美国物理教学的发展变化及启示_物理复习-查字典物理网

近十几年来，美国的物理教学在不断发展变化，促使这些变化发生的一个重要原因是物理教育研究领域的发展和研究成果的应用。美国的物理教育研究领域是如何发展起来的？它有哪些特点？它的发展如何促进美国的物理教学改革？在我国物理课程和教学改革举步维艰的现实面前，我们可以从美国的经验得到哪些启示？下面简要讨论这些问题，以期抛砖引玉，促进我国物理教育研究与改革的健康发展。

1 美国物理教育研究的特点

在美国，物理教育研究已经成为物理学研究领域中的一个分支，正在得到越来越多的物理学研究者的关注。概括起来，美国物理教育研究具有以下特点。

1.1 发现了物理教学中普遍存在的实质性问题，围绕共同问题开展研究

研究始于问题，近十几年的美国物理教育研究就是从发现了教学中存在的一个普遍而又十分重要的问题开始的。1991年，丽莲?麦克迪默特在美国物理杂志上发表了一篇题为“我们教了什么？学生学到了什么？———缩小这个差距”的文章①，引起了物理教育界的重视。在这篇文章中，作者指出学生学习的结果与物理教学的目标存在很大差异，由此引起了物理教师对学生学习结果的普遍关注和对传统物理教学效果的反思，引发了物理教师开展物理教育研究以寻找问题产生的原因的兴趣和热情，物理教育研究领域自此开始迅速发展起来。1993年，她又在美国物理杂志上发表了一篇题为“我们怎样教与学生如何学———是否匹配错误？”的文章②，在总结大量研究结果的基础上，指出了传统物理教学和评价存在以下问题：第一，学生能解决定量问题并不表明真正理解物理；第二，传统教学不能使学生建立起具有内在一致性的概念化的知识结构；第三，传统教学不能使学生有效地建立概念；第四，传统教学通常不能促进学生推理能力的发展；第五，在传统教学方式下，学生的概念与概念的表述形式和真实世界之间缺乏联系；第六，讲授式教学对大多数学生来说效率较低。这些问题表明，传统教学未能有效达到预定目标，,其主要原因是不符合大多数学生学习物理的认知规律。

1.2 以学生为主要研究对象，针对学习物理的过程和结果开展研究

那么，学生是如何学习物理的？哪些因素影响学生学好物理呢？近十几年来，美国的物理教育研究者围绕这些问题开展了大量实证性研究，这些研究从揭示学生的前概念开始，逐渐深入到了解学生的物理认知结构和与学习物理相关的认知过程，也涉及到学生如何认识物理知识的本质和如何看待物理学习过程等认识论方面的问题。为了深入研究这些问题，研究者设计和开发了许多测试和问卷，如力的概念测试、直流电路测试、量子力学概念测试等，几乎涵盖了整个基础物理教学领域的所有概念。研究结果表明：学生在开始正规的物理学习之前已经具有了关于物理现象的一些认识，这些认识可能与科学家建立在实验基础上的科学概念不同，但可以有效地解释某些物理现象。在学习物理的过程中，这些原有的认识与科学概念相互作用，在学生头脑中形成了不同的认知模型，这些模型具有很强的情境依赖性，学生在解决不同问题时采用不同的模型，这是造成学习物理困难和形成错误概念的主要原因。

1.3应用物理学的研究方法开展物理教育研究

在研究上述问题的过程中，物理教育研究者很自然地采用了物理学的研究方法，如观察、实验的方法、建立模型的方法和还原分析的方法。例如，揭示学生学习结果中存在的问题，采用的是观察和测量的方法，开发的测量工具就是测试和问卷；因为学生的认知结构是一个黑箱，描述学生的认知结构采用了建立模型的方法。为了深入研究学生的认知结构，有些物理教育研究者采用了还原方法，把概念进一步分解成知识碎片，把它作为知识的元素并予以标识，其中最常用的两种标识是现象本原(phenomenological primitives简写为p-prims)或面元(facets)。这就引出了一个更深层次的问题，即这些知识元素是如何结合形成大的知识片的。为了解释这些问题，有的研究者用资源(resources)来描述不同的认知结构，学生和科学家在解释物理现象时利用了不同的资源，他们的知识都是由知识元构成的，但构成方式存在差异。这些认知模型的建立虽然有待完善，但使物理教育研究在理论上的发展更加深入。

1.4物理教育研究与课程和教学改革相互促进、共同发展

图1描述了美国物理教育研究与课程与教学改革的关系，是华盛顿大学丽莲教授提出的物理教育研究与改革的模式。这种研究和改革的模式是以学生为中心开展的，研究→课程发展→教学改革→进一步研究，循环往复，互相促进。

在这个过程中，课程发展和教学改革都是建立在对教学中的实际问题进行深入研究的基础上的。研究的对象是学生，主体是物理教师，研究过程与教学实践紧密联系，因而具有较强的生命力。这种模式在物理教育研究中变得越来越有价值，也应成为我国当前课程改革中占主导地位的研究模式。

上述研究过程中的主导理论是概念转变理论。为了使学生转变原来的认识，接受与实验观察相一致的科学概念，教师首先调整他们的原有概念，针对这些概念进行教学设计，给他们提供挑战前概念的实验证据，促使他们转变原有的认识。不同的研究者提出了许多不同的教学策略，并进行了大量的实践研究，取得了丰富的成果。

2 研究促进了物理课程和教学改革

2.1参与研究使教师发现了自己教学中存在的问题，逐渐转变了教学观念

美国物理教师的传统教学观也是传递型的，讲授式是课堂教学的主要方式，他们认为只要能把知识讲清楚，学生就能学会，就能达到教学目的。ＦＣＩ测试结果刚发表时，许多教师表示怀疑，认为自己的教学很成功，于是就拿ＦＣＩ试卷来测试自己的学生，结果令他们大吃一惊，他们的学生也同样成绩很差。这样才发现和认同了教学中存在的普遍问题，开始质疑传统的教学观和教学方式，在反思的基础上转变了观念，逐渐参与到教学研究中来，在新观念的指导下进行新的教学尝试。

2.2 根据研究结果设计促进探究学习的新教材

大量研究成果揭示了学生在物理概念、规律以及对图形等的理解方面存在的困难，同时也揭示了学生对于物理学和物理课程的一些错误认识。课程设计人员和教材编写者根据这些研究结果重新设计了课程，编写了新教材，这些课程和教材与传统课程相比，在结构和表述方式上均有了实质性的变化。例如，由华盛顿大学丽莲教授等编写的《探究物理》，完全改变了传统教材的陈述性表达方式，针对学生的前概念和相异构想将每个单元设计成一系列问题，引导学生在探究过程中自主建构知识。

2.3教师采用多种教学策略和方法促进学生主动学习

针对学生存在的前概念，研究者提出了许多促进学生概念转变的教学策略③。在实际教学中，从注重学生解题转变为注重学生对物理学的认识和对物理概念的功能性理解，重视培养学生理解和应用物理概念的认知技能，在教学中采用师生交互促进学生主动参与的教学方法。表1是美国物理教师采用各种新教学方法和手段的比例。

上述经验表明，只有抓住了物理教学中的实质性问题开展深入研究，才能促进物理教育研究领域的发展；只有将研究与教学改革融为一体，成为教师的自觉行为，才能真正引起物理教学的实质性变化，在课堂教学中取得实效。这些经验对我国的物理教育研究和正在进行的物理教学改革，有不少可供借鉴之处。

3. 反思与建议

3.1 为什么要开展物理教育研究？———对物理教育研究和物理教学目的的反思

美国物理教育研究的目的是发现学生在学习物理的过程中存在的困难和问题，从而有针对性地设计教学，帮助学生更好地理解物理。他们的研究表明，学生能解决定量问题并不说明真正理解了物理，真正理解意味着能将物理的原理和概念用于真实的情境，而不仅仅会作题。物理教学的目的是使学生真正理解物理。相比之下，在我国目前应试教育的压力下，许多教师和学生把学会解题作为学习物理的唯一目标。终日陷入题海而不能自拔，逐渐忽略和忘记了物理教学的真正目的，使物理教学实践越来越偏离正确的轨道和方向。我们必须清醒地认识到这种状况给物理教育带来的巨大危害，树立正确的研究和教学目的，努力克服应试教育带来的负面影响，反思物理教学目标和教学实践之间的真正的差距，研究造成这些差距的原因及解决办法，借基础物理课程改革之机，使物理教育回到正确的轨道上来。

3.2研究的重点对象是什么？———必须关注学生学习物理的过程和结果

以前的研究从教师如何教的角度研究较多，而从学生如何学的角度研究较少，这与注重接受式学习的传统教学方式密切相关。新课程倡导探究式的学习方式，学生成为学习的主体，也应当成为我们研究的主要对象。正是因为我们对学生真正理解物理的过程缺乏深入研究，教师不能采取适当方式有效地帮助学生学习，才对探究式教学心存疑虑。只有抓住物理教学中的实质性问题开展深入研究，发现学生在理解物理方面存在的困难和问题，找出认知过程中的障碍，才能有针对性地进行教学设计，教师的教学才能产生实际效果。

3.3怎样开展研究？———可以借鉴物理学研究问题的方法

要使物理教育研究真正成为物理学研究领域的一个分支，除了研究的问题和追求的目的得到物理学界的关注和认同之外，借鉴物理学的研究方法是非常重要的。物理学在探究自然界的过程中发展了有效的研究方法，如观察和实验的方法、建立模型的方法等等，在研究机械的、无生命的世界中取得了巨大成就，物理学的前沿正在向更复杂的领域扩展。虽然学生学习物理的过程是一个复杂的认知过程，但仍然是可以认识的，物理学的研究方法也是可以借鉴的。美国的物理教育研究已经在这方面走在了前列。

3.4谁来开展研究？———物理教师应成为教学研究和改革的主体

与其他研究领域相比，物理教育研究具有特殊性。它不是在实验室中进行，而是在自然环境下展开，它的研究成果是改变了的教学实践，具体体现在实际的课堂教学过程之中。物理教师是教学实践的主体，是决定课程与教学改革成败最关键的因素。因此，只有使物理教师成为教学研究的主体，使教学研究成为教学实践的一个组成部分，将物理教师的专业发展与物理教育研究和课程与教学改革统一起来，才能真正促进物理教育的发展.

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