美國物理教育研究方法*

吳維寧

(湖北大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院　湖北 武漢　430062)

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美國物理教育研究方法*

吳維寧

(湖北大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院湖北 武漢430062)

在對美國近10年來的近百篇英文文獻(xiàn)的內(nèi)容分析時發(fā)現(xiàn)，美國的物理教育研究方法以實證為主，實證方法中又以量化方法為主.其實證方法又分為基本方法和復(fù)合方法.基本方法包括一般評測、工具評測、深度訪談、內(nèi)容分析和出聲思考.復(fù)合方法則包括教改實驗、工具開發(fā)和個案研究.美國的經(jīng)驗告訴我們，我們應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)職前和在職教師的方法教育與培訓(xùn)，改進(jìn)完善現(xiàn)行的教師教研制度勢在必行.

美國物理教育研究方法職前教育在職培訓(xùn)教研制度

在美國，現(xiàn)代意義上的物理教育研究(PER)，雖歷史不長，但發(fā)展很快.自從20世紀(jì)80年代初，《美國物理學(xué)雜志》(AJP)發(fā)表首篇PER文章[1]以來，PER的研究領(lǐng)域不斷拓展，方法體系不斷完善.由此，PER在美國學(xué)術(shù)界的影響力不斷提升，對于教學(xué)實踐的指導(dǎo)作用也不斷增強(qiáng)[2].美國當(dāng)今的PER已具備相當(dāng)?shù)囊?guī)模和水準(zhǔn).他們有專業(yè)的研究團(tuán)隊、專門的學(xué)術(shù)會議、雄厚的基金支持、豐碩的研究成果和實用的教師培訓(xùn)體系[3].本文采用內(nèi)容分析的方法，探討美國物理教育研究的方法體系，重點研究其實證方法.

1　美國物理教育研究的方法體系

《美國物理學(xué)雜志》(AJP)是美國PER文章發(fā)表得最早也是最多的學(xué)術(shù)刊物[3].為了厘清美國物理教育研究的方法構(gòu)成，筆者隨機(jī)抽取了從2001年至2009年近10年來，發(fā)表在AJP上的90篇英文PER文章，在對這些文章進(jìn)行逐一研讀以后，筆者發(fā)現(xiàn)美國物理教育研究方法體系的一個基本構(gòu)成，現(xiàn)用框圖(圖1)表征如下.

圖1　美國物理教育研究方法分類圖

從圖1我們可以看到，美國物理教育研究方法以研究取向來劃分，可以分為實證與非實證方法①.實證方法再根據(jù)組成的復(fù)雜程度來劃分，又可分為基本方法和復(fù)合方法.基本方法包括一般評測、工具評測、深度訪談、內(nèi)容分析和出聲思考.復(fù)合方法也是實證研究的方法，但是它們通常由兩種或者兩種以上的基本方法構(gòu)成.比如：教改實驗的方法，它本身是一種實證方法，但它通常又可能包括一般評測的方法、深度訪談的方法，甚至可能包括內(nèi)容分析的方法.工具開發(fā)是指評測工具的開發(fā)，包括物理學(xué)基本概念的評測工具，如FCI,MBT,CSEM,BEMA等等，都是針對學(xué)生基本物理概念測試而設(shè)計,并被廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)化的評測工具.評測工具還包括一些用于評測師生科學(xué)本質(zhì)觀的標(biāo)準(zhǔn)化問卷，如NOSS，SAI，VNOS等等.個案研究也是一種實證方法，但它通常也包括多種基本方法，如訪談方法和內(nèi)容分析的方法等等.非實證的方法包括教學(xué)設(shè)計、問題討論、教具開發(fā)和資源推介.教學(xué)設(shè)計主要探討一節(jié)課該如何講；問題討論是指針對物理教學(xué)中的具體內(nèi)容，發(fā)表作者的感悟與體會，包括具體的推演過程；教具開發(fā)是指針對具體的教學(xué)內(nèi)容開發(fā)多媒體課件；資源推介就是介紹物理教學(xué)中各個教學(xué)環(huán)節(jié)可能會用到的教學(xué)資源，尤其是網(wǎng)絡(luò)資源.本文對此不作詳細(xì)討論.以下重點討論實證方法中的基本方法.圖2是依據(jù)上述90篇文獻(xiàn)，對美國物理教育研究基本實證方法的分類統(tǒng)計結(jié)果.

圖2　美國物理教育研究基本實證方法運用頻數(shù)統(tǒng)計圖

注：圖2中的“頻數(shù)”意指某種實證的基本方法在上述90篇論文中出現(xiàn)的次數(shù).由于每一篇論文用到的方法可能不止一種，而作者也可能只用到非實證方法，或者實證方法中的復(fù)合方法，所以上圖中各種基本方法的頻數(shù)總和是80而非90

從圖2中我們可以看到，一般評測的方法占基本方法使用總數(shù)的四成，工具評測的方法占到三成，訪談的方法占到兩成，而內(nèi)容分析和出聲思考合起來占到一成.所以在本人研究的樣本中，實證方法占七成，是研究方法的主流,而量化方法(一般評測+工具評測)則占基本實證方法的七成，又是實證方法的主,從中我們可以看出美國PER研究方法構(gòu)成的基本特點.

2　美國物理教育研究的實證方法

從以上分析中不難得出結(jié)論：實證是美國PER的主流方法.筆者也對國內(nèi)相關(guān)物理教育類期刊上發(fā)表的文章作過初步的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)實證文章數(shù)量極少，占比則基本上可以忽略不計.所以我們需要加強(qiáng)實證方法的學(xué)習(xí)和研究.以下主要分析美國PER的實證方法，重點研究其基本方法.

一般評測，是指采用一般統(tǒng)計測量方法所實施的評測.在美國物理教育研究文獻(xiàn)中，使用最多.一般評測的具體方法有：頻數(shù)分析、相關(guān)分析、回歸分析、因子分析、方差分析、T檢驗等，也有少數(shù)研究者在開發(fā)評測工具時，采用結(jié)構(gòu)方程模型、拉西模型等現(xiàn)代統(tǒng)計測量方法.比如美國愛荷華州立大學(xué)的一項研究就是采用相關(guān)分析的方法來實施的[4].他們研究的問題是：學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)與他們的物理概念學(xué)習(xí)增益①*① “學(xué)習(xí)增益”是教學(xué)效果的評測指標(biāo)，在美國的PER文獻(xiàn)中很常見.學(xué)習(xí)增益的一般定義是：g=后測分?jǐn)?shù)-前測分?jǐn)?shù).而標(biāo)準(zhǔn)化的學(xué)習(xí)增益的定義是：=(后測分?jǐn)?shù)-前測分?jǐn)?shù))/(測驗滿分-前測分?jǐn)?shù)).學(xué)習(xí)增益的測量工具通常是標(biāo)準(zhǔn)化的評測工具如FCI等.之間是否存在相關(guān)？通過相關(guān)分析他們發(fā)現(xiàn)，兩者之間沒有顯著的相關(guān)關(guān)系.而之前的大量研究都表明：數(shù)學(xué)基礎(chǔ)與物理學(xué)習(xí)成績之間存在顯著的正相關(guān).所以他們得到的結(jié)論是：雖然學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)對他們的綜合物理成績有影響，但對于他們學(xué)習(xí)物理概念卻沒有太大影響.因為在美國，有許多非理科學(xué)生選修的、不需要用到數(shù)學(xué)的概念性的物理課程.愛荷華州立大學(xué)的這項研究無疑為上述課程的開設(shè)提供了合理性的依據(jù).

工具評測，就是采用標(biāo)準(zhǔn)化的評測工具所實施的評測.在美國，標(biāo)準(zhǔn)化的評測工具非常多.在物理教育領(lǐng)域，這些評測工具幾乎涵蓋了物理教學(xué)的各個領(lǐng)域，比如力學(xué)、運動學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)、能量與動量等領(lǐng)域都有一個或者一個以上的標(biāo)準(zhǔn)化評測工具；還有一些專門用于評測學(xué)生相關(guān)技能的工具，比如有評測學(xué)生對于圖像的理解和運用能力的工具,評測學(xué)生對于矢量的理解和運用能力的工具,評測學(xué)生科學(xué)推理能力的工具等等.除此之外，還有用于評測學(xué)生情感態(tài)度一類的工具，如評測學(xué)生對于物理教學(xué)的期待與學(xué)習(xí)方式的工具,評測學(xué)生對于科學(xué)本質(zhì)認(rèn)識的工具等等.美國洛約拉馬利蒙特大學(xué)所實施的一項研究[5]，就使用了兩種標(biāo)準(zhǔn)化評測工具FCI和Lawson Test.前者是測量學(xué)生力學(xué)概念的評測工具，后者是測量學(xué)生科學(xué)推理能力的評測工具.他們的研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的概念增益與他們的FCI前測分?jǐn)?shù)顯著相關(guān)；而概念增益與他們的推理能力更是高度顯著相關(guān).在此基礎(chǔ)上，他們提出了科學(xué)評測教學(xué)方法有效性的相關(guān)建議.

深度訪談，就是采用面談的方式，深入了解受訪對象相關(guān)態(tài)度或具體思維過程的研究方法.根據(jù)對象的數(shù)量來劃分，訪談一般可以分為集體訪談與個別訪談兩種.在物理教育研究中多采用個別訪談的方式.根據(jù)訪談結(jié)構(gòu)程度來劃分，訪談又可以分為結(jié)構(gòu)式訪談、半結(jié)構(gòu)式訪談以及開放式訪談3種.采用哪種訪談方式要根據(jù)具體情況來確定.如果對訪談的問題知之甚少，或者想要做某項研究的預(yù)研究，可以先在較小的范圍內(nèi)采用開放式的訪談方式進(jìn)行訪談，待研究者對所要研究的問題知道得更多的時候，再采用結(jié)構(gòu)式的訪談.結(jié)構(gòu)式的訪談一般需要有一個訪談提綱，其中的問題基本上是封閉性的.而半結(jié)構(gòu)式的訪談提綱中的問題則基本是半開放性的.用封閉性的問題所收集到的數(shù)據(jù)便于量化分析，而半封閉性的問題則利于收集更多的質(zhì)性數(shù)據(jù).比如美國馬里蘭大學(xué)的一項研究就大量地采用了訪談方法[6].他們研究的問題是：學(xué)生的學(xué)習(xí)觀對于他們的學(xué)習(xí)有何影響？采用的是包括訪談在內(nèi)的復(fù)合方法：個案研究.他們的研究對象是一名選修大學(xué)物理的學(xué)生.通過對這位學(xué)生在課堂上的各種學(xué)習(xí)行為的錄像和訪談結(jié)果的分析，他們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對于知識的看法和學(xué)習(xí)的看法直接影響到她的學(xué)習(xí).由此他們得到的結(jié)論是：只有在十分關(guān)注學(xué)生的知識觀和學(xué)習(xí)觀的前提下，課程材料和教學(xué)方法才能有效地發(fā)揮作用.

內(nèi)容分析，原本是傳播學(xué)的一種研究方法，意指對各種材料、記錄的內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)的量化描述的研究方法.后來人們對于它的理解泛化了，它被理解為一切將各種材料進(jìn)行內(nèi)容剖析從而得出結(jié)論的研究方法，它可以是量化的，也可以是質(zhì)性的.在物理教育研究領(lǐng)域，內(nèi)容分析的方法通常被用來進(jìn)行教材分析.如發(fā)表在AJP上的一項研究[7]就采用了內(nèi)容分析的方法.他們研究的問題是：在將光的粒子模型與波動模型結(jié)合起來理解光學(xué)現(xiàn)象或者解決光學(xué)問題時，學(xué)生會遇到什么樣的困難？他們對使用的教材進(jìn)行內(nèi)容分析，并結(jié)合針對研究的問題所編制的三道光學(xué)問題的測試中學(xué)生應(yīng)答文本的分析，得出學(xué)生理解困難的幾種類型和原因，并在此基礎(chǔ)上提出了相關(guān)的教學(xué)建議.

出聲思考，又稱為口語報告，它是通過分析研究對象對自己心理活動的口頭陳述，收集有關(guān)數(shù)據(jù)資料的一種研究方法.其基本程序是：讓被試在完成一道物理習(xí)題時，邊做邊將自己的想法、思路說出來.研究者及時將被試表述出來的內(nèi)容記錄下來，按照一定的程序進(jìn)行分析，以揭示其思維活動的基本規(guī)律.按照時效性來劃分，口語報告包括現(xiàn)場及時報告和事后追述報告兩種；按照報告的方式來劃分，口語報告又可以劃分為結(jié)構(gòu)性報告和無結(jié)構(gòu)報告兩種.在物理教育研究領(lǐng)域，一般采用現(xiàn)場無結(jié)構(gòu)報告的形式.一項來自美國匹茲堡大學(xué)的研究便采用了出聲思考的方法[8].他們選取學(xué)習(xí)大學(xué)物理的學(xué)生作為研究樣本，主要就靜電場中高斯定理的運用中，學(xué)生容易出現(xiàn)的困難進(jìn)行調(diào)查.他們采用出聲思考的方法，讓學(xué)生在用高斯定理求電場時，就如何分析電荷分布的對稱性,如何選擇高斯面,如何表示電通量等問題說出自己的想法.而后結(jié)合深度訪談和量化評測，他們發(fā)現(xiàn)，在上述3個方面學(xué)生普遍存在不同類型和不同程度的困難，最后他們針對上述困難提出了相應(yīng)的教學(xué)建議.

3　經(jīng)驗與啟示

美國的成功經(jīng)驗及多年的實踐經(jīng)驗告訴我們，我國的教育研究方法教育必須從職前教師抓起，同時強(qiáng)化在職教師的方法培訓(xùn)，并改革現(xiàn)有的教師教研制度.具體來說，要做好以下幾件事.

3.1要統(tǒng)籌規(guī)劃職前教師的方法教育

在我國的高等師范院校，或者設(shè)有師范專業(yè)的綜合性大學(xué)中，學(xué)生的方法訓(xùn)練有3個可能的時機(jī)：一是由各學(xué)科性學(xué)院開設(shè)的選修課《學(xué)科教育研究方法》，共32學(xué)時，2個學(xué)分.主要介紹與學(xué)科有關(guān)的研究方法.二是在學(xué)生參加教育實習(xí)時，要求他們在實習(xí)學(xué)校做一個教育調(diào)查.三是在學(xué)生撰寫畢業(yè)論文時，可能得到系統(tǒng)的方法訓(xùn)練.但據(jù)筆者10多年來的觀察和了解，三個環(huán)節(jié)互不相干，各自獨立.選修課的主講教師一般不會關(guān)心學(xué)生實習(xí)中的教育調(diào)查如何做；實習(xí)帶隊的教師也不會過問學(xué)生的畢業(yè)論文如何做.另外，實習(xí)帶隊教師和論文指導(dǎo)教師對學(xué)生的調(diào)查報告和論文的規(guī)范與質(zhì)量要求也各不相同.由此帶來的后果，是學(xué)生在進(jìn)入實習(xí)學(xué)校進(jìn)行教育調(diào)查時，得不到帶隊教師的具體指導(dǎo)；教育調(diào)查與畢業(yè)論文在內(nèi)容上相互脫節(jié)……如此種種，使得我們師范生的方法教育效率低下、質(zhì)量不高.由此筆者認(rèn)為，在院系層面上，要對實習(xí)中的教育調(diào)查與畢業(yè)論文指導(dǎo)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃.盡量保證學(xué)生的教育調(diào)查內(nèi)容，將來可用于畢業(yè)論文.或者實習(xí)帶隊的教師，也是將來學(xué)生的畢業(yè)論文指導(dǎo)教師.如果條件不允許，也應(yīng)盡量讓學(xué)生采用所學(xué)的研究方法實施調(diào)查，真正做到學(xué)有所獲，做有所成.按照上述思路，我們已經(jīng)啟動師范生研究方法訓(xùn)練的綜合改革實踐研究，并取得了初步成效.

3.2要加強(qiáng)在職教師的方法培訓(xùn)

2012年學(xué)術(shù)訪美期間，筆者應(yīng)邀全程觀摩了一個教育研究方法培訓(xùn)班的教學(xué)活動.該培訓(xùn)班的學(xué)員是來自當(dāng)?shù)刂行W(xué)的數(shù)十名科學(xué)教師，培訓(xùn)班的經(jīng)費全部由美國國家自然科學(xué)基金資助，資助范圍包括受訓(xùn)教師的路費、午餐費、資料費、器材費，還有主講教師的課酬等等.授課教師是來自美國大學(xué)的、從事科學(xué)教育教學(xué)和研究的知名教授.培訓(xùn)過程中，既有理論介紹，也有實際操作.培訓(xùn)結(jié)束之前，每位受訓(xùn)學(xué)員都被要求結(jié)合自己的教學(xué)實踐，向全體培訓(xùn)學(xué)員作一場小型的實證研究報告.筆者看到，整個培訓(xùn)過程緊湊而高效.事后組織者介紹說，該培訓(xùn)班的每一期學(xué)員都來自不同學(xué)區(qū)，這樣的培訓(xùn)班他們每年都會開辦一期.從前筆者一直感覺到很好奇：為什么美國的教師，包括一線的中小學(xué)教師的教育研究素養(yǎng)都很高？筆者在此找到了答案.而我國的教師培訓(xùn)中，就教育研究方法的培訓(xùn)而言，總體情況不容樂觀.但我們也注意到，我國開始有一些教育類專業(yè)學(xué)會，在召開學(xué)術(shù)年會期間，舉辦一、兩天的方法研修班，這是頗具遠(yuǎn)見的舉措.筆者只是希望這樣的班辦得再多一些、時間再長一些、受益面再大一些.

3.3要改革現(xiàn)行的教師教研制度

筆者在美國體驗過一個地區(qū)的中學(xué)物理教師的教研活動.該教研活動由地方高校物理系牽頭，活動經(jīng)費也由美國國家自然科學(xué)基金提供.該活動每兩周舉辦一次.內(nèi)容包括：(1)自我介紹.因為每次參會的人可能有所不同.(2)信息發(fā)布.就是與會者自愿發(fā)布自己的研究發(fā)現(xiàn)，如設(shè)計新穎、演示效果良好的小教具；分享新近報道的重大科技新聞；或者分享自認(rèn)為值得與大家分享的教學(xué)體會.(3)教具制作.這個環(huán)節(jié)他們稱之為“make & take”，意思是先動手做，做完了就拿走.組織者無償提供原始材料和制作圖紙，有幾個學(xué)生助教會為需要幫助的教師提供具體指導(dǎo)，做完后教師們可以將這些成品教具帶回去.(4)茶歇.相當(dāng)于場間休息.組織者提供一些免費茶點和飲料.茶歇為需要個別交流的教師提供了方便.(5)專題講座.這是整個教研活動中具有培訓(xùn)意義的環(huán)節(jié).該環(huán)節(jié)主要是高校教師主講的PER研究報告.有時也會邀請美國知名大學(xué)或者研究機(jī)構(gòu)的專家學(xué)者作報告.(6)頒發(fā)證書.每次活動結(jié)束時，組織者都要給參會者頒發(fā)一張包括活動時間、地點和內(nèi)容的詳細(xì)說明書，他們稱之為“教師專業(yè)發(fā)展證書”.教師們都很重視這張證書，因為只有拿到足夠的證書，他們才可能通過年終考核.經(jīng)過半年的參與式觀察，筆者發(fā)現(xiàn)，這樣的教研活動內(nèi)容豐富、注重實效，頗具吸引力.目前我國中學(xué)教師的教研活動，多半都由各地教育主管部門下屬的教研室主導(dǎo).由于應(yīng)試壓力的影響，也由于教研室的半行政屬性，教研活動大多研究與高考或者中考相適應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)度安排，真正意義上的教學(xué)研究并不多.在這樣的教研活動中，教師的研究潛能得不到激發(fā)，研究方法得不到訓(xùn)練.長此以往，教師將全部變成地地道道的教書匠.所以在筆者看來，我國的中學(xué)教師教研制度，無論是管理方式還是活動內(nèi)容，都得要改一改了.

1Trowbridge,D.& McDermott,L.Investigation of Student Understanding of the Concept of Velocity in One Dimension.American Journal of Physics..1980，48(12)：1 020～1 028

2Hake,R..Interactive-engagement Versus Traditional Methods:A Six-thousand-student Survey of Mechanics Test Data for Introductory Physics Courses.American Journal of Physics. 1998,66(1):64～74

3Beichner,R.An Introduction to Physics Education Research.From http://www.compadre.org/per/per_reviews/volume2.cfm#V2I1A2

4Meltzer.D.E..The relationship between mathematics preparation and conceptual learning gains in physics:A possible “hidden variable” in diagnostic pretest scores American Journal of Physics.2002(12):1259

5Coletta,V.P. , Philips,J.A. Interpreting FCI scores:Normalized gain,pre-instruction scores,and scientific reasoning ability.American Journal of Physics. 2005(12):1172

6Lising,L., Elby, A. The impact of epistemology on learning:A case study from introductory physics. American Journal of Physics. 2005(4):372

7Colin, P., Viennot, L. Using two models in optics:Students’ difficulties and suggestions for teaching. American Journal of Physics.2001(7):36

8Singh,C. Student understanding of symmetry and Gauss’s law of electricity. American Journal of Physics.2006(10):923

Methodology of Physics Education in the US

Wu Weining

(Faculty of Physics and Electronic Sciences, Hubei University, Wuhan, Hubei430062)

Physics Education Research in the US has global impact on both fields of theory and practice, due to the fact that its methodology is scientific and complete.When reviewing nearly 100 articles published in the US journals during recent 10 years, I find by content analysis that the methods of PER in the US are mainly empirical, and among which are mainly quantitative. Empirical met hods consist of basic and comprehensive ones. While basic methods include general measurement, instrument measurement, deep interview, content analysis and think aloud, comprehensive methods include instructional innovation experiment, instrument development and case study. The experience of US counterparts tells us that we should enhance pre and in-service teachers′ research method education and training and that our current system of teacher′s instructional research should be urgently improved and consummated.

US;PER;Methodology;pre-service education; in-service training;instructional research system

調(diào)研報告

吳維寧(1963-)，男，博士，副教授，美國紐約州立大學(xué)訪問學(xué)者,主要研究物理課程與教學(xué)論、教育測量與評價.①實證方法是指采用規(guī)范的方法收集數(shù)據(jù)并分析整理數(shù)據(jù)，最終得出研究結(jié)論的教育研究方法.它既可以是量的方法，也可以是質(zhì)的方法，還可以是兩種方法的組合.

2016-05-12)

*湖北省高等學(xué)校教學(xué)研究項目“師范生教育研究方法訓(xùn)練的理論探索與綜合改革實踐研究”的階段性成果,項目編號：2015211