Hoppa till innehåll
Start » Nyheter » Mathcad White Paper: Modeling Science Learning vid Utah State University

Mathcad White Paper: Modeling Science Learning vid Utah State University

    Fysiska institutionen tar ett integrerat förhållningssätt till undervisning och lärande med Mathcad

    "Kommunikationen av idéer från en användare till nästa är så intuitiv att använda Mathcad. Det är otroligt kraftfullt också.”

    Professor JR Dennison vid Utah State University har använt Mathcad för forskning inom ytvetenskap och materialfysik i mer än 15 år. Med ett halvdussin studenter handlar hans aktuella forskning om elektronemission, amorfa material och absorption av ädelgasatomer på kol. Under de senaste åren använde två av hans elever Mathcad att utföra alla sina beräkningar för sina avhandlingar.

    "Mathcad version 2 fångade mitt öga 1986,” mindes Dennison. "Jag älskade det faktum att det kombinerade aktiv matematik och dokumentation på samma plats. Det är verkligen vad du ser är vad du får. Kommunikationen av idéer från en användare till nästa är så intuitiv att använda Mathcad. Det är otroligt kraftfullt också. En av mina masterstudenter skrev in alla sina beräkningar Mathcad. De tog ganska lång tid att siffra, eftersom de var så omfattande, men väldigt lite tid att skriva upp och felsöka.”

    Och det är bara toppen av isberget...

    "Vi använder Mathcad på vår avdelning på ett ganska strukturerat och sammanhängande sätt. Alla fysikinriktningar, inklusive de som studerar till gymnasielärare, lär sig Mathcad i en andraårskurs som heter "Introduktion till vetenskaplig beräkning." Det är en klass på tre kredittimmar och nästan all den tiden ägnas åt att arbeta i Mathcad. Vårt mål är att förse dem med "branschens verktyg" tidigt i sin akademiska karriär, så att de kan finslipa dem i efterföljande kurser i övre avdelningen och grundforskning."

    Kursen startade med en statlig utlysning av förslag till modeller för distansutbildning 1995. Dennison och mångårig medarbetare, professor Mark Riffe, fick ett Utah Higher Education Technology Initiative Grant med sitt förslag.

    "Ursprungligen var materialet inriktat på algebrabaserad nivå för gymnasielärare, men det blev snabbt uppenbart att kursen också passade bra för våra huvudämnen."

    Kursen kombinerar grundläggande problemlösningsmetoder med fysikprinciper i arbetsblad samlade som en Mathcad E-bok. 1997 antogs kursen med E-boken som ett krav för alla fysikstudenter.

    ”Nu börjar vi få intresse för kursen över hela campus – inom datavetenskap och teknik. Ungefär en tredjedel av eleverna är från datavetenskap. Det är en av ett par klasser som datavetenskapsstudenter kan använda för att uppfylla sina programmeringskrav på hög nivå. I Scientific Computing har de en chans att leka med matematiken. Det är en utmärkt upplevelse för dem, och vi får mycket positiv feedback.” Kursen ges nu tre gånger per år, mer än någon annan kurs som erbjuds på fysikavdelningen.

    En före detta student som hamnade på ATK Thiokol Propulsion sa att de utvecklar sin extremt sofistikerade numeriska kod i Mathcad, använder den som en beräknings "brödbräda"; de får allt att fungera i Mathcad miljö först, innan du går över till FORTRAN eller något annat höghastighetsspråk. Dennison säger: "Den tid de sparar i utvecklingen är väl värd att koda den på två olika språk. Datavetenskapsstudenter som går kursen Scientific Computing får en liknande "bread boarding"-upplevelse."

    När eleverna har slutfört kursen i Scientific Computing är de redo att användas Mathcad i andra klasser på fysikavdelningen.

    "Vi använder Mathcad i en kurs som heter 'Introduktion till vågfenomen', en kurs på andranivå/juniornivå, som verkligen är en ursäkt för att lära ut matematisk fysik, inklusive en introduktion till numeriska metoder, symbolisk matematik, differentialekvationer, matriser och komplex analys. Studentutvärderingar betygsätter Mathcad komponent som en av de allra bästa delarna i denna utmanande klass.”

    Eleverna utsätts också för annat Mathcad intensiva resurser för att förbättra sitt lärande. Dennison säger, "Vi använder särskilt Mario Anconas bok, Computational Methods for Applied Science and Engineering: An Interactive Approach and Visual Electromagnetics with Mathcad av Keith W. Whites; de passar bra ihop med matematiken som vi introducerar i Waves-kursen.”

    Användning av Mathcad utökas i andra övre divisionsklasser, särskilt i övre divisionens labbkurser. De flesta instruktörer i övre divisionsklasser som elektricitet och magnetism, klassisk mekanik, optik och termodynamik tilldelar problem som förväntar sig att eleverna ska ha Mathcad färdigheter till sitt förfogande. Dennison noterar, "De numeriska och symboliska förmågorna utökar dramatiskt nivån av sofistikering av problem som kan behandlas, vilket för kurserna mycket närmare komplexa verkliga problem."

    Förutom fakulteten, doktorander och studenter, har professorerna Dennison och Riffe vänt lokala gymnasielärare till Mathcad. Varje år leder de fysikavdelningen i ett program för nöjesparkfysik som kallas USU Physics Day at Lagoon.

    "Vi startade det för 14 år sedan, och nu har vi i genomsnitt över 5,000 XNUMX gymnasie- och mellanstadieelever vid det årliga lagundagens evenemang. En viktig del av den omfattande läroplanen för fysik för nöjesparker som vi har utvecklat för lokala mellan- och gymnasielärare, att använda före eller efter evenemanget, är Mathcad simuleringar av berg-och dalbanor i marmor, lekredskap och åkattraktioner i nöjesparker. Fysikens dag har visat sig vara en rolig och populär aktivitet och ett bra sätt att hålla kontakten med lärare. Hela institutionen deltar, inklusive en majoritet av fakulteten och ett gäng studenter.”

    Sponsorer inkluderar Boeing, Clark Planetarium, Dupont Holographics, Mathsoft, marinen, Raytheon, S&S Power (en bergochdalbanabyggare), ATK Thiokol Propulsion, Rocky Mountain och Idaho NASA Space Grant Consortiums och Utah State University. Evenemanget drivs tillsammans med Idaho National Energy and Environmental Laboratory.

    Dennison noterar att deras uppsökande program, både Lagoon Day-evenemanget och fortbildning gjord under sommaren, har uppmuntrat mycket fysikaktivitet i de lokala skolorna.

    "En lärare på en närliggande skola sa till mig: 'Om jag kan meddela via porttelefonen att fysikeleverna ska till Lagoon, kommer jag att fördubbla min anmälan. Och jag kan inte lära dem fysik om de inte anmäler sig till klassen. Den skolan har gått från en fysiklärare på deltid till tre heltidsanställda fysiklärare under de senaste femton åren.”

    Faktum är att Utah State har ett mycket rigoröst lärarutbildningsprogram som involverar framtida lärare i naturvetenskapliga aktiviteter på institutionsnivå. "Programmet är utmärkt", säger Dennison. "Fysikundervisningen och till och med sammansatta naturvetenskapliga ämnen vet verkligen vad de gör. All fysikundervisning för de blivande lärarna pågår på fysikavdelningen snarare än på utbildningsprogrammet. Så alla utbildningsinriktningar är aktiva på institutionen och engagerar sig. Faktum är att det finns en hel del korsning mellan fysik-major och fysikundervisnings-major, tills de slutligen bestämmer sig för vilken riktning de ska ta."