Füüsika kraadi loomine tulevikuks: viis põhiküsimust, millele peame vastama

Maailm on alati muutuvas olekus – ja mitte rohkem kui praegu. Osaliselt COVID-19 pandeemia vallandatud on selge, et uued tehnoloogiad, nagu telemeditsiin, digitaalsed maksed ja tööstusautomaatika, liiguvad kiiremini kui kunagi varem. Samuti peame leidma viise, kuidas majandust dekarboniseerida, tegeleda vananeva elanikkonnaga ja kasutada tehisintellekti jõudu.

Neid väljakutseid silmas pidades on ülioluline, et ülikoolid annaksid üliõpilastele õiged teadmised ja oskused, et nad saaksid luua ja arendada järgmise põlvkonna tehnoloogilisi lahendusi homsete probleemide lahendamiseks. Oma ainulaadse kombinatsiooniga kõrgetasemelistest teaduslikest teadmistest, arvutamisoskusest ja probleemide lahendamise oskustest on füüsikutel hea positsioon nende vajaduste rahuldamiseks paljudes kõrgtehnoloogilistes tööstusharudes.

Füüsikud jäävad aga sageli laiemast alla tõlkimisoskused, nagu tõhus suhtlemine, meeskonnatöö, loovus ja oskus leida keerulistele probleemidele valdkonnaüleseid lahendusi. Lisaks jäetakse traditsiooniliste füüsikakraadide puhul sageli tähelepanuta asjaolu, et paljud füüsikud ei jõua akadeemilistesse või füüsikaspetsiifilistesse rollidesse. Selle asemel liiguvad nad sellistesse valdkondadesse nagu tootmine, energeetika, rahandus ja õpetamine, kus nad peavad rakendama oma teadmisi viisil, mida neile pole õpetatud.

Pedagoogide jaoks on suur väljakutse tagada piisaval hulgal füüsika lõpetanutel õigete oskuste kombinatsioon. Seetõttu on meeldiv, et Füüsika Instituut (IOP) oma selle läbi vaatas kraadi akrediteering raamistik 2022. aastal, et julgustada ülikoole kavandama paindlikumaid füüsikakraade. Osakonnad, kes soovivad IOP akrediteerimist, peavad nüüd muutma tõlkeoskused silmapaistvamaks, pannes samal ajal võrdselt rõhku teadmistele ja oskustele.

Uus raamistik peaks tagama füüsika lõpetanute parema ettevalmistuse töömaailmaks. See annab neile oskuste klastrid – tõlke- ja tehniliste oskuste kombinatsioonid, mida kõrgharidusega tööandjad hindavad ja mida saab kasutada paljudes erinevates karjäärides. Samuti julgustab see ülikoole õpetama ja hindama uuenduslikke viise. Füüsikud, kes suunduvad näiteks finantstehnoloogia, küberjulgeoleku või IT valdkonda, vajavad lisaks põhiliste füüsikateadmistele ka andmeteaduse ja masinõppe oskusi.

Samuti näeme täiesti uute haridusmudelite tekkimist, mis seavad proovile traditsioonilise kraadiõppe struktuuri. Stanfordi ülikooli mõtteeksperiment Stanford 2025, sama hästi kui UA92 Manchesteris ja 01 Asutajad Londonis on kõik loodud selleks, et meelitada ligi erineva taustaga õpilasi ja vastama paremini tööandjate vajadustele. Selle asemel, et keskenduda ainult sellele, mida õpilased õpivad, keskenduvad nad üha enam sellele, kuidas õpilasi õpetatakse ja hinnatakse.

Aga kuidas näeks välja füüsikakraad, kui alustaksime uue ülikooliga või uue kursusega täiesti nullist? Kuidas saaksime füüsikakursused ümber kujundada, et need vastaksid rohkem oskustele, mida füüsikatudengid ja tööandjad vajavad? Ja mida me saame õppida sellest, kuidas kraadid olid sunnitud pandeemia ajal kohanema? Millised muudatused olid tõhusad ja millised mitte?

Need olid mõned teemad, mida lõpetanud värbajad ja ülikoolifüüsikud arutasid 2021. aastal toimunud silmasisese silmasisese rõhu toetatud veebiseminaride seeria käigus. Korraldaja Ühendkuningriigi Kagu füüsika võrk (SEPnet) ja Valge Roosi Tööstusfüüsika Akadeemia (WRIPA) tõstatasid veebiseminarid mõned põnevad küsimused, mille me siin kokku võtame. Kuna COVID-19 pandeemia taandub tagaplaanile, on siin viis olulist küsimust, mida peame endalt küsima, kui tahame tuleviku füüsikakraadi luua.

1. Kuidas õpetada õpilasi lahendama avatud, tundmatuid probleeme?

Tööandjad soovivad koolilõpetajaid, kes suudavad lahendada probleeme, mis ei pruugi olla hästi püstitatud või peituvad konkreetses teadusvaldkonnas. Kuid need, kes värbavad füüsikuid, kommenteerivad sageli, et kandidaadid võitlevad avatud küsimustega. See puudujääk võib olla tingitud füüsika kraadide traditsioonilisest „moodulipõhisest“ olemusest, kus iga hindamine testib õpilasi ainult selle põhjal, mida nad teavad ühest konkreetsest teemast.

Võtke näiteks optika. Õpilasi õpetatakse ja hinnatakse sageli selliste teemade järgi nagu difraktsioon ja interferomeetria, mis tähendab, et nad teavad ainult, kuidas lahendada teatud viisil kujundatud küsimusi. See on õpetamismeetod, mis tugevdab nn silotud mõtlemist, kusjuures õpilased ei mõista – ega tea –, et optika on väga oluline ka sellistes valdkondades nagu robootika, täiustatud juhiabisüsteemid ja tervishoid.

Alternatiivne lähenemine oleks see, et õpilastele tutvustatakse korraga mitut teemat, kusjuures hinnangud põhinevad kogu eelneval õppimisel. See "programmi tasemel" või "portfelli hindamise" meetod võib võimaldada õpilastel luua uusi sidemeid eri valdkondade vahel ja aidata neil loovamalt mõelda võõraste probleemide lahendamise viisidele.

Probleemipõhise õppe (PBL) programme pakuvad juba mitmed asutused, näiteks Maastrichti ülikool Hollandis ja uues kodeerimiskolledžis 01 Asutajad Ühendkuningriigis. Siin töötavad õpilased väikestes rühmades, et lahendada reaalseid probleeme, mis hõlmavad nelja peamist õppimispõhimõtet. Nad loovad teadmisi kogemustest, mitte tavaõppest ("konstruktiivne haridus") ning rakendavad teadmisi ja oskusi ühiskondlike väljakutsete lahendamisel ("õppimine asjakohases kontekstis"). Samal ajal tähendavad „kollektiivõpe” ja „enesejuhtiv haridus” seda, et õpilased õpivad kaaslastelt ja hakkavad ise oma haridust juhtima.

Tulevase füüsikakraadi silmas pidades võiks PBL-programm tähendada üliõpilasi, kes osalevad ühes grupiprojektis semestri jooksul, mille jooksul nad rakendavad oma õpitut, et lahendada teadus- või tehnilisi probleeme, mis põhinevad globaalsetel väljakutsetel, mis võivad tekkida ettevõtete poolt. Õpilased arendavad erinevaid oskusi, nagu projektijuhtimine, aruannete kirjutamine, suhtlemine ja koostöö, samuti loovalt mõtlema, et lahendada avatud probleeme.

Samuti arvame, et füüsikaõpetajad saavad õppida oma insenerikolleegidelt. Liiga sageli eeldatakse, et füüsikud jäävad akadeemilisse ringkonda, üliõpilased püüavad saada parimaid hindeid ja ülikoolid kinnitavad ideed, et akadeemiline tipptase on ainus oluline võimete mõõt. Ülikoolivälistes rollides on edu saavutamiseks vaja aga enamat kui lihtsalt akadeemilist võimekust.

Insenerid on töö tegelikkusest palju teadlikumad. Lisaks mitmesuguste teaduslike põhimõtete rakendamisele keskenduvate õpetamismeetodite kasutamisele teevad paljud inseneri kraadid palju paremat tööd tööstusega suhtlemisel ja õpilaste ettevalmistamisel mitmesugusteks karjäärideks. Vajame oma tulevastesse füüsika kraadidesse palju suuremat panust, et tagada lõpetajatele ettevõtetele vajalike oskuste pakkumine.

2. Kuidas me arvestame õpilaste erinevaid õpistiile?

Eelistatud õppemeetod ülikoolides, eriti puhastes teadustes, on pikka aega olnud traditsiooniline loeng. COVID-19 pandeemia sundis osakondi aga proovima erinevaid lähenemisviise, sealhulgas veebiseansse. See ei ole olnud sujuv, mõnel bakalaureuseõppe üliõpilasel on isegi õppemaks tagasi makstud, kuna nad esitasid kaebusi õppetöö halva kvaliteedi kohta.

Kuid kasu on olnud. Näiteks näivad mõned õpilased olevat rohkem kaasatud ja esitavad tõenäolisemalt vestluskastis küsimusi kui siis, kui loeng oleks näost näkku. Digiõpe on aidanud ka neid, kellel on teatud puue või kes seisavad silmitsi pikkade pendelrännetega. Veelgi enam, kuna veebiloengud salvestatakse tavaliselt koos märkmetega, võib hiljem salvestatud materjali juurde naasta õppimise tugevdamiseks.

Liigne sõltuvus veebi- ja salvestatud materjalidest võib aga raskendada õpilastel vajalike ressursside valimist ja tähtsuse järjekorda seadmist. Lisaks ei tegele mõned õpilased veebipõhise õppimisega, vaid lihtsalt "lülituvad välja" otsesessioonide ajal. Ilma näost näkku suhtlemiseta kaotavad õpilased võime suhelda oma eakaaslastega ja arendada oma sotsiaalseid oskusi.

Samuti on muutunud viis, kuidas bakalaureuseõppe üliõpilased õpivad ja õpivad. Õpikuid kasutavad nad harva, samas kui raamatukogud on praegu rohkem väärtustatud õppimise kohana kui õppematerjalide juurde pääsemise kohana. Õppematerjalid on muutunud olulisemaks, et õpilased saaksid üksteise ja töötajatega isiklikult kohtuda. Need sobivad suurepäraselt rühmadele, et koos töötada, et lahendada reaalseid probleeme, suurendades nii nende tööalast konkurentsivõimet kui ka sotsiaalseid oskusi.

Kuid see ei puuduta ainult õpilasi; ka akadeemikud muutuvad. Kuna töötajad ja üliõpilased naasevad ülikoolilinnakusse, on akadeemikud tunnistanud hübriidse õpetamisvormi kasulikkust, et kaasata rohkem bakalaureuseõppe üliõpilasi. Kohandatud Netflixi tüüpi pakkumine, mis sisaldab nii isiklikke kui ka virtuaalseid seansse, võib aidata rahuldada suurema hulga õpilaste individuaalseid õppimisvajadusi ja -eelistusi sama sisu katmiseks.

3. Kuidas saame hinnata õpilaste võimet väljakutsetega toime tulla ja oma teadmisi rakendada?

Traditsiooniliselt hinnati füüsikatudengeid kinnise raamatuga eksamitega, kus nad istusid kindla aja eksamisaalis ja testiti kõike, mida nad ühes konkreetses aines teavad. Kuid pandeemia ajal veebipõhisele õppele üleminekuga on õpetajad sunnitud proovima uusi lähenemisviise, et saada paremini aru õpilase võimetest ja potentsiaalist.

Näiteks pidev hindamine on mõnel juhul kasutusele võetud regulaarsete veebiviktoriinide ja "mängulisuse" kaudu, et mõõta edusamme ja tuua esile lünki arusaamises. Võimalik, et tulevikus võidakse sama akadeemilise sisu hindamiseks kasutada erinevaid veebipõhiseid hindamismeetodeid (nt reflekteerivad ajakirjad või lapitöö hindamine), et see sobiks õpilaste eelistatud õpistiiliga.

Aga kas me peaksime kaugemale minema? Miks me ei hinda õpilasi nende õppimise sügavuse (teisisõnu nende oskuse järgi õppimist erinevates kontekstides üle kanda ja rakendada), mitte selle järgi, kuidas nad lihtsalt koguvad teavet, et jõuda järgmisele õpetamistasemele?

See alternatiivne õppimismudel juba on olemas algkoolides, kus erinevas vanuses õpilased istuvad erinevatesse gruppidesse sõltuvalt nende võimest täita teatud ülesandeid, mis vastavad "meisterlikkuse tasemele", selle asemel, et neid vanuse järgi eraldada. Enne uue ülesande juurde asumist peavad õppijad demonstreerima meisterlikkust ühikutestides, saavutades tavaliselt 80% hinde. Meisterlikkuse õppimist võib määratleda kui teema sügavat mõistmise taset, mida säilitatakse ja mida saab aja jooksul meelde tuletada.

Seevastu ülikooliõpilased, kes sooritavad traditsioonilisi "kokkuvõtvaid" teste, peavad järgmisele õppeaastale liikumiseks oma eksamitest tavaliselt saama vaid 50%. Selle lähenemisviisi probleem on see, et õpilased saavad sageli pealiskaudsed ja pinnapealsed teadmised. Veelgi enam, nad unustavad sageli teabe ega suuda seda erinevates kontekstides rakendada. See ei ole kasulik tööandjatele, kes soovivad lõpetajaid, kes suudavad teha enamat kui lihtsalt fakte ja teavet meelde jätta.

Kui algkoolides kasutatav mudel võeti kasutusele ülikoolis, jätkaksid õpilased õppimise ja testimise tsüklit seni, kuni meisterlikkuse kriteeriumid on täidetud. Need, kes seda sügavamat mõistmise taset ei saavuta, saaksid täiendavat tuge näiteks juhendamise, kaaslaste abiga õppimise või väikestes rühmades toimuvate arutelude kaudu.

4. Kas tehnoloogiat saab kasutada laboritöö tõhustamiseks või asendamiseks?

Kui tegemist on eksperimentaalse tööga, on üliõpilased tavapäraselt pandud osalema silmast-silma laborisessioonidel, kus nad töötavad läbi konkreetsete tuntud katsete. Lisaks praktiliste oskuste arendamisele annavad need tunniplaaniga tunnid õpilastele oma tööpäeva struktuuri, aidates neil aega planeerida ja hallata ning võimaldavad rühmatööd ja sotsiaalset suhtlust. Pandeemia sundis füüsikaosakondi seda lähenemisviisi peaaegu üleöö ümber hindama ja veebimaailma katseid kiiresti ümber kujundama.

Mõned paremate vahenditega ülikoolid suutsid pakkuda õpilastele individuaalseid komplekte, samas kui teised toetusid videoesitlustele. Üks osakond (mis soovib jääda anonüümseks) pakkus mõnele oma üliõpilastele sotsiaalselt distantseeritud, näost näkku laborisseansse, samas kui teised osalesid veebipõhises virtuaalses laboritöös. See lähenemisviis, kuigi ressursimahukas ja väljakutseid pakkuv, andis huvitavaid tulemusi.

Eeldati, et veebis töötavatel õpilastel on vähem väärtuslikud kogemused kui laboris. Siiski selgus, et need samad õpilased nautisid omaette töötamist, eriti kuna nad said endiselt suhelda teistega, et vestlusfoorumite kaudu mõtteid vahetada. Selle tulemusena otsustas see osakond jätkata selle lähenemisviisiga digitaallabori õpetamisel.

Mõne konkreetse õppimisstiili või -vajadusega õpilase jaoks on virtuaalsed laborid lihtsalt tõhusamad. Avatud Ülikool – mis paneb oma tudengid virtuaalselt läbi katseid tegema OpenSTEM Labs liides – on samuti leidnud, et see meetod võimaldab õpilastel oma vigadest õppida. Isikliku õpetamise laborites pole sageli aega vigu teha või katseid korrata, nagu teeksite päris uurimistöös. Virtuaalsed platvormid pakuvad seda paindlikkust ja annavad otseülekande kaudu vigade kohta tagasisidet.

Tulevase füüsikakraadi jaoks tundub hübriidne lähenemine koos virtuaalsete ja isiklike katsete kombinatsiooniga hädavajalik. Õpilased võiksid näiteks kasutada veebi, et oma katseid enne tundi planeerida, et nende laboris veedetud aeg oleks rohkem keskendunud ja hõlmaks rohkem rühmatööd. Nad saaksid kasu reaallabori kogemusest saadavatest praktilistest ja sotsiaalsetest eelistest, parandades samal ajal ka oma iseseisvat õppimist.

Vähendatud laboris viibimise aeg oleks ka ülikoolide jaoks odavam ja vabastaks elutähtsa laboriruumi muudeks tegevusteks. Teame, et füüsika on kallis kraadiõpe ja kvaliteetsete virtuaalsete eksperimentide kaasamine, eriti füüsikakraadi alguses, võib olla ülioluline, et näidata, et ülikool on teistega võrreldes ees.

5. Kuidas meelitate ja toetate mitmekesist füüsika üliõpilaste ja töötajate kogukonda?

Enamik ettevõtteid mõistab, et mitmekesine ja kaasav tööjõud võib viia paremate ideede, otsuste tegemise ja eduni. Nad mõistavad, kui oluline on jõuda laiema talentide hulka, et meelitada ligi parimaid lõpetajaid, ning vaadata üle oma värbamisprotsessid ja töökeskkonnad, et tagada nende kaasamine.

Ülikoolid peavad sama tegema. Kõrgharidus on ülimalt konkurentsivõimeline, kraadiõppes mõõdetakse ja hinnatakse üha enam lõpetajate töökoha edukust ja üliõpilaste rahulolu hinnanguid. Ülikoolid peavad tagama, et nad pakuvad tõeliselt kaasavat keskkonda, et meelitada ja toetada paremini igasuguse taustaga andekaid üliõpilasi ning võimaldada neil oma potentsiaali täielikult ära kasutada.

Täpsemalt peavad ülikoolid tegema rohkem alaesindatud rühmade, sealhulgas puuetega inimeste, vähemuskogukondade ja madalama sotsiaal-majandusliku taustaga inimeste jaoks. Tõepoolest, Ühendkuningriigi uuringud on leidnud sotsiaalse suhtlemisraskustega, sealhulgas autismispektri häirega õpilasi. Lõpetajate karjäärinõustamisteenuste ühendus olla kõige vähem tõenäoline, et kõik puuderühmad töötavad täistööajaga ja kõige tõenäolisemalt töötu. See on eriti murettekitav füüsikute jaoks, sest andmed viitavad sellele, et sotsiaalsete või suhtlemispuudega õpilased seda teevad sagedamini leidub füüsikaprogrammides kui ükski teine ​​bakalaureuseõppe aine.

Mida saame siis teha puuetega ja õpivajadustega ülikooliõpilaste toetamiseks? Kui kooliõpilastele antakse tavaliselt haridus-, tervishoiu- ja hoolduskava (EHCP), siis bakalaureuseõppe üliõpilasi sellisel viisil üldiselt ei hinnata. Ja isegi kui ülikoolile antakse teavet üliõpilase puude või õppimisvajaduste kohta, ei jagata seda sageli õppejõudude ja osakondadega konfidentsiaalsusega seotud murede tõttu.

Seetõttu tuleb töötajaid koolitada, et nad saaksid probleeme märgata ja suunata üliõpilastele asjakohast abi ja tuge. Samuti peame leidma viise, kuidas jagada teavet üliõpilaste õppimisvajaduste kohta ülikooli astumisel, julgustades samal ajal õpilasi endid teatama oma puudest.

Füüsika kraadid peavad ka palju rohkem ära tegema, et meelitada ligi erineva taustaga õpilasi juurdepääsuvõimaluste laiendamine parimate talentide ligimeelitamiseks. Teatavaid edusamme on tehtud, enamikul füüsikaosakondadel on juba väljakujunenud võrdõiguslikkuse, mitmekesisuse ja kaasamise (EDI) komiteed ja poliitikad. Peame aga tagama, et ka töötajad ise oleksid väga erineva taustaga. Nad tegutsevad eeskujude ja mentoritena ning on oluline, et töötajad osaleksid EDI algatustes. Kuid me peame vältima seda, et need, kes kuuluvad alaesindatud rühmadesse, võtaksid kogu vastutuse mitmekesisuse probleemide lahendamise eest. Suurema hulga töötajate volitamine mitmekesisuse küsimuste eest vastutama tähendab, et töö ei jää vaid mõnele spetsialistile, vaid seda jagavad paljud inimesed.

Mida siis tuleviku füüsikakraad pakub?

Seoses muutuva tööturu, digitaaltehnoloogia kasvu ja mitmekesisuse probleemide suurema teadlikkusega peavad füüsika kraadid arenema.

Tööandjad soovivad üha enam hea meeskonnatöö ja probleemide lahendamise oskusega lõpetajaid ning neid on võimalik anda akadeemiliselt rangete füüsikakraadide kaudu. Tegelikult ei taha ettevõtted, et füüsikakraade mingil viisil "loimetaks". Selle asemel peavad õpetajad mõtlema, kuidas neid oskusi õppekavasse lisada, et valmistada õpilasi ette oma teadmisi tööl paremini rakendama.

Lisaks luuakse kogu kõrgharidussektoris uusi õpetamisviise ja erinevaid ülikoolimudeleid, et meelitada ligi kõiki üliõpilasi ja rahuldada nende vajadusi. Need uued lähenemisviisid õppekavade kujundamisele koos muudatustega IOP akrediteerimisprotsessis pakuvad ideid selle kohta, kuidas füüsikakraad saaks areneda, et varustada iga õpilast tulevaste tööturgude jaoks vajalike oskuste ja teadmistega.