Beregningsorientering i fysikkutdanning

Abstract

Realfagsutdanningen blir i større og større grad påvirket av teknologisk utvikling for å tilpasse seg arbeidslivets behov. Moderne teknologi gir mulighet for folk flest til å gjøre enorme beregninger, og det er av stor nytte i fysikkutdanningen. Ved å utnytte datamaskiners evne til å gjøre store beregninger, kan generelle likninger omformes til numeriske uttrykk for å simulere virkelige hendelser. I den forbindelse har programmering blitt en grunnleggende del av ingeniørutdanningen. Men programmering er et omfattende fagområde som det er krevende å bli komfortabel med. For studentene kan introduksjonen av programmering fort oppleves som nok et element man skal mestre, i et utdanningsprogram som oppleves krevende nok i utgangspunktet. Dessuten er det ikke nok at studentene bare lærer seg å programmere, de må også kunne koble programmeringsferdighetene sine til fysikk og beregningsorientering. Denne masteroppgaven inntar perspektivet til fysikkstudentene som sitter midt i prosessen med å lære seg programmering, matematikk og fysikk, alt på en gang. For å gjøre dette er det først lagd en spørreskjemaundersøkelse der en stor gruppe fysikkstudenter spørres om ulike aspekter ved deres motivasjon for å drive med beregningsorientert fysikk. Deretter intervjues et utvalg av studenter individuelt for å få en dypere forståelse for hvordan beregningsorientert fysikk oppleves for enkeltindividet. På den måten bidrar prosjektet til økt innsikt i hvordan en fysikkutdanning kan gi studentene det de trenger for å møte samfunnets krav på en måte som opprettholder studentenes motivasjon gjennom hele studiet. Masteroppgaven baserer seg på at sentrale faktorer for motivasjon er tanker om egne ferdigheter, interesse, nytte og kostnad. Den konkluderer med at mange fysikkstudenter opplever redusert mestringsforventning i løpet av det første studieåret og at dette er knyttet til et sprik i nivå mellom ulike emner og manglende opplæring i forkant av programmeringsoppgavene. Studentenes interesse for beregningsorientering er derimot jevn og høy i de første studieårene. Det anbefales å gjøre beregningsorientering mer integrert i fysikkemner ved å inkludere opplæring i å løse beregningsorienterte oppgaver i undervisningen, gjøre de beregningsorienterte oppgavene mer relatert til resten av pensum eller ha beregningsorienterte oppgaver på eksamen.

Science education is to a greater and greater degree affected by technological developments to adjust to the demands of working life. Modern technology grants most people the ability to perform large computations, which is of great use in the physics education. Traditional physics are based on general equations that describe relationships in nature on a general level. By taking advantage of computers’ ability to perform large computations, these general equations are transformed into numerical expressions that can simulate real events. That is why programming has turned into a fundamental part of engineer educations. However, programming is a large field of study that cannot be learned over night. Physics education was already packed with material for students to deal with, it is not a trivial matter to find space for programming in that package. And it is not sufficient for students to just learn general programming, they additionally must be able to apply their programming skills to physics and computations. This master’s thesis sees through the lens of the physics students that are in the middle of the process of learning programming, mathematics and physics, all at once. In order to do so, I have made a questionnaire survey where a large group of students were asked about various aspects of their motivation for doing computational physics. Afterwards, students were interviewed in order to obtain a deeper understanding in how single individuals experience computational physics. Thus this project yields an increased insight in how physics education can give the students what they need to meet the requirements of society in a way that maintains their motivation throughout the course of the education. The master’s thesis is based on that key aspects of motivation are views about one’s own competence, interest, utility and cost. It concludes that many physics students go through a decreased expectancy for success during their first year of study and that this is connected to a level gap between the courses and a lack of instructions before each programming exercise. On the other hand, the students’ interest for computational physics is consistently high during the first years of studying physics. It is recommended to make computational physics more integrated in physics courses by teaching how to solve computational exercises in the lectures, connecting the computational assignments more to the rest of the curriculum or having computational assignments in the exams.