新的第一年課程將基礎數(shù)學和物理與現(xiàn)代工程挑戰(zhàn)相結(jié)合

普林斯頓教授AndrewHouck的微積分學生剛剛解決了一組有關張力和重力的方程式，這時他將一個大鐘擺拉回肩膀并放開。

銅盤在黑板前來回擺動，霍克指導學生計時。他后來解釋說，描述鐘擺運動的數(shù)學可以用來解決實際問題，例如使用原子振動來檢測污染物或最大限度地減少地震中摩天大樓的晃動。

Houck的課程“形狀和運動的數(shù)學”是工程與應用科學學院一年級本科生新系列課程的一部分。這些課程由凱勒工程教育創(chuàng)新中心提供，提供與更傳統(tǒng)課程相同的數(shù)學和物理課程，但更加強調(diào)在現(xiàn)代工程挑戰(zhàn)的背景下解決問題。

電氣工程教授霍克說，教職員工希望在第一年為學生提供更有意義的工程知識。從2014年開始，他主持了一個審查工程學院本科課程的戰(zhàn)略規(guī)劃委員會，后來領導了一個開發(fā)新課程的教師團隊。這些課程在2017-18學年進行了試點，目的是提高工程專業(yè)的學生保留率。

“多年來，大量想成為工程師的學生已經(jīng)退出了游戲，”他說。通過新方法，“他們將成為工程師，他們將做出令人驚奇的事情。”

霍克稱新課程是“我職業(yè)生涯中做過的最有影響力的事情”，學生們在實踐工程各個領域的問題解決方法的同時獲得了基礎技能。這有助于學生在第一年末選擇專業(yè)時做出明智的決定，并為他們在以后的課程作業(yè)和研究中應用數(shù)學和物理概念做好準備。

“我們正試圖將他們正在學習的技能與非常具體、切實的問題聯(lián)系起來，這樣學生就可以更加投入和興奮，并更好地記住它，”Houck說。

除了秋季學期的微積分課程外，Houck還在春季學期教授線性代數(shù)課程。數(shù)學序列還包括秋季學期的二年級多變量微積分課程，今年由N.JeremyKasdin教授，他是機械和航空航天工程的EugeneHiggins教授，他在2014年至2014年的戰(zhàn)略規(guī)劃過程中擔任工程學院副院長16.

3名女學生在工作臺上測試一項發(fā)明

在“力學、能量和波浪”課程的實驗室里，一年級工科學生(左起)GraceGong、EmilyColborne和Taj-JahnaeBrailsford-Forde正在研究便攜式墊子的原型，該墊子可以幫助行動不便的人行動不便從椅子上站起來。

拍攝者大衛(wèi)凱利烏鴉

EugeneHiggins電氣工程教授ClaireGmachl和StephenR.Forrest電氣工程教授JamesSturm分別教授一年級物理課程“力學、能量和波”以及“電力和光子學”。為了為入門化學提供更注重工程的選擇，化學和生物工程教授BruceKoel現(xiàn)在與化學系教師共同教授材料化學課程。

這些課程針對的是那些來到普林斯頓大學的學生，他們已經(jīng)做好了高中準備，但沒有在高中學習過大學預修物理，也沒有在第一年學習過多變量微積分。

“學生們帶著各種不同的背景來到普林斯頓，”該工程學院負責本科生事務的副院長彼得·博古基(PeterBogucki)說。“我們不希望這些學生被工程學淘汰，或者給人留下這樣的印象，即你必須從這些學科的專家開始才能成為一名優(yōu)秀的工程師。”

在規(guī)劃過程中，Houck和他的同事得出結(jié)論，通過建立這些學生對工程的興趣和熱情，一套新課程可以幫助提高保留率。

Houck指出，選擇離開學校的學生中有不成比例的來自工程領域代表性不足的群體，這導致了阻礙該領域多樣性的“漏水管道”。Houck說，傳統(tǒng)的第一年課程導致了漏洞，學校決心做出改進。

Houck解釋說，新課程的一個主要目標是“采用多樣化的方法，以便學生可以找到進入工程學院的正確入口——這樣我們就不會只是過濾掉那些一模一樣的學生——放之四海而皆準的方法行不通。我們希望學生只有在發(fā)現(xiàn)其他更令他們興奮的事情時才離開工程學。”

他還指出，“如果學生不讓自己退出游戲，那么有和沒有大學先修學分的學生之間的差距很容易縮小。我100%確定我的學生和傳統(tǒng)課程序列中的任何學生一樣了解。”

在2017-18學年至少參加過一門試點課程的49名一年級學生中，只有三人離開了工程學院——這一比例約為6%，而其他新生的這一比例為14%。令人鼓舞的是，學生們從工程專業(yè)轉(zhuǎn)而追求科學和公共政策，并且仍然完成了課程。由于試點課程中大約三分之二的學生是女性，工程學院目前的二年級學生已達到40%以上的歷史新高。

Houck承認，當然，這是一個小樣本量和短期記錄。今年秋天，學校將課程的入學人數(shù)提高了50%，并與大學科學技術委員會合作，繼續(xù)收集學生反饋并跟蹤課程前兩個隊列的結(jié)果。

教授秋季學期物理課程的Gmachl說，新的課程順序創(chuàng)建了一個學生社區(qū)，他們在目標和準備方面都非常一致——一個促進學習的緊密聯(lián)系的群體?？茖W技術委員會STEM教育助理主任保羅·德斯特(PaulDurst)說，大量研究表明，強烈的歸屬感對于來自工程領域代表性不足的群體的學生的成功尤為重要。

Gmachl說，她發(fā)現(xiàn)隨著學期的進展，看到越來越多的學生在習題集上獲得高分，這讓她特別有成就感。一組問題要求學生將典型的Amtrak列車與Hyperloop列車的旅行時間和能源使用進行比較，Hyperloop列車是一種擬議的高速系統(tǒng)，將在密封管內(nèi)運行，空氣阻力和摩擦力可忽略不計。

在物理課程的實驗室部分，學生將搭建模型過山車和擺動馬達，并學習使用計算機輔助設計軟件。作為一個頂點項目，學生開發(fā)原創(chuàng)設計來解決以下三個挑戰(zhàn)之一：利用未使用的能量為手機充電，為行動不便的人改進輔助設備，或?qū)⑿鹿δ芗{入樂高系統(tǒng)。

Gmachl說，雖然前兩個選項比第三個選項更實用，但“工程和設計是在限制條件下發(fā)揮創(chuàng)造力。它可以像構(gòu)建彈簧加載或自毀樂高積木一樣瘋狂。無論想法是什么，我們都將其拉回到系統(tǒng)的機制中。”

2017年秋天，托比·阿耶尼(TobiAyeni)和他的兩個同學接受了手機充電挑戰(zhàn)，設計了微型渦輪機以安裝在水槽排水管內(nèi)，并利用落水的力量發(fā)電。一年后，該團隊在普林斯頓學生氣候倡議的支持下繼續(xù)發(fā)展他們的想法。

Ayeni現(xiàn)在是土木與環(huán)境工程專業(yè)的二年級學生，他說他很高興能夠“自由放養(yǎng)”，讓物理實驗室項目朝著不同的方向發(fā)展。他稱贊新課程的教師“富有感染力的熱情”和對教學的高度奉獻，他說這對支持學生的學習具有重要價值。

大二學生JovanaKondic也是課程試點組的成員，她說她與去年學習的基礎數(shù)學和物理概念“保持著持續(xù)的關系”，并且經(jīng)常參考她在入門課程中的筆記本。她最近參加了Facebook的一位工程師關于機器學習的演講，他提到了Houck的線性代數(shù)課程中涵蓋的技術。Kondic補充說，她第一年的課程啟發(fā)了她主修電氣工程，她對量子計算的可能性感到特別興奮。

Kondic說：“我曾經(jīng)有這樣一種印象，即那些公司或國家組織的工程師遠遠高于我們作為學生所做的事情，這幾乎讓人覺得是遙不可及的事情。”“當你意識到他們不使用我們沒有接觸過的任何特殊數(shù)學時，感覺非常好。這實際上是我們在學校學到的東西。”