Educating Scientiﬁcally Educando cientificamente · T. Loeblein C. , This material is based upon work supported by the National Science Foundation under Grant No. REC 0448176, CAREER:

Educating ScientificallyEducando cientificamente:

Educating ScientificallyEducando cientificamente:

Tools Practices and Implications of PhysicsEducation Research

Herramientas, Práticas e Implicaciones de laInvestigación de Enseñanza de la Física

Noah FinkelsteinPhysics Department

University of Colorado at [email protected]

Noah FinkelsteinPhysics Department

University of Colorado at [email protected]

Reunión Annual de la AAPT -MX12 Dec 2008

Reunión Annual de la AAPT -MX12 Dec 2008

AgradecimientosAgradecimientosProfesores:

Michael DubsonNoah FinkelsteinValerie OteroKathy PerkinsSteven PollockCarl Wieman

Posdoctorados:Wendy AdamsStephanie ChasteenSteven GoldhaberLaurel MayhewArchie PaulsonNoah Podolefsky

Profesores:Profesores:Michael Michael DubsonDubsonNoah Noah FinkelsteinFinkelsteinValerieValerie Otero OteroKathy PerkinsKathy PerkinsSteven PollockSteven PollockCarl Carl WiemanWieman

PosdoctoradosPosdoctorados::Wendy Wendy AdamsAdamsStephanieStephanie ChasteenChasteenSteven Steven GoldhaberGoldhaberLaurel Laurel MayhewMayhewArchie Archie PaulsonPaulsonNoah Noah PodolefskyPodolefsky

Estudiantes PosgradosCharles BailyKara GrayHeidi IversonLauren KostMay LeeBen SpikeBud Talbott IIIChandra Turpen

Personal:J.Blanco,M Frankel,K. KidderT. Loeblein,C. Malley,S. Reid,L. Wellman

Estudiantes PosgradosCharles BailyKara GrayHeidi IversonLauren KostMay LeeBen SpikeBud Talbott IIIChandra Turpen

Personal:J.Blanco,M Frankel,K. KidderT. Loeblein,C. Malley,S. Reid,L. Wellman

This material is based upon work supported by the National Science Foundation under Grant No. REC 0448176, CAREER: Physics Education and Contexts of Student Learning.Any opinions, findings, and conclusions or recommendations expressed in this material are those of the author and do not necessarily reflect the views of the NSF

Una Esquema/ObjetivosUna Esquema/Objetivos

• La Investigación de Educación de la Física(“PER”) en breve:– Estado de la educación– ¿Por qué físicos?– Teoría y práctica

• Aplicando lo que sabemos– Implementando transformación de cursos– Investigando el proceso

• Ejemplos de otras Investigaciones• Nuevas Direcciones

• La Investigación de Educación de la Física(“PER”) en breve:– Estado de la educación– ¿Por qué físicos?– Teoría y práctica

• Aplicando lo que sabemos– Implementando transformación de cursos– Investigando el proceso

• Ejemplos de otras Investigaciones• Nuevas Direcciones

¿Es importante la educación?¿Es importante la educación?In March 2001, the U.S. Commission on National Security/21st Century ….

on which I served warned that la crisis en lainvestigación científica y la educación esla segunda amenaza más importante ala seguridad que enfrentamos enAmérica. In fact, the 14 bipartisan members unanimously agreedthat the ‘inadequacies of our systems of research and education pose agreater threat to U.S. national security over the next quarter century thanany potential conventional war that we might imagine.’ The Commission

went on to assert that sólo una arma nuclear obiológica tiene mas peligro.

In March 2001, the U.S. Commission on National Security/21st Century ….

on which I served warned that la crisis en lainvestigación científica y la educación esla segunda amenaza más importante ala seguridad que enfrentamos enAmérica. In fact, the 14 bipartisan members unanimously agreedthat the ‘inadequacies of our systems of research and education pose agreater threat to U.S. national security over the next quarter century thanany potential conventional war that we might imagine.’ The Commission

went on to assert that sólo una arma nuclear obiológica tiene mas peligro.

-Newt Gingrich, AEIopen letter to Congress, May 2005-Newt Gingrich, AEIopen letter to Congress, May 2005

PISA 2006:The Programme for International Student Assessment (PISA)

PISA 2006:The Programme for International Student Assessment (PISA)

400,00 estudiantes, 15 años, 56 Countries

SCIENCE PERFORMANCE

TOP Performers:Finland, Canada, Japan, Korea, U.K., . . .

MIDDLE PerformersHungary, Sweden, Poland, France . . .

LOWEST PerformersLatvia, U.S.A., Turkey, Mexico, Greece . . .

400,00 estudiantes, 15 años, 56 Countries

SCIENCE PERFORMANCE

TOP Performers:Finland, Canada, Japan, Korea, U.K., . . .

MIDDLE PerformersHungary, Sweden, Poland, France . . .

LOWEST PerformersLatvia, U.S.A., Turkey, Mexico, Greece . . .

Mazur (1997; 2004)

(b) …

¿Qué tal hoy en día?(Harvard)

¿Qué tal hoy en día?(Harvard)Tradicional

(b) …

Conceptual

tradicional conceptual

49% 69%

problema tradicional

prob

lem

a co

ncep

tual

Resumen de “PER”Resumen de “PER”• Nuestras evaluaciones no incluyen todo lo

que pasa en nuestras clases– Estudiantes no aprenden lo que creemos– Estudiantes aprenden cosas que NO queremos

• Investigación de la educación de la física

– Herramientas de evaluación– Modelos de aprendizaje del estudiante– Currículos

• Nuestras evaluaciones no incluyen todo loque pasa en nuestras clases– Estudiantes no aprenden lo que creemos– Estudiantes aprenden cosas que NO queremos

• Investigación de la educación de la física

– Herramientas de evaluación– Modelos de aprendizaje del estudiante– Currículos

piense en la educación como un científicopiense en la educación como un científico

Formulas y“plug ‘n chug”Formulas y“plug ‘n chug”

Conceptos y SolucionarProblemas

Conceptos y SolucionarProblemas

Por autoridadPor autoridad Independiente(experimentos)

Independiente(experimentos)

PrincipiantePrincipiante ExpertoExperto

TrozosTrozos CoherenciaCoherencia

Adapted from: Hammer (1997) COGNITION AND INSTRUCTION (physics),Adapted from: Hammer (1997) COGNITION AND INSTRUCTION (physics),

piense en la ciencia como un científicopiense en la ciencia como un científico

Objetivos en ClaseObjetivos en Clase

el contenidoel contenido

el procesoel proceso

la estructurala estructura

la sensacionla sensacionAburrimientoAburrimiento AlegríaAlegría

Un posible momento decambio importante

Un posible momento decambio importante

• Force Concept Inventory*• Un cuestionario “multiple choice”

– pre y post (antes y después)• Expertos concuerdan:

Un indicador necesario (pero nosuficiente) de comprensión conceptual.

• Force Concept Inventory*• Un cuestionario “multiple choice”

– pre y post (antes y después)• Expertos concuerdan:

Un indicador necesario (pero nosuficiente) de comprensión conceptual.

* Hestenes, Wells, Swackhamer, Physics Teacher 20, (92) 141

Por ejemploPor ejemplo

Mirando desde arriba (en una mesa),¿Qué camino elige la bola (sin fricción)?

R. Hake, ”…A six-thousand-student survey…” AJP 66, 64-74 (‘98).

<g> = post-pre

100-pre

Lectura tradicional

FCI IFCI I

Resultado central:

Estudiantes aprenden ~ 25% de los conceptos mas básicos (que no ya conocían).

Como medir el aprendizaje

Actitudes y creencias:Actitudes y creencias:

Actitudes y creencias*Actitudes y creencias*

Evaluando el “currículo oculto”- creencias sobre la física y aprendiéndola

Ejemplos:• “Estudio la física para ganar conocimiento

que me ayudará en la vida.”• “Para aprender la física solo requiere

memorizar algunos problemas ejemplares.”

*Adams et al, (2006). Physical Review: Spec. Topics: PER, 0201010

Cambio (%) (clase “reformada”)

-6-8-12-11-10-7-17+5(All ±2%)

Categorías CLASSCategorías CLASS

Conexión con la vida.....Interés personal.............Sentido/esfuerza……….Conceptual.....................Entender la matemática..Solucionar problemas.....Confidencia.....................El carácter de la ciencia...

Rising Above Gathering StormRising Above Gathering StormCongressional charge (2005):Congressional charge (2005):

¿Cuales son los 10 mejores cambios, en orden de prioridad, que responsables

políticos podrían hacer para mejorar la campaña científica y tecnológica para

que los EEUU puedan competir, prosperar, y tener seguridad en lacomunidad mundial del Siglo XXI?

#1: 10,000 TEACHERS, 10 MILLION MINDS, AND K–12SCIENCE AND MATHEMATICS EDUCATION

#2: SCIENCE AND ENGINEERING RESEARCH

#3: BEST AND BRIGHTEST IN SCIENCE ANDENGINEERING HIGHER EDUCATION

#4: INCENTIVES FOR INNOVATION

#1: 10,000 TEACHERS, 10 MILLION MINDS, AND K–12SCIENCE AND MATHEMATICS EDUCATION

#2: SCIENCE AND ENGINEERING RESEARCH

#3: BEST AND BRIGHTEST IN SCIENCE ANDENGINEERING HIGHER EDUCATION

#4: INCENTIVES FOR INNOVATION

4 Recommendations (2006):

Aug 9, 2007

Public Law No: 110-69The America COMPETES Act

Investment in Science and Science Education

¿por qué ocurre así?¿por qué ocurre así?

Modelo tradicional de la educaciónModelo tradicional de la educaciónInstrucción portransmisiónIndividual Contenido (e.g. circuitos)transmissionist

Estructura tradicional de la claseEstructura tradicional de la claseUndergraduateLearning Assistants

Instructor

Modified Coursewith Learning Teams

Curso tradicional dealta inscripción

InstructorGraduate TA

EnrolledStudents

LearningTeams

¿Pre-incorporado ennuestras aulas?

¿Pre-incorporado ennuestras aulas?

I don't think you can teachphysics very well anyway topeople in that manner, bygiving lectures on a big scale.I think it's hopeless.

Richard Feynman, 1918-1988

FeynmanFeynman

_____

_____

PER Theoretic BackgroundPER Theoretic BackgroundInstructionvia transmissionIndividual Content (E/M)transmissionist

IndividualConocimiento anterior

Contenidoconstrucciónactiva

constructivist

Es importante la participacióninteractiva de los estudiantes

Sistema personal para responderSistema personal para responder

la participación interactiva esimportante

lo que ya sabemos impacta loque aprendemos y como

aprendemos…

la participación interactiva esimportante

lo que ya sabemos impacta loque aprendemos y como

aprendemos…

Una tarea cognitiva…Una tarea cognitiva…

Intente memorizar el número siguiente(en orden):

Intente memorizar el número siguiente(en orden):

3 7 3 2 3 7 1 9 4 5 5 3 0 0 1 7

¿Se acuerda?¿Se acuerda?

¿Cuántos números acertó?

3 7 3 2 3 7 1 9 4 5 5 3 0 0 1 7

¿Cuántos números acertó?

3 7 3 2 3 7 1 9 4 5 5 3 0 0 1 7

G. Miller – “número mágico”: 7 +/- 2

¿Es simplemente 7 +/- 2?¿Es simplemente 7 +/- 2?

Ahora, pruebe el siguiente:

1 8 1 0 1 9 1 0 1 9 1 7 2 0 0 8

Ahora, pruebe el siguiente:

1 8 1 0 1 9 1 0 1 9 1 7 2 0 0 8

¿Que tal?¿Que tal?

1 8 1 0 1 9 1 0 1 9 1 7 2 0 0 8

¿Cambió algo?

¿Cuál es la diferencia?

1 8 1 0 1 9 1 0 1 9 1 7 2 0 0 8

¿Cambió algo?

¿Cuál es la diferencia?

¿“chunking” funciona paratodo?

¿“chunking” funciona paratodo?

d l sk e lt y ux b mj o ro h k

c a td o gt a gg y mo a rl u g

l o sd o ss o nm u yl e n-t o s

con participación activay

construyendo encima de loque ya sabían

…

con participación activay

construyendo encima de loque ya sabían

…


<g> = post-pre

100-pre

red = trad, blue = interactive engagement

FCIatCU

FCIatCUestudiantes aprenden más

Teoría de PERTeoría de PERInstrucciónpor transmisiónIndividual Contenido (E/M)transmisionista


Contenido (E/M)Construcciónconstructivista

Constructivistabasica

constructivistacontextual

contexto


Contenido (E/M)

Instructor/ Herramientas. . .

Finkelstein, N. (2005) Context in the Context of Physics Education, IJSEFinkelstein, N. (2005-2009). NSF CAREER Grant: REC# 0448176

Un pequeño cambio en contextoUn pequeño cambio en contexto

Phys lecture3-600 students3 lectures/wk

(No lab)

U. Washington Tutorials50 min/wk, 30 students, 1 grad TA+ undergrad Learning Assistant

(Weekly prep + LA seminar)

Interactive LecturesPeer Instruction,

pers. resp. system

Texttrad or

PER based

Online HWSystem

Tutorials in Introductory PhysicsTutorials in Introductory Physics

Cambios en el “recitation section”• Materiales• Formato de la aula• Papel del instructor

Currículos ProbadosCurrículos ProbadosD.E. Trowbridge and L. C. McDermott, "Investigation of student understanding of the concept

of acceleration in one dimension," Am. J. Phys. 49 (3), 242 (1981).D.E. Trowbridge and L. C. McDermott, "Investigation of student understanding of the concept

of velocity in one dimension," Am. J. Phys. 48 (12), 1020 (1980)R.A. Lawson and L.C. McDermott, "Student understanding of the work-energy and impulse-

momentum theorems," Am. J. Phys. 55 (9), 811 (1987) L.C. McDermott and P.S. Shaffer, "Research as a guide for curriculum development: An

example from introductory electricity, Part I: Investigation of student understanding." Am.J. Phys. 60 (11), 994 (1992); Erratum to Part I, Am. J. Phys. 61 (1), 81 (1993).

P.S. Shaffer and L.C. McDermott, "Research as a guide for curriculum development: Anexample from introductory electricity, Part II: Design of instructional strategies." Am. J.Phys. 60 (11), 1003 (1992)

L.C.McDermott, P.S. Shaffer and M. Somers, "Research as a guide for curriculumdevelopment: An illustration in the context of the Atwood's machine," Am. J. Phys.62 (1)46-55 (1994).

More: see http://www.phys.washington.edu/groups/peg/pubsa.html

D.E. Trowbridge and L. C. McDermott, "Investigation of student understanding of the conceptof acceleration in one dimension," Am. J. Phys. 49 (3), 242 (1981).

D.E. Trowbridge and L. C. McDermott, "Investigation of student understanding of the conceptof velocity in one dimension," Am. J. Phys. 48 (12), 1020 (1980)

R.A. Lawson and L.C. McDermott, "Student understanding of the work-energy and impulse-momentum theorems," Am. J. Phys. 55 (9), 811 (1987)

L.C. McDermott and P.S. Shaffer, "Research as a guide for curriculum development: Anexample from introductory electricity, Part I: Investigation of student understanding." Am.J. Phys. 60 (11), 994 (1992); Erratum to Part I, Am. J. Phys. 61 (1), 81 (1993).

P.S. Shaffer and L.C. McDermott, "Research as a guide for curriculum development: Anexample from introductory electricity, Part II: Design of instructional strategies." Am. J.Phys. 60 (11), 1003 (1992)

L.C.McDermott, P.S. Shaffer and M. Somers, "Research as a guide for curriculumdevelopment: An illustration in the context of the Atwood's machine," Am. J. Phys.62 (1)46-55 (1994).

More: see http://www.phys.washington.edu/groups/peg/pubsa.html

Materiales del “Tutorial”Materiales del “Tutorial”Interactivo, guiado, y a base de investigación (de los

diseñadores y también del estudiante)Interactivo, guiado, y a base de investigación (de los

diseñadores y también del estudiante)

Tutorial vs. Trad'l RecitationTutorial vs. Trad'l Recitation

Nuestro modelo depreparación de profesores

Nuestro modelo depreparación de profesores

• Empezar dentro del departamento de física• Asistentes de aprendizaje (LAs):

para emplear materiales basados en PER– Demonstrar las mejores prácticas– Mejorar la educación– Aumentar el número de estudiantes que enseñan

• Mejorar el conocimiento de futuros profesores

• Empezar dentro del departamento de física• Asistentes de aprendizaje (LAs):

para emplear materiales basados en PER– Demonstrar las mejores prácticas– Mejorar la educación– Aumentar el número de estudiantes que enseñan

• Mejorar el conocimiento de futuros profesores

V. Otero, N.D. Finkelstein, S.J. Pollock and R. McCray (2006). Science, 313, 445

UndergraduateLearning Assistants

Instructor

Curso modificado con equiposde aprendizaje

Curso tradicional de altainscripción

InstructorGraduate TA

EnrolledStudents

LearningTeams

V. Otero, N.D. Finkelstein, S.J. Pollock and R. McCray (2006). Science, 313, 445

Modificando la estructura del cursoModificando la estructura del curso

Finkelstein and Pollock, (2005). Phys Rev ST PER, 1,1.010101Trowbridge and McDermott," Am. J. Phys. 49 (3), 242 (1981).

ImpactoImpacto y reproducciones:y reproducciones:

<g> = post-pre

100-pre

CU Fa03/Sp04

CU Fa01


Aprendizaje con tutorías


<g> = post-pre

100-pre


CU - IE & Tutorials

CU - IE & trad recitations

Aprendizaje con tutorías

CLASS cambios (antes y después)Fin de curso cuestionario

CLASS cambios (antes y después)Fin de curso cuestionario

Actitudes y creencias

CLASS cambios(post-pre)

CLASS cambios(post-pre)

-20 -15 -10 -5 0 5 10

All

personal

real world

Conceptual

All

personal

real world

Concept

Male Female

CU Parcialmente tradicional

CUReformado(atendiendoalgo a A&C)

Estudios de género

AIP Statistics:50% of physics students in h.s. are female22% of bachelors in physics go to women10% of faculty in physics are women

In introductory physics there is a Gender Gap: male students perform better than female students

Known: (PER Community) Interactive Education better than Traditional Lecture

Claim: Interactive Education does away with the gender gap

(Harvard)

Resultados de HarvardResultados de Harvard

Lorenzo et. al. Am. J. Phys. 74, 118 (2006)

CU: Mejoras de conocimientoCU: Mejoras de conocimiento

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

IE 1 IE 2

Av

g.

No

rma

lize

d G

ain

Females Males

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 <= S <= 12 12 < S <= 18 18 < S <= 27 27 < S <= 45 45 < S <= 100

FMCE Pretest score (%)

Avg

. F

MC

E P

ostt

est

sco

re (

%)

Females Males

Matched Analysis – Post TestMatched Analysis – Post Test

rpre,post = 0.562

37% 19%

8% 22%

21% 16%

14% 22%20% 21%

NotasNotasParticipation Homework Exams Course

GPA

<S>M - <S>F-5.6 *(0.9)

-4.5 *(0.8)

4.5 *(0.6)

0.11 *(0.04)

Range -8.1 , -3 -7.6 , -2 3.3 , 6.3 0.04 , 0.17

• 7 semestres, N ~ 3600• Diferencias medias en %, menos GPA• Las diferencias se compensan

L.Kost, S.J.Pollock, N.D. Finkelstein, “Characterizing the Gender Gap in Introductory Physics,”(in press) Physical Review, ST: PER

Diferencia entre génerosDiferencia entre géneros-18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0

Overall

All Categories

Personal Interest

Real World

PS General

PS Confidence

PS Sophistication

Sense-making

Conceptual

Applied Conceptual

CLASS Favorable Shifts (%)

Females

Males

F M64 6664 6662 7072 7470 7269 7455 6072 7263 6250 52

Pre Scores:

Resultados del estudio de géneroResultados del estudio de género

• A pesar de técnicas de PER, la diferencia entregéneros continua

• Harvard describe resultados independiente delinstructor, pero nosotros no observamos eso.

• Técnicas de PER son necesarias, pero no sonsuficientes

• A pesar de técnicas de PER, la diferencia entregéneros continua

• Harvard describe resultados independiente delinstructor, pero nosotros no observamos eso.

• Técnicas de PER son necesarias, pero no sonsuficientes

S.J. Pollock, N.D. Finkelstein, L.Kost, “On reducing the gender gap in the physicsclassroom,” (2008) Physical Review, ST: PER

L.Kost, S.J.Pollock, N.D. Finkelstein, “Characterizing the Gender Gap in IntroductoryPhysics,” (in press) Physical Review, ST: PER

Aprendiendo a través de laenseñanza:

El cuento del “LA”

Aprendiendo a través de laenseñanza:

El cuento del “LA”

Aprendizajepara LAs y TAs

Aprendizajepara LAs y TAs

N=31

N=20

(N=200+)

0 20 40 60 80 100

Teaching

Assistants (1st

time)

Learning

Assistants

Enrolled Students

post pre

LAs leave at incoming TA level!

Impactos duraderos(preliminarios)

Estudios longitudinales

Impactos duraderos(preliminarios)

Estudios longitudinales

LongitudinalLongitudinal

Despues de acabar “E&M” 1 o 2. (segunda division)(Solo estudiantes que tomaron intro sin Tutorials)

Puntuación de carreras avanzadas de BEMA

S. Pollock, 2007 PERC Proc. 951, p.172


AZULAZUL: estudiantes que tomaronsu primer “E&M” con Tutorials




Amarillo: estudiantes que trabajaroncomo LAs de “E&M”


(3.1 ±.1) (3.0 ±.1)

(3.3 ±.1)(3.2)Grade in course

Grads


Fuerte indicadión:el CONTEXTO importa

Fuerte indicadión:el CONTEXTO importa

participación interactiva esimportante

lo que ya sabemos afecta loque aprendemos

contextos afectan lo queaprenden los estudiantes(contenido y creencias)

enseñar es aprender

ConclusionesConclusiones• Educación es una actividad investigable

– Podemos hacer progreso sistemáticamente– Es esencial incluir físicos

• Es posible alcanzar resultados impresionantes yreproducibles

• Modelo de CU fuertemente combina:– Reforma y investigación– Educación y física

• Sostener y Escalar reformas es posible– Requiere esquema teorética– Tanto CONTENIDO como CONTEXTO importan

• Educación es una actividad investigable– Podemos hacer progreso sistemáticamente– Es esencial incluir físicos




ConclusionesConclusiones• Educación es una actividad investigable

– Podemos hacer progreso sistemáticamente– Es esencial incluir físicos




• Educación es una actividad investigable– Podemos hacer progreso sistemáticamente– Es esencial incluir físicos




No hablamos de nuestraenseñanza, hablamos delaprendizaje de nuestros

estudiantes.

FinFin

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