教學方法的改革和教學的內容安排等等都必須經過實際教學過程的科學化測試和檢驗，並以學生的學習收益爲最終判斷標準，以下是小編蒐集的一篇探究高中物理教學能力培養的論文範文，供大家閱讀檢視。
1、引言
大學物理教育是物理界關注的焦點之一。改革開放以來,我國的大學物理教育在教學規模、教材建設、師資隊伍建設、授課技術等方面取得了較大的進展。當展望物理教育的未來時,我們自然會放眼全球、特別是美國這個教育高度發達國家的物理教育。2011至2012年,中國(不含港澳臺地區)赴美留學生達19.4萬人,本科留學人數比前一年增加了31%。美國成爲我國學生出國留學的首選國家。那麼,美國的大學物理教育教學與我國相比有什麼特色呢?本文將簡要地介紹“物理教育研究”(Physics Education Research,簡稱PER)這一新物理學分支在美國的建立和發展,及其給美國高等學校的物理教學帶來的新生機。對比我國大學物理教育現狀以及面臨的困難,在此基礎上提出相應的建議,希望本文能爲我國高等物理教育實現可持續發展提供參考。
2、“物理教育研究”——物理學新學科分支的誕生
物理教育是高等學校教學的難點之一。物理課程不僅難度大,而且涉及的學生人數多。在美國,大學物理教育也曾面臨困境。據美國物理聯合會(AIP)1995年的統計,美國授予物理學士學位的人數在6年內下降了15%,達到37年來的最低值。又有其他數據顯示,在學過大學物理課程的30萬美國大學生中,不到5%的學生繼續選學物理方面的課程;此外,美國高等學校中大學物理課程的設定還受到其他學科學者的質疑。面對危機,1996年美國物理教師協會(American Associa-tion of Physics Teachers,簡稱AAPT)發出了全面復興美國物理教育的倡議。但是,路在何方呢?
早在20世紀70年代初,美國華盛頓大學物理系的Lillian ChristieMcDermott提出,物理教育要建立在研究的基礎之上,透過科學分析並解決學生在學習物理課程中遇到的共性困難,提高學習效果。在美國國家自然科學基金的資助下,她開展了物理學習與教育方面的研究,成功地開拓了物理教育研究的新方向。由於對美國物理教育的突出貢獻,她獲得了-likan Lecture獎(1990年),Oersted獎章(2001年),2013年她又獲得了Melba Newell Phillips獎。除華盛頓大學外,美國的北卡羅萊納州立大學、馬里蘭大學、科羅拉多大學、以及俄亥俄州立大學等也都開始進行物理教育方面的研究。PER的研究隊伍具備了雛形,學科建設隨之拉開序幕。
1994年秋季,在北卡羅萊納州立大學召開了首次PER大會,商討PER的研究對象和PER專業研究生的課程設定。更重要的是,PER的先驅者們在會議上起草了一份白皮書,遞與美國自然科學基金委員會。白皮書的題目爲《給美國自然科學基金物理部的建議——支援將“物理教育研究”作爲物理學的子學科》。白皮書論述了PER在美國的興起以及PER在物理學中的重要地位,指出了PER走研究型發展之路的必要性和麪臨的困難。白皮書中建議美國自然科學基金物理部像支援其他物理研究一樣支援PER,提出每年需要約200萬美元的資助基金。
1999年,萌芽中的PER等到了春天,這年美國物理學會(APS)發表了“關於物理教育研究的聲明”,承認PER是成長中的研究領域,支援在美國高校物理系中設定PER研究方向。聲明中指出:物理系將會受益於擁有PER這樣一個嚴密的研究領域,PER會使教學質量得到提高。此後,PER得到了美國自然科學基金的大力資助。據不完全統計,2006至2010年,美國自然科學基金至少資助了262個PER項目,經費約爲7250萬美元,佔PER總經費的75%。
PER的發展除了經費的保障外,還必須有相應的學術刊物做支撐。經過努力,《美國物理雜誌》(American Journal of Physics)首先大量發表PER的研究成果;之後AAPT旗下的雜誌《物理教師》(ThePhysicsTeacher)也開始登載PER文章。爲了使PER在物理學科中擁有被公認的高水平研究成果,美國物理學會與AAPT聯手,於2005年開始出版電子期刊《物理評論專輯——物理教育研究》(Physi-cal ReviewSpecial Topics——Phys-ics Education Research)。PhysicalReview是享有很高學術聲譽的雜誌,此雜誌設定物理教育專題,使從事PER的教師可以得到正確的評價,並專注於這個研究方向。
有經費的資助,有高水平的學術刊物,又有科學且實用的研究方向,使PER在十幾年的時間內在美國發展了起來,圖1直觀地顯示了PER小組在美國的分佈。美國大學中,做PER的教師有進階別的研究項目,可以指導研究生(包括博士生),並發表高水平研究論文,他們既是研究者,又是優秀的教師。
PER的誕生給美國的物理教育與教學帶來了生機,使美國成爲全球高等物理教育的領跑國家。
3、“物理教育研究”的研究對象與方法
PER研究的對象是學習物理的過程以及教學活動如何影響該過程,採用科學的方法探測、甄別學生在學習物理課程中普遍存在的共性困難,揭示學生掌握物理知識的動力學過程,評價學習效果,並在此基礎上建立關於物理學習的認知理論,用於開發新課程、新教學方法和新的教育研究工具。PER是圍繞學生和學習過程進行的,在我國是一個相對陌生的研究領域。由物理學家開拓出來的PER繼承了物理學的研究傳統與方法,強調觀察、數據採集與分析,並重視應用。
PER有實驗和理論兩個研究方向。實驗方面的主要工作是採用定性、定量或兩者結合的方法,來測試、記錄並瞭解物理學習過程。定性的實驗研究是針對少量典型學生進行,透過對學生進行訪談與跟蹤調查,記錄物理學習(包括學生的思維)過程。爲了實時地瞭解學生的思維,可採用“邊想邊說”實驗,即要求學生看到教師給定的測試後,不停地用語言表達頭腦中的思路,直至給出解答。透過錄像、錄音等方法記錄實驗全過程,並予以儲存。定量的實驗研究主要面向大量學生,使用標準教學測量工具進行各種測試,瞭解學生整體掌握知識的平均水平,以分析、評價學習效果。現在,PER已獲得了大量相關實驗數據。400多年前,開普勒基於第谷畢生積累的天文學數據,歸納出了著名的開普勒三定律。今天,PER也在積累着各種關於物理學習的數據,爲揭示和控制物理學習過程進行準備。
開拓PER的物理學家們明白,如果沒有理論研究,PER不過就是爲提高學生學習效果的一系列反覆實驗。PER理論研究方面以馬里蘭大學的Redish,Hammer和Elby等人的工作最爲著名,他們研究學生在解決物理問題時的先天直覺是什麼,學生頭腦中的概念是怎樣演化的等問題。當然,PER理論還處於起步階段,它的發展依賴於更多的實驗數據和理論研究的進一步深入。
4、“物理教育研究”給高等學校物理教學帶來的新生機
PER使物理教學理念、教學技術與環境、教學方法、教材等方面獲得了許多進步,本文集中介紹物理教學理念、教學技術與環境這兩個方面的進展,因爲這兩個方面國內較少涉及,且與美國差異較大。
PER使物理教學走上了科學發展之路。教學方法的改革和教學的內容安排等等都必須經過實際教學過程的科學化測試和檢驗,並以學生的學習收益爲最終判斷標準。也就是說,衡量教學的成功與否,不僅在於教師講授了什麼,更重要的是在於學生到底學到了什麼?只有被大量教學實驗數據驗證的、使學生獲得更高學習收益的方法纔是令人信服的。翻開美國的《物理評論專輯——物理教育研究》、《美國物理雜誌》等期刊,可以找到對物理教學的各種測量。例如:透過分析6000名左右學生的學習收益,發現交互式教學方法的效果優於傳統的講授式方法;哈佛大學Mazur小組用十年的數據表明,Mazur發明的同伴教學法(Peer Instruction,簡稱PI)能夠使學生更好地掌握物理概念和解決問題。一些測量結果還挑戰了傳統的教學觀念。在大多數人看來,掌握知識對於發展學生的科學推理能力是非常重要的。然而對學生科學推理能力和知識狀況的實際測量表明,以傳授知識爲目的的傳統教學,對於培養科學推理能力沒有幫助。對於學生學習收益的測量數據表明,採用傳統講授式方法,學生的學習收益很低;有趣的是,測量結果還顯示,學生的學習收益和學習困難基本上與任課教師沒有關係。
早在1933年,美國著名教授tmyer寫道:“教學,我說,是藝術,而不是科學,……教學絕不能被稱爲科學”。這仍然是目前很多人對於物理教學的認識。PER使這個觀點在20世紀末和21世紀初被更新了。CarlWieman是美國科學院科學教育委員會主席,2001年諾貝爾物理學獎得主,他在《知識的詛咒——爲什麼對於教學的直覺經常失效》一文中寫道:“聰明的物理界已經找到了在初始直覺失效的領域取得進展的方法,例如,原子結構的發現。這個方法在於細緻地、客觀地進行實驗測量並利用得到的數據完善我們的認知和直覺。
對於物理教學,這意味着要着眼於顯示人們是如何學習的數據,着眼於顯示學生是怎樣學到或學不到物理知識的數據”。物理教學也要從已有的各種數據出發,而不能僅憑直覺。
PER將科學理念注入於物理教學之中。PER催生了各種標準教學測試工具的研發。就像可以利用電壓表顯示電壓值一樣,教學測量需要測試工具。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,其功能類似於物理實驗中的各種測量設備。美國已經研發出來的測試工具有:FCI(測試牛頓力學概念)、BEMMA(測試電磁學概念)、LCTSR(測試科學推理能力)等等。當然,教學測試工具的有效性也要經過測試才能被認可。FCI剛剛研發出來後,教師們感覺題目設計過於簡單,有侮於學生的智商,以致於不樂意使用它。但是,實測結果與教師們的預期並不一致。哈佛大學的測試就是一個典型的例子。哈佛大學物理系EricMa-zur教授偶然看到了PER的相關研究,對自己的學生進行了FCI測試,結果是學生們的得分很低,甚至低於期中考試成績。Mazur教授認爲,期中考試比FCI更難、更復雜。驚訝之餘,Mazur教授着手改變教學方法,發明了著名的同伴教學法。此後,標準測試工具的開發受到重視。除了測量物理知識的工具外,還有一些工具用於測試學生的態度和期望與學習效果之間的關係,如科羅拉多大學關於學習科學課程的.態度測試(CLASS),馬里蘭大學的物理期望測試(MPEX)等。儘管對於教學測量工具的使用方法等方面還有一些批評意見,但是總體上認可了測量工具在物理教學研究中的重要作用。
伴隨着測量工具的開發,教學測量方法也逐漸定型,如判定教學收益的前測—後測法,統計理論在物理教學研究中的應用等等。Hake提出了一種測量學生學習收益的方法。
他利用測試工具,在學習開始前進行測量,稱爲前測,以瞭解學習開始前的情況;學習結束後,再次進行測試,稱爲後測。他定義學習收益g爲g=sˉf-sˉiT-sˉi,其中sˉi爲班級學生前測平均分,sˉf爲後測平均分,T爲測試題目的總分。g?0.7爲高學習收益,0.3?g<0.7爲中等收益,g<0.3爲低收益。將其與統計方法結合,便可以對學習的效果進行規範測量。這個方法已經被物理教育界的許多人用來做教學研究。
PER的研究結果表明,交互式教學在許多方面都優於傳統講授式教學。爲了開展交互式教學,在美國開發出了一種新教學技術——課堂交互反饋系統,也叫做clicker。
北美大約有800所大學、百餘萬學生曾使用clicker在課堂上學習。課堂交互反饋系統利用無線電發射、接收系統以及配套軟件,實現了課堂上多個學生與教師間的集體實時互動。課堂上,教師首先設定問題,之後學生透過手持發射器發射答案,教師利用接收器接收來自學生的多路反饋信號(如圖2)。經過計算機處理接收信號後,全體學生的結果被實時地顯示在教室的大屏幕上,同時每個學生的反饋資訊均被記錄下來,逐節課積累後,形成各個學生的電子學習檔案。該教學技術不僅支援了大班互動教學,而且還促進了教學方法和教材的改革,目前,課堂交互反饋系統中的題目已經出現在了美國大學物理教材中,供教師和學生使用。
交互式教學的實施還導致了教室佈局的變化,以講臺爲焦點的傳統教室佈局被更改,代之以圓桌爲主體,集講授、課堂演示和學生小組學習等功能爲一體的多媒體教室。北卡羅萊納州立大學物理課教室佈局。目前,麻省理工學院的TEAL教室,俄亥俄州立大學的PALET教室等均採用了類似的教室佈局。此外,在美國還開發出了物理工作室、網絡作業系統、三維立體演示等方面的教學技術。
5、結束語
近20年來,PER帶動了美國物理教育教學的發展,使美國大學物理教育走出困境。在美國自然科學基金等經費的資助下,高等學校中一些從事純教學工作的教師轉型爲研究者。相比之下,這20年來,我國大學物理教育卻一直在進行“改革”。改革主要集中於教師和教材方面,忽略了對學生學習物理過程本身規律的深入研究,似乎在延續着那個“名師出高徒”的古老信念。美國的大學物理教育爲學生建造了腳手架,供學生自己向上攀登。我國的物理教育似乎是要設法由教師將學生“擡舉”起來。此外,與美國高等學校從事物理教學的教師由於從事PER而回歸科研隊伍的趨勢相反,近年來我國許多高等學校物理學院(系)教師隊伍中被分離出來了所謂“純教學型”教師,儘管他們承擔教改項目、編寫教材、進行教學研究工作,也有一些教師開始進入PER研究的行列,但是,由於很難得到進階別的、經費充足的物理教學研究項目,所從事的教學研究工作不能得到認可,只能靠承擔更多的授課學時來完成額定工作量。在研究經費上,物理教育方面的自主選題研究幾乎得不到我國自然科學基金的資助。自然科學基金項目中國家基礎科學人才培養基金只受理獲教育部批准的少數基地負責人的申請。這種狀況導致了物理教學研究工作和研究隊伍的萎縮。“物理教育研究”在美國的崛起與發展提示我們:物理教育是藝術,更是科學。將“物理教育研究”作爲物理學的一個新分支學科,以這個新分支學科的建設來帶動物理教學的發展,進而提高教學質量,或許對我國也是一條振興物理教育的可持續發展之路。