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新世纪国外物理教育研究综述,物理教育经典...
发布时间:2017-12-06  信息发布人:管理员  

 进入21世纪以来,国外的物理教育研究得到越来越多的物理学家和物理教师的关注,研究对象和范围从基础物理教育向高等物理教育领域发展,研究内容不断深入。本文简要介绍其主要研究成果和最新进展,为广大中学物理教师和物理教育研究者提供借鉴。

  一、物理教育研究的主要成果概览

  笔者对2001年至2005年《美国物理》杂志和《物理学评论))(物理教育专刊)发表的物理教育研究论文与《国际科学教育》杂志发表的物理教育研究论文进行了分类统计,如表1和表2所示。从中可以看出研究的范围和关注的热点问题。

  

  

  统计结果表明,关注学生对具体物理概念的理解和学生的学习困难仍然是国外物理教育研究领域的热点,其次是对教学策略和评价的研究。

  二、研究的主要进展

  通过对研究成果的深入考察,可以看出该领域在以下四个方面取得了主要进展。

  1. 研究范围的扩展和内容的深化

  新世纪的物理教育研究覆盖了从小学低年级到大学高年级的全部物理学习阶段,对学生理解和应用物理学基本概念的研究向更全面和更高层次发展,越来越多的研究成果反映了更高水平的物理学习过程,如学生在高等力学、热力学、相对论、量子力学等课程中对具体内容的认识过程。同时,研究者开始深入研究影响学生理解物理概念的内、外部因素。

  已有的研究表明,学生的前概念向科学概念转化的过程是一个十分复杂的过程,涉及到学习者自身、学习内容、学习过程及学习环境等多方面因素,这些因素对概念转化的影响过程和机制并没有真正认识清楚。研究者采用调查、创设情境和访谈等多种方法,试图深入研究影响概念转化过程的因素。

  例如,2001年有一项研究深入考察了中学生和大学生关于静电感应的一些概念及其转化过程。研究者首先调查了学生原有的关于电解质的极化概念,然后又让学生观察了一些极化现象,接着对他们进行了访谈。据此分析学生是如何对原有的概念和观念进行肯定或否定,从而实现概念转化的。在分析过程中涉及到了概念之间的联系和学生的思维方式。研究者认为,概念可以看成由核心概念和与其相关的保护带构成。保护带包括:辅助概念、初始条件或相关假设。该项的研究者指出:概念的保护带理论部分建立的越不完善,学习者在实现概念转化的过程中,保护带部分被修改的就越多,而不是核心概念被否定的越多。因此,要成功地使学习者的概念得到转化,需要关注学习者与核心概念相联系的保护带的质量,还要关注核心概念,即要关注学习者前概念的整体结构和质量。

  2002年有研究者以八年级到十二年级的学生为对象,对学生在电流、电势差、电阻的关系中如何理解电阻和电压的概念作了调查研究,深入考查学生在学习物理的过程中,概念之间的相互关系对理解概念的影响,研究过程采用了测试分析方法,例如,已知电压和电流强度,要求被试判断电阻的大小,根据被试的推理过程来分析三个概念之间的关系对于学生理解电阻概念的影响。研究表明,传统的电学概念和欧姆定律教学对学习者理解概念会产生正负两方面的影响。

  2. 与认知科学相结合建立理论模型,研究方法进一步科学化

  研究者为了揭示学生物理概念学习过程的本质,采用定性分析和定量描述相结合的方法,在前期研究的基础上开始尝试建立学生学习物理的认知模型或理论框架。

  例如,在《物理教育研究》杂志2006年发表的一篇论文中,研究者根据认知科学和物理教育已有的研究结果,提出学生在物理概念学习过程中,不同的相异概念模型构成一种混合态,对于不同的测试情境,学生会使用不同模型来处理问题。研究者采用模型分析方法定量分析了大学生在牛顿力学概念测试(FCI)中的测试结果,提出了用模型评价一组学生对物理学概念理解的混乱程度的适用条件和分析方法。首先通过对学生进行系统研究和深入访谈,确定一组具有相似背景的学生持有的常见模型;根据这些模型设计多项选择测试中的迷惑项,并通过研究证明测验的有效性。根据测试结果,可以在线性模型空间中用一个矢量表示一个学生的反应,对于一组学生可以建立一个密度矩阵,用来表示学生采用不同模型的概率。

  与认知领域的结合还体现在研究者开始关注学生在学习物理中的智力发展过程;研究物理概念、数学方法和技能以及逻辑推理能力之间的相互关系;关注学生对物理知识本质的认识和获得这种认识的过程,以及学生的认识与概念学习之间的关系。这些方面的研究都刚刚起步,体现出物理教育研究领域广阔的发展前景。

  3. 在深入研究的基础上改进已有的测试工具,开发新的评价手段

  研究者更加关注对新课程、新教学策略和现代教学手段产生的实际效果的评价,进一步考查已有的测试工具的有效性,在研究基础上开发新的测试工具。

  研究者为了揭示学生对物理概念的认识,在大量调查和研究的基础上,设计出了诊断学生错误概念的测试工具。其中力的概念测试(FCI)和运动学图形理解测试(TUCK)已经得到了广泛的传播和应用,在此过程中也发现了一些值得深入研究的问题。2003年,美国堪萨斯州立大学的两位学者RebelloZollmanFCI的迷惑项的作用进行了深入研究,主要考察以下四个方面的问题:

  1)学生在多项选择题和同样内容及水平的开放性试题上的成绩是否有显著差异;

  2)相应多项选择题提供的选项能否覆盖学生对开放性试题的答案,是否会产生新的选项;

  3)多项选择题中的迷惑项是否影响学生对错误回答的选择;

  4)将开放性试题的测试结果作为迷惑项修改FCI原题后,是否改变学生对该题中各选项的选择比例。

  为了研究这些问题,RebelloZollmanFCI中选择了4个有代表性的题目,将每个题目改为开放性问题,即只给出与多项选择题相同的问题情境,让学生自由回答。分别进行测试后比较两种题型的学生成绩。然后,利用开放性试题的测试结果设计具有新迷惑项的多项选择题,并进行测试。结果显示,两种形式中正确回答的百分比有很好的一致性;同时表明,FCI的迷惑项不会对学生成绩产生不利影响。通过分析开放性试题的测试结果,研究者发现有一定比例的学生答案超出了FCI对应试题的选项范围,当把这些答案设计成迷惑项对原题进行修改之后,测试结果表明,许多学生选择了这些新的选项。这表明FCI某些试题的选项并没有覆盖学生的主要认知模式,

  为了了解高中生和大学生对直流纯电阻电路的理解,2003PaulaRobert在研究基础上设计了标准化的诊断测验确定和解释纯电阻电路概念测试,简称为DIRECT 1.0De-termining and Interpreting Resistive Electric Circuits Concepts Test)。这套测验与FCI形式相同,共包含29个测试题,全部是只有一个正确选项的选择题。研究者用这套题目对美国454名高中学生和681名大学生进行了测试,在分析有效性的基础上又进行了修订,修订版本为DIRECT 1.1。研究者用修订版本对251名高中生(美国)和441名大学生(美国、加拿大、德国)再次进行了测试,对测试结果进行了详细的统计分析,揭示出许多学生存在的错误认识。研究结果表明,这两套测验都具有可靠性和有效性,既可以用于评估课程和教学方法,又可以深入了解学生对直流电路中电现象的理解情况。

  4. 课程设计和教学策略的研究进一步深化,推动了物理课堂教学改革

  由于大量研究结果揭示出传统物理课堂教学对于学生理解物理学核心概念的低效性,同时,对学生学习的研究也表明,自主钻研和合作学习可以提高学生的复杂推理技能。在这些认识的基础上,物理教育研究者尝试了多种方法来改革传统的物理教学,并对这些方法产生的实际效果进行深入分析和总结。

  例如,为了使学生更好地理解欧姆定律中电阻、电压和电流的关系,Laurent, Liegeois等研究者用计算机设计了新的教学策略来补充传统教学的不足。这种策略包括以下四个步骤:首先,学生展示简单电路图,要求他们利用电流和电阻推导电压,用图表形式而非数值形式向学生提供几种可能的结果;其次,用同样的方法让学生根据电压和电阻推导电流强度。第三,用同样的方法让学生根据电流强度和电压推导电阻;第四,给学生提供机会,利用他们得出的结果思考电流、电压和电阻三者之间的关系。最后,研究者对这种教学策略的效果进行了深入分析。

  2001年《美国物理》杂志发表的一篇论文中,CatherineErio对在大学物理教学中开展了10年的同伴教学进行了总结和深入研究。同伴教学是一种基于问题的合作学习方式,要求班级中每一个学生应用核心概念解决问题,并向其同伴讲解。在这种精心设计的问题教学过程中,教师将课程设计成一系列小单元,每个单元集中解决一个核心问题,紧接着对相关概念进行测试,检查学生对概念的理解。学生用12分钟时间独立完成,向教师汇报答案后再与周围同学交流,在交流过程中说明理由。24分钟后,教师再次收集学生答案并进行讲解,然后进入下一个单元。研究表明,这种教学促进了学生对物理概念的掌握,提高了解决问题的能力。

  三、总结

  国外的物理教育研究是建立在物理学科基础上的,其研究重点、研究内容和方法都有值得我们借鉴之处。学生是物理学习的主体,对学生物理学习过程的认识是课程改革和有效教学的依据。国外在研究学生学习具体物理内容的过程和学习困难方面已经取得的了大量成果,有关的研究正在不断深入。从论文选题和研究方法来看,国外的物理教育研究都是针对物理教学中的具体问题展开的,采用科学的研究方法进行实证研究,研究的过程和结果具有可检验性,具备了科学研究的特征,并且直接促进了物理教学改革。相比之下,我国在这方面的研究刚刚起步,需要在借鉴国外研究成果的基础上做大量深入细致的工作。