Carl Wieman

A Scientific Approach to Learning Physics

Category: Lectures

Date: 30 June 2016

Duration: 32 min

Quality: HD MD SD

Subtitles: EN DE

Carl Wieman (2016) - A Scientific Approach to Learning Physics

Bloodletting was the treatment of choice for 2000 years, and doctors and patients believed it was effective because most people recovered after treatment. The learning and teaching of physics is similar to pre-1800 medicine

It's always a real pain to be at the end of a session with a bunch of Nobel-prize-winners speakers, because they always run over time and the session chairs never have the nerve to cut them off. But anyway, I’ll try and keep this on time. So I wanted to just go over, it’s a completely different topic here, of how you can – you, I'm really aiming this for anybody whose post-doc level and below – how you can learn to think like a good scientist, physicist, as quickly and effectively as possible. Now, the way I got into this actually was about 25 years ago: looking at the graduate students coming in my atomic physics lab and seeing how they can go through these many years of great success in courses but really not being able to do physics. And yet, after a few years they would learn quite quickly how to become physicists, although the very best students in courses never turned out all that great. I started to notice this as so consistent I wanted to just figure it out. So I tackled this really as a science question, looked at what we knew about learning. What we knew about, particularly, how to think scientifically, learning science. (Interruption, microphone gets adjusted) What we knew about learning science. And I found there was quite a lot. In fact, that one could really go beyond opinions, of which in teaching and learning there’s countless numbers of, and really approach this as a science. And by that I mean doing controlled experiments, measuring the learning that takes place, and having data and real fundamental principles that come out of those, just like in physics, that you can use to make sense of. And this kind of research and learning to think scientifically, it started in physics several decades ago, but now it's spread throughout undergraduate sciences and engineering. I’ve been doing research in this area myself for now almost 3 decades and have quite a few publications. So I'm going to start to give you an example of some of the kind of things one can find out doing these sorts of experiments. And so in this experiment they had 3 groups of students tested to be equivalent. They ran them and sort them into these 3. The first group goes to lecture, they take notes, and they try and learn as much as possible while they are doing it. The second group goes to lecture, doesn’t take any notes but tries to focus on learning as much as they can. And the third group doesn’t go to lecture, they just stay home or in a side room. They get the instructors' notes for the lecture, and they spend the same equivalent amount of time, trying to learn as much as they can from them. And then all these groups are given the same test on the material covered in this lecture. And so now you are going to have to make a prediction, on how these 3 treatments rank in terms of the amount of learning. And so the choices, I'm going to have you vote on by raising your hand here, are a) means that the "going to lecture and taking notes" learnt the most and "staying home" learnt the least. b) Those are flipped, etc. So I'm going to give you a few seconds to think about these and then I'm going to call on you to make your vote. Okay, everybody ready to vote? So raise your hand if you think a). A bunch of people think a). b) A bunch of people think b). c) Lots of people think c). d) Lots of people think d). Finally e) A lot of people think e). (Incomprehensible heckling) Okay, so it's pretty - (Incomprehensible heckling) you're not supposed to interrupt me. (Laughter). The correct answer is the one that the fewest people actually chose. Interestingly enough, a lot more of you choose this than I usually get with a group of students. It's almost never chosen, but it's still obvious the minority here. That, actually, people who learn the least are the ones going to lecture and taking notes. As I say, students normally, when I pose this to them, don’t choose that. But when I give them the chance to talk to each other and see this answer, they very quickly come to the deeper reasons, principles of learning, that tell you why those actually work. That says that these aren’t that hard and non-intuitive. It's basically that they have been brainwashed by the teachers to believe that going to lecture and taking notes is supposed to be more effective. Now, you might wonder why that actually can happen. The reality, I think, is that going to lecture and taking notes - the original design happened for a very good reason and it served a very clear purpose. That purpose became obsolete with modern technology; in this case the modern technology was the invention of the printing press. But professors are slow to adapt to using the technology, they are kind of lazy. So it's just easier to keep doing the same thing and tell students that must be good for them. Moving on to exactly why - so you can understand what we do know about learning and why the results are the way they can. The reason, 'not taking notes' is better than 'taking notes' is because the brain has very limited capacity to pay attention and process different things. And so the more it's called upon to do at the same time, the less effective it can be. So aiming to take notes just adds these extra demands or distraction to the learner over just listening as carefully as they can. And so that’s why 2) is better than 1). The reason that 3) is better than 2) is just that if they are sitting at home, looking at these lecture notes, there are several advantages to that. First, they can go through them at their own pace. So they can stop and ponder things and think about it and not lose complete track because it's being controlled by the speakers pace. When things are laid out like that, the organisation and the structure are much clearer when it's on paper than when you are trying to just follow a verbal lecture. And all of these things allow the learner to have more processing of the material and that’s always what turns into more learning. I'm going to give you a second experiment here. Now, this is much closer to and more quantitative, looking directly at physics and learning of physics. Here one has - in an experiment I was involved in - 2 large sections of introductory physics, carefully measured, that student populations are very nearly identical. And both of these sections are trying to learn exactly the same set of learning objectives, covering an exact same amount of class time in one week of lectures. And then they are given a pop quiz, right at the end of the last lecture, to test how much they learnt from those lectures. The 2 sections, the comparison is, one of them is taught by somebody who’s is a very experienced teacher, with material of a fairly traditional lecture, but has very high student ratings at giving these lectures, this material, to students. And then the second section is taught by somebody who is a post-doc who had been trained in these methods of scientific teaching and learning. So the question is, How do you think the results come out for how these two sections compare? Well, probably you are going to have some guess as to what I just showed you before. But here’s the histogram of the number of students here versus their score in the test, with the experienced traditional lecturer in red and the scientific teaching in white. So you can see that distributions are dramatically shifted. But, in fact, the differences are bigger than what you might think at first impression here, because this was actually a carefully developed multiple choice test to keep it objective. And so, on average, just by guessing, you would get 3 on this. So you really have to look at how much better than 3 the students are as a measure of their learning. Then you realise, how dramatically different really the amount of learning was between these 2 sections. I want to emphasise - and you can see the whole distribution shifted up. So, basically, the top students and the bottom students, all learnt much more in this teaching here. And the amount of learning from the traditional lecturer is then a very tiny fraction, here about 16%. Just to make a snarky comment: if you compare that actually with something like the format of these Nobel Prize lectures, there are several reasons I would confidently predict these would be a lot worse than that. At this point in my talk I either have somebody leap up and interrupt me or, at least, a lot of people are thinking this. I'm always asked to comment on something to the effect of: "But these lectures can’t be as bad as what you are claiming. Look at all these Nobel Prize winners who were taught by going to traditional lectures and how well they turned out." But this is where you need to think about approaching this as a science. Because, in fact, it's exactly this same argument, same reasoning, that was responsible for the fact that bloodletting remained the medical treatment of choice for about 2,000 years. Somebody gets sick, you let out a bunch of their blood, most of the time they recovered – so, gee, obviously bloodletting was effective. But, what we learnt in medicine a 150 years ago is really what we've now been doing in teaching and learning. Which is if you want to do this scientifically, you have to do a proper comparison group. So what I would argue, if we could do a proper comparison group, we'd probably find, if these Nobel Prize winners had actually had a better education, they would have been more successful, more prizes, younger ages etc. Now, there’s a quick caveat, getting into the technical details: people actually can learn from lectures under very special circumstances, which aren’t usually adopted. I can talk more about that later today. So, there are actually thousands of studies on learning and about 1,000 that look quite specifically at the university level and sciences and engineering, comparing the standard lecture method with these scientific teaching principles. These show always consistent differences in the amount students learn. And the effects are particularly big if you measure, how well the students are starting to think like experts in the field, physicists, chemists etc. And so I'm just going to rush through a few examples – not to show you anything to convince you, except that I’ve lots of data I could show. Here’s an example looking at introductory physics, testing how well the students are able to look at novel situations and apply, correctly apply, like a physicist would, the concepts of force and motion. And they measured this with all these different instructors were lecturing, they were down around 0.3. Then they all switched to a version of scientific teaching. And, basically, across the board there was a doubling of the amount students learn. How much they could think properly about these concepts. Just to show it’s not all introductory physics, this is a fourth year modern optics course for physics majors. Here they switched. And in particularly challenging final exam problems there was about a 1 standard deviation improvement. Different ways of having students learn this. This is from computer science just looking at the drop & failure rates. Again a bunch of different instructors converted how they teach. And across the board big decreases in the drop & failure rates down to about a third. That's just to give you a sample that we have lots of data. But you don’t care so much about that, what I want to focus on is something be useful. So I hopefully convinced you that I know something what I'm talking about. And now I'm going to give you some principles and methods that we see coming out of these kinds of studies, on how you can better learn to think like expert physicists. And so the rest of my talk is going to start with really the nature of expert thinking and how it's learnt. And then how this applies to physics in particular and how you can use it in your own learning. Cognitive psychologists have studied a lot about how experts think and develop their expertise, across all these different fields, musicians, chess players etc. And they find that there are certain basic components of expertise and a certain basic process for how that expertise is learnt. And so the first component of expertise is one everybody could guess: Experts know a whole lot about their subject. The second and third aren’t nearly as obvious. The second is that experts have, unique to their subject area, a particular mental framework by which they organise all that information. And it's that particular organisational framework that allows them to be very efficient and effective at finding and applying the appropriate knowledge to solve a problem. That means looking for and recognising certain patterns and complicated relationships. Most of what we talk about as scientific concepts, is really just the way scientists in a particular field have taken a whole bunch of different pieces of information and seen how they can organise that into sort of one piece. And then quickly decide if that piece is going to be helpful or not in solving a problem. The third general feature of expertise is ability to monitor one's thinking. And so by that I mean, as an expert, working through a problem in their subject, they are able to actually keep asking themselves: Do I understand this? Is this a sensible way of me solving this problem? And actually test that and then change what they are doing accordingly as they are working. Now what the research shows is, these are fundamentally new ways of thinking. And to develop them, everyone requires many hours of intense practice to develop these capabilities. And very recently it's becoming clear that – well, first I should say 'many hours'. But to reach a high level of expertise, sort of university professor level, it's many thousands of hours of intense practice. And what we are realising now is, that this is basically a biological determination, or limit. That, as a result of this 'many hours in intense practice', the brain is actually changing in substantial ways the wiring and so on. So it's actually within this rewired brain that the expertise lies. It's really a very close analogy to what’s involved in building up a muscle. If you want to build up a muscle you've got to use it very strenuously over a long period of time, and the body responds by making it bigger and stronger. In the case of the brain it says, "Oh, it's going to keep making me do that hard physics problem. I'm going to make the connections and the neurons stronger to make that easier." Now, the research says that, okay it's many hours in intense practice, but it's also a very specific kind of practice that’s required. It has to be hard problems exercising the brain, but they also have to be giving it practice in exactly the kind of expert thinking that you want the brain to learn. That’s what the neurons have to be reinforcing. But, of course, it's not enough to just practice hard, you have to know that what you are doing is successful. And so you also need to have feedback on that practice, to guide you what you are doing and see how to improve it. And then when you’ve got this, you just keep doing this enough hours and you become an expert. So that’s a very general thing. Now I'm going to get a little more specific about what are some of these basic thinking components of expertise? And I’ll just start here with some that are quite generic across the sciences and engineering. For example, every area has a set of concepts and mental models that it uses. And more importantly, expertise lies in a very sophisticated selection criteria for identifying which of those models or concepts apply, and don’t apply, in any specific situation. There’s recognising what information is relevant to solve a problem and what is irrelevant. When experts have come up with an answer in every field, they have very specific-to-that-field criteria by which they know how to check, if that answer makes sense. Or if there might be a better way to solve this problem. And then, finally, an extremely common one is, experts in every science and engineering area, there are very specialised ways to represent information. And experts can move very fluently between these different representations and get new insights as they do for problem solving. So there’s a bunch of others, but these give you the basic ideas of some components that need to be practiced. Now, when people are talking about learning to be a physicist or a chemist and so on, those discussions are almost always in terms of 'oh, we need to have them cover all these sets of topics', but it's really essential to realise that, okay, that topic, that knowledge, that’s important. But it's really only important if it's really embedded in these broader aspects of expertise, of expert thinking, that really govern the understanding about when and how to use that knowledge. The research shows lots of examples, where students can pass tests, saying they know something. But then, when given a real problem, they can never use that effectively. So getting down to more specific things you can do: If I summarise the research on learning, there are 5 basic components that are really important in this. But the other things then I think you can get some help on. The first is connecting with prior thinking. As I said, you are rewiring the brain, but you got to - the brain doesn’t start blank, it's got a lot of wring in there. So you need to connect and build on what you already know and think. There are some basic things about how the memory works in terms of initially processing information and then how to retain it long-term. And then there’s this idea of practicing authentic expert thinking and getting feedback on it. So the things I'm going to talk about are a bunch of examples that give you things you can be doing on your own to practice these to learn better. By the way, if you are going to be teaching, these are the things you need to have your students doing as well, for them to learn. Now, I want to emphasise what it’s not - and this is a good test. If you think about the way most people study: they read over the text book and at the lecture notes and go over the problem solutions, or passively sit and listen to a lecture. And one of the immediate ways you can test that it isn’t very effective is, it's too easy. It's not pressing the brain to work hard and that basically means the brain doesn’t squirt the chemicals in there to make the effects. Okay, what are some hard things you can do that will be effective? The first is, you need to really study intensively and focused, where you really are putting full attention into it. Or just don’t brother, it's just not, you don’t really get anything out of paying half attention to studying. When you get some new material, a topic here, you need to sit and think and reconcile that with your past knowledge. Think how the topics, how this is connected with things you’ve already learned, situations in the world you know about and so on. And do that in a very active, deliberate way. When you learn about some new concept, sit down and write down the criteria: when this is going to apply, in what kind of situations, and, very importantly, when and why it won’t be useful. You always want to be looking at ways to test your thinking and catch where you might have weaknesses. And so there’s a whole bunch of different ways to do that: seeing how your ideas would apply in a variety of different situations; checking, arguing with other students, talking to them, professors etc. One particularly effective way is to try teaching this to somebody else – we in our instruction do this with our generic 'grade 10 sibling'. It requires taking university material, thinking how to process that so you could explain it to your 10th grade brother or sister. Actually, it makes you process it in a very special and effective way for learning. And it turns out in these studies, you don’t actually have to teach it to anybody, you just have to imagine you are teaching it to somebody and you get most of the benefits. There’s solution planning. This is something experts spend a lot more time on than beginners. And so be very explicit when you have a new problem, trying to work out what the solution is, as to how it's broken down into pieces and so on, before you ever start diving into it. When you solve a problem, think of alternative ways you might be able to solve it - experts do this all the time. And, very importantly, when there are simplifying assumptions, try and ask yourself, what would happen if those assumptions weren’t right? Or are there other possibilities of assumptions you could make? And, getting close to the end here, if you have something wrong, don’t just look at what the right answer is. This is a big mistake most teachers make, that they see a student get something wrong and say, It turns out that doesn’t accomplish much learning. The learning really takes place when the learner not just knows they are wrong but understands why they are wrong and how they need to change their thinking in the future to be right. And that’s where almost all the effective learning happens. Getting back to long-term retention. It turns out if you want to remember things for a long time, you have to test yourself on them repeatedly and spaced in time. And so by testing, it's not a formal test, you just retrieve and apply those ideas. And it's really true that you either use that thinking process or you lose it; the brain takes those neurons to do other things with them. Finally one, I really wish I’d known better when I was a student: it's really important to sleep. There are 2 reasons for that. One is that you get stupider if you don’t get as much sleep. But, less obvious than that, when you are learning something, it's during the sleep process that the brain actually consolidates a lot of that learning and makes a bunch of the necessary wiring changes more permanent. So it's really an essential part of learning to sleep. Okay, so I'm going to just finish up quickly here another way how you can quite specifically improve your learning-from-homework problems. First, you have to think about: what is the expertise practiced and given feedback on from the typical text book problem or exam problem, if you look at the list of components of expert thinking I talked about earlier, and then you think about what’s in the normal problem. First, it gives all the information needed and only that information tells you what assumptions, things to neglect. So right away you’ve lost practicing those parts of expertise. Didn’t ask for any answer, just get an answer, you don’t have to justify why it's reasonable - that goes away. Usually it only calls for one representation, whatever they put into that problem - that goes away. And, more often than not, it's possible to solve the problem just by looking and using the concepts or procedures that were just covered in the text book or class - and so that means those go away. So with your normal homework problems, you are actually left with very little practice of expert thinking. You are really predominantly just learning facts and procedures, but not the more useful expert thinking. I'm not going to go into details for this, you can get copies of my slides and think about it. But these are just ways you can take your standard homework problem and rewrite it yourself into a problem that really then gives you the practice of expert thinking, that helps you actually learn much more effectively from working through those problems. Okay, so I'm just about on time here. I realise that this talk - I realise better than almost anyone because I study this - there’s too much stuff here, it's gone too fast for you to really process it. But I’ll make sure you can get copies of my slides and so you can ponder those and that will allow you to learn something. And coming to the afternoon session today where we will discuss these in more details, that will be useful. And just when you do look at the slides I have a few references. If you want to learn more about this effective learning and learning to think expertly there are references there. Thank you.

Es ist immer wieder mühsam, den Vortrag am Ende der Sitzung mit Nobelpreisträgern als Vortragende zu haben, weil sie ihre Zeit immer überziehen, und die Sitzungsleiter sich nie trauen zu unterbrechen. Aber trotzdem versuche ich, in der Zeit zu bleiben. Ich wollte darüber sprechen, es ist ein komplett anderes Thema hier, wie können Sie – Sie, ich ziele dies wirklich auf jeden ab, der auf dem Postdoc-Niveau ist oder darunter. Wie können Sie lernen, wie ein guter Wissenschaftler, Physiker zu denken, so schnell und effektiv wie möglich. Nun, ich kam tatsächlich vor etwa 25 Jahren dazu, als ich mir die graduierten Studenten ansah, die in mein Atomphysiklabor kamen, und gesehen habe, wie sie über diese vielen Jahre mit großem Erfolg in den Kursen durchkommen, aber nicht wirklich fähig waren, Physik zu betreiben. Und trotzdem würden sie nach ein paar Jahren recht schnell lernen, Physiker zu werden, obwohl genau die besten Studenten in den Kursen sich nie als so großartig herausgestellt haben. Ich begann, dies als so konsistent wahrzunehmen, dass ich es einfach verstehen musste. Ich ging dies daher wirklich wie eine wissenschaftliche Frage an, habe geschaut, was wir über das Lernen wissen. Was wir speziell darüber wussten, wie man wissenschaftlich denkt, Wissenschaft lernt. Was wussten wir darüber, wie man Wissenschaft lernt? Ich fand heraus, dass es eine Menge gab. Dass man tatsächlich über Meinungen hinausgehen kann, von denen es in der Lehre und dem Lernen unzählige gibt, und dies wirklich als Wissenschaft angehen kann. Und damit meine ich, kontrollierte Experimente durchzuführen, um das Lernen, das stattfindet, zu messen, sowie Daten und wirkliche grundlegende Prinzipien zu haben, die von ihnen resultieren, genau wie in der Physik, die man benutzen kann, um es zu verstehen. Diese Art der Forschung und des Lernens, wie man wissenschaftlich denkt, hatte ihren Anfang in der Physik vor vielen Jahrzehnten, aber sie hat sich jetzt im Wissenschafts- und Ingenieurstudium ausgebreitet. Ich selber habe in diesem Bereich jetzt schon fast 3 Jahrzehnte lang Untersuchungen durchgeführt und habe eine ganze Reihe von Veröffentlichungen. Ich beginne damit, Ihnen ein Beispiel der Dinge zu geben, die man mit dieser Art Experiment herausfinden kann. Und so gab es in diesem Experiment 3 Gruppen Studenten, die als gleichwertig getestet wurden. Sie führten die Tests durch und sortierten sie in diese 3 Gruppen. Die erste Gruppe besucht Vorlesungen; sie machen sich Notizen und versuchen, so viel wie möglich zu lernen, während sie dies machen. Die zweite Gruppe geht zu Vorlesungen, aber schreiben nichts auf, sondern versuchen sich darauf zu fokussieren, so viel wie möglich zu lernen. Dann die dritte Gruppe, die nicht zu Vorlesungen geht, sie bleiben zu Hause oder in einem Nebenraum. Sie bekommen das Script des Dozenten für die Vorlesung, und sie verbringen dieselbe äquivalente Menge an Zeit, so viel wie möglich daraus zu lernen. Und dann bekommen all diese Gruppen denselben Test über das Material, das in dieser Vorlesung behandelt wurde. Und so müssen Sie jetzt vorhersagen, wie sich diese 3 Vorgehensweisen in Bezug auf die gelernte Menge einstufen lassen. Und hier die Auswahl, ich möchte, dass Sie hier durch Heben der Hand abstimmen, a) bedeutet, dass diejenigen, die zu den Vorlesungen gehen und Notizen machen am meisten gelernt haben und die, die zu Hause geblieben sind am wenigsten. B) Diese sind umgekehrt, usw. Ich gebe Ihnen jetzt ein paar Sekunden, darüber nachzudenken, und dann bitte ich Sie, abzustimmen. Ok, alle fertig für die Abstimmung? Also heben Sie die Hand, wenn Sie für A) sind. Eine Reihe von Leuten sind für A). B)? Eine Reihe Leute sind für B). C)? Viele Leute sind für C). D)? Viele sind für D). Am Schluss E)? Eine Menge sind für E). (unverständlicher Zwischenruf) OK, schön – (unverständlicher Zwischenruf) Sie sollten mich nicht unterbrechen. (Lachen) Die richtige Antwort ist diejenige, die die wenigsten tatsächlich gewählt haben. Interessanterweise, wählten viel mehr von Ihnen das aus, als es sonst bei einer Gruppe Studenten der Fall ist. Es wird fast nie ausgewählt, aber es ist noch offensichtlich die Minderheit hier. Die Leute, die am wenigsten lernen, sind die, die zu den Vorlesungen gehen und sich Notizen machen. Wie ich sagte: Studenten, denen ich diese Frage stellen, wählen das normalerweise nicht aus. Aber wenn ich Ihnen die Gelegenheit gebe, sich dazu zu besprechen, und diese Antwort zu sehen, kommen sie sehr schnell auf die tatsächlich tieferen Gründe - Lernprinzipien, die aussagen, warum diese tatsächlich funktionieren. Das sagt aus, dass diese nicht so schwierig und nicht intuitiv sind. Ihre Lehrer hatten Ihnen eine Gehirnwäsche gegeben, damit Sie glauben, dass zu den Vorlesungen zu gehen und sich Notizen zu machen effektiver sein soll. Nun, vielleicht wundern Sie sich, warum das tatsächlich passieren kann. Die Realität, denke ich, ist so, dass zu den Vorlesungen zu gehen und Notizen zu machen – die ursprüngliche Form gab es aus einen sehr guten Grund und diente einem sehr klaren Zweck. Dieser Zweck wurde durch moderne Technologie überflüssig; in diesem Fall war moderne Technologie die Erfindung der Druckpresse. Aber Professoren gewöhnen sich nur langsam daran, die Technologie zu nutzen, sie sind ein bisschen bequem. Es ist daher einfacher, immer wieder dasselbe zu machen und den Studenten zu erzählen, es wäre gut für sie. Weiter zu warum genau - damit Sie verstehen können, was wir über das Lernen wissen und warum die Resultate so sind, wie sie sein können. Der Grund, warum ‚keine Notizen machen‘ besser ist als ‚Notizen machen‘ ist, dass das Gehirn eine sehr begrenzte Fähigkeit hat, aufmerksam zu sein und unterschiedliche Dinge zu verarbeiten. Und je mehr es gleichzeitig tun muss, umso weniger effektiv kann es sein. Daher stellt der Versuch, Notizen zu machen, zusätzliche Anforderungen oder Ablenkung an den Lernenden, verglichen mit dem 'so sorgfältig wie möglich zuhören'. Und das ist daher der Grund, warum 2) besser als 1) ist. Der Grund, dass 3) besser ist als 2) ist nur, dass, wenn man zu Hause sitzt und sich das Vorlesungsskript ansieht, dann hat das mehrere Vorteile. Erstens kann man sie in der eigenen Geschwindigkeit durcharbeiten. Man kann unterbrechen und über Dinge grübeln und darüber nachdenken und nicht komplett den Faden verlieren, weil die Geschwindigkeit des Vortragenden den Fortschritt bestimmt. Wenn Dinge so dargestellt werden, sind die Organisation und die Struktur viel klarer, wenn es auf dem Papier steht, als wenn man versucht, nur einem mündlichen Vortrag zu folgen. Und alle diese Dinge erlauben es dem Lernenden, das Material besser zu verarbeiten, und das ist immer etwas, was zu verbessertem Lernen führt. Ich zeige Ihnen jetzt ein zweites Experiment. Dieses ist näher und quantitativer, befasst sich direkt mit der Physik und dem Lernen der Physik. So, hier haben wir - in einem Experiment, an dem ich beteiligt war – Und diese beiden Gruppen versuchen, genau die gleichen Lernziele zu erreichen, indem sie genau die gleiche Zeit während einer Vorlesungswoche in der Klasse verbringen. Und dann erhielten sie einen Auswahltest, genau am Ende der letzten Vorlesung, um zu ermitteln, wie viel sie aus den Vorlesungen gelernt hatten. Die 2 Gruppen - der Vergleich ist, eine der Gruppen wird von einem sehr erfahrenen Lehrer unterrichtet, mit dem Material einer ziemlich traditionellen Verlesung, aber sehr hohen Bewertungen durch Studenten für das Halten der Vorlesungen und die Weitergabe des Stoffs. Und die zweite Gruppe wurde von einem Postdoc unterrichtet, der in dieser Methode des wissenschaftlichen Unterrichtens und Lernens ausgebildet ist. Nun ist die Frage: Was, meinen Sie, kommt heraus, wenn wir die beiden Gruppen vergleichen? Nun, wahrscheinlich haben Sie eine Vermutung in Bezug auf das, was ich Ihnen gerade gezeigt habe. Aber hier ist das Histogramm der Studentenzahl aufgetragen gegen ihr Testergebnis, mit dem erfahrenen Dozent in Rot und die wissenschaftliche Lehrmethode in Weiß. Sie können sehen, dass die Verteilungen dramatisch verschoben sind. Aber eigentlich sind die Unterschiede größer, als man beim ersten Eindruck glauben könnte, weil dies tatsächlich ein sorgfältig entwickelter Multiple-Choice-Test war, um es objektiv zu gestalten. Und man würde im Durchschnitt allein durch Raten eine 3 erhalten. Also muss man wirklich schauen, wie viel besser als 3 die Studenten sind, als ein Maß ihres Lernens. Dann erkennt man, wie dramatisch unterschiedlich das gelernte Pensum zwischen diesen 2 Gruppen war. Ich möchte betonen - und hier sieht man, dass die ganze Verteilung nach oben geschoben ist. Also im Grunde, die besten Studenten und die schlechtesten Studenten, alle lernten viel mehr in diesem Unterricht hier. Und die gelernte Menge von einem traditionellen Dozenten ist dann ein sehr kleiner Bruchteil, hier etwa 16 %. Dazu einen etwas bissigen Kommentar: Wenn man das mit etwas wie dem Format dieser Nobelpreisvorträge vergleicht, würde ich aus verschiedenen Gründen zuversichtlich vorhersagen, dass diese bei weitem schlechter als das wären. An diesem Punkt meines Vortrags angelangt, springt entweder jemand auf oder unterbricht mich, oder zumindest denken eine Menge Leute darüber nach. Ich werde immer wieder gefragt, Erklärungen abzugeben zu etwas wie: Schauen Sie sich all diese Nobelpreisträger an, die durch den Besuch traditioneller Vorlesungen gelehrt wurden, und als wie gut sie sich gemacht haben.“ Aber das ist der Punkt, wo man daran denken muss, dies als Wissenschaft anzugehen. Weil es eigentlich dasselbe Argument ist, dieselbe Argumentationsweise, die dafür verantwortlich war, dass der Aderlass ungefähr 2000 Jahre lang die medizinische Behandlung der Wahl blieb. Jemand wird krank, man zapft ihm eine Menge Blut ab, meistens erholt er sich davon – also, offensichtlich ist der Aderlass wirksam. Aber was wir in der Medizin vor 150 Jahren lernten, ist wirklich das, was wir nun in der Lehre und dem Lernen machen. Was also, wenn man dies wissenschaftlich durchführen würde, benötigt man eine passende Vergleichsgruppe. Ich meine damit, wenn wir eine passende Vergleichsgruppe hätten, fänden wir vermutlich heraus, wenn diese Nobelpreisträger wirklich eine bessere Bildung gehabt hätten, wären sie erfolgreicher gewesen, mehr Preise in jüngeren Jahren usw. Hier ein schneller Einspruch, der in die technischen Details geht: Menschen können tatsächlich von Vorlesungen unter sehr speziellen Umständen lernen, die normalerweise nicht eingeführt werden. Darüber kann ich später etwas mehr sagen. Es gibt wirklich tausende Studien über das Lernen und etwa tausend, die sich ganz spezifisch mit dem Universitätsniveau und Wissenschaft und Ingenieurwissenschaft beschäftigen, die die normale Vorlesungsmethode mit diesen wissenschaftlichen Lehrprinzipien vergleichen. Sie zeigen konsistent immer Unterschiede in der Menge, die Studenten lernen. Und die Effekte sind besonders groß, wenn man misst, wie gut die Studenten wie Experten auf dem Gebiet, Physiker, Chemiker usw. zu denken beginnen. Und so gehe ich schnell durch ein paar Beispiele – nicht um irgendetwas zu zeigen, um Sie zu überzeugen, außer dass ich viele Daten habe, die ich zeigen könnte. Hier ist ein Beispiel, das sich die Einführung in die Physik anschaut und testet, wie gut die Studenten sich neuartige Situationen anschauen und die Konzepte der Kraft und Bewegung korrekt anwenden können, so wie ein Physiker das machen würde. Und sie haben das mit all diesen unterschiedlichen Dozenten, die die Vorlesungen gehalten haben, gemessen. Sie waren niedriger, bei etwa 0,3. Dann wechselten sie zu einer Version der wissenschaftlichen Lehre. Und grundsätzlich, ganz generell verdoppelte sich die Lernmenge der Studenten, wie viel sie korrekt über diese Konzepte denken konnten. Nur um zu zeigen, dass nicht alles Einführung in die Physik ist: Dies ist ein Kurs in moderner Optik für Physiker im Hauptfach im vierten Jahr. Hier wechselten sie. Und in besonders herausfordernden Aufgaben der Abschlussklausur gab es eine Verbesserung um ungefähr eine Standardabweichung. Unterschiedliche Art und Weisen für Studenten, das zu lernen. Das ist aus der Informatik, wo man sich einfach die Abbruch- und Ausfallraten ansieht. Wieder wechselte eine Anzahl unterschiedlicher Dozenten die Art, wie sie lehren. Und generell große Abnahmen in den Abbruch- und Ausfallraten, ungefähr ein Drittel niedriger. Das ist nur, um Ihnen ein Beispiel zu geben, dass wir viele Daten haben. Aber das ist vielleicht nicht so wichtig für Sie. Worauf ich mich konzentrieren möchte, ist etwas Nützliches. So, ich habe Sie hoffentlich davon überzeugt, dass ich etwas von dem verstehe, über das ich rede. Und nun gebe ich Ihnen ein paar Prinzipien und Methoden, die sich aus unserer Sicht aus diesen Studien ergeben, wie man besser lernen kann, wie ein fachkundiger Physiker zu denken. Und so wird der Rest meines Vortrags mit der tatsächlichen Natur des Expertendenkens anfangen und wie man es lernt. Und dann, wie dies auf die Physik im Besonderen zutrifft, und wie man es in seinem eigenen Lernen benutzen kann. Kognitive Psychologen haben eine Menge Untersuchungen angestellt, wie Experten denken und ihre Expertise entwickeln, auf all diesen unterschiedlichen Gebieten, Musiker, Schachspieler usw. Und sie haben herausgefunden, dass es bestimmte Grundkomponenten der Expertise gibt und einen bestimmten grundlegenden Prozess, wie diese Expertise gelernt wird. Und das ist der erste Bestandteil der Expertise, den jeder erraten kann: Experten wissen sehr viel über ihr Fachgebiet. Der zweite und dritte sind überhaupt nicht so offensichtlich. Die zweite ist, dass Experten, speziell für ihr Fachgebiet ein bestimmtes mentales System haben, wie sie all diese Information organisieren. Und es ist dieses spezielle organisatorische System, das ihnen ermöglicht, sehr effizient und effektiv in der Suche und Anwendung des angemessenen Wissens zu sein, um ein Problem zu lösen. Das bedeutet, die Suche nach und das Erkennen bestimmter Muster und komplexer Zusammenhänge. Die meisten wissenschaftlichen Konzepte, über die wir reden, sind nur die Art und Weise, wie Wissenschaftler in einem bestimmten Gebiet eine Menge verschiedener Informationen in gewissermaßen ein Ganzes zusammenfügen konnten. Und dann schnell entscheiden, ob das Ganze für die Problemlösung hilfreich sein wird oder nicht. Das dritte Merkmal von Expertise ist die Fähigkeit, sein Denken zu beobachten. Und damit meine ich als Experte, wenn sie sich durch ein Problem auf ihrem Gebiet arbeiten, sind sie tatsächlich in der Lage, sich selbst immer wieder zu fragen: Verstehe ich das? Ist das eine vernünftige Art und Weise für mich, dieses Problem zu lösen? Und tatsächlich das zu prüfen und dann entsprechend zu ändern, was sie tun, während sie arbeiten. Nun, was die Forschung zeigt, ist, dass dies grundsätzlich neue Denkwege sind. Und um sie zu entwickeln, benötigt jeder viele Stunden intensiver Übung, um diese Fähigkeiten zu entwickeln. Und es wird seit Kurzem klar, dass – nun, zunächst sollte ich sagen, ‚viele Stunden‘. Aber um einen hohen Grad an Expertise zu erreichen, etwa das Niveau eines Universitätsprofessors, benötigt man viele tausend Stunden intensiver Übung. Und wir erkennen jetzt, dass dies grundlegend biologisch bestimmt ist. Dass das Gehirn sich, als Ergebnis der ‚vielen Stunden intensiver Übung‘, beträchtlich ändert, die Verschaltung usw. So liegt die Expertise tatsächlich in diesem neu verschalteten Gehirn. Es ist wirklich sehr analog zu dem, was beim Aufbauen eines Muskels involviert ist. Wenn man einen Muskel aufbauen möchte, muss man ihn sehr mühsam über eine lange Zeit benutzen, und der Körper antwortet, indem er ihn größer und stärker macht. Im Fall des Gehirns, sagt es: „Oh, ich muss immer wieder dieses schwierige Physikproblem lösen. Ich stelle die Verbindungen her und mache die Neuronen stärker, um das einfacher zu gestalten.“ Nun, die Forschung sagt, dass es viele Stunden intensiver Übung sein mögen, aber es ist auch eine sehr spezifische Art der Übung, die notwendig ist. Es müssen schwierige Probleme sein, um das Gehirn zu trainieren, aber sie müssen das Gehirn auch in genau der richtigen Art von Expertendenken trainieren, die man dem Gehirn beibringen möchte. Das ist es, was die Neuronen verstärken müssen. Aber natürlich ist es nicht genug, hart zu üben, man muss auch wissen, dass das, was man macht, erfolgreich ist. Und daher benötigt man auch eine Rückkopplung zu dieser Übung, um zu lenken, was man tut, und zu sehen, wie man es verbessert. Und wenn man das dann hat, führt man es über genügend viele Stunden durch und man wird Experte. Das ist also sehr allgemein. Nun werde ich ein wenig spezifischer, was einige dieser grundsätzlichen Denkkomponenten der Expertise sind. Und ich beginne hier mit einigen, die recht generisch über alle Naturwissenschaften und Ingenieurwissenschaften hinweg sind. Zum Beispiel hat jedes Gebiet einen Satz von Konzepten und mentalen Modellen, die benutzt werden. Und noch wichtiger, Expertise liegt an einem sehr komplizierten Entscheidungskriterium für die Identifizierung, welche dieser Modelle oder Konzepte zutreffen, oder nicht zutreffen, in jeder spezifischen Situation. Man muss erkennen, welche Information relevant ist, um ein Problem zu lösen, und welche irrelevant. Wenn Experten eine Antwort gefunden haben, haben sie sehr spezfische Kriterien in jedem Gebiet durch die sie wissen, wie sie überprüfen, ob die Antwort Sinn macht. Oder ob es einen besseren Weg gibt, das Problem zu lösen. Und dann, schlussendlich, etwas, das sehr häufig vorkommt: Experten in allen Wissenschaften und im Technikbereich haben ganz spezielle Arten, Informationen darzustellen. Und Experten können diese unterschiedlichen Darstellungsweisen gewandt nutzen und neue Einsichten gewinnen, wie sie es für Problemlösungen machen. Es gibt noch andere Punkte, aber diese geben Ihnen die grundlegenden Ideen für einige Komponenten, die man üben muss. Wenn Menschen über das Lernen reden, wie man ein Physiker wird oder ein Chemiker und so weiter, diese Diskussionen drehen sich nahezu immer darum: "Oh, wir müssen sie all diese unterschiedlichen Themen lernen lassen." Dabei wäre es wirklich wichtig, folgendes zu erkennen: OK, dieses Thema, das Wissen, das ist wichtig. Aber es ist nur dann wichtig, wenn es in diesem weiteren Aspekt der Expertise, des Expertendenkens, eingebettet ist, dass wirklich das Verständnis leitet, wann und wie das Wissen benutzt werden muss. In der Forschung gibt es viele Beispiele, wo Studenten Prüfungen bestehen, die aussagen, dass sie etwas wissen. Aber dann, wenn sie vor einem echten Problem stehen, können sie das Wissen nicht effektiv nutzen. Also, um zu den spezifischen Dingen zu kommen, die Sie tun können: Wenn ich die Forschung zum Lernen zusammenfasse, gibt es fünf grundsätzliche Komponenten, die hier wirklich wichtig sind. Über ‚Motivation‘ gehe ich hinweg, weil jeder, der an diesem Treffen teilnimmt, vermutlich nicht motiviert werden muss, um zu lernen. Aber ich denke, die anderen Dinge könnten Ihnen dann helfen. Das erste hat mit früheren Denken zu tun. Wie ich sagte, man verschaltet das Gehirn neu, aber man muss – das Gehirn beginnt nicht bei Null, es gibt bereits viele Verschaltungen dort. Man muss daher verbinden und aufbauen auf das, was man bereits weiß und denkt. Und es gibt eine Menge grundsätzlicher Dinge darüber wie das Gedächtnis arbeitet, um anfangs Informationen zu verarbeiten und sie dann langfristig zu behalten. Und dann gibt es diese Idee, authentisches Expertendenken zu üben und Feedback dafür zu bekommen. So, ich werde über eine Reihe von Beispielen reden, die Ihnen Dinge an die Hand geben, die Sie selbst tun können, um diese zu üben, um besser zu lernen. Und, übrigens, wenn Sie lehren, sind das die Dinge, die Sie auch Ihren Studenten nahebringen sollten, damit sie besser lernen. Nun, ich möchte unterstreichen, was es nicht ist - und dies ist ein guter Test. Wenn Sie darüber nachdenken: Wie studieren die meisten Menschen? Sie lesen ein Lehrbuch und die Vorlesungsnotizen und arbeiten durch die Lösungen der Aufgaben, oder sitzen passiv in einer Vorlesung und hören zu. Und eine Art und Weise, wie man sofort testen kann, dass das nicht sehr effektiv ist: es ist zu leicht. Es zwingt das Gehirn nicht, hart zu arbeiten, und das bedeutet im Grunde, dass das Gehirn da drin nicht die Chemikalien ausschüttet, um den Effekt hervorzurufen. Also, was sind einige schwierige Dinge, die man tun kann, die effektiv sind? Das erste ist, dass man wirklich intensiv und fokussiert studieren muss und dem wirklich die volle Aufmerksamkeit widmet. Oder es gleich bleiben zu lassen. Man hat einfach nichts davon, wenn man nur mit halber Aufmerksamkeit beim Studium ist. Wenn man neues Material bekommt, ein Thema hier, muss man sich hinsetzen und nachdenken und es mit Ihrem alten Wissen in Einklang bringen. Denken Sie daran, wie die Themen, wie das mit Dingen verknüpft ist, die Sie schon gelernt haben, mit Situationen in der Welt, die Sie kennen, usw. Und machen Sie das auf eine sehr aktive, bewusste Art und Weise. Wenn Sie etwas über ein neues Konzept lernen, setzen Sie sich hin und schreiben Sie die Kriterien auf: Wann wird das zutreffen, in welchen Situationen. Und, sehr wichtig: wann und warum wird es nicht nützlich sein. Sie sollten immer nach Wegen suchen, Ihr Denken zu überprüfen und feststellen, wo Sie Schwachstellen haben. Und daher gibt es viele Möglichkeiten, dies zu tun: Schauen, wie Ihre Ideen in unterschiedlichen Situationen anwendbar sind; überprüfen, diskutieren, mit anderen Studenten sprechen und argumentieren, auch mit Professoren usw. Eine besonders effektive Weise ist der Versuch, es jemand anderem beizubringen. Wir machen dies in unserer Ausbildung mit unserem generischen ‚Bruder oder Schwester in der 10. Klasse‘. Dafür benötigt man Universitätsmaterial, und denkt darüber nach, wie man es aufbereitet, dass man es seinem Bruder oder seiner Schwester in der 10. Klasse erklären kann. Es zwingt Sie, dies wirklich in einem sehr speziellen und effektiven Lernweg zu verarbeiten. Und in diesen Studien stellte sich heraus, dass man es gar nicht wirklich jemandem beibringen muss; man muss sich nur vorstellen, es jemandem beizubringen und hat dadurch schon die meisten Vorteile. Da gibt es die Lösungsplanung. Das ist etwas, mit dem Experten viel mehr Zeit verbringen als Anfänger. Und seien Sie daher sehr explizit, wenn Sie ein neues Problem haben; beim Versuch auszuarbeiten, was die Lösung ist, wie das Problem in Teile aufgeteilt wird, usw., bevor man sich in es vertieft. Wenn Sie ein Problem lösen, stellen Sie sich alternative Wege vor, auf denen man das Problem lösen könnte – Experten machen das immer. Und, sehr wichtig, wenn es vereinfachende Annahmen gibt, versuchen Sie sich zu fragen, was passieren würde, wenn die Annahmen nicht richtig wären. Oder gibt es andere mögliche Annahmen, die man machen könnte? Und jetzt, wo wir dem Ende zugehen: Wenn Sie einen Fehler gemacht haben, schauen Sie nicht gleich nach, was die richtige Antwort ist. Die meisten Lehrer machen den großen Fehler, dass sie sagen, wenn sie sehen, dass ein Student etwas falsch macht: Es erweist sich, dass man dadurch nicht viel lernt. Lernen findet wirklich statt, wenn die Lernenden nicht nur wissen, dass sie etwas falsch gemacht haben, sondern auch verstehen, warum sie den Fehler gemacht haben und wie sie ihr Denken in der Zukunft ändern müssen, um es richtig zu machen. Und dabei findest fast das ganze effektive Lernen statt. Zurück zu langfristiger Speicherung: Es hat sich herausgestellt, dass, wenn man Dinge lange behalten will, muss man sich immer wieder abfragen und sie anwenden. Und durchs Abfragen und Anwenden - es ist kein formaler Test, man erinnert sich an die Ideen und wendet sie an. Und es ist wirklich wahr, entweder benutzt man diesen Denkprozess oder er geht wieder weg; das Gehirn nimmt diese Neuronen, um andere Dinge mit ihnen zu machen. Und am Ende etwas, von dem ich mir gewünscht hätte, es während meiner Studentenzeit besser gewusst zu haben: Schlaf ist wirklich wichtig und dafür gibt es 2 Gründe. Einer ist, dass man dümmer wird, wenn man nicht genug Schlaf bekommt. Aber weniger offensichtlich ist, dass beim Lernen das Gehirn während des Schlafprozesses tatsächlich vieles von dem Gelernten konsolidiert und viele der notwendigen Verdrahtungsänderungen dauerhafter macht. Schlafen ist also ein wichtiger Bestandteil des Lernens. Ok, ich werde jetzt schnell zum Ende kommen. Hier ist noch ein Weg, wie man recht spezifisch Ihre Wie-man-von-Hausaufgaben-lernt-Probleme verbessert. Zunächst muss man darüber nachdenken, was die Fachkenntnis ist, die eingesetzt wird, und das Feedback dazu aus typischen Lehrbüchern oder Prüfungsaufgaben, wenn man sich die Liste der Komponenten des Expertendenkens, über die ich vorhin gesprochen habe, ansieht, und dann darüber nachdenkt, was in der normalen Aufgabe steckt. Zunächst gibt es alle benötigten Informationen, und nur diese Information sagt Ihnen, welche Annahmen, Dinge man vernachlässigen kann. Also hat man gleich am Anfang ausgelassen, diese Teile der Expertise zu üben. Nicht nach irgendeiner Antwort gefragt, nur eine Antwort zu bekommen, man muss nicht rechtfertigen, warum sie vernünftig ist - das fällt weg. Üblicherweise wird nur eine Darstellung verlangt, was auch immer sie in die Aufgabe gesteckt haben - das fällt weg. Und recht oft ist es möglich, das Problem zu lösen, wenn man sich die Konzepte und Prozeduren anschaut, die das Lehrbuch oder die Stunde gerade abgedeckt hat. Und das bedeutet, das fällt auch weg. Bei Ihren normalen Hausaufgaben bleibt sehr wenig an praktischer Übung des Expertendenkens übrig. Man lernt wirklich vorwiegend Fakten und Vorgehensweisen, aber nicht das nützlichere Expertendenken. Ich werde hier nicht auf Einzelheiten eingehen; Sie können Kopien meiner Folien bekommen und sich Gedanken machen. Aber es gibt Wege, wie Sie Ihre normalen Hausaufgaben nehmen und sie selbst in eine Aufgabe umschreiben, die Ihnen dann wirklich eine Übung im Expertendenken aufgibt. Das hilft Ihnen tatsächlich, viel effektiver durch das Erarbeiten dieser Aufgaben zu lernen. Ok, ich bin gerade noch in der Zeit hier. Mir ist bewusst, dass dieser Vortrag - mir ist es bewusster als fast jedem anderen, weil ich dies studiert habe – dass es zuviel Material gab, es zu schnell gegangen ist, als dass Sie es wirklich hätten verarbeiten können. Aber ich sorge dafür, dass Sie Kopien des Vortrags bekommen. Und Sie können sich über sie Gedanken machen und etwas daraus lernen. Und wenn Sie heute zur Nachmittagssitzung kommen, wo wir das ausführlicher diskutieren können, wird das hilfreich sein. Und wenn Sie sich die Folien anschauen, es gibt ein paar Literaturhinweise. Wenn Sie mehr über dieses effektive Lernen wissen möchten und lernen, wie ein Experte zu denken, dort gibt es Literaturangaben. Danke sehr.


Bloodletting was the treatment of choice for 2000 years, and doctors and patients believed it was effective because most people recovered after treatment. The learning and teaching of physics is similar to pre-1800 medicine. The pedagogical equivalent of bloodletting is the standard method and has comparable “evidence” of its effectiveness. I will discuss new controlled experiments on the teaching and learning of physics, equivalent to the modern tests of the effectiveness of different medical treatments. These studies show much more effective alternatives to traditional approaches. They are also providing empirically based general principles for learning, particularly learning to think like an expert physicist. This research is starting to shift the teaching and learning of science away from methods based on folklore and opinion to those based on science.