物理学导论中的数学教学

使用 oxDNA 和 oxRNA 模型进行 DNA 和 RNA 系统的粗粒化模拟：入门教程

Coarse-grained simulations of DNA and RNA systems with oxDNA and oxRNA models: Introductory tutorial

本文提供了一份 oxDNA 粗粒化模型的入门教程，旨在帮助无背景的新手用户快速掌握 DNA 和 RNA 纳米技术模拟的基本设置，并指引获取相关进阶资源。

坚持基础物理教学改革

Sustaining Educational Reforms in Introductory Physics

虽然它是众所周知的课程实践可以提高学生的概念理解的措施上的表现，这些做法的持续和教师在实施这些做法的作用是不太好理解。我们提出了一个研究的手过的Tuesday在入门物理从最初的采用者到其他教师在科罗拉多大学，包括传统的教师不参与物理教育研究。该研究探讨了在八个第一学期，七个第二学期的课程，为15个教师超过12个学期，包括大约4000名学生的概念学习的实施Tuesday的影响。这是可能的，以证明一贯高，统计上难以区分，学生的学习收益为不同的教师，但是，这样的结果是不规范的，似乎依赖于各种因素。学生的表现因教师的背景而异-参与或了解物理教育研究的教师，总是比了解较少的教师获得更高的学生学习收益。学生在这些课程中的表现也因所使用的课程而异-所有使用基于研究的导师和学习助理的学期都比依赖非研究材料和不雇用学习助理的学期有更高的学生学习收益。

学生电磁学概念理解的纵向研究

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。

利用图形和图像表示法教授天文学入门学生通过引力微透镜探测太阳系外行星

Using graphical and pictorial representations to teach introductory astronomy students about the detection of extrasolar planets via gravitational microlensing

太阳系外行星的探测和研究是现代天体物理学中一个令人兴奋和蓬勃发展的领域，也是天文学入门课程中越来越受欢迎的话题。一种探测方法依赖于寻找其光线被太阳系外行星引力微透镜化的恒星。为了促进教师的能力，把这个有趣的混合广义相对论和太阳系外行星探测到介绍天文学课堂，我们已经开发了一个新的讲座，“探测太阳系外行星与引力微透镜。“在本文中，我们描述了这个新的讲座的天体物理现象的表示，我们选择和创建的基础上，从理论上考虑他们的教学启示，用于帮助入门天文学学生发展更多的专家般的推理能力。

提高学生对导体和绝缘体的概念理解

Improving Students' Conceptual Understanding of Conductors and Insulators

我们研究的困难，介绍物理专业的学生，本科物理专业，物理研究生与相关的概念，导体和绝缘体涵盖在介绍物理给出书面测试和采访的一部分学生。我们发现，即使是研究生也很难理解这些概念。我们开发与这些主题相关的教程，并通过比较接受传统教学的学生与使用教程学习的学生在书面前/后测试和面试中的表现来评估其有效性。

学生对课堂提问的书面回答与天体物理学关键概念理解的相关性研究

An Investigation into the Correlations between Students' Written Responses to Lecture-Tutorial Questions and their Understandings of Key Astrophysics Concepts

本文报道了学生对天文学入门概念的理解与他们对有针对性的讲课问题的书面回答的正确性和一致性之间的相关性。我们评估了454名大学水平的普通教育天文学入门学生在2010年，2011年和2012年春季授课的课程的正确性和一致性。我们假设，学生谁一贯提供高水平的正确性和一致性的反应将优于学生谁没有对天文学内容知识的多项措施。我们将学生的正确性和一致性分数与他们在光和光谱学概念量表（LSCI）上的归一化增益以及他们在密切相关的考试项目上的分数进行了比较。我们的分析显示，学生的正确性和连贯性得分与他们的LSCI成绩或考试项目得分之间不存在显着的相关性。然而，我们研究中的参与者组在LSCI和密切相关的考试项目上确实取得了高分。我们假设，这些差异是由于学生之间发生的讨论，这表明，教师谁教积极参与教学策略应该集中在确保他们的学生充分参与尽可能丰富的话语实施。

The Physics Inventory of Quantitative Literacy: A tool for assessing mathematical reasoning in introductory physics

One desired outcome of introductory physics instruction is that students will develop facility with reasoning quantitatively about physical phenomena. Little research has been done regarding how students develop the algebraic concepts and skills involved in reasoning productively about physics quantities, which is different from either understanding of physics concepts or problem-solving abilities. We introduce the Physics Inventory of Quantitative Literacy (PIQL) as a tool for measuring quantitative literacy, a foundation of mathematical reasoning, in the context of introductory physics. We p…

物理学导论数学化的障碍

Obstacles to Mathematization in Introductory Physics

学习物理学入门课程的大学生一般都能成功地在上下文中执行数学程序，但往往难以使用数学概念来理解。物理教师指出，他们的学生在基本的代数推理方面遇到困难，而代数推理是更高级的数学思维的基础。然而，很少有系统的研究已经完成，以衡量和分类，在这一人口的困难。本文描述了学生推理的趋势与比例，量化和符号化的微积分为基础的物理入门调查。虽然用于探测学生思维的评估项目需要数学推理通常在中学数学课程中教授，但我们发现基于微积分的物理学生的成功率约为50%。对于这些学生中的许多人来说，数字的复杂性和数量的抽象程度干扰了基本的算术推理。我们认为，物理学家的代数思维源于一种特殊的认知融合，这是没有解决的先决条件代数课程。为了让更多的学生理解和采用物理的数学思维特征，教师和教育研究者必须探索如何使数学化成为课程中更明确的一部分。

物理学导论中关于负性性质的框架

A framework for the natures of negativity in introductory physics

数学推理技能是许多入门物理课程，特别是基于微积分的物理课程的理想结果。正负量在物理学中无处不在，符号具有重要而多样的含义。新手可能很难理解有符号的数字在物理环境中扮演的许多角色，最近的证据表明，未解决的斗争可能会延续到随后的物理课程。数学教育研究文献记录了将负数概念化为数学对象的认知挑战-无论是专家，历史上，还是新手学习。我们有助于小，但不断增长的身体在物理学研究的背景下，检查学生的推理有符号的数量和推理的使用和解释的符号在数学模型。在本文中，我们提出了一个框架，分类的各种含义和解释的物理环境中的负号，启发了既定的工作，在代数背景下，从数学教育研究界。这样的框架可以支持创新，可以在入门课程和其他课程中促进有符号量的更深层次的数学概念化。

学生在物理学导论中的数学和图形表示之间的转换困难

Student difficulties in translating between mathematical and graphical representations in introductory physics

我们调查了物理导论学生在数学和图形表示之间转换的困难以及脚手架对学生表现的影响。我们给出了一个典型的问题，可以解决使用高斯定律涉及球对称电荷分布（一个导电球同心的导电球壳），以95微积分为基础的入门物理学生。我们要求学生写出各个区域的电场的数学表达式，并要求他们画出电场。根据以往的经验，我们知道学生在画出电场的图形方面有很大的困难。因此，我们实施了两个脚手架干预措施来帮助他们。接受脚手架支持的学生被要求（1）首先绘制每个区域的电场（在必须将其绘制为与球体中心的距离的函数之前）或（2）在明确评估每个区域的起点、中点和终点处的电场之后，被要求绘制每个区域的电场。对照组只被要求在问题结束时绘制电场。我们发现学生从干预（1）中受益最多，而干预（2）虽然旨在帮助学生，但却产生了负面影响。此外，录音采访了一些学生，以了解学生如何受到上述干预措施的影响。

学生能否将在马赫-曾德尔干涉仪中所学到的“哪条路径”的概念应用到双缝实验中？

Can students apply the concept of "which-path" information learned in the context of Mach Zehnder Interferometer to the double-slit experiment?

使用在一个上下文中学习的概念来解决不同上下文中的问题的能力（即，学习迁移）是物理学专业知识的标志。大多数关于物理学习迁移的研究都集中在入门学生身上。然而，与高级学生相比，入门学生的相关知识和技能显着较少，这可能是促进有效迁移的关键。在这里，我们研究高层次的本科生和研究生的能力，转移他们的学习的概念，“哪条路径”的信息和它的关系是否干涉观察到的背景下的马赫曾德尔干涉仪（MZI）的双缝实验（DSE）的一个新的上下文。学生们学习了MZI的教程，在该教程中，他们学会了使用“哪条路径”信息的概念来推理当具有不同方向的偏振器放置在MZI的一条或两条路径中时单光子的干涉。在MZI教程的工作后，学生被问到类似的问题，在同构的背景下的DSE之前，任何指令的DSE和我们研究的程度转移学习的“哪条路径”的信息发生从MZI到DSE上下文。我们发现的证据表明，积极的学习迁移从MZI到DSE发生，尽管缺乏旨在帮助学生认识到这两个环境之间的相似性的教学干预。MZI教程在促进量子力学学习从一个环境到另一个环境的正迁移方面的有效性揭示了高级物理学生的专业知识。高级物理课程的教师可以利用这里提出的研究结果，它显示了入门和高级学生从一个环境转移到另一个环境的能力之间的差异。

寻求计算与概念之间的一致性的数学意义建构：物理学导论的教学与评价

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。

多媒体学习模块作为电磁学课堂教学准备的有效性

Efficacy of multimedia learning modules as preparation for lecture-based tutorials in electromagnetism

我们已经调查了疗效的在线，多媒体学习模块（MLMs）的准备在课堂上，讲座为基础的教程在电磁学的物理课程的自然科学专业（生物学和海洋科学）。具体来说，我们报告的结果，多组前/后测试的研究设计比较两组接受不同的治疗方面的活动之前，在物理学导论的Tuesday参与。不同的预辅导活动如下：（1）学生被分配从传统的教科书阅读，然后是传统的讲座;（2）学生完成在线多媒体学习模块开发的物理教育研究小组在伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校（UIUC），并在商业上称为smartPhysics。MLM治疗组获得了显着更高的中期考试成绩和更大的收益内容的知识，测量的概念调查的电力和磁力（CSEM）。学生对积极参与辅导形式的“改革”教学的态度也有所改善。具体而言，课程后的调查显示，传销组的学生认为上课时间更有效，教师比非传销学生报告的更清楚，即使有没有组之间的显着差异，就在课堂上的活动和同一教师教两组。传销活动可以是一个非常有效的工具，为一些学生群体，特别是当学生的准备和买入是重要的实现显着的收益。

引导与激励塑造物理学生参与及从基于探究的静电学教程中学习增益：镜像法教程

Instructor Framing and Incentives Shape Physics Students' Engagement and Learning Gains from an Inquiry-Based Electrostatics Tutorial on the Method of Images

本文探讨了基于探究的静电学教程对学习增益的影响，发现教师引导和激励对学生的参与度和学习效果有显著影响。

Characterizing active learning environments in physics using network analysis and COPUS observations

This study uses social network analysis and the Classroom Observation Protocol for Undergraduate STEM (COPUS) to characterize six research-based introductory physics curricula. Peer Instruction, Modeling Instruction, ISLE, SCALE-UP, Context-Rich Problems, and Tutorials in Introductory Physics were investigated. Students in each curriculum were given a survey at the beginning and end of term, asking them to self-identify peers with whom they had meaningful interactions in class. Every curriculum showed an increase in the average number of student connections from the beginning of term to the en…

Coordinating vector field equations and diagrams with a serious game in introductory physics

Mathematical reasoning with algebraic and graphical representations is essential for success in physics courses. Many problems require students to fluently move between algebraic and graphical representations. We developed a freely available serious game to challenge the representational fluency of introductory students regarding vector fields. Within the game, interactive puzzles are solved using different types of vector fields that must be configured with the correct mathematical parameters. A reward system implemented in the game prevents from using trial-and-error approaches and instead e…

二粒子模型、图解和图形对理解内能的帮助

Two-Particle Models, Diagrams and Graphs as Aids to Understanding Internal Energy

单粒子模型对于物理学入门课程中的许多主题来说已经足够了，但是当应用于涉及内能变化的情况时，就会产生误导。本文合并了两个平行的尝试，以改革能源的教学，在介绍物理课程，导致在内能的方法，是概念上正确的，数学上严格的，但足够简单的入门学生理解。它使用图表和图形来提供具体和可视化的手段来跟踪能量的存储和传输，并在数学复杂性方面采取了最小的步骤-从一个粒子到两个粒子模型-这是实现与合理概念方法一致所必需的。数学发展的指导思想是，术语“功”应该得到一个明确的概念定义，即通过系统边界传递的能量;数学表达式只有在符合这个定义时才被认为是功。

作为运动学入门练习的狗和兔子追逐问题

The dog-and-rabbit chase problem as an exercise in introductory kinematics

本文的目的是提出一个简单的解决经典的狗和兔子追逐问题，强调使用的基本运动学的概念，因此，可以在介绍力学课程。本文是根据新西伯利亚国立大学物理系一年级学生力学入门课程的教学经验，这些学生刚刚开始使用先进的数学方法解决物理问题。我们希望这对其他大学的学生和教师也有帮助。

从研究到资源：评估学生在量子计算中的理解与技能

From Research to Resources: Assessing Student Understanding and Skills in Quantum Computing

本研究在R1机构采用多案例研究法，对比分析了有无基于研究的迷你教程对入门量子计算课程中学生理解与技能的影响，揭示了学生在量子计算概念上的普遍优势与困难，并探讨了迷你教程的有效性及改进方向。

生命科学导论物理学的解构与重构

De- and Re-constructing Introductory Physics for the Life Sciences

教生物学家物理学需要的远不止是让工程师的课程在数学上不那么严格，加入一些表面的生物学问题。物理学家需要与生物学家密切合作，不仅要了解哪些物理学主题和思维习惯对生物学家有用，还要了解生物学家的工作方式与我们的工作方式根本不同，以及如何弥合这一差距。在这篇文章中，我们讨论了我们从多年来与生物学同事的对话中了解到的这些问题。

Teaching Color Science to EECS Students Using Interactive Tutorials: Tools and Lessons

Teaching color science to Electrical Engineering and Computer Science (EECS) students is critical to preparing them for advanced topics such as graphics, visualization, imaging, Augmented/Virtual Reality. Color historically receive little attention in EECS curriculum; students find it difficult to grasp basic concepts. This is because today's pedagogical approaches are nonintuitive and lack rigor for teaching color science. We develop a set of interactive tutorials that teach color science to EECS students. Each tutorial is backed up by a mathematically rigorous narrative, but is presented in …

在基础物理实验室中使用FFT和数字设备的两个简单实验

Two simple experiments using FFT with digital devices in the introductory physics laboratory

本文提出两个适合高中与大学物理实验室的FFT实验，利用廉价数字仪器准确区分周期信号，展示FFT作为数学和图形工具的实用价值。

Holistic framework to help students learn effectively from research-validated self-paced learning tools

With limited time available in the classroom, e-learning tools can supplement in-class learning by providing opportunities for students to study and learn outside of class. Such tools can be especially helpful for students who lack adequate prior preparation. However, one critical issue is ensuring that students, especially those in need of additional help, engage with the tools as intended. Here we first discuss an empirical investigation in which students in a large algebra-based physics course were given opportunities to work through research-validated tutorials outside of class as self-stu…

使用LabVIEW多媒体模块的量子物理学入门课程

Introductory Quantum Physics Courses using a LabVIEW multimedia module

我们提出了一个LabVIEW多媒体模块的开发介绍量子物理课程和我们的经验，在使用这个应用程序作为学习方法的教育工具。该程序解决了任意电位的时间依赖薛定谔方程。我们描述的数值方法用于解决这个方程，以及一些数学工具，以减少计算时间，并获得更准确的结果。作为一个例子，我们提出了一个波包的三个不同的潜力：排斥势垒势，排斥阶跃势，谐振子的演变。该应用程序已成功地集成到西班牙瓦伦西亚理工大学工程量子物理课程的学习策略中。

利用心理测量工具作为学生在物理导论中进行定量推理的窗口

Using psychometric tools as a window into students' quantitative reasoning in introductory physics

物理定量素养量表（PIQL）是一个正在开发的推理量表，旨在评估学生在入门阶段的物理定量素养。PIQL的设计提出了隔离物理问题中相互独立的数学推理类型的挑战。在其目前的形式，PIQL跨越三个原则推理子域以前确定的数学和物理教育研究：比率和比例，协变，并签署（负）量。一个重要的心理测量目标是测试这三个推理子域的正交性。我们目前的探索性因素分析，验证性因素分析和模块分析，从学生的角度来看，通知PIQL的基本结构的解释，强调这些结果同意和不同意专家分类的方式。除了为现有和新的PIQL评估项目的发展提供信息外，这些结果还为学生在入门级的定量推理提供了令人兴奋的见解。

用基础物理计算火星之旅

Calculating a journey to Mars with introductory physics

本文用高中物理和数学工具，计算载人火星往返任务的霍曼转移轨道、旅行时间与发射条件，将多个物理主题整合为教学资源，助力课堂应用。

学生对旋转和滚动运动概念的理解

Student understanding of rotational and rolling motion concepts

我们调查了学生在物理入门课程中涉及的旋转和滚动运动概念方面的常见困难。我们比较了性能的微积分和代数为基础的入门物理学生与物理大三谁学会了旋转和滚动运动的概念，在中级力学课程。访谈进行了六个物理大三学生和十个入门学生使用演示为基础的任务。我们还管理自由回答和多项选择题，以大量的学生参加了介绍物理课程，并采访了另外六个介绍学生的测试问题（在测试设计阶段）。所有的学生表现出类似的困难，无论他们的背景，和更高的数学复杂性似乎并没有帮助获得更深的理解。我们发现，有些困难是由于线性运动的相关困难，而另一些则与更复杂的旋转和滚动运动的性质有关。

用量子HHL算法求解线性方程组：面向本科生的物理与数学基础教程

Solving Linear Systems of Equations with the Quantum HHL Algorithm: A Tutorial on the Physical and Mathematical Foundations for Undergraduate Students

本文为本科生提供量子HHL算法的教程，涵盖其物理与数学基础，通过示例展示算法实现并分析其性能与局限性。

问题解决与学习

Problem Solving and Learning

认知研究的一个发现是，人们不会通过花费大量的时间在任务上自动获得有用的知识。由于学生的知识层次更加分散，“知识块”比专家的要小。短时记忆容量的有限性使得问题解决任务的认知负荷很高，可用于元认知的认知资源很少。物理定律的抽象性和做出有意义的推论所需的推理链使得这些问题变得至关重要。为了帮助学生，从学生的角度考虑问题的难度至关重要。我们正在开发和评估交互式解决问题的教程，以帮助学生在入门物理课程学习有效的解决问题的策略，同时巩固物理概念。自定进度的教程可以为各种解决问题的技术提供指导和支持，并提供获取知识和技能的机会。

量子物理学教学实验室

Lab-Tutorials for teaching quantum physics (Lab-Tutorials fuer den Quantenphysik Unterricht)

英文摘要：在“直观量子物理学”课程中，我们使用数学方程的图形解释和定性推理来开发和教授量子物理学的简化模型。我们的课程包括三个单元：波动物理，概念工具箱的开发和量子物理。它还包含三个关键主题：波粒二象性、薛定谔方程和量子粒子的隧穿。学生们在实验室学习大多数新材料，在实验室中，学生们以小组（3到3人）的形式在专门设计的实验室中学习。讲座加强了实验室教程的内容，并侧重于有关科学的本质问题。数据显示，学生能够学习课程中一些最困难的概念，并且学生学会相信课程中的物理学有一个概念上可访问的结构。德文摘要：在库尔的《直观量子物理学》中，通过一个量子物理学的统一模型，给出了数学解释和定性解释。我们最好从三个方面着手：健康物理学、建造一个工具（“工具”）和量子物理学，因此有三个方面：量子力学的双重性、薛定谔-格莱辛（Schroedinger-Gleichung）和隧道。我们将与实验室合作，在小团体（3至4人）的学生宿舍中进行工作。在《自然科学》的基础上，我们还可以看到《物理学图片》。首先，学生宿舍不仅是学生们的心理咨询，也是他们的心理咨询，因为量子物理学是非常重要的。

Using math in physics: 6. Reading the physics in a graph

Learning to use math in physics involves combining (blending) our everyday experiences and the conceptual ideas of physics with symbolic mathematical representations. Graphs are one of the best ways to learn to build the blend. They are a mathematical representation that builds on visual recognition to create a bridge between words and equations. But students in introductory physics classes often see a graph as an endpoint, a task the teacher asks them to complete, rather than as a tool to help them make sense of a physical system. And most of the graph problems in traditional introductory phy…

位移电流：超越常规路径的示例

Displacement current: examples that go beyond the beaten path

针对位移电流和安培-麦克斯韦定律的学习难点，提出一组超越传统教材的示例，帮助未掌握高级数学工具的学生深入理解电磁理论。

物理数量素养推理量表项目的概念整合分析

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。

法国大学物理课堂中的互动学习

Introduction of interactive learning into French university physics classrooms

我们报告一个项目，介绍互动学习策略（ILS）的物理课在皮埃尔和玛丽居里大学（UPMC），在法国领先的科学大学之一。在2012年春季，在两个大的入门类，第一年，第二学期的机械，和第二年的介绍E&M，分别招收约500名和250名学生的教师，介绍ILS到每个类的一些部分。具体的ILS使用的是思想配对分享问题和同伴教学在主要的讲座教室，和UW补习物理学导论在复习部分。教学前和教学后的评估（分别为FCI和CSEM），以及一系列的人口统计学问题。我们能够比较FCI和CSEM的结果之间的互动和非互动类同时教授相同的课程。我们还分析了期末考试结果，以及学生和教师的态度调查结果之间的类。在我们的分析中，我们认为多元线性回归建模优于其他常见的分析工具，包括归一化增益。我们的研究结果表明，ILS是有效的，在提高学生的学习所使用的所有措施：研究验证的概念量表和期末考试成绩，在概念和传统的问题解决问题。多元线性回归分析表明，在课堂上的互动是一个显着的预测学生的学习，显示出类似或更强的关系，学生的学习比这样归因的特点，如父母的教育，并取得的特点，如GPA和每周学习的时间。对学生和教师态度的分析表明，两组人都认为ILS改善了学生在物理课堂上的学习，提高了学生的参与度和动机。

工科学生基础物理学习时间演变的半定量图研究

Semi-quantitative diagram about temporal evolution in basic physics learning: a study with engineering students

我们展示了一种新的半定量技术的分析时间演变的学习基本物理概念。在这种技术中，我们安排了一个几何图的分数和同质性（H-S），在这个图中，我们有一个定量和定性的信息，学生的学习和有效性的教学。我们应用这种技术来研究的时间演变的图形解释的运动在一个维度上通过教程在一个入门课程物理与20名学生的工程在哥伦比亚波哥大中央大学为期6周。我们在一般图中发现（Smax，Hmax）=（0.75，0.75）。

使用大理石游戏教授STEM入门

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。

大学生参与混合式力学导论网络视频教学的探索

Exploring University Students' Engagement with Online Video Lectures in a Blended Introductory Mechanics Course

MOOC的出现激发了使用在线视频提供大学课程内容的兴趣。我们研究了学生参与78个在线视频，我们创建并纳入一个学期的混合介绍力学课程在佐治亚理工学院。我们发现，学生们更积极地参与支持实验室活动的视频，而不是呈现讲座内容的视频。特别是，访问实验室视频的学生的百分比在整个学期始终大于80%，而访问讲座视频的学生的百分比下降到不到40%的学期结束。此外，学生更有可能访问整个实验室的视频比讲座视频。我们的研究结果表明，学生可以访问视频的基础上感知的价值：学生似乎认为实验室的视频成功完成实验室必不可少的，而学生似乎认为讲座视频更类似于补充材料。我们发现学生对视频的参与度和课程表现之间几乎没有相关性。此外，对视频内容的检查表明，学生更多地关注完成作业明确需要的具体信息（例如，完成实验室工作所需的动作，或解决特定问题所需的公式/数学表达式），而较少关注被认为更具概念性的内容。研究结果提出了教师修改课程以更好地支持学生学习的方法。

概念物理与数学符号的融合

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。

一个好的图表是有价值的，尽管选择了数学方法来解决问题

A good diagram is valuable despite the choice of a mathematical approach to problem solving

绘制适当的图表是一种有用的问题解决启发式方法，可以将问题转换为更容易解决问题的表示。一个主要的重点，而帮助入门物理学生学习解决问题是帮助他们认识到，绘图有助于解决问题。我们进行了一项调查，其中118名学生在代数为基础的介绍物理课程进行了两种不同的干预，在整个学期的问题解决过程中的背诵测验。在这里，我们讨论了两个问题的解决性能的学生在不同的干预组涉及驻波在管中，这是在一个小测验，另一个在期中考试。这些问题可以使用两种不同的方法来解决，一个涉及到图形表示和其他主要涉及数学运算的方程。在测验中，学生们要么（1）被要求解决提供了部分图表的问题，要么（2）被明确要求绘制图表。对照组没有得到任何关于图表的说明。组（1）的学生，谁给了局部图，不能使用局部图本身来解决问题。部分图表只是为了提示学生完成图表并遵循图表方法。然而，我们发现一个相反的效果，即，学生给出这个图不太可能画出生产性的图表，表现不如其他组的学生。此外，我们发现，学生谁画了一个生产性的图表表现优于那些谁没有画一个生产性的图表，即使他们主要使用的数学方法。与被要求解决问题的个别学生的访谈提供了进一步的见解。

洛伦兹力与光的辐射压

The Lorentz Force and the Radiation Pressure of Light

为了使光对物质施加压力的观点变得合理，一些入门物理学教科书考虑了电磁波对电子施加的力，所提出的论点在数学上是不正确的，并且有几个严重的概念上的困难，在经典水平上没有明显的解决方案，但仅仅是入门水平。我们讨论了这些困难，并提出了一个替代示范。

在入门物理实验室中包含Arduino微控制器编程的模型

A model for including Arduino microcontroller programming in the introductory physics lab

本文介绍了一个课程框架，介绍微控制器编程在大学物理实验室。该方法利用建模教学，一种有效的方法，在中学一级的科学教学中，学生通过开发和部署物理世界的模型来学习标准材料。在我们的方法中，学生参与了一个上下文丰富的问题，可以用一个或多个传感器和微控制器解决。我们描述的解决方案路径包括开发一个数学模型，用于如何将传感器的数据映射到有意义的测量，并进一步开发一个将在微控制器中实现的算法模型。一旦系统开发和实施，学生们给出了一系列类似的问题，他们可以部署他们的数据收集系统。从实施这一想法的结果，在两个大学物理部分，使用Arduino微控制器，也进行了说明。

影响天文学导论课程态度增益的因素

Factors Contributing to Attitudinal Gains in Introductory Astronomy Courses

大多数学生不会将天文学入门作为他们专业的一部分;对许多人来说，这是他们将学习的最后一门科学课程。因此，它有很大的潜力，以塑造学生的态度，以干领域为他们的余生。因此，我们认为，它是不太重要的，在评估天文学入门课程的有效性，探索传统的课程学习收益比探索的影响，各种课程组成部分对这种态度。我们描述了我们对期末调查的分析结果，这些调查是在2014-2015年共有749名学生返回的，这些学生来自10个机构，这些机构至少使用了我们于2009年在北卡罗来纳大学教堂山分校首次实施的天文学入门讲座和实验室课程的一部分。调查的目的是衡量每个学生的态度，并探讨相关的态度与他们的利用率，并与满意度，各种课程的组成部分，以及其他措施，他们的学术背景和他们的自我评估的表现在课程中。我们发现，学生的态度是显着的正相关，他们希望收到的成绩，以及他们的评级的课程的整体效果。在较小的程度上，我们发现学生的态度与他们的数学背景呈正相关，无论他们打算主修还是从事STEM职业，以及他们对教师有效性的评价。我们发现，学生的态度是负相关的工作量，他们认为这门课程涉及，令人惊讶的是，他们的家庭机构的规模和声誉。我们还发现，对于接触过他们的学生子集，学生的态度与他们对课程讲座部分的帮助性以及利用UNC-CH天网机器人望远镜网络的望远镜实验室的看法呈正相关。

用宇宙学中的大思想教育大学生

Using the Big Ideas in Cosmology to Teach College Students

我们对宇宙理解的最新进展彻底改变了我们对宇宙结构、组成和演化的看法。然而，这些新的想法并不一定被用来改善天文学入门学生的教学。在这个项目中，我们对学生对宇宙学思想的理解进行了研究，以便开发有效的基于网络的工具来教授现代宇宙学的重要基本概念。这些工具旨在用于大学入门级。我们的研究使用了几种工具，包括在多个机构进行的开放式和多项选择调查，以及在一个机构的访谈和课程文物，以确定学生对现代宇宙学思想的了解，他们娱乐的常见误解和误解，以及什么样的材料可以最有效地克服学生学习这些材料的困难。这些数据被用来创建一套交互式的、基于网络的教程，这些教程使用真实数据来阐述宇宙学的主要观点。让学生接触真实数据是帮助学生克服某些误解的有力手段。学生掌握科学概念和推理过程，通过互动任务，预测和反思，实验和模型构建，导致我们目前对宇宙的理解。