Anxiety is known to dysregulate the salience, default mode, and central executive networks of the human brain, yet this phenomenon has not been fully explored across the STEM learning experience, where anxiety can impact negatively academic performance. Here, we evaluated anxiety and large-scale brain connectivity in 101 undergraduate physics students. We found sex differences in STEM-related and clinical anxiety, with longitudinal increases in science anxiety observed for both female and male students. Sex-specific relationships between STEM anxiety and brain connectivity emerged, with male students exhibiting distinct inter-network connectivity for STEM and clinical anxiety and female students demonstrating no significant within-sex correlations. Anxiety was negatively correlated with academic performance in sex-specific ways at both pre- and post-instruction. Moreover, math anxiety in male students mediated the relation between default mode-salience connectivity and course grade. Together, these results reveal complex sex differences in the neural mechanisms driving how anxiety is related to STEM learning.

This project aims to understand physics faculty responses to transitioning to online teaching during the COVID-19 pandemic. We surveyed 662 physics faculty from the United States following the Spring 2020 term; of these, 258 completed a follow-up survey after the Fall 2020 term. We used natural language processing to measure the sentiment scores of 364 Spring 2020 responses and another 134 Fall 2020 responses of physics faculty who completed an optional written prompt. Additionally, we determined the change in sentiment scores of the 100 individuals who responded to both surveys. These sentiment scores measured between −1 and 1 for completely negative and completely positive, respectively. Sentiment scores after Spring 2020 were slightly positive with a median value of 0.2347. The distribution of sentiment changes was approximately normally distributed with a mean centered near zero. Analysis suggests the average sentiment did not change from the initial to follow-up surveys. To identify major topics within the responses for both surveys, latent Dirichlet allocation analysis was applied to the data. The topic distribution for the initial survey is given as course modifications and technology, negative aspects of the transition—primarily with labs and cheating, exam and evaluation difficulties, and difficulties with student understanding. The topics were noticeably different in the follow-up survey with differences between Fall and Spring, cooperative learning strategies, strategies that worked in the remote space, and benefits of in-person labs. Published by the American Physical Society 2024

Physics is a challenging academic pursuit in which university students regularly struggle to achieve success. Female students tend to perform negatively on introductory physics conceptual assessments compared to their male peers; however, active-learning classroom curricula are known to broadly improve performance on these tests. Here, we used fMRI to delineate physics-related brain activity in 107 students and probed for changes following a semester of active-learning or lecture-based physics instruction. Large-scale reorganization of brain activity accompanying learning occurred in a mixed frontoparietal and default mode network. Sex differences were observed in frontoparietal, default mode, and primary visual areas before and after instruction. Regions showing significant pedagogy, sex, and time interactions were revealed during physics retrieval, suggesting the type of class students complete may influence sex differences in how students retrieve information. These results reveal potentially elucidating sex and pedagogy differences underlying the neural mechanisms supporting physics learning.

Abstract Academic performance relies, in part, on intelligence; however, intelligence quotient (IQ) is limited in predicting academic success. Furthermore, while the search for the biological seat of intelligence predates neuroscience itself, its findings remain conflicting. Here, we assess the interplay between IQ, academic performance, and brain connectivity with behavioral and functional MRI data collected from undergraduate students as they completed an active learning or lecture-based semester-long university physics course. IQ (i.e., full-scale WAIS scores) increased significantly pre-to post-instruction, were associated with physics knowledge and reasoning measures, but were unrelated to overall course grade. IQ was related to brain connectivity during physics-related cognition, but connectivity did not mediate IQ’s association with task performance. These relations depended on students’ sex and instructional environment, providing evidence that physics classroom environment and pedagogy may have a gendered influence on students’ performance. Discussion focuses on opportunities to improve physics reasoning skills for all students.

Abstract Attentional control theory (ACT) posits that elevated anxiety increases the probability of re-allocating cognitive resources needed to complete a task to processing anxiety-related stimuli. This process impairs processing efficiency and can lead to reduced performance effectiveness. Science, technology, engineering, and math (STEM) students frequently experience STEM-related anxiety, which can interfere with learning and performance and negatively impact student retention and graduation rates. The objective of this study was to extend the ACT framework to investigate the neurobiological associations between STEM-related anxiety and cognitive performance among 123 physics undergraduate students. Latent profile analysis (LPA) identified four profiles of student STEM-related anxiety, including two profiles that represented the majority of the sample (Low STEM Anxiety; 59.3% and High Math Anxiety; 21.9%) and two additional profiles that were not well represented (High STEM Anxiety; 6.5% and High Science Anxiety; 4.1%). Students underwent a functional magnetic resonance imaging (fMRI) session in which they performed two tasks involving physics cognition: the Force Concept Inventory (FCI) task and the Physics Knowledge (PK) task. No significant differences were observed in FCI or PK task performance between High Math Anxiety and Low STEM Anxiety students. During the three phases of the FCI task, we found no significant brain connectivity differences during scenario and question presentation, yet we observed significant differences during answer selection within and between the dorsal attention network (DAN), ventral attention network (VAN), and default mode network (DMN). Further, we found significant group differences during the PK task were limited to the DAN, including DAN-VAN and within-DAN connectivity. These results highlight the different cognitive processes required for physics conceptual reasoning compared to physics knowledge retrieval, provide new insight into the underlying brain dynamics associated with anxiety and physics cognition, and confirm the relevance of ACT theory for STEM-related anxiety.

Understanding how students learn is crucial for helping them succeed. We examined brain function in 107 undergraduate students during a task known to be challenging for many students – physics problem solving – to characterize underlying neural mechanisms and determine how these support comprehension and proficiency. Further, we applied module analysis to response distributions, defining groups of students who answered using similar physics conceptions, and probed for brain differences linked with different conceptual approaches. We found integrated executive, attentional, visual motion, and default mode brain systems cooperate to achieve sequential and sustained physics-related cognition. While accuracy alone did not predict brain function, dissociable brain patterns were observed when students solved problems using different physics conceptions, and increased success was linked to conceptual coherence. Our analyses demonstrate that episodic associations and control processes operate in tandem to support physics reasoning, offering potential insight to support student learning.