–454. [Google Scholar]
- Хестенес Д. Результаты проекта семинара по моделированию, 1994–2000 гг. Темпе: Университет штата Аризона; 2000. http://modeling.asu.edu/R&E/ModelingWorkshopFindings.pdf. [Google Scholar]
- Хестенес Д., Уэллс М. Базовый тест на механику. Phys Teach. 1992. 30: 159–166.[Google Scholar]
- Хестенес Д., Уэллс М., Свакхамер Г. Инвентаризация концепции силы. Phys Teach. 1992; 30: 141–158. [Google Scholar]
- Hestenes D, Wells M, Swackhamer G. Метод моделирования для обучения физике в средней школе. Am J Phys. 1995; 63: 606–619. [Google Scholar]
- Хиггельке К., Мэлони Д., Каним С. Ньютоновские задачи, вдохновленные исследованиями в области физического образования: nTIPERs. Бостон, Массачусетс: Аддисон-Уэсли; 2006a. [Google Scholar]
- Хиггельке К., Мэлони Д., Каним С., О’Кума Т.E&M TIPERs: задачи по электричеству и магнетизму, вдохновленные исследованиями в области физического образования. Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Пирсон, Прентис-Холл; 2006b. [Google Scholar]
- Hsu L, Brewe E, Foster TM, Harper KA. Информационное письмо RPS-1: исследования в решении проблем. Am J Phys. 2004. 72: 1147–1156. [Google Scholar]
- Хаффман Д., Хеллер П. Что на самом деле измеряет инвентаризация концепций силы? Phys Teach. 1995. 33: 138–143. [Google Scholar]
- Якобсон М. Решение проблем, познание и сложные системы: различия между экспертами и новичками.Сложность. 2001; 6: 41–49. [Google Scholar]
- Йонассен Д. Дизайн для решения проблем. В: Райзер Р., Демпси Дж., Редакторы. Тенденции и проблемы в учебном дизайне и технологиях. Бостон, Массачусетс: Образование Пирсона; 2011. С. 64–74. [Google Scholar]
- Кольмайер М., Кабальеро М., Катрамбон Р., Чабай Р., Динг Л., Хауган М., Марр М., Шервуд Б., Шац М. Сказка о двух учебных программах: результаты 2000 студентов вводного курса по электромагнетизму. Phys Rev Spec Top Phys Educ Res. 2009; 5: 020105.[Google Scholar]
- Козе С. Диагностика заблуждений учащихся: использование рисунков в качестве метода исследования. World Appl Sci J. 2008; 3: 283–293. [Google Scholar]
- Ларкин Дж., Макдермотт Дж., Саймон Д.П., Саймон Х.А. Эксперт и новичок в решении физических задач. Наука. 1980; 208: 1335–1342. [PubMed] [Google Scholar]
- Laws PW. Математическая физика без лекций. Phys сегодня. 1991; 44: 24. [Google Scholar]
- Мэлоун К.Л. Корреляции между структурами знаний, инвентаризацией концепций силы и поведением при решении проблем.Phys Rev Spec Top Phys Educ Res. 2008; 4: 020107. [Google Scholar]
- Maskiewicz AC, Griscom HP, Welch NT. Использование целевых упражнений активного обучения и групп диагностических вопросов для улучшения понимания учащимися круговорота углерода в экосистемах. CBE Life Sci Educ. 2012; 11: 58–67. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
- Mazur E. Peer Instruction: A User’s Manual. Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Прентис-Холл; 1997. [Google Scholar]
- McDermott LC, Redish EF. Информационное письмо PER-1: Исследования в области физического образования.Am J Phys. 1999. 67: 755–767. [Google Scholar]
- McDermott LC, Shaffer PS. Учебники по вводной физике. Река Аппер Сэдл, штат Нью-Джерси: Prentice Hall; 2002. [Google Scholar]
- Meltzer DE, Thornton RK. Информационное письмо АЛИП – 1: активное обучение физике. Am J Phys. 2012; 80: 478. [Google Scholar]
- Местре Дж. П., Дюфрен Р. Дж., Джерас В. Дж., Хардиман П. Т., Тугер Дж. С.. Поощрение навыков решения проблем среди начинающих студентов-физиков. J Res Sci Teach. 1993; 30: 303–317.[Google Scholar]
- Национальная академия наук. Текущее состояние и будущее направление исследований в области биологического образования. Вашингтон, округ Колумбия: Национальные академии наук прессы; 2011. [Google Scholar]
- Национальный центр изучения конкретных ситуаций в науке. Национальный центр изучения практических примеров в науке. Буффало: Государственный университет Нью-Йорка – Буффало; 2012. http://sciencecases.lib.buffalo.edu/cs/ (доступ 19 февраля 2013 г.) [Google Scholar]
- Национальный исследовательский совет (NRC) Дисциплинарные исследования в области образования: понимание и улучшение обучения в области естественных наук и инженерии.Вашингтон, округ Колумбия: Национальные академии наук прессы; 2012a. [Google Scholar]
- NRC. Рамки естественнонаучного образования для K – 12: практики: общие концепции и основные идеи. Вашингтон, округ Колумбия: Национальные академии наук прессы; 2012b. [Google Scholar]
- Национальный научный совет. Показатели науки и техники, 2012 г. Арлингтон, Вирджиния: Национальный научный фонд; 2012. [Google Scholar]
- Nehm RH. Понимание процессов решения проблем студентов. J Microbiol Biol Educ.2010; 11: 119–122. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
- Николсон CR, Starfield AM, Kofinas GP, Kruse JA. Десять эвристик для междисциплинарных проектов моделирования. Экосистемы. 2002; 5: 376–384. [Google Scholar]
- Norman GR, Schmidt HG. Эффективность программ проблемного обучения: теория, практика, бумажные дротики. Med Educ. 2000; 69: 557–565. [PubMed] [Google Scholar]
- О’Кума Т., Мэлони Д., Хиггельке К. Ранжирование задач по физике. Река Аппер Сэдл, штат Нью-Джерси: Prentice Hall; 2000 г.[Google Scholar]
- Паркер Дж. М., Андерсон К. В., Хайдеманн М., Меррилл Дж., Мерритт Б., Ричмонд Дж., Урбан-Лурайн М. Изучение понимания студентами фотосинтеза с помощью кластеров диагностических вопросов. CBE Life Sci Educ. 2012; 11: 47–57. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
- Pawl A, Barrantes A, Pritchard DE. В: Научно-исследовательская конференция по физическому образованию, 2009 г., Материалы конференции AIP, т. 1179. Нью-Йорк: AIP; 2009. Моделирование применительно к решению проблем; С. 51–54. [Google Scholar]
- Pepper RE, Chasteen S, Pollock SJ, Perkins K.Наблюдения за трудностями студентов с математикой в области электричества и магнетизма в старших классах. Phys Rev Spec Top Phys Educ Res. 2012; 8: 010111. [Google Scholar]
- Поллок С.Дж., Финкельштейн Н.Д. В: Научно-исследовательская конференция по физическому образованию, 2012 г., Материалы конференции AIP. Нью-Йорк: AIP; 2013. Влияние изменения учебной программы: 8 лет концептуальных данных обзора вводной физики; С. 310–313. [Google Scholar]
- Redish EF, Steinberg R. Преподавание физики: выяснение того, что работает.Phys сегодня. 1999; 52: 24–31. [Google Scholar]
- Рейф Ф. Применение когнитивной науки в образовании. Кембридж, Массачусетс: MIT Press; 2008. [Google Scholar]
- Sawtelle V, Brewe E, Kramer LH. В: Конференция по исследованиям в области физического образования, 2010 г., Материалы конференции AIP, т. 1289. Нью-Йорк: AIP; 2010. Положительное влияние обучения моделированию на самоэффективность; С. 289–292. [Google Scholar]
- Шенборн К.Дж., Андерсон Т.Р. Модель факторов, определяющих способность студентов интерпретировать внешние представления в биохимии.Int J Sci Educ. 2009. 31: 193–232. [Google Scholar]
- Смит Дж. И., Таннер К. Проблема выявления того, как студенты думают: инвентаризация концепций и не только. CBE Life Sci Educ. 2010; 9: 1–5. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
- Смит М., Гуд Р. Решение задач и классическая генетика: успешное или неудачное выполнение. J Res Sci Teach. 1984; 21: 895–912. [Google Scholar]
- Smith MK, Knight JK. Использование оценки концепции генетики для документирования постоянных концептуальных трудностей на курсах бакалавриата по генетике.Генетика. 2012; 191: 21–32. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
- Стин Л.А. (ред.) Математика и биология 2010: объединение дисциплин бакалавриата. Вашингтон, округ Колумбия: Математическая ассоциация Америки; 2005. [Google Scholar]
- Taconis R, Ferguson Hessler MGM, Broekkamp H. Решение научных задач в преподавании: обзор экспериментальной работы. J Res Sci Teach. 2001. 38: 442–468. [Google Scholar]
- Таннер К.Д. Содействие метапознанию студентов. CBE Life Sci Educ. 2012; 11: 113–120.[Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
- Ван Хёвелен А., Мэлони Д. Игра в физическую опасность. Am J Phys. 1999. 67: 252–256. [Google Scholar]
- Van Heuvelen A, Zou X. Множественные представления процессов работы и энергии. Am J Phys. 2001; 69: 184–194. [Google Scholar]
- Wenglinsky H, Silverstein SC. Нужны учителя по естественнонаучной подготовке. Образовательные лидеры. 2007; 64: 24–29. [Google Scholar]
- Wilcox BR, Caballero MD, Pepper RE, Pollock SJ. В: Конференция по исследованиям в области физического образования, 2012 г., Материалы конференции AIP, т.1513. Нью-Йорк: AIP; 2013. Понимание старшеклассниками закона Кулона: трудности с непрерывным распределением заряда; С. 418–421. [Google Scholar]
- Wood WB. Кликеры: обучающий трюк, который работает. Dev Cell. 2004. 7: 796–798. [Google Scholar]
Искусство решения проблем
Эти книги по физике рекомендованы администраторами Art of Problem Solving и членами сообщества AoPS-MathLinks.
Прежде чем добавлять книги на эту страницу, просмотрите страницу AoPSWiki: Ссылки на книги.
Книги по тематике
Астрофизика и космология
Теория хаоса
Вводные учебники
Анализ ошибок
Теория относительности, квантовая механика, физика элементарных частиц
Книги об уровне бакалавриата
Подготовка к экзамену F = ma
Экзамен F = ma – это первый отборочный экзамен для команды США по физике, которая отбирает пять путешественников для участия в Международной олимпиаде по физике.
- Концептуальная физика Пола Хьюитта.Эта книга представляет собой базовое введение в физику.
- «Физика мышления» Льюиса Кэрролла Эпштейна. В этой книге собраны сотни концептуальных проблем. Лишь некоторые проблемы касаются механики.
- Проблемы и решения во вводной механике Дэвид Морин. Это самая важная книга для тренировок F = ma. Некоторые задачи требуют исчисления (чего не требует экзамен F = ma), но любой, кто проработает всю книгу, должен быть хорошо подготовлен к тесту.
- Физика Хэллидея, Резника и Крейна (см. Примечание в разделе USAPhO). Это очень подробный учебник, основанный на расчетах, и полезный для более глубокого понимания.В нем есть тысячи сложных задач, и он полезен для тех, кто изучил основы механики и хочет углубиться. Он также охватывает многие другие темы по физике и будет перенесен на экзамен USAPhO.
- Бывшие экзамены F = ma доступны в AAPT на их веб-сайте. Есть также руководство по решению некоторых из этих экзаменов. Если ваша цель – перейти в USAPhO, вы должны решить все задачи на всех прошлых экзаменах.
- Попробуйте IsaacPhysics для дополнительных практических задач.
- Пройдите курс AoPS F = ma Problem-Solving Series для дополнительной практики, форумов по решению проблем, оригинального практического экзамена и индивидуального руководства от опытных учителей и помощников.
Подготовка к УСАФО, IPhO и другим физическим олимпиадам
- Физика Хэллидея, Резника и Крейна (см. Примечание ниже). Это самая важная книга для чтения при подготовке к экзамену USAPhO. Эта книга охватывает все и содержит множество сложных задач.
- Введение в классическую механику Дэвида Морина. Эта книга поможет вам глубже изучить механику, включая некоторые материалы (например, механику Лагранжа), выходящие за рамки программ олимпиад.
- Электричество и магнетизм Перселла и Морена. Это отличная книга по электромагнетизму для тех, кто хочет изучить его с помощью многомерного и векторного исчисления.
- Лекции Фейнмана по физике Фейнмана. Это глубоко проницательный набор лекций, охватывающий очень широкий круг вопросов физики, но сам по себе не содержащий практических проблем.
- Прошедшие экзамены USAPhO можно получить в AAPT.
- Возьмите PhysicsWOOT, чтобы попрактиковаться в решении проблем в стиле USAPhO, сдать четыре оригинальных практических экзамена USAPhO и два оригинальных экзамена F = ma, получить доступ к форумам по решению проблем, получить индивидуальную обратную связь и помощь от опытных учителей и помощников, а также для еще большей практики.
- Официальные задачи IPhO прошлых олимпиад доступны для скачивания.
- Ресурсы Яана Калды содержат огромное количество практических задач.
Примечание: Есть два вводных текста по физике Хэллидея и Резника.Это произошло потому, что после того, как их первый учебник просуществовал десять лет, некоторые колледжи начали просить более легкую версию.
«Физика» Резника, Халлидея и Крейна находится в 5-м издании (опубликовано в 2002 г.). Эту книгу часто называют «HRK». Рекомендуемая книга для подготовки к олимпиаде. Текущий редактор – Пол Стэнли, бывший научный руководитель группы физиков США. В этом издании много сложных проблем.
«Основы физики» Халлидея, Резника и Уокера находятся в 10-м издании (опубликовано в 2013 г.).Это издание описывает основы физики тех же тем, что и HRK. Тем не менее, он содержит меньше деталей, опускает некоторые интересные вычисления и содержит меньше сложных проблем. Хотя это хорошая книга, она не написана для обучения студентов тому же уровню способности решать проблемы, что и HRK. Поэтому HRK рекомендуется тем, кто заинтересован в улучшении своих способностей к решению задач до уровня USAPhO или аналогичных олимпиад по физике.
Доступно большое количество вводных учебников по математическому анализу.Все они охватывают аналогичный материал, поэтому другие книги, такие как Giancoli, Thomas Moore, Sherwood and Sherwood, Knight, Mazur, Cummings Laws Redish and Cooney и т. Д., Приемлемы для базового чтения. Тем не менее, для тех, кто хочет заработать медали или попасть в команду США по физике на USAPhO, рекомендуется дополнительная практика решения проблем с помощью старых экзаменов, PhysicsWOOT и других источников проблем.
Проблемные книги
Общие проценты
См. Также
Эта новая гипотеза претендует на решение 5 важнейших проблем физики
Физики придумали новую модель, которая, по их словам, решает пять самых больших вопросов, оставшихся без ответа в современной физике, одновременно объясняя странности темной материи, осцилляции нейтрино, бариогенез, космическую инфляцию и сильную проблему CP.
Новая модель, получившая название SMASH, предполагает, что нам нужно всего шесть новых частиц, чтобы согласовать все эти пробелы в стандартной модели физики, и команда разработчиков заявляет, что ее будет не так сложно протестировать.
Модель была разработана группой французских и немецких физиков, и они говорят, что она не требует каких-либо серьезных изменений в стандартной модели – всего лишь несколько новых дополнений.
Еще рано, но это довольно крутое предложение, потому что другие модели, предназначенные для объяснения загадок квантовой механики, такие как суперсимметрия, требуют добавления сотен новых частиц, следов которых мы даже не видели.
SMASH, с другой стороны, требует всего шесть: три нейтрино, фермион и поле, состоящее из двух частиц. (В физике поле – это физическая или математическая сущность, имеющая значение для каждой точки в пространстве и времени. Частица – это возбужденное состояние поля.)
Чтобы дать вам представление об этих пяти фундаментальных проблемах, мы пробежимся по их всем, начиная с темной материи.
1. Темная материя
В настоящее время есть неопровержимые доказательства того, что 26–27 процентов Вселенной состоит из неопознанного типа материи.Хотя мы можем обнаружить его гравитационную силу, это неизвестное вещество, похоже, не излучает какой-либо вид света или излучения, которые мы можем наблюдать.
Несмотря на годы поисков, мы до сих пор не знаем, из чего на самом деле состоит темная материя, но знаем, что ее присутствие имеет решающее значение для стабильности Вселенной.
2. Осцилляции нейтрино
В прошлом году Нобелевская премия по физике была присуждена двум физикам, доказавшим, что нейтрино могут колебаться между «ароматами».
Осцилляция нейтрино – это квантово-механическое явление, при котором нейтрино, созданное с определенным лептонным ароматом (таким как электрон, мюон или тау), позже может иметь другой аромат.
Поскольку только частицы с массой могут менять аромат или колебаться, нейтрино должны иметь массу, и это представляет проблему для стандартной модели, потому что никто не знает, откуда на самом деле происходит масса нейтрино.
Это могло произойти от бозона Хиггса, но это могло также произойти от совершенно новой частицы, которую мы еще не обнаружили.
3. Бариогенезис
Эту главную нерешенную проблему физики можно описать довольно просто: почему наблюдаемая Вселенная имеет больше материи, чем антивещества?
Согласно стандартной модели, Большой взрыв произвел бы равные количества вещества и антивещества, и, поскольку они аннигилируют друг друга при контакте, это должно было привести к Вселенной без частиц – только радиация.
Очевидно, что тот факт, что во Вселенной очень много частиц, означает, что что-то не так с этим сценарием, потому что как может сейчас во Вселенной так много материи, но почти нет антивещества?
4.Космическая инфляция
Считается, что в течение доли секунды после Большого взрыва Вселенная претерпела период ускоренного расширения, называемый инфляцией.
В то время как большинство физиков признают реальность космической инфляции, никто не смог выяснить точный механизм, ответственный за то, что Вселенная расширяется со скоростью, превышающей скорость света, почти мгновенно переходя от субатомного размера к размеру мяча для гольфа.
В качестве основной причины инфляции было предложено гипотетическое поле, называемое инфлатоном, но мы еще не обнаружили его.
5. Сильная проблема CP
Описанная как «серьезный недостаток стандартной модели», проблема сильной CP помогает объяснить, почему во Вселенной больше материи, чем антивещества, но несет с собой свои неразгаданные загадки. .
Это особенно длинная история, но в двух словах, сильная проблема CP описывает, как нарушение CP – нарушение фундаментальной симметрии Вселенной – не происходит в квантовой хромодинамике (КХД), которая связана с взаимодействиями между кварками. и глюоны.И никто не мог понять почему.
До сих пор, возможно, если новая модель окажется правильной.
Решение?
Модель SMASH основана на модели, предложенной физиком Михаилом Шапошниковым из Швейцарского федерального технологического института в Лозанне еще в 2005 году, которая называется минимальной стандартной моделью нейтрино (или νMSM).
Тогда было высказано предположение, что расширение Стандартной модели тремя правыми нейтрино с определенными массами может одновременно объяснить темную материю и барионную асимметрию Вселенной, а также согласовываться с экспериментами по осцилляциям нейтрино.
Теперь команда под руководством французского физика Гильермо Бальестероса из Университета Париж-Сакле заявляет, что мы можем добавить эти три правосторонних нейтрино к трем существующим нейтрино в стандартной модели, а также субатомную частицу, называемую фермионом цветного триплета. решить первые четыре проблемы, перечисленные выше.
Добавление нового, неопознанного поля, похоже, решает пятую проблему, как объясняет Шеннон Холл для New Scientist :
“SMASH добавляет новое поле, чтобы несколько иначе объяснить некоторые из этих проблем.В это поле входят две частицы: аксион, кандидат темной лошади в темную материю, и инфлатон, частица, стоящая за инфляцией.
В качестве последнего штриха SMASH использует поле для решения пятой загадки: сильной проблемы CP ».
Команда говорит, что тот факт, что их гипотеза может быть проверена с использованием ускорителей частиц следующего поколения, означает, что это не исключено, и это делает ее более убедительной, чем другие решения этих проблем, которые предлагались в прошлом.
«Самое лучшее в теории – это то, что ее можно проверить или проверить в течение следующих 10 лет или около того», – сказал Холлу один из членов группы, Андреас Рингвальд из Немецкого электронного синхротрона.
«Вы всегда можете изобрести новые теории, но если они могут быть проверены только через 100 лет или никогда, тогда это не настоящая наука, а метанаука».
Следует отметить, что модель SMASH еще не была опубликована в рецензируемом журнале, поэтому она все еще нуждается в тщательном изучении в мире физики элементарных частиц, но теперь она размещена на предпечатном веб-сайте arXiv.org, так что у независимых физиков есть шанс сделать именно это.
Вероятно, это не станет окончательным решением «пяти больших вопросов» – физика никогда не бывает настолько четкой, – но это может стать началом чего-то удивительного.
Как говорит Рингвальд: «Битва открыта».
2.6 Основы решения проблем для одномерной кинематики – College Physics: OpenStax
Глава 2 Одномерная кинематика
Резюме
- Применяйте шаги и стратегии решения проблем для решения задач одномерной кинематики.
- Примените стратегии, чтобы определить, является ли результат проблемы разумным, а если нет, определите причину.
Навыки решения проблем, безусловно, необходимы для успешного прохождения количественного курса физики. Что еще более важно, способность применять общие физические принципы, обычно представленные уравнениями, к конкретным ситуациям – очень мощная форма знания.Это намного эффективнее, чем запоминание списка фактов. Аналитические навыки и способность решать проблемы могут быть применены к новым ситуациям, тогда как список фактов не может быть достаточно длинным, чтобы содержать все возможные обстоятельства. Такие аналитические навыки пригодятся как для решения задач из этого текста, так и для применения физики в повседневной и профессиональной жизни.
Хотя не существует простого пошагового метода, который работал бы для каждой проблемы, следующие общие процедуры облегчают решение проблемы и делают его более значимым.Также требуется определенное количество творчества и проницательности.
Шаг 1
Изучите ситуацию, чтобы определить, какие физические принципы задействованы . Часто помогает нарисовать простой эскиз с самого начала. Вам также нужно будет решить, какое направление является положительным, и отметить это на своем эскизе. Как только вы определили физические принципы, будет намного легче найти и применить уравнения, представляющие эти принципы. Хотя найти правильное уравнение важно, имейте в виду, что уравнения представляют физические принципы, законы природы и отношения между физическими величинами.Без концептуального понимания проблемы численное решение бессмысленно.
Шаг 2
Составьте список того, что дано или может быть выведено из проблемы, как указано (определить известные) . Многие проблемы изложены очень кратко и требуют некоторого осмотра, чтобы определить, что известно. На этом этапе также может быть очень полезен набросок. Формальная идентификация известных имеет особое значение в применении физики к ситуациям реального мира. Помните, что «остановлен» означает, что скорость равна нулю, и мы часто можем принять начальное время и положение за ноль.
Шаг 3
Определите, что именно необходимо определить в проблеме (определите неизвестные) . В частности, в сложных задачах не всегда очевидно, что нужно искать и в какой последовательности. Составление списка может помочь.
Шаг 4
Найдите уравнение или систему уравнений, которые помогут вам решить проблему . Здесь может помочь ваш список известных и неизвестных. Проще всего, если вы сможете найти уравнения, содержащие только одно неизвестное, то есть все другие переменные известны, так что вы можете легко найти неизвестное.Если уравнение содержит более одной неизвестной, то для решения проблемы необходимо дополнительное уравнение. В некоторых задачах необходимо определить несколько неизвестных, чтобы найти наиболее необходимое. В таких задачах особенно важно помнить о физических принципах, чтобы не сбиться с пути в море уравнений. Возможно, вам придется использовать два (или более) разных уравнения, чтобы получить окончательный ответ.
Шаг 5
Подставьте известные значения вместе с их единицами измерения в соответствующее уравнение и получите численные решения вместе с единицами .Этот шаг дает числовой ответ; он также обеспечивает проверку модулей, которая может помочь вам найти ошибки. Если единицы ответа неверны, значит, произошла ошибка. Однако имейте в виду, что правильные единицы не гарантируют, что числовая часть ответа также верна.
Шаг 6
Проверьте ответ, чтобы узнать, разумен ли он: имеет ли он смысл? Этот последний шаг чрезвычайно важен – цель физики – точно описать природу. Чтобы узнать, является ли ответ разумным, проверьте не только единицы измерения, но и величину, и знак.Ваше суждение будет улучшаться по мере того, как вы решаете все больше и больше физических задач, и у вас появится возможность делать все более тонкие суждения относительно того, адекватно ли описывается природа ответом на проблему. Этот шаг возвращает проблему к ее концептуальному значению. Если вы можете судить, является ли ответ разумным, у вас более глубокое понимание физики, чем просто способность решать проблему механически.
При решении проблем мы часто выполняем эти шаги в разном порядке, а также склонны выполнять несколько шагов одновременно.Не существует жесткой процедуры, которая работала бы каждый раз. Креативность и проницательность растут с опытом, а основы решения проблем становятся почти автоматическими. Один из способов попрактиковаться – во время чтения самостоятельно разрабатывать примеры из текста. Другой – проработать как можно больше задач в конце раздела, начиная с самых простых, чтобы укрепить уверенность в себе, и постепенно переходя к более сложным. Как только вы начнете заниматься физикой, вы будете видеть ее повсюду вокруг себя и сможете применять ее к ситуациям, с которыми вы сталкиваетесь за пределами классной комнаты, точно так же, как это делается во многих приложениях в этом тексте.2} [/ latex] за 100 с, его конечная скорость будет 40 м / с (около 150 км / ч) – явно неразумно, потому что время 100 с – необоснованная предпосылка. В каком-то смысле физика верна, но для описания природы нужно нечто большее, чем просто правильное манипулирование уравнениями. Проверка результата проблемы, чтобы увидеть, является ли он разумным, делает больше, чем помогает выявить ошибки в решении проблемы – она также развивает интуицию в суждении о том, точно ли описывается природа.
Используйте следующие стратегии, чтобы определить, является ли ответ разумным, а если нет, то определить причину.2) (100 \ textbf {s}) = 40 \ textbf {m / s.}} [/ Latex]
Шаг 2
Проверьте, разумен ли ответ . Он слишком большой или слишком маленький, или у него неправильный знак, неправильные единицы измерения…? В этом случае вам может потребоваться преобразовать метры в секунду в более привычные единицы, например мили в час.
[латекс] \ boldsymbol {(\ frac {40 \ textbf {m}} {\ textbf {s}}) (\ frac {3.28 \ textbf {ft}} {\ textbf {m}}) (\ frac {1 \ textbf {mi}} {5280 \ textbf {ft}}) (\ frac {60 \ textbf {s}} {\ textbf {min}}) (\ frac {60 \ textbf {min}} {1 \ textbf { h}})} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {= 89 \ textbf {mph}} [/ latex]
Эта скорость примерно в четыре раза больше, чем может бежать человек, поэтому она слишком велика.2} [/ latex] на 100 сек (почти две минуты).
- Шесть основных шагов решения проблем физики:
Шаг 1 . Изучите ситуацию, чтобы определить, какие физические принципы задействованы.
Шаг 2 . Составьте список того, что дано или может быть выведено из проблемы, как указано (определить известные).
Шаг 3 . Определите, что именно необходимо определить в проблеме (определите неизвестные).
Шаг 4 .Найдите уравнение или систему уравнений, которые помогут вам решить проблему.
Шаг 5 . Подставьте известные значения вместе с их единицами измерения в соответствующее уравнение и получите численные решения вместе с единицами измерения.