導(dǎo)語：國外物理教育研究方向一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1美國物理教育研究領(lǐng)域的發(fā)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(xié)會（AAPT）的成立，其主要目的是通過教學(xué)的途徑確保物理知識的普及，并為物理教師的專業(yè)化發(fā)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(xué)伯克利分校和華盛頓大學(xué)對學(xué)生學(xué)習(xí)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(yè)，1980年至少有十幾所大學(xué)成立PER團(tuán)隊(duì)．1990年從事PER并具有PER博士學(xué)位及具有物理學(xué)博士學(xué)位的博士后研究人員進(jìn)入物理系任教．1998～2001年，61位教師將PER作為他們的研究領(lǐng)域．1999年美國物理學(xué)會（APS）發(fā)出聲明，確定物理教育研究是物理研究領(lǐng)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(chǔ)的教育實(shí)踐推動(dòng)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(tuán)體．2005年，美國物理學(xué)評論雜志特刊———《物理教育研究》的問世，標(biāo)志著物理教育研究開始形成自己的學(xué)術(shù)研究范式，正在向?qū)W術(shù)性的軌道邁進(jìn)．2012年，美國國家研究委員會對物理等其他理工類學(xué)科以學(xué)科為基礎(chǔ)的教育研究的現(xiàn)狀、貢獻(xiàn)以及未來研究發(fā)展方向以報(bào)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(xué)科為基礎(chǔ)對物理教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”的過程所做的研究．物理教育研究的研究者主要是具有堅(jiān)實(shí)的學(xué)科基礎(chǔ)和熟悉物理學(xué)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(xué)階段的理工科專業(yè)的學(xué)生，包括物理專業(yè)的學(xué)生所開設(shè)的大學(xué)物理課程及物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)；研究目的是改進(jìn)物理教學(xué)，使學(xué)生真正理解物理，能夠?qū)⑺鶎W(xué)內(nèi)容應(yīng)用到實(shí)際中去；研究重點(diǎn)是揭示學(xué)生學(xué)習(xí)物理的認(rèn)知過程，研究影響學(xué)生真正理解物理的因素；研究的一般模式是以物理學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)有效的測試和評價(jià)工具，調(diào)查學(xué)生在學(xué)習(xí)每一部分物理內(nèi)容之前的原有知識和學(xué)習(xí)過程中的認(rèn)知結(jié)構(gòu)的變化，揭示學(xué)生的思維障礙，有針對性地設(shè)計(jì)有效的教學(xué)策略和開發(fā)新的教學(xué)資源，用實(shí)證的方法研究新策略和新資源對學(xué)生理解物理所產(chǎn)生的實(shí)際效果，在研究過程中不斷發(fā)現(xiàn)新問題，從而展開更深入的研究．［2］基于對以學(xué)科為基礎(chǔ)的教育研究關(guān)注度的提高，改善自然科學(xué)學(xué)科的教學(xué)實(shí)踐，2010～2011年間美國國家研究理事會，對以學(xué)科為基礎(chǔ)的教育研究的成果及未來發(fā)展方向做出綜合研究，橫跨大學(xué)物理學(xué)、生物學(xué)、地理和化學(xué)，其中物理教育研究領(lǐng)域重點(diǎn)在于課程與教學(xué)的綜合研究．

3物理課程與教學(xué)

近年來，基于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中常遇到的困難，突出以學(xué)生為中心的主旨，改變傳統(tǒng)課堂使其更具參與性與互動(dòng)性，通過研究和評估，美國物理教育研究領(lǐng)域設(shè)計(jì)、開發(fā)了一些有效的教學(xué)方法及教學(xué)資源．實(shí)踐評估顯示，新方法和資源的使用明顯優(yōu)于傳統(tǒng)課堂教學(xué)帶來的效果．3．1針對物理概念課的教學(xué)方法研究者以傳統(tǒng)的概念講授課為基礎(chǔ)，在課前、課中、課后分別設(shè)計(jì)一些教學(xué)方法，旨在利用學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與教師之間的相互影響，提升概念課的教授與學(xué)習(xí)效果，常見的教學(xué)方法有以下幾種．（1）同伴教學(xué)法（PeerInstruction）．同伴教學(xué)法由哈佛大學(xué)著名教授EricMazur創(chuàng)立，在大學(xué)物理課程中，使用專門設(shè)計(jì)的用于揭示學(xué)生錯(cuò)誤概念和引導(dǎo)學(xué)生深入探究的概念測試題，借助計(jì)算機(jī)投票系統(tǒng)（clicker）或選項(xiàng)卡片，組織大班課堂教學(xué)，變傳統(tǒng)單一的講授為基于問題的自主學(xué)習(xí)和合作探究．哈佛大學(xué)對PI教學(xué)方法的研究表明，PI教學(xué)方法在促進(jìn)學(xué)生深入理解物理概念和提高物理計(jì)算能力方面優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)方法．（2）即時(shí)教學(xué)法（Just－in－Timeteaching，JiTT）．即時(shí)教學(xué)法要求學(xué)生在上課之前，以郵件的形式提交教師布置的有關(guān)概念性問題的答案．教師依據(jù)這些反饋信息，評估學(xué)生的理解程度，并結(jié)合學(xué)生情況備課．（3）互動(dòng)式課堂演示法（InteractiveLectureDemonstrations，ILDs）．互動(dòng)式課堂演示首先要求學(xué)生對物理演示實(shí)驗(yàn)中，他們預(yù)期觀察到的現(xiàn)象做出預(yù)測，與同伴討論彼此的預(yù)測，接著觀察實(shí)驗(yàn)，并將觀察到的與自己的預(yù)測相比較．ILDs中每個(gè)階段都由工作單引導(dǎo)．通過FCT，F(xiàn)MCE測試，發(fā)現(xiàn)ILDs在學(xué)生學(xué)習(xí)基本物理概念的過程中作用顯著，課堂演示中學(xué)生預(yù)測階段尤其重要．（4）反思學(xué)習(xí)法（Reflectiononlearning）．反思學(xué)習(xí)法要求學(xué)生寫日記或者遞交周報(bào)告進(jìn)行學(xué)習(xí)反饋．學(xué)生要記錄在課堂上學(xué)到了什么，如何進(jìn)行學(xué)習(xí)的，以及哪些內(nèi)容還存在疑問．遞交的報(bào)告也會算入學(xué)分．研究人員發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的學(xué)業(yè)掌握程度與其反思的質(zhì)量存在某種關(guān)系，概念習(xí)得程度高的學(xué)生比概念習(xí)得程度低的學(xué)生反思學(xué)習(xí)方面更清晰和細(xì)致．3．2習(xí)題討論式教學(xué)方法為了改變傳統(tǒng)枯燥的習(xí)題課，增強(qiáng)互動(dòng)性與組間合作，研究者開發(fā)了一系列新的教學(xué)方法．輔導(dǎo)式教學(xué)法［3，5］（TutorialsinIntroductoryPhysics）最早是UniversityofWashington的物理教育研究小組（UniversityofWashingtonPhysicsEducationResearchGroup，UWPEG）提出，并經(jīng)過多年的教學(xué)積累發(fā)展起來的一種實(shí)行分組教學(xué)的習(xí)題課教學(xué)方法．輔導(dǎo)式教學(xué)課的重點(diǎn)是加強(qiáng)學(xué)生對重要的物理概念的掌握，并培養(yǎng)他們的科學(xué)推理技巧．教學(xué)步驟包括課前測試、工作表、作業(yè)分配和課后測試等．輔導(dǎo)式教學(xué)主要包括的內(nèi)容如下：（1）10min的課前測試，內(nèi)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(jìn)行1～2h的培訓(xùn)．其間，教師和助教首先完成將要給學(xué)生做的課前測試，并討論學(xué)生可能遇到的困難，及輔導(dǎo)課中使用的教學(xué)模式和應(yīng)突出的關(guān)鍵問題．（3）學(xué)生參加50min到1h的輔導(dǎo)課．學(xué)生分組進(jìn)行討論，回答計(jì)劃表上的問題，教師或助教不講課，而是通過提問，引導(dǎo)他們對于基本概念進(jìn)行定性的邏輯推理，從而得到結(jié)果．（4）學(xué)生完成指派的作業(yè)．（5）考試內(nèi)容包括在討論課中強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)概念和推理技巧．輔導(dǎo)式教學(xué)方法在多所大學(xué)使用過，并在反復(fù)循環(huán)的改進(jìn)過程中不斷發(fā)展完善．實(shí)踐證明，這種方法有助于學(xué)生合作解決問題，其結(jié)果比小組中成績最好的學(xué)生單獨(dú)完成解答的成績更好，并且促進(jìn)小組中不同層次學(xué)生的共同進(jìn)步．馬里蘭州立大學(xué)物理教育研究組的Redish教授等人在此基礎(chǔ)上發(fā)展了以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)活躍性為基礎(chǔ)的教學(xué)項(xiàng)目（Activity－BasedPhysics，ABP），其中加強(qiáng)了定量計(jì)算和物理實(shí)驗(yàn)，并應(yīng)用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)、播放課件、顯示仿真效果等．馬里蘭州立大學(xué)最新發(fā)展的教學(xué)項(xiàng)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(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的觀念、認(rèn)識論或信念．TIP和ABT在多項(xiàng)選擇題及FMCE前、后診斷測量中已產(chǎn)生很大成效．對比三種教法，結(jié)果表明使用OST比TIP和ABT更能讓學(xué)生在課程考試和診斷測試中取得好成績．3．3實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)法及資源實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置及資源的利用要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探索，通過實(shí)驗(yàn)觀察物理現(xiàn)象，探索、分析得出基本概念，發(fā)展科學(xué)能力．實(shí)驗(yàn)促進(jìn)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的方法主要是實(shí)驗(yàn)課程的開發(fā)與科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用．（1）基于計(jì)算機(jī)問題解決實(shí)驗(yàn)課程（computer－basedproblemsolvinglabs）［1］．該項(xiàng)課程由明尼蘇達(dá)大學(xué)開發(fā)提出．計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教程利用合作小組問題解決的技巧，要求3位學(xué)生一組共同完成特定任務(wù)．對于促進(jìn)有效的組間合作，他們貫徹5個(gè)方針．1）學(xué)生因一些任務(wù)一起工作———積極的相互依賴．2）學(xué)生面對面工作．3）學(xué)生不能讓他人代替自己工作———個(gè)人責(zé)任．4）學(xué)生要學(xué)會與他人一起合作．5）學(xué)生要有時(shí)間評定小組協(xié)作能力，以便更好地發(fā)揮這種技能．基于計(jì)算機(jī)的問題解決實(shí)驗(yàn)課程與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教程最大的區(qū)別在于，學(xué)生解決實(shí)驗(yàn)問題時(shí)收集和分析數(shù)據(jù)的方式不同（主要通過明尼蘇達(dá)大學(xué)為實(shí)驗(yàn)教程開發(fā)的軟件實(shí)現(xiàn)）．前者在于給定學(xué)生合適的任務(wù)及解決問題所用工具，讓學(xué)生制定解決問題的方法及實(shí)施方案．學(xué)校開發(fā)的軟件并不為學(xué)生做出分析，而是在問題解決的重要階段為學(xué)生做出指導(dǎo)．VideoTOOL是物理實(shí)驗(yàn)室中常用的一款軟件．明尼蘇達(dá)大學(xué)剛開始啟用此課程時(shí)，該教程對于學(xué)生的課業(yè)成績及運(yùn)動(dòng)學(xué)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(tǒng)教程的學(xué)生．（2）視頻分析軟件．典型的應(yīng)用軟件是Tracker，它是在開源物理（OpenSourcePhysics，OSP）架構(gòu)下的一款開源視頻分析軟件，由DouglasBrown開發(fā)，可以應(yīng)用在大學(xué)物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和課堂教學(xué)中．它可以對運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行位置追蹤、旋轉(zhuǎn)體的角度分析，運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)力學(xué)模型分析，獨(dú)特的線性剖面分析工具可以完成對分光計(jì)和干涉光譜的三元色分析，同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對視頻效果的調(diào)節(jié)，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(jìn)行分析，從視頻片段中獲取數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)素材源于真實(shí)世界，在呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的過程中還可以獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．它在某種程度上緩和了學(xué)校實(shí)驗(yàn)儀器不足，在一定程度和范圍內(nèi)，能夠改變“畫實(shí)驗(yàn)”、“講實(shí)驗(yàn)”的狀況，為學(xué)生學(xué)習(xí)提供一個(gè)比較真實(shí)的認(rèn)知環(huán)境．（3）研究型科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境實(shí)驗(yàn)課程（InvestigativeScienceLearningEnvironment）．此課程適用于概念建構(gòu)，重點(diǎn)在于對學(xué)生科學(xué)能力的培養(yǎng)．課程流程如下．［4］1）學(xué)習(xí)概念要從認(rèn)真觀察，選定物理現(xiàn)象開始．2）學(xué)生不需要預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但是要收集數(shù)據(jù)并在數(shù)據(jù)中尋求規(guī)律．3）建構(gòu)思想或者規(guī)律，解釋實(shí)驗(yàn)中所觀察到的現(xiàn)象（課程盡量選擇容易解釋或者數(shù)據(jù)規(guī)律清晰的實(shí)驗(yàn)）．在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，鼓勵(lì)學(xué)生對同一實(shí)驗(yàn)提出多種解釋．4）學(xué)生利用先驗(yàn)知識幫助自己構(gòu)造解釋，且必須想出測試先前利用假說－演繹推理對新實(shí)驗(yàn)提出的解釋或者規(guī)律的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)．當(dāng)他們得知解釋不能被證明時(shí)，舍棄最初的解釋．5）執(zhí)行測試實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生在必要時(shí)修改或舍棄他們的解釋．有時(shí)對測試實(shí)驗(yàn)揭示出的現(xiàn)象的新特點(diǎn)，學(xué)生試圖解釋，流程再次開始．6）最后，他們利用實(shí)驗(yàn)解釋或規(guī)律來解釋日常生活現(xiàn)象以及解決問題．研究表明，ISLE有效促進(jìn)了學(xué)生科學(xué)能力的發(fā)展，包括對學(xué)生多元表征能力，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、收集與分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、評估實(shí)驗(yàn)結(jié)果能力的影響．該課程不僅包括實(shí)驗(yàn)，還有工作單及其他活動(dòng)，以滿足復(fù)習(xí)課和大班教學(xué)．讓學(xué)生在科學(xué)探究中學(xué)習(xí)知識的實(shí)驗(yàn)課程還有問題解決實(shí)驗(yàn)課程（ProblemSolvingLabs）和科學(xué)團(tuán)體實(shí)驗(yàn)課程（ScientificCommunityLabs），這些課程對促進(jìn)學(xué)生科學(xué)能力的發(fā)展方面都起到了很好的作用．3．4新教學(xué)空間的開發(fā)一些新的教育方式源于對學(xué)生學(xué)習(xí)空間的重新設(shè)計(jì)．基于認(rèn)知學(xué)徒制并涉及物理學(xué)的教法，減少灌輸知識，教育改革把實(shí)驗(yàn)室和教室的教學(xué)方法結(jié)合起來［1］．（1）物理工作室（StudioPhysics）．物理工作室是由倫斯勒理工學(xué)院開發(fā)的．它是經(jīng)過重新設(shè)計(jì)，以適應(yīng)一個(gè)綜合性的講座或?qū)嶒?yàn)課程的教學(xué)空間．開展的是以計(jì)算機(jī)為工具的活動(dòng)和小組協(xié)作的工作，講授課和實(shí)驗(yàn)課相結(jié)合．每班由30～45位學(xué)生組成，每節(jié)課兩個(gè)小時(shí)，每周2～4次．早期研究顯示，其在FCI測試中并沒有明顯優(yōu)勢，但是對于以研究為基礎(chǔ)的方法（互動(dòng)式課堂演示法、合作群體問題解決法）的引入顯著促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)．Hoellwarth，Moelter，Knight（2005）發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在工作室中對FCI和FMCE的概念評價(jià)比在傳統(tǒng)教室學(xué)習(xí)的學(xué)生更符合標(biāo)準(zhǔn)．（2）以學(xué)生為中心的大班本科物理課程教學(xué)計(jì)劃（Student－CenteredActiveLearningEnvironmentforUndergraduatePrograms，SCALE－UP）．SCALE－UP由北卡羅萊納州立大學(xué)提出，始于對教室的重新設(shè)計(jì)．每間教室都擁有大約100名學(xué)生．設(shè)有多張圓桌，每張桌子可容納3臺電腦和9名學(xué)生，每面墻對應(yīng)都有白板、投影機(jī)、電腦和屏幕，讓每一個(gè)學(xué)生都有充分的視覺感觀．學(xué)生參與活動(dòng)，合作參與模擬計(jì)算機(jī)解決問題，并進(jìn)行假設(shè)實(shí)驗(yàn)．相比傳統(tǒng)課堂，SCALE－UP中學(xué)生考試有更好的成績，能更好地解決問題，且有良好的科學(xué)態(tài)度．

4結(jié)語

本文簡單介紹了美國物理教育研究的發(fā)展歷程，研究模式以及最新應(yīng)用的教學(xué)方法與教學(xué)資源．較美國的物理教育研究來看，我國的教育研究對大學(xué)生學(xué)習(xí)中遇到的困難研究比較匱乏，尤其缺少對大學(xué)生概念轉(zhuǎn)變、問題解決及合作學(xué)習(xí)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(xué)研究和實(shí)驗(yàn)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(jìn)其更好地發(fā)展．

作者：徐燕張軍朋工作單位：華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院