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    科學技術論文

    基金支持下基于物理教育研究開發物理課程的案例分析

    時間:2021年09月25日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

    摘要本文詳細解析美國華盛頓大學物理教育研究小組以研究學生物理學習中遇到的困難為基礎改進物理教學的過程和方法,并以此說明(1)物理教學改革需要以物理教育研究為基礎;(2)課程建設是一項艱巨的工作;(3)物理教育改革和研究需要科學研究基金有力和持續的支持

      摘要本文詳細解析美國華盛頓大學物理教育研究小組以研究學生物理學習中遇到的困難為基礎改進物理教學的過程和方法,并以此說明(1)物理教學改革需要以物理教育研究為基礎;(2)課程建設是一項艱巨的工作;(3)物理教育改革和研究需要科學研究基金有力和持續的支持。

      關鍵詞物理教育研究;物理課程改革;國家科學基金

    物理教育

      本文詳細分析華盛頓大學物理教育研究小組(PhysicsEducationResearchGroupatUniversityofWashington,簡稱UW-PER)[1]基于物理教育研究(PhysicsEducationResearch,簡稱PER)改革大學物理輔導課、開發課程教材《大學物理輔導教程》(TutorialsinIntroductoryPhysics)[2]、有效提高物理教育教學質量的路徑方法,以此說明(1)教育教學改革不能只憑經驗,需要扎扎實實地把教育當作科學來研究;(2)PER的發展離不開科學研究基金的大力支持。UW-PER小組是美國最早開展PER的團隊,他們開發大學物理輔導課的過程包含三個主要環節:(1)系統調查學生對物理的理解和困難;(2)針對研究的結果制定教學策略以解決特定的困難;(3)在教學實踐中應用專門設計的教學策略,然后實證研究其改革效果。經過這些環節的多次循環迭代,不斷優化改進。下面詳細介紹和解析上述每一個環節的實現路徑和方法,論述PER在物理教育教學改革、科學培養高質量人才過程中的重要作用和意義。

      物理教育論文淺析“慢教育”視角下的初中物理教育教學

      1研究和分析學生物理學習的困難

      華盛頓大學的莉蓮·麥克德莫特(LillianC.McDermott)是公認的美國PER領域的創始人,自1973年開始研究學生在學習一維運動學中速度和加速度等概念遇到的困難———學生的錯誤概念[3,4],以此開啟了美國PER這一個新的研究領域。UW-PER小組在早期(上世紀七八十年代)的大量研究工作是仔細、深入地調查物理各個領域中學生對物理概念的理解,分析學生在學習物理時遇到的困難、探明其原因,獲得豐富的研究成果[5-8]。

      為了使本文涉及的物理內容同時適合中學和大學教師閱讀,我們選擇“電路”主題作為例子進行分析。UW-PER小組使用專門設計的測試工具檢測學生學習“電路”相關概念的困難,其中的一個題目是:“在三個電路中,五個燈泡相同,三個電源相同且為理想電源(沒有內阻),請對電路中的燈泡亮度進行排序。”

      該研究進行了多年,涉及不同背景、不同類型的物理課程的學生以及一些課程的教師,測試得到的數據結果非常相似,匯總數據表明:在本科生(N>1000名)、中學物理教師(N>200名)和大學非物理專業的科學教師以及數學教師(N>100名)三個樣本的測試中,答題的正確率相差不多都在15%左右,錯誤答案中出現了幾乎所有可能的燈泡亮度排序。量化數據結果可以表明一個特定錯誤的普遍性,但不能提供足夠詳細的信息來幫助課程開發。錯誤可能是概念性或是推理過程中的困難,也可能是兩者的組合。如果錯誤源于推理的困難,那么僅僅關注這個概念并不能為學生提供他們需要的幫助。此外,學生可能會因為不同的原因犯同樣的錯誤。

      因此UW-PER小組在量化研究的同時還使用質性研究方法探明學生的錯誤和困難產生的原因,主要使用兩種方法:(1)正式的個人訪談,有些訪談是基于演示實驗,讓學生預測實驗現象并對答案進行詳細的解釋,通過對訪談錄音的仔細分析,識別和表征得出特定概念和推理的困難。(2)非正式的方式獲得輔助信息,包括讓學生進行討論,詳細分析學生家庭作業和書面報告以及在課堂上觀察學生之間、學生與老師之間的互動。

      此項研究揭示出多種概念錯誤類型,其中兩個最普遍的錯誤觀念是:(1)認為電池是一個恒流源,例如選擇A=B,A>D=E的學生認為相同電源流出電流相等;(2)電流在電路中被用電器“消耗”,例如:選擇B>C的學生認為B消耗掉一些電流,C用的電流是B用剩下的。這些研究表明:被試者沒有建立起正確的電路模型。使用量質結合的研究方法,UW-PER小組的研究跨越不同學段,包含廣泛的物理主題,特別研究了大學生對大學物理課程中涉及的眾多物理概念的困難。大量研究結果表明:學生在接受正規大學物理課程教學之后某些概念上的困難仍然存在,即使經過后續高級課程的學習,這些困難仍可能會持續存在。

      UW-PER小組的另一個重要研究結果是:學生解決定性問題的成功率遠遠低于定量問題,解決數值(包括使用字母代替數值進行運算)問題的能力并不是概念理解的可靠指標。學生常常通過記憶公式和解題策略獲得量化題目的正確答案,他們可以將數值或字母帶入公式計算出正確的結果,但是不能給出正確的物理解釋。例如:在一項對500多名大學生關于單縫衍射主題的測試中,使用公式進行計算的題目的正確率為45%,但是只有10%的學生給出了正確的解釋[9]。

      2基于研究結果設計教學策略

      很多講授大學物理課程的教師通過精心準備課程、詳細地講解、提供課堂演示實驗和說明解決問題的程序,期望學生可以理解物理概念本質、建立物理概念間連貫一致的框架、學會解決問題、發展推理能力……,教師常常一廂情愿地認為如果他們給出的解釋足夠清晰和完整,學生就會學好。但是大量實證研究表明,只有少數學生在聽課時會進行推理并自問“為什么會是那樣……”,“如果……,會發生什么?”,“如何用于實際?”……這樣做的學生在學習過程中力求找出所學知識的本質和實際意義,并將其同以前所學的知識相聯系,自發自覺地進行深度學習,實現課程目標。

      而對大多數學生來說,學習物理學是一種被動的體驗,他們大量記憶一些事實和公式,認為解決物理問題的關鍵是找到正確的公式,因此學習收益很低,學習效果與教師期望相去甚遠。研究發現學生的許多困難并沒有通過標準的傳統講授和傳統實驗課程得到解決。因此教師僅僅致力于完善和完美他們的講授內容并不有效,需要專門設計推理任務或其它需要高質量認知參與的任務。

      UW-PER小組基于物理教育研究成果改革大學物理課程模式,作為大班講授課程的補充,開發了小班輔導課,專門解決那些經過研究確定的在大班課程學習后還存在困難,實現大班講授不能實現的重要目標———深度理解概念本質和發展推理能力。輔導課中一個班大約有20~24名學生,課程資料是基于研究成果精心開發的工作表(任務單),用于引導學生完成需要解釋和推理的規定任務;學生三、四人組成學習小組合作討論解決問題,工作表中的每一個概念主題下包含一系列子問題,將推理過程分解為適當大小的步驟,以便學生保持積極參與。如果步驟太小,可能不需要什么思考。如果太大,學生可能會迷失。輔導課的教師不講課也不講解題目答案,而是使用提出問題的方法引導學生進行必要的推理、給出足夠清晰和完整的解釋。

      3物理教育研究對課程建設的重要意義

      大學物理包含力學、熱學、光學、電學和近代物理等,涵蓋物理內容非常廣泛,教學進度很快。UW-PER小組開發的輔導課教材《大學物理輔導教程》不是面面俱到,而是在全面研究學生學習物理的困難的基礎上研發的,精準聚焦課程的重點和學生的難點。如果沒有研究,就不知道學生學習中存在哪些困難,哪些地方需要改進,使用怎樣的教學策略才有效,研究獲得的信息為精準設計教學、有效實現課程目標奠定基礎。例如《大學物理輔導教程》中的電路主題中包含三個模塊。

      輔導課中使用上述精心設計的工作表引導學生完成規定的學習任務,要求學生給出詳細的推理過程和解釋。學生在學習過程中需要預測題目中某些物理量或要素發生變化帶來的影響,觀察和分析演示實驗,構建解釋性的圖表,解決定性理解的問題,應用在大班課堂上學過的物理模型,解決和解釋一些常見的概念錯誤與推理困難。

      這些任務單是基于研究結果開發設計的,例如上述的任務單中包含研究發現的“電池是一個恒流源”和“電流在電路中被用電器“消耗””的兩個錯誤,并且讓學生在多種問題情境中解決問題,從多角度理解概念的本質。在教程中故意暴露出學生的錯誤,讓學生面對這些錯誤,積極參與,小組合作解決這些潛在的困難是大學物理輔導課的教學策略,UW-PER小組的研究表明這樣的策略可以實現物理教學的高階目標,提供機會來讓學生參與科學過程、培養批判性和反思性思維的能力。

      4物理教育研究需要國家科學研究基金持續資助

      持續性資助教育研究對教學實踐的影響非常重要[10]。大學物理涉及的主題廣泛,對于每個主題都研究學生的學習困難和原因,設計教學策略,實證研究策略的有效性。研究設計實施改進,多次循環,獲得最佳教學策略,因此使用科學的方法研發課程是一項非常艱巨的工作。UW-PER小組從1973年開始研究到2002年《大學物理輔導教程》出版,歷經了四分之一世紀,沒有持續的強有力基金支持是很難實現的。1977年至2001年期間UW-PER小組由莉蓮·麥克德莫特主持(PrincipalInvestigator)用于物理教育改革和研究的國家科學基金(NationalScienceFoundtion,簡稱NSF)項目至少15項,總金額達一千四百多萬美元。

      例如:1978年她主持的研究項目“學生運動學概念發展研究”(InvestigationofConceptualDevelopmentintheStudyofMotion,AwardNumber7817261)獲得NSF支持經費是十八萬美元。美國物理教育研究領域在過去幾十年中的強勁增長,因此形成了在提高物理教學質量方面的豐富理論成果,這些理論成果有效推動了美國大學物理教學方法改革。如果沒有政府研究基金的大力資助———主要來自國家科學基金,這一切都不可能實現[11]。

      5結語

      PER對培養高質量物理人才有重要意義,物理教育研究作為物理的一個分支領域,在國際上已有有幾十年的歷史[12]。在中國越來越多的學者意識到這個研究領域的重要性并投身其中,期望PER作為物理學中的一個新的研究領域能早日納入國家自然科學基金等研究基金的資助的項目范圍,吸引和支持優秀人才進入這個研究領域,用科學方法研究人才培養規律,改進教學,為我國建成世界科技創新強國培養高質量人才。

      參考文獻

      [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:徐禎1張萍1*LinDING2,3

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