新的第一年课程将基础数学和物理与现代工程挑战相结合

普林斯顿教授AndrewHouck的微积分学生刚刚解决了一组有关张力和重力的方程式，这时他将一个大钟摆拉回肩膀并放开。

铜盘在黑板前来回摆动，霍克指导学生计时。他后来解释说，描述钟摆运动的数学可以用来解决实际问题，例如使用原子振动来检测污染物或最大限度地减少地震中摩天大楼的晃动。

Houck的课程“形状和运动的数学”是工程与应用科学学院一年级本科生新系列课程的一部分。这些课程由凯勒工程教育创新中心提供，提供与更传统课程相同的数学和物理课程，但更加强调在现代工程挑战的背景下解决问题。

电气工程教授霍克说，教职员工希望在第一年为学生提供更有意义的工程知识。从2014年开始，他主持了一个审查工程学院本科课程的战略规划委员会，后来领导了一个开发新课程的教师团队。这些课程在2017-18学年进行了试点，目的是提高工程专业的学生保留率。

“多年来，大量想成为工程师的学生已经退出了游戏，”他说。通过新方法，“他们将成为工程师，他们将做出令人惊奇的事情。”

霍克称新课程是“我职业生涯中做过的最有影响力的事情”，学生们在实践工程各个领域的问题解决方法的同时获得了基础技能。这有助于学生在第一年末选择专业时做出明智的决定，并为他们在以后的课程作业和研究中应用数学和物理概念做好准备。

“我们正试图将他们正在学习的技能与非常具体、切实的问题联系起来，这样学生就可以更加投入和兴奋，并更好地记住它，”Houck说。

除了秋季学期的微积分课程外，Houck还在春季学期教授线性代数课程。数学序列还包括秋季学期的二年级多变量微积分课程，今年由N.JeremyKasdin教授，他是机械和航空航天工程的EugeneHiggins教授，他在2014年至2014年的战略规划过程中担任工程学院副院长16.

3名女学生在工作台上测试一项发明

在“力学、能量和波浪”课程的实验室里，一年级工科学生(左起)GraceGong、EmilyColborne和Taj-JahnaeBrailsford-Forde正在研究便携式垫子的原型，该垫子可以帮助行动不便的人行动不便从椅子上站起来。

拍摄者大卫凯利乌鸦

EugeneHiggins电气工程教授ClaireGmachl和StephenR.Forrest电气工程教授JamesSturm分别教授一年级物理课程“力学、能量和波”以及“电力和光子学”。为了为入门化学提供更注重工程的选择，化学和生物工程教授BruceKoel现在与化学系教师共同教授材料化学课程。

这些课程针对的是那些来到普林斯顿大学的学生，他们已经做好了高中准备，但没有在高中学习过大学预修物理，也没有在第一年学习过多变量微积分。

“学生们带着各种不同的背景来到普林斯顿，”该工程学院负责本科生事务的副院长彼得·博古基(PeterBogucki)说。“我们不希望这些学生被工程学淘汰，或者给人留下这样的印象，即你必须从这些学科的专家开始才能成为一名优秀的工程师。”

在规划过程中，Houck和他的同事得出结论，通过建立这些学生对工程的兴趣和热情，一套新课程可以帮助提高保留率。

Houck指出，选择离开学校的学生中有不成比例的来自工程领域代表性不足的群体，这导致了阻碍该领域多样性的“漏水管道”。Houck说，传统的第一年课程导致了漏洞，学校决心做出改进。

Houck解释说，新课程的一个主要目标是“采用多样化的方法，以便学生可以找到进入工程学院的正确入口——这样我们就不会只是过滤掉那些一模一样的学生——放之四海而皆准的方法行不通。我们希望学生只有在发现其他更令他们兴奋的事情时才离开工程学。”

他还指出，“如果学生不让自己退出游戏，那么有和没有大学先修学分的学生之间的差距很容易缩小。我100%确定我的学生和传统课程序列中的任何学生一样了解。”

在2017-18学年至少参加过一门试点课程的49名一年级学生中，只有三人离开了工程学院——这一比例约为6%，而其他新生的这一比例为14%。令人鼓舞的是，学生们从工程专业转而追求科学和公共政策，并且仍然完成了课程。由于试点课程中大约三分之二的学生是女性，工程学院目前的二年级学生已达到40%以上的历史新高。

Houck承认，当然，这是一个小样本量和短期记录。今年秋天，学校将课程的入学人数提高了50%，并与大学科学技术委员会合作，继续收集学生反馈并跟踪课程前两个队列的结果。

教授秋季学期物理课程的Gmachl说，新的课程顺序创建了一个学生社区，他们在目标和准备方面都非常一致——一个促进学习的紧密联系的群体。科学技术委员会STEM教育助理主任保罗·德斯特(PaulDurst)说，大量研究表明，强烈的归属感对于来自工程领域代表性不足的群体的学生的成功尤为重要。

Gmachl说，她发现随着学期的进展，看到越来越多的学生在习题集上获得高分，这让她特别有成就感。一组问题要求学生将典型的Amtrak列车与Hyperloop列车的旅行时间和能源使用进行比较，Hyperloop列车是一种拟议的高速系统，将在密封管内运行，空气阻力和摩擦力可忽略不计。

在物理课程的实验室部分，学生将搭建模型过山车和摆动马达，并学习使用计算机辅助设计软件。作为一个顶点项目，学生开发原创设计来解决以下三个挑战之一：利用未使用的能量为手机充电，为行动不便的人改进辅助设备，或将新功能纳入乐高系统。

Gmachl说，虽然前两个选项比第三个选项更实用，但“工程和设计是在限制条件下发挥创造力。它可以像构建弹簧加载或自毁乐高积木一样疯狂。无论想法是什么，我们都将其拉回到系统的机制中。”

2017年秋天，托比·阿耶尼(TobiAyeni)和他的两个同学接受了手机充电挑战，设计了微型涡轮机以安装在水槽排水管内，并利用落水的力量发电。一年后，该团队在普林斯顿学生气候倡议的支持下继续发展他们的想法。

Ayeni现在是土木与环境工程专业的二年级学生，他说他很高兴能够“自由放养”，让物理实验室项目朝着不同的方向发展。他称赞新课程的教师“富有感染力的热情”和对教学的高度奉献，他说这对支持学生的学习具有重要价值。

大二学生JovanaKondic也是课程试点组的成员，她说她与去年学习的基础数学和物理概念“保持着持续的关系”，并且经常参考她在入门课程中的笔记本。她最近参加了Facebook的一位工程师关于机器学习的演讲，他提到了Houck的线性代数课程中涵盖的技术。Kondic补充说，她第一年的课程启发了她主修电气工程，她对量子计算的可能性感到特别兴奋。

Kondic说：“我曾经有这样一种印象，即那些公司或国家组织的工程师远远高于我们作为学生所做的事情，这几乎让人觉得是遥不可及的事情。”“当你意识到他们不使用我们没有接触过的任何特殊数学时，感觉非常好。这实际上是我们在学校学到的东西。”