物理教育研究改进学生学习的关键.doc

啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊学生之所以存在某些概念上的困难,缺乏应用这些概念所必须的定性推理能力是一个重要原因.学生往往认识不到逻辑推理的关键性作用,不理解合乎物理学要求的解释应该由什么.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进学生学习的关键啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊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进学生学习的关键2001年美国物理教师协会奥斯特奖受奖演讲*（美）华盛顿大学物理系 莉莲麦克德莫特 著 李萍昌 罗星凯 译中文译文原载：物理通报2001年第10、第11期连载摘 要物理学与教的研究对物理教育的不断改进是至关重要的。有系统地进行的研究工作成效更高，而且更有可能使研究成果超越具体的教师和教学条件而具有普适性。最基本的考虑是教学既是一种艺术也是一门科学。由活跃在教学第一线的物理学者所进行的研究，为确立切合实际的教育标准、为帮助学生达成学习目标及评估学习实效，能够起到关键的作用。首先，我要感谢美国物理教师协会授予我2001年度奥斯特奖章。这个荣誉所褒奖的成就是我所在的华盛顿大学物理教育研究所的同事、博士后研究人员、研究生、中小学进修教师以及本科生多年来共同努力的结果，其中还包括许多长期和短期的访问学者的贡献。除此之外，我还要向那些直接参与我们研究项目的人士、研究结果的使用者以及支持者表示衷心的谢意。必须强调的是，我认为这一殊荣是对我们整个物理教育研究学术共同体工作的褒奖，同时，这也是对物理学与教的研究工作学术价值的一种认可。我很庆幸能加入先前获奖的那些杰出人士之列，同时也倍感压力。像他们中的许多人一样，我也要利用这个难得的机会与大家分享一些我们从研究工作中领悟到的东西。我认为，我们研究所在过去二十多年里所取得的最大成果，是展示了基于具体学科的教育研究的重要价值。从1973年起，我们开始研究学生对一维运动的理解，研究的结果导致了1980年12月发表的关于速度的论文和1981年1月发表的有关加速度的论文。它们是同类文章在美国物理杂志上的首次发表。自那时起，情形开始发生了重大的变化。现在，美国国内已有若干个专门研究物理教育的集体，积累了大量的研究文献。今天，我不打算为此做一个综述报告，我将集中介绍我们华盛顿大学物理教育研究所的工作，那才是我最熟悉的。尽管所涉及的数据、解释和结论均出自我们的研究工作，但是我将尽量提炼出物理教育研究中那些我认为最重要和最具普适性的特征。.引言物理教育研究不同于传统的教育研究，它所关注的不是一般意义上的教育理论或方法论，而是学生对科学知识的理解。出于知识能力和实践方面的原因，基于物理学科的物理教育研究工作应该由理科系的科学教学人员来做。有证据表明，这是一种改进学生（从幼儿一直到研究生）物理学习的有效途径。在这里，我要与大家探讨的重点是学习普通物理的大学生、中小学进修教师，对于担当助教的研究生也有所论及。不过，研究成果对于更高一级的物理课程的教学同样也具有指导意义。.教学既是一种艺术也是一门科学许多物理同行认为教学仅仅是一种艺术。这种传统观点，在1933年美国物理教师协会出版的第一期物理教师杂志的第一篇文章物理就是物理里，很清楚地表达了出来1。认为教学十分重要的F. K. Richtmyer在他的这篇文章里坚持认为教学只是一种艺术而不是科学。他引用了R. A. 密立根关于科学是“一个为该领域的所有人士所接纳为正确的事实性知识体系”的说法。Richtmyer教授接着写道：“没有一个合理的、由公认的事实构成的基础，任何一个学科都不能称之为科学。如果接受这种科学的定义（我个人认为其非常合理），那么，就必须承认我们没有任何理由把教学视为一门科学。”尽管科学的这一个定义多少有些过分狭隘，我们仍然要挑战文中暗含的关于物理（推而广之，还有其他科学学科）教学不可能建立“一个合理的、由公认的事实构成的基础”的断言。我们华盛顿大学物理研究所认为，对物理的学与教的研究是一种实证性应用科学。在研究过程中，我们尽一切可能地坚持实验物理学所信奉的证据法则。出于这个目的，我们对研究程序和结果的有关资料进行了说明，使之具备可重复性。除了研究本身对我们的吸引力，我们还相信物理教育研究是学生学好物理的关键。我们对从大学一年级到研究生层次的学习物理的学生在重要的概念和原理上的理解进行了系统的调查研究。我们运用这些研究结果来指导教材开发并在学生已有的基础上评估它的有效性。参与我们工作的研究生通过此类研究而获得了他们的物理博士学位。与其他科学家一样，我们也在各种专业会议和专业杂志上发表了我们的研究结果。我们的研究结果支持教学可以成为一门科学的观点。不管是在进行正常的课堂学习、阅读和实验操作之前还是之后，由不同教师任教的学习同等课程的学生处理相同问题时的方式都惊人地相似。在学习各个知识点时，我们发现学生都会遭遇到某些特定的概念上和推理上的困难。随着教育研究、课程改进以及教学改革的不断发展，我们可以找出这些困难，对之进行分析并找到有效的解决策略。尽管各个学生都有各自的最佳学习方式，但是学习并不象人们通常认为的那样完全因人而异、没有可以把握的共性。学习不同课程、师从不同教师甚至是生活在不同制度下的学生，在学习中所遇到的困难及其有效的解决策略通常都具有共性。当研究结果可以在不同的情境中得到验证时事实上这是经常发生的情形，它们便构建起了“一个合理的、由公认的事实构成的基础”。迄今为止，迅猛发展的物理教育研究已经为物理教学的改进提供了一个厚实的资源基础2。公开交流研究成果、促进新知识的传播和发展是科学的特征之一。就此而言，我们全体物理教育研究者都非常乐于相互交流、合作、共同提高，教学也可以成为一门科学。A. 衡量教学效果的标准对教学效果的评估标准的选取可以反映出一个人的教学观。当教学被视为一种艺术时，教师的个人品质和风格就会对评价结果产生巨大的影响，评估标准将不可避免地带上浓厚的主观色彩。教师往往是根据他们对学生的知识掌握程度和满意程度的印象来判断新课程或教学改革的成败。富有感染力的教师可以鼓舞学生，激发起他们的学习兴趣。然而，这种效果往往只能局限在这个教师本人的课堂之中，很难迁移到其他课堂。学生对一门课程或教师的评价通常被接纳为教学效果评估的一个组成部分，这与教学是一种艺术的观点是相一致的。可是在对比测试中，我们发现有不少学生评价低的教师的学生表现优于评价高的教师的学生的情况。此外，学生对自己的学习成就的评估也常常与实际有很大出入。我们发现，假如以学生的学习（区别于热情）作为评估标准，有效的教学与教师的感染力、学生对课程和教师的评价或学生对学习的自我评价的关联并非如人们所想象的那样紧密。基于教学是一门科学的观点，我们研究小组认为教学效果的基本评估标准应该是对学生学习的评估。B. 以作为学习者的学生为研究重心我们研究的重心是作为学习者的学生而不是教师。我们研究了各种类型的学生，其中包括大学普通物理、初级物理、理论物理和研究生物理、工程物理以及中小学物理或科学教师进修课程的学习者。我们对学习者在教学进程中的知识掌握情况及其智力状态进行了探测。我们主要使用两种研究方法：帮助深入探测学生思维的个别面试以及可提供统计数据的大范围笔试。此外，我们还通过一些非正式的途径来获取这类信息，例如与学生的对话、详细研究他们的作业和文字报告以及在课堂上观察学生与同伴及教师的互动情况等等。研究结果用于指导课程的改进。评估是研究过程的一个重要组成部分，通常都包括对学生在进行某个教学活动之前和之后的测试表现进行比较分析。III. 特别物理课程教学实践和研究的启示华盛顿大学物理教育研究所有两个主要的课程开发项目：探究物理（Wiley，1996）和普通物理辅导（Prentice Hall，1998）3。它们都是我们进行特别物理课程教学实践和研究的结晶。在过去超过25年的时间里，我们在各个学年以及由国家科学基金会资助的暑期进修班里为职前和在职的教师设置了特别的物理课程，目的是帮助他们掌握运用科学探究进行物理以及物质科学教学的方法。另外，我们还为那些想在将来从事与科学有关的职业、但是缺乏进一步学习所必须掌握的物理知识基础的学生进行了班级较小的培训。这些特别课程的开设为我们提供了与学生紧密接触的机会，使我们可以观察到学生在试图理解那些重要的概念和原理时所经历的智力上的“斗争”。我们发现，不管先前的基础是好是坏，学生在学习物理时常常会遇到相同的困难。基础差的学生的数学素养通常也不佳，这反而便于我们去识别和探测这些共同困难的特性。日复一日的课堂互动，使我们得以详细探究这些特定困难的特性、试验不同的教学策略并监控它们对学生学习的影响。A. 对学生理解的研究：一个电路学习的例子下面，让我为大家对作为我们研究组的课程建设理论基础的研究做些简要的介绍。其中的一个研究课题是学生对电路的理解。这个研究持续了许多年，我们调查了从普通物理学习者一直到研究生的各个层次的学生4。研究的结果已为大家所熟知，在此仅做一概要的叙述。图1在图1（a）所示的问题里，学生要比较分别连在三个电路里的、相同灯泡的亮度并按大小排出顺序。这个问题在不同的课堂中运用了许多年。有时作为前测，有时是作为后测。对于通常的教学而言，它们的结果没有什么差别，因此在表1中未予区分。由表可见，在一千多名学习普通物理的学生中只有15%的学生给出了正确的答案（ADEBC）。对高中物理教师以及大学中非物理专业的科学和数学教师的测试结果与此相同。担任助教的研究生的正确率仅有70%。对此结果的分析揭示出了两个非常普遍的错误观念：“电池是个提供稳恒电流的装置”和“电流在电路中被消耗尽了”。对于所有的被试来说，困难的深层原因似乎是他们缺乏有关电路的概念性模型。表1大学生人数1000中学物理教师人数200非物理专业的大学科学和数学教师人数100研究生助教人数55答对率15%15%15%70%B. 引导探究的基本教学过程上述的特别课程为探究物理一书提供了编写的素材。探究物理是一种独立成套的、以实验为基础的课程，目的是要帮助学生建立起各个重要的物理知识点的内在一致的概念框架。探究物理不同于一般的教材，它并不罗列出各个知识点的详细内容，也不给出权威的解释。它的教学单元由精心组织的实验、训练和问题构成，旨在让学生积极地建构起自己的重要概念并应用于各种实际情境之中。这种教学方法可称之为引导探究。尽管编写探究物理的初衷是为中小学教师提供进修教材，但实践业已证明，它还可以为基础较差或非科学专业的学生学好物理打下坚实的基础。上述的电路单元是一个展示研究成果如何融入探究物理的例子。在该单元的学习过程中，学生被引导去构建出一个简单电路的定性模型，同时还着重解决了由物理教育研究所探明的学习难点。C. 对学生学习的评估对于各个层次的中小学教师，简单电路的教学策略都取得了成功。图1（b）是一道在教学后使用的测试题（后测题），要求学生排列出同样灯泡的亮度大小次序(EABCD)。小学和初中教师的数学素养通常低于基于微积分的普通物理课程的学习者，然而，他们在这道以及其他更为复杂的电路（连有电阻）的后测题中的表现，普遍优于那些没有参与本课程学习的物理或工程专业的大部分学生。D. 评论我们认为，探究物理得以成功的主要原因，在于学生必须逐步地进行必要的推理、克服概念上的障碍并建立起连贯一致的概念框架。此外, 还有其他一些我们认为也是相当重要的特点。合作和互助是学习探究物理的有机组成部分。学生分成小组，以问题和练习为线索进行开放式的探究，做简单的实验，讨论他们的发现，比较他们的解释，共同建构能帮助他们解释所观察到的实验现象并做出预测的定性模型。重点放在以口头与文字提出解释时的推理过程。教师并不做直接讲授，只是提出一些促使学生钻研、思索教学材料的问题。对于大多数的疑问，最合适的回应不是直接给出答案，而是提出能够帮助学生找到自己的答案的另一个问题。. 常规普通物理课程教学实践与研究的启示简单电路问题仅仅是我们检测学生理解的众多研究课题中的一个。我们的研究涉及众多的课程和好几个教学层次，尤其关注于普通物理。A. 改进学生学习的需要普通物理课程的任课教师非常努力地备课，做尽可能明晰的讲解、示范并阐明问题解决的程序，他们希望学生能够在学习如何解决典型物理问题的过程中形成重要的物理概念而且能把这些概念整合到连贯一致的概念框架中去，同时发展在简单情境中应用这些概念所必须的推理能力。此外，还期待着学生学会在物理理论与真实世界的事物间建立起紧密的联系。然而，大量的研究事实表明，学生很难达到这些就他们的能力而言本来可以达到的教学目标。很少学生能够对他们学习过的内容形成实质性的理解。课程目标与学生学习所得之间的差距反映出了存在于教师与学生之间的距离。在普通物理的实际教学过程中，许多教师是从他们自己当前所处的或是他们认为自己当年作为学生时所处的角度出发思考教学。他们习惯于把学生看成是自己的年轻“翻版”。这种学生观不利于一般的普通物理教学，因为只有不到5%的学生将继续学习物理，而对于其他的大部分学生来说，这已是他们学习物理的最终课程了。对物理学的实质性理解，意味着在与学习情境不同的各种情形中解释、运用物理知识的能力（随受教育层次的提高而增强）。物理专业学生最终可能会具备这种能力，而大多数的其他学生则无法达到这个要求。尽管教师希望他们能帮助学生发展科学的推理技能，一般的普通物理课程中的问题解决模式却并不利于达到这个目标，它们所能产生的结果往往是加强了在人们心目中普遍存在的误解：那就是把物理当作是一堆事实与公式，认为解决物理问题就是去寻找合适的公式。然而，即使是那些准确记住了的公式，在课程结束以后也很有可能会被遗忘掉。对重要物理概念的理解与运用这些概念时所必需的逻辑推理能力具有更重要的价值。B. 编写普通物理辅导的动机探究物理课程在进修教师和其他一些学生当中的成功，促使我们产生了建构一门改进普通物理教学的课程以加强学生的认知体验的想法。可是，如何保证让学生全身心地投入基于微积分或代数的物理课程的学习是一个更为严峻的挑战。人数众多的班级和内容繁多的覆盖面使我们无法原样照搬探究物理的编写模式。我们为应对这一挑战所进行的研究的大部分成果，不仅在华盛顿大学而且在其他的教学情境的应用中都取得了令人满意的效果。普通物理辅导就是我们的回应。普通物理辅导的编写目的，是要为一般的基于微积分或代数的物理课程的讲授和教材做一些重要的补充。尽管普通物理辅导的编写目的之一是要满足大班级的需要，它最重要的特色却是其在各种各样教学情境中的普适性。我们现在关注的是普通物理教学，但是我们以及其他一些同行都发现它所应用的策略在更为高级的课程中同样有效。. 从对学与教的研究中得出的一些结论我们通过研究、课程开发以及教学实践得出了对学与教的一些认识。它们是得到了证实的经验性归纳，也是我们研究结果的推论5 。早年的研究和探究物理的编写是这些认识的最初基础。在后来进行的对探究物理和普通物理辅导这两门课程的开发与教学的实践证实了这些认识的正确性，而且进一步丰富了这些认识，从而加强了它们的适用性。它们是我们研究所开发课程的实际模型。下面我们介绍其中被实践证实是特别具有实际价值的几点认识。选作说明的例子出自我们对学生学习物理光学时的理解的研究6，这项长期研究的对象包括普通物理与更高一级物理课程的学习者以及物理专业的研究生。A. 来自研究的关于学生学习的认识以下所举的例子可以作为对学生学习的一些归纳性认识的根据，其他的认识则为我们更为广泛的研究所支持。1.能熟练解答标准的定量计算题并不一定意味着真正的理解，需要定性推理和文字解释的问题对于评估学生学习来说是必不可少的。尽管有经验的教师知道在自己所教和学生所学之间存在差距，但是大都不知道这差距到底有多大。评估学生的理解水平的传统方法是考察他们在处理定量计算题时的表现。如果班上有相当大的一部分学生的得分是A或B，教师可能就会认为学生已经达到了教学内容所要求的理解。然而，学生常常是靠死记硬背的公式来获取定量计算答案的。教师评卷时过分慷慨地给予学生一些局部“正确”的细分，也会掩盖住学生缺乏理解的真实情况。（a）光遮光板光屏（b）图2定性问题的重要性为我们所有的研究所证明。作为说明，我们来看几个物理光学的例子。我们研究的部分目的，是试图确定学习一般的物理光学课程的学生对教学内容的真实掌握情况。下面的两个问题所揭示出的信息本质上是相同的。a.单缝衍射的定量计算问题我们曾用图2（a）所示的问题考察过大约130个学生。光线射向宽度a = q.的狭缝，要求判断屏幕上是否有暗条纹，如果有，要计算出第一个暗条纹对狭缝的张角。由于缝宽大于波长，将出现暗条纹。利用公式a sin q=可以求出张角q= arcsin (0.25) 14。大约有85%的学生认为将会出现暗条纹，大概70%计算出了正确的角度（参看表2第1列）。b.单缝衍射的定性问题图2（b）给出了有几个暗条纹的单缝衍射图案。它是由波长为l的激光照射到一个有竖直狭缝的遮光板后在屏幕上形成的。要求学生判断狭缝宽度a是大于还是小于或是等于波长l，并说明理由（给出衍射角公式，供学生参考）。由于在屏幕上出现暗条纹，可知衍射角小于90，依据公式a sin q =，因为sin q l。在进行了常规的单缝衍射教学后，我们让大约510个学生，其中包括那130名参加了定量计算题测试的学生，来回答这个问题。结果让人遗憾，判断正确的学生大概是45%，只有10%的学生给出了正确的解释（参见表2第2列）。在为研究生助教举办的（95人）教学研讨班上，我们也用此题做了调查，结果只有大约半数的研究生给出了推理正确的回答（见表2第3列）。表2大学生研究生助教定量计算题人数130定性题人数510定性题人数9570%判断正确且算出正确角度10%判断正确且解释正确55%判断正确且解释正确c.定性题与定量题的调查结果比较普通物理学习者处理这两类题目时在方法上的差异，为我们提供了他们解决问题的实际能力的有关信息。如表2所示，定性题的答对率远远低于定量题。先前做过定量计算题的那130名学生，表现与那些没有此类经验的学生无异。很明显，定量题的解答能力并不是概念性理解程度的可靠指标。2.传统教学没能明显地提高学生将所学理论与现实世界联系起来的能力。在物理学中，运用和理解形式表达（方程式、图表和曲线）的能力非常重要。定性题的测试表明，许多学生并不能把他们所记忆（或得到）的有关衍射暗条纹位置的公式与衍射图案建立起联系。下文的两个例子可进一步说明这个问题。3.传统教学没能使学生克服某些概念性困难（高一级课程的学习也不一定能加深对基本概念的理解）。研究表明，教学进行之后，在学生中依然会存在某些概念性困难。以下的两个例子显示，学生常常为光的不同模型以及把光理解为射线、波或粒子的不同情境而陷入困惑。所有受测试的学生至少都学习过关于光的直线传播与波动模型，但是在解释这些现象时都遇到极大的困难。a.双缝干涉的定性问题（a）（b）图3给学生一张有双缝干涉图样的中间部分的照片，图中各条明条纹有着相似的亮度（见图3（a）。要求他们画出在遮住左狭缝时将在屏幕上出现的情形。只有在认识到暗条纹的产生是来自两道狭缝的光相互削弱的结果、每个狭缝都可以看为一个线形光源时，学生才可能正确解答这个问题。在左狭缝被遮蔽的情况下，暗条纹将消失，屏幕将是（接近均匀的）一片明亮。我们在几次常规的基于微积分的课程讲授中对学生进行了前测与后测（600人），结果几乎一样。最佳的时候，有40%的学生得到正确答案。总体而言，大约有45%的学生是从几何光学的角度来解决这个问题。许多学生声称，干涉图样将不会改变，只是暗一些而已。其他学生则预测会消失一半干涉图样或者是每隔一个消失一个亮条纹（见图3（b）。b.单缝衍射的个别面试除书面测试之外，我们还对学生进行了个别面试。在参与面试的46个学生中有16人是普通物理学习者，另外30人是大学二年级的理论物理学习者。他们都是志愿参加者，他们的成绩处于或高于同年级的平均水平。面试时，我们出示一个小灯泡，一个屏幕以及一个有矩形小缝隙的遮光板，要求学生预测当缝隙缩小成狭缝时在屏幕上出现的现象。最初，屏幕上将出现缝隙的几何形状，最后出现的将是衍射条纹。在回答这一个和别的问题时，这两类学生往往都会应用一些既有几何光学又有物理光学内容的混合模型。例如，有些学生认为干涉图样的中间亮条纹是狭缝的几何形状，周围的条纹则是光线在狭缝边缘发生了弯曲的结果。他们共同存在的另一个问题是他们都有为波长或振幅赋予空间尺度的倾向。许多学生认为干涉是光波是否与狭缝相“吻合”的结果。一些普通物理学习者认为只有光波的振幅小于狭缝的宽度光才能通过狭缝，否则不能通过（见图4（a）与（b）。一些理论物理学习者也有相似的观点，只不过是把光波看成是由光量子组成的正弦曲线而已（见图5）。他们画出的图表，同样表明了他们认为光波的振幅大于狭缝宽度时光子无法通过狭缝的观点。在物理光学以及其他的物理领域，我们都发现，高一级课程的学习并不一定能加深学生对基本概念的理解。除非在讲授普通物理课程时着重强调并加以解决，否则，问题将很可能继续存在。4.传统教学通常无法为学生建立起连贯一致的概念性框架。在学完普通物理课程之后，有许多学生仍然不能为那些重要的基本物理知识点建立起连贯一致的概念性框架。上文所提及的对学生如何理解电路的研究就证明了这一点。物理光学的例子也提供了很好的佐证。对物理光学问题的笔试和面试结果的分析，揭示了在学生当中存在着的一些概念上的困难。其中包括：(1) 应用既有几何光学又有物理光学内容的混合模型，(2) 有为光波的波长或振幅赋予空间尺度以判断光波是否能够“通过”狭缝的倾向，(3)缺乏干涉图样是光通过两个或两个以上的狭缝之后叠加产生的结果的认识。学生所遇到的这些以及别的一些困难的根源，是他们没能把衍射、干涉现象与光程差（或位相差）联系起来。他们没有建立起可以用来解释光在远场发生衍射和干涉现象的基本波动模型。建立光的波动模型可能应该是理解物质的波动性的先决条件。因此，沟通理论物理和普通物理的改革理论物理知识向普通物理课程的渗透，有其明确的意义。研究结果显示，高一级的物理课程的学习困难源自低一级的课程。5.传统教学往往无助于提高学生的逻辑推理能力。学生之所以存在某些概念上的困难，缺乏应用这些概念所必须的定性推理能力是一个重要原因。学生往往认识不到逻辑推理的关键性作用，不理解合乎物理学要求的解释应该由什么构成。我们的研究提供了许多例证。例如，对于刚才讨论的单缝衍射定量计算题，很多学生利用单缝衍射角公式确定出了第一级暗条纹的位置；但是在处理定性问题时，他们中的许多人却不能根据照片上出现衍射暗条纹的事实，通过必要的推理得出缝宽必须大于波长的结论。6.对于大多数学生而言，讲授法是一种低效的教学方法。这是基于我们对学生在学习力学、电学、磁学、电磁波、几何与现代光学、流体静力学以及热力学等各个物理学分支领域时的理解所做的研究得出的结论。在所有的这些物理学分支领域中，我们发现学生对某些类型的定性问题的处理方式不管是在传统的教学之前还是之后、所使用的数学工具是微积分还是代数、有没有示范和实验操作、班级规模是大是小，也不管讲授者是否有名望，其实质都是一样的。B.来自研究的关于教学的认识对于教学来说，关于学生学习的研究认识的重要意义是不言而喻的。我们在课程的开发及其有效性的实验的实践里也总结出了一系列与之对应的基于研究的教学原则。下面，在每一点教学原则（粗斜体字）之前我们再次重复相应的学习认识。1.能熟练解答标准的定量计算题并不是实质性理解的充足证据。需要定性推理和文字解释的问题是用来评估学生学习的有力工具，也是帮助学生学习的有效策略。如前所述，传统的教学方法似乎不足以帮助大多数学生发展对物理基本知识的实质性理解。听课、阅读教材、解定量计算题、观察演示实验以及动手做实验等一系列教学活动对于学生学习的改进常常是惊人地低效。我们发现，向学生提出不能仅靠记忆就能解决的定性问题、帮助他们学会如何处理此类题目并坚持在他们进行必要的逻辑推理之前不公布正确答案，是一种有效的教学方法。2. 传统教学没能明显地提高学生将所学理论与现实世界联系起来的能力。必须让学生从不同角度反复解释物理理论，并与真实的世界建立起联系。许多教师都知道要帮助学生把不同的物理概念和表达式相互联系起来，而且还要建立起这些理论知识与各种物理现象的联系。然而，仅仅依靠举例和详尽的解释，通常很难取得理想的效果。在教师看来是很明显的相似点常常并不能获得学生的认同。例如，在构建关于物理光学的课程时，我们发现许多学生需要得到教师详细清楚的指导才能把他们关于水波干涉的体验迁移到光的双缝干涉现象来。3. 教学没能使学生克服某些概念性困难（高一级课程的学习也不一定能加深对基本概念的理解）。持久存在的概念性困难需要在多种情境中明确提及并予以澄清。学生在学习时所遇到的某些困难通过一般的教学或随着课程学习的深入可以逐渐得到解决。其他的则可能会持久存在。有些困难如果不能克服，将会阻碍甚至排斥实质性理解的形成。例如，坚持光波的振幅具有空间尺度或光波是一种光子的载体（见图4与图5）的人就很难为光建立起正确的波动模型。图4图5我们的实践表明，靠警告来防止学生犯错误的方法很难奏效。对于大多数学生而言，教师的论断不会产生多大的影响。回避可能诱使学生犯错的情境或是为学生提供不需要动脑的解题模式，只会隐藏住迟早有一天会浮现出来的潜在困难。假如涉及到的是有缺陷的推理方式，仅仅更正表面的错误没有什么意义。如果不能激发学生投入积极的思考，不可能产生重大的概念性转化。我们发现，经常能激发学生投入积极思考的有效策略可以概括为：引出、正视和解决。第一步，是要设置一个能够暴露出学生的常犯错误的情境。在帮助学生最终认识到其中的内在矛盾之后，再要求他们运用必要的逻辑推理来加以解决。对于那些影响重大的困难，仅仅一次并不能成功地解决问题，教师很有必要为学生提供更多应用、反思以及总结的机会。必须指出的是，对“错误概念”与“错误概念研究”这样的术语的过多滥用会掩盖学生在思维层面上的困难。仅仅是识别和矫正那些错误概念并不足以解决这些困难。思维问题比错误概念更为根本，错误概念通常只是深层的思维混乱的表面症状而已。4. 传统教学通常无法为学生建立起连贯一致的概念性框架。学生需要参与定性模型的构建并应用这些模型对发生在现实世界里的现象进行预测和解释。物理课程的主要教学目标之一，是帮助学生形成正确的物理概念，并理解在概念之间以及概念与真实世界之间的相互联系。帮助学生形成合理的概念性理解并非一件简单的通过给概念下定义、呈现模型和应用示范就可以实现的事情。学生往往不能识别出概念中的关键要素或认识不到存在于他们观念中的矛盾。螺旋式推进的教学策略可以让学生不断地提炼他们的概念模型，但却不一定能达到最后的一致。必须着重解决那些可能严重阻碍学生建立起连贯一致的概念模型的概念性困难。我们发现，帮助学生理解概念之间的联系与差异的一个有效策略是让他们亲身参与概念模型的构建过程。正如在前面对电路例子进行讨论时所指出的，这种策略还可以为学生提供直接体验科学探究本质的经历。5. 传统教学往往无助于提高学生的逻辑推理能力。培养科学的思维技能需要进行专门的训练。物理概念模型常常与特定的推理模式紧密相连。因此，在教学中要把二者同时结合起来处理。上文提及的探究物理里的电路单元和普通物理辅导中现代光学的内容都是很好的例子。在这两个例子里，学生都必须进行必要的推理才得以形成相应的物理概念。6. 对于大多数学生而言，讲授法是一种低效的教学方法。要获得实质性的理解，必须激发学生进行积极的思考。所有关于学与教的研究都支持这一点。但是教师常常不能充分地认识到它的重要性。充满意义的学习需要学习者积极的智力投入。教师的职责非常重要，他或她是学生学习的驱动者，是学生学习的引路者。可是，谁也无法代替学生自己的思维，学生必须进行独立的思考。有些学生不愿动脑，有的则不懂应该如何思考。大多数的学生是在被动地学习物理。教师似乎是本能地持有这样一种观点，那就是如果他们给出的解释足够明晰、足够充分，学生就一定可以理解、可以掌握。出于这样的考虑，教师常常倾尽全力去完善他们的解释。然而，我们的研究表明，这样的努力并不能帮助学生取得重大的进步。学生在学习上取得进步的主要原因似乎是因为他们愿意并能够投入积极的思考。探究物理与普通物理辅导的设计目的就是要激发学生积极地投入思考，促使富有意义的学习活动的出现。.研究成果在课程开发上的应用我们研究组开发的所有教学材料都是下列三个环节反复循环的结果。这三个环节是：对学生理解的研究，应用研究结果指导课程的开发，对学生学习的评估。研究与探究物理和普通物理辅导的课程开发是相互加强、互相促进的。某一门课程所引发的研究会在另一门课程中得到体现。类似地，在一门课程中效果良好的教学策略常常经过某些调整后也能够很好地运用于另一门课程。为扩大课程的应用面，所有的教学材料都在别的地方试验过。这些地方的教学环境有的与我们华盛顿大学相似，有的则不同。这些课程教学试验的实践表明，课程的成功实施必须满足某些必要条件。在这里，我们仅讨论其中与学生学习直接相关的智力方面的问题。A.关于普通物理辅导普通物理辅导由设计成通常与普通物理教材配套使用的小单元组成。选择“辅导”一词的用意是想与综述、讨论、测验或解题指导等更为传统的教学环节区分开来。那些教学环节的一般程序是由教师或辅教人员先做解题示范，然后让学生做练习或回答学生的提问（通常做小型的讲解）。辅导在目的与结构上都与此有很大的差别。它们融合了一些我们认为是探究物理得以成功的关键要素。辅导为我们对普通物理及更高深的课程进行着的研究和课程开发提供了一个基础。它对“重要的知识内容通过教材与讲授的标准呈示是否足以帮助学生形成实质性理解？如果不行，又应该如何加以改进呢？”的问题做出了回应。辅导强调的重点是概念的构建、推理技能的培养以及物理理论与现实世界的联系，并不是信息的传递和标准问题的解答。辅导的使用可以为学生提供一种通过有引导的探究进行学习的体验。与 探究物理相比，它可能不够详细、不够全面，但是更适合于在人数较多的大班级中使用。它主要针对那些对于形成重要理论的实质性理解来说非常关键的概念和技能，以及那些为研究和教学实践所揭示出的学生学习难点。辅导的每个单元都由四部分组成，它们是：前测、当堂作业、课后作业以及后测。前测的命名是因为它是辅导的第一部分，不过，它的内容通常在常规课堂教学中已经涉及过。进行前测有几个目的：提醒学生注意他们要掌握哪些知识和技能，为下一步做准备，为教师和助教提供有关学生智力状况方面的信息。前测答卷并不返回给学生，而是要求学生在完成该单元的学习后能够独立解决这些问题。使用辅导教学时，让分成3-4组的大约20-24名学生一起通力合作。辅导的当堂作业由一些试图把推理过程划分成若干个恰当的、能够让学生积极投入的环节的问题组成。这些环节如果划分得过细，则不利于促进学生的思考；跨度太大时，如果得不到教师的指导学生就有可能会陷入困惑。运用辅导教学时，教师不需要做直接讲授，也不用为学生提供答案，他所要做的是通过提问来引导学生进行必要的逻辑推理。作业的目的是巩固学生在单元学习中的学习所得。本课程中的测试题里有相当一部分的题目要求学生进行定性的推理并做出文字说明，这是辅导的一个显著特色。B.助教的培训要让辅导发挥理想的作用，助教必须在教学内容和教学方法上都做好充分的准备。助教主要由研究生组成，也包括一些大学生和博士后志愿者。尽管助教能帮助学生解答习题，但是他们通常对物理概念的理解还不够深刻、对推理过程的各个环节还不够熟悉，他们还无法帮助普通物理学习者形成对物理理论的实质性理解。有关的研究表明，学习理论物理的经验并不意味着能够加深对物理基本概念的理解。我们发现，高年级的学生不但对狭义相对论和量子力学存在有概念上的困难，就连对普通物理中的概念的理解也还有问题。和大多数教师一样，助教也有模仿自己所接受过的教学方式进行教学的倾向。要想让他们以引导探究的方式辅导大学生，必须先让他们拥有关于这种教学方式的亲身体验和思索。我们研究组为助教每周举行一次教学研讨会，研讨会所使用的材料与教学方式就是那些希望他们能够运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学习者一样接受相同的前测。我们可以根据前测了解他们的理解情况并为辅导的各个单元设置合理的教学目标。我们认为，当普通物理学习者在后测中的表现达到甚至超过助教的前测水平时，辅导的单元教学就取得了成功。C.传统教学方法的补充引导探究：物理光学教学一例前面讨论的基于研究的认识和其他一些得自实践的经验，既为我们的课程开发工作所证实，也提供了很大的帮助。在此我们只介绍一些它们在物理光学中的应用情况，在别的领域它们也可以发挥相似的作用7。学生在学习物理光学时遇到的某些概念性困难的根源，在于他们没有认识到光程差（或位相差）在确定衍射和干涉图样中的明暗条纹时的重要作用。为解决这个根本性的难点以及其他的一些特殊疑难，我们设计了一系列的教学单元，引导学生建立一个能够用来解释衍射和干涉现象的简单波动模型。关于这些教学单元及其设计理论的更为详细的讨论可参阅我们已经发表的论文。这些单元的教学首先从关于水波干涉现象的分析开始。水槽里的一道道波纹没有光波那么抽象。学生可以观察到波前，可以推出确定干涉图样的振动最强或最弱点的位置的数学关系式。根据以往的研究，我们知道学生常常不懂得正确地运用叠加原理。通过对各种条件下的水波合成的研究，我们希望学生在处理光的叠加问题时做得比以前更好。然而，我们发现学生常常理解不了类比。相应地，我们对教学材料做了调整，更加直接地帮助学生建立起水波和光波之间的联系。在后面的单元里，学生要把他们的波动模型进一步应用到多缝干涉、单缝衍射以及混合了衍射和干涉的现象中去。D. 对学生学习的评估前面已经提及，我们评估学生学习的主要方法是将他们在后测与相应的前测中的表现进行比较。前测题与后测题主要由必须加以文字解释的定性问题组成。正如前面的例子所展示的，比起那些更繁难的但是只须套套现成公式的题目，这样的问题更能发现学生在理解上的困难。此外，提供及时的反馈也无助于教学的改进。多重选择题和判断题（不管是定量题还是定性题）也有同样的缺陷。后测题与前测题是否相似并不重要，我们的研究表明，学生的前测经验事实上对后测的表现并无实质性影响。后测题要求学生必须理解物理概念，和前测题一样它也不能仅凭死记硬背进行解答。下面列出的是用来评估多缝干涉单元的前测题与后测题。当然，学习是一个累积的过程，这些辅导单元的教学效果与先行的单元教学是不能割裂开来的。1. 多缝干涉前测题中央亮条纹（a）新加狭缝新加狭缝图6图6（a）是狭缝间隔为d的双缝干涉图样的中央部分，其中在第一级明条纹上标记有B点。要求学生判断在用间隔同样为d而狭缝数为三个的遮光板代替双缝遮光板时B点是否还是干涉相加的最强点。这个问题要求学生能够运用光程差与叠加原理的知识。由于B点是最大加强点，从间隔为d的双缝到达B点的光波位相应该相同（严格说应该是2的整数倍）。既然三个狭缝的间隔同样是d，则经过这三个狭缝到达B点的光波位相也应该相同，所以B点仍然是干涉的最大加强点，而且亮度应该更大。（见图6（b）我们对大约560名学生进行了前测，有的学生在常规教学中已经学习了相关的内容，有的则没有，但是结果相似，故未予区分一起列入表3第1栏。大约30%的学生做出了正确的判断，同时能够给出正确推理分析的则不到5%。大多数学生没能从光程差与叠加的角度考虑问题。参加教学研讨会的研究生助教的正确率大概为60%，推理分析也正确的大概是25%（见表3第3栏）。2.多缝干涉后测题相应的后测题与刚才介绍的前测题相似，只是所增加的第三条狭缝位于右侧且与原右缝的间隔仅为d/2，要求学生分析B点的亮度变化情况。只有认识到从第三条狭缝到达B点的光比从原来狭缝到达B点的光的位相相差180，学生才能推断出B点的亮度将变小这个正确答案（见图6（c）。此题为学生设置了一个他们所未曾接触的新情境，即狭缝不均匀分布的情况。表3大学生研究生助教前测（d）人数560后测（d/2）人数405前测（d）人数55判断正确但无推理30%80%60%判断正确且推理正确5%40%25%后测题的测试结果（表3第2栏）表明，大约80%的学生（总人数为405名）确定出B点将变暗，大约40%的学生还给出了正确的推理。学生的明显进步表明，辅导的使用可以帮助学生在无法借助于现成公式的新情境中运用光程差或位相差处理干涉问题。他们的表现超过了助教在前测时的成绩，满足了我们设置的成功标准。E.辅导的有效性辅导对于提高学生处理我们所讨论的这类定性问题的能力有非常积极的效果。大多数学生的后测表现都比前测有显著的进步。大学生的后测表现常常达到（有时甚至超过）研究生在前测时的成绩。尽管他们用于练习解决定量问题的时间更少，但是处理标准计算题时的成绩比那些只接受了传统教学的学生仍然要稍好一些。对于要较好地理解了物理概念才能解答的定量计算题，使用辅导的学生的表现要好得多。此外，有证据表明，按照辅导的要求进行的思维技能训练所取得的效果比普通教学有更高的保持率。有不少教学策略能够促使学生积极地学习物理，辅导所运用的只是其中之一而已。在探究物理一书中，所有的教学都围绕着概念的理解和推理能力的培养来进行，其效果更为显著。不过，辅导的教学只需要在传统教学模式的基础上做相对较小的改变就能够实施，实践证明，它具有较好的可行性、灵活性以及实用性。F.评论对学生进行细致的评估应该是所有以文字形式或基于计算机开发的教学资源的一个重要部分。要开发出能够让不同的教师都能取得可靠结果的教学材料非常困难。因此，除非他自己有足够的精力和能力去设计、检验并提炼新的教学材料，否则教师就应该充分地利用那些已经为实践所检验的现有教材。了解别人已取得的成果、避免无谓的重复是非常重要的。VII.结语物理教育研究可以为设立评估学生学习的标准提供指导，这样的标准比通常的根据解定量计算题的能力来衡量的标准要准确得多。帮助学生达到比教师们通常所默认的标准更高的目标是有可能的。前面已经提到，有相当多的证据可以证明，正确的定性理解的形成非但不会阻碍反而常常能够（有时相当显著）改善定量计算题的解题能力。应该要求学生形成一个连贯一致的概念框架，这样的框架可以让他们在定量计算之前就能够预先确定答案的类型。因此，我们所明确或未明确提出的各类智力发展目标，不会是一种对学习标准的“弱化”，人们尝试改进传统物理教学时常常招致这样的批评；相反，对定性推理能力的进一步强调，意味着是要为学生设立更高的学习标准。物理教育研究可以成为改进学生学习的“钥匙”。如果没有坚实的为课程建设提供信息的研究基础，我们就会缺少促进教学不断改善提高的必要知识。我们需要加深对学生思考经典和当代物理问题方式的理解。这样的信息使我们得以进行教学改革。关于学生是如何学习的研究也能对一些更一般的智力发展目标的实现有所启发。我们想让学生理解科学模型的本质及其构建的科学方法。我们希望学生知道什么才是科学的解释，懂得辨别哪些是基于科学推理的解释、哪些是基于个人信仰或流行看法的主张。要让学生学会识别问题的类型，确定自己是否理解了其中的物理概念或推理过程，如果没有，要懂得将其分解为能够促进他们的理解的子问题。能够反思自己的思维活动并进行自主的学习，其意义远远超出了学习物理知识本身的价值。物理的学习为培养科学的、批判的和反思的思维能力提供了许多机会。因而，物理教育研究能够成为设定更高的（而且是现实的）学习标准、帮助学生实现学习目标以及评估学习目标实现程度的“钥匙”。回顾过去十年间在物理学界所发生的积极变化，我们感到极大的鼓舞。物理教育研究对物理教学方式的影响不断加强。人们根据研究成果开发新教材或对原有教材进行修订；研究对于那些被证明为有效的课程资源创新的发展也有直接的影响；研究成果在专业会议和影响较大的专业杂志上公开发表；在专业学会组织的会议上，有关的研究备受关注。现在，有许多大学的物理系都把物理教育尤其是对物理学与教的研究列入了定期举办的学术报告会的议程。物理教育的研究成果开始为系里的同事所接受和关注。如今，在好几所大学，学生可以通过物理教育研究工作获得物理学的博士学位。物理教育研究成果的发表率正在不断提高。这种演化趋势还表现在与物理学相关的专业学会所采取的一系列举措上。1999年5月，美国物理学会理事会通过了一项决议，支持将物理教育研究列入值得物理学界同仁进行学术探究的一个领域。19