Gender differences in conceptual understanding of Newtonian mechanics: a UK cross-institution comparison
我们目前的联合研究结果，从三所英国大学，我们调查的存在和持久性的性能性别差距的概念理解的牛顿力学。使用原力概念量表，我们发现，在所有三所大学的学生表现出统计上显着的性别差距，男性优于女性。这种差距缩小，但没有消除教学后，使用各种教学方法。此外，我们发现，在指导前，诊断仪器上性能最低的四分位数占总女性队列的比例不成比例地高（约50%）。这些学生中的大多数仍然处于教学后表现最差的四分位数。对个别项目的答复分析表明，男生在该仪器上几乎所有项目上的成绩都超过女生。比较同一组学生在期末考试中的表现，我们没有发现统计上的显著性别差距。
2012-11-16 physics.ed-ph
Validation and Administration of a Conceptual Survey on the Formalism and Postulates of Quantum Mechanics
我们开发并验证了一个概念性的调查，侧重于形式主义和假设的量子力学涵盖在上层本科量子力学课程。包括在量子力学形式主义和公设调查（QMFPS）的概念集中在狄拉克符号，希尔伯特空间，状态矢量，物理观测值及其相应的厄米特算子，兼容和不兼容的观测值，量子测量，时间依赖的量子态和期望值，和自旋角动量。在这里，我们描述的验证和管理的调查，这已被管理到400多个高层次的本科生和研究生从六个机构。QMFPS是有效和可靠的，作为一个低风险的测试，以衡量教学的有效性，在本科量子力学课程，涵盖相关内容。该调查也可以用于教师，以确定学生的理解的形式主义和假设的量子力学在开始和结束的研究生量子力学课程，因为研究生预计已经采取了本科量子力学课程，包括在调查中的内容。我们发现，从事研究验证的学习工具的本科生表现优于学生谁没有在QMFPS后的初级/高级量子力学课程的第一学期。此外，研究生在核心研究生水平的量子力学课程的第一学期的教学后，在QMFPS上的表现明显优于本科生在本科量子力学课程的第一学期结束时的表现。与基线数据的比较，验证QMFPS这里可以帮助教师评估他们的教学方法的有效性。
2020-06-07 physics.ed-ph
Development and validation of a conceptual multiple-choice survey instrument to assess student understanding of introductory thermodynamics
本文开发并验证了STPFaSL-Long概念性选择题工具，通过拆分短版题目并去除选项中嵌入的替代概念，在多种教学情境下评估入门热力学学生的概念理解。
2024-08-01 physics.ed-ph
Using conceptual metaphor and functional grammar to explore how language used in physics affects student learning
本文介绍了一种关于语言在物理学习中的作用的理论。该理论是在物理学学生和物理学家关于量子力学的讨论和写作的背景下发展起来的。我们发现物理学家的语言通过语法和概念隐喻的使用编码了不同种类的类比模型。我们假设学生根据物理学家语言的语法结构将概念归类为本体论类别。我们还假设学生在物理学家的演讲和写作中过度延伸和误用概念隐喻。使用我们的理论，我们将展示在某些情况下，我们如何将学生在量子力学中的困难解释为语言困难。
2007-04-10 physics.ed-ph
Implementing an intrinsically integrated game on Newtonian mechanics in the classroom: outcomes in terms of conceptual understanding and transfer
本文通过案例研究评估了围绕牛顿力学游戏Newtons Race设计的课堂，发现该课能显著提升概念理解与迁移，且学生多数表述科学正确。
2023-07-04 physics.ed-ph
Focus on conceptual ideas in quantum mechanics for teacher training
本文针对教师培训中的量子力学教学，提出了通过案例研究活动和思想实验系统建立叠加、纠缠等核心概念基础的策略，并强调了计算机动画在辅助教学中的重要作用。
2023-05-01 physics.ed-ph quant-ph
Graduate Quantum Mechanics Reform
我们解决了四个主要领域，研究生量子力学教育可以改善：课程内容，教材，教学方法和评估工具。我们在科罗拉多矿业学院进行了为期三年的纵向研究，在所有这些领域进行了创新。特别是，我们已经修改了课程的内容，以反映在该领域的进展，在过去的50年，使用教科书，包括这些内容，纳入了各种教学技术的基础上物理教育研究，并使用各种评估工具来研究这些改革的有效性。我们提出了一个新的评估工具，研究生量子力学概念调查，并进一步测试以前开发的评估工具，量子力学概念调查。我们发现，研究生反应良好，以研究为基础的技术，主要是在入门课程进行了测试，他们学习的新内容介绍了在每个版本的课程。我们还发现，学生回答研究生量子力学概念问题的能力与他们解决相同主题的计算问题的能力高度相关。与此相反，我们发现，学生的理解基本的本科量子力学概念在现代物理水平并没有提高教学在研究生水平。
2009-01-23 physics.ed-ph
Development and Uses of Upper-division Conceptual Assessment
使用经过验证的概念评估以及更多的标准课程考试已经成为许多物理系入门课程的标准做法。这些评估为某些学习目标提供了更标准的衡量标准，允许对教师，学期和机构之间的学生学习进行比较。科罗拉多大学博尔德分校的研究人员已经开发了几个类似的评估，旨在针对高级经典力学、静电学、量子力学和电动力学等更高级的物理内容。在这里，我们综合了现有的研究，我们的上级部门的评估，并讨论了一些障碍和挑战与开发，验证和实施这些评估，以及我们用来克服这些障碍的一些策略。
2014-10-14 physics.ed-ph
Students' epistemological framing in quantum mechanics problem solving
学生在量子力学方面的困难可能是由于非生产性的框架，而不是根本无法解决问题或对物理内容的误解。我们观察了一组学生在高年级物理课上解决量子力学问题。使用认识论框架的镜头，我们研究了我们的观测数据中的四个框架：算法数学，概念数学，算法物理和概念物理。我们讨论了每个框架的特点以及不同框架之间转换的原因，认为只要学生在框架之间适当地转换，任何框架都可能产生生产性问题解决。我们的工作扩展了认识论的框架理论，学生如何在高年级物理课程框架的讨论。
2017-06-14 physics.ed-ph
Insights into teaching quantum mechanics in secondary and lower undergraduate education
本文对当前大学本科教育中量子力学教学的研究现状进行了综述。量子力学的概念方法正在世界各地越来越多的物理学入门课程中实施。由于量子力学和经典物理学的概念性质之间的差异，需要对量子力学入门的误解、测试和教学策略进行研究。在这篇综述中，74篇文章被选中，并分析了研究的误解，研究工具，教学策略和多媒体应用。结果根据他们对量子力学各个子课题的贡献进行了分类。分析表明，学生们很难将量子物理学与物理现实联系起来。它还表明，复杂的量子行为，如时间依赖性，叠加和测量问题的教学，几乎没有调查的中学和大学本科水平。在中学一级，这一审查表明，有必要调查学生的困难有关波函数和潜在的井。研究工具的调查表明，有必要为中等和本科以下教育的评估工具，它涵盖了所有主要的主题，并适合于统计分析的发展。此外，这篇评论表明，存在着非常不同的想法，关于教学策略的量子力学和缺乏研究的战略促进理解。这篇评论强调了需要更多的实证研究到学生的困难，教学策略，活动和研究工具的概念方法为量子力学。
2017-02-17 physics.ed-ph
Surveying students' understanding of quantum mechanics in one spatial dimension
我们探讨了高年级本科生和研究生在一维空间单粒子非相对论性量子力学中遇到的困难。为了调查这些困难，我们开发了一项概念调查，并对10所机构的200多名学生进行了调查。调查中针对的问题包括一组可能的波函数，束缚态和散射态，量子测量，期望值，哈密顿量的作用，以及波函数和期望值的时间依赖性。我们发现，本科生和研究生有许多共同的困难，这些概念和研究为基础的教程和同行指导工具，可以显着减少这些困难。研究结果还表明，研究生量子力学课程可能无法有效地帮助学生更好地理解这些主题的概念理解，部分原因是这些课程主要侧重于定量评估。
2016-02-17 physics.ed-ph
Development of a Conceptual Framework for Knowledge Integration in Learning Newton's Third Law
牛顿第三定律是力学入门课程早期学习的最重要的概念之一;然而，大量的研究已经证明了学生对这个概念的广泛误解和支离破碎的理解，这些概念很难通过传统的教学来改变。本研究从知识整合的观点，发展概念架构模式，以探讨学生对牛顿第三定律的理解。概念框架的建立与一个中心思想，强调力的相互作用的结果，而不是使用共同的行动反应的语言。后续研究将在评估和教学中应用这一概念框架。
2021-04-13 physics.ed-ph
Development, validation and in-class evaluation of a sequence of clicker questions on Larmor precession of spin in quantum mechanics
让学生参与设计良好的点击器问题是物理课程中常用的研究性教学策略之一，部分原因是它的实施门槛相对较低。此外，经过验证的强有力的序列的点击问题可能会提供更好的脚手架支持和指导，以帮助学生建立一个良好的知识结构的物理比一个单独的点击问题在一个特定的主题。在这里，我们讨论的开发，验证和课堂上实施的点击器问题序列（CQS），以帮助高年级本科生了解旋转的拉莫尔旋进，它利用了学习目标和基于探究的指导学习序列，在以前验证的量子互动学习模式（QuILT）。通过比较传统的以讲座为基础的教学和参与CQS后的高水平本科生的表现，讨论了使用同伴教学的CQS的课堂评价。
2020-06-07 physics.ed-ph
Development and validation of a sequence of clicker questions for helping students learn addition of angular momentum in quantum mechanics
让学生参与精心设计的点击器问题是物理课程中常用的研究型教学策略之一，部分原因是它的实施障碍相对较低[1]。此外，经过验证的强有力的序列的点击问题可能会提供更好的脚手架支持和指导，以帮助学生建立一个良好的知识结构的物理比一个单独的点击问题在一个特定的主题。在这里，我们讨论的开发，验证和课堂上实施的点击器问题序列（CQS），以帮助高年级本科生学习角动量的添加，它利用了学习目标和基于探究的指导学习序列在以前验证的量子交互式学习模式（QuILT）。在课堂上使用同伴教学的CQS评价进行了讨论，通过比较高层次的本科生的表现后，从事与CQS与以前公布的数据，从QuILT有关这些概念。
2020-06-09 physics.ed-ph
Assessing Large Language Models in Mechanical Engineering Education: A Study on Mechanics-Focused Conceptual Understanding
University of Georgia（佐治亚大学）；Tongji University（同济大学）
该研究用126道力学多选题评估GPT-3.5、GPT-4和Claude-2.1，发现GPT-4总体优于其他模型及人类群体，解释型提示能显著提升表现。
2024-01-13 cs.AI cs.CL physics.ed-ph
Evaluation of a deliberate-practice informed supplemental intervention in graduate Quantum Mechanics
本研究为研究生量子力学课程设计了一项基于刻意练习理念的补充干预措施，以支持学生在有限信息下进行决策，结果显示干预后学生问题解决技能未见统计学显著改善，但概念理解有所提升。
2025-08-13 physics.ed-ph quant-ph
Surveying Students' Understanding of Quantum Mechanics
针对特定物理主题的概念性多项选择题的开发对于设计研究性学习工具以降低难度具有重要意义。探讨了高年级本科生和研究生在一维空间单粒子非相对论性量子力学学习中遇到的困难。我们开发了一个以研究为基础的概念性多项选择调查，针对这些问题，以获得有关共同困难的信息，并将其管理到来自七个不同机构的一百多名学生。调查中针对的问题包括可能的波函数，束缚态和散射态，量子测量，期望值，哈密顿量的作用，波函数的时间依赖性和期望值的时间依赖性。我们发现，高年级本科生和研究生有许多共同的困难，这些概念和研究为基础的教程和同行指导工具，可以显着减少这些困难。该调查可用于评估各种指导性策略的有效性。
2016-02-19 physics.ed-ph
Student difficulties with determining expectation values in quantum mechanics
可观测量的期望值是量子力学中的一个重要概念。然而，高水平的本科生和研究生在物理学中有概念和程序上的困难时，确定物理观测值的期望值，特别是当使用狄拉克符号。为了调查这些困难，我们管理的自由回答和多项选择题，并与学生进行个别访谈。在这里，我们讨论的数据分析学生的困难时，确定期望值。
2017-01-05 physics.ed-ph
An extensive Study of Teaching / Learning Quantum Mechanics in College
量子物理学被认为是当代物理学中最引人注目的发现之一，它在上个世纪发展起来，并逐渐在科学界得到体现，如激光、晶体管、电子显微镜和半导体的发明。从K-12级开始的国家科学教育标准（NSES）以及许多州的科学标准（Gossard，2000）都强调了物理科学的教学。本研究的目的是调查前瞻性阐明最常见的学习困难，不足的教学策略和其他重大的教学或概念问题，理工科大学生在高级和/或初级水平的量子物理教学过程中遇到的。虽然在目前的研究中，量子物理学的学习和教学的概念问题得到了解决，我主要集中在教师的教学方法，以及课堂环境应该如何运作的考虑。关键词：量子物理，科学教育，教与学科学。
2010-02-26 physics.ed-ph
Applying Cognitive Diagnostic Models to Mechanics Concept Inventories
本研究为开发力学认知诊断评估，基于教师学习目标构建四种技能的学生模型，并用DINA模型在19,889名学生数据上验证，结果表明模型拟合良好，为后续题库建设奠定基础。
2025-01-25 physics.ed-ph
Exploring the Structure of Misconceptions in the Force and Motion Conceptual Evaluation with Modified Module Analysis
调查学生对概念物理的学习和理解是物理教育研究的一个主要研究领域。常用的力学概念量表有多种定量分析方法：力概念量表（FCI）和力与运动概念评价（FMCE）。最近，研究人员应用网络分析技术来探索对FCI的不正确反应的结构，以识别可以映射到常见误解的不正确反应社区。在本研究中，用于分析FCI的方法，修正模块分析（MMA），适用于大样本的FMCE前测和后测的反应（$N_{pre}=3956$，$N_{post}=3719$）。社区的不正确的反应，确定与项目组在以前的作品中描述的是一致的。与FCI的工作一样，网络被简化，只保留了大量学生选择的节点。由20%的学生选择的保留节点产生的社区仅与四个误解相关。为男性和女性确定的不正确反应社区有很大的不同，这些社区从测试前到测试后的变化也是如此。20%的阈值远比在产生类似结构的先前工作中应用于FCI的4%阈值更严格。保留由5%或10%的学生选择的节点产生了大量的复杂社区。在10\%的阈值确定的社区通常与常见的误解产生一个更丰富的不正确的社区比FCI;这可能表明，FMCE是一个优越的工具，用于表征学生对牛顿力学的误解的广度。
2020-01-03 physics.ed-ph
Cognitive Issues in Learning Advanced Physics: An Example from Quantum Mechanics
我们正在研究学习量子力学中的认知问题，以开发有效的教学和学习工具。认知问题的分析对于弥合量子力学的定量和概念方面之间的差距以及确保学习工具帮助学生建立强大的知识结构尤为重要。我们讨论的认知方面的量子力学是相似或不同的入门物理和他们的影响，发展战略，以帮助学生发展一个很好的把握量子力学。
2016-02-17 physics.ed-ph
Interactive learning tutorials on quantum mechanics
我们讨论了适合于量子力学本科课程的量子交互学习教程（Quilts）的开发和评价。Quilts基于对学生学习量子物理困难的调查。他们利用基于计算机的可视化工具，并帮助学生建立量子物理学的形式和概念方面之间的联系，而不影响技术内容。它们既可以作为讲座的补充，也可以作为自学工具。
2016-03-10 physics.ed-ph
Student responses to a modified Force Concept Inventory: The Newtonian Mechanics Quiz
School of Physical Sciences, The Open University（开放大学物理科学学院）
本文开发了FCI的改进版NMQ，通过融入多形式后续问题及对应新颖分析，深入探查学生对牛顿定律的概念理解，解决FCI响应选项有限等问题。
2026-09-03 physics.ed-ph
Investigating graduate student reasoning on a conceptual entropy questionnaire
学生在高年级热物理学的学习还没有被研究到与电磁学和量子力学等其他课程相同的程度。研究生阶段的推理和学习的研究甚至更有限。在这项研究中，我们进行了有声思维访谈8名研究生涉及的问题围绕着一组熵相关的概念任务，其中两个是类似的任务，在其他研究中提出给本科生。我们讨论学生对每个问题的推理模式，然后讨论出现在问题中的主题。我们确定的概念资源，学生经常使用的原因面试任务，并将它们与以前的工作。我们观察到研究生通常认为熵与许多状态的关系，即使在这种联系并不直接相关的情况下。研究生也经常把熵和温度直接联系起来，尽管这两个量之间没有普遍的、明确的关系。总体而言，研究生在熵的推理方法中表现出了适应性和元认知意识。
2021-05-27 physics.ed-ph
