中美物理教育研究的差異性分析

蘇 米 黃致新

(華中師范大學物理科學與技術學院，湖北 武漢 430061)

目前,我國教育正處于改革發展階段,而美國物理教育研究起步早發展快,我國物理教育應該如何改進?美國物理教育研究對我國有何啟示?這些無疑是從事物理教育研究的學者們普遍關心的問題.但是,通過在中國知網、AIP、APS 數據庫查閱文獻,我們發現近年來相關研究主要是將高等物理教育研究作為研究對象,或者是將高等物理教育研究和中等物理教育研究融合在一起進行研究,而將兩者分開分別進行系統研究的論文幾乎沒有.本文通過對比和分析近3年中美兩國7種高水平學術期刊4個方面的不同,力圖作一個全面而系統的中美物理教育研究差異性分析.

1 數據采集和研究方法

本文選擇了《大學物理》、《物理與工程》、《Physical Review Special Topics——Physics Education Research》(PRST)作為高等物理教育研究期刊選擇源,《物理教師》、《物理教學》、《中學物理》、《The Physics Teacher》作為中等物理教育研究期刊選擇源.這些都是中美兩國具有較強代表性和較高權威性的高水平期刊,能代表兩國物理教育研究各自的特點.

通過登錄網站,依次瀏覽2014—2016年期間7種期刊的論文,篩選出物理教育研究相關論文,下載并進行詳細閱讀.運用內容分析法,逐一對每篇論文的研究背景、主要研究方法和主要研究結論進行分析,記錄每篇論文的主要研究對象、研究呈現形式、研究方法等信息.最后,將研究內容和研究方法進行歸類匯總,分為高等物理教育研究和中等物理教育研究兩塊內容,結合圖表,依次從研究對象、學科領域、方法、呈現形式4個方面分析近年中美物理教育研究各自特點,比較兩國差異,得出結論和啟示.

2 中美高等物理教育研究的差異性比較

2.1 研究對象比較

為了便于比較,我們把研究對象分為5個:學生、教師、教學、課程建設和比較教育(見表1).在分類過程中,當一篇論文有多個研究對象時,我們比較每個研究對象的權重,將這篇論文的研究對象視為它的主要研究對象,若權重相近,則將一篇論文歸類到多個主題(不超過3個),所以會出現不同研究對象所占比例相加大于1的情況.由于分類過程中會有一些主觀性判斷,我們所得的結果可能有些許偏差.

表1 中美高等物理教育研究對象分類說明

從圖1可以看出:美國的PRST上圍繞學生的研究論文數量超過了總數的60%,其次較多的是對教學和課程建設的研究,最少的是對教師和對比較教育的研究.這可以說明:美國高等物理教育研究是圍繞學生這個中心展開的,例如“Upper-division student difficulties with the Dirac delta function”[1](“高年級學生在狄拉克δ函數方面的困難”).2016年,PRST還設有一個專題叫:Focused Collection on Gender in Physics(物理學中的性別研究專題),這個專題里的大多數文章都是研究性別對學生學習、心理和自我評估的影響,例如“Gender, experience, and self-efficacy in introductory physics”[2](“介紹性物理學中的性別,經驗和自我效能”).

我國兩種期刊中關于教學的研究都超過了總數的60%,其次較多的是對課程建設的研究,對學生和對比較教育的研究較少,沒有對教師的研究.可以看出,我國高等物理教育是以教學為中心展開的,例如“互易定理教學研究”,[3]對學生的研究則太少,并且近年我國正處于教育改革時期,對課程建設的研究也相應較多,例如“構建大學物理低年級本科生研究與創新實踐能力培育平臺研究”.[4]

圖1 中美高等物理教育研究對象的比較

由于中美兩國都很重視對教學的研究,并且教學涵蓋的內容較廣,我們再把教學細分成教學原理、教學方法、教學內容和教學評價4個方面,作進一步分析.

表2 中美高等物理教育研究中教學研究內容的分類說明表

由圖2可以看出,中美兩國都沒有對教學原理的研究,都很重視對教學方法的研究,但兩國的研究側重點不同:美國更重視研究計算機多媒體等新技術在教學中的應用,例如“Using a dual safeguard web-based interactive teaching approach in an introductory physics class”[5](“在介紹性物理課上使用雙重保障的基于網絡的交互式教學方法”),而我國更側重于研究教師的講課方法,例如“費恩曼風格在物理教學中的現實意義”,[6]但《物理與工程》近3年的論文逐漸開始重視研究信息技術在教學中的應用,例如“混合式教學——信息技術與教學活動深度融合”,[7]中美兩國研究的主要差異在于:美國更重視對教學評價的研究,而我國更重視對教學內容的研究.

圖2 中美高等物理教育研究中教學研究內容的比較

2.2 研究學科領域的比較

物理教育研究大多具體到某一學科領域,統計中美物理教育研究在學科領域的差異,能發現兩國物理教學的側重學科,從而大致了解兩國學生物理知識結構的差異.我們按力學、熱學、電磁學、光學、聲學、近代物理學對學科領域進行劃分.

從圖3可以看出,中美兩國涉及到近代物理學的研究論文都是最多的,其次較多的都是電學和力學.美國對熱學和光學的研究較少,沒有涉及到對聲學的研究;而我國較為重視對光學的研究,涉及到熱學和聲學的研究較少.整體來看,我國近年來對各個學科的重視程度比美國略均衡.

圖3 中美高等物理教育研究學科領域的比較

2.3 研究方法的比較

美國的研究模式很固定:確定研究問題→選取研究對象→進行教學實驗→收集、整合數據,并從多方面討論研究結果→得出研究結論→分析討論研究的不足,提出對后期研究的期望,美國的研究大多是定量的,研究方法規范,結論用數據說話,這能保證研究結果的可信度高.

我國則大部分是定性的研究,沒有進行大規模的調研,多為教師針對某個物理問題的多角度主觀分析,研究成果主觀性強,讀者只能把它們看作是經驗交流或者作為參考.

2.4 研究結果呈現形式的比較

從表3可以看出,PRST中的論文呈現形式更規范,摘要部分簡單介紹了研究目的、實施過程和結論,引言部分除了介紹研究背景、原因、思路和流程外,還詳細介紹了前人所做的相關研究,幫助讀者對這個方向的研究形成一個大概了解,參考文獻也能為讀者搜索相關研究提供便利.而我國論文版面數短,內容也沒有美國豐富.

表3 中美高等物理教育研究結果呈現形式的比較

2.5 小結

通過從以上4個方面分析比較中美高等物理教育研究各自的特點和差異,筆者可以得出以下4點結論:

(1) 美國的高等物理教育研究是圍繞學生展開的,同時,重視對教學方法和對教學評價的研究,而我國的高等物理教育研究是圍繞教學展開的,尤其重視研究教學方法和教學內容,并且,我國目前處于教育改革階段,對課程建設和比較教育的研究也較為重視.

(2) 中美兩國高等物理教育都最關注對近代物理學的研究,但我國對其他學科的重視程度則更為均衡.

(3) 美國高等物理教育研究方法成熟,模式固定,多為通過開展實驗并進行調查的定量研究,而我國多為定性研究.

(4) 我國高等物理教育研究結果呈現形式不如美國規范.

3 中美中等物理教育研究的差異性比較

3.1 研究對象比較

由于我國中等物理教育研究對考試和競賽的重視程度很高,我們選擇的3種期刊都設有與考試競賽相關的欄目,因此,我們在表2的分類中增添一項——考試與競賽,具體內容包括對各類考試和競賽命題及解題的研究.

由圖4可見: 《The Physics Teacher》的論文中研究最多的是學生,約占總論文數的一半,其次較多的依次是教學和課程建設,較少的是教師和比較教育,沒有關于考試和競賽的研究.這和美國高等物理教育研究特點很相似.可以看出:美國現在的中等物理教育研究是以學生為中心,圍繞學生展開研究的,例如“Kinematics Card Sort Activity: Insight into Students’ Thinking”[8](“運動學卡片分類活動:學生思維的洞察”),就是通過開展活動來研究學生的科學思維.

圖4 中美中等物理教育研究對象的比較

中國3種期刊中的論文研究最多的都是教學,分別占56.71%、58.65%、66.58%,比其他研究對象占比高出很多,其次較多的是:考試競賽、學生、課程建設,研究較少的是:比較教育.這可以說:我國的中等物理教育研究是自上而下的,圍繞教學展開的,重視研究如何教學科知識,而不夠重視學生如何學,例如“‘渦流、電磁阻尼和電磁驅動’的教學設計”、[9]“靜摩擦力的有無及方向的判斷教學設計”,[10]都是研究教學方法.同時,我國對考試和競賽的研究多,主要研究中考和高考的命題和解題以及部分競賽題的解法,例如“這樣的方法真的無法判斷?——談2015年高考物理江蘇卷第7題的一種解法”,[11]這說明了我國中等物理教育研究的目的性強,是應試教育.另外,我國中等物理教育研究關于學生和教師的論文較少,研究課程建設和比較教育的論文占比和美國相差不大.

我們按照表3的分類,作進一步分析比較.從圖5可以看出:中美兩國都非常重視研究教學方法,但美國側重于更實際的研究,研究的切入點小而細致,例如“Energy Blocks —— A Physical Model for Teaching Energy Concepts”[12](“能量塊——能量概念教學的物理模型”),具體介紹了教師在課堂上如何用“能量塊”模型講授能量的概念和相關知識;而我國則更側重教師教學經驗的交流,研究的問題較大,例如“物理教學要體現科學探究的本質”,[13]相對美國而言,我國研究顯得更為抽象.其他教學涵蓋的研究內容中,兩國的差異在于:美國更重視教學評價,而我國更重視研究教學內容,在教學原理方面,兩國重視程度都不高.

圖5 中美中等物理教育研究中教學研究內容的比較

3.2 研究學科領域的比較

從圖6可以看出:近3年中美兩國4種期刊對力學的研究論文是最多的,都超過了對所有學科領域的研究論文數量的一半,而對熱學和聲學的研究都較少.兩國的差異在于:美國對電學、光學和近代物理學的重視程度相近,論文數量占比都在10%～20%;而我國則明顯更注重電學,3種期刊中電學相關論文占比都超過了30%,研究光學和近代物理學的論文占比僅在5%左右.即對于美國來說,我國對各個學科領域的重視程度不夠均衡,研究力學和電學的論文數量之和超過了總數的80%.筆者認為:造成這種現象的原因除了課程大綱和教材編排的引導作用外,中考和高考對力學和電學的重視程度非常高也是因素之一,即入學考試的命題方向對我國中等物理教育研究的學科領域有很大影響.這也從一個側面反映了我國中等物理教育研究是向考試看齊的.

圖6 中美中等物理教育研究學科領域的比較

3.3 研究方法的比較

美國中等物理教育研究大多是從生活中常見的現象或者近期發生的熱門事件出發,找出其中涉及的物理知識,教師組織學生進行觀察分析或設計實驗,最后分析和評估學生的學習收獲和困難,例如:“The Physics of Equestrian Show Jumping”[14](“馬術障礙賽中的物理”)是教師引導學生分析馬術中的跳躍涉及到的物理知識的過程,論文中通常還會插入教學活動和學生實驗的照片以及實驗數據圖表,使讀者對這個活動或實驗有一個完整的了解.美國的研究善于從生活中取材,不僅僅只研究教材,在提高學生學習興趣的同時,也給物理教育研究增添了趣味性.

我國中等物理教育研究的方法大多分為3種: (1) 定性分析一個研究主題并得出主觀性結論; (2) 教師在班上實踐一種創新的教學方法或者運用一種新的教學模型和工具,根據教學效果和學生學習情況,進行定性討論并得出結論; (3) 針對一道題或一類題,寫出并討論不同的解題方法,探討類似題目或猜測命題方向.

3.4 研究結果呈現形式的比較

從表4可以看出:《The Physics Teacher》中的論文在整體上最規范,參考文獻數和版面數都比我國3種期刊多,《中學物理》的論文規范程度最低,既沒有摘要,也沒有列出參考文獻.研究結果呈現形式的規范可以從一個側面說明美國中等物理教育研究的學術水平更高.

表4 4種期刊的論文呈現形式比較

3.5 小結

通過從以上4個方面分析比較中美中等物理教育研究各自的特點和差異,筆者可以得出以下4點結論:

(1) 美國中等物理教育研究是圍繞學生展開的,同時也重視對教學方法、教學內容以及教學評價的研究,并且研究的切入點小而細,而我國中等物理教育研究是圍繞教學展開的,研究切入點不夠細,過于重視對以考試為目標的教學方法和教學內容的研究,忽視了對學生的研究.

(2) 中美兩國中等物理教育都很關注對力學的研究,但對于其他學科,美國的重視程度更為均衡,我國更側重于研究電學,對其他學科重視程度不高.

(3) 美國中等物理教育的研究方法更貼近生活,增添了研究的趣味性,而我國中等物理教育研究的方法相對無趣.

(4) 我國中等物理教育研究結果呈現形式不如美國規范.

4 總結與建議

通過分析比較,我們發現中美物理教育研究在研究對象、學科領域、方法、呈現形式4個方面都有一定的差異.這些差異不僅反映了兩國物理教育的指導思想不同,還反映了我國物理教育與美國的差距.我們將從以下4個方面,總結兩國差異并提出思考與建議.

4.1 提升研究的整體質量

美國物理教育研究期刊論文形式規范且相關研究大多是定量的,切入點小,研究很透徹,詳細描述調研或者實驗過程,最后的成果用真實數據呈現,可信度高,說服力強,讀者受益大,可以說美國物理教育研究相關的學術論文質量高;我國物理教育研究論文形式不如美國規范,研究大部分是定性的,切入點大,研究不夠細致和深入,更像是教學方法探討和教師經驗分享,可以給讀者提供多種教學思路和參考,但是,相同或相近主題的研究較多,最常見于某一學科領域中命題和解題方法的研究,并且,我國物理教育研究缺乏定量研究,沒有真實數據說話的研究成果說服力不強.

筆者認為:我國物理教育研究應該盡量避免重復的研究,細化研究切入點,展開細致全面的研究,增加定量研究的方法,并注意研究成果呈現形式的規范,從而提升研究的整體質量,也有助于提高我國物理教師的專業素養.

4.2 形成研究群體

物理教育研究在美國正逐漸成為一個新興研究方向,美國有大量物理教師、碩士研究生、博士研究生以及博士后都在參與美國物理教育研究,PRST上的論文是美國物理學會(American Physical Society)出版的物理評論系列期刊里的,是很多大學聯合進行研究而形成高質量的研究成果,《The Physics Teacher》上的研究則是以美國物理教師協會(American Association of Physics Teachers)為平臺,大量物理教師進行研究,形成了研究群體.這樣能促使物理教育研究發展得更快、更好.

筆者認為:我國應該有更多大學物理教師和研究者關注中等物理教育,而不僅僅是中學物理教師這個群體關注.同時,形成大的、規范的研究群體能使我國物理教育研究得到快速發展.

4.3 關注學生學習

教育,教化培育的對象是人.美國物理教育研究是圍繞學生這個主體展開的,以重視學生學習的積極性、學習興趣以及學習效果來開展教學,之后再進行教學評價和改進.這樣勢必能取得較好效果,達到教化培育學生的目的;我國物理教育研究則是圍繞教學展開的,強調教學方法和內容,重點研究教師怎樣教,而忽視了學生的學習心理、學習困難和學習效果,對學生不夠了解,不知道他們的學習情況,教師就無法對癥下藥地進行教學,達到好的教學效果.另外,我國中等物理教育研究過于重視考試的命題和解題,目的性強,淡化了教育教化培育學生的本質.

筆者認為:我國物理教育研究應當多研究學生,多關注學生的心理狀況和學習效果,以學生學習為主體展開研究.這樣才能使每個學生在學習過程中得到最大的提高.同時,我們應當積極研究教學改革,利用物理學科的特點進行教學研究,探索提高學生學習興趣和學習效果的教學新方法.

4.4 重視教學評價

美國無論是中等物理教育研究還是高等物理教育研究,都很重視教學評價.教學評價是判斷教學質量、水平和成效的手段.只有進行教學評價,才能知道教學方法和內容是否合適,學生收獲大不大,才能為以后的教學改革提供新參考.而我國物理教育研究對教學評價不夠重視,尤其是我國中等物理教育研究,幾乎沒有關于教學評價的研究.

筆者認為:我國物理教育研究應多關注教學評價,包括研究統計分析的方法,測量和評價工具的開發等,通過教學評價來指導我國教學改革.

我國教育正處于改革發展的階段,物理教育研究在這個階段顯得尤為重要,應該得到國家重視.美國在物理教育領域所做的研究告訴我們:這個領域的研究要以學生為主體,圍繞學生的需求展開教學方面的研究,適當減少對考試命題和解題的研究,多進行調查和定量研究,多進行教學評價以指導教學改革,同時也不能忽視研究成果呈現形式的規范.另外,物理教師和研究者應當積極參與到物理教育研究中來,形成完整的研究群體,為我國物理教育研究的發展助力.

1 B R Wilcox, S J Pollock. Upper-division student difficulties with the Dirac delta function [J]. Physics Education Research, 11,010108(2015).

2 J M Nissen, J T Shemwell. Gender, experience, and self-efficacy in introductory physics[J]. Physics Education Research, 12，020105(2016).

3 沈一騎,萬凱.互易定理教學研究[J].大學物理,2016,35(3):50-53.

4 張鳳琴,王丹,林曉瓏.構建大學物理低年級本科生研究與創新實踐能力培育平臺研究[J].大學物理,2016,35(9):46-49.

5 L M Li, B Li, Y Luo. Using a dual safeguard web-based interactive teaching approach in an introductory physics class [J]. Physics Education Research, 11，010106(2015).

6 包景東.費曼風格在物理教學中的現實意義[J].大學物理,2015,34(10):1-4.

7 王祖源,張睿,徐小鳳.混合式教學——信息技術與教學活動深度融合[J].物理與工程,2016,26(6):43-47.

8 E Berryhill, D Herrington, K Oliver. Kinematics Card Sort Activity: Insight into Students’ Thinking[J]. The Physics Teacher, 54，541(2016).

9 唐光善“渦流、電磁阻尼和電磁驅動”的教學設計[J].物理教學,2016,38(11):8-11.

10 程運楚.靜摩擦力的有無及方向的判斷教學設計[J].物理教學,2016,38(9):18-19.

11 戴偉.這樣的方法真的無法判斷?——談2015年高考物理江蘇卷第7題的一種解法[J].物理教學,2016,38(9):68-69.

12 S Hertting. Energy Blocks——A Physical Model for Teaching Energy Concepts [J]. The Physics Teacher, 54，31(2016).

13 李雪林.物理教學要體現科學探究的本質[J].物理教師,2016,37(12):9-11.

14 A Stinner. The Physics of Equestrian Show Jumping[J]. The Physics Teacher, 52，202(2014).