We introduce a template to (i) scaffold the problem solving process for students in the physics 1 course, and (ii) serve as a generic rubric for measuring how expertlike students are in their problem solving. This template is based on empirical studies of the problem solving practices of expert scientists and engineers, unlike most existing templates which are based on prescriptive, theoretical descriptions of expert problem solving and are largely based on how experts solve textbook-style problems. However, there is still some overlap with existing problem solving templates. In study 1, we investigated the validity of the template for use in introductory physics in two ways, first, by analyzing the final exam solutions from a Physics 1 course, and second, by analyzing seven think-aloud cognitive interviews as successful introductory physics students worked to solve a challenging problem. The results show that use of the elements of the template is correlated with successful problem solving, the template follows successful students’ existing problem solving processes, and explicitly using the template in solving problems does not add additional cognitive load. In study 2, analysis of final exam solutions from a different introductory physics course shows that the relationship between template use and problem solving performance depends on the type and difficulty of the problem. In this work, we also identified some consistent difficulties of unsuccessful students in solving problems which suggests some ways to better teach physics problem solving.

中文翻译：

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入门物理学中解决问题的教学和评估模板

我们引入了一个模板，以（i）为物理1课程的学生提供解决问题的过程的支架，以及（ii）作为衡量专业学生在解决问题方面的表现的通用标准。该模板基于对专家科学家和工程师解决问题的实践的经验研究，与大多数现有模板不同，后者基于专家解决问题的规范性理论描述，并且很大程度上基于专家如何解决教科书式问题。但是，与现有的问题解决模板仍然存在一些重叠。在研究1中，我们以两种方式研究了用于入门物理学的模板的有效性，首先，通过分析“物理1”课程的期末考试解决方案，其次，通过分析七个思考能力强的认知访谈，作为成功的入门物理学学生，他们努力解决了难题。结果表明，模板元素的使用与成功的问题解决相关，模板遵循成功的学生现有的问题解决过程，并且明确地使用模板解决问题不会增加额外的认知负担。在研究2中，对来自不同的入门物理课程的期末考试解决方案的分析表明，模板使用与解决问题性能之间的关系取决于问题的类型和难度。在这项工作中，我们还发现了不成功的学生在解决问题上遇到的一些持续困难，这为更好地教授物理解决问题提供了一些方法。结果表明，模板元素的使用与成功的问题解决相关，模板遵循成功的学生现有的问题解决过程，并且明确地使用模板解决问题不会增加额外的认知负担。在研究2中，对来自不同的入门物理课程的期末考试解决方案的分析表明，模板使用与解决问题性能之间的关系取决于问题的类型和难度。在这项工作中，我们还发现了不成功的学生在解决问题上遇到的一些持续困难，这为更好地教授物理解决问题提供了一些方法。结果表明，模板元素的使用与成功的问题解决相关，模板遵循成功的学生现有的问题解决过程，并且明确地使用模板解决问题不会增加额外的认知负担。在研究2中，对来自不同的入门物理课程的期末考试解决方案的分析表明，模板使用与解决问题性能之间的关系取决于问题的类型和难度。在这项工作中，我们还发现了不成功的学生在解决问题上遇到的一些持续困难，这为更好地教授物理解决问题提供了一些方法。并且明确使用模板解决问题不会增加额外的认知负担。在研究2中，对来自不同的入门物理课程的期末考试解决方案的分析表明，模板使用与解决问题性能之间的关系取决于问题的类型和难度。在这项工作中，我们还发现了不成功的学生在解决问题上遇到的一些持续困难，这为更好地教授物理解决问题提供了一些方法。并且明确使用模板解决问题不会增加额外的认知负担。在研究2中，对来自不同的入门物理课程的期末考试解决方案的分析表明，模板使用与解决问题性能之间的关系取决于问题的类型和难度。在这项工作中，我们还发现了不成功的学生在解决问题上遇到的一些持续困难，这为更好地教授物理解决问题提供了一些方法。