国际物理教育研究的现状与动向——基于PRPER近15年物理教育研究论文(2005-2019)的内容分析

陈颖怡 张军朋

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

《物理评论-物理教育研究》(《Physical Review-Physics Education Research》，PRPER)是美国唯一以物理教育研究(PER)人员为主要读者的期刊，是国际上最具代表性的物理教育研究期刊.本文以PRPER在2005-2019年发表的685篇论文为研究资料，采用内容分析法对国际物理教育研究进行系统分析，以期对国内物理教育研究有所启示.

1 研究设计

1.1 研究方法

本研究遵循内容分析法的研究过程，在通读685篇文献的摘要和浏览全文的基础上，建立分析变量框架，将标题、作者、发表年份、研究主题、学科领域进行归类编码，最终以图表的形式展示数据.

1.2 内容分析变量

(1)发文时间与载文量

本研究通过PRPER发文时间与载文量，分析国际物理教育研究的发展脉络、研究现状及其受重视程度.

(2)研究主题

文献研究主题的分布与变化趋势在一定程度上能够展现主要范畴和重点研究方向.

(3)学科领域

本研究按照力学、电学、热学、光学、声学、原子物理、量子物理以及天文学等学科领域进行归类分析.

2 研究结果

2.1 发文时间与载文量

PRPER近15年的载文量如图1所示，整体趋势是增长的.2005-2011年的文献量还较少，2012-2015年小幅度上升之后，2016年起发文数量增幅加大，两次增长是因为2012年PRPER增添研究重点征集(Focused Collections)专题和2016年PRPER被整合到“Physical Review”系列，提升了期刊的声誉和知名度.

图1 PRPER载文量随年份的变化

2.2 研究主题

参照L.C.McDermott(1999)和Docktor以及Mestre(2014)和张静(2013)等国内外学者对物理教育研究主题的分类框架，本研究归纳出7个研究主题，在此基础上划分出各主题下的二级主题，得到国际物理教育研究主题分布表(表1)及研究主题年代分布图(图2).

从表1可以看出，近15年PRPER研究热点集中在评价、物理课程与教学、学生和教师的态度和信念.从图2可以看到，近两年涉及评价的文献增多，物理课程与教学主题的文献数量保持稳定增长的速度，契合PRPER开发基于研究的创新物理课程的初衷.

表1 国际物理教育研究主题分布表

图2 PRPER近15年研究主题年份分布图

下面对各研究主题进行介绍：

(1)评价

实证研究是PRPER的一大特点，其重要方法是测量与评价.目前PRPER已有90多个测试工具，包括学科知识的概念量表、科学推理的测试量表、学生关于物理学的态度和信念的调查问卷等.这些测试工具仍在不断地修正，如1994年Beichner发表的运动学图像理解测试量表TUG-K，为提升信效度前后修正4次，2017年的4.0版本增加了评价维度与题目并行的设计[1].研究概念量表和标准考试得分的相关性或比较不同概念量表之间的得分也较多.Burkholder等人调查了力与运动概念评价量表FMCE分数与是否参加先修预备课程(Advanced Placement, AP)以及与AP考试分数的相关性，发现存在弱相关性，可以推断，尽管AP课程旨在加强对物理概念的理解，但AP考试对物理概念的考查较弱[2].不同人群在概念量表上的得分能够反映出他们在概念理解上的差异或相似之处，如Michi Ishimoto等人基于项目反应理论和FMCE测试，发现日本和美国学生的项目得分曲线具有高度的相似性，说明日本和美国的大学物理课程设置是相近的[3].考试和家庭作业也是评价学生的重要途径，Slepkov等人提出结合主观试题和客观选择题特点的新型组合命题方式，使试题和学生成绩之间具有更强的相关性[4].评价量规(rubric)有助于使“评价目标”具体化和可视化，便于客观地观察和评价.Docktor等人制定科学地评估学生书面作答情况的评价量规，提出5个解决物理问题的一般过程，规定每个过程的得分标准[5].另外有些研究者尝试建立评价学生学习情况的数学模型，如Eleanor等人通过分析学生在前后测验的分数变化曲线，推断学生分数变化的原因[6].

(2)物理课程与教学

基于研究的课程和教学改革一直是PRPER的重点研究方向.为改变传统课堂以教师为中心的教学方法，PRPER提出一些增强课堂互动性的教学方法，如同伴教学法(PI)、及时教学法(JiTT)、多媒体模块教学法(MLM)和基于课堂演示实验的互动教学法(ILD)等.我国也进行了尝试，如Ping Zhang等人以北师大科学专业的4个班级为研究对象，设置PI教学法授课实验组和传统授课对照组，结果表明PI教学法产生显著的正向影响，且一个学期内固定同伴比变换同伴的教学效果更好[7]；清华大学物理系LieMing Li等人在JiTT教学法基础上开发双重警戒、网络交互的大学物理教学模式(DGWI)，设置预习和网上作业的双重警戒线，为教师备课提供针对性数据，实现师生双方的及时交互[8].

研究者开发了学生自主探究的复习课教学资源，如华盛顿大学的物理辅导课TIP、马里兰大学的基于活动的辅导课ABT和开源教程OST等.为改进传统“菜谱式”实验课，研究者就如何在实验室教学中真正提高学生探究能力开展了研究，如Pieter Coppens等人通过视频分析法观察电学实验的情况，发现学生把大量时间用在测量而不是处理数据和讨论交流，于是提出一种新的电学实验方法：设置“黑匣子”和快速报告，让学生注重讨论[9].

此外，研究者提出基于理论设计的教学序列TLS、促进个性化学习的通用学习设计框架UDL、课堂互动学习框架FILL等教学策略.“以学生为中心”的理念催生了新的课堂结构，如理论课和实验课结合的Studio Physics和以学生为中心的主动学习环境翻转教学(SCALE-UP).动画、计算机模拟和在线学习网站等形式教学资源层出不穷，如虚拟实验室、PhET在线仿真模拟、PeerWise同伴学习等.

(3)学生和教师的态度和信念

态度和信念影响着学生和教师在物理课程学习与教学的行为和表现，相关的研究也愈加受到关注.大部分研究是关于开发应用学生态度和信念的量表问卷，如经典的科罗拉多科学态度测量量表CLASS和马里兰州物理期望调查MPEX，以及近几年开发的科罗拉多科学实验态度量表E-CLASS,物理自我效能感问卷PSEQ,科学本质观问卷VNSQ和物理目标定向调查PGOS等.教师的态度和信念研究主要采取问卷和访谈的方法，如David Woitkowski等人对德国教授进行半结构式访谈对他们的科学本质观进行调查，Adrian Madsen等人对物理系教师进行现象学访谈调查他们对基于研究的评价的实施情况和理解[10,11].

(4)问题解决

关于问题解决的研究最早是从19世纪末才开始的，初期以研究问题解决本质为主，直到20世纪80年代才开始从学科知识层面开展对问题解决的研究.目前PRPER对问题解决的研究主要是对比专家-新手、示例、问题表征、在物理问题中应用数学技能以及提高问题解决能力的教学策略等方面，如Witat Fakcharoenphol等人研究了专家和新手判断物理问题难度的准确性[12]；Smith等人用眼动追踪仪记录学生在阅读示例和解决与示例相似的物理问题时的视线移动模式，发现学生在阅读示例时缺乏识别和记忆物理概念的意识和能力[13]；Alexandru Maries等人研究图示表征对学生解决静电问题的影响，发现不提供图示组比提供图示组表现好，强制绘图组比自行绘图组的表现好[14]；Bashirah Ibrahim等人发现数学复杂度对解决包含相关联概念的综合问题影响不大，但对解决包含多个关联性不强的概念的综合问题影响较大[15]；传统教学通常强调定量解题过程，而不是教会学生选择合适的概念规律，为此Docktor等人提出概念性问题解决的教学方法，指导学生识别题中的概念原理[16].

(5)认知心理

认知心理学的物理教育研究主要是根据不同类型的物理学习过程来研究学生的认知构建及发展.学生某些持续性的错误可能是由于推理困难，而不是缺乏相关概念理解，因此PRPER进行了与问题解决有关的推理认知过程的研究，如Gette等人运用双加工理论，用TIP教材中“5-block”浮力问题调查学生的推理过程[17].此外，Nilüfer Didi等人研究学生理解光量子化、能量量子化和角动量量子化的心智模型[18]；Podolefsky等人发现在电磁波教学中使用类比法可以影响学生的推理操作，应用多种表征方式有助于学生更准确地解释物理现象[19]；Madsen等人在6个物理概念问题的图示中标注关键信息，记录专家和新手在解决问题时的眼球运动，发现专家比新手会花更多时间查看这些关键信息[20].

(6)概念理解

学生概念理解的研究是PRPER领域中最早的研究主题之一.其中学生错误概念的研究是最广泛的，研究者根据概念转变理论开展物理概念的认知结构理论和错误概念转变教学策略的研究，如本体论认为学生产生概念理解困难是因为将诸如力、热、电流之类的“过程”类别的物理量归类为“物质”类别，Ayush Gupta等人提出教师可以从“物质”类别的事物入手理解概念，例如用“为什么不同质量的物体会以相同的加速度自由下落”等含有“物质”的例子来解释重力[21].

(7)其他

PRPER是一个多元化的研究领域，如近几年不但关注学生性别差异与学习物理的表现、自我效能感等的相关程度，还关注物理学家群体中的性别和种族差异.教师发展是提高教学质量的关键，为提升美国物理教师的水平，全国物理教师预备课程、教师研讨会和教师在线学习社区FOLC等纷纷得到支持.

2.3 学科领域

PRPER每年都涉及力学的研究，主要是力学概念测试量表的开发与应用.电学包括电磁学和电路等相关知识，涉及电学概念测试量表(CSEM,BEMA,DIRRECT等)的讨论和关于法拉第定律、电磁感应、静电场、电磁场等的概念理解和问题解决的研究.近几年关于量子物理的论文大幅度增长，涉及量子力学的概念测试量表(QMCA)的开发、对波函数等概念理解和量子力学教学资源开发.天文学的研究包括大学天文学专业教育和中学STEM教育中的天文学基础教育.热学的研究涉及师生能量观念的调查和熵、卡诺热机、玻尔兹曼统计等知识的学习困难研究.2005-2019年PRPER各学科领域载文量柱状图如图3所示.

图3 2005-2019年PRPER各学科领域载文量柱状图

3 总结与启示

3.1 研究方向多样化

纵观PRPER，心理测量技术在教学评价中的应用、虚拟物理实验平台的开发、物理网络学习与交流平台的建设、非物理专业的通识性物理教育、物理本科生的入学预备教育和职业生涯规划教育等在内的新的物理教育研究方兴未艾、异彩纷呈.这反映出PRPER呈现出全方位、多样化的研究趋势.

3.2 重视以学科为基础的教育研究模式

PRPER的大多数研究都是由学科知识基础坚实的物理教师针对教学中具体问题展开的，他们借鉴物理学的观察、实验、建模等科学方法，探索学生如何学习物理，以此提出新教法和新教材，并在实践中检验研究成果[22].这种以学科为基础的教育研究模式是PRPER的主要研究模式，能把教师个体的经验转化为反复检验的研究成果，是PRPER发展的生命力所在.

3.3 关注信息化资源共享

现代信息技术对推动教学方式和教学模式的改革具有重要作用，如美国物理教师协会和堪萨斯州立大学合作开发的物理教育研究资源共享平台PhysPort，免费为全球物理教育工作者提供涵盖多种评价工具、物理教学方法与课堂示例和评价数据处理器等资源.信息化资源共享促进研究工具和在线教学资源的推广落实，加快物理教学的有效变革，是未来PRPER重要的研究方向.

希望国内物理教育研究者能从本研究的分析视角得到一些启示，借鉴PRPER以学科为基础的教育研究方法，重视我国师生实证研究，基于信息网络平台开发出丰富的物理课程和教学资源.