Stworzenie globalnej mapy różnych zajęć laboratoryjnych z fizyki

Zajęcia laboratoryjne z fizyki są niezbędne w edukacji przedmiotów ścisłych i przyrodniczych, ponieważ zapewniają praktyczne doświadczenie i umiejętności techniczne, których nie są w stanie zaoferować wykłady. Jednak dla osób zajmujących się badaniami nad edukacją fizyki (PER) porównywanie kursów z kursów stanowi wyzwanie, zwłaszcza że kursy te znacznie się różnią na całym świecie.

Aby lepiej zrozumieć te różnice, stypendystka JILA i profesor fizyki z University of Colorado Boulder Heather Lewandowski wraz z grupą międzynarodowych współpracowników pracują nad stworzeniem globalnej taksonomii – systemu klasyfikacji, który mógłby stworzyć bardziej sprawiedliwy sposób porównywania tych kursów.

Ich ustalenia były niedawno opublikowany W Przegląd fizyczny Badania dotyczące edukacji fizycznej.

Dzięki globalnej taksonomii instruktorzy mogą dysponować bardziej precyzyjnym planem działania dotyczącym nawigacji i doskonalenia swoich kursów, co prowadzi do lepszej przyszłości edukacji fizyki na całym świecie.

„Ostateczna taksonomia pomoże badaczom zajmującym się edukacją zarówno w szerokim rozumieniu nauczania w laboratoriach fizycznych, jak i będzie w stanie porównywać i kontrastować badania prowadzone na całym świecie” – mówi Lewandowski.

Międzynarodowa potrzeba globalnego mapowania

Zdaniem Gayle Geschwind, pierwszej autorki artykułu i świeżo upieczonej doktorantki JILA. badacza, projekt rozpoczął się od międzynarodowej rozmowy pomiędzy fizykami, którzy zdali sobie sprawę, że porównywanie ocen z zajęć laboratoryjnych nie zawsze było proste.

„Instruktorom może być trudno uzyskać przydatne informacje” – powiedział Geschwind. „Na przykład kursu na drugim roku nie można łatwo porównać z kursem wprowadzającym, ale obecnie często są to jedyne dane dostępne do porównania. Kursy laboratoryjne różnią się sposobem nauczania, stosowanymi metodami i sprzęt, z którym studenci mogą korzystać. A te zajęcia laboratoryjne są drogie; niektórzy korzystają z dobrego sprzętu, inni nie.

Ta rozbieżność skłoniła badaczy do opracowania metody, która ostatecznie doprowadzi do powstania bazy danych zawierającej wiele różnych kursów laboratoryjnych z fizyki na całym świecie.

Zaczynając od ankiet

Pierwszym zadaniem zespołu było stworzenie solidnej ankiety mającej na celu ujęcie struktury kursów laboratoryjnych na całym świecie. Naukowcy rozpoczęli od sesji burzy mózgów, którą następnie przekształcili w obszerniejszą ankietę, w której omówiono treść kursu, rodzaje dostępnego sprzętu i sposób oceniania uczniów.

Gdy ankieta była już gotowa, zespół przeprowadził wywiady z instruktorami z 23 krajów, aby upewnić się, że pytania są jasne i mają zastosowanie do różnych systemów edukacyjnych. Na podstawie tych wczesnych wywiadów Geschwind, Lewandowski i ich współpracownicy udoskonalili swoją ankietę. Podczas gdy we wcześniejszych edycjach instruktorzy mogli podać główne i mniejsze cele kursu, na podstawie informacji zwrotnych z wywiadów zespół zdecydował się dodać opcję przyszłego celu, w ramach której instruktor mógł dodać inne techniki, których uczniowie mogliby się nauczyć w przyszłości.

Wraz z ulepszeniami ankiety Lewandowski i Geschwind już na początku napotkali wyzwanie przy formułowaniu niektórych pytań w ankiecie.

Geschwind podzielił się wymowną anegdotą: „Heather i ja spędziliśmy trzy lub cztery godziny nad sformułowaniem jednego pytania dotyczącego liczby studentów w poszczególnych sekcjach laboratoryjnych… Okazuje się, że „sekcja laboratoryjna” nie oznacza tego samego poza Stanami Zjednoczonymi, a w końcu musieliśmy bardzo kreatywnie sformułować pytanie, aby przekazać nasz punkt widzenia”.

Poza kwestiami językowymi zespół odkrył zaskakujące różnice w strukturach laboratoriów. W niektórych krajach laboratoria mogą spotykać się codziennie przez dwa tygodnie, a nie co tydzień przez cały semestr. Inne różnice były bardziej skrajne, jak na przykład rozmówca mieszkający w Afryce stwierdził, że uczniowie czasami musieli „wkładać śrubokręty do gniazdek elektrycznych”, aby sprawdzić, czy tego dnia jest prąd – co stanowi wyraźny kontrast w porównaniu z dobrze wyposażonymi laboratoriami w bogatszych krajach.

Znalezienie tematów ogólnych

Po sfinalizowaniu ankiety w drodze iteracyjnego procesu wywiadów i powtórek zespół wysłał ją do swojej sieci instruktorów laboratoryjnych, prosząc o jej wypełnienie i podzielenie się nią z innymi. Chociaż badacze początkowo zbierali odpowiedzi głównie z Europy Zachodniej i Stanów Zjednoczonych, wkrótce rozszerzyli swoje wysiłki, sporządzając listę wszystkich krajów i instytucji zajmujących się wysyłką pocztową na całym świecie. Ku ich zaskoczeniu otrzymali wiele odpowiedzi, w tym od regionów historycznie niedostatecznie reprezentowanych w STEM, co pomogło wzbogacić globalną bazę danych kursów laboratoryjnych z fizyki.

Na podstawie odpowiedzi udzielonych w ankiecie badacze odkryli kilka głównych tematów początkowych. Ogólnie rzecz biorąc, zajęcia laboratoryjne kładły nacisk na umiejętności techniczne i pracę w grupach. Geschwind był zafascynowany faktem, że „wstępny kurs laboratoryjny z mechaniki nie różni się zbytnio w zależności od miejsca” pomimo różnorodności sprzętu i zasobów.

Kolejny interesujący wynik dotyczył liczby celów edukacyjnych, jakie instruktorzy stawiają swoim uczniom na kursach. Instruktorzy zidentyfikowali średnio prawie 12 odrębnych celów dla każdego kursu, podkreślając złożoną naturę środowisk laboratoryjnych w ramach kursów mających na celu wspieranie szerokiego zakresu wiedzy i rozwoju umiejętności.

Być może jednym z najbardziej nieoczekiwanych wyników ankiety był jej bezpośredni wpływ na instruktorów, którzy ją wzięli. Wielu zaczęło w trakcie tego procesu ponownie zastanawiać się nad własnymi kursami.

„Widzieli coś w ankiecie i mówili: «Och, to fajny pomysł! Nie robimy tego, ale chętnie to wdrożymy»” – zauważył Geschwind.

W rzeczywistości ankieta zawierała nawet linki do zasobów i najlepszych praktyk, z którymi uczestnicy mogli się zapoznać, co czyni ją narzędziem badawczym i okazją do nauki dla instruktorów.

Tworzenie dokładniejszej mapy

Patrząc w przyszłość, zespół badawczy ma ambitne plany dotyczące swoich danych. Ostatecznym celem jest stworzenie globalnej bazy danych kursów laboratoryjnych i ujednoliconej kategoryzacji tych kursów, co może pomóc instruktorom w porównywaniu i ulepszaniu ich metod nauczania. Geschwind wyjaśnił, że ta baza danych może być użyteczna dla instruktorów, którzy chcą przeprojektować swoje kursy, ponieważ pozwoli im zobaczyć, co robią inni na podobnych zajęciach na całym świecie.

„Docelowo chcemy uzyskać tę bazę danych zawierającą informacje… aby instruktor, który chce zrestrukturyzować swój kurs elektroniki, mógł zobaczyć, co robią inni” – dodała.

Projekt nie jest obecnie finansowany, a większość zespołu poświęca swój czas na ochotnika, ale to nie powstrzymuje ich od przewidywania przyszłych zmian. Geschwind zasugerował, że w przyszłości zespół mógłby wykorzystać algorytmy grupowania do grupowania podobnych kursów i identyfikowania trendów, na przykład tego, czy określone typy zajęć laboratoryjnych, np. laboratoria elektroniki na drugim roku, nieoczekiwanie wykazują podobieństwa z innymi, np. zajęciami kwantowymi na wyższym poziomie laboratoria.

W miarę postępów projektu zespół ma nadzieję zgromadzić więcej danych, szczególnie z niedostatecznie reprezentowanych regionów, aby taksonomia stała się jeszcze bardziej wszechstronna.

„Ostatecznie może to doprowadzić do lepszych ocen i bardziej świadomych praktyk nauczania, co wzmocni edukację w laboratoriach fizycznych na całym świecie” – powiedział Geschwind.