Calculations and Expectations: How Engineering Students Describe Three-dimensional Forces

Abstract

The premise of student-centered teaching is to respond to the ways in which students engage with the contextand content of their learning, and therefore the purpose of this study was to find out how students visualizethree-dimensional statics problems from two-dimensional diagrams early in a first-year engineering course.Think-alouds were conducted where students were asked to describe magnitudes and directions of variousforces acting in three-dimensional spaces. Three key themes emerged: students have more trouble visualizingpoints behind, or vectors pointing into, the plane of the page; students may not use contextual clues to aid intheir visualization; and students rely on equations to answer problems even when not necessary or evenpossible to do so. These findings are important to instructors in disciplines where spatial visualization isimportant because as they are already “experts” in this skill, they may underestimate the difficulty studentsinitially face in approaching these problems. The value of using think-alouds to reveal student thinking as theystruggle with concepts is also discussed.La prémisse de l’enseignement centré sur l’apprenant est de réagir à la manière dont les étudiants s’intéressentréellement au contexte et au contenu de leur apprentissage. En conséquence, le but de cette étude était dedécouvrir comment les étudiants visualisent les problèmes statiques tridimensionnels à partir de diagrammesbi-dimensionnels, dans un cours de génie de première année. Des exercices de réflexion à haute voix ont étéeffectués, au cours desquels on a demandé aux étudiants de décrire les magnitudes et les directions de diversesforces qui agissaient dans des espaces tridimensionnels. Trois thèmes clés sont apparus : les étudiants ontdavantage de difficulté à visualiser les points qui se trouvent derrière le niveau de la page ou les vecteurstournés dans la direction de la page; les étudiants n’utilisent pas toujours les indices contextuels dans leurvisualisation; et enfin, les étudiants s’appuient sur les équations pour répondre aux problèmes, même quand cen’est pas nécessaire ou quand c’est impossible à faire. Ces conclusions présentent un grand intérêt pour lesenseignants de disciplines où la visualisation spatiale est importante car, puisqu’eux-mêmes sont déjà «experts » dans cette compétence, ils risquent de mésestimer la difficulté à laquelle les étudiants sontconfrontés, au début, quand ils essaient de résoudre ces problèmes. L’article discute également de la valeur del’utilisation d’exercices de réflexion à haute voix pour révéler ce que pensent les étudiants quand ils sont auxprises avec un problème.

Keywords

• spatial visualization
• statics
• novice vs. expert
• think-alouds