高中物理教學(xué)中的能力培養(yǎng)與實施對策,普通教育論文

高中物理教學(xué)中的能力培養(yǎng)與實施對策,普通教育論文大學(xué)物理教育是物理界關(guān)注的焦點(diǎn)之一。改革開放以來,我們國家的大學(xué)物理教育在教學(xué)規(guī)模、教學(xué)資料建設(shè)、師資隊伍建設(shè)、授課技術(shù)等方面獲得了較大的進(jìn)展。當(dāng)瞻望物理教育的將來時,我們自然會放眼全球、十分是美國這個教育高度發(fā)達(dá)國家的物理教育。2018至2020年,中國(不含港澳臺地區(qū))赴美留學(xué)生達(dá)19.4萬人,本科留學(xué)人數(shù)比前一年增加了31%。美國成為我們國家學(xué)生出國留學(xué)的首選國家。那么,美國的大學(xué)物理教育教學(xué)與我們國家相比有什么特色呢?本文將扼要地介紹物理教育研究(PhysicsEducationResearch,簡稱PER)這一新物理學(xué)分支在美國的建立和發(fā)展,及其給美國高等學(xué)校的物理教學(xué)帶來的新生機(jī)。比照我們國家大學(xué)物理教育現(xiàn)在狀況以及面臨的困難,在這里基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的建議,希望本文能為我們國家高等物理教育實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供參考。2、物理教育研究物理學(xué)新學(xué)科分支的誕生物理教育是高等學(xué)校教學(xué)的難點(diǎn)之一。物理課程不僅難度大,而且牽涉的學(xué)生人數(shù)多。在美國,大學(xué)物理教育也曾面臨窘境。據(jù)美國物理聯(lián)合會(AIP)1995年的統(tǒng)計,美國授予物理學(xué)士學(xué)位的人數(shù)在6年內(nèi)下降了15%,到達(dá)37年來的最低值。又有其他數(shù)據(jù)顯示,在學(xué)過大學(xué)物理課程的30萬美國大學(xué)生中,不到5%的學(xué)生繼續(xù)選學(xué)物理方面的課程;除此之外,美國高等學(xué)校中大學(xué)物理課程的設(shè)置還遭到其他學(xué)科學(xué)者的質(zhì)疑。面對危機(jī),1996年美國物理老師協(xié)會(AmericanAssocia-tionofPhysicsTeachers,簡稱AAPT)發(fā)出了全面復(fù)興美國物理教育的建議。但是,路在何方呢?早在20世紀(jì)70年代初,美國華盛頓大學(xué)物理系的LillianChristieMcDermott提出,物理教育要建立在研究的基礎(chǔ)之上,通過科學(xué)分析并解決學(xué)生在學(xué)習(xí)物理課程中碰到的共性困難,提高學(xué)習(xí)效果。在美國國家自然科學(xué)基金的贊助下,她開展了物理學(xué)習(xí)與教育方面的研究,成功地開拓了物理教育研究的新方向。由于對美國物理教育的突出奉獻(xiàn),她獲得了RobertA.Mil-likanLecture獎(1990年),Oersted獎?wù)?2001年),2020年她又獲得了MelbaNewellPhillips獎。除華盛頓大學(xué)外,美國的北卡羅萊納州立大學(xué)、馬里蘭大學(xué)、科羅拉多大學(xué)、以及俄亥俄州立大學(xué)等也都開場進(jìn)行物理教育方面的研究。PER的研究隊伍具備了雛形,學(xué)科建設(shè)隨之拉開序幕。1994年秋季,在北卡羅萊納州立大學(xué)召開了初次PER大會,商討PER的研究對象和PER專業(yè)研究生的課程設(shè)置。更重要的是,PER的先驅(qū)者們在會議上起草了一份白皮書,遞與美國自然科學(xué)基金委員會。白皮書的題目為(給美國自然科學(xué)基金物理部的建議支持將物理教育研究作為物理學(xué)的子學(xué)科〕。白皮書闡述了PER在美國的興起以及PER在物理學(xué)中的重要地位,指出了PER走研究型發(fā)展之路的必要性和面臨的困難。白皮書中建議美國自然科學(xué)基金物理部像支持其他物理研究一樣支持PER,提出每年需要約200萬美元的贊助基金。1999年,萌芽中的PER等到了春天,這年美國物理學(xué)會(APS)發(fā)表了關(guān)于物理教育研究的聲明,成認(rèn)PER是成長中的研究領(lǐng)域,支持在美國高校物理系中設(shè)置PER研究方向。聲明中指出:物理系將會受益于擁有PER這樣一個嚴(yán)密的研究領(lǐng)域,PER會使教學(xué)質(zhì)量得到提高。此后,PER得到了美國自然科學(xué)基金的大力贊助。據(jù)不完全統(tǒng)計,2006至2018年,美國自然科學(xué)基金至少贊助了262個PER項目,經(jīng)費(fèi)約為7250萬美元,占PER總經(jīng)費(fèi)的75%。PER的發(fā)展除了經(jīng)費(fèi)的保障外,還必須有相應(yīng)的學(xué)術(shù)刊物做支撐。經(jīng)過努力,(美國物理雜志〕(AmericanJournalofPhysics)首先大量發(fā)表PER的研究成果;之后AAPT旗下的雜志(物理老師〕(ThePhysicsTeacher)也開場登載PER文章。為了使PER在物理學(xué)科中擁有被公認(rèn)的高水平研究成果,美國物理學(xué)會與AAPT聯(lián)手,于2005年開場出版電子期刊(物理評論專輯物理教育研究〕(Physi-calReviewSpecialTopicsPhys-icsEducationResearch)。PhysicalReview是享有很高學(xué)術(shù)聲譽(yù)的雜志,此雜志設(shè)置物理教育專題,使從事PER的老師能夠得到正確的評價,并專注于這個研究方向。有經(jīng)費(fèi)的贊助,有高水平的學(xué)術(shù)刊物,又有科學(xué)且實用的研究方向,使PER在十幾年的時間內(nèi)在美國發(fā)展了起來,圖1直觀地顯示了PER小組在美國的分布。美國大學(xué)中,做PER的老師有高級別的研究項目,能夠指導(dǎo)研究生(包括博士生),并發(fā)表高水平研究論文,他們既是研究者,又是優(yōu)秀的老師。PER的誕生給美國的物理教育與教學(xué)帶來了生機(jī),使美國成為全球高等物理教育的領(lǐng)跑國家。3、物理教育研究的研究對象與方式方法PER研究的對象是學(xué)習(xí)物理的經(jīng)過以及教學(xué)活動怎樣影響該經(jīng)過,采用科學(xué)的方式方法探測、甄別學(xué)生在學(xué)習(xí)物理課程中普遍存在的共性困難,揭示學(xué)生把握物理知識的動力學(xué)經(jīng)過,評價學(xué)習(xí)效果,并在這里基礎(chǔ)上建立關(guān)于物理學(xué)習(xí)的認(rèn)知理論,用于開發(fā)新課程、新教學(xué)方式方法和新的教育研究工具。PER是圍繞學(xué)生和學(xué)習(xí)經(jīng)過進(jìn)行的,在我們國家是一個相對陌生的研究領(lǐng)域。由物理學(xué)家開拓出來的PER繼承了物理學(xué)的研究傳統(tǒng)與方式方法,強(qiáng)調(diào)觀察、數(shù)據(jù)采集與分析,并重視應(yīng)用。PER有實驗和理論兩個研究方向。實驗方面的主要工作是采用定性、定量或兩者結(jié)合的方式方法,來測試、記錄并了解物理學(xué)習(xí)經(jīng)過。定性的實驗研究是針對少量典型學(xué)生進(jìn)行,通過對學(xué)生進(jìn)行訪談與跟蹤調(diào)查,記錄物理學(xué)習(xí)(包括學(xué)生的思維)經(jīng)過。為了實時地了解學(xué)生的思維,可采用邊想邊講實驗,即要求學(xué)生看到老師給定的測試后,不停地用語言表示出頭腦中的思路,直至給出解答。通過錄像、錄音等方式方法記錄實驗全經(jīng)過,并予以保存。定量的實驗研究主要面向大量學(xué)生,使用標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)測量工具進(jìn)行各種測試,了解學(xué)生整體把握知識的平均水平,以分析、評價學(xué)習(xí)效果。如今,PER已獲得了大量相關(guān)實驗數(shù)據(jù)。400多年前,開普勒基于第谷畢生積累的天文學(xué)數(shù)據(jù),歸納出了著名的開普勒三定律。今天,PER也在積累著各種關(guān)于物理學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù),為揭示和控制物理學(xué)習(xí)經(jīng)過進(jìn)行準(zhǔn)備。開拓PER的物理學(xué)家們明白,假如沒有理論研究,PER不過就是為提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果的一系列反復(fù)實驗。PER理論研究方面以馬里蘭大學(xué)的Redish,Hammer和Elby等人的工作最為著名,他們研究學(xué)生在解決物理問題時的先天直覺是什么,學(xué)生頭腦中的概念是如何演化的等問題。當(dāng)然,PER理論還處于起步階段,它的發(fā)展依靠于更多的實驗數(shù)據(jù)和理論研究的進(jìn)一步深切進(jìn)入。4、物理教育研究給高等學(xué)校物理教學(xué)帶來的新生機(jī)PER使物理教學(xué)理念、教學(xué)技術(shù)與環(huán)境、教學(xué)方式方法、教學(xué)資料等方面獲得了很多進(jìn)步,本文集中介紹物理教學(xué)理念、教學(xué)技術(shù)與環(huán)境這兩個方面的進(jìn)展,由于這兩個方面國內(nèi)較少牽涉,且與美國差異較大。PER使物理教學(xué)走上了科學(xué)發(fā)展之路。教學(xué)方式方法的改革和教學(xué)的內(nèi)容布置等等都必須經(jīng)過實際教學(xué)經(jīng)過的科學(xué)化測試和檢驗,并以學(xué)生的學(xué)習(xí)收益為最終判定標(biāo)準(zhǔn)。也就是講,衡量教學(xué)的成功與否,不僅在于老師講授了什么,更重要的是在于學(xué)生到底學(xué)到了什么?只要被大量教學(xué)實驗數(shù)據(jù)驗證的、使學(xué)生獲得更高層次學(xué)習(xí)收益的方式方法才是令人信服的。翻開美國的(物理評論專輯物理教育研究〕、(美國物理雜志〕等期刊,能夠找到對物理教學(xué)的各種測量。例如:通過分析6000名左右學(xué)生的學(xué)習(xí)收益,發(fā)現(xiàn)交互式教學(xué)方式方法的效果優(yōu)于傳統(tǒng)的講授式方式方法;哈fo大學(xué)Mazur小組用十年的數(shù)據(jù)表示清楚,Mazur發(fā)明的同伴教學(xué)法(PeerInstruction,簡稱PI)能夠使學(xué)生更好地把握物理概念和解決問題。一些測量結(jié)果還挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的教學(xué)觀念。在大多數(shù)人看來,把握知識對于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)推理能力是非常重要的。然而對學(xué)生科學(xué)推理能力和知識狀況的實際測量表示清楚,以教授知識為目的的傳統(tǒng)教學(xué),對于培養(yǎng)科學(xué)推理能力沒有幫助。對于學(xué)生學(xué)習(xí)收益的測量數(shù)據(jù)表示清楚,采用傳統(tǒng)講授式方式方法,學(xué)生的學(xué)習(xí)收益很低;有趣的是,測量結(jié)果還顯示,學(xué)生的學(xué)習(xí)收益和學(xué)習(xí)困難基本上與任課老師沒有關(guān)系。早在1933年,美國著名教授F.K.Richtmyer寫道:教學(xué),我講,是藝術(shù),而不是科學(xué),教學(xué)絕不能被稱為科學(xué)。這仍然是當(dāng)前很多人對于物理教學(xué)的認(rèn)識。PER使這個觀點(diǎn)在20世紀(jì)末和21世紀(jì)初被更新了。CarlWieman是美國科學(xué)院科學(xué)教育委員會主席,2001年諾貝爾物理學(xué)獎得主,他在(知識的詛咒為什么對于教學(xué)的直覺經(jīng)常失效〕一文中寫道:聰明的物理界已經(jīng)找到了在初始直覺失效的領(lǐng)域獲得進(jìn)展的方式方法,例如,原子構(gòu)造的發(fā)現(xiàn)。這個方式方法在于細(xì)致地、客觀地進(jìn)行實驗測量并利用得到的數(shù)據(jù)完善我們的認(rèn)知和直覺。對于物理教學(xué),這意味著要著眼于顯示人們是怎樣學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù),著眼于顯示學(xué)生是如何學(xué)到或?qū)W不到物理知識的數(shù)據(jù)。物理教學(xué)也要從已有的各種數(shù)據(jù)出發(fā),而不能僅憑直覺。PER將科學(xué)理念注入于物理教學(xué)之中。PER催生了各種標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)測試工具的研發(fā)。就像能夠利用電壓表顯示電壓值一樣,教學(xué)測量需要測試工具。這些測試工具實際上是針對某一部分物理知識的診斷性測試題目,其功能類似于物理實驗中的各種測量設(shè)備。美國已經(jīng)研發(fā)出來的測試工具有:FCI(測試牛頓力學(xué)概念)、BEMMA(測試電磁學(xué)概念)、LCTSR(測試科學(xué)推理能力)等等。當(dāng)然,教學(xué)測試工具的有效性也要經(jīng)過測試才能被認(rèn)可。FCI剛剛研發(fā)出來后,老師們感覺題目設(shè)計過于簡單,有侮于學(xué)生的智商,以致于不愿意使用它。但是,實測結(jié)果與老師們的預(yù)期并不一致。哈fo大學(xué)的測試就是一個典型的例子。哈fo大學(xué)物理系EricMa-zur教授偶爾看到了PER的相關(guān)研究,對自個的學(xué)生進(jìn)行了FCI測試,結(jié)果是學(xué)生們的得分很低,甚至低于期中考試成績。Mazur教授以為,期中考試比FCI更難、更復(fù)雜。驚訝之余,Mazur教授著手改變教學(xué)方式方法,發(fā)明了著名的同伴教學(xué)法。此后,標(biāo)準(zhǔn)測試工具的開發(fā)遭到重視。除了測量物理知識的工具外,還有一些工具用于測試學(xué)生的態(tài)度和期望與學(xué)習(xí)效果之間的關(guān)系,如科羅拉多大學(xué)關(guān)于學(xué)習(xí)科學(xué)課程的態(tài)度測試(CLASS),馬里蘭大學(xué)的物理期望測試(MPEX)等。盡管對于教學(xué)測量工具的使用方式方法等方面還有一些批評意見,但是總體上認(rèn)可了測量工具在物理教學(xué)研究中的重要作用。伴隨著測量工具的開發(fā),教學(xué)測量方式方法也逐步定型,如斷定教學(xué)收益的前測后測法,統(tǒng)計理論在物理教學(xué)研究中的應(yīng)用等等。Hake提出了一種測量學(xué)生學(xué)習(xí)收益的方式方法。他利用測試工具,在學(xué)習(xí)開場前進(jìn)行測量,稱為前測,以了解學(xué)習(xí)開場前的情況;學(xué)習(xí)結(jié)束后,再次進(jìn)行測試,稱為后測。他定義學(xué)習(xí)收益g為g=sˉf-sˉiT-sˉi,華而不實sˉi為班級學(xué)生前測平均分,sˉf為后測平均分,T為測試題目的總分。g0.7為高學(xué)習(xí)收益,0.3g0.7為中等收益,g0.3為低收益。將其與統(tǒng)計方式方法結(jié)合,便能夠?qū)W(xué)習(xí)的效果進(jìn)行規(guī)范測量。這個方式方法已經(jīng)被物理教育界的很多人用來做教學(xué)研究。PER的研究結(jié)果表示清楚,交互式教學(xué)在很多方面都優(yōu)于傳統(tǒng)講授式教學(xué)。為了開展交互式教學(xué),在美國開發(fā)出了一種新教學(xué)技術(shù)課堂交互反應(yīng)系統(tǒng),也叫做clicker。北美大約有800所大學(xué)、百余萬學(xué)生曾使用clicker在課堂上學(xué)習(xí)。課堂交互反應(yīng)系統(tǒng)利用無線電發(fā)射、接收系統(tǒng)以及配套軟件,實現(xiàn)了課堂上多個學(xué)生與老師間的集體實時互動。課堂上,老師首先設(shè)置問題,之后學(xué)生通過手持發(fā)射器發(fā)射答案:,老師利用接收器接收來自學(xué)生的多路反應(yīng)信號(如此圖2)。經(jīng)過計算機(jī)處理接收信號后,全體學(xué)生的結(jié)果被實時地顯示在教室的大屏幕上,同時每個學(xué)生的反應(yīng)信息均被記錄下來,逐節(jié)課積累后,構(gòu)成各個學(xué)生的電子學(xué)習(xí)檔案。該教學(xué)技術(shù)不僅支持了大班互動教學(xué),而且還促進(jìn)了教學(xué)方式方法和教學(xué)資料的改革,當(dāng)前,課堂交互反應(yīng)系統(tǒng)中的題目已經(jīng)出如今了美國大學(xué)物理教學(xué)資料中,供老師和學(xué)生使用。交互式教學(xué)的施行還導(dǎo)致了教室布局的變化,以講臺為焦點(diǎn)的傳統(tǒng)教室布局被更改,代之以圓桌為主體,集講授、課堂演示和學(xué)生小組學(xué)習(xí)等功能為一體的多媒體教室。北卡羅萊納州立大學(xué)物理課教室布局。當(dāng)前,麻省理工學(xué)院的TEAL教室,俄亥俄州立大學(xué)的PALET教室等均采用了類似的教室布局。除此之外,在美國還開發(fā)出了物理工作室、網(wǎng)絡(luò)作業(yè)系統(tǒng)、三維立體演示等方面的教學(xué)技術(shù)。5、結(jié)束語近20年來,PER帶動了美國物理教育教學(xué)的發(fā)展,使美國大學(xué)物理教育走出窘境。在美國自然科學(xué)基金等經(jīng)費(fèi)的贊助下,高等學(xué)校中一些從事純教學(xué)工作的老師轉(zhuǎn)型為研究者。相比之下,這20年來,我們國家大學(xué)物理教育卻一直在進(jìn)行改革。改革主要集中于老師和教學(xué)資料方面,忽略了對學(xué)生學(xué)習(xí)物理經(jīng)過本身規(guī)律的深切進(jìn)入研究,似乎在延續(xù)著那個名師出高徒的古老信念。美國的大學(xué)物理教育為學(xué)生建造了腳手架,供學(xué)生自個向上攀登。我們國家的物理教育似乎是要設(shè)法由老師將學(xué)生抬舉起來。除此之外,與美國高等學(xué)校從事物理教學(xué)的老師由于從事PER而回歸科研隊伍的趨勢相反,近年來我們國家很多高等學(xué)校物理學(xué)院(系)老師隊伍中被分離出來了所謂純教學(xué)型老師,盡管他們承當(dāng)教改項目、編寫教學(xué)資料、進(jìn)行教學(xué)研究工作,也有一些老師開場進(jìn)入PER研