Lessons from a Large-Scale Assessment: Results from Conceptual Inventories
我们报告的概念库存结果的一个大规模的评估项目在一所大型大学。我们研究了一种尝试，在引入材料和教学方法告知物理教育研究（PER知情材料）到一个部门，大多数指令一直是传统的和一个显着数量的教师是犹豫，矛盾，甚至阻力有关引进这种改革。这些变化是在实验室和背诵部分的介绍类，微积分为基础的和代数为基础的，引入PER知情的材料和培训的教学助理以学生为中心的教学方法。除了发现在大型讲座类的结果，我们提出了一个小PER知情，调查为基础的，实验室为基础的类，已被教导作为一个特殊的部分，基于代数的课程约10年的结果。本文中报告的评估是使用现有的PER开发的评估工具完成的。项目中使用的其他评估工具的结果，如自由反应前和后测试，在随后的文件中报告。在本文中的结果通知研究人员在PER的使用PER知情的材料和教学方法在一个部门不统一的介绍和实施这些材料和实施的结果评估PER为基础的概念库存。我们发现，我们的概念库存分数低于许多其他文献报道的结果。然而，我们确实看到了一个统计上显着增加的概念库存分数与实施PER通知实验室和使用以学生为中心的教学法在实验室和背诵。如果讲师也使用PER信息材料，则增加的幅度更大。
2013-12-20 physics.ed-ph
A longitudinal study of student conceptual understanding in Electricity and Magnetism
我们调查了以学生为中心的教学在大一水平上对大三学生的表现的长期影响，对电和磁（E&M）的概念调查。我们测量了学生的表现在一个研究为基础的概念工具-简短的电力和磁性评估（BEMA）-在8个学期（2004-2007）。与此同时，我们引入了华盛顿大学的物理入门课程，作为我们标准的新生课程的一部分。大一学生在这门基于辅导的入门课程之前和之后参加了BEMA，大三学生在完成传统的初级E&M I和E&M II课程后参加了BEMA。我们发现，平均而言，个人BEMA成绩并没有显着变化后，完成了入门课程-既不是从大一到大三，也不是从高年级E&M I到E&M II。然而，我们发现，大三学生谁已经完成了一个non-professional大一课程得分显着低于（后高年级）BEMA比那些谁已经完成了改革的大一课程-表明一个长期的积极影响，大一Tuesday的概念理解。
2009-07-31 physics.ed-ph
Faculty survey on upper-division thermal physics content coverage
热物理是大多数物理学位的核心课程要求，包括热力学和统计力学的内容。然而，热物理课程的主要内容焦点因大学而异。这种变化可能会使热物理学的材料或评估工具的创建变得困难。为了确定各机构热物理课程的范围和内容的可变性，我们向140多个机构分发了一份调查，以确定教授上层热力学和/或统计力学的教师和教师的内容优先级。我们提出了调查结果，其中突出了各机构热物理内容覆盖的关键相似性和差异。虽然我们看到内容覆盖范围的变化，但我们发现所有受访者在他们的高年级热物理课程中涵盖了9个关键主题领域。我们讨论了这些研究结果的影响，对最广泛的机构和物理教师有用的教学工具和评估的发展。
2019-11-24 physics.ed-ph
Validating Light Phenomena Conceptual Assessment Through The Lens of CTT and IRT Frameworks
本研究首次通过统计比较CTT和IRT框架验证光现象概念评估（LPCA）的测量有效性，结果支持LPCA在广泛学生能力范围内评估概念理解，并讨论了问题项目的改进。
2023-12-26 physics.ed-ph
Research-Based Course Materials and Assessments for Upper-Division Electrodynamics (E&M II)
科罗拉多大学博尔德分校正在进行的关于初级静电学（E&M I）学生学习的研究取得了良好的成果，这使我们将这项工作扩展到了高级电动力学（E&M II）。我们在这里描述了我们的一套研究为基础的教学材料，旨在积极参与学生在讲座（包括点击问题和其他课堂活动）的发展;和一个工具，用于评估我们的教师共识的学习目标是否得到满足。我们还讨论了我们的改造课程，计划的传播和进一步完善这些材料的几个最近实施的初步结果，并提供了一些见解到学生的困难，在先进的本科电磁学。
2012-08-26 physics.class-ph physics.ed-ph
Student behavior and test security in online conceptual assessment
从历史上看，基于研究的评估（RBA）的实施一直是物理学教育变革的驱动力，并有助于激励采用互动参与式教学法。直到最近，RBA只在纸上和课堂上给学生;然而，这种方法有重要的缺点，包括分散的数据收集和需要牺牲上课时间。最近，一些区域办事处已转移到在线平台，以解决这些限制。然而，在线RBA提出了新的问题，如学生参与率，考试安全性和学生使用外部资源。在这里，我们报告了一项针对这些问题的试点研究。我们为五所机构的课程提供了两个高年级的RBA; RBA是在线托管的，并以嵌入式JavaScript代码为特色，这些代码收集了有关学生行为的信息（例如，复制文本、打印）。有了这些数据，我们研究了这些行为的流行程度，以及它们与学生成绩的相关性，以确定在线和纸质的RBA是否具有可比性。我们发现，浏览器失去焦点是最常见的在线行为，而复制和打印事件较少。我们发现，这些在线行为与学生成绩之间没有统计学显著相关性。我们还发现，当RBA在线提供时，我们的高级别人群的参与率上升了。这些结果表明，对于我们的高年级学生来说，这些RBA的在线管理分数与课堂版本相当。
2019-12-11 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
Validation and analysis of the coupled multiple response Colorado upper-division electrostatics (CUE) diagnostic
标准化的概念评估是一个广泛使用的工具，教育研究人员有兴趣在标准的本科物理课程的学生学习。例如，这些评估通常用于衡量学生在教育环境和教学策略中的学习情况。然而，为了支持跨机构测试所需的大规模实施，这些工具必须具有便于评分的问题格式。之前，我们创建了一个现有的，经过验证的，上师静电诊断的多响应版本，目的是增加仪器的大规模实施的潜力。在这里，我们报告的有效性和可靠性，这个新版本作为一个独立的工具。这些研究结果建立了多重响应版本的有效性，测量多个测试统计，包括项目难度，项目歧视，和内部一致性。此外，我们表明，大多数学生的反应，新版本是内部一致的，即使他们是不正确的，并提供了一个例子，如何使用新的格式可以用来深入了解学生的困难与具体内容的静电。
2015-07-14 physics.ed-ph
Revealing Differences Between Curricula Using the Colorado Upper-Division Electrostatics Diagnostic
科罗拉多州上师静电（CUE）诊断是科罗拉多大学博尔德分校（CU）课程改革的一部分。它的目的是评估概念学习在上层司电和磁（E&M）。使用CUE，我们一直在记录学生的E&M的理解在俄勒冈州立大学（OSU）超过5年。我们的分析表明，CUE确定的概念，一般是困难的学生，无论课程。俄勒冈州立大学学生成绩的总体模式再现了Chasteen等人在CU报告的模式。然而，我们将讨论一些重要的分歧。特别是，我们的学生与涉及分离变量和边界条件的CUE问题作斗争。我们将讨论可能的原因，以及可能纠正这种情况的步骤。
2017-09-19 physics.ed-ph
AI-based scoring systematically underestimates conceptual understanding of linguistically weak students' explanations in physics
Leibniz Institute for Science and Mathematics Education（莱布尼茨科学与数学教育研究所）
该研究发现，所有AI评分方法均存在低估语言薄弱学生物理解释中概念理解的语言偏见，类似物理教师的相关偏见，多语言学习者受影响最大。
2026-09-29 physics.ed-ph
Comparing student performance on a multi-attempt asynchronous assessment to a single-attempt synchronous assessment in introductory level physics
本研究通过大型同构问题库，比较多次尝试异步测验与单次尝试同步考试在入门物理中的表现，发现概念问题在五次尝试时可替代考试，而数值问题关联较弱。
2024-07-21 physics.ed-ph
Investigating students' behavior and performance in online conceptual assessment
从历史上看，基于研究的评估（RBA）的实施一直是物理学教育变革的驱动力，并有助于激励采用互动参与式教学法。直到最近，RBA只在纸上和课堂上给学生;然而，这种方法有重要的缺点，包括分散的数据收集和需要牺牲上课时间。最近，一些区域办事处已转移到在线平台，以解决这些限制。然而，在线RBA提出了新的问题，如学生参与率，考试安全性和学生使用外部资源。在这里，我们报告一项研究，解决这些问题，在高年级和低年级的本科物理课程。我们为五个机构的课程提供了RBA; RBA是在线托管的，并以嵌入式JavaScript代码为特色，这些代码收集了有关学生行为的信息（例如，复制文本、打印）。有了这些数据，我们研究了这些行为的流行程度，以及它们与学生成绩的相关性，以确定在线和纸质的RBA是否具有可比性。我们发现，浏览器的焦点丢失是最常见的在线行为，而复制和打印事件是罕见的。我们发现，这些行为和学生的表现之间的相关性显着不同的入门级和高年级学生群体，特别是关于学生复制文本，以利用互联网资源的影响。然而，虽然大多数学生参与了一个或多个有针对性的在线行为，但我们发现，对于我们的样本，这些行为都没有导致人口平均表现的显著变化，这将威胁到我们解释这种表现或将其与RBA的纸质实现进行比较的能力。
2019-08-16 physics.ed-ph
Student and instructor framing in upper-division physics
高年级物理系的学生花很多时间解决问题。除了他们的基本技能和背景，他们的认知框架可以形成他们从这些问题中学习物理的能力的重要组成部分。鼓励学生走向生产性框架可能会帮助他们解决问题。因此，教师应该了解学生如何构建问题的细节，并了解她与学生的互动将如何影响该框架。在本研究中，我们调查了学生在数学应用于物理问题解决情境中的认知框架。为了分析框架和框架的变化，我们开发和使用一个双轴框架，涉及概念和算法的物理和mathemats.We检查学生和教师的框架和这些框架的相互作用在一个高年级的电磁场课程的一系列问题。在互动中，学生和教师通常遵循彼此的框架引导。
2019-05-21 physics.ed-ph
Lessons from a Large-Scale Assessment: Results from Free Response Pre- and Post-testing in Electricity and Magnetism
作为一所大型大学的大规模评估项目的一部分，我们在2010年春季至2011年秋季的四个学期中，对我们的入门课程的复习部分进行了每周一次的前测和每两周一次的后测。后测试作为分级测验进行管理，并开发来评估问题解决，实验室，计算和概念技能，一直在实验室，讲座和背诵课程的教学重点。它们并不全面，但给了我们整个学期学生能力的“快照”。它们与其他形式的评估（如概念清单）一起使用，以使我们更广泛地了解本科生课堂、复习课和实验室的状况。要求学生展示他们的作品并解释他们的推理的书面前测试和后测试产生了与概念清单不同的关于学生技能的信息。在几乎所有的问题上，以探究为基础的课程中的学生都比以微积分和代数为基础的课程中的所有其他学生表现得更好。这项研究表明，调查为基础的学生表现更好的自由回答的问题，需要学生展示他们的工作，并解释他们的推理，即使他们的概念库存分数并没有显着不同的学生在大型讲座部分教物理教育研究知情（PER知情）实验室，复习和讲座，在以前的文件中报告。这表明需要不同的和/或更全面的评估工具，以评估可以跨班级和大学进行比较的介绍性材料和教学技术的有效性。
2014-01-13 physics.ed-ph
Blending of Conceptual Physics and Mathematical Signs
数学是科学的语言。流利和富有成效地使用数学需要一个人理解数学符号，运算符，语法等所体现的含义，这可能是一项艰巨的任务。例如，在代数符号化中，负数和正数根据上下文具有多种含义。在电磁学的语境中，我们运用概念整合理论证明了不同的物理意义，如方向性和位置，可以联想到积极和消极的迹象。有了这些混合物，我们分析了高年级学生的斗争，因为他们的工作与入门级的问题，学生必须采用多个符号在一个数学表达式具有不同的含义。我们把他们的挣扎归因于选择混合物的复杂性，每个符号都有适当的含义，这让我们深入了解学生的代数思维和推理。
2019-09-25 physics.ed-ph
Assessing student reasoning in upper-division electricity and magnetism at Oregon State University
标准化的评估测试，使研究人员能够比较学生在不同课程下的表现是非常可取的。有几个以研究为基础的概念测试，作为评估和确定学生在低年级课程中的困难的工具。然而，在高年级，评估学生的困难是一项更具挑战性的任务。虽然有几个研究小组目前正在研究这种测试，但其可靠性和有效性仍在调查中。我们分析了俄勒冈州立大学的科罗拉多州上师静电诊断的结果，并将其与科罗拉多大学的数据进行了比较。特别是，我们在俄勒冈州立大学的课程中显示出潜在的缺点，关于分离的变量和边界条件，以及发现的弱点的题目的自由反应版本的诊断。我们还表明，诊断可以用来获得有关学生学习的信息，在教学间隙。我们的工作补充和扩展了科罗拉多大学以前的研究结果，突出了学生学习中可能与课程有关的重要差异，照亮了某些问题的题目的困难，并验证了随着时间的推移测试后结果的衰减。
2015-03-25 physics.ed-ph
A Comprehensive Assessment Strategy for Physics Laboratory Courses
物理实验室培训的目标是培养学生与实验物理相关的各种重要的认知和心理运动能力。包括概念理解、程序理解、实验技能和实验问题解决能力。人们注意到，对学生通过实验室课程学习和发展的评估所采用的策略往往与实验室课程的目标不一致。作者开发了一个全面的评估策略，可以在学校，学院和大学一级使用。该策略基于四种评估工具，即概念理解测试、程序理解测试、实验测试和持续评估。四种工具的相对比重取决于实验课程的水平和重点。四个评估工具，关于问题的类型，设计，评分计划，管理的每一个工具已经描述了一些样本问题，每一个评估工具。在印度的一系列实验物理学特别课程中，正在实践这种评估战略，并研究其有效性。此外，还对来自印度各地的大学教师进行了一项调查，以检查对大学中大量学生使用这一战略的可接受性和可行性，大多数参与调查的教师支持使用这一战略。
2013-11-25 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
Assessing Student Learning in Middle-Division Classical Mechanics/Math Methods
可靠和有效的评估介绍物理学一直在推动课程和教学改革，导致改善学生的学习。作为努力的一部分，以系统地提高我们的讲师级经典力学和数学方法课程（CM 1）在CU博尔德，我们正在开发一个工具，以评估学生学习CM 1的概念在上师。科罗拉多经典力学/数学方法仪器（CCMI）建立在教师共识的学习目标和学生困难的系统观察。结果是一个9个问题的开放式后测试，探讨学生学习的前半部分的两个学期的经典力学/数学方法序列。在本文中，我们描述了这个仪器的设计和开发，其验证，并在类中取得的测量在CU博尔德。
2013-06-12 physics.ed-ph
Does transitioning to online classes mid-semester affect conceptual understanding?
力概念量表（FCI）可以作为一种评估工具来衡量一个学生群体的概念增益。FCI使用概念/“误解”透镜，而不是依赖于上下文的角度，如“知识碎片”。在这项研究中，它是给一年级学生（$N=256$学生）前和后力学讲座，在约翰内斯堡大学。从这些结果中，我们研究了南非COVID-19封锁期间从传统课程转向在线课程的影响。总体结果表明，与使用该评估工具的先前研究相比，没有明显的增益差异。与$2019$成绩相比，$2020$学期成绩似乎没有受到很大影响。此外，统计分析还表明，在$95\%$显著性水平上，平均增益存在性别差异，有利于女性（对于配对数据，$N=48$）。
2022-02-07 physics.ed-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
Upper-division student difficulties with the Dirac delta function
狄拉克δ函数是一个标准的数学工具，在本科物理课程中反复出现在多个主题领域，包括静电学和量子力学。虽然狄拉克δ函数经常被引入以简化数学问题，但学生们仍然很难操纵和解释它们。为了表征学生的困难与三角洲功能在上师水平，我们研究了学生的反应，传统的考试问题和标准化的概念评估，并进行了有声思维访谈。我们的分析是由一个分析框架，重点是学生如何激活，构建，执行和反映在物理问题解决的背景下的狄拉克δ函数。在这里，我们专注于学生的困难，使用三角洲函数来表达电荷分布的背景下，初中水平的静电。共同的挑战包括：自发地调用δ函数，使用δ函数将电荷分布的描述转换成数学表达式，对3D或非笛卡尔δ函数表达式进行积分，以及认识到δ函数可以具有单位。我们还简要讨论了这些困难的教学影响。
2015-01-29 physics.ed-ph
Incorporating learning goals about modeling into an upper-division physics laboratory experiment
实施实验室活动涉及学习目标，可用资源，现有课程的反馈，教学的最佳实践以及教学实验室的整体理念之间的复杂相互作用。在我们之前的工作的基础上，描述了整个实验室课程的转变过程，我们现在将注意力转向如何重新设计光的偏振的单个实验室活动，以重新强调一个广泛的学习目标：建模。通过使用这个共同的光学实验室作为一个广泛适用的方法的具体案例研究，我们突出了活动发展的许多方面，并显示如何建模是用来集成复杂的概念和定量推理到实验过程中，通过建模的各个方面：构建模型，预测，解释数据，比较测量与预测，并完善模型。一个重要的成果是一个自然的方式集成到一个实验室活动的分析和讨论系统误差。
2013-11-14 physics.ed-ph
A Model for Incorporating Computation Without Changing the Course: An example from middle-division classical mechanics
如果不使用计算，现代物理学家所做的大部分研究都是不可能的。然而，虽然计算是实践物理学家的重要工具，但物理课程通常没有反映出它的重要性和实用性。为了更紧密地将本科准备与专业实践联系起来，我们将计算教学整合到科罗拉多大学博尔德分校的中级经典力学中。我们的集成模型的教师谁不专门从事计算教学标准物理课程的约束内的工程，把一个强有力的强调{适应性强的课程}。我们的模型包括计算学习目标的构建，与这些目标相一致的计算活动的设计，以及对学生计算流畅性的评估。我们目前的批评，我们的模式，我们的工作，以开发一个有效的和可持续的模式，计算教学的本科课程
2013-11-17 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
Assessing Learning Outcomes in Middle-Division Classical Mechanics: The Colorado Classical Mechanics/Math Methods Instrument
可靠和有效的评估介绍物理学一直在推动课程和教学改革，导致改善学生的学习。作为努力的一部分，以系统地提高我们的讲师级经典力学和数学方法课程（CM 1）在CU博尔德，我们已经开发了一个工具来评估学生学习CM 1的概念在上师。科罗拉多经典力学/数学方法仪器（CCMI）建立在教师共识的学习目标和学生困难的系统观察。结果是一个9个问题的开放式后测试，探讨学生学习的前半部分的两个学期的经典力学/数学方法序列。在本文中，我们描述了这个仪器的设计和开发，它的验证，并在类在CU博尔德和其他地方的测量。
2016-06-10 physics.ed-ph
Using an LLM to Investigate Students' Explanations on Conceptual Physics Questions
Purdue University（普渡大学）
本文利用LLM评估学生对能量与动量概念问题的书面解释，发现其评估结果与人类评分者一致，且能揭示不同错误解释类别，为教学提供更深入的理解。
2025-08-20 physics.ed-ph
Socratic Dialogs and Clicker use in an Upper-Division Mechanics Course
在非入门物理课程中有效使用互动参与的一般问题仍然是开放的。我们提出了一个为期三年的研究，比较不同的方法来讲课在中级力学课程在科罗拉多州矿业学院。在第一年，讲座是相当传统的。在第二年的讲座进行了修改，包括教师和学生之间的苏格拉底对话。在第三年，教师使用个人反应系统和类似同伴教学的教学法。所有其他的课程材料几乎与传统的讲座课程相同。我们目前的结果，从一个新的概念调查，考试和课程评估。我们观察到学生的考试成绩变化不大，因为演讲技巧的变化，虽然学生一致认为点击器是“课程中最好的部分”，他们“学到的最多”。“事实上，当在这门课程中使用点击器时，学生比使用相同方法的CSM入门课程的学生更有可能参与进来。
2015-05-19 physics.ed-ph
Upper-division student difficulties with Separation of Variables
分离变量可以是一个强大的技术来解决许多偏微分方程，出现在物理环境。高年级物理学专业的学生会在多个主题领域遇到这种技术，包括静电学和量子力学。为了更好地了解学生在使用变量分离技术时遇到的困难，我们检查了学生对期中考试问题的回答和标准化的概念评估，并进行了有声思考和解决问题的访谈。我们的分析是由一个分析框架，重点是学生如何激活，构建，执行，并反映在解决物理问题时的变量分离技术。在这里，我们专注于学生的困难与分离的变量作为一种技术来解决拉普拉斯方程在笛卡尔坐标和球坐标的背景下，初中水平的静电。挑战包括：认识到分离变量是适当的工具;回忆/证明分离形式的潜力和需要无限的总和;识别隐含的边界条件;并自发地反映他们的解决方案。此外，在笛卡尔和球面几何中，SoV问题的错误类型和频率通常是不同的。我们也简要地讨论了这些发现对教学的启示。
2015-07-14 physics.ed-ph
Stereotype threat? Effects of inquiring about test takers' gender on conceptual test performance in physics
已经发现，激活刻板印象，例如在测试前表明一个人的性别，通常会以与刻板印象一致的方式改变表现，这种效应称为“刻板印象威胁”。在一项标准化的概念物理评估中，我们发现，与没有提供性别信息的同等组相比，要求考生在参加考试前说明自己的性别并不会降低成绩。尽管在标准化考试中，无论学生是否表明其性别，都存在统计上的显著性别差距，但在学生参加的多项选择期末考试中没有观察到性别差距，其中包括类似主题的定量和概念问题。
2016-01-20 physics.ed-ph
Measuring and modeling physics students' conceptual knowledge structures through term association times
传统的以问题为基础的考试不是评估物理学生概念知识的“结构”或向学生和教师提供诊断性详细反馈的有效工具。我们提出了自由术语条目任务，候选人的评估工具，探索概念之间的联系，在学生的理解一个主题。在这个任务中，学生被给予一个一般的主题区域，并要求在给定的时间内回答尽可能多的主题区域的术语;每个术语输入事件之间的“思考时间”与响应术语一起记录。这项任务是给两个不同的物理导论班的学生做的。反应术语的思考时间被发现与两个概念之间的关联强度相关。此外，从任务的思考时间集显示不同的，有特色的模式，这可能被证明是有价值的学生评估。我们提出了一个定量的动力学模型，称为矩阵行走模型，它是能够匹配的观测数据的许多方面。数据的一个特殊特征--一个明显的“尖峰”叠加在大多数思维时间集的对数正态分布上--并没有被拟合。尖峰，在数据中观察到的其他模式，以及提出的现象学模型都可以从认知理论的基础中受益。
2007-02-14 physics.ed-ph
Investigating students seriousness during selected conceptual inventory surveys
概念清单调查经常用于教育研究，以确定学生的学习需求和评估教学实践。学生们可能不会完全参与这些工具，因为它们的风险很低。本文探讨了可用于估计人口中可能没有认真对待此类调查的学生百分比的测试。这三个严肃性测试是模式识别测试、简单问题测试和不常见答案测试。这三个测试被应用到学生的集合中，这些学生通过力概念量表、电和磁的概念调查或简要电和磁评估进行评估。我们的调查结果进行比较，计算机模拟人口的随机答案。
2019-07-12 physics.ed-ph
A Conceptual Blend Analysis of Physics Quantitative Literacy Reasoning Inventory Items
跨物理背景的数学推理灵活性是入门物理学的理想学习成果，数学世界和物理世界相遇。物理定量素养（PQL）是一组相互关联的技能和思维习惯，支持对物理世界的定量推理。我们目前正在改进和验证的物理定量素养清单（PIQL）评估学生的比例推理，协变推理和物理环境中的符号量推理。在本文中，我们应用概念整合理论分析两个范例PIQL项目，以展示我们如何使用这一理论来帮助开发一种工具，代表了混合推理的特点，在物理专业知识。一个概念整合理论分析允许评估的层次部分正确的推理模式，从而保持潜在的映射出现的数学推理的灵活性，在整个介绍物理序列。
2019-11-05 physics.ed-ph
Assessing Scientific Practices in Physics Paper-based Assessments
呼吁将大学物理导论课程纳入科学实践，需要评估这些转变的有效程度。这种评估应该能够衡量学生将概念上重要的概念与科学家从事的实践相结合的能力。为了设计能够衡量这些能力的评估任务，我们利用了以证据为中心的设计和三维学习评估方案，重点是“使用数学”的科学实践。“我们进行了一对一的视频记录有声思维访谈，以探索学生如何解释这些任务。在本文中，我们阐述了我们的设计过程和学生的反应分析使用ACER（激活-构建-执行-反射）框架。我们的评估任务考察了学生将概念与数学结合起来的能力，而书面解决方案则证明了他们在大部分时间将概念与数学结合起来的能力。这项工作扩展了我们对在入门级将科学实践纳入纸质评估的理解。
2021-06-24 physics.ed-ph
Model-Based Reasoning in the Upper-Division Physics Laboratory: Framework and Initial Results
我们回顾和扩展现有的框架建模，开发一个新的框架，描述了基于模型的推理在上师物理实验室。构建和使用模型是核心科学实践，在K-12和高等教育中获得了极大的关注。虽然建模是一个广泛适用的过程，但在物理教育中，它已优先应用于广泛适用原理的迭代开发（例如，牛顿运动定律（Newton's laws of motion in introduction mechanics）新框架的一个重要特征是，测量工具（除了正在研究的物理系统）进行建模的过程。有声思维访谈被用来完善的框架，并证明其实用性，通过记录的例子，基于模型的推理在实验室。当应用于有声思维访谈时，该框架捕捉和区分学生的基于模型的推理，并有助于确定未来的研究领域。访谈显示了学生如何有效地将建模的相似方面应用于物理系统和测量工具：构建，预测，数据解释，模型限制的识别和修订。最后，我们记录了学生在构建实验系统模型时明确阐述假设的挑战，以及由于学生先前概念理解不足而在模型构建中面临的进一步挑战。建模的角度重新构建了测量工具和仪器的许多看似任意的技术细节，作为真实和引人入胜的科学意义的机会。
2015-02-23 physics.ed-ph
Assessing student learning in quantum computing: Lessons from developing a test item on phase kickback
California State University San Marcos（圣马科斯加州州立大学）；George Mason University（乔治梅森大学）；University of Colorado Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）；California State University Fullerton（富勒顿加州州立大学）
本文通过量子计算概念调查中的第15题，揭示学生在量子计算中的思维现象，并警示单选题评估学生思维的局限性。
2026-08-18 physics.ed-ph
Perspectives of Women and Men Students and Faculty on Conceptual and Quantitative Problem-Solving in Physics from Introductory to Graduate Levels
Department of Physics & Astronomy, University of Pittsburgh（匹兹堡大学物理与天文学系）
研究探讨了不同层次物理教学中学生和教师对概念性和定量问题解决的优先级及一致性。
2025-12-10 physics.ed-ph
Developing Peer Instruction questions for quantitative problems for an upper-division astronomy course
几十年的研究表明，学生在利用主动学习的课堂上比在传统的只讲课的课堂上学到更多。积极学习还可以缩小不同人口群体之间经常存在的成绩差距。鉴于这些公认的结果，高年级天文学课程的教师可能会决定搜索天文学教育研究文献，希望找到一些关于学生常见困难的指导，以及经过研究验证和基于研究的主动学习课程。但他们的搜索将是徒劳的。目前关于高等天文学的文献基本上不存在。这是一个耻辱，因为许多高年级天文学学生将经历概念和解决问题的困难与他们遇到的定量问题。即使学生有很强的数学背景，这些困难也可能存在。在本文中，我研究了一个定量的问题，这是代表那些高年级天文学的学生预计要解决。我列出了许多微妙的信息片段，学生需要了解，以推进对一个解决方案，我描述了这样的列表如何可以用来生成同伴教学（PI）的问题。我还为希望开发和实施自己的PI问题的教师提供了指导方针。这些PI问题可用于增加在高级天文学课程中发生的主动学习量。它们有助于培养学生对符号和数学表示的理解，并有助于提高学生解决问题的能力。
2019-10-30 astro-ph.GA physics.ed-ph
Re-thinking the Rubric for Grading the CUE: The Superposition Principle
虽然电磁学（E&M）的研究已经进行了几十年，但高级部门的研究相对较新。科罗拉多大学开发了科罗拉多州高年级静电（CUE）诊断测试学生的理解的内容的高年级E&M课程的第一学期。虽然CUE上的问题以适当的方式涵盖了许多学习目标，但我们认为CUE的标题特别符合科罗拉多大学的主题和教学方法。我们建议，对规则的修改将允许更好地评估更广泛的教学计划。作为一个例子，我们强调一个问题，从CUE涉及叠加原理。使用俄勒冈州立大学和科罗拉多大学的数据，我们讨论了目前的标题的局限性，使用不同的分析方案比较结果，并讨论了评估学生的理解的影响。
2017-09-19 physics.ed-ph
Probing physics students' conceptual knowledge structures through term association
传统的物理测验不能有效地诊断学生物理知识的内容和结构。作为一种可能的替代方案，一组术语关联任务（“ConMap”任务）的开发，以探索学生的概念知识的存储内的互连。这些任务让学生自发地对一个术语或问题或主题领域做出反应，并有一系列相关的术语;反应术语和输入时间数据被捕获。这些任务在物理导论学生身上进行了尝试，初步调查表明，这些任务能够引出关于他们知识结构的信息。具体来说，通过任务收集的数据类似于手绘概念图任务产生的数据，具有与课堂考试表现相关的测量值，并且对课堂上主题覆盖所产生的学习敏感。虽然结果是初步的，只是建议，任务值得进一步研究的学生知识评估工具和认知建模工作的实验数据来源。
2005-08-18 physics.ed-ph
Measuring student understanding in quantum computing: Development and validation of the Quantum Computing Conceptual Survey
California State University San Marcos（圣马科斯加州州立大学）；George Mason University（乔治梅森大学）；University of Colorado Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）；California State University Fullerton（富尔顿加州州立大学）
该研究针对量子信息科学领域缺乏合适测评工具的问题，开发并验证了量子计算概念调查问卷，可用于测评学生量子计算概念理解，支持教学与教育研究。
2026-08-17 physics.ed-ph
Characterizing lab instructors' self-reported learning goals to inform development of an experimental modeling skills assessment
开发，使用和完善实验系统模型的能力是本科物理实验室课程的国家认可的学习成果。然而，没有评估学生的基于模型的推理存在高年级实验室。这项研究是光学和电子实验室的建模评估发展的第一步。为了确定在许多机构环境中可能相关的测试目标，我们采访了35名实验室教师，了解他们将建模纳入课程学习目标和活动的方式。研究设计是由实验物理建模框架通知。该框架将建模概念化为由多个子任务组成：进行测量，构建系统模型，将数据与预测进行比较，提出差异原因，并对模型或设备进行修订。我们发现，每个建模子任务被多个教师确定为他们课程的重要学习成果。基于这些结果，我们认为，测试的目标应该包括探索学生的能力与大多数建模子任务，测试项目的设计，应该引起学生的理由，选择特定的建模路径。除了讨论这些和其他评估的影响，我们还确定了未来的研究领域，在光学和电子实验室建模的作用。
2018-10-17 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
Multi-institutional assessment of Peer Instruction implementation and impacts using the Framework for Interactive Learning in Lectures
Drexel University（德雷塞尔大学）；Michigan State University（密歇根州立大学）；Cornell University（康奈尔大学）；University of Copenhagen（哥本哈根大学）
研究通过多机构数据评估Peer Instruction实施差异及其对学生学习的影响，采用FILL+框架分析互动策略与学习增益的关系。
2025-08-11 physics.ed-ph
Alternative model for the administration and analysis of research-based assessments
基于研究的评估是一个有价值的工具，为教师和研究人员有兴趣提高本科物理教育。然而，传播和宣传的概念和态度的评估开发的物理教育研究（PER）社区的历史模式并没有导致这些评估在更广泛的物理教师社区内广泛采用。在这个历史模型中，评估开发人员创建高质量的、经过验证的评估，使它们可供广泛的教师使用，并提供最小的（如果有的话）支持来帮助管理或分析结果。在这里，我们提出并讨论了一种替代模型的评估传播，其特点是集中的数据收集和分析。这一模式为研究人员和教师提供了更大程度的支持，以便更明确地支持采用基于研究的评估。具体来说，我们描述了我们的经验，开发一个集中的，自动化的系统，我们以前创建的态度评估，以检查学生的认识论和对实验物理的期望。该系统提供了一个概念验证，我们用它来讨论与集中管理和数据收集相关的优势，以研究为基础的评估在PER。我们还讨论了我们在开发，维护和自动化这个系统时遇到的挑战。最后，我们认为，集中管理和数据收集标准化的评估是一个可行的和潜在的有利的替代默认模式的特点是分散的管理和分析。此外，在在线管理和自动化的帮助下，这种模式可以支持集中评估系统的长期可持续性。
2016-06-09 physics.ed-ph
Using think-aloud interviews to characterize model-based reasoning in electronics for a laboratory course assessment
物理系统的模型被用来解释和预测实验结果和观察。实验物理学建模框架描述了物理学家在遇到系统的实际行为和预期行为之间存在差异时修改模型以解释新获得的观察结果或更改设备以更好地表示模型的过程。虽然建模是本科物理实验室课程的国家认可的学习成果，但对于高年级实验室来说，没有对学生基于模型的推理进行评估。作为创建两个学生建模能力评估的更大努力的一部分，我们使用建模框架来开发和编码以研究反相放大器电路为中心的有声思维问题解决活动。本研究是多阶段评估工具开发过程的第二阶段。在这里，我们专注于描述学生在解释远远超出其推荐操作范围的电路输出信号时所采用的建模途径的范围。最后，我们讨论了这项工作的四个结果：（1）学生参与了所有的建模子任务，他们花了最多的时间进行测量，进行比较，并制定修订;（2）每个子任务发生在时间上接近所有的子任务;（3）有时，学生提出的原因，不符合逻辑，从观察到的差异;（4）同样，学生经常依赖他们的经验知识，并制定修订，而这些修订并不符合逻辑地从明确提出的原因中得出。
2019-01-08 physics.ed-ph
The Design and Validation of the Quantum Mechanics Conceptual Survey
量子力学概念调查（QMCS）是学生对量子力学概念理解的12个问题的调查。它旨在用于衡量现代物理课程中不同教学方法的相对有效性。在本文中，我们描述了设计和验证的调查，一个过程，包括观察学生，回顾以往的文献和教科书和教学大纲，教师和学生的访谈，统计分析。我们还讨论了具体问题的发展中的问题，这可能是有用的教师谁希望使用QMCS在他们的类和研究人员谁希望进行进一步的研究学生的理解量子力学。QMCS已经过最彻底的测试，并且最适合于评估（仅作为后测），大学生水平的现代物理课程。我们还描述了初级量子课程和研究生量子课程的学生测试，从中我们得出结论，QMCS可能适合评估初级量子课程，但不适合评估研究生课程。我们教师访谈的一个令人惊讶的结果是，教师对现代物理学应该教授什么主题缺乏共识，这使得设计一个被大多数物理教师所重视的测试比预期的要困难。
2010-10-01 physics.ed-ph
In-class vs. online administration of concept inventories and attitudinal assessments
本研究探讨学生在课堂上和在线管理的力量概念量表（FCI），电和磁的概念调查（CSEM），和科罗拉多州的学习态度有关的科学调查（CLASS）的反应的差异。来自三门不同课程的12个部分的近700名物理学生被要求完成与他们的课程相关的概念量表，无论是FCI还是CSEM，以及CLASS。每个学生都被随机分配到课堂上进行一项调查，另一项调查使用由学习助理联盟（LAA）主办的LA支持学生成果（LASSO）系统在线进行。我们研究测试环境和教师的做法如何影响参与率，并确定未来使用的最佳做法。
2017-01-06 physics.ed-ph
Research-based assessment of students' beliefs about experimental physics: When is gender a factor?
学生在概念评估和对态度评估的反应方面存在性别差异，这一点一再得到证明。这种差异往往存在于学生的教学前的反应，并坚持在他们的教学后的反应。然而，有一个领域，其中存在的性别差异还没有得到广泛的探讨是本科实验室课程。例如，为数不多的以实验室为重点的基于研究的评估之一-科罗拉多州实验物理学科学学习态度调查（E-CLASS）-没有对学生的反应是否存在性别差异进行测试。在这里，我们利用一个国家的数据集的反应，以确定他们是否表现出显着的性别差异。我们还调查了这些差异如何随着多个学生和课程人口统计切片，包括课程水平（第一年与\第一年以后）和主要（物理与\非物理学）。我们观察到的性别差距前和postinstruction E-CLASS分数的总体得分和大部分项目单独的汇总数据。然而，对于一些亚群（例如，一年级以上的学生），性别差距的大小甚至是否存在取决于另一个方面（例如，学生专业）。我们还发现，对于所有群体的差距postinstruction分数消失或大大减少时，控制preinstruction分数，课程水平，和学生的专业。
2016-09-06 physics.ed-ph
Mathematical Sensemaking as Seeking Coherence between Calculations and Concepts: Instruction and Assessments for Introductory Physics
什么样的问题解决教学可以帮助学生运用所学知识解决未来遇到的新问题和不熟悉的问题？我们认为，数学意义建构，寻求形式数学和概念理解之间的一致性的实践，是成功的物理问题解决教学的一个关键目标。然而，典型的评估往往以更不相交的方式来衡量理解。为了捕捉学生解决问题的连贯性寻求的做法，我们引入了一个评估框架，突出了更灵活地使用这些解决问题的方法的机会。体现这种计算概念交叉框架的三个评估项目说明了连贯性如何推动灵活的解决问题的方法，这些方法可能更有效，更有见地，更准确。这三个评估项目被用来评估的教学方法的有效性，重点是发展认知意义理解技能。在一项准实验研究中，第一学期的三个平行讲座部分，介绍物理进行了比较：两个数学意义建构部分，一个有经验的教师（MS）和一个新手教师（MS-nov），和传统的教学部分作为对照组（CTRL）。在三个交叉评估项目上，数学意义建构学生比对照组学生更多地使用计算-概念交叉的方法，并产生更多的正确答案。在课程结束时，学生对解决问题的连贯性的认识论观点预测了他们的交叉方法的使用，但没有充分考虑MS和CTRL组之间交叉方法使用的差异。这些结果说明了新的教学和评估框架的研究数学意义和适应性问题解决的专业知识。
2019-03-18 physics.ed-ph
Affective Factors in STEM Learning and Scientific Inquiry: Assessment of Cognitive Conflict and Anxiety
认知冲突被公认为是概念转变的重要因素，并被广泛用于开发探究式课程。然而，认知冲突也会导致学生在学习过程中产生焦虑，对学生的学习动机和学习成绩产生积极和消极的影响。因此，教师需要了解在教学过程中引入认知冲突的影响。为了获得这些信息，教师需要一个实用的工具，可以帮助他们识别的存在和特点的认知冲突所引入的教学和由此产生的焦虑。基于认知冲突与学生焦虑的研究文献，开发了一个量化的工具--课堂冲突与焦虑识别评估（iCARE），并用于监测物理探究（PBI）课堂中学生的认知冲突与焦虑状况。本文介绍了这种仪器，并讨论了可以测量的信息类型。该工具的研究和教学价值进行了讨论。
2014-03-03 physics.ed-ph
Teaching introductory STEM with the Marble Game
最近，有多个呼吁课程改革，以开发新的途径，科学，技术，工程和数学（STEM）学科。大理石游戏通过为所有STEM学科有用的定量科学建模技能提供一个概念框架来回答这些要求。这种方法积极地使学生参与有指导的科学发现过程。在一项“学生学习收获评估”（SALG）调查中，学生们认为这种方法在他们对现实世界问题和科学研究的理解方面产生了“巨大的收获”。使用大理石游戏，学生建立一个概念框架，直接适用于生物学中的随机分子水平的过程，如扩散和界面运输。它也与可逆的一级化学反应同构，为化学动力学提供了概念上的准备。计算和数学框架也可以应用于研究从牛顿力学到RLC电路的定量物理模型的预测。为了测试这种方法，学生们被要求推导出一种新的渗透理论。测试结果证实，他们能够成功地将概念框架应用到期末考试条件下的新情况。因此，大理石游戏提供了一条通往STEM学科的途径，其中包括本科课程中的定量生物学概念-从第一堂课开始。
2012-10-22 physics.ed-ph
Leveraging generative artificial intelligence for simulation-based physics experiments: A new approach to virtual learning about the real world
研究比较实物设备、预建模拟器与AI生成模拟三种电势实验教学方式，发现两类模拟条件均显著提升概念评估成绩与学习体验，并表明AI模拟可用于培养学生建模能力。
2025-09-26 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
