美國物理教育簡史*

秦鳳玲 吳維寧

(湖北大學物理與電子科學學院 湖北 武漢 430062)

1 引言

物理教學一直是美國物理學界關注的焦點，在過去的200年里，美國的物理教育經歷了許多重大的變化.越來越多的人呼吁大學物理教師和高中物理教師改變他們的課程.19世紀80年代美國物理教育文獻的研究表明，早期關于教育改革的研究和現在正在進行的教育變革有許多相似之處，在過去的100年或更長的時間里，對物理教育改革的要求在許多方面始終保持相對一致.我們將美國物理教育史分為10個主題部分，總結每個時期的主要文獻，討論當時的重大事件、人物和問題.最后，我們總結并提出了一些問題，希望物理教育研究者能有效地解決.

2 美國物理教育歷史大綱

2.1 美國物理教育的起源(1860-1884年)

這段時期初，教學大多數以教科書、教師講課、學生背誦為主.雖然升入12年級的高中生都學過物理，但這一群體在總人口中所占比例不超過5%(見圖1).直到這段時期結束，無論是在高中還是大學，學生做實驗的情況都很少見.1880年前后，實驗室教學開始流行起來.

圖1 年齡為17歲的高中畢業生中學物理和不學物理的比例

1884年密歇根大學的物理學教授C.K. Wead發表了一個全國性調查的結果，這個調查是關于高中物理教學的目的和方法.這項調查在全美的中學、學院和大學的教師中傳閱.Wead的報告中明確指出物理教育改革難點就在于如何在高中真正大范圍地實施歸納教學法，歸納法是指在明確地陳述實驗的一般原理之前都要進行實驗及分析.支持這種方法的教科書在這一時期的末期才出現，但是目前還不清楚如何將歸納法廣泛地應用于實際.他經常提醒大家關注Gage的課本，因為Gage是當時唯一支持或闡述了歸納法的教育家[1～3].

2.2 物理教師中的“新運動”(1885-1910年)

19世紀后期，物理教育者們越來越多地主張在高中物理課堂上使用學生實驗和歸納教學法.1906年，一場自稱為“物理教師新運動”的運動開始了，旨在“使基礎課程納入教學，讓物理更有趣，激發學生的興趣”.為此，中央科學與數學教師協會任命了由兩名高中教師和一名物理教授組成的委員會.委員會的第一步是向全國的高中物理教師發出調查，調查主要是征求學生認為第一年物理教學中哪些實驗是“必要的”，也詢問了教師對“使物理更有趣、更有啟發性、更有教育意義的因素是什么”的意見，并將調查結果發表在兩份主要的科學教育雜志上.

2.3 “項目方法”和PER的早期階段(1911-1914年)

這段時期是“項目法”早期階段，學生們要參與冗長的調查，主要調查學生感興趣并與日常生活相關的實際問題.這一時期的一個新趨勢是在高中課程中引入“普通科學”課程，用來吸引對“特殊”科學(如物理和化學)不感興趣的學生.普通科學的主要支持者是師范學校及科學教育教師，其中大多數對高中的“特殊”科學教學的可取性和有效性表示懷疑.一些物理教育者尤其是Millikan認為普通科學僅僅是為了吸引有能力的學生遠離物理和其他科學的學習，浪費在無效的考查課程而不是花在有意義的學習上.

此時期出版了20世紀上半葉美國物理學教育最偉大的綜合著作——C. R. Mann的《普通教育中的物理教學》. 為了解決當代物理教育者面臨的困境，Mann建議采用一種特別設計的教科書支持的項目方法，比如他和G. R. Twiss在第二版中更新的那本. Mann認為物理教師的最終目標必須是讓學生參與能夠喚醒“科學精神”的活動.

2.4 中學課程重組(1915-1922年)

此期間高中入學率隨著物理和其他科學的減少而呈現爆炸性增長,然而高考成績卻較差(見圖1和表1)，因此，重新激起整個中學科學課程結構調整和修改.

表1 高中畢業生(公立和私立學校)修過多年物理課程的百分比

注:1920年以前，很多在10年級或11年級學習物理的學生沒有畢業;1900年以前，修物理的學生中有40%甚至更多沒有高中畢業.

1918年，NEA的中學教育重組委員會(CRSE)發表了中學教育基本原則，重點是讓學生為“日常生活”做好準備.科學委員在1920年發表了他們自己的報告，其中物理小組委員會的報告承認有必要將物理與學生的日常生活聯系起來，強調真正以實驗室為基礎的研究可能導致物理學原理的歸納以及Mann所謂的“科學精神”的培養，以此引用了項目方法.

師范院校及科學教育教師普遍支持將科學用于日常生活，他們在關于中學科學課程的爭論中發揮著重要的作用.科學教育工作者也使用“項目方法”來代表他們活動的關鍵部分，他們認為歸納的過程主要是了解人造技術如何工作,而不是如Mann所說的“世界是一個和諧、良好的生物,如果他們夠努力,夠誠實和夠耐心，就可能找到和諧”的生活態度.

科學教育工作者的觀點與Mann, Twiss和Millikan等人的觀點形成鮮明對比，關于科學教育的最終目的和價值產生了嚴重的分歧.如Twiss等物理教育者認為，學校科學的目的是創造一個有科學素養的公民，并且能重視科學研究的方法和精神.物理學家實現這些目標的方法是創建可以激發學生的科學精神，提供沉浸在科學變革體驗中的課堂教學環境.

2.5 教育家主導(統治)(1923-1947年)

此時期高中和大學的物理教育者出現了明顯的分化，每個群體都追求各自不同的目標.推動K-12科學教育對話，討論各種課程教學改革的主要是教育學校的教師，而不是物理教授.以教育為導向的物理學家，通過美國物理學會成立的委員會分析和改革大學物理教育以便更好地適應農業、醫學和工程專業等不同學生的的需求. 這些物理學家在物理團體中并沒有產生共鳴，所以在1930年11月的最后一天創建了美國物理教師協會(AAPT).

另一個重要主題是對物理教師教育的興趣大大增加，并且這種興趣擴展到了大學.許多科學和數學領域都感到有必要改進和擴大對科學教師的教育，并成立各種聯合委員會及發表報告，促成了前所未有的合作水平.這一時期的早期，教育部門也大力提倡應大幅度提高高中理科教師的學科能力，并建立適當的標準和規章以確保達到效果.

2.6 物理學家的重新參與與課程改革的興起(1948-1966年)

此時期的事件是由戰爭年代的經歷和戰后對科學和科學家在美國社會中作用的關注所形成的.冷戰時期對技術安全的擔憂，加上戰爭導致的技術人員短缺，促進了對科技教育資源的重新分配.物理學家在戰爭期間所扮演的核心角色，極大地增加了政府、工業界和普通民眾對物理學家以及其他科學家和技術人員的支持.

社會觀念轉變的關鍵是1950年國家科學基金會及各種能夠接觸到政府最高層并對其施加影響的科學咨詢委員會的成立.盡管為科學研究設立中央聯邦資助機制討論了至少65年，但直到冷戰時期才將這一觀點所受到的政治阻力克服. 然而，在這一時期最具變動性的事件是1957年蘇聯發射的人造地球衛星.這次發射在美國公眾和決策者中引起了轟動，以至于在不到3年的時間里，聯邦政府對數學和科學教育的資助增加了一個數量級.啟動的幾個項目已經吸引了大學里的物理學家來努力改善高中物理，并且這些項目由于國會的支持而獲得了前所未有的強大推動力.

這些事件最直接的結果是：(1)物理學教師在夏天接受在職培訓，并且由NSF和私人企業資助的學年“研究院”快速增加;(2)聯邦政府資助旨在全國范圍內改變課堂教學，推動中小學科學課程發展.許多新的課程教學強調深入的概念推理和以調查為導向的學生實驗活動，并側重于相對較少的基本的統一原則，而不是大量的技術應用.

2.7 戰后改革的高潮和現代PER的出現(1967-1991年)

1968年，委員會發表了具有里程碑意義的高中物理教師準備研究報告，呼吁人們關注提高物理教師的質和量.1972年，國家研究委員會的物理調查委員會發表報告：支持創建探究為基礎的大學物理課程以培養高中物理和小學科學教師.物理學家Arons和R. Karplus都對建立現代PER產生了影響，他們都從傳統的物理研究過渡到物理課程開發.20世紀70年代，華盛頓大學的L. C. McDermott通過對物理學習的系統研究，為中小學教師準備了物理課程，大大擴展了這項工作.與此同時，亞利桑那州立大學的D. O. Hestenes批評大多數物理學家缺乏K-12教育的參與，并認為教育學院的教師沒有能力處理具體學習內容問題，他呼吁在K-12教育中增加物理教師的角色.

20世紀70年代，F. Reif和同事們將物理學作為研究大學生解決問題能力的參考標準.McDermott的小組發起了關于美國大學生物理學習的調查行動，L. Viennot對學生在物理學中的“自發概念”進行了系統的研究.20世紀80年代，Hestenes和同事 I. A. Halloun 開發并發布了基于研究的力概念量表(FCI)的最初版本，提高了大學物理教師對PER的認識.同時，物理學家們在大學物理課堂中率先將計算機實驗室技術應用到導查教學中， 而其他人則強調在物理教學中使用多種陳述方法(圖、表、詞等)進行定性分析.1983年發表的開創性報告《一個處于危險中的國家》促成了一系列國家委員會、報告、調查，最終導致了重大的新舉措和科學“標準”的實施.

2.8 概念物理學和現代PER的興起(1992-2001年)

在此期間美國物理教育出現了兩種前所未有的變革性現象:(1)高中物理課程多樣性增加，物理入學率大幅上升；(2)高校物理系對當代物理教育研究的接受程度不斷擴大.19世紀80年代中期，高中畢業生中選修過物理課程的比例達到歷史最低水平16%～18%，到2001年達到31%，這一上升趨勢一直延續到今天，而這種增長中最大的一個因素是“概念”物理課程的迅速發展.

作為標準的、以數學為導向的“大學預備”課程的補充，新物理課程的制度化實現了20世紀初物理教育改革者的目標之一.新修訂的課程注重物理概念以及定性和定量解決問題的能力.從內容的角度來看，這些課程在很大程度上符合最新的國家科學標準：科學素養的基準(1993)和國家科學教育標準(1996).20世紀70年代，為數不多的幾位物理學家開始研究大學生物理學的學習.在此期間，AJP發表了90多篇 PER論文，水平有了顯著提高.PER影響力上升的另一個指標是：期間參加AAPT全國會議的人數急劇增加.為了支持研究和發展工作，越來越多的攻讀物理教育博士學位的研究生加入到這項工作中來，一年一度的全國物理教育研究者會議順利召開并越來越受歡迎.

2.9 現在的高中物理和國家報告(2002-2014年)

物理教育研究領域不斷擴大，AJP和《物理評論》每年發表50～80篇論文，物理教育研究會議的年度同行評議論文集已經增長到400多頁.物理學家對教育改革活動的參與達到了前所未有的水平，這些活動包括集中改善高中教師教育,通過基于證據的方法轉變大學物理教育.個別資源評估的結果越來越多地納入國家報告. 2005年，由美國物理學會出版的《物理評論》的一個專題啟動，標題為《物理評論專題-物理教育研究》.物理教師教育聯盟于2001年由APS與AAPT合作建立，重點是吸引物理教師參與與物理教師教育相關的討論.2008年，Phys TEC與AIP合作，發起了“物理教師教育特別工作組”，經過4年的研究，發表了130頁的報告，改變了物理教師的準備工作:一個行動的呼吁， 此外還有另外兩份出版物《物理教師教育:研究、課程和實踐》 和《教育未來物理學老師》. 20世紀60年代以來，美國物理學會從未如此集中精力改善高中物理教育.

3 總結

自19世紀60年代末以來，高中和大學都一直對物理教學方式進行不斷改變.從1893年“十人委員會”的報告到20世紀50年代后期蘇聯人造衛星等物理內容的課程改革，直到今天，大學教育以及物理學家已經深入參與高中物理和物理教師的準備工作.對這段歷史的敘述不可避免地導致了某些主要問題:什么策略可能在廣泛和持久的基礎上改善物理教育?之前的策略是否成功地產生了持久的影響?真的有什么改變嗎?

盡管在150多年的時間里，每個時期的主題都有許多相似之處，但物理教育也確實發生了一些重要的變化.早期的事件和最近時期的事件有一個明顯的區別，那就是大學教育程度的人均水平的發展.教育改革的動力不僅僅是高中物理，最近改革的焦點已經在大學層面.與此同時，近來高中科學改革主要集中增加工程和技術課程，而不是像20世紀早期到中期那樣集中于物理、化學和生物課程.自20世紀初以來，從K-12到大學的各個階段，實施以實踐、主動學習、實驗室為基礎的大規模教學仍然面臨著嚴峻挑戰.同時，教師授課的準備工作仍然是一個挑戰，在很大程度上是由科學教育者進行或指導的，這些教育者往往不重視具體的物理教學方法，而強調適合“普通科學”的方法.

這里仍有許多未解之謎.例如:

(1)盡管“歸納”教學法得到了廣泛和長期的支持，但它有各種各樣的名字，如“探究”“科學實踐”等，這種方法在高中或大學物理課程中從來沒有成功實施.如何解釋它的持續失敗呢?從邏輯上和實踐上來說，僅僅是因為這些方法很難融入正常的課堂實踐嗎?

(2)PSSC和Project Physics在歷史上標志著一次全國性的大規模物理教育改革成為可能.這是怎么發生的?它只是簡單地歸因于冷戰的特定影響，還是有可能與其他歷史環境相關?盡管在這個項目中投入了巨大的努力和資源，為什么它沒有持續下去?是否有現有的資源和想法可以使我們有可能模仿PSSC和項目物理學的初始影響，同時有一個可持續的模型來保留和擴展初始影響，從而產生更持久的影響?

(3)現代人關注學生對物理概念的理解是否會導致教育改革發生不同于以往的變化?

(4)現在或曾經有過物理教育者對于物理教育最重要的目標達成共識嗎?主要是教授實用的、事實性的知識嗎?表達對基本原理的深刻理解?培養科學方法實踐能力?如果在教學目標上仍存在根本分歧，能否就有效的改革方法達成共識?