看看美国物理教育研究怎么搞

1、物理教育研究

物理教育研究是用科学研究方法研究物理教育中的实际问题，寻求有效解决方案，提高物理教育教学质量。在国际上，物理教育研究是一个很新的领域，其发展历史不到50年，美国是最活跃的国家之一。近年来，越来越多中国学者开始关注和进入这一领域，我们计划撰写一系列文章，介绍美国PER，给国内的研究者和教师提供一个捷径快速了解这个研究领域，从而推动PER在中国的发展。本文先整体概述美国PER领域，以后还将陆续撰写关于PER领域研究方法和每一个研究领域的研究进展与成果的综述性文章。

2、美国物理教育研究简史和背景

物理教育的研究不是突然出现的，它的成功源于几代人的工作，涉及物理教育者对教学内容、教师、学生和教学环境等各个方面及其之间的相互作用的思考和经验，加之一些心理学领域的研究者对物理教学中学生学习困难的关注和研究，逐渐形成了PER这一研究领域。1999年美国物理学会正式确定PER为物理研究领域的一个分支。

莉莲·麦克德莫特(Lillian McDermott)是公认的美国PER领域的创始人，麦克德莫特在华盛顿大学物理教育研究组工作时研究学生在学习物理核心概念时遇到的困难——学生的错误概念[1，2]，以此开启了美国PER这一个新的研究领域，她所在的华盛顿大学物理教育研究团队和乔·瑞蒂希（Joe Redish）带领的马里兰大学物理教育团队是美国最早开展物理教育研究的两个团队，除此之外，在美国较早成立物理教育研究团队的大学有：北卡罗莱纳州立大学、俄亥俄州立大学、明尼苏达大学、科罗拉多大学、缅因大学、哈佛大学等。从事PER的专家大多都在大学的物理系工作，他们在从事物理教学的同时研究物理教学中遇到的问题，寻找解决方案，促进学生对物理专业知识的学习和理解。物理教育研究领域的学者不仅需要物理专业知识，同时也需要教育学和心理学知识，因此PER是一个多学科交叉的学科领域。

早期物理教育研究的成果大多发表在《美国物理杂志》（American Journal of Physics），随着物理教育研究的蓬勃发展，需要更多的出版空间分享学者的研究成果，2005年在美国物理学会(American Physical Society，简称APS)和美国物理教师学会（American Association of Physics Teacher．简称AAPT）共同努力下，将PER作为物理学科的一个研究方向纳入到权威物理杂志《物理评论》（Physical Review）系列中，即《物理评论专刊——物理教育研究》（Physical Review Special Topics—Physics Education Research），由于PER的快速发展和取得的卓越成就，使这个新兴的学科在物理学界的地位日渐提高，该杂志在2016年更名为《Physical Review—Physics Education Research》，去掉了其中“专刊”两字用以表明物理教育研究和光学、凝聚态等地位平行，都是物理学的一个分支。随着物理教育研究的深入和发展，PER与其他越来越多的研究领域交叉融合，包括教育学、教育心理学、语言学、认知科学、测量与统计、计算机学科和人类学等，因此物理教育研究的文章还常常出现在与这些领域相关杂志上，例如：《认知与教学》（Cognition and Instruction）、 《学与教》（Learning and Instruction）、 《学习科学杂志》（Journal of the Learning Sciences）、 《科学教学研究杂志》（Journal of Research in Science Teaching）、《科学教育研究》（Research in Science Education）、《科学和数学教育国际杂志》（International Journal of Science and Mathematics Education）。除了发表文章，学术会议也是研究者和教师交流和分享的重要平台，美国物理教育研究领域的会议有AAPT会议：每年两次：冬季一次，夏季一次。从1997年以来，在每年夏季的AAPT会议之后接着物理教育研究年会(Physics Education Research Conference，简称PERC)会议，两个会议时间相连，地点相同。每年PERC接收学者的会议投稿，经过同行审议后达到高学术标准文章被正式收录在会议文集《PERC Proceedings》上，在2016年PERC上正式发表的文章有98篇[3]。除了上述两个会议外，从2005年起，缅因大学每两年主办一次关于物理教育研究的基础和前沿的研讨会。

在美国，PER和其他科学领域一样可以得到美国国家科学基金（National Science Foundation，简称NSF）的项目资助，一般一个项目资助金额在几十万到上百万美元，项目执行期为2~4年，要求项目研究成果有利于推进人类文化和教育的发展，提高教育教学质量，并没有必须发表文章和出版专著等“硬”指标要求。由于物理教育研究需要的样本量大，教学研究实验周期长（课程教学通常以一个学期为一个周期，再次重复需要等到第二年的对应学期），在一个项目研究结束后，还可以继续申请同一系列的项目，以求做得更加深入和完整，获得具有普遍理论意义或有广泛应用价值的成果。例如：哈佛大学物理系教授埃里克·马祖尔（Eric Mazur）从1993年获得NSF的支持开始研究和开发同伴教学法（Peer Instruction，简称PI），到2001年的8年时间中，三次获得NSF的支持，完成从PI教学法的开发、教学实践和实证研究、网上资源建设等一系列成果。20多年来，PI教学法在世界很多个国家的大中小学的不同学科得到了广泛应用，取得显著教学效果，2014年，马祖尔教授作为物理教育研究领域的学者获得首届全球高等教育最高奖密涅瓦（Minerva）奖（该奖相当于教育学科的诺贝尔奖）。除了NSF外，物理教育研究的学者还可以从教育科学协会（Institute of Educational Sciences，简称IES)、州政府、研究者所在的大学和院系得到PER项目资金的支持。

3、物理教育研究方法

物理教育研究方法有定性研究（Qualitative Research）和定量研究（Quantitative Research）两种研究方法，目的都是寻求事实证据和数据得出研究结论，需要根据研究问题选择适合的研究方法。在研究过程中，有意识地特别地去关注物理教育研究的复杂性是非常重要的。

在物理教育研究中常用的定量研究方法有：描述统计、推论统计、测试工具的开发和检验。物理教育研究中用到量化方法的3种主要类型是：调查研究、实验/准实验研究、测量与评价研究，其中前两个研究是直接使用测量工具，第三个研究涉及测试工具的开发[4-6]。

1992年，由海斯顿斯等人（Hestenes, Swackhammer and Wells）开发的力学测试量表(Force Concept Inventory，简称FCI) 在美国物理教育研究发展史中具有重要意义[7]。首先，FCI是物理教育研究中关于概念测量的第一个测试量表，为教育研究者使用定量研究的方法对教学进行科学评估提供了研究工具。其次，1998年理查德·哈克（Richard Hake）使用FCI对6000名学生进行了调查，比较了使用传统教学方法和互动教学方法讲授物理课程的学生获得的收益 ——标准化增益（Average Normalized Gain)情况，数据结果表明使用传统教学方法学生获得的收益低得让人震惊，而使用互动教学方法可以改善这个状况[8]。与通常使用教学经验总结的主观评价方式不同，此项研究首次使用科学量化方法对课程教学效果进行评价，得出结果更具有说服力，容易被一些只有物理科研背景没有物理教育研究背景的大学教师所接受。哈佛大学物理教授马祖尔就是在知道哈克的研究结果后，重复实验并验证其结果，确信使用传统教学方法讲授物理课程无法取得良好效果，开始致力于教学方法的改革。马祖尔教授借鉴教育研究的相关结果，开发了PI教学法，提高了物理教学质量。理查德·哈克在物理教育研究中使用评估工具进行定量研究方面起到了重要的引领作用。此后，PER学者陆续开发出一系列测试工具，例如电磁学概念测试量表[9，10](Conceptual Survey in Electricity and Magnetism,简称CSEM)，能量概念测试工具(Energy Concept Assessment简称ECA)[11]，量子力学测试量表[12]（Quantum Mechanic Conceptual Survey，简称QMCS）等，推动了PER定量研究的快速发展。需要说明的是:与编制一个期末考试试卷不同，开发PER测量工具是一个费时费力耗资巨大的工程，通常从系统开发到验证其可靠性需要花费几年时间，因此任何使用者都有责任正确使用并维护和保管好这些测试工具，在使用过程中下面的行为都将造成量表的失效：

(1)  公开这些测试量表使学生容易获得;

(2) 测试时标出量表名字使学生可以在网络上搜索到测试量表;

(3) 向学生讲解测试题目的答案;

(4) 将测试工具中的一些测试题目抽出来单独使用或与其他来源的题目重新拼凑成新的测试量表;

(5) 使用不完整的测试量表进行测试。

使用合适的测试工具，可以实现定量研究，定量研究可以方便地对大样本进行测试，针对特定研究对象的总体得出统计结果，因此定量研究的结果可以外推。定量研究的结果信息是用数据表示，方便进行客观比较，获得统计趋势、均值比较或相关性等信息。如果试图解释和了解为什么会有这样的数据结果，需要对数据加以诠释，此时，定量研究者通常需要借助一些理论和文献对结果给出解释，但也可能是基于个人的观点、假设或思想给出的诠释，因而也具有主观性。

定性研究的目的是了解和理解行为与观点、识别过程得以深入了解他人的体验。PER使用的定性研究的手段有：深度访谈、焦点小组讨论、观察、内容分析法、可视化手段等。通常定性研究的受访者人数少，不是随机地超募，需要有针对性地选取，受访者必须能提供有关研究主题的丰富信息。定性研究具有探索性、诊断性和预测性等特点，它并不追求精确的结论，而只是了解问题之所在，摸清情况，得出感性认识，因此定性研究所得结论不可以外推。定性研究数据是文本，但不是对受访者回答的简单复述，与其他类型的研究一样，定性研究也是系统化的，从研究的前期设计、数据采集，后期的文本转录方法、编码的分类、推论分析、归纳形成理论，每一步都有其研究范式和途径。

近年来，PER研究者发现，定量研究和定性研究具有各自优势和特点：定量研究方法可以在宏观层面对研究对象进行大规模的调查和预测，而定性研究可以在微观层面对个别事物进行细致、动态的描述和分析。可以将两种研究方法有效结合或混合使用，例如：在定量研究之后，分析数据，找出需要解释的问题，选择受访者进行定性研究，解释定量研究的结果，揭示某些特定行为的趋势或模式，解释趋势背后的过程、潜在行为、观点和动机等。相反也可以用定性研究发现研究假设，而用定量研究来检验假设，例如，在编制物理测试问卷时，可以先使用开放性的问卷，让学生自由解答题目，研究获得学生答案类型，然后依此结果编制多项选择题，进行大规模测试。另外，定性的研究数据也可以通过编码等不同形式转化成定量数据。

4、物理教育研究的主要研究方向和热点

从20世纪70年代起，研究者和教师逐渐意识到学生在概念掌握上存在很多困难，例如：当一个大卡车和一个小汽车相撞时，它们之间相互作用力相等，而学生认为大车给小车的力更大，因为小车的损坏更严重，小车的速度变化更大等等；对于电流在通过用电器后其大小不变的概念，学生也很难理解，他们认为既然电流不变为什么电池会被用尽，为什么要收使用者的电费呢？对于学生的这些概念，研究者称之为错误概念（misconceptions），朴素概念（nave conception）和前概念（preconception）。本文统称为错误概念，有学者认为对错误概念的研究标志着现代物理教育研究的开始。早期的研究包括：识别学生的错误概念和评价哪些教学策略可以有效地转变学生的错误概念利于形成科学概念——称为概念转变（conceptions change）。为了定量研究学生物理概念的水平和发展变化，研究者开发了许多概念测试量表，如前所述的FCI、BEMA、ECA等。最近有学者开始研究学生错误概念的本质和起源，以及学生概念转变是如何发生的。这一类研究构成PER的一个研究方向——概念理解（conceptual understanding）。

由于解决物理问题在物理教学过程中占有重要地位，因此问题解决（problem-solving performance）也是物理教育研究中的一个研究方向，主要研究学生在解题过程中的行为，比较学生和经验丰富的专家在解决物理问题的过程中使用的方法和策略有什么不同[13，14]。例如：在对物理题目进行分类时，专家依据解决问题需要的物理本质规律，将需要使用能量守恒的题目归为一类，而新手关注的是题目的表面特征，将题目按照“弹簧问题”“斜面问题”等进行分类[15]。此外，在这个领域中研究者还研究例题设计、题目多重表征[16]（multiple representation）和解决物理问题中需要的数学能力等方面对学生问题解决的影响；评估解题教学策略的有效性也是这个领域研究的一个方向。最近几年，美国俄亥俄州立大学丁林（Lin Ding）研究团队在NSF支持下研究学生解决复杂物理问题（synthesis problem）的能力，从认知心理和物理题目情景等多重维度对学生在解决复杂问题时遇到的困难进行了深入研究，将复杂物理问题进行了科学分类，设计了4种主要解决策略和教学支架，研究评价了这些教学策略在提高学生解决复杂问题能力的适用性和有效性[17-19]。

师生对物理教学的态度和信念（attitudes and beliefs about learning and teaching）对他们讲授和学习物理产生直接和重大的影响，因此物理教育研究一直致力于研究教师和学生的物理认识论——关于对物理的本质和物理学习方法的认识。相关的测试量表有马里兰州物理学期望调查（Maryland Physics Expectation Survey，简称MPEX）[20]和科学调查（Views about Science Survey，简称VASS） [21]，科罗拉多大学在前面几个量表的基础上，新开发了一个测试量表C-LASS （Colorado Learning Attitudes About Science Survey）[22]。物理教育已有的一些研究表明：使用传统的教学方法，学生学习物理时间越长，掌握物理知识越多，但是学生对物理的认知水平却负向移动——学生的观点更加远离物理专家的观点，更向新手方向移动[23-26]。而在一些基于教学方法改革的物理课程中实现了学生物理认知的正向移动，例如：物理与生活（Physics and Everyday Thinking，简称 PET）课程[27]，建模教学方法（Modeling Instruction，简称MI）课程[28，29]，物理探究（Physics by Inquiry,简称PBI)课程[30]和使用PI教学法的课程[31]。

大量研究表明：一些基于物理教育研究成果开发的新的教学方法可以有效解决传统教学方法中存在的问题，提高物理教育教学质量。其中一些教学方法不需要改变传统的教室结构，可以方便地嵌入在传统教学方法中，例如：PI教学法 [32]，基于课堂演示实验的互动教学法（Interactive Lecture Demonstrations,简称ILD）[33]，及时教学法 (Just-in-Time Teaching，简称JiTT)[34]等。有一些教学法需要改变传统教室的课座椅结构，将物理实验和物理理论学习融合在一起，方便基于实验合作探究，例如：物理探究（Physics by Inquiry，简称PbI) [35]，物理工作坊（Workshop Physics，简称(WP) [36]，以学生为中心的大学课程主动学习环境（Student-Centered Active Learning Environment for Undergraduate Programs，简称SCALE-UP）[37，38]；在复习辅导课中使用的新的教学方法有物理辅导课(Tutorials in Introductory Physics，简称TIP) [39，40]和基于活动的辅导课 (Activity-Based Tutorials，简称ABT)[41]；传统实验课程中学生通常是按照“菜谱”做实验，实验课的教学方法改革主要是利用计算机技术、视频分析软件等辅助实验，在实验中让学生主动探究和合作讨论共同解决问题。亨德森（Henderson）和丹西（Dancy）对美国722名教师的调查数据表明，87.1%的教师知道一种新的教学方法，约一半教师熟悉6种以上的教学策略。大约一半的教师在他们的教学中使用改革后的教学方法，最常用的是PI教学法[42]。

多年来，物理教育研究者针对物理教育中的问题开展了多方面的研究，生成了多个研究方向和研究热点，除了上面介绍的概念理解、问题解决、学习态度、课程与教学（Curriculum and Instruction）几个研究方向外，还有关于评价（Assessment）、认知心理学（Cognitive Psychology）和教育技术（Educational Technology）等研究方向。从认知心理学等研究领域到社会的经济、政治和科技文化等诸多方面的进步与发展都在进一步拓展物理教育研究领域的带宽，使其理论和方法日益深入和丰富。

因此，物理教育研究领域是一个多元化、复杂但是非常有魅力的研究领域，研究者在其中可以发现物理教育中的问题，研究设计解决方案，用于改进教学，然后在教学实践中验证其效果，使教学更有效。已经有越来越多的教师和研究者对这个领域感兴趣并参与其中，因为当一名物理教师在物理教学过程中做些物理教育研究，或者只是将物理教育研究结果应用于自己的物理教学之中，都会发现自己的教学生涯会因此变得“有物理也有诗和远方。”