美国物理教育研究动向

徐 燕 张军朋

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

物理教育研究领域积累的研究成果对物理课程建设和教学改革产生了深远影响，其中美国物理教育研究的发展模式是最有代表性的，而且在国际上影响最大.这种研究模式称为以学科为基础的教育研究(Discipline-Based Education Research)，它不同于一般的教育研究和一般教育理论指导下的学科教育研究.

1 美国物理教育研究领域的发展历程[1]

美国物理教育研究的开端可以追溯到1930年美国物理教师协会(AAPT)的成立，其主要目的是通过教学的途径确保物理知识的普及，并为物理教师的专业化发展提供最新和完备的资源及研究成果.

1950年末～1960年，美国加州大学伯克利分校和华盛顿大学对学生学习困难的综合研究，可称得上是最早的物理教育研究工作.

1970年末第一批PER博士毕业，1980年至少有十几所大学成立PER团队.1990年从事PER并具有PER博士学位及具有物理学博士学位的博士后研究人员进入物理系任教.1998～2001年，61位教师将PER作为他们的研究领域.

1999年美国物理学会(APS)发出声明，确定物理教育研究是物理研究领域的一部分.自此，APS致力于通过物理教育研究及利用以PER为基础的教育实践推动物理教育改革.

2000年，全国性PER会议定期举行，随着一些国家及国际PER专题会议的开展，物理教育研究者已形成庞大的团体.

2005年，美国物理学评论杂志特刊——《物理教育研究》的问世，标志着物理教育研究开始形成自己的学术研究范式，正在向学术性的轨道迈进.

2012年，美国国家研究委员会对物理等其他理工类学科以学科为基础的教育研究的现状、贡献以及未来研究发展方向以报告的形式公布.

2 美国物理教育研究的研究模式

美国物理教育研究是以物理学科为基础对物理教师的“教”与学生的“学”的过程所做的研究.

物理教育研究的研究者主要是具有坚实的学科基础和熟悉物理学科研究方法的物理教师、硕士、博士及博士后；主要的研究对象为大学阶段的理工科专业的学生，包括物理专业的学生所开设的大学物理课程及物理实验课程教学；研究目的是改进物理教学，使学生真正理解物理，能够将所学内容应用到实际中去；研究重点是揭示学生学习物理的认知过程，研究影响学生真正理解物理的因素；研究的一般模式是以物理学内容为基础，设计有效的测试和评价工具，调查学生在学习每一部分物理内容之前的原有知识和学习过程中的认知结构的变化，揭示学生的思维障碍，有针对性地设计有效的教学策略和开发新的教学资源，用实证的方法研究新策略和新资源对学生理解物理所产生的实际效果，在研究过程中不断发现新问题，从而展开更深入的研究.[2]

基于对以学科为基础的教育研究关注度的提高，改善自然科学学科的教学实践，2010～2011年间美国国家研究理事会，对以学科为基础的教育研究的成果及未来发展方向做出综合研究，横跨大学物理学、生物学、地理和化学，其中物理教育研究领域重点在于课程与教学的综合研究.

3 物理课程与教学

近年来，基于学生在学习过程中常遇到的困难，突出以学生为中心的主旨，改变传统课堂使其更具参与性与互动性，通过研究和评估，美国物理教育研究领域设计、开发了一些有效的教学方法及教学资源.实践评估显示，新方法和资源的使用明显优于传统课堂教学带来的效果.

3.1 针对物理概念课的教学方法

研究者以传统的概念讲授课为基础，在课前、课中、课后分别设计一些教学方法，旨在利用学生与学生、学生与教师之间的相互影响，提升概念课的教授与学习效果，常见的教学方法有以下几种.

(1)同伴教学法(Peer Instruction).同伴教学法由哈佛大学著名教授Eric Mazur创立，在大学物理课程中，使用专门设计的用于揭示学生错误概念和引导学生深入探究的概念测试题，借助计算机投票系统(clicker)或选项卡片，组织大班课堂教学，变传统单一的讲授为基于问题的自主学习和合作探究.图1给出了同伴教学法的教学方法法则.

图1 PI教学方法法则

哈佛大学对PI 教学方法的研究表明,PI 教学方法在促进学生深入理解物理概念和提高物理计算能力方面优于传统教学方法.

(2)即时教学法(Just-in-Time teaching， JiTT).即时教学法要求学生在上课之前，以邮件的形式提交教师布置的有关概念性问题的答案.教师依据这些反馈信息，评估学生的理解程度，并结合学生情况备课.

(3)互动式课堂演示法(Interactive Lecture Demonstrations， ILDs).互动式课堂演示首先要求学生对物理演示实验中,他们预期观察到的现象做出预测，与同伴讨论彼此的预测，接着观察实验，并将观察到的与自己的预测相比较.ILDs中每个阶段都由工作单引导.

通过FCT，FMCE测试，发现ILDs在学生学习基本物理概念的过程中作用显著，课堂演示中学生预测阶段尤其重要.

(4)反思学习法(Reflection on learning).反思学习法要求学生写日记或者递交周报告进行学习反馈.学生要记录在课堂上学到了什么，如何进行学习的，以及哪些内容还存在疑问.递交的报告也会算入学分.

研究人员发现,学生的学业掌握程度与其反思的质量存在某种关系，概念习得程度高的学生比概念习得程度低的学生反思学习方面更清晰和细致.

3.2 习题讨论式教学方法

为了改变传统枯燥的习题课，增强互动性与组间合作，研究者开发了一系列新的教学方法.

辅导式教学法[3,5](Tutorials in Introductory Physics)最早是University of Washington的物理教育研究小组(University of Washington Physics Education Research Group，UWPEG )提出，并经过多年的教学积累发展起来的一种实行分组教学的习题课教学方法.辅导式教学课的重点是加强学生对重要的物理概念的掌握，并培养他们的科学推理技巧.教学步骤包括课前测试、工作表、作业分配和课后测试等.

辅导式教学主要包括的内容如下：

(1)10 min的课前测试，内容包括课堂上或课本中已讲授的知识，测试题是定性的概念题，题型为简答题、作图题等.

(2)每周教师和助教要进行1～2 h的培训.其间，教师和助教首先完成将要给学生做的课前测试，并讨论学生可能遇到的困难，及辅导课中使用的教学模式和应突出的关键问题.

(3)学生参加50 min到1 h的辅导课.学生分组进行讨论，回答计划表上的问题，教师或助教不讲课，而是通过提问，引导他们对于基本概念进行定性的逻辑推理，从而得到结果.

(4)学生完成指派的作业.

(5)考试内容包括在讨论课中强调的重点概念和推理技巧.

辅导式教学方法在多所大学使用过，并在反复循环的改进过程中不断发展完善.实践证明，这种方法有助于学生合作解决问题，其结果比小组中成绩最好的学生单独完成解答的成绩更好，并且促进小组中不同层次学生的共同进步.

马里兰州立大学物理教育研究组的Redish 教授等人在此基础上发展了以激发学生学习活跃性为基础的教学项目(Activity-Based Physics，ABP)，其中加强了定量计算和物理实验，并应用计算机处理数据、播放课件、显示仿真效果等.马里兰州立大学最新发展的教学项目成果Open-Source Tutorials (OST)，允许教师修改既定工作单，以满足教师需求，并着重强调学生学习物理的观念、认识论或信念.

TIP和ABT在多项选择题及FMCE前、后诊断测量中已产生很大成效.对比三种教法，结果表明使用OST比TIP和ABT更能让学生在课程考试和诊断测试中取得好成绩.

3.3 实验课程 教学法及资源

实验课程的设置及资源的利用要引导学生进行科学探索，通过实验观察物理现象，探索、分析得出基本概念，发展科学能力.实验促进学习者学习的方法主要是实验课程的开发与科学技术的应用.

(1)基于计算机问题解决实验课程(computer-

based problem solving labs)[1].该项课程由明尼苏达大学开发提出.计算机实验教程利用合作小组问题解决的技巧，要求3位学生一组共同完成特定任务.对于促进有效的组间合作，他们贯彻5个方针.

1)学生因一些任务一起工作——积极的相互依赖.

2)学生面对面工作.

3)学生不能让他人代替自己工作——个人责任.

4)学生要学会与他人一起合作.

5)学生要有时间评定小组协作能力，以便更好地发挥这种技能.

基于计算机的问题解决实验课程与传统实验教程最大的区别在于,学生解决实验问题时收集和分析数据的方式不同(主要通过明尼苏达大学为实验教程开发的软件实现).前者在于给定学生合适的任务及解决问题所用工具，让学生制定解决问题的方法及实施方案.

学校开发的软件并不为学生做出分析，而是在问题解决的重要阶段为学生做出指导.Video TOOL是物理实验室中常用的一款软件.

明尼苏达大学刚开始启用此课程时，该教程对于学生的课业成绩及运动学图像解释能力上并没有显著作用，但是在FCI后测中得分高于接受传统教程的学生.

(2)视频分析软件.典型的应用软件是Tracker，它是在开源物理(Open Source Physics，OSP)架构下的一款开源视频分析软件, 由Douglas Brown开发,可以应用在大学物理基础实验和课堂教学中.它可以对运动物体进行位置追踪、旋转体的角度分析，运动物体的动力学模型分析,独特的线性剖面分析工具可以完成对分光计和干涉光谱的三元色分析,同时，可以实现对视频效果的调节，比如，比度、轮廓等.

视频分析软件可以对各种格式的图片直接进行分析，从视频片段中获取数据信息，实现实验素材源于真实世界，在呈现实验现象的过程中还可以获取实验数据.它在某种程度上缓和了学校实验仪器不足，在一定程度和范围内，能够改变“画实验”、“讲实验”的状况，为学生学习提供一个比较真实的认知环境.

(3)研究型科学学习环境实验课程(Investigative Science Learning Environment).此课程适用于概念建构，重点在于对学生科学能力的培养.课程流程如下.[4]

1)学习概念要从认真观察，选定物理现象开始.

2)学生不需要预测实验结果，但是要收集数据并在数据中寻求规律.

3)建构思想或者规律，解释实验中所观察到的现象(课程尽量选择容易解释或者数据规律清晰的实验).在适当的时候，鼓励学生对同一实验提出多种解释.

4)学生利用先验知识帮助自己构造解释，且必须想出测试先前利用假说-演绎推理对新实验提出的解释或者规律的验证实验.当他们得知解释不能被证明时，舍弃最初的解释.

5)执行测试实验后，学生在必要时修改或舍弃他们的解释.有时对测试实验揭示出的现象的新特点，学生试图解释，流程再次开始.

6)最后，他们利用实验解释或规律来解释日常生活现象以及解决问题.

图2为ISLE教学过程图.

图2 ISLE教学过程图

研究表明，ISLE有效促进了学生科学能力的发展，包括对学生多元表征能力，实验设计、收集与分析实验数据、评估实验结果能力的影响.该课程不仅包括实验，还有工作单及其他活动,以满足复习课和大班教学.

让学生在科学探究中学习知识的实验课程还有问题解决实验课程(Problem Solving Labs)和科学团体实验课程(Scientific Community Labs)，这些课程对促进学生科学能力的发展方面都起到了很好的作用.

3.4 新教学空间的开发

一些新的教育方式源于对学生学习空间的重新设计.基于认知学徒制并涉及物理学的教法，减少灌输知识，教育改革把实验室和教室的教学方法结合起来[1].

(1)物理工作室 (Studio Physics).物理工作室是由伦斯勒理工学院开发的.它是经过重新设计,以适应一个综合性的讲座或实验课程的教学空间.开展的是以计算机为工具的活动和小组协作的工作，讲授课和实验课相结合.每班由30 ～45位学生组成，每节课两个小时，每周2～4次.早期研究显示，其在FCI测试中并没有明显优势，但是对于以研究为基础的方法(互动式课堂演示法、合作群体问题解决法)的引入显著促进了学生的学习.Hoellwarth，Moelter，Knight(2005)发现，学生在工作室中对FCI和FMCE的概念评价比在传统教室学习的学生更符合标准.

(2)以学生为中心的大班本科物理课程教学计划(Student-Centered Active Learning Environment for Undergraduate Programs，SCALE-UP ).SCALE-UP由北卡罗莱纳州立大学提出，始于对教室的重新设计.每间教室都拥有大约100名学生.设有多张圆桌，每张桌子可容纳3台电脑和9名学生，每面墙对应都有白板、投影机、电脑和屏幕，让每一个学生都有充分的视觉感观.学生参与活动，合作参与模拟计算机解决问题，并进行假设实验.相比传统课堂，SCALE-UP中学生考试有更好的成绩，能更好地解决问题，且有良好的科学态度.

4 结语

本文简单介绍了美国物理教育研究的发展历程，研究模式以及最新应用的教学方法与教学资源.较美国的物理教育研究来看，我国的教育研究对大学生学习中遇到的困难研究比较匮乏，尤其缺少对大学生概念转变、问题解决及合作学习能力的研究.我国中等教育过于重视命题和解题的研究，而对教师的教学研究和实验探讨过少．美国教育改革后的教育方式、方法值得研究者及一线教师借鉴．物理教育研究国际间的交流也会促进其更好地发展．

参考文献

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. 中外比较与反思：谈学科教育研究的基础和发展方向.课程·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