國外物理教育研究方向

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1美國物理教育研究領域的發展歷程［1］

美國物理教育研究的開端可以追溯到1930年美國物理教師協會（AAPT）的成立，其主要目的是通過教學的途徑確保物理知識的普及，并為物理教師的專業化發展提供最新和完備的資源及研究成果．1950年末～1960年，美國加州大學伯克利分校和華盛頓大學對學生學習困難的綜合研究，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，1980年至少有十幾所大學成立PER團隊．1990年從事PER并具有PER博士學位及具有物理學博士學位的博士后研究人員進入物理系任教．1998～2001年，61位教師將PER作為他們的研究領域．1999年美國物理學會（APS）發出聲明，確定物理教育研究是物理研究領域的一部分．自此，APS致力于通過物理教育研究及利用以PER為基礎的教育實踐推動物理教育改革．2000年，全國性PER會議定期舉行，隨著一些國家及國際PER專題會議的開展，物理教育研究者已形成龐大的團體．2005年，美國物理學評論雜志特刊———《物理教育研究》的問世，標志著物理教育研究開始形成自己的學術研究范式，正在向學術性的軌道邁進．2012年，美國國家研究委員會對物理等其他理工類學科以學科為基礎的教育研究的現狀、貢獻以及未來研究發展方向以報告的形式公布．

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科為基礎對物理教師的“教”與學生的“學”的過程所做的研究．物理教育研究的研究者主要是具有堅實的學科基礎和熟悉物理學科研究方法的物理教師、碩士、博士及博士后；主要的研究對象為大學階段的理工科專業的學生，包括物理專業的學生所開設的大學物理課程及物理實驗課程教學；研究目的是改進物理教學，使學生真正理解物理，能夠將所學內容應用到實際中去；研究重點是揭示學生學習物理的認知過程，研究影響學生真正理解物理的因素；研究的一般模式是以物理學內容為基礎，設計有效的測試和評價工具，調查學生在學習每一部分物理內容之前的原有知識和學習過程中的認知結構的變化，揭示學生的思維障礙，有針對性地設計有效的教學策略和開發新的教學資源，用實證的方法研究新策略和新資源對學生理解物理所產生的實際效果，在研究過程中不斷發現新問題，從而展開更深入的研究．［2］基于對以學科為基礎的教育研究關注度的提高，改善自然科學學科的教學實踐，2010～2011年間美國國家研究理事會，對以學科為基礎的教育研究的成果及未來發展方向做出綜合研究，橫跨大學物理學、生物學、地理和化學，其中物理教育研究領域重點在于課程與教學的綜合研究．

3物理課程與教學

近年來，基于學生在學習過程中常遇到的困難，突出以學生為中心的主旨，改變傳統課堂使其更具參與性與互動性，通過研究和評估，美國物理教育研究領域設計、開發了一些有效的教學方法及教學資源．實踐評估顯示，新方法和資源的使用明顯優于傳統課堂教學帶來的效果．3．1針對物理概念課的教學方法研究者以傳統的概念講授課為基礎，在課前、課中、課后分別設計一些教學方法，旨在利用學生與學生、學生與教師之間的相互影響，提升概念課的教授與學習效果，常見的教學方法有以下幾種．（1）同伴教學法（PeerInstruction）．同伴教學法由哈佛大學著名教授EricMazur創立，在大學物理課程中，使用專門設計的用于揭示學生錯誤概念和引導學生深入探究的概念測試題，借助計算機投票系統（clicker）或選項卡片，組織大班課堂教學，變傳統單一的講授為基于問題的自主學習和合作探究．哈佛大學對PI教學方法的研究表明，PI教學方法在促進學生深入理解物理概念和提高物理計算能力方面優于傳統教學方法．（2）即時教學法（Just－in－Timeteaching，JiTT）．即時教學法要求學生在上課之前，以郵件的形式提交教師布置的有關概念性問題的答案．教師依據這些反饋信息，評估學生的理解程度，并結合學生情況備課．（3）互動式課堂演示法（InteractiveLectureDemonstrations，ILDs）．互動式課堂演示首先要求學生對物理演示實驗中，他們預期觀察到的現象做出預測，與同伴討論彼此的預測，接著觀察實驗，并將觀察到的與自己的預測相比較．ILDs中每個階段都由工作單引導．通過FCT，FMCE測試，發現ILDs在學生學習基本物理概念的過程中作用顯著，課堂演示中學生預測階段尤其重要．（4）反思學習法（Reflectiononlearning）．反思學習法要求學生寫日記或者遞交周報告進行學習反饋．學生要記錄在課堂上學到了什么，如何進行學習的，以及哪些內容還存在疑問．遞交的報告也會算入學分．研究人員發現，學生的學業掌握程度與其反思的質量存在某種關系，概念習得程度高的學生比概念習得程度低的學生反思學習方面更清晰和細致．3．2習題討論式教學方法為了改變傳統枯燥的習題課，增強互動性與組間合作，研究者開發了一系列新的教學方法．輔導式教學法［3，5］（TutorialsinIntroductoryPhysics）最早是UniversityofWashington的物理教育研究小組（UniversityofWashingtonPhysicsEducationResearchGroup，UWPEG）提出，并經過多年的教學積累發展起來的一種實行分組教學的習題課教學方法．輔導式教學課的重點是加強學生對重要的物理概念的掌握，并培養他們的科學推理技巧．教學步驟包括課前測試、工作表、作業分配和課后測試等．輔導式教學主要包括的內容如下：（1）10min的課前測試，內容包括課堂上或課本中已講授的知識，測試題是定性的概念題，題型為簡答題、作圖題等．（2）每周教師和助教要進行1～2h的培訓．其間，教師和助教首先完成將要給學生做的課前測試，并討論學生可能遇到的困難，及輔導課中使用的教學模式和應突出的關鍵問題．（3）學生參加50min到1h的輔導課．學生分組進行討論，回答計劃表上的問題，教師或助教不講課，而是通過提問，引導他們對于基本概念進行定性的邏輯推理，從而得到結果．（4）學生完成指派的作業．（5）考試內容包括在討論課中強調的重點概念和推理技巧．輔導式教學方法在多所大學使用過，并在反復循環的改進過程中不斷發展完善．實踐證明，這種方法有助于學生合作解決問題，其結果比小組中成績最好的學生單獨完成解答的成績更好，并且促進小組中不同層次學生的共同進步．馬里蘭州立大學物理教育研究組的Redish教授等人在此基礎上發展了以激發學生學習活躍性為基礎的教學項目（Activity－BasedPhysics，ABP），其中加強了定量計算和物理實驗，并應用計算機處理數據、播放課件、顯示仿真效果等．馬里蘭州立大學最新發展的教學項目成果Open－SourceTutorials（OST），允許教師修改既定工作單，以滿足教師需求，并著重強調學生學習物理的觀念、認識論或信念．TIP和ABT在多項選擇題及FMCE前、后診斷測量中已產生很大成效．對比三種教法，結果表明使用OST比TIP和ABT更能讓學生在課程考試和診斷測試中取得好成績．3．3實驗課程教學法及資源實驗課程的設置及資源的利用要引導學生進行科學探索，通過實驗觀察物理現象，探索、分析得出基本概念，發展科學能力．實驗促進學習者學習的方法主要是實驗課程的開發與科學技術的應用．（1）基于計算機問題解決實驗課程（computer－basedproblemsolvinglabs）［1］．該項課程由明尼蘇達大學開發提出．計算機實驗教程利用合作小組問題解決的技巧，要求3位學生一組共同完成特定任務．對于促進有效的組間合作，他們貫徹5個方針．1）學生因一些任務一起工作———積極的相互依賴．2）學生面對面工作．3）學生不能讓他人代替自己工作———個人責任．4）學生要學會與他人一起合作．5）學生要有時間評定小組協作能力，以便更好地發揮這種技能．基于計算機的問題解決實驗課程與傳統實驗教程最大的區別在于，學生解決實驗問題時收集和分析數據的方式不同（主要通過明尼蘇達大學為實驗教程開發的軟件實現）．前者在于給定學生合適的任務及解決問題所用工具，讓學生制定解決問題的方法及實施方案．學校開發的軟件并不為學生做出分析，而是在問題解決的重要階段為學生做出指導．VideoTOOL是物理實驗室中常用的一款軟件．明尼蘇達大學剛開始啟用此課程時，該教程對于學生的課業成績及運動學圖像解釋能力上并沒有顯著作用，但是在FCI后測中得分高于接受傳統教程的學生．（2）視頻分析軟件．典型的應用軟件是Tracker，它是在開源物理（OpenSourcePhysics，OSP）架構下的一款開源視頻分析軟件，由DouglasBrown開發，可以應用在大學物理基礎實驗和課堂教學中．它可以對運動物體進行位置追蹤、旋轉體的角度分析，運動物體的動力學模型分析，獨特的線性剖面分析工具可以完成對分光計和干涉光譜的三元色分析，同時，可以實現對視頻效果的調節，比如，比度、輪廓等．視頻分析軟件可以對各種格式的圖片直接進行分析，從視頻片段中獲取數據信息，實現實驗素材源于真實世界，在呈現實驗現象的過程中還可以獲取實驗數據．它在某種程度上緩和了學校實驗儀器不足，在一定程度和范圍內，能夠改變“畫實驗”、“講實驗”的狀況，為學生學習提供一個比較真實的認知環境．（3）研究型科學學習環境實驗課程（InvestigativeScienceLearningEnvironment）．此課程適用于概念建構，重點在于對學生科學能力的培養．課程流程如下．［4］1）學習概念要從認真觀察，選定物理現象開始．2）學生不需要預測實驗結果，但是要收集數據并在數據中尋求規律．3）建構思想或者規律，解釋實驗中所觀察到的現象（課程盡量選擇容易解釋或者數據規律清晰的實驗）．在適當的時候，鼓勵學生對同一實驗提出多種解釋．4）學生利用先驗知識幫助自己構造解釋，且必須想出測試先前利用假說－演繹推理對新實驗提出的解釋或者規律的驗證實驗．當他們得知解釋不能被證明時，舍棄最初的解釋．5）執行測試實驗后，學生在必要時修改或舍棄他們的解釋．有時對測試實驗揭示出的現象的新特點，學生試圖解釋，流程再次開始．6）最后，他們利用實驗解釋或規律來解釋日常生活現象以及解決問題．研究表明，ISLE有效促進了學生科學能力的發展，包括對學生多元表征能力，實驗設計、收集與分析實驗數據、評估實驗結果能力的影響．該課程不僅包括實驗，還有工作單及其他活動，以滿足復習課和大班教學．讓學生在科學探究中學習知識的實驗課程還有問題解決實驗課程（ProblemSolvingLabs）和科學團體實驗課程（ScientificCommunityLabs），這些課程對促進學生科學能力的發展方面都起到了很好的作用．3．4新教學空間的開發一些新的教育方式源于對學生學習空間的重新設計．基于認知學徒制并涉及物理學的教法，減少灌輸知識，教育改革把實驗室和教室的教學方法結合起來［1］．（1）物理工作室（StudioPhysics）．物理工作室是由倫斯勒理工學院開發的．它是經過重新設計，以適應一個綜合性的講座或實驗課程的教學空間．開展的是以計算機為工具的活動和小組協作的工作，講授課和實驗課相結合．每班由30～45位學生組成，每節課兩個小時，每周2～4次．早期研究顯示，其在FCI測試中并沒有明顯優勢，但是對于以研究為基礎的方法（互動式課堂演示法、合作群體問題解決法）的引入顯著促進了學生的學習．Hoellwarth，Moelter，Knight（2005）發現，學生在工作室中對FCI和FMCE的概念評價比在傳統教室學習的學生更符合標準．（2）以學生為中心的大班本科物理課程教學計劃（Student－CenteredActiveLearningEnvironmentforUndergraduatePrograms，SCALE－UP）．SCALE－UP由北卡羅萊納州立大學提出，始于對教室的重新設計．每間教室都擁有大約100名學生．設有多張圓桌，每張桌子可容納3臺電腦和9名學生，每面墻對應都有白板、投影機、電腦和屏幕，讓每一個學生都有充分的視覺感觀．學生參與活動，合作參與模擬計算機解決問題，并進行假設實驗．相比傳統課堂，SCALE－UP中學生考試有更好的成績，能更好地解決問題，且有良好的科學態度．

4結語

本文簡單介紹了美國物理教育研究的發展歷程，研究模式以及最新應用的教學方法與教學資源．較美國的物理教育研究來看，我國的教育研究對大學生學習中遇到的困難研究比較匱乏，尤其缺少對大學生概念轉變、問題解決及合作學習能力的研究．我國中等教育過于重視命題和解題的研究，而對教師的教學研究和實驗探討過少．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促進其更好地發展．

作者：徐燕張軍朋工作單位：華南師范大學物理與電信工程學院