物理教育研究改進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的關(guān)鍵

1、.啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊學(xué)生之所以存在某些概念上的困難,缺乏應(yīng)用這些概念所必須的定性推理能力是一個重要原因.學(xué)

2、生往往認(rèn)識不到邏輯推理的關(guān)鍵性作用,不理解合乎物理學(xué)要求的解釋應(yīng)該由什么.啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊物理教育研究改

3、進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的關(guān)鍵啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊物理教育研究改進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的關(guān)鍵2001年美國物理教師協(xié)會奧斯特獎受獎演講

4、*（美）華盛頓大學(xué)物理系 莉蓮·麥克德莫特 著 李萍昌 羅星凱 譯中文譯文原載：物理通報2001年第10、第11期連載摘 要物理學(xué)與教的研究對物理教育的不斷改進(jìn)是至關(guān)重要的。有系統(tǒng)地進(jìn)行的研究工作成效更高，而且更有可能使研究成果超越具體的教師和教學(xué)條件而具有普適性。最基本的考慮是教學(xué)既是一種藝術(shù)也是一門科學(xué)。由活躍在教學(xué)第一線的物理學(xué)者所進(jìn)行的研究，為確立切合實(shí)際的教育標(biāo)準(zhǔn)、為幫助學(xué)生達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)及評估學(xué)習(xí)實(shí)效，能夠起到關(guān)鍵的作用。首先，我要感謝美國物理教師協(xié)會授予我2001年度奧斯特獎?wù)?。這個榮譽(yù)所褒獎的成就是我所在的華盛頓大學(xué)物理教育研究所的同事、博士后研究人員、研究生、中小學(xué)進(jìn)

5、修教師以及本科生多年來共同努力的結(jié)果，其中還包括許多長期和短期的訪問學(xué)者的貢獻(xiàn)。除此之外，我還要向那些直接參與我們研究項目的人士、研究結(jié)果的使用者以及支持者表示衷心的謝意。必須強(qiáng)調(diào)的是，我認(rèn)為這一殊榮是對我們整個物理教育研究學(xué)術(shù)共同體工作的褒獎，同時，這也是對物理學(xué)與教的研究工作學(xué)術(shù)價值的一種認(rèn)可。我很慶幸能加入先前獲獎的那些杰出人士之列，同時也倍感壓力。像他們中的許多人一樣，我也要利用這個難得的機(jī)會與大家分享一些我們從研究工作中領(lǐng)悟到的東西。我認(rèn)為，我們研究所在過去二十多年里所取得的最大成果，是展示了基于具體學(xué)科的教育研究的重要價值。從1973年起，我們開始研究學(xué)生對一維運(yùn)動的理解，研究的結(jié)

6、果導(dǎo)致了1980年12月發(fā)表的關(guān)于速度的論文和1981年1月發(fā)表的有關(guān)加速度的論文。它們是同類文章在美國物理雜志上的首次發(fā)表。自那時起，情形開始發(fā)生了重大的變化?，F(xiàn)在，美國國內(nèi)已有若干個專門研究物理教育的集體，積累了大量的研究文獻(xiàn)。今天，我不打算為此做一個綜述報告，我將集中介紹我們?nèi)A盛頓大學(xué)物理教育研究所的工作，那才是我最熟悉的。盡管所涉及的數(shù)據(jù)、解釋和結(jié)論均出自我們的研究工作，但是我將盡量提煉出物理教育研究中那些我認(rèn)為最重要和最具普適性的特征。.引言物理教育研究不同于傳統(tǒng)的教育研究，它所關(guān)注的不是一般意義上的教育理論或方法論，而是學(xué)生對科學(xué)知識的理解。出于知識能力和實(shí)踐方面的原因，基于物理學(xué)

7、科的物理教育研究工作應(yīng)該由理科系的科學(xué)教學(xué)人員來做。有證據(jù)表明，這是一種改進(jìn)學(xué)生（從幼兒一直到研究生）物理學(xué)習(xí)的有效途徑。在這里，我要與大家探討的重點(diǎn)是學(xué)習(xí)普通物理的大學(xué)生、中小學(xué)進(jìn)修教師，對于擔(dān)當(dāng)助教的研究生也有所論及。不過，研究成果對于更高一級的物理課程的教學(xué)同樣也具有指導(dǎo)意義。.教學(xué)既是一種藝術(shù)也是一門科學(xué)許多物理同行認(rèn)為教學(xué)僅僅是一種藝術(shù)。這種傳統(tǒng)觀點(diǎn)，在1933年美國物理教師協(xié)會出版的第一期物理教師雜志的第一篇文章物理就是物理里，很清楚地表達(dá)了出來1。認(rèn)為教學(xué)十分重要的F. K. Richtmyer在他的這篇文章里堅持認(rèn)為教學(xué)只是一種藝術(shù)而不是科學(xué)。他引用了R. A. 密立根關(guān)于科學(xué)

8、是“一個為該領(lǐng)域的所有人士所接納為正確的事實(shí)性知識體系”的說法。Richtmyer教授接著寫道：“沒有一個合理的、由公認(rèn)的事實(shí)構(gòu)成的基礎(chǔ)，任何一個學(xué)科都不能稱之為科學(xué)。如果接受這種科學(xué)的定義（我個人認(rèn)為其非常合理），那么，就必須承認(rèn)我們沒有任何理由把教學(xué)視為一門科學(xué)。”盡管科學(xué)的這一個定義多少有些過分狹隘，我們?nèi)匀灰魬?zhàn)文中暗含的關(guān)于物理（推而廣之，還有其他科學(xué)學(xué)科）教學(xué)不可能建立“一個合理的、由公認(rèn)的事實(shí)構(gòu)成的基礎(chǔ)”的斷言。我們?nèi)A盛頓大學(xué)物理研究所認(rèn)為，對物理的學(xué)與教的研究是一種實(shí)證性應(yīng)用科學(xué)。在研究過程中，我們盡一切可能地堅持實(shí)驗物理學(xué)所信奉的證據(jù)法則。出于這個目的，我們對研究程序和結(jié)果的

9、有關(guān)資料進(jìn)行了說明，使之具備可重復(fù)性。除了研究本身對我們的吸引力，我們還相信物理教育研究是學(xué)生學(xué)好物理的關(guān)鍵。我們對從大學(xué)一年級到研究生層次的學(xué)習(xí)物理的學(xué)生在重要的概念和原理上的理解進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)查研究。我們運(yùn)用這些研究結(jié)果來指導(dǎo)教材開發(fā)并在學(xué)生已有的基礎(chǔ)上評估它的有效性。參與我們工作的研究生通過此類研究而獲得了他們的物理博士學(xué)位。與其他科學(xué)家一樣，我們也在各種專業(yè)會議和專業(yè)雜志上發(fā)表了我們的研究結(jié)果。我們的研究結(jié)果支持教學(xué)可以成為一門科學(xué)的觀點(diǎn)。不管是在進(jìn)行正常的課堂學(xué)習(xí)、閱讀和實(shí)驗操作之前還是之后，由不同教師任教的學(xué)習(xí)同等課程的學(xué)生處理相同問題時的方式都驚人地相似。在學(xué)習(xí)各個知識點(diǎn)時，我們

10、發(fā)現(xiàn)學(xué)生都會遭遇到某些特定的概念上和推理上的困難。隨著教育研究、課程改進(jìn)以及教學(xué)改革的不斷發(fā)展，我們可以找出這些困難，對之進(jìn)行分析并找到有效的解決策略。盡管各個學(xué)生都有各自的最佳學(xué)習(xí)方式，但是學(xué)習(xí)并不象人們通常認(rèn)為的那樣完全因人而異、沒有可以把握的共性。學(xué)習(xí)不同課程、師從不同教師甚至是生活在不同制度下的學(xué)生，在學(xué)習(xí)中所遇到的困難及其有效的解決策略通常都具有共性。當(dāng)研究結(jié)果可以在不同的情境中得到驗證時事實(shí)上這是經(jīng)常發(fā)生的情形，它們便構(gòu)建起了“一個合理的、由公認(rèn)的事實(shí)構(gòu)成的基礎(chǔ)”。迄今為止，迅猛發(fā)展的物理教育研究已經(jīng)為物理教學(xué)的改進(jìn)提供了一個厚實(shí)的資源基礎(chǔ)2。公開交流研究成果、促進(jìn)新知識的傳播和發(fā)

11、展是科學(xué)的特征之一。就此而言，我們?nèi)w物理教育研究者都非常樂于相互交流、合作、共同提高，教學(xué)也可以成為一門科學(xué)。A. 衡量教學(xué)效果的標(biāo)準(zhǔn)對教學(xué)效果的評估標(biāo)準(zhǔn)的選取可以反映出一個人的教學(xué)觀。當(dāng)教學(xué)被視為一種藝術(shù)時，教師的個人品質(zhì)和風(fēng)格就會對評價結(jié)果產(chǎn)生巨大的影響，評估標(biāo)準(zhǔn)將不可避免地帶上濃厚的主觀色彩。教師往往是根據(jù)他們對學(xué)生的知識掌握程度和滿意程度的印象來判斷新課程或教學(xué)改革的成敗。富有感染力的教師可以鼓舞學(xué)生，激發(fā)起他們的學(xué)習(xí)興趣。然而，這種效果往往只能局限在這個教師本人的課堂之中，很難遷移到其他課堂。學(xué)生對一門課程或教師的評價通常被接納為教學(xué)效果評估的一個組成部分，這與教學(xué)是一種藝術(shù)的觀點(diǎn)

12、是相一致的?？墒窃趯Ρ葴y試中，我們發(fā)現(xiàn)有不少學(xué)生評價低的教師的學(xué)生表現(xiàn)優(yōu)于評價高的教師的學(xué)生的情況。此外，學(xué)生對自己的學(xué)習(xí)成就的評估也常常與實(shí)際有很大出入。我們發(fā)現(xiàn)，假如以學(xué)生的學(xué)習(xí)（區(qū)別于熱情）作為評估標(biāo)準(zhǔn)，有效的教學(xué)與教師的感染力、學(xué)生對課程和教師的評價或?qū)W生對學(xué)習(xí)的自我評價的關(guān)聯(lián)并非如人們所想象的那樣緊密。基于教學(xué)是一門科學(xué)的觀點(diǎn)，我們研究小組認(rèn)為教學(xué)效果的基本評估標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是對學(xué)生學(xué)習(xí)的評估。B. 以作為學(xué)習(xí)者的學(xué)生為研究重心我們研究的重心是作為學(xué)習(xí)者的學(xué)生而不是教師。我們研究了各種類型的學(xué)生，其中包括大學(xué)普通物理、初級物理、理論物理和研究生物理、工程物理以及中小學(xué)物理或科學(xué)教師進(jìn)修課程

13、的學(xué)習(xí)者。我們對學(xué)習(xí)者在教學(xué)進(jìn)程中的知識掌握情況及其智力狀態(tài)進(jìn)行了探測。我們主要使用兩種研究方法：幫助深入探測學(xué)生思維的個別面試以及可提供統(tǒng)計數(shù)據(jù)的大范圍筆試。此外，我們還通過一些非正式的途徑來獲取這類信息，例如與學(xué)生的對話、詳細(xì)研究他們的作業(yè)和文字報告以及在課堂上觀察學(xué)生與同伴及教師的互動情況等等。研究結(jié)果用于指導(dǎo)課程的改進(jìn)。評估是研究過程的一個重要組成部分，通常都包括對學(xué)生在進(jìn)行某個教學(xué)活動之前和之后的測試表現(xiàn)進(jìn)行比較分析。III. 特別物理課程教學(xué)實(shí)踐和研究的啟示華盛頓大學(xué)物理教育研究所有兩個主要的課程開發(fā)項目：探究物理（Wiley，1996）和普通物理輔導(dǎo)（Prentice Hall，

14、1998）3。它們都是我們進(jìn)行特別物理課程教學(xué)實(shí)踐和研究的結(jié)晶。在過去超過25年的時間里，我們在各個學(xué)年以及由國家科學(xué)基金會資助的暑期進(jìn)修班里為職前和在職的教師設(shè)置了特別的物理課程，目的是幫助他們掌握運(yùn)用科學(xué)探究進(jìn)行物理以及物質(zhì)科學(xué)教學(xué)的方法。另外，我們還為那些想在將來從事與科學(xué)有關(guān)的職業(yè)、但是缺乏進(jìn)一步學(xué)習(xí)所必須掌握的物理知識基礎(chǔ)的學(xué)生進(jìn)行了班級較小的培訓(xùn)。這些特別課程的開設(shè)為我們提供了與學(xué)生緊密接觸的機(jī)會，使我們可以觀察到學(xué)生在試圖理解那些重要的概念和原理時所經(jīng)歷的智力上的“斗爭”。我們發(fā)現(xiàn)，不管先前的基礎(chǔ)是好是壞，學(xué)生在學(xué)習(xí)物理時常常會遇到相同的困難?；A(chǔ)差的學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)通常也不佳，這

15、反而便于我們?nèi)プR別和探測這些共同困難的特性。日復(fù)一日的課堂互動，使我們得以詳細(xì)探究這些特定困難的特性、試驗不同的教學(xué)策略并監(jiān)控它們對學(xué)生學(xué)習(xí)的影響。A. 對學(xué)生理解的研究：一個電路學(xué)習(xí)的例子下面，讓我為大家對作為我們研究組的課程建設(shè)理論基礎(chǔ)的研究做些簡要的介紹。其中的一個研究課題是學(xué)生對電路的理解。這個研究持續(xù)了許多年，我們調(diào)查了從普通物理學(xué)習(xí)者一直到研究生的各個層次的學(xué)生4。研究的結(jié)果已為大家所熟知，在此僅做一概要的敘述。圖1在圖1（a）所示的問題里，學(xué)生要比較分別連在三個電路里的、相同燈泡的亮度并按大小排出順序。這個問題在不同的課堂中運(yùn)用了許多年。有時作為前測，有時是作為后測。對于通常的教

16、學(xué)而言，它們的結(jié)果沒有什么差別，因此在表1中未予區(qū)分。由表可見，在一千多名學(xué)習(xí)普通物理的學(xué)生中只有15%的學(xué)生給出了正確的答案（ADEBC）。對高中物理教師以及大學(xué)中非物理專業(yè)的科學(xué)和數(shù)學(xué)教師的測試結(jié)果與此相同。擔(dān)任助教的研究生的正確率僅有70%。對此結(jié)果的分析揭示出了兩個非常普遍的錯誤觀念：“電池是個提供穩(wěn)恒電流的裝置”和“電流在電路中被消耗盡了”。對于所有的被試來說，困難的深層原因似乎是他們?nèi)狈τ嘘P(guān)電路的概念性模型。表1大學(xué)生人數(shù)1000中學(xué)物理教師人數(shù)200非物理專業(yè)的大學(xué)科學(xué)和數(shù)學(xué)教師人數(shù)100研究生助教人數(shù)55答對率15%15%15%70%B. 引導(dǎo)探究的基本教學(xué)過程上述的特別課程為

17、探究物理一書提供了編寫的素材。探究物理是一種獨(dú)立成套的、以實(shí)驗為基礎(chǔ)的課程，目的是要幫助學(xué)生建立起各個重要的物理知識點(diǎn)的內(nèi)在一致的概念框架。探究物理不同于一般的教材，它并不羅列出各個知識點(diǎn)的詳細(xì)內(nèi)容，也不給出權(quán)威的解釋。它的教學(xué)單元由精心組織的實(shí)驗、訓(xùn)練和問題構(gòu)成，旨在讓學(xué)生積極地建構(gòu)起自己的重要概念并應(yīng)用于各種實(shí)際情境之中。這種教學(xué)方法可稱之為引導(dǎo)探究。盡管編寫探究物理的初衷是為中小學(xué)教師提供進(jìn)修教材，但實(shí)踐業(yè)已證明，它還可以為基礎(chǔ)較差或非科學(xué)專業(yè)的學(xué)生學(xué)好物理打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。上述的電路單元是一個展示研究成果如何融入探究物理的例子。在該單元的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生被引導(dǎo)去構(gòu)建出一個簡單電路的定性模

18、型，同時還著重解決了由物理教育研究所探明的學(xué)習(xí)難點(diǎn)。C. 對學(xué)生學(xué)習(xí)的評估對于各個層次的中小學(xué)教師，簡單電路的教學(xué)策略都取得了成功。圖1（b）是一道在教學(xué)后使用的測試題（后測題），要求學(xué)生排列出同樣燈泡的亮度大小次序(EABCD)。小學(xué)和初中教師的數(shù)學(xué)素養(yǎng)通常低于基于微積分的普通物理課程的學(xué)習(xí)者，然而，他們在這道以及其他更為復(fù)雜的電路（連有電阻）的后測題中的表現(xiàn)，普遍優(yōu)于那些沒有參與本課程學(xué)習(xí)的物理或工程專業(yè)的大部分學(xué)生。D. 評論我們認(rèn)為，探究物理得以成功的主要原因，在于學(xué)生必須逐步地進(jìn)行必要的推理、克服概念上的障礙并建立起連貫一致的概念框架。此外, 還有其他一些我們認(rèn)為也是相當(dāng)重要的特點(diǎn)。

19、合作和互助是學(xué)習(xí)探究物理的有機(jī)組成部分。學(xué)生分成小組，以問題和練習(xí)為線索進(jìn)行開放式的探究，做簡單的實(shí)驗，討論他們的發(fā)現(xiàn)，比較他們的解釋，共同建構(gòu)能幫助他們解釋所觀察到的實(shí)驗現(xiàn)象并做出預(yù)測的定性模型。重點(diǎn)放在以口頭與文字提出解釋時的推理過程。教師并不做直接講授，只是提出一些促使學(xué)生鉆研、思索教學(xué)材料的問題。對于大多數(shù)的疑問，最合適的回應(yīng)不是直接給出答案，而是提出能夠幫助學(xué)生找到自己的答案的另一個問題。. 常規(guī)普通物理課程教學(xué)實(shí)踐與研究的啟示簡單電路問題僅僅是我們檢測學(xué)生理解的眾多研究課題中的一個。我們的研究涉及眾多的課程和好幾個教學(xué)層次，尤其關(guān)注于普通物理。A. 改進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的需要普通物理課程的

20、任課教師非常努力地備課，做盡可能明晰的講解、示范并闡明問題解決的程序，他們希望學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)如何解決典型物理問題的過程中形成重要的物理概念而且能把這些概念整合到連貫一致的概念框架中去，同時發(fā)展在簡單情境中應(yīng)用這些概念所必須的推理能力。此外，還期待著學(xué)生學(xué)會在物理理論與真實(shí)世界的事物間建立起緊密的聯(lián)系。然而，大量的研究事實(shí)表明，學(xué)生很難達(dá)到這些就他們的能力而言本來可以達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)。很少學(xué)生能夠?qū)λ麄儗W(xué)習(xí)過的內(nèi)容形成實(shí)質(zhì)性的理解。課程目標(biāo)與學(xué)生學(xué)習(xí)所得之間的差距反映出了存在于教師與學(xué)生之間的距離。在普通物理的實(shí)際教學(xué)過程中，許多教師是從他們自己當(dāng)前所處的或是他們認(rèn)為自己當(dāng)年作為學(xué)生時所處的角度出

21、發(fā)思考教學(xué)。他們習(xí)慣于把學(xué)生看成是自己的年輕“翻版”。這種學(xué)生觀不利于一般的普通物理教學(xué)，因為只有不到5%的學(xué)生將繼續(xù)學(xué)習(xí)物理，而對于其他的大部分學(xué)生來說，這已是他們學(xué)習(xí)物理的最終課程了。對物理學(xué)的實(shí)質(zhì)性理解，意味著在與學(xué)習(xí)情境不同的各種情形中解釋、運(yùn)用物理知識的能力（隨受教育層次的提高而增強(qiáng)）。物理專業(yè)學(xué)生最終可能會具備這種能力，而大多數(shù)的其他學(xué)生則無法達(dá)到這個要求。盡管教師希望他們能幫助學(xué)生發(fā)展科學(xué)的推理技能，一般的普通物理課程中的問題解決模式卻并不利于達(dá)到這個目標(biāo)，它們所能產(chǎn)生的結(jié)果往往是加強(qiáng)了在人們心目中普遍存在的誤解：那就是把物理當(dāng)作是一堆事實(shí)與公式，認(rèn)為解決物理問題就是去尋找合適的

22、公式。然而，即使是那些準(zhǔn)確記住了的公式，在課程結(jié)束以后也很有可能會被遺忘掉。對重要物理概念的理解與運(yùn)用這些概念時所必需的邏輯推理能力具有更重要的價值。B. 編寫普通物理輔導(dǎo)的動機(jī)探究物理課程在進(jìn)修教師和其他一些學(xué)生當(dāng)中的成功，促使我們產(chǎn)生了建構(gòu)一門改進(jìn)普通物理教學(xué)的課程以加強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)知體驗的想法?？墒?，如何保證讓學(xué)生全身心地投入基于微積分或代數(shù)的物理課程的學(xué)習(xí)是一個更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。人數(shù)眾多的班級和內(nèi)容繁多的覆蓋面使我們無法原樣照搬探究物理的編寫模式。我們?yōu)閼?yīng)對這一挑戰(zhàn)所進(jìn)行的研究的大部分成果，不僅在華盛頓大學(xué)而且在其他的教學(xué)情境的應(yīng)用中都取得了令人滿意的效果。普通物理輔導(dǎo)就是我們的回應(yīng)。普通物

23、理輔導(dǎo)的編寫目的，是要為一般的基于微積分或代數(shù)的物理課程的講授和教材做一些重要的補(bǔ)充。盡管普通物理輔導(dǎo)的編寫目的之一是要滿足大班級的需要，它最重要的特色卻是其在各種各樣教學(xué)情境中的普適性。我們現(xiàn)在關(guān)注的是普通物理教學(xué)，但是我們以及其他一些同行都發(fā)現(xiàn)它所應(yīng)用的策略在更為高級的課程中同樣有效。. 從對學(xué)與教的研究中得出的一些結(jié)論我們通過研究、課程開發(fā)以及教學(xué)實(shí)踐得出了對學(xué)與教的一些認(rèn)識。它們是得到了證實(shí)的經(jīng)驗性歸納，也是我們研究結(jié)果的推論5 。早年的研究和探究物理的編寫是這些認(rèn)識的最初基礎(chǔ)。在后來進(jìn)行的對探究物理和普通物理輔導(dǎo)這兩門課程的開發(fā)與教學(xué)的實(shí)踐證實(shí)了這些認(rèn)識的正確性，而且進(jìn)一步豐富了這些

24、認(rèn)識，從而加強(qiáng)了它們的適用性。它們是我們研究所開發(fā)課程的實(shí)際模型。下面我們介紹其中被實(shí)踐證實(shí)是特別具有實(shí)際價值的幾點(diǎn)認(rèn)識。選作說明的例子出自我們對學(xué)生學(xué)習(xí)物理光學(xué)時的理解的研究6，這項長期研究的對象包括普通物理與更高一級物理課程的學(xué)習(xí)者以及物理專業(yè)的研究生。A. 來自研究的關(guān)于學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)識以下所舉的例子可以作為對學(xué)生學(xué)習(xí)的一些歸納性認(rèn)識的根據(jù)，其他的認(rèn)識則為我們更為廣泛的研究所支持。1.能熟練解答標(biāo)準(zhǔn)的定量計算題并不一定意味著真正的理解，需要定性推理和文字解釋的問題對于評估學(xué)生學(xué)習(xí)來說是必不可少的。盡管有經(jīng)驗的教師知道在自己所教和學(xué)生所學(xué)之間存在差距，但是大都不知道這差距到底有多大。評估學(xué)生

25、的理解水平的傳統(tǒng)方法是考察他們在處理定量計算題時的表現(xiàn)。如果班上有相當(dāng)大的一部分學(xué)生的得分是A或B，教師可能就會認(rèn)為學(xué)生已經(jīng)達(dá)到了教學(xué)內(nèi)容所要求的理解。然而，學(xué)生常常是靠死記硬背的公式來獲取定量計算答案的。教師評卷時過分慷慨地給予學(xué)生一些局部“正確”的細(xì)分，也會掩蓋住學(xué)生缺乏理解的真實(shí)情況。（a）光遮光板光屏（b）圖2定性問題的重要性為我們所有的研究所證明。作為說明，我們來看幾個物理光學(xué)的例子。我們研究的部分目的，是試圖確定學(xué)習(xí)一般的物理光學(xué)課程的學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的真實(shí)掌握情況。下面的兩個問題所揭示出的信息本質(zhì)上是相同的。a.單縫衍射的定量計算問題我們曾用圖2（a）所示的問題考察過大約130個學(xué)

26、生。光線射向?qū)挾萢 = q.的狹縫，要求判斷屏幕上是否有暗條紋，如果有，要計算出第一個暗條紋對狹縫的張角。由于縫寬大于波長，將出現(xiàn)暗條紋。利用公式a sin q=可以求出張角q= arcsin (0.25) 14°。大約有85%的學(xué)生認(rèn)為將會出現(xiàn)暗條紋，大概70%計算出了正確的角度（參看表2第1列）。b.單縫衍射的定性問題圖2（b）給出了有幾個暗條紋的單縫衍射圖案。它是由波長為l的激光照射到一個有豎直狹縫的遮光板后在屏幕上形成的。要求學(xué)生判斷狹縫寬度a是大于還是小于或是等于波長l，并說明理由（給出衍射角公式，供學(xué)生參考）。由于在屏幕上出現(xiàn)暗條紋，可知衍射角小于90°，依據(jù)公

27、式a sin q =，因為sin q < 1，故a > l。在進(jìn)行了常規(guī)的單縫衍射教學(xué)后，我們讓大約510個學(xué)生，其中包括那130名參加了定量計算題測試的學(xué)生，來回答這個問題。結(jié)果讓人遺憾，判斷正確的學(xué)生大概是45%，只有10%的學(xué)生給出了正確的解釋（參見表2第2列）。在為研究生助教舉辦的（95人）教學(xué)研討班上，我們也用此題做了調(diào)查，結(jié)果只有大約半數(shù)的研究生給出了推理正確的回答（見表2第3列）。表2大學(xué)生研究生助教定量計算題人數(shù)130定性題人數(shù)510定性題人數(shù)9570%判斷正確且算出正確角度10%判斷正確且解釋正確55%判斷正確且解釋正確c.定性題與定量題的調(diào)查結(jié)果比較普通物理學(xué)習(xí)

28、者處理這兩類題目時在方法上的差異，為我們提供了他們解決問題的實(shí)際能力的有關(guān)信息。如表2所示，定性題的答對率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于定量題。先前做過定量計算題的那130名學(xué)生，表現(xiàn)與那些沒有此類經(jīng)驗的學(xué)生無異。很明顯，定量題的解答能力并不是概念性理解程度的可靠指標(biāo)。2.傳統(tǒng)教學(xué)沒能明顯地提高學(xué)生將所學(xué)理論與現(xiàn)實(shí)世界聯(lián)系起來的能力。在物理學(xué)中，運(yùn)用和理解形式表達(dá)（方程式、圖表和曲線）的能力非常重要。定性題的測試表明，許多學(xué)生并不能把他們所記憶（或得到）的有關(guān)衍射暗條紋位置的公式與衍射圖案建立起聯(lián)系。下文的兩個例子可進(jìn)一步說明這個問題。3.傳統(tǒng)教學(xué)沒能使學(xué)生克服某些概念性困難（高一級課程的學(xué)習(xí)也不一定能加深對基本概

29、念的理解）。研究表明，教學(xué)進(jìn)行之后，在學(xué)生中依然會存在某些概念性困難。以下的兩個例子顯示，學(xué)生常常為光的不同模型以及把光理解為射線、波或粒子的不同情境而陷入困惑。所有受測試的學(xué)生至少都學(xué)習(xí)過關(guān)于光的直線傳播與波動模型，但是在解釋這些現(xiàn)象時都遇到極大的困難。a.雙縫干涉的定性問題（a）（b）圖3給學(xué)生一張有雙縫干涉圖樣的中間部分的照片，圖中各條明條紋有著相似的亮度（見圖3（a）。要求他們畫出在遮住左狹縫時將在屏幕上出現(xiàn)的情形。只有在認(rèn)識到暗條紋的產(chǎn)生是來自兩道狹縫的光相互削弱的結(jié)果、每個狹縫都可以看為一個線形光源時，學(xué)生才可能正確解答這個問題。在左狹縫被遮蔽的情況下，暗條紋將消失，屏幕將是（接近

30、均勻的）一片明亮。我們在幾次常規(guī)的基于微積分的課程講授中對學(xué)生進(jìn)行了前測與后測（600人），結(jié)果幾乎一樣。最佳的時候，有40%的學(xué)生得到正確答案。總體而言，大約有45%的學(xué)生是從幾何光學(xué)的角度來解決這個問題。許多學(xué)生聲稱，干涉圖樣將不會改變，只是暗一些而已。其他學(xué)生則預(yù)測會消失一半干涉圖樣或者是每隔一個消失一個亮條紋（見圖3（b）。b.單縫衍射的個別面試除書面測試之外，我們還對學(xué)生進(jìn)行了個別面試。在參與面試的46個學(xué)生中有16人是普通物理學(xué)習(xí)者，另外30人是大學(xué)二年級的理論物理學(xué)習(xí)者。他們都是志愿參加者，他們的成績處于或高于同年級的平均水平。面試時，我們出示一個小燈泡，一個屏幕以及一個有矩形小

31、縫隙的遮光板，要求學(xué)生預(yù)測當(dāng)縫隙縮小成狹縫時在屏幕上出現(xiàn)的現(xiàn)象。最初，屏幕上將出現(xiàn)縫隙的幾何形狀，最后出現(xiàn)的將是衍射條紋。在回答這一個和別的問題時，這兩類學(xué)生往往都會應(yīng)用一些既有幾何光學(xué)又有物理光學(xué)內(nèi)容的混合模型。例如，有些學(xué)生認(rèn)為干涉圖樣的中間亮條紋是狹縫的幾何形狀，周圍的條紋則是光線在狹縫邊緣發(fā)生了彎曲的結(jié)果。他們共同存在的另一個問題是他們都有為波長或振幅賦予空間尺度的傾向。許多學(xué)生認(rèn)為干涉是光波是否與狹縫相“吻合”的結(jié)果。一些普通物理學(xué)習(xí)者認(rèn)為只有光波的振幅小于狹縫的寬度光才能通過狹縫，否則不能通過（見圖4（a）與（b）。一些理論物理學(xué)習(xí)者也有相似的觀點(diǎn)，只不過是把光波看成是由光量子組成

32、的正弦曲線而已（見圖5）。他們畫出的圖表，同樣表明了他們認(rèn)為光波的振幅大于狹縫寬度時光子無法通過狹縫的觀點(diǎn)。在物理光學(xué)以及其他的物理領(lǐng)域，我們都發(fā)現(xiàn)，高一級課程的學(xué)習(xí)并不一定能加深學(xué)生對基本概念的理解。除非在講授普通物理課程時著重強(qiáng)調(diào)并加以解決，否則，問題將很可能繼續(xù)存在。4.傳統(tǒng)教學(xué)通常無法為學(xué)生建立起連貫一致的概念性框架。在學(xué)完普通物理課程之后，有許多學(xué)生仍然不能為那些重要的基本物理知識點(diǎn)建立起連貫一致的概念性框架。上文所提及的對學(xué)生如何理解電路的研究就證明了這一點(diǎn)。物理光學(xué)的例子也提供了很好的佐證。對物理光學(xué)問題的筆試和面試結(jié)果的分析，揭示了在學(xué)生當(dāng)中存在著的一些概念上的困難。其中包括：

33、(1) 應(yīng)用既有幾何光學(xué)又有物理光學(xué)內(nèi)容的混合模型，(2) 有為光波的波長或振幅賦予空間尺度以判斷光波是否能夠“通過”狹縫的傾向，(3)缺乏干涉圖樣是光通過兩個或兩個以上的狹縫之后疊加產(chǎn)生的結(jié)果的認(rèn)識。學(xué)生所遇到的這些以及別的一些困難的根源，是他們沒能把衍射、干涉現(xiàn)象與光程差（或位相差）聯(lián)系起來。他們沒有建立起可以用來解釋光在遠(yuǎn)場發(fā)生衍射和干涉現(xiàn)象的基本波動模型。建立光的波動模型可能應(yīng)該是理解物質(zhì)的波動性的先決條件。因此，溝通理論物理和普通物理的改革理論物理知識向普通物理課程的滲透，有其明確的意義。研究結(jié)果顯示，高一級的物理課程的學(xué)習(xí)困難源自低一級的課程。5.傳統(tǒng)教學(xué)往往無助于提高學(xué)生的邏輯推

34、理能力。學(xué)生之所以存在某些概念上的困難，缺乏應(yīng)用這些概念所必須的定性推理能力是一個重要原因。學(xué)生往往認(rèn)識不到邏輯推理的關(guān)鍵性作用，不理解合乎物理學(xué)要求的解釋應(yīng)該由什么構(gòu)成。我們的研究提供了許多例證。例如，對于剛才討論的單縫衍射定量計算題，很多學(xué)生利用單縫衍射角公式確定出了第一級暗條紋的位置；但是在處理定性問題時，他們中的許多人卻不能根據(jù)照片上出現(xiàn)衍射暗條紋的事實(shí)，通過必要的推理得出縫寬必須大于波長的結(jié)論。6.對于大多數(shù)學(xué)生而言，講授法是一種低效的教學(xué)方法。這是基于我們對學(xué)生在學(xué)習(xí)力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、電磁波、幾何與現(xiàn)代光學(xué)、流體靜力學(xué)以及熱力學(xué)等各個物理學(xué)分支領(lǐng)域時的理解所做的研究得出的結(jié)論。在所

35、有的這些物理學(xué)分支領(lǐng)域中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對某些類型的定性問題的處理方式不管是在傳統(tǒng)的教學(xué)之前還是之后、所使用的數(shù)學(xué)工具是微積分還是代數(shù)、有沒有示范和實(shí)驗操作、班級規(guī)模是大是小，也不管講授者是否有名望，其實(shí)質(zhì)都是一樣的。B.來自研究的關(guān)于教學(xué)的認(rèn)識對于教學(xué)來說，關(guān)于學(xué)生學(xué)習(xí)的研究認(rèn)識的重要意義是不言而喻的。我們在課程的開發(fā)及其有效性的實(shí)驗的實(shí)踐里也總結(jié)出了一系列與之對應(yīng)的基于研究的教學(xué)原則。下面，在每一點(diǎn)教學(xué)原則（粗斜體字）之前我們再次重復(fù)相應(yīng)的學(xué)習(xí)認(rèn)識。1.能熟練解答標(biāo)準(zhǔn)的定量計算題并不是實(shí)質(zhì)性理解的充足證據(jù)。需要定性推理和文字解釋的問題是用來評估學(xué)生學(xué)習(xí)的有力工具，也是幫助學(xué)生學(xué)習(xí)的有效策略。

36、如前所述，傳統(tǒng)的教學(xué)方法似乎不足以幫助大多數(shù)學(xué)生發(fā)展對物理基本知識的實(shí)質(zhì)性理解。聽課、閱讀教材、解定量計算題、觀察演示實(shí)驗以及動手做實(shí)驗等一系列教學(xué)活動對于學(xué)生學(xué)習(xí)的改進(jìn)常常是驚人地低效。我們發(fā)現(xiàn)，向?qū)W生提出不能僅靠記憶就能解決的定性問題、幫助他們學(xué)會如何處理此類題目并堅持在他們進(jìn)行必要的邏輯推理之前不公布正確答案，是一種有效的教學(xué)方法。2. 傳統(tǒng)教學(xué)沒能明顯地提高學(xué)生將所學(xué)理論與現(xiàn)實(shí)世界聯(lián)系起來的能力。必須讓學(xué)生從不同角度反復(fù)解釋物理理論，并與真實(shí)的世界建立起聯(lián)系。許多教師都知道要幫助學(xué)生把不同的物理概念和表達(dá)式相互聯(lián)系起來，而且還要建立起這些理論知識與各種物理現(xiàn)象的聯(lián)系。然而，僅僅依靠舉例

37、和詳盡的解釋，通常很難取得理想的效果。在教師看來是很明顯的相似點(diǎn)常常并不能獲得學(xué)生的認(rèn)同。例如，在構(gòu)建關(guān)于物理光學(xué)的課程時，我們發(fā)現(xiàn)許多學(xué)生需要得到教師詳細(xì)清楚的指導(dǎo)才能把他們關(guān)于水波干涉的體驗遷移到光的雙縫干涉現(xiàn)象來。3. 教學(xué)沒能使學(xué)生克服某些概念性困難（高一級課程的學(xué)習(xí)也不一定能加深對基本概念的理解）。持久存在的概念性困難需要在多種情境中明確提及并予以澄清。學(xué)生在學(xué)習(xí)時所遇到的某些困難通過一般的教學(xué)或隨著課程學(xué)習(xí)的深入可以逐漸得到解決。其他的則可能會持久存在。有些困難如果不能克服，將會阻礙甚至排斥實(shí)質(zhì)性理解的形成。例如，堅持光波的振幅具有空間尺度或光波是一種光子的載體（見圖4與圖5）的人

38、就很難為光建立起正確的波動模型。圖4圖5我們的實(shí)踐表明，靠警告來防止學(xué)生犯錯誤的方法很難奏效。對于大多數(shù)學(xué)生而言，教師的論斷不會產(chǎn)生多大的影響?；乇芸赡苷T使學(xué)生犯錯的情境或是為學(xué)生提供不需要動腦的解題模式，只會隱藏住遲早有一天會浮現(xiàn)出來的潛在困難。假如涉及到的是有缺陷的推理方式，僅僅更正表面的錯誤沒有什么意義。如果不能激發(fā)學(xué)生投入積極的思考，不可能產(chǎn)生重大的概念性轉(zhuǎn)化。我們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常能激發(fā)學(xué)生投入積極思考的有效策略可以概括為：引出、正視和解決。第一步，是要設(shè)置一個能夠暴露出學(xué)生的常犯錯誤的情境。在幫助學(xué)生最終認(rèn)識到其中的內(nèi)在矛盾之后，再要求他們運(yùn)用必要的邏輯推理來加以解決。對于那些影響重大的困

39、難，僅僅一次并不能成功地解決問題，教師很有必要為學(xué)生提供更多應(yīng)用、反思以及總結(jié)的機(jī)會。必須指出的是，對“錯誤概念”與“錯誤概念研究”這樣的術(shù)語的過多濫用會掩蓋學(xué)生在思維層面上的困難。僅僅是識別和矯正那些錯誤概念并不足以解決這些困難。思維問題比錯誤概念更為根本，錯誤概念通常只是深層的思維混亂的表面癥狀而已。4. 傳統(tǒng)教學(xué)通常無法為學(xué)生建立起連貫一致的概念性框架。學(xué)生需要參與定性模型的構(gòu)建并應(yīng)用這些模型對發(fā)生在現(xiàn)實(shí)世界里的現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測和解釋。物理課程的主要教學(xué)目標(biāo)之一，是幫助學(xué)生形成正確的物理概念，并理解在概念之間以及概念與真實(shí)世界之間的相互聯(lián)系。幫助學(xué)生形成合理的概念性理解并非一件簡單的通過給概

40、念下定義、呈現(xiàn)模型和應(yīng)用示范就可以實(shí)現(xiàn)的事情。學(xué)生往往不能識別出概念中的關(guān)鍵要素或認(rèn)識不到存在于他們觀念中的矛盾。螺旋式推進(jìn)的教學(xué)策略可以讓學(xué)生不斷地提煉他們的概念模型，但卻不一定能達(dá)到最后的一致。必須著重解決那些可能嚴(yán)重阻礙學(xué)生建立起連貫一致的概念模型的概念性困難。我們發(fā)現(xiàn)，幫助學(xué)生理解概念之間的聯(lián)系與差異的一個有效策略是讓他們親身參與概念模型的構(gòu)建過程。正如在前面對電路例子進(jìn)行討論時所指出的，這種策略還可以為學(xué)生提供直接體驗科學(xué)探究本質(zhì)的經(jīng)歷。5. 傳統(tǒng)教學(xué)往往無助于提高學(xué)生的邏輯推理能力。培養(yǎng)科學(xué)的思維技能需要進(jìn)行專門的訓(xùn)練。物理概念模型常常與特定的推理模式緊密相連。因此，在教學(xué)中要把二

41、者同時結(jié)合起來處理。上文提及的探究物理里的電路單元和普通物理輔導(dǎo)中現(xiàn)代光學(xué)的內(nèi)容都是很好的例子。在這兩個例子里，學(xué)生都必須進(jìn)行必要的推理才得以形成相應(yīng)的物理概念。6. 對于大多數(shù)學(xué)生而言，講授法是一種低效的教學(xué)方法。要獲得實(shí)質(zhì)性的理解，必須激發(fā)學(xué)生進(jìn)行積極的思考。所有關(guān)于學(xué)與教的研究都支持這一點(diǎn)。但是教師常常不能充分地認(rèn)識到它的重要性。充滿意義的學(xué)習(xí)需要學(xué)習(xí)者積極的智力投入。教師的職責(zé)非常重要，他或她是學(xué)生學(xué)習(xí)的驅(qū)動者，是學(xué)生學(xué)習(xí)的引路者?？墒?，誰也無法代替學(xué)生自己的思維，學(xué)生必須進(jìn)行獨(dú)立的思考。有些學(xué)生不愿動腦，有的則不懂應(yīng)該如何思考。大多數(shù)的學(xué)生是在被動地學(xué)習(xí)物理。教師似乎是本能地持有這樣

42、一種觀點(diǎn)，那就是如果他們給出的解釋足夠明晰、足夠充分，學(xué)生就一定可以理解、可以掌握。出于這樣的考慮，教師常常傾盡全力去完善他們的解釋。然而，我們的研究表明，這樣的努力并不能幫助學(xué)生取得重大的進(jìn)步。學(xué)生在學(xué)習(xí)上取得進(jìn)步的主要原因似乎是因為他們愿意并能夠投入積極的思考。探究物理與普通物理輔導(dǎo)的設(shè)計目的就是要激發(fā)學(xué)生積極地投入思考，促使富有意義的學(xué)習(xí)活動的出現(xiàn)。.研究成果在課程開發(fā)上的應(yīng)用我們研究組開發(fā)的所有教學(xué)材料都是下列三個環(huán)節(jié)反復(fù)循環(huán)的結(jié)果。這三個環(huán)節(jié)是：對學(xué)生理解的研究，應(yīng)用研究結(jié)果指導(dǎo)課程的開發(fā)，對學(xué)生學(xué)習(xí)的評估。研究與探究物理和普通物理輔導(dǎo)的課程開發(fā)是相互加強(qiáng)、互相促進(jìn)的。某一門課程所引

43、發(fā)的研究會在另一門課程中得到體現(xiàn)。類似地，在一門課程中效果良好的教學(xué)策略常常經(jīng)過某些調(diào)整后也能夠很好地運(yùn)用于另一門課程。為擴(kuò)大課程的應(yīng)用面，所有的教學(xué)材料都在別的地方試驗過。這些地方的教學(xué)環(huán)境有的與我們?nèi)A盛頓大學(xué)相似，有的則不同。這些課程教學(xué)試驗的實(shí)踐表明，課程的成功實(shí)施必須滿足某些必要條件。在這里，我們僅討論其中與學(xué)生學(xué)習(xí)直接相關(guān)的智力方面的問題。A.關(guān)于普通物理輔導(dǎo)普通物理輔導(dǎo)由設(shè)計成通常與普通物理教材配套使用的小單元組成。選擇“輔導(dǎo)”一詞的用意是想與綜述、討論、測驗或解題指導(dǎo)等更為傳統(tǒng)的教學(xué)環(huán)節(jié)區(qū)分開來。那些教學(xué)環(huán)節(jié)的一般程序是由教師或輔教人員先做解題示范，然后讓學(xué)生做練習(xí)或回答學(xué)生的提

44、問（通常做小型的講解）。輔導(dǎo)在目的與結(jié)構(gòu)上都與此有很大的差別。它們?nèi)诤狭艘恍┪覀冋J(rèn)為是探究物理得以成功的關(guān)鍵要素。輔導(dǎo)為我們對普通物理及更高深的課程進(jìn)行著的研究和課程開發(fā)提供了一個基礎(chǔ)。它對“重要的知識內(nèi)容通過教材與講授的標(biāo)準(zhǔn)呈示是否足以幫助學(xué)生形成實(shí)質(zhì)性理解？如果不行，又應(yīng)該如何加以改進(jìn)呢？”的問題做出了回應(yīng)。輔導(dǎo)強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)是概念的構(gòu)建、推理技能的培養(yǎng)以及物理理論與現(xiàn)實(shí)世界的聯(lián)系，并不是信息的傳遞和標(biāo)準(zhǔn)問題的解答。輔導(dǎo)的使用可以為學(xué)生提供一種通過有引導(dǎo)的探究進(jìn)行學(xué)習(xí)的體驗。與 探究物理相比，它可能不夠詳細(xì)、不夠全面，但是更適合于在人數(shù)較多的大班級中使用。它主要針對那些對于形成重要理論的實(shí)質(zhì)性

45、理解來說非常關(guān)鍵的概念和技能，以及那些為研究和教學(xué)實(shí)踐所揭示出的學(xué)生學(xué)習(xí)難點(diǎn)。輔導(dǎo)的每個單元都由四部分組成，它們是：前測、當(dāng)堂作業(yè)、課后作業(yè)以及后測。前測的命名是因為它是輔導(dǎo)的第一部分，不過，它的內(nèi)容通常在常規(guī)課堂教學(xué)中已經(jīng)涉及過。進(jìn)行前測有幾個目的：提醒學(xué)生注意他們要掌握哪些知識和技能，為下一步做準(zhǔn)備，為教師和助教提供有關(guān)學(xué)生智力狀況方面的信息。前測答卷并不返回給學(xué)生，而是要求學(xué)生在完成該單元的學(xué)習(xí)后能夠獨(dú)立解決這些問題。使用輔導(dǎo)教學(xué)時，讓分成3-4組的大約20-24名學(xué)生一起通力合作。輔導(dǎo)的當(dāng)堂作業(yè)由一些試圖把推理過程劃分成若干個恰當(dāng)?shù)?、能夠讓學(xué)生積極投入的環(huán)節(jié)的問題組成。這些環(huán)節(jié)如果劃分

46、得過細(xì)，則不利于促進(jìn)學(xué)生的思考；跨度太大時，如果得不到教師的指導(dǎo)學(xué)生就有可能會陷入困惑。運(yùn)用輔導(dǎo)教學(xué)時，教師不需要做直接講授，也不用為學(xué)生提供答案，他所要做的是通過提問來引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行必要的邏輯推理。作業(yè)的目的是鞏固學(xué)生在單元學(xué)習(xí)中的學(xué)習(xí)所得。本課程中的測試題里有相當(dāng)一部分的題目要求學(xué)生進(jìn)行定性的推理并做出文字說明，這是輔導(dǎo)的一個顯著特色。B.助教的培訓(xùn)要讓輔導(dǎo)發(fā)揮理想的作用，助教必須在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上都做好充分的準(zhǔn)備。助教主要由研究生組成，也包括一些大學(xué)生和博士后志愿者。盡管助教能幫助學(xué)生解答習(xí)題，但是他們通常對物理概念的理解還不夠深刻、對推理過程的各個環(huán)節(jié)還不夠熟悉，他們還無法幫助普通物

47、理學(xué)習(xí)者形成對物理理論的實(shí)質(zhì)性理解。有關(guān)的研究表明，學(xué)習(xí)理論物理的經(jīng)驗并不意味著能夠加深對物理基本概念的理解。我們發(fā)現(xiàn)，高年級的學(xué)生不但對狹義相對論和量子力學(xué)存在有概念上的困難，就連對普通物理中的概念的理解也還有問題。和大多數(shù)教師一樣，助教也有模仿自己所接受過的教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)的傾向。要想讓他們以引導(dǎo)探究的方式輔導(dǎo)大學(xué)生，必須先讓他們擁有關(guān)于這種教學(xué)方式的親身體驗和思索。我們研究組為助教每周舉行一次教學(xué)研討會，研討會所使用的材料與教學(xué)方式就是那些希望他們能夠運(yùn)用到自己的助教工作中去的材料和策略。助教也要和普通物理學(xué)習(xí)者一樣接受相同的前測。我們可以根據(jù)前測了解他們的理解情況并為輔導(dǎo)的各個單元設(shè)置

48、合理的教學(xué)目標(biāo)。我們認(rèn)為，當(dāng)普通物理學(xué)習(xí)者在后測中的表現(xiàn)達(dá)到甚至超過助教的前測水平時，輔導(dǎo)的單元教學(xué)就取得了成功。C.傳統(tǒng)教學(xué)方法的補(bǔ)充引導(dǎo)探究：物理光學(xué)教學(xué)一例前面討論的基于研究的認(rèn)識和其他一些得自實(shí)踐的經(jīng)驗，既為我們的課程開發(fā)工作所證實(shí)，也提供了很大的幫助。在此我們只介紹一些它們在物理光學(xué)中的應(yīng)用情況，在別的領(lǐng)域它們也可以發(fā)揮相似的作用7。學(xué)生在學(xué)習(xí)物理光學(xué)時遇到的某些概念性困難的根源，在于他們沒有認(rèn)識到光程差（或位相差）在確定衍射和干涉圖樣中的明暗條紋時的重要作用。為解決這個根本性的難點(diǎn)以及其他的一些特殊疑難，我們設(shè)計了一系列的教學(xué)單元，引導(dǎo)學(xué)生建立一個能夠用來解釋衍射和干涉現(xiàn)象的簡單波

49、動模型。關(guān)于這些教學(xué)單元及其設(shè)計理論的更為詳細(xì)的討論可參閱我們已經(jīng)發(fā)表的論文。這些單元的教學(xué)首先從關(guān)于水波干涉現(xiàn)象的分析開始。水槽里的一道道波紋沒有光波那么抽象。學(xué)生可以觀察到波前，可以推出確定干涉圖樣的振動最強(qiáng)或最弱點(diǎn)的位置的數(shù)學(xué)關(guān)系式。根據(jù)以往的研究，我們知道學(xué)生常常不懂得正確地運(yùn)用疊加原理。通過對各種條件下的水波合成的研究，我們希望學(xué)生在處理光的疊加問題時做得比以前更好。然而，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生常常理解不了類比。相應(yīng)地，我們對教學(xué)材料做了調(diào)整，更加直接地幫助學(xué)生建立起水波和光波之間的聯(lián)系。在后面的單元里，學(xué)生要把他們的波動模型進(jìn)一步應(yīng)用到多縫干涉、單縫衍射以及混合了衍射和干涉的現(xiàn)象中去。D.

50、對學(xué)生學(xué)習(xí)的評估前面已經(jīng)提及，我們評估學(xué)生學(xué)習(xí)的主要方法是將他們在后測與相應(yīng)的前測中的表現(xiàn)進(jìn)行比較。前測題與后測題主要由必須加以文字解釋的定性問題組成。正如前面的例子所展示的，比起那些更繁難的但是只須套套現(xiàn)成公式的題目，這樣的問題更能發(fā)現(xiàn)學(xué)生在理解上的困難。此外，提供及時的反饋也無助于教學(xué)的改進(jìn)。多重選擇題和判斷題（不管是定量題還是定性題）也有同樣的缺陷。后測題與前測題是否相似并不重要，我們的研究表明，學(xué)生的前測經(jīng)驗事實(shí)上對后測的表現(xiàn)并無實(shí)質(zhì)性影響。后測題要求學(xué)生必須理解物理概念，和前測題一樣它也不能僅憑死記硬背進(jìn)行解答。下面列出的是用來評估多縫干涉單元的前測題與后測題。當(dāng)然，學(xué)習(xí)是一個累積的

51、過程，這些輔導(dǎo)單元的教學(xué)效果與先行的單元教學(xué)是不能割裂開來的。1. 多縫干涉前測題中央亮條紋（a）新加狹縫新加狹縫圖6圖6（a）是狹縫間隔為d的雙縫干涉圖樣的中央部分，其中在第一級明條紋上標(biāo)記有B點(diǎn)。要求學(xué)生判斷在用間隔同樣為d而狹縫數(shù)為三個的遮光板代替雙縫遮光板時B點(diǎn)是否還是干涉相加的最強(qiáng)點(diǎn)。這個問題要求學(xué)生能夠運(yùn)用光程差與疊加原理的知識。由于B點(diǎn)是最大加強(qiáng)點(diǎn)，從間隔為d的雙縫到達(dá)B點(diǎn)的光波位相應(yīng)該相同（嚴(yán)格說應(yīng)該是2的整數(shù)倍）。既然三個狹縫的間隔同樣是d，則經(jīng)過這三個狹縫到達(dá)B點(diǎn)的光波位相也應(yīng)該相同，所以B點(diǎn)仍然是干涉的最大加強(qiáng)點(diǎn)，而且亮度應(yīng)該更大。（見圖6（b）我們對大約560名學(xué)生進(jìn)行

52、了前測，有的學(xué)生在常規(guī)教學(xué)中已經(jīng)學(xué)習(xí)了相關(guān)的內(nèi)容，有的則沒有，但是結(jié)果相似，故未予區(qū)分一起列入表3第1欄。大約30%的學(xué)生做出了正確的判斷，同時能夠給出正確推理分析的則不到5%。大多數(shù)學(xué)生沒能從光程差與疊加的角度考慮問題。參加教學(xué)研討會的研究生助教的正確率大概為60%，推理分析也正確的大概是25%（見表3第3欄）。2.多縫干涉后測題相應(yīng)的后測題與剛才介紹的前測題相似，只是所增加的第三條狹縫位于右側(cè)且與原右縫的間隔僅為d/2，要求學(xué)生分析B點(diǎn)的亮度變化情況。只有認(rèn)識到從第三條狹縫到達(dá)B點(diǎn)的光比從原來狹縫到達(dá)B點(diǎn)的光的位相相差180°，學(xué)生才能推斷出B點(diǎn)的亮度將變小這個正確答案（見圖6（

53、c）。此題為學(xué)生設(shè)置了一個他們所未曾接觸的新情境，即狹縫不均勻分布的情況。表3大學(xué)生研究生助教前測（d）人數(shù)560后測（d/2）人數(shù)405前測（d）人數(shù)55判斷正確但無推理30%80%60%判斷正確且推理正確5%40%25%后測題的測試結(jié)果（表3第2欄）表明，大約80%的學(xué)生（總?cè)藬?shù)為405名）確定出B點(diǎn)將變暗，大約40%的學(xué)生還給出了正確的推理。學(xué)生的明顯進(jìn)步表明，輔導(dǎo)的使用可以幫助學(xué)生在無法借助于現(xiàn)成公式的新情境中運(yùn)用光程差或位相差處理干涉問題。他們的表現(xiàn)超過了助教在前測時的成績，滿足了我們設(shè)置的成功標(biāo)準(zhǔn)。E.輔導(dǎo)的有效性輔導(dǎo)對于提高學(xué)生處理我們所討論的這類定性問題的能力有非常積極的效果。

54、大多數(shù)學(xué)生的后測表現(xiàn)都比前測有顯著的進(jìn)步。大學(xué)生的后測表現(xiàn)常常達(dá)到（有時甚至超過）研究生在前測時的成績。盡管他們用于練習(xí)解決定量問題的時間更少，但是處理標(biāo)準(zhǔn)計算題時的成績比那些只接受了傳統(tǒng)教學(xué)的學(xué)生仍然要稍好一些。對于要較好地理解了物理概念才能解答的定量計算題，使用輔導(dǎo)的學(xué)生的表現(xiàn)要好得多。此外，有證據(jù)表明，按照輔導(dǎo)的要求進(jìn)行的思維技能訓(xùn)練所取得的效果比普通教學(xué)有更高的保持率。有不少教學(xué)策略能夠促使學(xué)生積極地學(xué)習(xí)物理，輔導(dǎo)所運(yùn)用的只是其中之一而已。在探究物理一書中，所有的教學(xué)都圍繞著概念的理解和推理能力的培養(yǎng)來進(jìn)行，其效果更為顯著。不過，輔導(dǎo)的教學(xué)只需要在傳統(tǒng)教學(xué)模式的基礎(chǔ)上做相對較小的改變就

55、能夠?qū)嵤?，?shí)踐證明，它具有較好的可行性、靈活性以及實(shí)用性。F.評論對學(xué)生進(jìn)行細(xì)致的評估應(yīng)該是所有以文字形式或基于計算機(jī)開發(fā)的教學(xué)資源的一個重要部分。要開發(fā)出能夠讓不同的教師都能取得可靠結(jié)果的教學(xué)材料非常困難。因此，除非他自己有足夠的精力和能力去設(shè)計、檢驗并提煉新的教學(xué)材料，否則教師就應(yīng)該充分地利用那些已經(jīng)為實(shí)踐所檢驗的現(xiàn)有教材。了解別人已取得的成果、避免無謂的重復(fù)是非常重要的。VII.結(jié)語物理教育研究可以為設(shè)立評估學(xué)生學(xué)習(xí)的標(biāo)準(zhǔn)提供指導(dǎo)，這樣的標(biāo)準(zhǔn)比通常的根據(jù)解定量計算題的能力來衡量的標(biāo)準(zhǔn)要準(zhǔn)確得多。幫助學(xué)生達(dá)到比教師們通常所默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)更高的目標(biāo)是有可能的。前面已經(jīng)提到，有相當(dāng)多的證據(jù)可以證明

56、，正確的定性理解的形成非但不會阻礙反而常常能夠（有時相當(dāng)顯著）改善定量計算題的解題能力。應(yīng)該要求學(xué)生形成一個連貫一致的概念框架，這樣的框架可以讓他們在定量計算之前就能夠預(yù)先確定答案的類型。因此，我們所明確或未明確提出的各類智力發(fā)展目標(biāo)，不會是一種對學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)的“弱化”，人們嘗試改進(jìn)傳統(tǒng)物理教學(xué)時常常招致這樣的批評；相反，對定性推理能力的進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)，意味著是要為學(xué)生設(shè)立更高的學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)。物理教育研究可以成為改進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的“鑰匙”。如果沒有堅實(shí)的為課程建設(shè)提供信息的研究基礎(chǔ)，我們就會缺少促進(jìn)教學(xué)不斷改善提高的必要知識。我們需要加深對學(xué)生思考經(jīng)典和當(dāng)代物理問題方式的理解。這樣的信息使我們得以進(jìn)行教學(xué)改革

57、。關(guān)于學(xué)生是如何學(xué)習(xí)的研究也能對一些更一般的智力發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有所啟發(fā)。我們想讓學(xué)生理解科學(xué)模型的本質(zhì)及其構(gòu)建的科學(xué)方法。我們希望學(xué)生知道什么才是科學(xué)的解釋，懂得辨別哪些是基于科學(xué)推理的解釋、哪些是基于個人信仰或流行看法的主張。要讓學(xué)生學(xué)會識別問題的類型，確定自己是否理解了其中的物理概念或推理過程，如果沒有，要懂得將其分解為能夠促進(jìn)他們的理解的子問題。能夠反思自己的思維活動并進(jìn)行自主的學(xué)習(xí)，其意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了學(xué)習(xí)物理知識本身的價值。物理的學(xué)習(xí)為培養(yǎng)科學(xué)的、批判的和反思的思維能力提供了許多機(jī)會。因而，物理教育研究能夠成為設(shè)定更高的（而且是現(xiàn)實(shí)的）學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)、幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)以及評估學(xué)習(xí)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)程

58、度的“鑰匙”?；仡欉^去十年間在物理學(xué)界所發(fā)生的積極變化，我們感到極大的鼓舞。物理教育研究對物理教學(xué)方式的影響不斷加強(qiáng)。人們根據(jù)研究成果開發(fā)新教材或?qū)υ薪滩倪M(jìn)行修訂；研究對于那些被證明為有效的課程資源創(chuàng)新的發(fā)展也有直接的影響；研究成果在專業(yè)會議和影響較大的專業(yè)雜志上公開發(fā)表；在專業(yè)學(xué)會組織的會議上，有關(guān)的研究備受關(guān)注?，F(xiàn)在，有許多大學(xué)的物理系都把物理教育尤其是對物理學(xué)與教的研究列入了定期舉辦的學(xué)術(shù)報告會的議程。物理教育的研究成果開始為系里的同事所接受和關(guān)注。如今，在好幾所大學(xué)，學(xué)生可以通過物理教育研究工作獲得物理學(xué)的博士學(xué)位。物理教育研究成果的發(fā)表率正在不斷提高。這種演化趨勢還表現(xiàn)在與物理學(xué)相關(guān)的專業(yè)學(xué)會所采取的一系列舉措上。1999年5月，美國物理學(xué)會理事會通過了一項決議，支持將物理教育研究列入值得物理學(xué)界同仁進(jìn)行學(xué)術(shù)探究的一個領(lǐng)域。1999年12月，美國物理學(xué)聯(lián)會、美國物理學(xué)