美国物理新教法评介

吴维宁 吴姣姣

(湖北大学物理与电子科学学院，湖北 武汉 430062)

1 美国物理新教法

所谓新教法,是相对于传统教法而言的．它并不排斥讲授,也不局限于讲授．一般说来,新教法是指采用多种教学手段、以学生积极参与和师生互动为主要特征的教学方法的总称．以下介绍3类美国物理新教法[1],即合作学习教学法、引导互动教学法和自主探究教学法．需要说明的是,此处的教法分类仅以其主要特征为标准,且分类的目的是为了方便讨论．因此分类是相对的,没有绝对意义．事实上,以上3类方法中相互之间都或多或少有所交叉．

1.1 合作学习教学法

所谓合作学习教学法,是指以学生间的相互交流为主要特征的教学方法．在美国,合作学习的教学模式有很多．这里重点介绍其中3种,即合作小组、同伴教学和思考-结对-分享．3种教学法在美国具有较大的影响力．下面分别作以介绍．

合作小组(Cooperative Group，简称CG)．CG教学法的主要特征就是小组合作．在合作小组学习教学法中,学生们用结构化的问题解决策略,来解决个人难以解决的复杂的、背景丰富的问题．本教学法首先是结合讲义进行5步走解题策略的示范教学,随后在复习课中将学生分成若干小组,每组3-4人,进行背景丰富问题的练习,最后各个小组向教师或是其他各组汇报他们的结果,过程中实施者可以培训一些助教来辅助管理合作小组．

保证合作小组的有效实施要做到以下几点:最初的分组应是随机的．首次测验过后,将优秀,中等与一般三个不同水平的学生安排在一组,组员每三周轮换一次．小组规模3人最佳．小组成员应该面对面坐,如果教室的桌椅都是固定的话最好能前一排坐两人后一排坐一人,而不是3个人坐在同一排．每个小组成员都扮演不同的角色．3人小组中,一个管理者(负责人,保障任务顺利进行),一个质疑者(有目的地提出问题或不同意见),还有一个记录者(详细记录要上交的解决方案)．各角色每周轮转一次．这样做的目的是让每位成员在三周之内体验每种角色,避免某一位学生主宰整个小组的现象发生．

同伴教学(Peer Instruction，简称PI)．PI教学法是另一种合作学习的教学方法,它与其他合作学习教学法的重要区别是合作主要发生在相邻座位的两个同学(同伴)之间．同伴教学也因此而得名．PI教学法通常将新课内容划分为3-4个部分,在每一部分用7-10 min时间进行微课教学,再用5-8 min进行概念测试．微课只需关注概念,推理以及直觉的知识．概念测试主要由与微课教学紧密相关的一些小型概念性多项选择题组成．问题提出后,给学生1 min左右的时间,独立思考并将答案写下来,然后两个邻座的学生之间相互交流各自的答案．此时,如果两个学生中有学生希望修改自己的答案的话,教师是容许的．

教师通常有如下3种不同的方式来收集学生的作答情况:一是举手示意．就是在一个问题呈现给学生之后,经过学生的独立思考和同伴交流,教师要求学生中选择A、B、C、D、E等不同选项的学生分别举手示意,教师以此来判断学生对问题的掌握情况．二是课堂信息反馈系统(Clicker)．这是一种类似表决器的课堂信息收集反馈系统,每一个学生手上都有一个电子遥控器,它可以将每一个学生的选项反馈到教师操控台的电脑系统中去,经过电脑的分析整理,最后,各个选项的学生人数可以以图表的形式投射到电子屏幕上,教师即可依此调整教学策略．三是字母卡片．教师发给每个学生若干张卡片,上面分别写着A、B、C、D、E等代表不同选项的字母,当教师要求学生出示各自的选项字母时,学生就将代表自己选项的字母举起来,这时教师就可以从学生们举起的卡片中,大致判断学生对问题的掌握程度了．

思考-结对-分享(Think/Pair/Share，简称TPS)．TPS是一种非结构化、更加灵活的同伴教学法,适用于各种规模的班级教学．该教学法的实施可分为4个步骤:一是提出问题．即由教师向全班提出一个问题或者话题．二是独立思考．即让学生独立思考(几s到几min),并在限定时间内写出答案．三是结对讨论．将学生两两分组讨论、反思、修改后尽量形成统一的意见,并补充理由(讨论过程中教师可以加入1-2组的讨论,了解他们的讨论内容);四是交流分享．教师请1-2组交流分享自己的观点,教师或其他小组可对其观点做出点评．课堂中要注意3个问题:一是要保证学生将自己最初的想法记录下来,避免人云亦云．二是引导学生对自己的答案做出合理的解释．三是教师在点评时要给每一个答案(尤其是错误答案)以反馈,并保证在学习过程中犯错不会被惩罚．

1.2 引导互动教学法

所谓引导互动教学法,是指以教师引导和师生互动为主要特征的教学方法．在美国,此类教学方法中具有影响力的具体教法主要有以下两种,即苏格拉底诱导实验和互动演示．

苏格拉底诱导实验(Socratic Dialog Inducing Labs，简称SDI)．SDI是一种强调对物理实验的亲身体验以及学生互动参与的教学方法．在SDI教法中,一组学生展开相对简单的物理活动(例如在不同的条件下推动物块或是将装有水的小桶在空中旋转),之后针对学生中可能出现的相异构想提出一系列问题,引发小组讨论．当学生讨论遇到瓶颈时,教师应作为苏格拉底对话者,提出导向性问题,一步步引导学生正确解释他们的观察结果．有了这些教学实验活动作基础,课堂讲授教学时,只需要重点解决质性问题,并适当安排教学演示就可以了．相关研究表明,SDI实验班级学生的概念掌握情况,明显优于传统班级的学生,原因主要有两点:一是SDI课堂活动密切关注基本物理现象与对这些物理现象的概念理解;二是本教学法在某种程度上已经具备了小组合作与同伴互动的特征．

互动演示(Interactive Lecture Demonstration，简称ILDs)．ILDs是指通过学生积极参与课堂演示过程,来强化物理课堂中概念学习的教学方法．但由于多方面的原因,课堂演示常流于形式．要真正发挥课堂演示应有的作用,需要遵循以下几个步骤:首先,要舍得花时间去解释仪器设备及其使用方法,让学生预测实验的结果;其次,是让学生将自己预测的结果写下来,与邻座的学生进行讨论;最后,学生现场演示,将实验结果与其预测结果进行比较,并尝试性地解释观察到的现象．

ILDs的另一种形式是采用结果性质清楚,但具体程度/大小不明确的实验．例如,让小球沿斜坡滚下,在轨道底部敲击钟摆,问钟摆的摆动角度是多少．经过学生最初的讨论之后,让学生以结对或分组的方式计算可能出现的实验结果．若有条件将计算结果投射到大屏幕上,互动演示教学法也可以在机房里实施．

1.3 自主探究教学法

所谓自主探究教学法,是指以学生的自主探究为核心的教学方法．下面重点介绍三种自主探究的具体教法,即微机实验室、工作坊物理和工作室物理．

微机实验室(Microcomputer-Based Labs，简称MBLs)．MBLs是指以微型计算机为工具,以图像采集和数据处理为主要手段,以增进学生对物理概念直观感受为目的的教学方法．MBLs实验活动同样要求学生:首先,预测实验结果并以书面的形式记录下来,然后通过讨论得出结论．这类实验活动与SDI实验相似,主要关注点都是物理现象,而不是精确测量,只是MBLs更强调数据的采集．

MBLs的两大突出特点是:(1) 计算机代替学生去收集数据和绘图,让学生将有限的时间投入到物理概念的学习之中．(2) 实时显示的数据图像,可以帮助学生将图像与物体的运动联系起来．相较于传统教学,MBLs显示出对力与运动概念理解教学的高效性．值得注意的是,关键因素并不是作为工具的计算机,而是计算机在课堂中的应用．这里,教师需要引导学生建立物理观念,并学习运用计算机进行具体测量的技术和方法．

工作坊物理(Workshop Physics，简称WP)．WP是以计算机为工具,以数据的收集处理为手段,以为学生营造一个做中学环境为目的的教学方法．它的最大特点,是打破了新授课、复习课和实验课之间的界限,用有序的活动完全取代传统的理论与实验课程．WP通常要求学生参与每周3次课,每次课2小时,并且要求每2人配备一台计算机以及各种计算机接口实验器材．

教学活动通常包括数据收集与分析、检验假设、分析概念、解答习题、利用制表软件进行计算,最近还有影像捕捉与分析工具的使用报告．教学活动需要学生与同伴、教师共同讨论,必要时教师还要进行微课教学或者全班讨论．WP教学可借助MBL工具以及其他用于建模与显示结果、仿真/模拟和某些特殊目的的制表与绘图软件．WP教学法要求高师生比例,因此它在大班教学中不适用．

工作室物理(Studio Physics，简称SP)．SP是一种类似于工作坊物理的教学方法,它为学生提供先进的桌面实验装置和计算机网络系统,学生在此亲自动手操作并与同伴合作学习．它与WP的主要区别,是适用于大班教学,并以培养学生的物理直觉和建模能力为重要目标．

SP要求配备专用的、可容纳大约60人的工作室,2人一台计算机．学生的座位背对教师有序排列,座椅可自由转动,这样可以保证教师可以随时看到学生的计算机屏幕,并且方便教师随时叫停学生的活动．在SP的每个教室中,都有教师和助教维持课堂教学．助教主要负责在课堂上解决学生遇到的问题．具体的上课过程是:教师先讲解课程的主要内容,安排课堂的具体活动,并为有疑问的学生答疑．随后学生在自己的工作台上开始自己的学习活动,完成教师安排的实验内容,采集实验数据并实时分析．

在SP教学模式下,学生在使用各种计算机工具完成各种计算机接口技术实验的过程中,既体现了教师主导和学生主体的作用,同时又培养了学生的合作精神．此外,由于物理工作室面对的是大型班级,所以在教学时间的控制上以及学生的管理上也更加严格,因此,学会了这种主动性学习的学生,几乎不会出现旷课现象．

2 新教法的有效性

为研究新教法的有效性,美国印第安纳大学物理系的Richard R.Hake教授做过一次大规模调查[2]．为了更好地理解Hake的调查结果,先简要介绍两个相关概念．

一是概念增益．所谓概念增益,就是学生学习物理概念的进步值．该进步值用学生学习某项知识前后两次评测结果之差来表示,即后测成绩减去前测成绩

g=Spost-Spre.

由于前后测成绩之差的大小,受到学生原有知识水平的影响,因此,要想让概念增益对于不同学生群体具有可比性,Hake定义了一个规范化概念增益来表征学生学习的进步值,具体来说,就是用前后测成绩之差除以满分与前测成绩之差

其中,分子是概念增益的实际取值,分母则是概念增益的最大取值．两者之商越大,说明教学效果越好,而与学生的前测成绩无关．的取值范围在0-1之间．这里的前后测成绩都用百分制成绩来表征,这时评测工具的满分为100分．使用的评测工具,是标准化的力学概念测试卷(FCI)和力学诊断测试卷(MDT),由于两份测试卷的标准化程度很高,在美国的应用面很广,所以它们的测试结果是可信的．因为上述两份测试卷都是只考查物理概念的问卷,所以相关的增益就被称为概念增益了．

二是增益散点图．所谓增益散点图,是一种用来直观表述学生概念进步的图示方法．它用学生的前测成绩作横轴、以学生的概念增益为纵轴、以图线的斜率大小来表征规范化概念增益．图中的一个点代表一个学生,以图中右端点为起点,引一条指向代表学生的散点的直线,根据图中的几何关系不难看出,其斜率就是规范化概念增益的数值(见图1，图1中评测工具的满分值为30分,图中“学习增益”即“概念增益”),所以,在概念增益散点图中,散点与右端点连线的斜率越大,学生的规范化概念增益就越大．

图1 增益散点图之示意图

1996年,Hake选取了美国大学和高中学生共计6542人作为研究样本,其中接受新教法(Interactive Engagement简称IE教法)的学生4458人,接受传统教法(Traditional简称T教法)的学生2084人．

通过对运用FCI实施的前后测结果进行统计,Hake发现,采用传统教法的班级,其规范化概念增益的平均值为

T-ave=0.23±0.04 (标准差).

而采用新教法的班级,其规范化概念增益的平均值为

IE-ave=0.48±0.14 (标准差).

新教法比传统教法几乎高出两个标准差．为了更形象地描述两种教法教学效果的差异,Hake还将参与调查的不同班级作为散点,绘制了包括大学和高中两个学段的多个散点图,这里仅呈现其中高中部分的散点图(如图2)．图中的空心方框代表接受新教法班级的散点,实心方框代表接受传统教法班级的散点,从图中我们可以看到,接受新教法的班级,其散点斜率明显高于传统班级的散点斜率．

图2 Hake调查结果的散点图

为了研究概念理解水平与解题能力之间的关系,Hake又让研究样本中的3259名学生参与了物理解题能力的测试,采用的评测工具,也是在美国具有广泛影响的力学基础测试卷(Mechanics Baseline Test,简称MBT)．测试结果表明,学生的概念理解水平与学生的物理解题能力之间存在显著的正相关．由此证明,新教法不仅能够提升学生对于物理概念的理解水平,还能够间接地提升学生的解题能力．所以最终的结论是,新教法显著优于传统教法．

20几年来,Hake的该项研究报告在美国物理教育界产生了十分重要的影响,它也成为推广新教法之强有力的宣传工具．

3 新教法的适用性

了解了新教法的具体实施办法,以及新教法的有效性以后,您可能会问:这些诞生于美国的新教法适合我国国情吗?它们适用于什么样的班级规模和课型?教师在采用新教法的过程中可能面临哪些问题?下面我们就来探讨这些问题．

先说班额及课型适用性的问题．表1是美国加州理工大学的Randall D.Knight教授在考查了美国大中学校所有的IE课程(实施新教法的课程)之后,总结得出的关于新教法的班级规模及课型适用性一览表(文献[1]原表中列出了12种新教法,此处精选并呈现了其中的8种．这些教法同时适用于大学和中学)．从表1中我们可以看到,上面介绍的8种新教法中,大多数教法都同时适用于复习课型和实验课型,多数方法都适用于小班教学,而适用(或者调整后适用)于大班教学的新教法数目也达到一半．我国主要是大班教学,所以互动演示教学法、同伴教学法和思考-结对-分享教学法都是完全适用的,经过适当的调整,小组合作学习教学法也是可以采用的．此外,我国一些有条件的地区和学校都在尝试小班教学,相信上述适用于小班教学的新教法会给他们以启示．

表1 美国物理新教法的班额及课型适用性一览表

注释: +表示效果很好;?表示根据实际问题适当调整效果也会很好;-表示不太适合这种教学形式．

再说国情适应性的问题．中美物理教育的背景差异主要有两点:一是实验条件;二是考试压力．在实验条件方面,总体来讲,要想运用前面介绍的某些新教法(如工作坊物理、微机实验室、工作室物理等等),目前我国大中学校,尤其是中学的硬件条件还达不到．但这并不意味着我国所有学校的实验条件都达不到．事实上,目前我国已有不少地区、不少学校都建设了数字化实验室,或者配备了数字化实验设备．我们相信,随着我国经济实力的迅速提升,各类学校的实验条件也将不断改善,实施前面介绍的需要硬件支撑的各种教法将不再是梦想．在考试压力方面,客观地讲,中美之间确实存在差异,尤其是在中学阶段．但是美国的部分中学同样存在升学的压力,尤其对于那些想进名牌大学的学生来说,升学考试仍然会对他们的学习方式、从而也对教师的教学方式产生重要的影响．所以美国的教师也会采取多种措施,保证在有限的时间内高效地实施新教法．下面就是他们实施新教法过程中总结出来的具体做法,它们也是新教法实施过程中教师通常需要面临的几个问题.

一是教材内容能否完成的问题．PI教学法的创始人、哈佛大学物理系的Eric Mazur教授表示,他在实施同伴教学法时,教学内容总量没有变化,而且他还增加了学生解题训练的时间．新教法的其他实践者大多则表示,在新教法的实施过程中,他们削减了大约15-20%的教学材料,但是学生在主动学习课堂中的学习效果,完全可以补偿在材料上的削减所带来的负面影响．

二是如何鼓励学生参与的问题．鼓励学生参与交流的一个重要方式,是要营造让每个学生都不怕出错的宽松环境．要鼓励学生讨论,避免消极地评价学生．尽量用实验或是演示来揭示正确答案,而不是教师作为权威者简单地呈现答案．此外,要采用绝对评分的方法来评价学生．所谓绝对评分法,是指学生的成绩完全由与课程标准的比照得出,而不是与其他学生的比较后得出．教师可以在新学期开始时,就宣布自己的评分规则,并告诉学生:大家只需对自己的成绩负责,别人得分高低完全不会对你的分数产生任何影响．

三是如何保证课前阅读的问题．几乎所有的新教法都强调学生要提前阅读和学习教材．新教法的教学实践者发现,可以激励学生持之以恒的进行课前阅读的方法,就是教师需要花时间编制阅读问卷,其中提出的问题并不太难,都与教材内容有关,学生只要真正阅读了相关内容就能作出回答．需要注意的是,教师必须每次都提出课前阅读的明确要求,并且每次讲课的内容、方式和进度都基于学生的课前阅读基础之上．这样一来,久而久之,学生就会自然地养成课前阅读的习惯了．