美國物理教育研究動向

徐 燕 張軍朋

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

物理教育研究領(lǐng)域積累的研究成果對物理課程建設(shè)和教學(xué)改革產(chǎn)生了深遠影響，其中美國物理教育研究的發(fā)展模式是最有代表性的，而且在國際上影響最大.這種研究模式稱為以學(xué)科為基礎(chǔ)的教育研究(Discipline-Based Education Research)，它不同于一般的教育研究和一般教育理論指導(dǎo)下的學(xué)科教育研究.

1 美國物理教育研究領(lǐng)域的發(fā)展歷程[1]

美國物理教育研究的開端可以追溯到1930年美國物理教師協(xié)會(AAPT)的成立，其主要目的是通過教學(xué)的途徑確保物理知識的普及，并為物理教師的專業(yè)化發(fā)展提供最新和完備的資源及研究成果.

1950年末～1960年，美國加州大學(xué)伯克利分校和華盛頓大學(xué)對學(xué)生學(xué)習(xí)困難的綜合研究，可稱得上是最早的物理教育研究工作.

1970年末第一批PER博士畢業(yè)，1980年至少有十幾所大學(xué)成立PER團隊.1990年從事PER并具有PER博士學(xué)位及具有物理學(xué)博士學(xué)位的博士后研究人員進入物理系任教.1998～2001年，61位教師將PER作為他們的研究領(lǐng)域.

1999年美國物理學(xué)會(APS)發(fā)出聲明，確定物理教育研究是物理研究領(lǐng)域的一部分.自此，APS致力于通過物理教育研究及利用以PER為基礎(chǔ)的教育實踐推動物理教育改革.

2000年，全國性PER會議定期舉行，隨著一些國家及國際PER專題會議的開展，物理教育研究者已形成龐大的團體.

2005年，美國物理學(xué)評論雜志特刊——《物理教育研究》的問世，標志著物理教育研究開始形成自己的學(xué)術(shù)研究范式，正在向?qū)W術(shù)性的軌道邁進.

2012年，美國國家研究委員會對物理等其他理工類學(xué)科以學(xué)科為基礎(chǔ)的教育研究的現(xiàn)狀、貢獻以及未來研究發(fā)展方向以報告的形式公布.

2 美國物理教育研究的研究模式

美國物理教育研究是以物理學(xué)科為基礎(chǔ)對物理教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”的過程所做的研究.

物理教育研究的研究者主要是具有堅實的學(xué)科基礎(chǔ)和熟悉物理學(xué)科研究方法的物理教師、碩士、博士及博士后；主要的研究對象為大學(xué)階段的理工科專業(yè)的學(xué)生，包括物理專業(yè)的學(xué)生所開設(shè)的大學(xué)物理課程及物理實驗課程教學(xué)；研究目的是改進物理教學(xué)，使學(xué)生真正理解物理，能夠?qū)⑺鶎W(xué)內(nèi)容應(yīng)用到實際中去；研究重點是揭示學(xué)生學(xué)習(xí)物理的認知過程，研究影響學(xué)生真正理解物理的因素；研究的一般模式是以物理學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，設(shè)計有效的測試和評價工具，調(diào)查學(xué)生在學(xué)習(xí)每一部分物理內(nèi)容之前的原有知識和學(xué)習(xí)過程中的認知結(jié)構(gòu)的變化，揭示學(xué)生的思維障礙，有針對性地設(shè)計有效的教學(xué)策略和開發(fā)新的教學(xué)資源，用實證的方法研究新策略和新資源對學(xué)生理解物理所產(chǎn)生的實際效果，在研究過程中不斷發(fā)現(xiàn)新問題，從而展開更深入的研究.[2]

基于對以學(xué)科為基礎(chǔ)的教育研究關(guān)注度的提高，改善自然科學(xué)學(xué)科的教學(xué)實踐，2010～2011年間美國國家研究理事會，對以學(xué)科為基礎(chǔ)的教育研究的成果及未來發(fā)展方向做出綜合研究，橫跨大學(xué)物理學(xué)、生物學(xué)、地理和化學(xué)，其中物理教育研究領(lǐng)域重點在于課程與教學(xué)的綜合研究.

3 物理課程與教學(xué)

近年來，基于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中常遇到的困難，突出以學(xué)生為中心的主旨，改變傳統(tǒng)課堂使其更具參與性與互動性，通過研究和評估，美國物理教育研究領(lǐng)域設(shè)計、開發(fā)了一些有效的教學(xué)方法及教學(xué)資源.實踐評估顯示，新方法和資源的使用明顯優(yōu)于傳統(tǒng)課堂教學(xué)帶來的效果.

3.1 針對物理概念課的教學(xué)方法

研究者以傳統(tǒng)的概念講授課為基礎(chǔ)，在課前、課中、課后分別設(shè)計一些教學(xué)方法，旨在利用學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與教師之間的相互影響，提升概念課的教授與學(xué)習(xí)效果，常見的教學(xué)方法有以下幾種.

(1)同伴教學(xué)法(Peer Instruction).同伴教學(xué)法由哈佛大學(xué)著名教授Eric Mazur創(chuàng)立，在大學(xué)物理課程中，使用專門設(shè)計的用于揭示學(xué)生錯誤概念和引導(dǎo)學(xué)生深入探究的概念測試題，借助計算機投票系統(tǒng)(clicker)或選項卡片，組織大班課堂教學(xué)，變傳統(tǒng)單一的講授為基于問題的自主學(xué)習(xí)和合作探究.圖1給出了同伴教學(xué)法的教學(xué)方法法則.

圖1 PI教學(xué)方法法則

哈佛大學(xué)對PI 教學(xué)方法的研究表明,PI 教學(xué)方法在促進學(xué)生深入理解物理概念和提高物理計算能力方面優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)方法.

(2)即時教學(xué)法(Just-in-Time teaching， JiTT).即時教學(xué)法要求學(xué)生在上課之前，以郵件的形式提交教師布置的有關(guān)概念性問題的答案.教師依據(jù)這些反饋信息，評估學(xué)生的理解程度，并結(jié)合學(xué)生情況備課.

(3)互動式課堂演示法(Interactive Lecture Demonstrations， ILDs).互動式課堂演示首先要求學(xué)生對物理演示實驗中,他們預(yù)期觀察到的現(xiàn)象做出預(yù)測，與同伴討論彼此的預(yù)測，接著觀察實驗，并將觀察到的與自己的預(yù)測相比較.ILDs中每個階段都由工作單引導(dǎo).

通過FCT，F(xiàn)MCE測試，發(fā)現(xiàn)ILDs在學(xué)生學(xué)習(xí)基本物理概念的過程中作用顯著，課堂演示中學(xué)生預(yù)測階段尤其重要.

(4)反思學(xué)習(xí)法(Reflection on learning).反思學(xué)習(xí)法要求學(xué)生寫日記或者遞交周報告進行學(xué)習(xí)反饋.學(xué)生要記錄在課堂上學(xué)到了什么，如何進行學(xué)習(xí)的，以及哪些內(nèi)容還存在疑問.遞交的報告也會算入學(xué)分.

研究人員發(fā)現(xiàn),學(xué)生的學(xué)業(yè)掌握程度與其反思的質(zhì)量存在某種關(guān)系，概念習(xí)得程度高的學(xué)生比概念習(xí)得程度低的學(xué)生反思學(xué)習(xí)方面更清晰和細致.

3.2 習(xí)題討論式教學(xué)方法

為了改變傳統(tǒng)枯燥的習(xí)題課，增強互動性與組間合作，研究者開發(fā)了一系列新的教學(xué)方法.

輔導(dǎo)式教學(xué)法[3,5](Tutorials in Introductory Physics)最早是University of Washington的物理教育研究小組(University of Washington Physics Education Research Group，UWPEG )提出，并經(jīng)過多年的教學(xué)積累發(fā)展起來的一種實行分組教學(xué)的習(xí)題課教學(xué)方法.輔導(dǎo)式教學(xué)課的重點是加強學(xué)生對重要的物理概念的掌握，并培養(yǎng)他們的科學(xué)推理技巧.教學(xué)步驟包括課前測試、工作表、作業(yè)分配和課后測試等.

輔導(dǎo)式教學(xué)主要包括的內(nèi)容如下：

(1)10 min的課前測試，內(nèi)容包括課堂上或課本中已講授的知識，測試題是定性的概念題，題型為簡答題、作圖題等.

(2)每周教師和助教要進行1～2 h的培訓(xùn).其間，教師和助教首先完成將要給學(xué)生做的課前測試，并討論學(xué)生可能遇到的困難，及輔導(dǎo)課中使用的教學(xué)模式和應(yīng)突出的關(guān)鍵問題.

(3)學(xué)生參加50 min到1 h的輔導(dǎo)課.學(xué)生分組進行討論，回答計劃表上的問題，教師或助教不講課，而是通過提問，引導(dǎo)他們對于基本概念進行定性的邏輯推理，從而得到結(jié)果.

(4)學(xué)生完成指派的作業(yè).

(5)考試內(nèi)容包括在討論課中強調(diào)的重點概念和推理技巧.

輔導(dǎo)式教學(xué)方法在多所大學(xué)使用過，并在反復(fù)循環(huán)的改進過程中不斷發(fā)展完善.實踐證明，這種方法有助于學(xué)生合作解決問題，其結(jié)果比小組中成績最好的學(xué)生單獨完成解答的成績更好，并且促進小組中不同層次學(xué)生的共同進步.

馬里蘭州立大學(xué)物理教育研究組的Redish 教授等人在此基礎(chǔ)上發(fā)展了以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)活躍性為基礎(chǔ)的教學(xué)項目(Activity-Based Physics，ABP)，其中加強了定量計算和物理實驗，并應(yīng)用計算機處理數(shù)據(jù)、播放課件、顯示仿真效果等.馬里蘭州立大學(xué)最新發(fā)展的教學(xué)項目成果Open-Source Tutorials (OST)，允許教師修改既定工作單，以滿足教師需求，并著重強調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的觀念、認識論或信念.

TIP和ABT在多項選擇題及FMCE前、后診斷測量中已產(chǎn)生很大成效.對比三種教法，結(jié)果表明使用OST比TIP和ABT更能讓學(xué)生在課程考試和診斷測試中取得好成績.

3.3 實驗課程 教學(xué)法及資源

實驗課程的設(shè)置及資源的利用要引導(dǎo)學(xué)生進行科學(xué)探索，通過實驗觀察物理現(xiàn)象，探索、分析得出基本概念，發(fā)展科學(xué)能力.實驗促進學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的方法主要是實驗課程的開發(fā)與科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用.

(1)基于計算機問題解決實驗課程(computer-

based problem solving labs)[1].該項課程由明尼蘇達大學(xué)開發(fā)提出.計算機實驗教程利用合作小組問題解決的技巧，要求3位學(xué)生一組共同完成特定任務(wù).對于促進有效的組間合作，他們貫徹5個方針.

1)學(xué)生因一些任務(wù)一起工作——積極的相互依賴.

2)學(xué)生面對面工作.

3)學(xué)生不能讓他人代替自己工作——個人責(zé)任.

4)學(xué)生要學(xué)會與他人一起合作.

5)學(xué)生要有時間評定小組協(xié)作能力，以便更好地發(fā)揮這種技能.

基于計算機的問題解決實驗課程與傳統(tǒng)實驗教程最大的區(qū)別在于,學(xué)生解決實驗問題時收集和分析數(shù)據(jù)的方式不同(主要通過明尼蘇達大學(xué)為實驗教程開發(fā)的軟件實現(xiàn)).前者在于給定學(xué)生合適的任務(wù)及解決問題所用工具，讓學(xué)生制定解決問題的方法及實施方案.

學(xué)校開發(fā)的軟件并不為學(xué)生做出分析，而是在問題解決的重要階段為學(xué)生做出指導(dǎo).Video TOOL是物理實驗室中常用的一款軟件.

明尼蘇達大學(xué)剛開始啟用此課程時，該教程對于學(xué)生的課業(yè)成績及運動學(xué)圖像解釋能力上并沒有顯著作用，但是在FCI后測中得分高于接受傳統(tǒng)教程的學(xué)生.

(2)視頻分析軟件.典型的應(yīng)用軟件是Tracker，它是在開源物理(Open Source Physics，OSP)架構(gòu)下的一款開源視頻分析軟件, 由Douglas Brown開發(fā),可以應(yīng)用在大學(xué)物理基礎(chǔ)實驗和課堂教學(xué)中.它可以對運動物體進行位置追蹤、旋轉(zhuǎn)體的角度分析，運動物體的動力學(xué)模型分析,獨特的線性剖面分析工具可以完成對分光計和干涉光譜的三元色分析,同時，可以實現(xiàn)對視頻效果的調(diào)節(jié)，比如，比度、輪廓等.

視頻分析軟件可以對各種格式的圖片直接進行分析，從視頻片段中獲取數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)實驗素材源于真實世界，在呈現(xiàn)實驗現(xiàn)象的過程中還可以獲取實驗數(shù)據(jù).它在某種程度上緩和了學(xué)校實驗儀器不足，在一定程度和范圍內(nèi)，能夠改變“畫實驗”、“講實驗”的狀況，為學(xué)生學(xué)習(xí)提供一個比較真實的認知環(huán)境.

(3)研究型科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境實驗課程(Investigative Science Learning Environment).此課程適用于概念建構(gòu)，重點在于對學(xué)生科學(xué)能力的培養(yǎng).課程流程如下.[4]

1)學(xué)習(xí)概念要從認真觀察，選定物理現(xiàn)象開始.

2)學(xué)生不需要預(yù)測實驗結(jié)果，但是要收集數(shù)據(jù)并在數(shù)據(jù)中尋求規(guī)律.

3)建構(gòu)思想或者規(guī)律，解釋實驗中所觀察到的現(xiàn)象(課程盡量選擇容易解釋或者數(shù)據(jù)規(guī)律清晰的實驗).在適當?shù)臅r候，鼓勵學(xué)生對同一實驗提出多種解釋.

4)學(xué)生利用先驗知識幫助自己構(gòu)造解釋，且必須想出測試先前利用假說-演繹推理對新實驗提出的解釋或者規(guī)律的驗證實驗.當他們得知解釋不能被證明時，舍棄最初的解釋.

5)執(zhí)行測試實驗后，學(xué)生在必要時修改或舍棄他們的解釋.有時對測試實驗揭示出的現(xiàn)象的新特點，學(xué)生試圖解釋，流程再次開始.

6)最后，他們利用實驗解釋或規(guī)律來解釋日常生活現(xiàn)象以及解決問題.

圖2為ISLE教學(xué)過程圖.

圖2 ISLE教學(xué)過程圖

研究表明，ISLE有效促進了學(xué)生科學(xué)能力的發(fā)展，包括對學(xué)生多元表征能力，實驗設(shè)計、收集與分析實驗數(shù)據(jù)、評估實驗結(jié)果能力的影響.該課程不僅包括實驗，還有工作單及其他活動,以滿足復(fù)習(xí)課和大班教學(xué).

讓學(xué)生在科學(xué)探究中學(xué)習(xí)知識的實驗課程還有問題解決實驗課程(Problem Solving Labs)和科學(xué)團體實驗課程(Scientific Community Labs)，這些課程對促進學(xué)生科學(xué)能力的發(fā)展方面都起到了很好的作用.

3.4 新教學(xué)空間的開發(fā)

一些新的教育方式源于對學(xué)生學(xué)習(xí)空間的重新設(shè)計.基于認知學(xué)徒制并涉及物理學(xué)的教法，減少灌輸知識，教育改革把實驗室和教室的教學(xué)方法結(jié)合起來[1].

(1)物理工作室 (Studio Physics).物理工作室是由倫斯勒理工學(xué)院開發(fā)的.它是經(jīng)過重新設(shè)計,以適應(yīng)一個綜合性的講座或?qū)嶒炚n程的教學(xué)空間.開展的是以計算機為工具的活動和小組協(xié)作的工作，講授課和實驗課相結(jié)合.每班由30 ～45位學(xué)生組成，每節(jié)課兩個小時，每周2～4次.早期研究顯示，其在FCI測試中并沒有明顯優(yōu)勢，但是對于以研究為基礎(chǔ)的方法(互動式課堂演示法、合作群體問題解決法)的引入顯著促進了學(xué)生的學(xué)習(xí).Hoellwarth，Moelter，Knight(2005)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在工作室中對FCI和FMCE的概念評價比在傳統(tǒng)教室學(xué)習(xí)的學(xué)生更符合標準.

(2)以學(xué)生為中心的大班本科物理課程教學(xué)計劃(Student-Centered Active Learning Environment for Undergraduate Programs，SCALE-UP ).SCALE-UP由北卡羅萊納州立大學(xué)提出，始于對教室的重新設(shè)計.每間教室都擁有大約100名學(xué)生.設(shè)有多張圓桌，每張桌子可容納3臺電腦和9名學(xué)生，每面墻對應(yīng)都有白板、投影機、電腦和屏幕，讓每一個學(xué)生都有充分的視覺感觀.學(xué)生參與活動，合作參與模擬計算機解決問題，并進行假設(shè)實驗.相比傳統(tǒng)課堂，SCALE-UP中學(xué)生考試有更好的成績，能更好地解決問題，且有良好的科學(xué)態(tài)度.

4 結(jié)語

本文簡單介紹了美國物理教育研究的發(fā)展歷程，研究模式以及最新應(yīng)用的教學(xué)方法與教學(xué)資源.較美國的物理教育研究來看，我國的教育研究對大學(xué)生學(xué)習(xí)中遇到的困難研究比較匱乏，尤其缺少對大學(xué)生概念轉(zhuǎn)變、問題解決及合作學(xué)習(xí)能力的研究.我國中等教育過于重視命題和解題的研究，而對教師的教學(xué)研究和實驗探討過少．美國教育改革后的教育方式、方法值得研究者及一線教師借鑒．物理教育研究國際間的交流也會促進其更好地發(fā)展．

參考文獻

1 Singer，S.R. & Nielsen，N.R.. Discipline-Based Education Research: Understanding and improving learning in Undergraduate Science and Engineering. Washington，DC: The national academies press，2012

2 郭玉英. 中外比較與反思：談學(xué)科教育研究的基礎(chǔ)和發(fā)展方向.課程·教材·教法，2007,21(1)：93～94

3 http://en.wikipedia.org/wiki/Tutorial#Tutorial_Class(accessed march 8, 2013)

4 http://www.islephysics.net/(accessed march 15, 2013)

5 Redish，E .F.. Teaching physics with physics suite.US: Wiley, 2003.3～199