物理师范生投入学习的创新教学研究与实验*

郑渊方 （福建师范大学物理与能源学院）

学科专业知识是教师知识的根基，师范院校都很重视师范生专业课程的设置，在教学中也在不断探索提高师范生的专业知识水平的方法和策略。调查表明，师范生学科知识掌握和应用情况并不乐观。例如，赵冬臣，马云鹏对教师专业知识的调查发现，数学、语文、英语师范生学科知识的得分率分别是24.5%、57.0%、54.8%[1]。在物理学科方面，我们自编一份力学知识的测试卷，在某省三所高等师范院校中选取2014 级（毕业班）物理师范生194 名进行测试，结果发现，即将毕业的物理师范生力学知识平均得分率只有53.29%。大学专业课程深入系统，可是为什么师范生的专业知识表现不够理想呢？赵冬臣等人的分析有一定道理：“数学专业的师范生的学科知识欠佳的原因并非所学的数学专业课不够系统深入，主要症结是这些课程的内容与中学数学之间缺乏关联”[2]。按照奥苏贝尔有意义学习理论，学习者必须有积极主动的有意义学习的心向，在原有认知结构中找到有关的观念，作为新知识的固定点，这样才能把学习材料中的潜在意义转化为自己现实的心理意义，形成自己的理解[3]。大学专业课程的学习是在中学相关学科知识基础上的深入和扩展，大学专业课程的教学应采取一些教学策略，加强中学学科知识、学科教学知识与大学专业课程的有效联系，从而促使师范生反思自己的学习过程，自主地、积极地建构知识，以思维、智力高参与程度地投入学习，达到对新知识和学科结构的意义建构。我们把这类的学习策略称为投入学习策略（strategies for actively engaged in learning）。投入学习的教学策略就是使学生主动投入到学习活动中的教学策略，其特点是学生不只是被动倾听，而是投入到阅读、讨论、写作等活动中，学习动机大大增强，能够得到及时的反馈，学习过程中涉及的是分析、综合、评价等高层次的思维过程[4]。本研究认为将基础教育的研究与师范生大学专业课程学习相结合，可以促进学生投入学习，最终有助于学生深化理解学科专业知识（CK），提高课程考试成绩，同时促进师范生了解学生知识(knowledge of learners)。

一 研究假设和目的

首先提出研究假设：将物理教育研究成果与大学专业课程相结合的教学策略，可促使师范生投入学习，从而达到对物理知识和学生知识的深入理解，同时提高课程考试成绩。本研究的目的是，在师范生力学课程教学过程中结合力学观念的有关研究、中学力学疑难问题的研究等，让学生在测试、阅读、及时自我反馈中投入学习，加深对力学知识和学生力学知识的理解，提高力学课程考试成绩。

二 研究方法

1 被试

随机抽取某师范大学2017 级（实验时为大学一年级）3 个班共115 名物理学师范生为实验被试，其中男生41 人，女生74 人。

2 实验设计

本研究采用单组“准实验设计”。实验的自变量是大学力学课程的教学策略，因变量是师范生力学知识的理解情况、力学课程考试成绩以及对学生力学观念的了解情况。

3 实验材料

实验材料为FCI 测试卷、物理教育研究中FCI 研究的文献、自编力学观念测试卷及答案。

（1）FCI 测试卷

FCI 测试卷是领域内熟知的由美国的Hestenes 团队联合编制的力学概念调查问卷，主要调查学生对力学基本概念的掌握情况和力学前概念。

（2）物理教育研究中FCI 研究的文献

通过对众多FCI 研究的文献反复对比，选出适合师范生阅读的文献，再选出其中对学生力学概念的调查结果及对结果的详细分析的部分让师范生阅读。

（3）自编力学观念测试卷及答案

自编力学观念测试卷是在查阅中学物理疑难问题研究文献基础上编制的，测试题目是中学物理学习中的疑难问题，且属于大学力学课程中深入学习的内容。

4 实验过程

教学策略1 实施过程：

在被试力学课程学习期间，发放FCI 测试卷，告知学生这些问题有助于理解力学知识，要求学生认真作答。在学生答题之后，让学生阅读FCI 研究文献了解中学生是如何理解这些观念的，以及形成的这些观念的原因，并对照文献对自己的力学观念进行自我反馈和自我评价。

教学策略2 实施过程：

在力学课程教学结束后的考试前一周发放自编的“力学观念测试卷”，要求学生不查资料且独立完成，学生答完并回收答题卷后，以详细答案给学生及时反馈，要求他们结合自己的答题情况反思自己力学观念，核对答案时若有疑问要与老师或同学交流。

FCI 力学观念测试卷和自编的力学观念测试卷对学生测试的目的是让学生自主发现自己存在的问题，并进行自我反馈，自主学习，因此，试卷各题目不评分，都由学生对照答案进行自我评价和学习。

实验数据的收集：

实验结束后，采用访谈法收集因变量的信息资料。于2018年2月2日、3日，从115 名2017 级物理师范生中随机抽取40 名学生（其中男生9 人，女生31 人）进行访谈。访谈采用半结构化访谈 (semi-structured interviewing)方式，访谈提纲包括了解这些策略在师范生中的落实情况和了解学习材料对被试的影响两个方面。前者内容包括：力学概念测试卷做过吗？题目分析及学生解答情况的分析看过吗？力学观念测试题做得怎么样？答案看过吗？你以前有接触过类似的题目或看过类似的研究吗？后者内容包括：你觉得这些题目对你有哪些影响？对你力学概念或规律的理解有帮助吗？对你力学课程考试有帮助吗？对你了解中学生学习物理概念和规律的认知情况有帮助吗？同时也请学生谈谈对这些教学策略的认知、看法、态度，以便我们后期研究中进一步改善教学。

三 结果的统计与分析

通过访谈，了解到约有30%的学生未做过FCI 测试卷，访谈中了解到是由于当时学委疏忽只发了一个班，但所有学生都阅读了FCI 力学观念调查的文献，都做了力学观念测试卷并交回，所有学生都用力学观念测试卷答案核对了自己的解答。

学习材料对物理师范生知识的理解、课程考试、学生知识的了解情况如下表1 所示。

表1 学习材料对物理师范生总的影响情况

1 学习材料对师范生力学知识理解的影响

表1 数据表明，大多数学生（占80%）认为学习材料对力学概念或规律的理解有帮助。例如学生认为：“学习材料把自己不是很了解的和自己以前错误的概念得到重新的学习，对我理解这些概念很有帮助。”“学习材料造成了我思维上的冲突，对力学概念的理解很有帮助。”

2 学习材料对师范生了解中学生力学知识的影响

表1 数据表明，超过一半的学生（占60%）认为学习材料对他们了解中学生力学概念的认知情况有帮助。有学生说：“通过自己去做学习材料，了解自己对物理概念和规律的认知从而可以了解到学生。”也有学生说：“这种题目形式和自己做题所犯错误可以去了解中学生学习物理概念和规律的认知情况”。“中学生力学概念调查结果的分析和总结让我进一步了解到学生”。

3 学习材料对师范生力学课程考试的影响

仅有个别学生（占10%）认为学习材料对力学课程考试有一定帮助。例如有学生说：“学习材料可以帮我复习知识点，比如考查胡克定律和摩擦力的题目，帮助我回顾了这两个知识点，这两个知识点刚好也是物理专业课力学的考点”；还有学生说：“通过学习材料，让我了解到我对惯性系和非惯性系知识掌握的不足，于是自己又着重看了这些题目。”大部分学生（占90%）认为学习材料对力学课程考试没有帮助。他们中的大多数觉得“学习材料对课程考试没帮助，课程考试的内容不会是这样的。”

四 讨论与结论

1 关于教学策略应用中学习材料的选择

自从舒尔曼（L.Shulman）于1986、1987年间提出了教师专业的七类知识以来，对教师专业发展的理解大多基于此知识框架，其中探讨最多的是学科知识(CK)、学科教学知识(PCK)、学生知识(knowledge of learners)，以及他们之间的转化。“教学知识”和“学生知识”的专门学习是教师教育专业与其他理工科专业的在专业知识方面的主要区别，这两种知识的学习通常是通过高师院校在高年级设置的“教师教育类课程”而完成的，而“学科知识”的学习则是通过在低年级的各种“专业课程”来实现的。就这样，师范生对这些知识的学习用不同的课程设置截然分开。“教师教育类课程”通常是在“专业基础课程”先修的基础上开设的，即开设该类课程的前提是师范生已经掌握了学科的基础知识和基本思想、方法。但事实上，长期以来的“物理教师教育类课程”实践中我们发现，很大一部分学生尽管能熟练解决相关习题，但对学科的一些基本概念、基本方法等却存在理解不到位和理解错误的现象。比如，自由落体运动是一个理想化运动模型，实际的物体由静止下落的运动能否看作自由落体运动，其判断依据是物体在运动过程中所受的其他作用力是否远小于重力。但学生往往并不注意这一点，他们很少关注概念的建立过程，于是，他们会编制或选用雨滴从1000 米高空下落的问题作为自由落体运动的练习题。

再如，科学探究作为一种科学的过程和方法，我们要求中小学教师通过科学教学能让学生理解科学探究和科学本质，但大多数科学教师从未做过科学研究，他们往往对科学假设、分析与论证等的意义理解不够，因此，不能很好地应用探究式教学帮助中学生理解科学本质。这种情况国外也一样，太多的科学教师有一个障碍：他们从未做过科学研究。他们知道自己的学科，但他们从来没有经历科学作为一个令人兴奋的过程，或在实践中使用科学方法，或与科学家一起工作。针对这种问题，有教师教育研究机构开发了科学教师与研究者项目（the Science Teacher and Researcher program，简称 STAR），参与该项目的职前的本科生被安排在尖端的加利福尼亚研究机构（包括劳伦斯国家实验室、NASA 喷气推进实验室和UC 戴维斯生物光子中心）进行5～10 周有偿的项目研究，研究员表示，这项计划提高了他们对科学的理解能力和教学能力[5]。这种方式确实是一种好的训练方式，但需要额外的大量的教师培训经费，该研究从2007年到2010年四年间共培训教师156 人。我们认为如果能改变专业课程的教学方式可以在一定程度上达到以上三种知识的兼顾，而不必进行额外的训练。这种想法可能很多从事教师教育的学者都会有，例如，刁心峰，刘高福等人认为，在大一学生开始学习阶段就把中学物理教材发给学生，指导学生深入钻研中学物理教材。可以通过布置课外作业设置研究课题等形式，使他们参照新课标全面了解中学物理课程，并且可以将这个研究过程贯穿整个大学阶段，这样更容易把中学物理知识和大学物理知识联系起来[6]。他们的想法很好，但未看到相关的实践研究。而实践中有很多具体的问题需要解决，例如，布置什么样的作业？怎样在专业课程学习中进行课题研究？这些问题的解决需要高师院校专业课教师与课程与教学论专业课教师协同合作。

为了解决“如何做”的问题，我们首先与担任力学课程的专业教师沟通，专业课教师了解研究目的后同意按我们的想法进行辅助教学。首先，为了让师范生在力学课程学习过程中更好地理解力学中的基本概念，并了解中学生理解和应用这些概念的情况，我们借鉴华盛顿大学物理教育研究组的做法，想要能深入系统地将力学方面的教育研究成果应用于师范生力学课程学习过程中。于是，在2017年暑假我们开始搜索基础教育领域力学方面的研究成果。结果发现两个问题：一是力学教育方面的研究大多是基于著名的FCI 的研究，本土化的研究实际上还比较欠缺；二是基于FCI 的研究虽多，但适合大一物理师范生阅读的却很少，反复讨论、对比分析后发现，2017年东北师范大学樊丽的硕士论文《基于FCI 的力学概念相异构想案例研究》中所用的FCI 测试卷、对测试结果的分析和学生出现问题的原因分析相对来说更加详细、全面、准确，因此，我们选用该论文中“FCI 测试卷”对师范生进行测试，让他们阅读“调查结果及分析”从而进行自我反馈。这两个材料即为实验中施加的教学策略1 中所用的学习材料。

FCI 测试、阅读FCI 测试结果及分析目的是帮助师范生更进一步理解力学基本概念，了解中学生对力学知识的理解情况。但FCI 与大学力学课程学习、力学问题的解决相差很远。为了让师范生能更积极地学习专业课程，提高专业知识的学习效果，我们借鉴该领域研究者提出的将中学物理知识与大学物理知识联系起来的观点，查找中学力学教学中的一些疑难问题，以及这些疑难问题的解决，这些研究都是对中学问题与大学知识相结合的具体的研究。根据基础教育的这些研究成果，自编“力学观念测试卷”和该试卷的详细解答。这些材料的自主阅读、解答、反馈即为我们力学课程教学中施加的教学策略2 中的学习材料。

我们所实施的教学策略中所选用的学习材料有的与已有研究中提出的一样，有的根据我们的实际情况做了调整。例如FCI 测试与华盛顿大学物理教育研究组曾经实施的一项在职教师培训[7]时用到的是一样的；不同之处是课后阅读、讨论的物理教育研究文献内容不太一样，他们选的文献是本国的已有研究，而我们选择我国的已有研究。这些文献材料虽然内容有所不同，但目的是相同的，都是让在职教师、师范生进一步理解学科概念，并了解中学生的学习困难（学生知识）。还有的教师教育研究中，学习材料都是由受培训的教师自己开发，这样让培训教师获得了更多的专业发展。例如，Coenders，F.，Terlouw，C.等人的研究描述了三位经验丰富的教师在化学教育开发创新学习材料和课堂设置，实现了五个教学内容知识领域的专业化[8]。而我们只关注到三个领域。总之，我们所实施的教学策略与现有的研究基本是一致的，但还处于初步的探索阶段，还不够系统、全面，与国外的研究还存在一定差距。

2 教学策略的应用对师范生理解学科知识和学生知识的影响

师范生的专业特点要求他们对学科基本概念要有更深入、准确的理解，以利于师范生学科专业知识（CK）向学科教学知识（PCK）的转化，因此，很有必要让师范生了解自己对学科基本概念的理解情况，以及中学生对这些概念的理解情况。本研究中，FCI 的测试、自编的力学观念测试，及阅读基于FCI 测试的研究文献正是此目的。FCI 测试卷中题目不是一般的物理习题，其题目特点是应用真实的问题情境考查学生的物理观念，它能挖掘学生的一些错误概念（misconception）或相异构想（alternative conception）。本研究中的师范生先独立完成FCI 测试卷，再通过阅读基于FCI 测试的高中学生力学观念的调查研究文献自主反思自己力学基本概念的理解情况，并理解中学生力学知识存在的问题及原因，可谓一举两得。另外，力学观念的测试针对力学中的一些疑难问题，详细答案给予学生及时的自我反馈，有利于提升师范生力学观念的理解和应用。这些学习材料针对性较强，取得了较好的实验效果。参与实验的大部分师范生认为这些学习材料对于他们力学概念的理解有帮助；一半以上师范生认为学习材料对于他们了解中学生力学概念和规律的认知情况很有帮助。

3 教学策略的应用对师范生专业课程考试的影响

从学生的反馈来看，只有个别学生认为对于他们课程考试有一定帮助，大部分学生认为课程考试与我们所提供的学习材料两者在内容上有很大不同。导致这种结果的原因，分析起来有两方面，一是学习材料主要针对的是概念的理解，所解决的问题虽然有助于与大学力学课程内容衔接，但毕竟属于中学物理范围内的问题，与大学专业课程考试试题相差很大。其次可能是我们编制的力学测试题未能充分体现大学知识和方法的应用。因此，虽然本次实验对师范生专业课程考试未取得理想的效果，但并不能说明我们提出的假设不成立，即不能说明联系中学学科知识、学科教学知识(PCK)等对师范生专业知识学习无任何正面影响。这个问题还需要进一步研究，例如，如果由实施课程的教师选择与大学考试更紧密联系的一些中学物理问题，或学生参与选择与中学学科问题有关的学习材料，结果会如何？如果在提供学习材料的同时改革教学方法、评价方法是否能取得更理想的效果？这些问题如果能得到专业课教师的关注、重视，或者师范院校专业课教师能与中学教师、教学论专业教师合作进行这样的教学改革，将对提高师范生的专业知识的掌握程度、提升专业课教师的专业化水平都具有重要意义。

总之，本研究结果表明，在高等师范院校的物理力学课程学习过程与中学力学的问题、中学力学教学问题的研究相联系的教学策略有助于师范生投入学习，从而有助于师范生加深对物理力学观念的理解，有助于师范生了解中学生学习物理概念和规律的认知情况。但遗憾的是，本研究还未对师范生大学力学课程考试成绩提高产生明显的作用，这还有待于进一步的实践研究，特别需要大学专业课教师在了解相关教育研究的基础上进行的实践研究。