¿Cómo se puede mejorar la educación física de pregrado?

La enseñanza de la física es un tema difícil. Echemos un vistazo a las partes interesadas clave y sus incentivos.

• Los profesores son profesores, registro de tenencia o tal vez investigadores. La calidad de la enseñanza es irrelevante en comparación con la investigación para el avance profesional, por lo que no hay incentivo para enseñar bien, incluso si hay un deseo y una capacidad.
• La mayoría de los estudiantes no son estudiantes principales, al menos no para las clases de primer y segundo año. Por lo tanto, su deseo es buenas calificaciones antes del conocimiento. Tienen una amplia gama de aptitudes y experiencia con las matemáticas, el sine qua non lenguaje de la física.
• Los departamentos universitarios suelen ser financiados por los vagos en asientos (total de matrículas). Por lo tanto, se les incentiva a enmudecer el programa de estudios.

El resultado de estos deseos contrarios a menudo son cursos de corte de galletas que enseñan a un examen y realmente no ofrecen ninguna habilidad útil.

Por otro lado, hay una razón por la que casi todos los ganadores del Premio Nobel en cualquier campo tienen antecedentes en física. Cuando se enseñan bien y se comprenden, los principios físicos sustentan casi todas las ciencias y brindan una gran ventaja al titular en una amplia variedad de carreras.

Ingresé a la universidad con un nivel muy bien desarrollado de conocimientos de física a partir del programa de Olimpiadas de Física (España 2005), y obviamente, muchas de las clases fueron un poco básicas. De manera similar, el plan de estudios de física de la escuela secundaria en mi estado natal de Nueva Gales del Sur se ha ido evocando de manera gradual pero inexorable, hasta el punto en que el cálculo de la fuerza de Coulomb se consideró un logro. El resultado fue una horda de estudiantes poco preparados que ingresaron a la física de primer año sin tener idea de qué era la física, y la escuela, que necesitaba la financiación asociada, también se vio obligada a enseñar física de primer año en el segundo año. El primer año cubrió lo que yo consideraría como clases de segundo año, y existían un puñado de clases de nivel superior y de posgrado para enseñar los conceptos básicos de la relatividad general y la teoría cuántica de campos. (La universidad australiana dura nominalmente 3 años).

Al final del día, hay oportunidades muy limitadas en la academia para los físicos de todos modos, y la crema generalmente se eleva a la cima. Incluso si pasar 4 años en la escuela es en gran medida una pérdida de tiempo para el 10% superior de la clase.

Ahora, el Programa de Olimpiadas me enseñó suficiente física para aprobar todas mis clases universitarias (y algunas) en solo 4 semanas. ¿Nos ataron y nos regaron con libros de texto combinados de Halliday y Resnick hasta que éramos ciborgs de física? ¡No! Tenían un tiempo limitado, por lo que emplearon las técnicas pedagógicas más efectivas y útiles.

Recuerde, la pereza no es un pecado cuando se trata de resolver problemas físicos y aprobar clases. Un mínimo de esfuerzo para un máximo de salida es alta eficiencia, ¿por qué lo haría de otra manera?

El enfoque adoptado en las Olimpiadas de Física es en realidad muy similar a lo que hacen los físicos de la vida real día a día, ¡porque se basa en la SOLUCIÓN DE PROBLEMAS! En nuestras calaveras vacías, perforaron un método básico para atacar cualquier problema que encontrábamos y que maximizaba la posibilidad de a) entender y resolver el problema yb) convencer al graduador para que otorgara calificaciones, en lugar de mistificarlas y antagonizarlas. Estaré encantado de explicar el método en detalle, pero este no es el lugar correcto.

Incluso hoy, al atacar un nuevo problema, sigo este método básico. Y a este respecto, tengo que diferir con Matt Hodel, porque el contexto histórico puede ser de vital importancia aquí. En general, no recordarás todas las fórmulas. Tienes que entender el problema y derivar una nueva fórmula para resolverlo. ¡Esto es lo que es la física! Y algunos de los mejores conocimientos físicos fueron desarrollados por científicos intuitivos que trabajaron en el pasado lejano. Mientras que el estilo de escritura científica a menudo oscurece el proceso de pensamiento original, cuando tienes unos minutos para pensar en un problema, “¿Qué haría Newton?” Es una forma bastante efectiva de conseguirlo.

El contexto histórico también es importante para la formación de la memoria. Trato de proporcionar contexto y motivación cuando enseño, ya que un curso de lectura que explica un tema de física está lo suficientemente comprimido como para que solo lo hagan las mejores anécdotas históricas. Y a menudo son realmente divertidos o realmente aterradores. Tengo algunos libros de ellos. Pensar sobre un tema o un problema desde muchos ángulos diferentes es de vital importancia para poder aprovechar ese conocimiento más tarde de una manera inteligente.

Como ejemplo, hace unos días estaba explicando por qué un toroide de bobina Tesla tiene forma de rosquilla. Los conductores estáticos son equipotenciales. Eh Como la superficie del mar. Ah! El centavo cayó.

En resumen, los cursos de física deben estar basados ​​en problemas y motivados por problemas. Deben ser calificados de manera justa, honesta y razonablemente severa para evitar la inflación de grados y otorgar altos logros. Los problemas deben ser atacados por todos los medios justos, incluido el contexto histórico. Las clases deben ser pequeñas y mantenerse comprometidas por medio de demostraciones, preguntas y respuestas, travesuras generales y miedo. La calificación debe enfatizar la retroalimentación y redactar las puntuaciones reales durante el mayor tiempo posible.

Por supuesto, esta es una excelente manera de enseñar física. Pero va a molestar al profesor, que quiere hacer investigación. Molestará a la mayoría de los estudiantes, quienes preferirán no pensar si tienen la oportunidad y se opondrán a obtener una calificación proporcional a su capacidad. Y va a molestar a la universidad, que generalmente no está en el negocio de las personas fallidas que se niegan a pensar, y tendrá que encontrar alguna manera de inflar las calificaciones de los terceros que fracasan más o menos …

Con toda honestidad, creo que el plan de estudios de física de pregrado es bastante sólido en su forma actual. Por lo menos, por lo que he experimentado durante mi primer año en Harvard, y por lo que tengo de amigos tanto aquí como en otras universidades, la gente parece estar bastante contenta con la concepción moderna de un título de física.

De hecho, una de las grandes fortalezas del grado de física es que es un grado abierto y extremadamente flexible. Por lo que sé, todos los planes de estudios de física requieren cursos introductorios de mecánica, E&M, ondas / óptica, mecánica cuántica y las matemáticas necesarias (piense en cálculo multivariable, álgebra lineal, ecuaciones diferenciales y tal vez análisis) para entender los temas, porque Bueno, cada uno de los anteriores es verdaderamente esencial para el estudio de la física.

Sin embargo, más allá de eso, casi no hay requisitos específicos para completar una licenciatura en física, lo que deja la forma en que un estudiante configura su título después de completar la mecánica cuántica casi completamente desestructurado. Si bien se podría argumentar que esta falta de estructura es problemática para los estudiantes que no están seguros de qué hacer a continuación, la verdad es que la mayoría de las universidades cuentan con un sistema de asesoría suficiente para garantizar que dichas personas aún completen un conjunto de cursos relativamente estructurado antes de graduado.

Además, para aquellos estudiantes que tienen intereses particulares, esta configuración es ideal; el aspirante a teórico de la alta energía puede seguir adelante para comenzar a aprender sobre la teoría cuántica relativista y la física de partículas, el entusiasta de la materia condensada puede enfocar el resto de sus estudios en temas más físicos, los inclinados matemáticamente pueden tomar clases que se centren en las matemáticas inherentes a física, etc.

La única preocupación importante, o más bien sugestión, que tengo está dirigida principalmente a aquellas escuelas (como Harvard) que están en el sistema de semestre. El plan de estudios estándar de física para estudiantes universitarios, como mencioné anteriormente, incluye tres clases introductorias, lo que pone a la física en desventaja en comparación con otras especialidades en estas escuelas porque los estudiantes solo pueden comenzar a tomar clases de división superior en su campo a mediados del segundo año, en lugar de Justo al principio. En su lugar, recomendaría que los resultados más importantes (principalmente aquellos que tienen resultados análogos en mecánica cuántica introductoria) del curso de ondas y óptica se fusionen en el curso de E&M.

Otra sugerencia menor que recomendaría es que las clases de física introduzcan el Lagrangiano antes (idealmente en la primera clase de mecánica introductoria), ya que realmente es un concepto fundamental en física con el que los estudiantes deben familiarizarse lo antes posible. Si bien esto generalmente ocurre ya en las universidades de primer nivel, por lo que escucho la práctica de presentar el Lagrangiano tan temprano es mucho menos común en las escuelas estatales, etc.

De hecho, estas dos ideas se pueden sintetizar en una sola coherente: en las escuelas semestrales, cambie la estructura de los cursos introductorios de física para incluir un curso de mecánica del primer semestre que se adentre en temas más avanzados (¿quizás también hamiltonianos?) Y un segundo – Curso de E&M para el semestre que también cubre suficientes resultados relacionados con la ola que los estudiantes están preparados para la mecánica cuántica al comenzar su segundo año.

Dos cosas importantes vienen a mi mente basadas en mis experiencias como estudiante de física:

1. Creo que la educación física de pregrado (y posgrado) se beneficiaría de mayores incentivos para que los asistentes de posgrado tomen en serio la enseñanza. Sé que las universidades brindan / requieren diferentes niveles de capacitación para los asistentes de enseñanza graduados, pero me parece que a menudo la motivación para que un profesor de inglés tome en serio la enseñanza es totalmente interna (es decir, los excelentes asistentes de enseñanza graduados son excelentes porque lo consideran importante y personal) gratificante). La enseñanza debe considerarse una formación crítica para la carrera, y debe incentivarse y evaluarse como tal. Y, en mi opinión, los profesores (y los estudiantes graduados superiores) tienen la obligación de actuar como mentores cuando se trata de la enseñanza, además de la investigación. Por supuesto, el mayor motivador externo es el $$$, que es escaso y no se distribuye en grandes cantidades para recompensar a los excelentes maestros. (Supongo que es fácil para mí decirlo, dado que nunca he sido profesor de posgrado, profesor o administrador universitario, pero aún así …)
2. En una nota un tanto relacionada, encontré que el punto más débil en mi plan de estudios de física era el laboratorio de enseñanza de pregrado (en el que participé como estudiante y como asistente de docencia de pregrado). Fui a una universidad pequeña con un promedio de quizás 10 (o menos) graduados de último año en el departamento de física cada año. Se nos exigió tomar 4 semestres de cursos de física con laboratorios (Introducción a la mecánica clásica (con o sin cálculo); Introducción a la electricidad y magnetismo (con o sin cálculo); Oscilaciones, ondas y óptica; y Física moderna (física cuántica básica y la relatividad especial). Los problemas con los laboratorios de enseñanza eran dobles:

1. Los laboratorios (como en, las instrucciones / el plan) no fueron bien pensados ​​y no ayudaron a desarrollar habilidades específicas.

1. Eran completamente de procedimiento, sin dejar espacio para que los estudiantes piensen críticamente sobre cómo diseñar un experimento para investigar el concepto en cuestión.
2. Cada laboratorio fue esencialmente un experimento de un solo paso destinado a verificar alguna ley física (y luego tal vez calcular el error relativo. “Posible fuente de error: este equipo es de los ’80 ‘). (Los laboratorios más largos fueron una serie de experimentos separados de un solo paso). Creo que los laboratorios deberían consistir, al menos, en cuatro pasos: 1) concebir un experimento para medir algún parámetro o propiedad de un sistema físico (con algunas sugerencias, si es necesario) ); 2) realizar el experimento con éxito un número suficiente de veces para la precisión deseada; 3) utilice los resultados del paso 2 para hacer una predicción comprobable sobre el sistema físico; y 4) prueba la predicción hecha en el paso 3. Lo que me lleva a …
3. Análisis de datos y redacción. Los laboratorios deben ser vistos como una oportunidad para complementar el currículo en clase para desarrollar habilidades útiles / necesarias que no surgen naturalmente en las conferencias / tareas. Dos de estas habilidades muy importantes , que beneficiarán tanto a los estudiantes que planean continuar en la física como a los estudiantes que están cumpliendo con algunos requisitos científicos, son el análisis cuantitativo y la comunicación escrita de los resultados . Los estudiantes deben conocer los métodos básicos de análisis de datos en algo como MATLAB o Python (a diferencia de Excel, que era todo lo que se requería en mi escuela).

   Para las redacciones de laboratorio, creo que al menos debería haber pautas claras (incluso, ugh, una rúbrica ). Aún mejor, sin embargo, sería que los asistentes de enseñanza tomen media hora para dar una introducción a la escritura técnica / científica. Ser capaz de presentar métodos y hallazgos de manera eficaz y concisa no solo es una buena habilidad para desarrollar, sino que también hace que los laboratorios sean mucho menos dolorosos / adormecedores para calificar. Creo que usar medios de escritura no tradicionales de laboratorio como los cuadernos Jupyter / iPython puede ser una buena opción (presenta a los estudiantes a Python (+ numpy, scipy, matplotlib, etc.), [math] \ LaTeX [/ math], y Markdown ; muestra cómo se realizó realmente el análisis; puede enviarse en línea con datos originales si es necesario, lo que dificulta la “difusión” de los resultados).

   Entiendo que todas estas sugerencias requieren tiempo y energía / recursos que pueden no estar disponibles. Pero el punto es que los laboratorios de enseñanza de pregrado pueden ser mejorados estructuralmente en gran medida.

Agregaré que creo que hay un sólido argumento pragmático para invertir el tiempo, la energía e incluso el dinero necesario para fortalecer un programa de laboratorio de enseñanza de pregrado. Los estudiantes competentes y experimentados en habilidades experimentales prácticas básicas, como reducción / análisis de datos, diseño experimental y redacción técnica, se convertirán más rápidamente en un activo positivo neto para un grupo de investigación. La presencia de estudiantes universitarios con mayor capacidad experimental en el grupo permite a los estudiantes graduados ser más productivos en su propia investigación, lo que a su vez se refleja bien en los profesores.