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(duì)物理課程建設(shè)和教學(xué)改革產(chǎn)生了深遠(yuǎn)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(huì)(AAPT)的成立，其主要目的是通過教學(xué)的途徑確保物理知識(shí)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(duì)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(tuán)隊(duì).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(jìn)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(huì)(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(shí)踐推動(dòng)物理教育改革.

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

2005年，美國物理學(xué)評(píng)論雜志特刊——《物理教育研究》的問世，標(biāo)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(jìn).

2012年，美國國家研究委員會(huì)對(duì)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(xiàn)以及未來研究發(fā)展方向以報(bào)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(duì)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(jiān)實(shí)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(duì)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(shí)驗(yàn)課程教學(xué)；研究目的是改進(jìn)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(shí)際中去；研究重點(diǎn)是揭示學(xué)生學(xué)習(xí)物理的認(rèn)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(jì)有效的測(cè)試和評(píng)價(jià)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(shí)和學(xué)習(xí)過程中的認(rèn)知結(jié)構(gòu)的變化，揭示學(xué)生的思維障礙，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)有效的教學(xué)策略和開發(fā)新的教學(xué)資源，用實(shí)證的方法研究新策略和新資源對(duì)學(xué)生理解物理所產(chǎn)生的實(shí)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(duì)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(shí)踐，2010～2011年間美國國家研究理事會(huì)，對(duì)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(diǎn)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(dòng)性，通過研究和評(píng)估，美國物理教育研究領(lǐng)域設(shè)計(jì)、開發(fā)了一些有效的教學(xué)方法及教學(xué)資源.實(shí)踐評(píng)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(duì)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(jì)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(jì)的用于揭示學(xué)生錯(cuò)誤概念和引導(dǎo)學(xué)生深入探究的概念測(cè)試題，借助計(jì)算機(jī)投票系統(tǒng)(clicker)或選項(xiàng)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(duì)PI 教學(xué)方法的研究表明,PI 教學(xué)方法在促進(jìn)學(xué)生深入理解物理概念和提高物理計(jì)算能力方面優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)方法.

(2)即時(shí)教學(xué)法(Just-in-Time teaching， JiTT).即時(shí)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(píng)估學(xué)生的理解程度，并結(jié)合學(xué)生情況備課.

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

通過FCT，F(xiàn)MCE測(cè)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(cè)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(bào)告進(jìn)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(jìn)行學(xué)習(xí)的，以及哪些內(nèi)容還存在疑問.遞交的報(bào)告也會(huì)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(xì)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(qiáng)互動(dòng)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(shí)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(diǎn)是加強(qiáng)學(xué)生對(duì)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(cè)試、工作表、作業(yè)分配和課后測(cè)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(cè)試，內(nèi)容包括課堂上或課本中已講授的知識(shí)，測(cè)試題是定性的概念題，題型為簡(jiǎn)答題、作圖題等.

(2)每周教師和助教要進(jìn)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(cè)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(jìn)行討論，回答計(jì)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(duì)于基本概念進(jìn)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(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)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(jìn)過程中不斷發(fā)展完善.實(shí)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(jī)最好的學(xué)生單獨(dú)完成解答的成績(jī)更好，并且促進(jìn)小組中不同層次學(xué)生的共同進(jìn)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(xiàng)目(Activity-Based Physics，ABP)，其中加強(qiáng)了定量計(jì)算和物理實(shí)驗(yàn)，并應(yīng)用計(jì)算機(jī)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(xiàng)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(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的觀念、認(rèn)識(shí)論或信念.

TIP和ABT在多項(xiàng)選擇題及FMCE前、后診斷測(cè)量中已產(chǎn)生很大成效.對(duì)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(cè)試中取得好成績(jī).

3.3 實(shí)驗(yàn)課程 教學(xué)法及資源

實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置及資源的利用要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探索，通過實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)促進(jìn)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的方法主要是實(shí)驗(yàn)課程的開發(fā)與科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用.

(1)基于計(jì)算機(jī)問題解決實(shí)驗(yàn)課程(computer-

based problem solving labs)[1].該項(xiàng)課程由明尼蘇達(dá)大學(xué)開發(fā)提出.計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)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(duì)于促進(jìn)有效的組間合作，他們貫徹5個(gè)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(duì)面工作.

3)學(xué)生不能讓他人代替自己工作——個(gè)人責(zé)任.

4)學(xué)生要學(xué)會(huì)與他人一起合作.

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

基于計(jì)算機(jī)的問題解決實(shí)驗(yàn)課程與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教程最大的區(qū)別在于,學(xué)生解決實(shí)驗(yàn)問題時(shí)收集和分析數(shù)據(jù)的方式不同(主要通過明尼蘇達(dá)大學(xué)為實(shí)驗(yàn)教程開發(fā)的軟件實(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)室中常用的一款軟件.

明尼蘇達(dá)大學(xué)剛開始啟用此課程時(shí)，該教程對(duì)于學(xué)生的課業(yè)成績(jī)及運(yùn)動(dòng)學(xué)圖像解釋能力上并沒有顯著作用，但是在FCI后測(cè)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(shí)驗(yàn)和課堂教學(xué)中.它可以對(duì)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行位置追蹤、旋轉(zhuǎn)體的角度分析，運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)力學(xué)模型分析,獨(dú)特的線性剖面分析工具可以完成對(duì)分光計(jì)和干涉光譜的三元色分析,同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)各種格式的圖片直接進(jìn)行分析，從視頻片段中獲取數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)素材源于真實(shí)世界，在呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的過程中還可以獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).它在某種程度上緩和了學(xué)校實(shí)驗(yàn)儀器不足，在一定程度和范圍內(nèi)，能夠改變“畫實(shí)驗(yàn)”、“講實(shí)驗(yàn)”的狀況，為學(xué)生學(xué)習(xí)提供一個(gè)比較真實(shí)的認(rèn)知環(huán)境.

(3)研究型科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境實(shí)驗(yàn)課程(Investigative Science Learning Environment).此課程適用于概念建構(gòu)，重點(diǎn)在于對(duì)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(rèn)真觀察，選定物理現(xiàn)象開始.

2)學(xué)生不需要預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)).在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)同一實(shí)驗(yàn)提出多種解釋.

4)學(xué)生利用先驗(yàn)知識(shí)幫助自己構(gòu)造解釋，且必須想出測(cè)試先前利用假說-演繹推理對(duì)新實(shí)驗(yàn)提出的解釋或者規(guī)律的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn).當(dāng)他們得知解釋不能被證明時(shí)，舍棄最初的解釋.

5)執(zhí)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生在必要時(shí)修改或舍棄他們的解釋.有時(shí)對(duì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)揭示出的現(xiàn)象的新特點(diǎn)，學(xué)生試圖解釋，流程再次開始.

6)最后，他們利用實(shí)驗(yàn)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(jìn)了學(xué)生科學(xué)能力的發(fā)展，包括對(duì)學(xué)生多元表征能力，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、收集與分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果能力的影響.該課程不僅包括實(shí)驗(yàn)，還有工作單及其他活動(dòng),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(shí)的實(shí)驗(yàn)課程還有問題解決實(shí)驗(yàn)課程(Problem Solving Labs)和科學(xué)團(tuán)體實(shí)驗(yàn)課程(Scientific Community Labs)，這些課程對(duì)促進(jìn)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(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)空間的重新設(shè)計(jì).基于認(rèn)知學(xué)徒制并涉及物理學(xué)的教法，減少灌輸知識(shí)，教育改革把實(shí)驗(yàn)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(jì),以適應(yīng)一個(gè)綜合性的講座或?qū)嶒?yàn)課程的教學(xué)空間.開展的是以計(jì)算機(jī)為工具的活動(dòng)和小組協(xié)作的工作，講授課和實(shí)驗(yàn)課相結(jié)合.每班由30 ～45位學(xué)生組成，每節(jié)課兩個(gè)小時(shí)，每周2～4次.早期研究顯示，其在FCI測(cè)試中并沒有明顯優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)于以研究為基礎(chǔ)的方法(互動(dòng)式課堂演示法、合作群體問題解決法)的引入顯著促進(jìn)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(duì)FCI和FMCE的概念評(píng)價(jià)比在傳統(tǒng)教室學(xué)習(xí)的學(xué)生更符合標(biāo)準(zhǔn).

(2)以學(xué)生為中心的大班本科物理課程教學(xué)計(jì)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(duì)教室的重新設(shè)計(jì).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(tái)電腦和9名學(xué)生，每面墻對(duì)應(yīng)都有白板、投影機(jī)、電腦和屏幕，讓每一個(gè)學(xué)生都有充分的視覺感觀.學(xué)生參與活動(dòng)，合作參與模擬計(jì)算機(jī)解決問題，并進(jìn)行假設(shè)實(shí)驗(yàn).相比傳統(tǒng)課堂，SCALE-UP中學(xué)生考試有更好的成績(jī)，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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(duì)教師的教學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)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(huì)促進(jìn)其更好地發(fā)展．

參考文獻(xiàn)

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