新的第一年課程將基礎(chǔ)數(shù)學(xué)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(xué)生剛剛解決了一組有關(guān)張力和重力的方程式，這時(shí)他將一個(gè)大鐘擺拉回肩膀并放開(kāi)。

銅盤(pán)在黑板前來(lái)回?cái)[動(dòng)，霍克指導(dǎo)學(xué)生計(jì)時(shí)。他后來(lái)解釋說(shuō)，描述鐘擺運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)可以用來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，例如使用原子振動(dòng)來(lái)檢測(cè)污染物或最大限度地減少地震中摩天大樓的晃動(dòng)。

Houck的課程“形狀和運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)”是工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院一年級(jí)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(xué)和物理課程，但更加強(qiáng)調(diào)在現(xiàn)代工程挑戰(zhàn)的背景下解決問(wèn)題。

電氣工程教授霍克說(shuō)，教職員工希望在第一年為學(xué)生提供更有意義的工程知識(shí)。從2014年開(kāi)始，他主持了一個(gè)審查工程學(xué)院本科課程的戰(zhàn)略規(guī)劃委員會(huì)，后來(lái)領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)開(kāi)發(fā)新課程的教師團(tuán)隊(duì)。這些課程在2017-18學(xué)年進(jìn)行了試點(diǎn)，目的是提高工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生保留率。

“多年來(lái)，大量想成為工程師的學(xué)生已經(jīng)退出了游戲，”他說(shuō)。通過(guò)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(chēng)新課程是“我職業(yè)生涯中做過(guò)的最有影響力的事情”，學(xué)生們?cè)趯?shí)踐工程各個(gè)領(lǐng)域的問(wèn)題解決方法的同時(shí)獲得了基礎(chǔ)技能。這有助于學(xué)生在第一年末選擇專(zhuān)業(yè)時(shí)做出明智的決定，并為他們?cè)谝院蟮恼n程作業(yè)和研究中應(yīng)用數(shù)學(xué)和物理概念做好準(zhǔn)備。

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

除了秋季學(xué)期的微積分課程外，Houck還在春季學(xué)期教授線性代數(shù)課程。數(shù)學(xué)序列還包括秋季學(xué)期的二年級(jí)多變量微積分課程，今年由N.JeremyKasdin教授，他是機(jī)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(guò)程中擔(dān)任工程學(xué)院副院長(zhǎng)16.

3名女學(xué)生在工作臺(tái)上測(cè)試一項(xiàng)發(fā)明

在“力學(xué)、能量和波浪”課程的實(shí)驗(yàn)室里，一年級(jí)工科學(xué)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(dòng)不便的人行動(dòng)不便從椅子上站起來(lái)。

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(jí)物理課程“力學(xué)、能量和波”以及“電力和光子學(xué)”。為了為入門(mén)化學(xué)提供更注重工程的選擇，化學(xué)和生物工程教授BruceKoel現(xiàn)在與化學(xué)系教師共同教授材料化學(xué)課程。

這些課程針對(duì)的是那些來(lái)到普林斯頓大學(xué)的學(xué)生，他們已經(jīng)做好了高中準(zhǔn)備，但沒(méi)有在高中學(xué)習(xí)過(guò)大學(xué)預(yù)修物理，也沒(méi)有在第一年學(xué)習(xí)過(guò)多變量微積分。

“學(xué)生們帶著各種不同的背景來(lái)到普林斯頓，”該工程學(xué)院負(fù)責(zé)本科生事務(wù)的副院長(zhǎng)彼得·博古基(PeterBogucki)說(shuō)。“我們不希望這些學(xué)生被工程學(xué)淘汰，或者給人留下這樣的印象，即你必須從這些學(xué)科的專(zhuān)家開(kāi)始才能成為一名優(yōu)秀的工程師。”

在規(guī)劃過(guò)程中，Houck和他的同事得出結(jié)論，通過(guò)建立這些學(xué)生對(duì)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(kāi)學(xué)校的學(xué)生中有不成比例的來(lái)自工程領(lǐng)域代表性不足的群體，這導(dǎo)致了阻礙該領(lǐng)域多樣性的“漏水管道”。Houck說(shuō)，傳統(tǒng)的第一年課程導(dǎo)致了漏洞，學(xué)校決心做出改進(jìn)。

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

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

在2017-18學(xué)年至少參加過(guò)一門(mén)試點(diǎn)課程的49名一年級(jí)學(xué)生中，只有三人離開(kāi)了工程學(xué)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(xué)生們從工程專(zhuān)業(yè)轉(zhuǎn)而追求科學(xué)和公共政策，并且仍然完成了課程。由于試點(diǎn)課程中大約三分之二的學(xué)生是女性，工程學(xué)院目前的二年級(jí)學(xué)生已達(dá)到40%以上的歷史新高。

Houck承認(rèn)，當(dāng)然，這是一個(gè)小樣本量和短期記錄。今年秋天，學(xué)校將課程的入學(xué)人數(shù)提高了50%，并與大學(xué)科學(xué)技術(shù)委員會(huì)合作，繼續(xù)收集學(xué)生反饋并跟蹤課程前兩個(gè)隊(duì)列的結(jié)果。

教授秋季學(xué)期物理課程的Gmachl說(shuō)，新的課程順序創(chuàng)建了一個(gè)學(xué)生社區(qū)，他們?cè)谀繕?biāo)和準(zhǔn)備方面都非常一致——一個(gè)促進(jìn)學(xué)習(xí)的緊密聯(lián)系的群體。科學(xué)技術(shù)委員會(huì)STEM教育助理主任保羅·德斯特(PaulDurst)說(shuō)，大量研究表明，強(qiáng)烈的歸屬感對(duì)于來(lái)自工程領(lǐng)域代表性不足的群體的學(xué)生的成功尤為重要。

Gmachl說(shuō)，她發(fā)現(xiàn)隨著學(xué)期的進(jìn)展，看到越來(lái)越多的學(xué)生在習(xí)題集上獲得高分，這讓她特別有成就感。一組問(wèn)題要求學(xué)生將典型的Amtrak列車(chē)與Hyperloop列車(chē)的旅行時(shí)間和能源使用進(jìn)行比較，Hyperloop列車(chē)是一種擬議的高速系統(tǒng)，將在密封管內(nèi)運(yùn)行，空氣阻力和摩擦力可忽略不計(jì)。

在物理課程的實(shí)驗(yàn)室部分，學(xué)生將搭建模型過(guò)山車(chē)和擺動(dòng)馬達(dá)，并學(xué)習(xí)使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。作為一個(gè)頂點(diǎn)項(xiàng)目，學(xué)生開(kāi)發(fā)原創(chuàng)設(shè)計(jì)來(lái)解決以下三個(gè)挑戰(zhàn)之一：利用未使用的能量為手機(jī)充電，為行動(dòng)不便的人改進(jìn)輔助設(shè)備，或?qū)⑿鹿δ芗{入樂(lè)高系統(tǒng)。

Gmachl說(shuō)，雖然前兩個(gè)選項(xiàng)比第三個(gè)選項(xiàng)更實(shí)用，但“工程和設(shè)計(jì)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(lè)高積木一樣瘋狂。無(wú)論想法是什么，我們都將其拉回到系統(tǒng)的機(jī)制中。”

2017年秋天，托比·阿耶尼(TobiAyeni)和他的兩個(gè)同學(xué)接受了手機(jī)充電挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)了微型渦輪機(jī)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(tuán)隊(duì)在普林斯頓學(xué)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(zhuān)業(yè)的二年級(jí)學(xué)生，他說(shuō)他很高興能夠“自由放養(yǎng)”，讓物理實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目朝著不同的方向發(fā)展。他稱(chēng)贊新課程的教師“富有感染力的熱情”和對(duì)教學(xué)的高度奉獻(xiàn)，他說(shuō)這對(duì)支持學(xué)生的學(xué)習(xí)具有重要價(jià)值。

大二學(xué)生JovanaKondic也是課程試點(diǎn)組的成員，她說(shuō)她與去年學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)和物理概念“保持著持續(xù)的關(guān)系”，并且經(jīng)常參考她在入門(mén)課程中的筆記本。她最近參加了Facebook的一位工程師關(guān)于機(jī)器學(xué)習(xí)的演講，他提到了Houck的線性代數(shù)課程中涵蓋的技術(shù)。Kondic補(bǔ)充說(shuō)，她第一年的課程啟發(fā)了她主修電氣工程，她對(duì)量子計(jì)算的可能性感到特別興奮。

Kondic說(shuō)：“我曾經(jīng)有這樣一種印象，即那些公司或國(guó)家組織的工程師遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我們作為學(xué)生所做的事情，這幾乎讓人覺(jué)得是遙不可及的事情。”“當(dāng)你意識(shí)到他們不使用我們沒(méi)有接觸過(guò)的任何特殊數(shù)學(xué)時(shí)，感覺(jué)非常好。這實(shí)際上是我們?cè)趯W(xué)校學(xué)到的東西。”