美國物理教育研究： 歷史回顧和前瞻

DING Lin 張 萍

(1長江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,湖北 荊州 434023； 1俄亥俄州立大學(xué)教育學(xué)院,俄亥俄哥倫布 43210； 2北京師范大學(xué)物理學(xué)系,北京 100875)

1 前言

物理教育研究是用科學(xué)研究方法研究物理教育中的實際問題，尋求有效解決方案，提高物理教育教學(xué)質(zhì)量。在國際上，物理教育研究是一個很新的領(lǐng)域，其發(fā)展歷史不到50年，美國是最活躍的國家之一。近年來，越來越多中國學(xué)者開始關(guān)注和進入這一領(lǐng)域，我們計劃撰寫一系列文章，介紹美國PER，給國內(nèi)的研究者和教師提供一個捷徑快速了解這個研究領(lǐng)域，從而推動PER在中國的發(fā)展。本文先整體概述美國PER領(lǐng)域，以后還將陸續(xù)撰寫關(guān)于PER領(lǐng)域研究方法和每一個研究領(lǐng)域的研究進展與成果的綜述性文章。

2 美國物理教育研究簡史和背景

物理教育的研究不是突然出現(xiàn)的，它的成功源于幾代人的工作，涉及物理教育者對教學(xué)內(nèi)容、教師、學(xué)生和教學(xué)環(huán)境等各個方面及其之間的相互作用的思考和經(jīng)驗，加之一些心理學(xué)領(lǐng)域的研究者對物理教學(xué)中學(xué)生學(xué)習(xí)困難的關(guān)注和研究，逐漸形成了PER這一研究領(lǐng)域。1999年美國物理學(xué)會正式確定PER為物理研究領(lǐng)域的一個分支。

莉蓮·麥克德莫特(Lillian McDermott)是公認(rèn)的美國PER領(lǐng)域的創(chuàng)始人，麥克德莫特在華盛頓大學(xué)物理教育研究組工作時研究學(xué)生在學(xué)習(xí)物理核心概念時遇到的困難——學(xué)生的錯誤概念[1，2]，以此開啟了美國PER這一個新的研究領(lǐng)域，她所在的華盛頓大學(xué)物理教育研究團隊和喬·瑞蒂希(Joe Redish)帶領(lǐng)的馬里蘭大學(xué)物理教育團隊是美國最早開展物理教育研究的兩個團隊，除此之外，在美國較早成立物理教育研究團隊的大學(xué)有：北卡羅萊納州立大學(xué)、俄亥俄州立大學(xué)、明尼蘇達大學(xué)、科羅拉多大學(xué)、緬因大學(xué)、哈佛大學(xué)等。從事PER的專家大多都在大學(xué)的物理系工作，他們在從事物理教學(xué)的同時研究物理教學(xué)中遇到的問題，尋找解決方案，促進學(xué)生對物理專業(yè)知識的學(xué)習(xí)和理解。物理教育研究領(lǐng)域的學(xué)者不僅需要物理專業(yè)知識，同時也需要教育學(xué)和心理學(xué)知識，因此PER是一個多學(xué)科交叉的學(xué)科領(lǐng)域。

早期物理教育研究的成果大多發(fā)表在《美國物理雜志》(American Journal of Physics)，隨著物理教育研究的蓬勃發(fā)展，需要更多的出版空間分享學(xué)者的研究成果，2005年在美國物理學(xué)會(American Physical Society，簡稱APS)和美國物理教師學(xué)會(American Association of Physics Teacher．簡稱AAPT)共同努力下，將PER作為物理學(xué)科的一個研究方向納入到權(quán)威物理雜志《物理評論》(Physical Review)系列中，即《物理評論?？锢斫逃芯俊?Physical Review Special Topics—Physics Education Research)，由于PER的快速發(fā)展和取得的卓越成就，使這個新興的學(xué)科在物理學(xué)界的地位日漸提高，該雜志在2016年更名為《Physical Review—Physics Education Research》，去掉了其中“?？眱勺钟靡员砻魑锢斫逃芯亢凸鈱W(xué)、凝聚態(tài)等地位平行，都是物理學(xué)的一個分支。隨著物理教育研究的深入和發(fā)展，PER與其他越來越多的研究領(lǐng)域交叉融合，包括教育學(xué)、教育心理學(xué)、語言學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、測量與統(tǒng)計、計算機學(xué)科和人類學(xué)等，因此物理教育研究的文章還常常出現(xiàn)在與這些領(lǐng)域相關(guān)雜志上，例如：《認(rèn)知與教學(xué)》(Cognition and Instruction)、 《學(xué)與教》(Learning and Instruction)、 《學(xué)習(xí)科學(xué)雜志》(Journal of the Learning Sciences)、 《科學(xué)教學(xué)研究雜志》(Journal of Research in Science Teaching)、《科學(xué)教育研究》(Research in Science Education)、《科學(xué)和數(shù)學(xué)教育國際雜志》(International Journal of Science and Mathematics Education)。除了發(fā)表文章，學(xué)術(shù)會議也是研究者和教師交流和分享的重要平臺，美國物理教育研究領(lǐng)域的會議有AAPT會議：每年兩次：冬季一次，夏季一次。從1997年以來，在每年夏季的AAPT會議之后接著物理教育研究年會(Physics Education Research Conference，簡稱PERC)會議，兩個會議時間相連，地點相同。每年P(guān)ERC接收學(xué)者的會議投稿，經(jīng)過同行審議后達到高學(xué)術(shù)標(biāo)準(zhǔn)文章被正式收錄在會議文集《PERC Proceedings》上，在2016年P(guān)ERC上正式發(fā)表的文章有98篇[3]。除了上述兩個會議外，從2005年起，緬因大學(xué)每兩年主辦一次關(guān)于物理教育研究的基礎(chǔ)和前沿的研討會。

在美國，PER和其他科學(xué)領(lǐng)域一樣可以得到美國國家科學(xué)基金(National Science Foundation，簡稱NSF)的項目資助，一般一個項目資助金額在幾十萬到上百萬美元，項目執(zhí)行期為2～4年，要求項目研究成果有利于推進人類文化和教育的發(fā)展，提高教育教學(xué)質(zhì)量，并沒有必須發(fā)表文章和出版專著等“硬”指標(biāo)要求。由于物理教育研究需要的樣本量大，教學(xué)研究實驗周期長(課程教學(xué)通常以一個學(xué)期為一個周期，再次重復(fù)需要等到第二年的對應(yīng)學(xué)期)，在一個項目研究結(jié)束后，還可以繼續(xù)申請同一系列的項目，以求做得更加深入和完整，獲得具有普遍理論意義或有廣泛應(yīng)用價值的成果。例如：哈佛大學(xué)物理系教授埃里克·馬祖爾(Eric Mazur)從1993年獲得NSF的支持開始研究和開發(fā)同伴教學(xué)法(Peer Instruction，簡稱PI)，到2001年的8年時間中，三次獲得NSF的支持，完成從PI教學(xué)法的開發(fā)、教學(xué)實踐和實證研究、網(wǎng)上資源建設(shè)等一系列成果。20多年來，PI教學(xué)法在世界很多個國家的大中小學(xué)的不同學(xué)科得到了廣泛應(yīng)用，取得顯著教學(xué)效果，2014年，馬祖爾教授作為物理教育研究領(lǐng)域的學(xué)者獲得首屆全球高等教育最高獎密涅瓦(Minerva)獎(該獎相當(dāng)于教育學(xué)科的諾貝爾獎)。除了NSF外，物理教育研究的學(xué)者還可以從教育科學(xué)協(xié)會(Institute of Educational Sciences，簡稱IES)、州政府、研究者所在的大學(xué)和院系得到PER項目資金的支持。

3 物理教育研究方法

物理教育研究方法有定性研究(Qualitative Research)和定量研究(Quantitative Research)兩種研究方法，目的都是尋求事實證據(jù)和數(shù)據(jù)得出研究結(jié)論，需要根據(jù)研究問題選擇適合的研究方法。在研究過程中，有意識地特別地去關(guān)注物理教育研究的復(fù)雜性是非常重要的。

在物理教育研究中常用的定量研究方法有：描述統(tǒng)計、推論統(tǒng)計、測試工具的開發(fā)和檢驗。物理教育研究中用到量化方法的3種主要類型是：調(diào)查研究、實驗/準(zhǔn)實驗研究、測量與評價研究，其中前兩個研究是直接使用測量工具，第三個研究涉及測試工具的開發(fā)[4-6]。

1992年，由海斯頓斯等人(Hestenes, Swackhammer and Wells)開發(fā)的力學(xué)測試量表(Force Concept Inventory，簡稱FCI) 在美國物理教育研究發(fā)展史中具有重要意義[7]。首先，F(xiàn)CI是物理教育研究中關(guān)于概念測量的第一個測試量表，為教育研究者使用定量研究的方法對教學(xué)進行科學(xué)評估提供了研究工具。其次，1998年理查德·哈克(Richard Hake)使用FCI對6000名學(xué)生進行了調(diào)查，比較了使用傳統(tǒng)教學(xué)方法和互動教學(xué)方法講授物理課程的學(xué)生獲得的收益 ——標(biāo)準(zhǔn)化增益(Average Normalized Gain)情況，數(shù)據(jù)結(jié)果表明使用傳統(tǒng)教學(xué)方法學(xué)生獲得的收益低得讓人震驚，而使用互動教學(xué)方法可以改善這個狀況[8]。與通常使用教學(xué)經(jīng)驗總結(jié)的主觀評價方式不同，此項研究首次使用科學(xué)量化方法對課程教學(xué)效果進行評價，得出結(jié)果更具有說服力，容易被一些只有物理科研背景沒有物理教育研究背景的大學(xué)教師所接受。哈佛大學(xué)物理教授馬祖爾就是在知道哈克的研究結(jié)果后，重復(fù)實驗并驗證其結(jié)果，確信使用傳統(tǒng)教學(xué)方法講授物理課程無法取得良好效果，開始致力于教學(xué)方法的改革。馬祖爾教授借鑒教育研究的相關(guān)結(jié)果，開發(fā)了PI教學(xué)法，提高了物理教學(xué)質(zhì)量。理查德·哈克在物理教育研究中使用評估工具進行定量研究方面起到了重要的引領(lǐng)作用。此后，PER學(xué)者陸續(xù)開發(fā)出一系列測試工具，例如電磁學(xué)概念測試量表[9，10](Conceptual Survey in Electricity and Magnetism,簡稱CSEM)，能量概念測試工具(Energy Concept Assessment簡稱ECA)[11]，量子力學(xué)測試量表[12](Quantum Mechanic Conceptual Survey，簡稱QMCS)等，推動了PER定量研究的快速發(fā)展。需要說明的是:與編制一個期末考試試卷不同，開發(fā)PER測量工具是一個費時費力耗資巨大的工程，通常從系統(tǒng)開發(fā)到驗證其可靠性需要花費幾年時間，因此任何使用者都有責(zé)任正確使用并維護和保管好這些測試工具，在使用過程中下面的行為都將造成量表的失效：

(1) 公開這些測試量表使學(xué)生容易獲得;

(2) 測試時標(biāo)出量表名字使學(xué)生可以在網(wǎng)絡(luò)上搜索到測試量表;

(3) 向?qū)W生講解測試題目的答案;

(4) 將測試工具中的一些測試題目抽出來單獨使用或與其他來源的題目重新拼湊成新的測試量表;

(5) 使用不完整的測試量表進行測試。

使用合適的測試工具，可以實現(xiàn)定量研究，定量研究可以方便地對大樣本進行測試，針對特定研究對象的總體得出統(tǒng)計結(jié)果，因此定量研究的結(jié)果可以外推。定量研究的結(jié)果信息是用數(shù)據(jù)表示，方便進行客觀比較，獲得統(tǒng)計趨勢、均值比較或相關(guān)性等信息。如果試圖解釋和了解為什么會有這樣的數(shù)據(jù)結(jié)果，需要對數(shù)據(jù)加以詮釋，此時，定量研究者通常需要借助一些理論和文獻對結(jié)果給出解釋，但也可能是基于個人的觀點、假設(shè)或思想給出的詮釋，因而也具有主觀性。

定性研究的目的是了解和理解行為與觀點、識別過程得以深入了解他人的體驗。PER使用的定性研究的手段有：深度訪談、焦點小組討論、觀察、內(nèi)容分析法、可視化手段等。通常定性研究的受訪者人數(shù)少，不是隨機地超募，需要有針對性地選取，受訪者必須能提供有關(guān)研究主題的豐富信息。定性研究具有探索性、診斷性和預(yù)測性等特點，它并不追求精確的結(jié)論，而只是了解問題之所在，摸清情況，得出感性認(rèn)識，因此定性研究所得結(jié)論不可以外推。定性研究數(shù)據(jù)是文本，但不是對受訪者回答的簡單復(fù)述，與其他類型的研究一樣，定性研究也是系統(tǒng)化的，從研究的前期設(shè)計、數(shù)據(jù)采集，后期的文本轉(zhuǎn)錄方法、編碼的分類、推論分析、歸納形成理論，每一步都有其研究范式和途徑。

近年來，PER研究者發(fā)現(xiàn)，定量研究和定性研究具有各自優(yōu)勢和特點：定量研究方法可以在宏觀層面對研究對象進行大規(guī)模的調(diào)查和預(yù)測，而定性研究可以在微觀層面對個別事物進行細(xì)致、動態(tài)的描述和分析?？梢詫煞N研究方法有效結(jié)合或混合使用，例如：在定量研究之后，分析數(shù)據(jù)，找出需要解釋的問題，選擇受訪者進行定性研究，解釋定量研究的結(jié)果，揭示某些特定行為的趨勢或模式，解釋趨勢背后的過程、潛在行為、觀點和動機等。相反也可以用定性研究發(fā)現(xiàn)研究假設(shè)，而用定量研究來檢驗假設(shè)，例如，在編制物理測試問卷時，可以先使用開放性的問卷，讓學(xué)生自由解答題目，研究獲得學(xué)生答案類型，然后依此結(jié)果編制多項選擇題，進行大規(guī)模測試。另外，定性的研究數(shù)據(jù)也可以通過編碼等不同形式轉(zhuǎn)化成定量數(shù)據(jù)。

4 物理教育研究的主要研究方向和熱點

從20世紀(jì)70年代起，研究者和教師逐漸意識到學(xué)生在概念掌握上存在很多困難，例如：當(dāng)一個大卡車和一個小汽車相撞時，它們之間相互作用力相等，而學(xué)生認(rèn)為大車給小車的力更大，因為小車的損壞更嚴(yán)重，小車的速度變化更大等等；對于電流在通過用電器后其大小不變的概念，學(xué)生也很難理解，他們認(rèn)為既然電流不變?yōu)槭裁措姵貢挥帽M，為什么要收使用者的電費呢？對于學(xué)生的這些概念，研究者稱之為錯誤概念(misconceptions)，樸素概念(na?ve conception)和前概念(preconception)。本文統(tǒng)稱為錯誤概念，有學(xué)者認(rèn)為對錯誤概念的研究標(biāo)志著現(xiàn)代物理教育研究的開始。早期的研究包括：識別學(xué)生的錯誤概念和評價哪些教學(xué)策略可以有效地轉(zhuǎn)變學(xué)生的錯誤概念利于形成科學(xué)概念——稱為概念轉(zhuǎn)變(conceptions change)。為了定量研究學(xué)生物理概念的水平和發(fā)展變化，研究者開發(fā)了許多概念測試量表，如前所述的FCI、BEMA、ECA等。最近有學(xué)者開始研究學(xué)生錯誤概念的本質(zhì)和起源，以及學(xué)生概念轉(zhuǎn)變是如何發(fā)生的。這一類研究構(gòu)成PER的一個研究方向——概念理解(conceptual understanding)。

由于解決物理問題在物理教學(xué)過程中占有重要地位，因此問題解決(problem-solving performance)也是物理教育研究中的一個研究方向，主要研究學(xué)生在解題過程中的行為，比較學(xué)生和經(jīng)驗豐富的專家在解決物理問題的過程中使用的方法和策略有什么不同[13，14]。例如：在對物理題目進行分類時，專家依據(jù)解決問題需要的物理本質(zhì)規(guī)律，將需要使用能量守恒的題目歸為一類，而新手關(guān)注的是題目的表面特征，將題目按照“彈簧問題”“斜面問題”等進行分類[15]。此外，在這個領(lǐng)域中研究者還研究例題設(shè)計、題目多重表征[16](multiple representation)和解決物理問題中需要的數(shù)學(xué)能力等方面對學(xué)生問題解決的影響；評估解題教學(xué)策略的有效性也是這個領(lǐng)域研究的一個方向。最近幾年，美國俄亥俄州立大學(xué)丁林(Lin Ding)研究團隊在NSF支持下研究學(xué)生解決復(fù)雜物理問題(synthesis problem)的能力，從認(rèn)知心理和物理題目情景等多重維度對學(xué)生在解決復(fù)雜問題時遇到的困難進行了深入研究，將復(fù)雜物理問題進行了科學(xué)分類，設(shè)計了4種主要解決策略和教學(xué)支架，研究評價了這些教學(xué)策略在提高學(xué)生解決復(fù)雜問題能力的適用性和有效性[17-19]。

師生對物理教學(xué)的態(tài)度和信念(attitudes and beliefs about learning and teaching)對他們講授和學(xué)習(xí)物理產(chǎn)生直接和重大的影響，因此物理教育研究一直致力于研究教師和學(xué)生的物理認(rèn)識論——關(guān)于對物理的本質(zhì)和物理學(xué)習(xí)方法的認(rèn)識。相關(guān)的測試量表有馬里蘭州物理學(xué)期望調(diào)查(Maryland Physics Expectation Survey，簡稱MPEX)[20]和科學(xué)調(diào)查(Views about Science Survey，簡稱VASS)[21]，科羅拉多大學(xué)在前面幾個量表的基礎(chǔ)上，新開發(fā)了一個測試量表C-LASS (Colorado Learning Attitudes About Science Survey)[22]。物理教育已有的一些研究表明：使用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，學(xué)生學(xué)習(xí)物理時間越長，掌握物理知識越多，但是學(xué)生對物理的認(rèn)知水平卻負(fù)向移動——學(xué)生的觀點更加遠(yuǎn)離物理專家的觀點，更向新手方向移動[23-26]。而在一些基于教學(xué)方法改革的物理課程中實現(xiàn)了學(xué)生物理認(rèn)知的正向移動，例如：物理與生活(Physics and Everyday Thinking，簡稱 PET)課程[27]，建模教學(xué)方法(Modeling Instruction，簡稱MI)課程[28，29]，物理探究(Physics by Inquiry,簡稱PBI)課程[30]和使用PI教學(xué)法的課程[31]。

大量研究表明：一些基于物理教育研究成果開發(fā)的新的教學(xué)方法可以有效解決傳統(tǒng)教學(xué)方法中存在的問題，提高物理教育教學(xué)質(zhì)量。其中一些教學(xué)方法不需要改變傳統(tǒng)的教室結(jié)構(gòu)，可以方便地嵌入在傳統(tǒng)教學(xué)方法中，例如：PI教學(xué)法[32]，基于課堂演示實驗的互動教學(xué)法(Interactive Lecture Demonstrations,簡稱ILD)[33]，及時教學(xué)法 (Just-in-Time Teaching，簡稱JiTT)[34]等。有一些教學(xué)法需要改變傳統(tǒng)教室的課座椅結(jié)構(gòu)，將物理實驗和物理理論學(xué)習(xí)融合在一起，方便基于實驗合作探究，例如：物理探究(Physics by Inquiry，簡稱PbI)[35]，物理工作坊(Workshop Physics，簡稱(WP)[36]，以學(xué)生為中心的大學(xué)課程主動學(xué)習(xí)環(huán)境(Student-Centered Active Learning Environment for Undergraduate Programs，簡稱SCALE-UP)[37，38]；在復(fù)習(xí)輔導(dǎo)課中使用的新的教學(xué)方法有物理輔導(dǎo)課(Tutorials in Introductory Physics，簡稱TIP)[39，40]和基于活動的輔導(dǎo)課 (Activity-Based Tutorials，簡稱ABT)[41]；傳統(tǒng)實驗課程中學(xué)生通常是按照“菜譜”做實驗，實驗課的教學(xué)方法改革主要是利用計算機技術(shù)、視頻分析軟件等輔助實驗，在實驗中讓學(xué)生主動探究和合作討論共同解決問題。亨德森(Henderson)和丹西(Dancy)對美國722名教師的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，87.1%的教師知道一種新的教學(xué)方法，約一半教師熟悉6種以上的教學(xué)策略。大約一半的教師在他們的教學(xué)中使用改革后的教學(xué)方法，最常用的是PI教學(xué)法[42]。

多年來，物理教育研究者針對物理教育中的問題開展了多方面的研究，生成了多個研究方向和研究熱點，除了上面介紹的概念理解、問題解決、學(xué)習(xí)態(tài)度、課程與教學(xué)(Curriculum and Instruction)幾個研究方向外，還有關(guān)于評價(Assessment)、認(rèn)知心理學(xué)(Cognitive Psychology)和教育技術(shù)(Educational Technology)等研究方向。從認(rèn)知心理學(xué)等研究領(lǐng)域到社會的經(jīng)濟、政治和科技文化等諸多方面的進步與發(fā)展都在進一步拓展物理教育研究領(lǐng)域的帶寬，使其理論和方法日益深入和豐富。

因此，物理教育研究領(lǐng)域是一個多元化、復(fù)雜但是非常有魅力的研究領(lǐng)域，研究者在其中可以發(fā)現(xiàn)物理教育中的問題，研究設(shè)計解決方案，用于改進教學(xué)，然后在教學(xué)實踐中驗證其效果，使教學(xué)更有效。已經(jīng)有越來越多的教師和研究者對這個領(lǐng)域感興趣并參與其中，因為當(dāng)一名物理教師在物理教學(xué)過程中做些物理教育研究，或者只是將物理教育研究結(jié)果應(yīng)用于自己的物理教學(xué)之中，都會發(fā)現(xiàn)自己的教學(xué)生涯會因此變得“有物理也有詩和遠(yuǎn)方。”

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