中美物理教育研究的差异性分析

苏 米 黄致新

(华中师范大学物理科学与技术学院，湖北 武汉 430061)

目前,我国教育正处于改革发展阶段,而美国物理教育研究起步早发展快,我国物理教育应该如何改进?美国物理教育研究对我国有何启示?这些无疑是从事物理教育研究的学者们普遍关心的问题.但是,通过在中国知网、AIP、APS 数据库查阅文献,我们发现近年来相关研究主要是将高等物理教育研究作为研究对象,或者是将高等物理教育研究和中等物理教育研究融合在一起进行研究,而将两者分开分别进行系统研究的论文几乎没有.本文通过对比和分析近3年中美两国7种高水平学术期刊4个方面的不同,力图作一个全面而系统的中美物理教育研究差异性分析.

1 数据采集和研究方法

本文选择了《大学物理》、《物理与工程》、《Physical Review Special Topics——Physics Education Research》(PRST)作为高等物理教育研究期刊选择源,《物理教师》、《物理教学》、《中学物理》、《The Physics Teacher》作为中等物理教育研究期刊选择源.这些都是中美两国具有较强代表性和较高权威性的高水平期刊,能代表两国物理教育研究各自的特点.

通过登录网站,依次浏览2014—2016年期间7种期刊的论文,筛选出物理教育研究相关论文,下载并进行详细阅读.运用内容分析法,逐一对每篇论文的研究背景、主要研究方法和主要研究结论进行分析,记录每篇论文的主要研究对象、研究呈现形式、研究方法等信息.最后,将研究内容和研究方法进行归类汇总,分为高等物理教育研究和中等物理教育研究两块内容,结合图表,依次从研究对象、学科领域、方法、呈现形式4个方面分析近年中美物理教育研究各自特点,比较两国差异,得出结论和启示.

2 中美高等物理教育研究的差异性比较

2.1 研究对象比较

为了便于比较,我们把研究对象分为5个:学生、教师、教学、课程建设和比较教育(见表1).在分类过程中,当一篇论文有多个研究对象时,我们比较每个研究对象的权重,将这篇论文的研究对象视为它的主要研究对象,若权重相近,则将一篇论文归类到多个主题(不超过3个),所以会出现不同研究对象所占比例相加大于1的情况.由于分类过程中会有一些主观性判断,我们所得的结果可能有些许偏差.

表1 中美高等物理教育研究对象分类说明

从图1可以看出:美国的PRST上围绕学生的研究论文数量超过了总数的60%,其次较多的是对教学和课程建设的研究,最少的是对教师和对比较教育的研究.这可以说明:美国高等物理教育研究是围绕学生这个中心展开的,例如“Upper-division student difficulties with the Dirac delta function”[1](“高年级学生在狄拉克δ函数方面的困难”).2016年,PRST还设有一个专题叫:Focused Collection on Gender in Physics(物理学中的性别研究专题),这个专题里的大多数文章都是研究性别对学生学习、心理和自我评估的影响,例如“Gender, experience, and self-efficacy in introductory physics”[2](“介绍性物理学中的性别,经验和自我效能”).

我国两种期刊中关于教学的研究都超过了总数的60%,其次较多的是对课程建设的研究,对学生和对比较教育的研究较少,没有对教师的研究.可以看出,我国高等物理教育是以教学为中心展开的,例如“互易定理教学研究”,[3]对学生的研究则太少,并且近年我国正处于教育改革时期,对课程建设的研究也相应较多,例如“构建大学物理低年级本科生研究与创新实践能力培育平台研究”.[4]

图1 中美高等物理教育研究对象的比较

由于中美两国都很重视对教学的研究,并且教学涵盖的内容较广,我们再把教学细分成教学原理、教学方法、教学内容和教学评价4个方面,作进一步分析.

表2 中美高等物理教育研究中教学研究内容的分类说明表

由图2可以看出,中美两国都没有对教学原理的研究,都很重视对教学方法的研究,但两国的研究侧重点不同:美国更重视研究计算机多媒体等新技术在教学中的应用,例如“Using a dual safeguard web-based interactive teaching approach in an introductory physics class”[5](“在介绍性物理课上使用双重保障的基于网络的交互式教学方法”),而我国更侧重于研究教师的讲课方法,例如“费恩曼风格在物理教学中的现实意义”,[6]但《物理与工程》近3年的论文逐渐开始重视研究信息技术在教学中的应用,例如“混合式教学——信息技术与教学活动深度融合”,[7]中美两国研究的主要差异在于:美国更重视对教学评价的研究,而我国更重视对教学内容的研究.

图2 中美高等物理教育研究中教学研究内容的比较

2.2 研究学科领域的比较

物理教育研究大多具体到某一学科领域,统计中美物理教育研究在学科领域的差异,能发现两国物理教学的侧重学科,从而大致了解两国学生物理知识结构的差异.我们按力学、热学、电磁学、光学、声学、近代物理学对学科领域进行划分.

从图3可以看出,中美两国涉及到近代物理学的研究论文都是最多的,其次较多的都是电学和力学.美国对热学和光学的研究较少,没有涉及到对声学的研究;而我国较为重视对光学的研究,涉及到热学和声学的研究较少.整体来看,我国近年来对各个学科的重视程度比美国略均衡.

图3 中美高等物理教育研究学科领域的比较

2.3 研究方法的比较

美国的研究模式很固定:确定研究问题→选取研究对象→进行教学实验→收集、整合数据,并从多方面讨论研究结果→得出研究结论→分析讨论研究的不足,提出对后期研究的期望,美国的研究大多是定量的,研究方法规范,结论用数据说话,这能保证研究结果的可信度高.

我国则大部分是定性的研究,没有进行大规模的调研,多为教师针对某个物理问题的多角度主观分析,研究成果主观性强,读者只能把它们看作是经验交流或者作为参考.

2.4 研究结果呈现形式的比较

从表3可以看出,PRST中的论文呈现形式更规范,摘要部分简单介绍了研究目的、实施过程和结论,引言部分除了介绍研究背景、原因、思路和流程外,还详细介绍了前人所做的相关研究,帮助读者对这个方向的研究形成一个大概了解,参考文献也能为读者搜索相关研究提供便利.而我国论文版面数短,内容也没有美国丰富.

表3 中美高等物理教育研究结果呈现形式的比较

2.5 小结

通过从以上4个方面分析比较中美高等物理教育研究各自的特点和差异,笔者可以得出以下4点结论:

(1) 美国的高等物理教育研究是围绕学生展开的,同时,重视对教学方法和对教学评价的研究,而我国的高等物理教育研究是围绕教学展开的,尤其重视研究教学方法和教学内容,并且,我国目前处于教育改革阶段,对课程建设和比较教育的研究也较为重视.

(2) 中美两国高等物理教育都最关注对近代物理学的研究,但我国对其他学科的重视程度则更为均衡.

(3) 美国高等物理教育研究方法成熟,模式固定,多为通过开展实验并进行调查的定量研究,而我国多为定性研究.

(4) 我国高等物理教育研究结果呈现形式不如美国规范.

3 中美中等物理教育研究的差异性比较

3.1 研究对象比较

由于我国中等物理教育研究对考试和竞赛的重视程度很高,我们选择的3种期刊都设有与考试竞赛相关的栏目,因此,我们在表2的分类中增添一项——考试与竞赛,具体内容包括对各类考试和竞赛命题及解题的研究.

由图4可见: 《The Physics Teacher》的论文中研究最多的是学生,约占总论文数的一半,其次较多的依次是教学和课程建设,较少的是教师和比较教育,没有关于考试和竞赛的研究.这和美国高等物理教育研究特点很相似.可以看出:美国现在的中等物理教育研究是以学生为中心,围绕学生展开研究的,例如“Kinematics Card Sort Activity: Insight into Students’ Thinking”[8](“运动学卡片分类活动:学生思维的洞察”),就是通过开展活动来研究学生的科学思维.

图4 中美中等物理教育研究对象的比较

中国3种期刊中的论文研究最多的都是教学,分别占56.71%、58.65%、66.58%,比其他研究对象占比高出很多,其次较多的是:考试竞赛、学生、课程建设,研究较少的是:比较教育.这可以说:我国的中等物理教育研究是自上而下的,围绕教学展开的,重视研究如何教学科知识,而不够重视学生如何学,例如“‘涡流、电磁阻尼和电磁驱动’的教学设计”、[9]“静摩擦力的有无及方向的判断教学设计”,[10]都是研究教学方法.同时,我国对考试和竞赛的研究多,主要研究中考和高考的命题和解题以及部分竞赛题的解法,例如“这样的方法真的无法判断?——谈2015年高考物理江苏卷第7题的一种解法”,[11]这说明了我国中等物理教育研究的目的性强,是应试教育.另外,我国中等物理教育研究关于学生和教师的论文较少,研究课程建设和比较教育的论文占比和美国相差不大.

我们按照表3的分类,作进一步分析比较.从图5可以看出:中美两国都非常重视研究教学方法,但美国侧重于更实际的研究,研究的切入点小而细致,例如“Energy Blocks —— A Physical Model for Teaching Energy Concepts”[12](“能量块——能量概念教学的物理模型”),具体介绍了教师在课堂上如何用“能量块”模型讲授能量的概念和相关知识;而我国则更侧重教师教学经验的交流,研究的问题较大,例如“物理教学要体现科学探究的本质”,[13]相对美国而言,我国研究显得更为抽象.其他教学涵盖的研究内容中,两国的差异在于:美国更重视教学评价,而我国更重视研究教学内容,在教学原理方面,两国重视程度都不高.

图5 中美中等物理教育研究中教学研究内容的比较

3.2 研究学科领域的比较

从图6可以看出:近3年中美两国4种期刊对力学的研究论文是最多的,都超过了对所有学科领域的研究论文数量的一半,而对热学和声学的研究都较少.两国的差异在于:美国对电学、光学和近代物理学的重视程度相近,论文数量占比都在10%～20%;而我国则明显更注重电学,3种期刊中电学相关论文占比都超过了30%,研究光学和近代物理学的论文占比仅在5%左右.即对于美国来说,我国对各个学科领域的重视程度不够均衡,研究力学和电学的论文数量之和超过了总数的80%.笔者认为:造成这种现象的原因除了课程大纲和教材编排的引导作用外,中考和高考对力学和电学的重视程度非常高也是因素之一,即入学考试的命题方向对我国中等物理教育研究的学科领域有很大影响.这也从一个侧面反映了我国中等物理教育研究是向考试看齐的.

图6 中美中等物理教育研究学科领域的比较

3.3 研究方法的比较

美国中等物理教育研究大多是从生活中常见的现象或者近期发生的热门事件出发,找出其中涉及的物理知识,教师组织学生进行观察分析或设计实验,最后分析和评估学生的学习收获和困难,例如:“The Physics of Equestrian Show Jumping”[14](“马术障碍赛中的物理”)是教师引导学生分析马术中的跳跃涉及到的物理知识的过程,论文中通常还会插入教学活动和学生实验的照片以及实验数据图表,使读者对这个活动或实验有一个完整的了解.美国的研究善于从生活中取材,不仅仅只研究教材,在提高学生学习兴趣的同时,也给物理教育研究增添了趣味性.

我国中等物理教育研究的方法大多分为3种: (1) 定性分析一个研究主题并得出主观性结论; (2) 教师在班上实践一种创新的教学方法或者运用一种新的教学模型和工具,根据教学效果和学生学习情况,进行定性讨论并得出结论; (3) 针对一道题或一类题,写出并讨论不同的解题方法,探讨类似题目或猜测命题方向.

3.4 研究结果呈现形式的比较

从表4可以看出:《The Physics Teacher》中的论文在整体上最规范,参考文献数和版面数都比我国3种期刊多,《中学物理》的论文规范程度最低,既没有摘要,也没有列出参考文献.研究结果呈现形式的规范可以从一个侧面说明美国中等物理教育研究的学术水平更高.

表4 4种期刊的论文呈现形式比较

3.5 小结

通过从以上4个方面分析比较中美中等物理教育研究各自的特点和差异,笔者可以得出以下4点结论:

(1) 美国中等物理教育研究是围绕学生展开的,同时也重视对教学方法、教学内容以及教学评价的研究,并且研究的切入点小而细,而我国中等物理教育研究是围绕教学展开的,研究切入点不够细,过于重视对以考试为目标的教学方法和教学内容的研究,忽视了对学生的研究.

(2) 中美两国中等物理教育都很关注对力学的研究,但对于其他学科,美国的重视程度更为均衡,我国更侧重于研究电学,对其他学科重视程度不高.

(3) 美国中等物理教育的研究方法更贴近生活,增添了研究的趣味性,而我国中等物理教育研究的方法相对无趣.

(4) 我国中等物理教育研究结果呈现形式不如美国规范.

4 总结与建议

通过分析比较,我们发现中美物理教育研究在研究对象、学科领域、方法、呈现形式4个方面都有一定的差异.这些差异不仅反映了两国物理教育的指导思想不同,还反映了我国物理教育与美国的差距.我们将从以下4个方面,总结两国差异并提出思考与建议.

4.1 提升研究的整体质量

美国物理教育研究期刊论文形式规范且相关研究大多是定量的,切入点小,研究很透彻,详细描述调研或者实验过程,最后的成果用真实数据呈现,可信度高,说服力强,读者受益大,可以说美国物理教育研究相关的学术论文质量高;我国物理教育研究论文形式不如美国规范,研究大部分是定性的,切入点大,研究不够细致和深入,更像是教学方法探讨和教师经验分享,可以给读者提供多种教学思路和参考,但是,相同或相近主题的研究较多,最常见于某一学科领域中命题和解题方法的研究,并且,我国物理教育研究缺乏定量研究,没有真实数据说话的研究成果说服力不强.

笔者认为:我国物理教育研究应该尽量避免重复的研究,细化研究切入点,展开细致全面的研究,增加定量研究的方法,并注意研究成果呈现形式的规范,从而提升研究的整体质量,也有助于提高我国物理教师的专业素养.

4.2 形成研究群体

物理教育研究在美国正逐渐成为一个新兴研究方向,美国有大量物理教师、硕士研究生、博士研究生以及博士后都在参与美国物理教育研究,PRST上的论文是美国物理学会(American Physical Society)出版的物理评论系列期刊里的,是很多大学联合进行研究而形成高质量的研究成果,《The Physics Teacher》上的研究则是以美国物理教师协会(American Association of Physics Teachers)为平台,大量物理教师进行研究,形成了研究群体.这样能促使物理教育研究发展得更快、更好.

笔者认为:我国应该有更多大学物理教师和研究者关注中等物理教育,而不仅仅是中学物理教师这个群体关注.同时,形成大的、规范的研究群体能使我国物理教育研究得到快速发展.

4.3 关注学生学习

教育,教化培育的对象是人.美国物理教育研究是围绕学生这个主体展开的,以重视学生学习的积极性、学习兴趣以及学习效果来开展教学,之后再进行教学评价和改进.这样势必能取得较好效果,达到教化培育学生的目的;我国物理教育研究则是围绕教学展开的,强调教学方法和内容,重点研究教师怎样教,而忽视了学生的学习心理、学习困难和学习效果,对学生不够了解,不知道他们的学习情况,教师就无法对症下药地进行教学,达到好的教学效果.另外,我国中等物理教育研究过于重视考试的命题和解题,目的性强,淡化了教育教化培育学生的本质.

笔者认为:我国物理教育研究应当多研究学生,多关注学生的心理状况和学习效果,以学生学习为主体展开研究.这样才能使每个学生在学习过程中得到最大的提高.同时,我们应当积极研究教学改革,利用物理学科的特点进行教学研究,探索提高学生学习兴趣和学习效果的教学新方法.

4.4 重视教学评价

美国无论是中等物理教育研究还是高等物理教育研究,都很重视教学评价.教学评价是判断教学质量、水平和成效的手段.只有进行教学评价,才能知道教学方法和内容是否合适,学生收获大不大,才能为以后的教学改革提供新参考.而我国物理教育研究对教学评价不够重视,尤其是我国中等物理教育研究,几乎没有关于教学评价的研究.

笔者认为:我国物理教育研究应多关注教学评价,包括研究统计分析的方法,测量和评价工具的开发等,通过教学评价来指导我国教学改革.

我国教育正处于改革发展的阶段,物理教育研究在这个阶段显得尤为重要,应该得到国家重视.美国在物理教育领域所做的研究告诉我们:这个领域的研究要以学生为主体,围绕学生的需求展开教学方面的研究,适当减少对考试命题和解题的研究,多进行调查和定量研究,多进行教学评价以指导教学改革,同时也不能忽视研究成果呈现形式的规范.另外,物理教师和研究者应当积极参与到物理教育研究中来,形成完整的研究群体,为我国物理教育研究的发展助力.

1 B R Wilcox, S J Pollock. Upper-division student difficulties with the Dirac delta function [J]. Physics Education Research, 11,010108(2015).

2 J M Nissen, J T Shemwell. Gender, experience, and self-efficacy in introductory physics[J]. Physics Education Research, 12，020105(2016).

3 沈一骑,万凯.互易定理教学研究[J].大学物理,2016,35(3):50-53.

4 张凤琴,王丹,林晓珑.构建大学物理低年级本科生研究与创新实践能力培育平台研究[J].大学物理,2016,35(9):46-49.

5 L M Li, B Li, Y Luo. Using a dual safeguard web-based interactive teaching approach in an introductory physics class [J]. Physics Education Research, 11，010106(2015).

6 包景东.费曼风格在物理教学中的现实意义[J].大学物理,2015,34(10):1-4.

7 王祖源,张睿,徐小凤.混合式教学——信息技术与教学活动深度融合[J].物理与工程,2016,26(6):43-47.

8 E Berryhill, D Herrington, K Oliver. Kinematics Card Sort Activity: Insight into Students’ Thinking[J]. The Physics Teacher, 54，541(2016).

9 唐光善“涡流、电磁阻尼和电磁驱动”的教学设计[J].物理教学,2016,38(11):8-11.

10 程运楚.静摩擦力的有无及方向的判断教学设计[J].物理教学,2016,38(9):18-19.

11 戴伟.这样的方法真的无法判断?——谈2015年高考物理江苏卷第7题的一种解法[J].物理教学,2016,38(9):68-69.

12 S Hertting. Energy Blocks——A Physical Model for Teaching Energy Concepts [J]. The Physics Teacher, 54，31(2016).

13 李雪林.物理教学要体现科学探究的本质[J].物理教师,2016,37(12):9-11.

14 A Stinner. The Physics of Equestrian Show Jumping[J]. The Physics Teacher, 52，202(2014).