Professor Thornton forscht zu Physik und allgemeiner naturwissenschaftlicher Bildung. Sein Forschungsziel ist die Ausbildung von Diplom-Physikern zu Universitäts- und Hochschulprofessoren. Er war aktiv in Lehrerfortbildungsprojekten auf lokaler, regionaler und staatlicher Ebene und hat einen Kurs in Naturwissenschaften für K-8-Lehrer entwickelt, um sie zu führenden Lehrern für Naturwissenschaften auszubilden. Dies führte zu einem landesweiten Fernsehkurs für K-12-Lehrer mit Schwerpunkt auf praktischer Wissenschaft unter Verwendung von von Professor Thornton entwickelten Kits. Acht dieser Kurse wurden entwickelt. Die Schüler waren maßgeblich an der Entwicklung von Erfahrungen und der Beschaffung von Materialien beteiligt. Professor Thornton filmt Vorträge und Demonstrationen, die an lokalen Orten in ganz Virginia gezeigt werden, während örtliche außerordentliche Professoren Lehrern mit praktischen Erfahrungen helfen. Die Forschung in diesen Studiengängen wird weiter ausgebaut, und es werden Studierende gesucht, die sich für das Hauptfach Physikpädagogik interessieren.
Weitere derzeit untersuchte Forschungsbereiche sind 1) die Entwicklung von Fernstudiengängen, 2) die Umwandlung von Problemerzählungsabschnitten für große Ingenieur- und Physikkurse in eine konzeptionelle Entwicklungssitzung und 3) die Betonung des kollaborativen Lernens in großen Vorlesungen. Diese Projekte sind möglich MS und Ph.D. Abschlussarbeiten.