Spring til indhold
Forside » Nyheder » Mathcad Hvidbog: Modeling Science Learning ved Utah State University

Mathcad Hvidbog: Modeling Science Learning ved Utah State University

    Fysisk afdeling tager integreret tilgang til undervisning og læring med Mathcad

    "Formidlingen af ​​ideer fra den ene bruger til den næste er så intuitiv at bruge Mathcad. Det er også utroligt stærkt.”

    Professor JR Dennison fra Utah State University har brugt Mathcad for forskning i overfladevidenskab og materialers fysik i mere end 15 år. Med et halvt dusin studerende involverer hans nuværende forskning elektronemission, amorfe materialer og absorption af sjældne gasatomer på kulstof. I løbet af de sidste par år brugte to af hans elever Mathcad at udføre alle deres beregninger til deres afhandlinger.

    "Mathcad version 2 fangede mit øje i 1986,” huskede Dennison. “Jeg elskede det faktum, at det kombinerede aktiv matematik og dokumentation på samme sted. Det er virkelig, hvad du ser, hvad du får. Formidlingen af ​​ideer fra den ene bruger til den næste er så intuitiv at bruge Mathcad. Den er også utrolig kraftfuld. En af mine kandidatstuderende skrev alle sine udregninger ind Mathcad. Det tog et godt stykke tid at få tal, fordi de var så omfattende, men meget lidt tid til at skrive op og fejlrette."

    Og det er kun toppen af ​​isbjerget...

    "Vi bruger Mathcad i vores afdeling på en nogenlunde struktureret og sammenhængende måde. Alle fysikfag, inklusive dem, der studerer til gymnasielærere, lærer Mathcad i et kursus på andet niveau kaldet 'Introduktion til videnskabelig databehandling.' Det er en klasse på tre kredittimer, og næsten al den tid er afsat til at arbejde i Mathcad. Vores mål er at give dem "branchens redskaber" tidligt i deres akademiske karriere, så de kan finpudse dem i efterfølgende kurser i den øvre afdeling og bachelorforskning."

    Kurset opstod med en statsdækkende indkaldelse af forslag til fjernundervisningsmodeller i 1995. Dennison og mangeårige samarbejdspartner, professor Mark Riffe, opnåede en Utah Higher Education Technology Initiative Grant med deres forslag.

    "Oprindeligt var materialet målrettet det algebra-baserede niveau for gymnasielærere, men det blev hurtigt klart, at kurset også passede godt til vores hovedfag."

    Kurset kombinerer grundlæggende problemløsningsmetoder med fysikprincipper i arbejdsark indsamlet som en Mathcad E-bog. I 1997 blev kurset ved hjælp af E-bogen vedtaget som et krav for alle fysikstuderende.

    ”Nu begynder vi at få interesse for kurset på tværs af campus – inden for datalogi og teknik. Omkring en tredjedel af eleverne er fra datalogi. Det er en af ​​et par klasser Computer Science-studerende kan bruge til at opfylde deres programmeringskrav på højt niveau. I Scientific Computing har de en chance for at lege med matematikken. Det er en fremragende oplevelse for dem, og vi får mange positive tilbagemeldinger.” Kurset undervises nu tre gange om året, mere end noget andet kursus, der tilbydes i fysikafdelingen.

    En tidligere studerende, der endte på ATK Thiokol Propulsion, sagde, at de udvikler deres ekstremt sofistikerede numeriske kode i Mathcad, ved at bruge det som et beregningsmæssigt 'brødtavle'; de får alt til at fungere i Mathcad miljø først, før du går over til FORTRAN eller et andet højhastighedssprog. Dennison siger: "Den tid, de sparer i udviklingen, er værd at kode den på to forskellige sprog. Datalogistuderende, der tager kurset Scientific Computing, får en lignende 'bread boarding'-oplevelse."

    Når eleverne har gennemført kurset i Scientific Computing, er de klar til brug Mathcad i andre klasser i fysikafdelingen.

    "Vi bruger Mathcad i et kursus kaldet 'Introduktion til Wave Phenomenon', et kursus på sophomore/junior niveau, som virkelig er en undskyldning for at undervise i matematisk fysik, herunder en introduktion til numeriske metoder, symbolsk matematik, differentialligninger, matricer og kompleks analyse. Elevevalueringer vurderer Mathcad komponent som en af ​​de allerbedste dele af denne udfordrende klasse."

    Eleverne bliver også udsat for andet Mathcad intensive ressourcer til at forbedre deres læring. Dennison siger: "Vi gør især brug af Mario Ancona-bogen, Computational Methods for Applied Science and Engineering: An Interactive Approach and Visual Electromagnetics with Mathcad af Keith W. Whites; de passer fint sammen med den matematik, som vi introducerer i Waves-kurset.”

    Anvendelse af Mathcad er udvidet i andre øvre divisionsklasser, især i de øvre divisions laboratoriekurser. De fleste instruktører i øvre divisionsklasser såsom elektricitet og magnetisme, klassisk mekanik, optik og termodynamik tildeler problemer, der forventer, at eleverne har Mathcad færdigheder til deres rådighed. Dennison bemærker, "De numeriske og symbolske evner udvider dramatisk niveauet af sofistikering af problemer, der kan behandles, og bringer kurserne meget tættere på komplekse problemer i den virkelige verden."

    Ud over fakultetet, kandidatstuderende og bachelorstuderende har professorerne Dennison og Riffe tændt lokale gymnasielærere til Mathcad. Hvert år leder de fysikafdelingen i et forlystelsesparkfysikopsøgende program kaldet USU Physics Day at Lagoon.

    "Vi startede det for 14 år siden, og nu har vi i gennemsnit over 5,000 gymnasie- og mellemskoleelever ved den årlige Lagoon Day-begivenhed. En vigtig del af det omfattende pensum i forlystelsesparkens fysik, vi har udviklet til lokale mellem- og gymnasielærere, til brug før eller efter begivenheden, er Mathcad simuleringer af marmorrutschebaner, legeredskaber og forlystelser i forlystelsesparken. Fysikkens Dag har vist sig at være en sjov og populær aktivitet og en god måde at bevare kontakten til lærerne på. Hele afdelingen deltager, inklusive et flertal af fakultetet og en flok studerende.”

    Sponsorer omfatter Boeing, Clark Planetarium, Dupont Holographics, Mathsoft, Navy, Raytheon, S&S Power (en rutsjebanebygger), ATK Thiokol Propulsion, Rocky Mountain og Idaho NASA Space Grant Consortiums og Utah State University. Arrangementet afholdes i fællesskab med Idaho National Energy and Environmental Laboratory.

    Dennison bemærker, at deres opsøgende program, både Lagoon Day-arrangementet og efteruddannelse udført i løbet af sommeren, har tilskyndet til en masse fysikaktivitet i de lokale skoler.

    "En lærer på en nærliggende skole fortalte mig: 'Hvis jeg kan meddele over samtaleanlægget, at fysikstuderende skal til Lagoon, fordobler jeg min tilmelding. Og jeg kan ikke undervise dem i fysik, medmindre de tilmelder sig klassen. Den skole er gået fra én fysiklærer på deltid til tre fysiklærere på fuld tid i løbet af de sidste femten år.”

    Faktisk har Utah State et meget stringent læreruddannelsesprogram, der involverer fremtidige lærere i naturvidenskabelige aktiviteter på afdelingsniveau. "Programmet er fremragende," siger Dennison. "De fysikundervisningsfag og endda sammensatte naturfagsundervisere ved virkelig, hvad de laver. Al fysikundervisning for de kommende lærere foregår i Fysikafdelingen frem for i uddannelsesforløbet. Så alle uddannelsesfag er aktive i afdelingen og engagerer sig. Faktisk er der en masse cross-over mellem hovedfag i fysik og hovedfag i fysik, indtil de endelig beslutter sig for, hvilken retning de skal tage."