國際物理教育研究的現狀與動向
——基于PRPER近15年物理教育研究論文(2005-2019)的內容分析

陳穎怡 張軍朋

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

《物理評論-物理教育研究》(《Physical Review-Physics Education Research》，PRPER)是美國唯一以物理教育研究(PER)人員為主要讀者的期刊，是國際上最具代表性的物理教育研究期刊.本文以PRPER在2005-2019年發表的685篇論文為研究資料，采用內容分析法對國際物理教育研究進行系統分析，以期對國內物理教育研究有所啟示.

1 研究設計

1.1 研究方法

本研究遵循內容分析法的研究過程，在通讀685篇文獻的摘要和瀏覽全文的基礎上，建立分析變量框架，將標題、作者、發表年份、研究主題、學科領域進行歸類編碼，最終以圖表的形式展示數據.

1.2 內容分析變量

(1)發文時間與載文量

本研究通過PRPER發文時間與載文量，分析國際物理教育研究的發展脈絡、研究現狀及其受重視程度.

(2)研究主題

文獻研究主題的分布與變化趨勢在一定程度上能夠展現主要范疇和重點研究方向.

(3)學科領域

本研究按照力學、電學、熱學、光學、聲學、原子物理、量子物理以及天文學等學科領域進行歸類分析.

2 研究結果

2.1 發文時間與載文量

PRPER近15年的載文量如圖1所示，整體趨勢是增長的.2005-2011年的文獻量還較少，2012-2015年小幅度上升之后，2016年起發文數量增幅加大，兩次增長是因為2012年PRPER增添研究重點征集(Focused Collections)專題和2016年PRPER被整合到“Physical Review”系列，提升了期刊的聲譽和知名度.

圖1 PRPER載文量隨年份的變化

2.2 研究主題

參照L.C.McDermott(1999)和Docktor以及Mestre(2014)和張靜(2013)等國內外學者對物理教育研究主題的分類框架，本研究歸納出7個研究主題，在此基礎上劃分出各主題下的二級主題，得到國際物理教育研究主題分布表(表1)及研究主題年代分布圖(圖2).

從表1可以看出，近15年PRPER研究熱點集中在評價、物理課程與教學、學生和教師的態度和信念.從圖2可以看到，近兩年涉及評價的文獻增多，物理課程與教學主題的文獻數量保持穩定增長的速度，契合PRPER開發基于研究的創新物理課程的初衷.

表1 國際物理教育研究主題分布表

圖2 PRPER近15年研究主題年份分布圖

下面對各研究主題進行介紹：

(1)評價

實證研究是PRPER的一大特點，其重要方法是測量與評價.目前PRPER已有90多個測試工具，包括學科知識的概念量表、科學推理的測試量表、學生關于物理學的態度和信念的調查問卷等.這些測試工具仍在不斷地修正，如1994年Beichner發表的運動學圖像理解測試量表TUG-K，為提升信效度前后修正4次，2017年的4.0版本增加了評價維度與題目并行的設計[1].研究概念量表和標準考試得分的相關性或比較不同概念量表之間的得分也較多.Burkholder等人調查了力與運動概念評價量表FMCE分數與是否參加先修預備課程(Advanced Placement, AP)以及與AP考試分數的相關性，發現存在弱相關性，可以推斷，盡管AP課程旨在加強對物理概念的理解，但AP考試對物理概念的考查較弱[2].不同人群在概念量表上的得分能夠反映出他們在概念理解上的差異或相似之處，如Michi Ishimoto等人基于項目反應理論和FMCE測試，發現日本和美國學生的項目得分曲線具有高度的相似性，說明日本和美國的大學物理課程設置是相近的[3].考試和家庭作業也是評價學生的重要途徑，Slepkov等人提出結合主觀試題和客觀選擇題特點的新型組合命題方式，使試題和學生成績之間具有更強的相關性[4].評價量規(rubric)有助于使“評價目標”具體化和可視化，便于客觀地觀察和評價.Docktor等人制定科學地評估學生書面作答情況的評價量規，提出5個解決物理問題的一般過程，規定每個過程的得分標準[5].另外有些研究者嘗試建立評價學生學習情況的數學模型，如Eleanor等人通過分析學生在前后測驗的分數變化曲線，推斷學生分數變化的原因[6].

(2)物理課程與教學

基于研究的課程和教學改革一直是PRPER的重點研究方向.為改變傳統課堂以教師為中心的教學方法，PRPER提出一些增強課堂互動性的教學方法，如同伴教學法(PI)、及時教學法(JiTT)、多媒體模塊教學法(MLM)和基于課堂演示實驗的互動教學法(ILD)等.我國也進行了嘗試，如Ping Zhang等人以北師大科學專業的4個班級為研究對象，設置PI教學法授課實驗組和傳統授課對照組，結果表明PI教學法產生顯著的正向影響，且一個學期內固定同伴比變換同伴的教學效果更好[7]；清華大學物理系LieMing Li等人在JiTT教學法基礎上開發雙重警戒、網絡交互的大學物理教學模式(DGWI)，設置預習和網上作業的雙重警戒線，為教師備課提供針對性數據，實現師生雙方的及時交互[8].

研究者開發了學生自主探究的復習課教學資源，如華盛頓大學的物理輔導課TIP、馬里蘭大學的基于活動的輔導課ABT和開源教程OST等.為改進傳統“菜譜式”實驗課，研究者就如何在實驗室教學中真正提高學生探究能力開展了研究，如Pieter Coppens等人通過視頻分析法觀察電學實驗的情況，發現學生把大量時間用在測量而不是處理數據和討論交流，于是提出一種新的電學實驗方法：設置“黑匣子”和快速報告，讓學生注重討論[9].

此外，研究者提出基于理論設計的教學序列TLS、促進個性化學習的通用學習設計框架UDL、課堂互動學習框架FILL等教學策略.“以學生為中心”的理念催生了新的課堂結構，如理論課和實驗課結合的Studio Physics和以學生為中心的主動學習環境翻轉教學(SCALE-UP).動畫、計算機模擬和在線學習網站等形式教學資源層出不窮，如虛擬實驗室、PhET在線仿真模擬、PeerWise同伴學習等.

(3)學生和教師的態度和信念

態度和信念影響著學生和教師在物理課程學習與教學的行為和表現，相關的研究也愈加受到關注.大部分研究是關于開發應用學生態度和信念的量表問卷，如經典的科羅拉多科學態度測量量表CLASS和馬里蘭州物理期望調查MPEX，以及近幾年開發的科羅拉多科學實驗態度量表E-CLASS,物理自我效能感問卷PSEQ,科學本質觀問卷VNSQ和物理目標定向調查PGOS等.教師的態度和信念研究主要采取問卷和訪談的方法，如David Woitkowski等人對德國教授進行半結構式訪談對他們的科學本質觀進行調查，Adrian Madsen等人對物理系教師進行現象學訪談調查他們對基于研究的評價的實施情況和理解[10,11].

(4)問題解決

關于問題解決的研究最早是從19世紀末才開始的，初期以研究問題解決本質為主，直到20世紀80年代才開始從學科知識層面開展對問題解決的研究.目前PRPER對問題解決的研究主要是對比專家-新手、示例、問題表征、在物理問題中應用數學技能以及提高問題解決能力的教學策略等方面，如Witat Fakcharoenphol等人研究了專家和新手判斷物理問題難度的準確性[12]；Smith等人用眼動追蹤儀記錄學生在閱讀示例和解決與示例相似的物理問題時的視線移動模式，發現學生在閱讀示例時缺乏識別和記憶物理概念的意識和能力[13]；Alexandru Maries等人研究圖示表征對學生解決靜電問題的影響，發現不提供圖示組比提供圖示組表現好，強制繪圖組比自行繪圖組的表現好[14]；Bashirah Ibrahim等人發現數學復雜度對解決包含相關聯概念的綜合問題影響不大，但對解決包含多個關聯性不強的概念的綜合問題影響較大[15]；傳統教學通常強調定量解題過程，而不是教會學生選擇合適的概念規律，為此Docktor等人提出概念性問題解決的教學方法，指導學生識別題中的概念原理[16].

(5)認知心理

認知心理學的物理教育研究主要是根據不同類型的物理學習過程來研究學生的認知構建及發展.學生某些持續性的錯誤可能是由于推理困難，而不是缺乏相關概念理解，因此PRPER進行了與問題解決有關的推理認知過程的研究，如Gette等人運用雙加工理論，用TIP教材中“5-block”浮力問題調查學生的推理過程[17].此外，Nilüfer Didi等人研究學生理解光量子化、能量量子化和角動量量子化的心智模型[18]；Podolefsky等人發現在電磁波教學中使用類比法可以影響學生的推理操作，應用多種表征方式有助于學生更準確地解釋物理現象[19]；Madsen等人在6個物理概念問題的圖示中標注關鍵信息，記錄專家和新手在解決問題時的眼球運動，發現專家比新手會花更多時間查看這些關鍵信息[20].

(6)概念理解

學生概念理解的研究是PRPER領域中最早的研究主題之一.其中學生錯誤概念的研究是最廣泛的，研究者根據概念轉變理論開展物理概念的認知結構理論和錯誤概念轉變教學策略的研究，如本體論認為學生產生概念理解困難是因為將諸如力、熱、電流之類的“過程”類別的物理量歸類為“物質”類別，Ayush Gupta等人提出教師可以從“物質”類別的事物入手理解概念，例如用“為什么不同質量的物體會以相同的加速度自由下落”等含有“物質”的例子來解釋重力[21].

(7)其他

PRPER是一個多元化的研究領域，如近幾年不但關注學生性別差異與學習物理的表現、自我效能感等的相關程度，還關注物理學家群體中的性別和種族差異.教師發展是提高教學質量的關鍵，為提升美國物理教師的水平，全國物理教師預備課程、教師研討會和教師在線學習社區FOLC等紛紛得到支持.

2.3 學科領域

PRPER每年都涉及力學的研究，主要是力學概念測試量表的開發與應用.電學包括電磁學和電路等相關知識，涉及電學概念測試量表(CSEM,BEMA,DIRRECT等)的討論和關于法拉第定律、電磁感應、靜電場、電磁場等的概念理解和問題解決的研究.近幾年關于量子物理的論文大幅度增長，涉及量子力學的概念測試量表(QMCA)的開發、對波函數等概念理解和量子力學教學資源開發.天文學的研究包括大學天文學專業教育和中學STEM教育中的天文學基礎教育.熱學的研究涉及師生能量觀念的調查和熵、卡諾熱機、玻爾茲曼統計等知識的學習困難研究.2005-2019年PRPER各學科領域載文量柱狀圖如圖3所示.

圖3 2005-2019年PRPER各學科領域載文量柱狀圖

3 總結與啟示

3.1 研究方向多樣化

縱觀PRPER，心理測量技術在教學評價中的應用、虛擬物理實驗平臺的開發、物理網絡學習與交流平臺的建設、非物理專業的通識性物理教育、物理本科生的入學預備教育和職業生涯規劃教育等在內的新的物理教育研究方興未艾、異彩紛呈.這反映出PRPER呈現出全方位、多樣化的研究趨勢.

3.2 重視以學科為基礎的教育研究模式

PRPER的大多數研究都是由學科知識基礎堅實的物理教師針對教學中具體問題展開的，他們借鑒物理學的觀察、實驗、建模等科學方法，探索學生如何學習物理，以此提出新教法和新教材，并在實踐中檢驗研究成果[22].這種以學科為基礎的教育研究模式是PRPER的主要研究模式，能把教師個體的經驗轉化為反復檢驗的研究成果，是PRPER發展的生命力所在.

3.3 關注信息化資源共享

現代信息技術對推動教學方式和教學模式的改革具有重要作用，如美國物理教師協會和堪薩斯州立大學合作開發的物理教育研究資源共享平臺PhysPort，免費為全球物理教育工作者提供涵蓋多種評價工具、物理教學方法與課堂示例和評價數據處理器等資源.信息化資源共享促進研究工具和在線教學資源的推廣落實，加快物理教學的有效變革，是未來PRPER重要的研究方向.

希望國內物理教育研究者能從本研究的分析視角得到一些啟示，借鑒PRPER以學科為基礎的教育研究方法，重視我國師生實證研究，基于信息網絡平臺開發出豐富的物理課程和教學資源.