陳穎怡 張軍朋

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

《物理評(píng)論-物理教育研究》(《Physical Review-Physics Education Research》，PRPER)是美國(guó)唯一以物理教育研究(PER)人員為主要讀者的期刊，是國(guó)際上最具代表性的物理教育研究期刊.本文以PRPER在2005-2019年發(fā)表的685篇論文為研究資料，采用內(nèi)容分析法對(duì)國(guó)際物理教育研究進(jìn)行系統(tǒng)分析，以期對(duì)國(guó)內(nèi)物理教育研究有所啟示.

1 研究設(shè)計(jì)

1.1 研究方法

本研究遵循內(nèi)容分析法的研究過(guò)程，在通讀685篇文獻(xiàn)的摘要和瀏覽全文的基礎(chǔ)上，建立分析變量框架，將標(biāo)題、作者、發(fā)表年份、研究主題、學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行歸類編碼，最終以圖表的形式展示數(shù)據(jù).

1.2 內(nèi)容分析變量

(1)發(fā)文時(shí)間與載文量

本研究通過(guò)PRPER發(fā)文時(shí)間與載文量，分析國(guó)際物理教育研究的發(fā)展脈絡(luò)、研究現(xiàn)狀及其受重視程度.

(2)研究主題

文獻(xiàn)研究主題的分布與變化趨勢(shì)在一定程度上能夠展現(xiàn)主要范疇和重點(diǎn)研究方向.

(3)學(xué)科領(lǐng)域

本研究按照力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、原子物理、量子物理以及天文學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行歸類分析.

2 研究結(jié)果

2.1 發(fā)文時(shí)間與載文量

PRPER近15年的載文量如圖1所示，整體趨勢(shì)是增長(zhǎng)的.2005-2011年的文獻(xiàn)量還較少，2012-2015年小幅度上升之后，2016年起發(fā)文數(shù)量增幅加大，兩次增長(zhǎng)是因?yàn)?012年P(guān)RPER增添研究重點(diǎn)征集(Focused Collections)專題和2016年P(guān)RPER被整合到“Physical Review”系列，提升了期刊的聲譽(yù)和知名度.

圖1 PRPER載文量隨年份的變化

2.2 研究主題

參照L.C.McDermott(1999)和Docktor以及Mestre(2014)和張靜(2013)等國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)物理教育研究主題的分類框架，本研究歸納出7個(gè)研究主題，在此基礎(chǔ)上劃分出各主題下的二級(jí)主題，得到國(guó)際物理教育研究主題分布表(表1)及研究主題年代分布圖(圖2).

從表1可以看出，近15年P(guān)RPER研究熱點(diǎn)集中在評(píng)價(jià)、物理課程與教學(xué)、學(xué)生和教師的態(tài)度和信念.從圖2可以看到，近兩年涉及評(píng)價(jià)的文獻(xiàn)增多，物理課程與教學(xué)主題的文獻(xiàn)數(shù)量保持穩(wěn)定增長(zhǎng)的速度，契合PRPER開(kāi)發(fā)基于研究的創(chuàng)新物理課程的初衷.

表1 國(guó)際物理教育研究主題分布表

圖2 PRPER近15年研究主題年份分布圖

下面對(duì)各研究主題進(jìn)行介紹：

(1)評(píng)價(jià)

實(shí)證研究是PRPER的一大特點(diǎn)，其重要方法是測(cè)量與評(píng)價(jià).目前PRPER已有90多個(gè)測(cè)試工具，包括學(xué)科知識(shí)的概念量表、科學(xué)推理的測(cè)試量表、學(xué)生關(guān)于物理學(xué)的態(tài)度和信念的調(diào)查問(wèn)卷等.這些測(cè)試工具仍在不斷地修正，如1994年Beichner發(fā)表的運(yùn)動(dòng)學(xué)圖像理解測(cè)試量表TUG-K，為提升信效度前后修正4次，2017年的4.0版本增加了評(píng)價(jià)維度與題目并行的設(shè)計(jì)[1].研究概念量表和標(biāo)準(zhǔn)考試得分的相關(guān)性或比較不同概念量表之間的得分也較多.Burkholder等人調(diào)查了力與運(yùn)動(dòng)概念評(píng)價(jià)量表FMCE分?jǐn)?shù)與是否參加先修預(yù)備課程(Advanced Placement, AP)以及與AP考試分?jǐn)?shù)的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)存在弱相關(guān)性，可以推斷，盡管AP課程旨在加強(qiáng)對(duì)物理概念的理解，但AP考試對(duì)物理概念的考查較弱[2].不同人群在概念量表上的得分能夠反映出他們?cè)诟拍罾斫馍系牟町惢蛳嗨浦帲鏜ichi Ishimoto等人基于項(xiàng)目反應(yīng)理論和FMCE測(cè)試，發(fā)現(xiàn)日本和美國(guó)學(xué)生的項(xiàng)目得分曲線具有高度的相似性，說(shuō)明日本和美國(guó)的大學(xué)物理課程設(shè)置是相近的[3].考試和家庭作業(yè)也是評(píng)價(jià)學(xué)生的重要途徑，Slepkov等人提出結(jié)合主觀試題和客觀選擇題特點(diǎn)的新型組合命題方式，使試題和學(xué)生成績(jī)之間具有更強(qiáng)的相關(guān)性[4].評(píng)價(jià)量規(guī)(rubric)有助于使“評(píng)價(jià)目標(biāo)”具體化和可視化，便于客觀地觀察和評(píng)價(jià).Docktor等人制定科學(xué)地評(píng)估學(xué)生書(shū)面作答情況的評(píng)價(jià)量規(guī)，提出5個(gè)解決物理問(wèn)題的一般過(guò)程，規(guī)定每個(gè)過(guò)程的得分標(biāo)準(zhǔn)[5].另外有些研究者嘗試建立評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的數(shù)學(xué)模型，如Eleanor等人通過(guò)分析學(xué)生在前后測(cè)驗(yàn)的分?jǐn)?shù)變化曲線，推斷學(xué)生分?jǐn)?shù)變化的原因[6].

(2)物理課程與教學(xué)

基于研究的課程和教學(xué)改革一直是PRPER的重點(diǎn)研究方向.為改變傳統(tǒng)課堂以教師為中心的教學(xué)方法，PRPER提出一些增強(qiáng)課堂互動(dòng)性的教學(xué)方法，如同伴教學(xué)法(PI)、及時(shí)教學(xué)法(JiTT)、多媒體模塊教學(xué)法(MLM)和基于課堂演示實(shí)驗(yàn)的互動(dòng)教學(xué)法(ILD)等.我國(guó)也進(jìn)行了嘗試，如Ping Zhang等人以北師大科學(xué)專業(yè)的4個(gè)班級(jí)為研究對(duì)象，設(shè)置PI教學(xué)法授課實(shí)驗(yàn)組和傳統(tǒng)授課對(duì)照組，結(jié)果表明PI教學(xué)法產(chǎn)生顯著的正向影響，且一個(gè)學(xué)期內(nèi)固定同伴比變換同伴的教學(xué)效果更好[7]；清華大學(xué)物理系LieMing Li等人在JiTT教學(xué)法基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)雙重警戒、網(wǎng)絡(luò)交互的大學(xué)物理教學(xué)模式(DGWI)，設(shè)置預(yù)習(xí)和網(wǎng)上作業(yè)的雙重警戒線，為教師備課提供針對(duì)性數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)師生雙方的及時(shí)交互[8].

研究者開(kāi)發(fā)了學(xué)生自主探究的復(fù)習(xí)課教學(xué)資源，如華盛頓大學(xué)的物理輔導(dǎo)課TIP、馬里蘭大學(xué)的基于活動(dòng)的輔導(dǎo)課ABT和開(kāi)源教程OST等.為改進(jìn)傳統(tǒng)“菜譜式”實(shí)驗(yàn)課，研究者就如何在實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中真正提高學(xué)生探究能力開(kāi)展了研究，如Pieter Coppens等人通過(guò)視頻分析法觀察電學(xué)實(shí)驗(yàn)的情況，發(fā)現(xiàn)學(xué)生把大量時(shí)間用在測(cè)量而不是處理數(shù)據(jù)和討論交流，于是提出一種新的電學(xué)實(shí)驗(yàn)方法：設(shè)置“黑匣子”和快速報(bào)告，讓學(xué)生注重討論[9].

此外，研究者提出基于理論設(shè)計(jì)的教學(xué)序列TLS、促進(jìn)個(gè)性化學(xué)習(xí)的通用學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)框架UDL、課堂互動(dòng)學(xué)習(xí)框架FILL等教學(xué)策略.“以學(xué)生為中心”的理念催生了新的課堂結(jié)構(gòu)，如理論課和實(shí)驗(yàn)課結(jié)合的Studio Physics和以學(xué)生為中心的主動(dòng)學(xué)習(xí)環(huán)境翻轉(zhuǎn)教學(xué)(SCALE-UP).動(dòng)畫(huà)、計(jì)算機(jī)模擬和在線學(xué)習(xí)網(wǎng)站等形式教學(xué)資源層出不窮，如虛擬實(shí)驗(yàn)室、PhET在線仿真模擬、PeerWise同伴學(xué)習(xí)等.

(3)學(xué)生和教師的態(tài)度和信念

態(tài)度和信念影響著學(xué)生和教師在物理課程學(xué)習(xí)與教學(xué)的行為和表現(xiàn)，相關(guān)的研究也愈加受到關(guān)注.大部分研究是關(guān)于開(kāi)發(fā)應(yīng)用學(xué)生態(tài)度和信念的量表問(wèn)卷，如經(jīng)典的科羅拉多科學(xué)態(tài)度測(cè)量量表CLASS和馬里蘭州物理期望調(diào)查MPEX，以及近幾年開(kāi)發(fā)的科羅拉多科學(xué)實(shí)驗(yàn)態(tài)度量表E-CLASS,物理自我效能感問(wèn)卷PSEQ,科學(xué)本質(zhì)觀問(wèn)卷VNSQ和物理目標(biāo)定向調(diào)查PGOS等.教師的態(tài)度和信念研究主要采取問(wèn)卷和訪談的方法，如David Woitkowski等人對(duì)德國(guó)教授進(jìn)行半結(jié)構(gòu)式訪談對(duì)他們的科學(xué)本質(zhì)觀進(jìn)行調(diào)查，Adrian Madsen等人對(duì)物理系教師進(jìn)行現(xiàn)象學(xué)訪談?wù){(diào)查他們對(duì)基于研究的評(píng)價(jià)的實(shí)施情況和理解[10,11].

(4)問(wèn)題解決

關(guān)于問(wèn)題解決的研究最早是從19世紀(jì)末才開(kāi)始的，初期以研究問(wèn)題解決本質(zhì)為主，直到20世紀(jì)80年代才開(kāi)始從學(xué)科知識(shí)層面開(kāi)展對(duì)問(wèn)題解決的研究.目前PRPER對(duì)問(wèn)題解決的研究主要是對(duì)比專家-新手、示例、問(wèn)題表征、在物理問(wèn)題中應(yīng)用數(shù)學(xué)技能以及提高問(wèn)題解決能力的教學(xué)策略等方面，如Witat Fakcharoenphol等人研究了專家和新手判斷物理問(wèn)題難度的準(zhǔn)確性[12]；Smith等人用眼動(dòng)追蹤儀記錄學(xué)生在閱讀示例和解決與示例相似的物理問(wèn)題時(shí)的視線移動(dòng)模式，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在閱讀示例時(shí)缺乏識(shí)別和記憶物理概念的意識(shí)和能力[13]；Alexandru Maries等人研究圖示表征對(duì)學(xué)生解決靜電問(wèn)題的影響，發(fā)現(xiàn)不提供圖示組比提供圖示組表現(xiàn)好，強(qiáng)制繪圖組比自行繪圖組的表現(xiàn)好[14]；Bashirah Ibrahim等人發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)復(fù)雜度對(duì)解決包含相關(guān)聯(lián)概念的綜合問(wèn)題影響不大，但對(duì)解決包含多個(gè)關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)的概念的綜合問(wèn)題影響較大[15]；傳統(tǒng)教學(xué)通常強(qiáng)調(diào)定量解題過(guò)程，而不是教會(huì)學(xué)生選擇合適的概念規(guī)律，為此Docktor等人提出概念性問(wèn)題解決的教學(xué)方法，指導(dǎo)學(xué)生識(shí)別題中的概念原理[16].

(5)認(rèn)知心理

認(rèn)知心理學(xué)的物理教育研究主要是根據(jù)不同類型的物理學(xué)習(xí)過(guò)程來(lái)研究學(xué)生的認(rèn)知構(gòu)建及發(fā)展.學(xué)生某些持續(xù)性的錯(cuò)誤可能是由于推理困難，而不是缺乏相關(guān)概念理解，因此PRPER進(jìn)行了與問(wèn)題解決有關(guān)的推理認(rèn)知過(guò)程的研究，如Gette等人運(yùn)用雙加工理論，用TIP教材中“5-block”浮力問(wèn)題調(diào)查學(xué)生的推理過(guò)程[17].此外，Nilüfer Didi等人研究學(xué)生理解光量子化、能量量子化和角動(dòng)量量子化的心智模型[18]；Podolefsky等人發(fā)現(xiàn)在電磁波教學(xué)中使用類比法可以影響學(xué)生的推理操作，應(yīng)用多種表征方式有助于學(xué)生更準(zhǔn)確地解釋物理現(xiàn)象[19]；Madsen等人在6個(gè)物理概念問(wèn)題的圖示中標(biāo)注關(guān)鍵信息，記錄專家和新手在解決問(wèn)題時(shí)的眼球運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)專家比新手會(huì)花更多時(shí)間查看這些關(guān)鍵信息[20].

(6)概念理解

學(xué)生概念理解的研究是PRPER領(lǐng)域中最早的研究主題之一.其中學(xué)生錯(cuò)誤概念的研究是最廣泛的，研究者根據(jù)概念轉(zhuǎn)變理論開(kāi)展物理概念的認(rèn)知結(jié)構(gòu)理論和錯(cuò)誤概念轉(zhuǎn)變教學(xué)策略的研究，如本體論認(rèn)為學(xué)生產(chǎn)生概念理解困難是因?yàn)閷⒅T如力、熱、電流之類的“過(guò)程”類別的物理量歸類為“物質(zhì)”類別，Ayush Gupta等人提出教師可以從“物質(zhì)”類別的事物入手理解概念，例如用“為什么不同質(zhì)量的物體會(huì)以相同的加速度自由下落”等含有“物質(zhì)”的例子來(lái)解釋重力[21].

(7)其他

PRPER是一個(gè)多元化的研究領(lǐng)域，如近幾年不但關(guān)注學(xué)生性別差異與學(xué)習(xí)物理的表現(xiàn)、自我效能感等的相關(guān)程度，還關(guān)注物理學(xué)家群體中的性別和種族差異.教師發(fā)展是提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵，為提升美國(guó)物理教師的水平，全國(guó)物理教師預(yù)備課程、教師研討會(huì)和教師在線學(xué)習(xí)社區(qū)FOLC等紛紛得到支持.

2.3 學(xué)科領(lǐng)域

PRPER每年都涉及力學(xué)的研究，主要是力學(xué)概念測(cè)試量表的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用.電學(xué)包括電磁學(xué)和電路等相關(guān)知識(shí)，涉及電學(xué)概念測(cè)試量表(CSEM,BEMA,DIRRECT等)的討論和關(guān)于法拉第定律、電磁感應(yīng)、靜電場(chǎng)、電磁場(chǎng)等的概念理解和問(wèn)題解決的研究.近幾年關(guān)于量子物理的論文大幅度增長(zhǎng)，涉及量子力學(xué)的概念測(cè)試量表(QMCA)的開(kāi)發(fā)、對(duì)波函數(shù)等概念理解和量子力學(xué)教學(xué)資源開(kāi)發(fā).天文學(xué)的研究包括大學(xué)天文學(xué)專業(yè)教育和中學(xué)STEM教育中的天文學(xué)基礎(chǔ)教育.熱學(xué)的研究涉及師生能量觀念的調(diào)查和熵、卡諾熱機(jī)、玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)等知識(shí)的學(xué)習(xí)困難研究.2005-2019年P(guān)RPER各學(xué)科領(lǐng)域載文量柱狀圖如圖3所示.

圖3 2005-2019年P(guān)RPER各學(xué)科領(lǐng)域載文量柱狀圖

3 總結(jié)與啟示

3.1 研究方向多樣化

縱觀PRPER，心理測(cè)量技術(shù)在教學(xué)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用、虛擬物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)、物理網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)與交流平臺(tái)的建設(shè)、非物理專業(yè)的通識(shí)性物理教育、物理本科生的入學(xué)預(yù)備教育和職業(yè)生涯規(guī)劃教育等在內(nèi)的新的物理教育研究方興未艾、異彩紛呈.這反映出PRPER呈現(xiàn)出全方位、多樣化的研究趨勢(shì).

3.2 重視以學(xué)科為基礎(chǔ)的教育研究模式

PRPER的大多數(shù)研究都是由學(xué)科知識(shí)基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)的物理教師針對(duì)教學(xué)中具體問(wèn)題展開(kāi)的，他們借鑒物理學(xué)的觀察、實(shí)驗(yàn)、建模等科學(xué)方法，探索學(xué)生如何學(xué)習(xí)物理，以此提出新教法和新教材，并在實(shí)踐中檢驗(yàn)研究成果[22].這種以學(xué)科為基礎(chǔ)的教育研究模式是PRPER的主要研究模式，能把教師個(gè)體的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為反復(fù)檢驗(yàn)的研究成果，是PRPER發(fā)展的生命力所在.

3.3 關(guān)注信息化資源共享

現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)推動(dòng)教學(xué)方式和教學(xué)模式的改革具有重要作用，如美國(guó)物理教師協(xié)會(huì)和堪薩斯州立大學(xué)合作開(kāi)發(fā)的物理教育研究資源共享平臺(tái)PhysPort，免費(fèi)為全球物理教育工作者提供涵蓋多種評(píng)價(jià)工具、物理教學(xué)方法與課堂示例和評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)處理器等資源.信息化資源共享促進(jìn)研究工具和在線教學(xué)資源的推廣落實(shí)，加快物理教學(xué)的有效變革，是未來(lái)PRPER重要的研究方向.

希望國(guó)內(nèi)物理教育研究者能從本研究的分析視角得到一些啟示，借鑒PRPER以學(xué)科為基礎(chǔ)的教育研究方法，重視我國(guó)師生實(shí)證研究，基于信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)開(kāi)發(fā)出豐富的物理課程和教學(xué)資源.