基金支持下基于物理教育研究开发物理课程的案例分析

　　摘要本文详细解析美国华盛顿大学物理教育研究小组以研究学生物理学习中遇到的困难为基础改进物理教学的过程和方法,并以此说明(1)物理教学改革需要以物理教育研究为基础;(2)课程建设是一项艰巨的工作;(3)物理教育改革和研究需要科学研究基金有力和持续的支持。

　　关键词物理教育研究;物理课程改革;国家科学基金

　　本文详细分析华盛顿大学物理教育研究小组(PhysicsEducationResearchGroupatUniversityofWashington,简称UW-PER)[1]基于物理教育研究(PhysicsEducationResearch,简称PER)改革大学物理辅导课、开发课程教材《大学物理辅导教程》(TutorialsinIntroductoryPhysics)[2]、有效提高物理教育教学质量的路径方法,以此说明(1)教育教学改革不能只凭经验,需要扎扎实实地把教育当作科学来研究;(2)PER的发展离不开科学研究基金的大力支持。UW-PER小组是美国最早开展PER的团队,他们开发大学物理辅导课的过程包含三个主要环节:(1)系统调查学生对物理的理解和困难;(2)针对研究的结果制定教学策略以解决特定的困难;(3)在教学实践中应用专门设计的教学策略,然后实证研究其改革效果。经过这些环节的多次循环迭代,不断优化改进。下面详细介绍和解析上述每一个环节的实现路径和方法,论述PER在物理教育教学改革、科学培养高质量人才过程中的重要作用和意义。

　　物理教育论文：浅析“慢教育”视角下的初中物理教育教学

　　1研究和分析学生物理学习的困难

　　华盛顿大学的莉莲·麦克德莫特(LillianC.McDermott)是公认的美国PER领域的创始人,自1973年开始研究学生在学习一维运动学中速度和加速度等概念遇到的困难———学生的错误概念[3,4],以此开启了美国PER这一个新的研究领域。UW-PER小组在早期(上世纪七八十年代)的大量研究工作是仔细、深入地调查物理各个领域中学生对物理概念的理解,分析学生在学习物理时遇到的困难、探明其原因,获得丰富的研究成果[5-8]。

　　为了使本文涉及的物理内容同时适合中学和大学教师阅读,我们选择“电路”主题作为例子进行分析。UW-PER小组使用专门设计的测试工具检测学生学习“电路”相关概念的困难,其中的一个题目是:“在三个电路中,五个灯泡相同,三个电源相同且为理想电源(没有内阻),请对电路中的灯泡亮度进行排序。”

　　该研究进行了多年,涉及不同背景、不同类型的物理课程的学生以及一些课程的教师,测试得到的数据结果非常相似,汇总数据表明:在本科生(N>1000名)、中学物理教师(N>200名)和大学非物理专业的科学教师以及数学教师(N>100名)三个样本的测试中,答题的正确率相差不多都在15%左右,错误答案中出现了几乎所有可能的灯泡亮度排序。量化数据结果可以表明一个特定错误的普遍性,但不能提供足够详细的信息来帮助课程开发。错误可能是概念性或是推理过程中的困难,也可能是两者的组合。如果错误源于推理的困难,那么仅仅关注这个概念并不能为学生提供他们需要的帮助。此外,学生可能会因为不同的原因犯同样的错误。

　　因此UW-PER小组在量化研究的同时还使用质性研究方法探明学生的错误和困难产生的原因,主要使用两种方法:(1)正式的个人访谈,有些访谈是基于演示实验,让学生预测实验现象并对答案进行详细的解释,通过对访谈录音的仔细分析,识别和表征得出特定概念和推理的困难。(2)非正式的方式获得辅助信息,包括让学生进行讨论,详细分析学生家庭作业和书面报告以及在课堂上观察学生之间、学生与老师之间的互动。

　　此项研究揭示出多种概念错误类型,其中两个最普遍的错误观念是:(1)认为电池是一个恒流源,例如选择A=B,A>D=E的学生认为相同电源流出电流相等;(2)电流在电路中被用电器“消耗”,例如:选择B>C的学生认为B消耗掉一些电流,C用的电流是B用剩下的。这些研究表明:被试者没有建立起正确的电路模型。使用量质结合的研究方法,UW-PER小组的研究跨越不同学段,包含广泛的物理主题,特别研究了大学生对大学物理课程中涉及的众多物理概念的困难。大量研究结果表明:学生在接受正规大学物理课程教学之后某些概念上的困难仍然存在,即使经过后续高级课程的学习,这些困难仍可能会持续存在。

　　UW-PER小组的另一个重要研究结果是:学生解决定性问题的成功率远远低于定量问题,解决数值(包括使用字母代替数值进行运算)问题的能力并不是概念理解的可靠指标。学生常常通过记忆公式和解题策略获得量化题目的正确答案,他们可以将数值或字母带入公式计算出正确的结果,但是不能给出正确的物理解释。例如:在一项对500多名大学生关于单缝衍射主题的测试中,使用公式进行计算的题目的正确率为45%,但是只有10%的学生给出了正确的解释[9]。

　　2基于研究结果设计教学策略

　　很多讲授大学物理课程的教师通过精心准备课程、详细地讲解、提供课堂演示实验和说明解决问题的程序,期望学生可以理解物理概念本质、建立物理概念间连贯一致的框架、学会解决问题、发展推理能力……,教师常常一厢情愿地认为如果他们给出的解释足够清晰和完整,学生就会学好。但是大量实证研究表明,只有少数学生在听课时会进行推理并自问“为什么会是那样……”,“如果……,会发生什么?”,“如何用于实际?”……这样做的学生在学习过程中力求找出所学知识的本质和实际意义,并将其同以前所学的知识相联系,自发自觉地进行深度学习,实现课程目标。

　　而对大多数学生来说,学习物理学是一种被动的体验,他们大量记忆一些事实和公式,认为解决物理问题的关键是找到正确的公式,因此学习收益很低,学习效果与教师期望相去甚远。研究发现学生的许多困难并没有通过标准的传统讲授和传统实验课程得到解决。因此教师仅仅致力于完善和完美他们的讲授内容并不有效,需要专门设计推理任务或其它需要高质量认知参与的任务。

　　UW-PER小组基于物理教育研究成果改革大学物理课程模式,作为大班讲授课程的补充,开发了小班辅导课,专门解决那些经过研究确定的在大班课程学习后还存在困难,实现大班讲授不能实现的重要目标———深度理解概念本质和发展推理能力。辅导课中一个班大约有20~24名学生,课程资料是基于研究成果精心开发的工作表(任务单),用于引导学生完成需要解释和推理的规定任务;学生三、四人组成学习小组合作讨论解决问题,工作表中的每一个概念主题下包含一系列子问题,将推理过程分解为适当大小的步骤,以便学生保持积极参与。如果步骤太小,可能不需要什么思考。如果太大,学生可能会迷失。辅导课的教师不讲课也不讲解题目答案,而是使用提出问题的方法引导学生进行必要的推理、给出足够清晰和完整的解释。

　　3物理教育研究对课程建设的重要意义

　　大学物理包含力学、热学、光学、电学和近代物理等,涵盖物理内容非常广泛,教学进度很快。UW-PER小组开发的辅导课教材《大学物理辅导教程》不是面面俱到,而是在全面研究学生学习物理的困难的基础上研发的,精准聚焦课程的重点和学生的难点。如果没有研究,就不知道学生学习中存在哪些困难,哪些地方需要改进,使用怎样的教学策略才有效,研究获得的信息为精准设计教学、有效实现课程目标奠定基础。例如《大学物理辅导教程》中的电路主题中包含三个模块。

　　辅导课中使用上述精心设计的工作表引导学生完成规定的学习任务,要求学生给出详细的推理过程和解释。学生在学习过程中需要预测题目中某些物理量或要素发生变化带来的影响,观察和分析演示实验,构建解释性的图表,解决定性理解的问题,应用在大班课堂上学过的物理模型,解决和解释一些常见的概念错误与推理困难。

　　这些任务单是基于研究结果开发设计的,例如上述的任务单中包含研究发现的“电池是一个恒流源”和“电流在电路中被用电器“消耗””的两个错误,并且让学生在多种问题情境中解决问题,从多角度理解概念的本质。在教程中故意暴露出学生的错误,让学生面对这些错误,积极参与,小组合作解决这些潜在的困难是大学物理辅导课的教学策略,UW-PER小组的研究表明这样的策略可以实现物理教学的高阶目标,提供机会来让学生参与科学过程、培养批判性和反思性思维的能力。

　　4物理教育研究需要国家科学研究基金持续资助

　　持续性资助教育研究对教学实践的影响非常重要[10]。大学物理涉及的主题广泛,对于每个主题都研究学生的学习困难和原因,设计教学策略,实证研究策略的有效性。研究设计实施改进,多次循环,获得最佳教学策略,因此使用科学的方法研发课程是一项非常艰巨的工作。UW-PER小组从1973年开始研究到2002年《大学物理辅导教程》出版,历经了四分之一世纪,没有持续的强有力基金支持是很难实现的。1977年至2001年期间UW-PER小组由莉莲·麦克德莫特主持(PrincipalInvestigator)用于物理教育改革和研究的国家科学基金(NationalScienceFoundtion,简称NSF)项目至少15项,总金额达一千四百多万美元。

　　例如:1978年她主持的研究项目“学生运动学概念发展研究”(InvestigationofConceptualDevelopmentintheStudyofMotion,AwardNumber7817261)获得NSF支持经费是十八万美元。美国物理教育研究领域在过去几十年中的强劲增长,因此形成了在提高物理教学质量方面的丰富理论成果,这些理论成果有效推动了美国大学物理教学方法改革。如果没有政府研究基金的大力资助———主要来自国家科学基金,这一切都不可能实现[11]。

　　5结语

　　PER对培养高质量物理人才有重要意义,物理教育研究作为物理的一个分支领域,在国际上已有有几十年的历史[12]。在中国越来越多的学者意识到这个研究领域的重要性并投身其中,期望PER作为物理学中的一个新的研究领域能早日纳入国家自然科学基金等研究基金的资助的项目范围,吸引和支持优秀人才进入这个研究领域,用科学方法研究人才培养规律,改进教学,为我国建成世界科技创新强国培养高质量人才。

　　参考文献

　　[1] https://phys.washington.edu/fields/physics-education.

　　[2]MCDERMOTTLC,SHAFFERPS.TutorialsinIntroductoryPhysics[M].NewJersey:Prentice-Hall,Inc,2002.

　　[3]TROWBRIDGEDE,MCDERMOTTLC.Investigationofstudentunderstandingoftheconceptofvelocityinonedimension[J].AmericanJournalofPhysics,1980,48(12):1020-1028.

　　[4]TROWBRIDGEDE,MCDERMOTTLC.Investigationofstudentunderstandingoftheconceptofacceleration[J].AmericanJournalofPhysics,1981,49(3):242-253.

　　[5]MCDERMOTTLC,ROSENQUISTML,VANZEEEH.Studentdifficultiesinconnectinggraphsandphysics:Examplesfromkinematics[J].AmericanJournalofPhysics,1987,55(6):503-513.

　　[6]GOLDBERGFM,MCDERMOTTLC.Aninvestigationofstudentunderstandingoftherealimageformedbyaconverginglensorconcavemirror[J].AmericanJournalofPhysics,1987,55(2):108-119.

　　作者：徐祯1张萍1*LinDING2,3