Aps-ajp-11-1001-Book indb

III. DEVELOPMENT AND ASSESSMENT
OF CURRICULUM
These examples illustrate some specific difficulties that
teachers often share with many university students. Because
of their responsibility to help their students learn, the situa-
tion for teachers is more serious and needs more attention.
They must know and be able to do more than is expected of
their students. We should therefore ask what we want young
students to know and be able to do and prepare teachers
accordingly. These questions have led to the development of
Physics by Inquiry (PbI), a laboratory-based curriculum pri-
marily intended for the preparation of preservice and inser-
vice teachers but also suitable for other populations.
13,14
We begin instruction on all topics by drawing on research
that identifies where students are intellectually. We use this
information to design, test, and revise curriculum on the ba-
sis of experience in classes at UW and at pilot sites. Teaching
is by asking questions to help students construct a coherent
conceptual framework, rather than by telling. The emphasis
is not on solving standard problems, but on developing the
reasoning ability needed to apply relevant concepts to situa-
tions that have not been memorized. The curriculum explic-
itly addresses specific difficulties that research has shown
may preclude a functional understanding. Even when teach-
ers do not have these difficulties themselves, it is likely that
their students will. PbI helps teachers develop the type of
knowledge necessary to be able to teach a given topic effec-
Fig. 1. Question about balancing. Students are told that the bat, which has
uniform density, remains at rest when placed on a finger as shown. They are
asked whether the mass to the left of the balance point P is greater than, less
than, or equal to the mass to the right of the balance point.
Fig. 2. Question about acceleration. Students are shown the diagram of a
ball rolling first up and then down the ramp. They are asked to draw vectors
for the velocity and the acceleration at each of the marked points.
Fig. 3. Question about electric circuits. Students are told the bulbs are iden-
tical and the batteries are identical and ideal. They are asked to rank the
bulbs from brightest to dimmest.
764
764
Am. J. Phys., Vol. 74, No. 9, September 2006
McDermott et al.

---

Teacher Education in Physics 
149
tively
共pedagogical content knowledge兲.
15
Ongoing assess-
ment that includes pretests and post-tests is an integral part
of the iterative process involved in our ongoing curriculum
development. We illustrate our design and assessment of cur-
riculum in the context of dynamics.
Design of curriculum. Student understanding of dynamics
has been the focus of much research by our group and
others.
7,10
The results have guided the development of Dy-
namics. This module builds directly on Kinematics, in which
the concepts of velocity and acceleration are developed from
their operational definitions. Dynamics begins with the con-
cept of force as a push or a pull. As in all of PbI, the equip-
ment is simple and inexpensive so that it is readily accessible
to teachers. Measurement procedures are as straightforward
as possible with no black boxes. We start with simple “pull
meters” made of rubber bands and meter sticks, rather than
with spring scales or force probes. Students build and cali-
brate the pull meters and explore how multiple pulls affect
the motion of a wheeled cart. They find that a cart subject to
a constant pull undergoes constant acceleration.
Experiments with wooden blocks on rough surfaces and
pieces of dry ice on level slate surfaces lead students to rec-
ognize that an interaction between surfaces can be thought of
in terms of a force. These experiments help students distin-
guish between a single applied force, for example, exerted by
a pull meter or a hand, and the net force that an object ex-
periences. The students build on their previous experience
with kinematics and explore cases in which the net force is
exerted in the direction of motion and in the opposite direc-
tion. They conclude that an object accelerates in the direction
of the net force. The well-known tendency to associate force
and velocity is explicitly addressed. For example, the stu-
dents consider hypothetical dialogues in which fictional stu-
dents express common incorrect ideas.
The students use spring scales
共calibrated in newtons兲 to
conduct experiments on carts to which varying numbers of
identical objects have been added. They find that the net
force required to produce a given acceleration increases as
the number of objects increases. They are then led to develop
the concept of inertial mass and arrive at an algebraic expres-
sion of Newton’s second law. Subsequently, the students ex-
plore gravitational and frictional forces in more detail. They
also develop skill in drawing free-body diagrams. Newton’s
third law is introduced by experiments in which students find
that two magnets exert forces of equal magnitude and oppo-
site direction on each other, regardless of which magnet is
stronger. Subsequent experiments and exercises provide stu-
dents with experience in applying Newton’s laws to systems
of increasing complexity.
There is an emphasis on the development of scientific rea-
soning skills throughout Dynamics. The module stresses
graphing, proportional reasoning, and vectors. Ideas intro-
duced in the Kinematics module, for example, the interpre-
tation of the slopes and the areas under the curves for graphs
of position, velocity, and acceleration as functions of time,
are reinforced. Thus, mathematics and physics teachers are
given concrete ways to help students relate differentiation
and integration to real-world phenomena.
The process of scientific model building is made explicit.
In particular, the difference between observation and infer-
ence is stressed repeatedly. For example, students are ex-
pected to recognize that the extension of a spring scale from
which an object is hanging is not a direct measurement of the
gravitational force exerted on the object; rather, it can be
used in conjunction with Newton’s second law to deduce the
magnitude of the force.