美國物理新教法評介

吳維寧 吳姣姣

(湖北大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430062)

1 美國物理新教法

所謂新教法,是相對于傳統(tǒng)教法而言的．它并不排斥講授,也不局限于講授．一般說來,新教法是指采用多種教學(xué)手段、以學(xué)生積極參與和師生互動為主要特征的教學(xué)方法的總稱．以下介紹3類美國物理新教法[1],即合作學(xué)習(xí)教學(xué)法、引導(dǎo)互動教學(xué)法和自主探究教學(xué)法．需要說明的是,此處的教法分類僅以其主要特征為標(biāo)準,且分類的目的是為了方便討論．因此分類是相對的,沒有絕對意義．事實上,以上3類方法中相互之間都或多或少有所交叉．

1.1 合作學(xué)習(xí)教學(xué)法

所謂合作學(xué)習(xí)教學(xué)法,是指以學(xué)生間的相互交流為主要特征的教學(xué)方法．在美國,合作學(xué)習(xí)的教學(xué)模式有很多．這里重點介紹其中3種,即合作小組、同伴教學(xué)和思考-結(jié)對-分享．3種教學(xué)法在美國具有較大的影響力．下面分別作以介紹．

合作小組(Cooperative Group，簡稱CG)．CG教學(xué)法的主要特征就是小組合作．在合作小組學(xué)習(xí)教學(xué)法中,學(xué)生們用結(jié)構(gòu)化的問題解決策略,來解決個人難以解決的復(fù)雜的、背景豐富的問題．本教學(xué)法首先是結(jié)合講義進行5步走解題策略的示范教學(xué),隨后在復(fù)習(xí)課中將學(xué)生分成若干小組,每組3-4人,進行背景豐富問題的練習(xí),最后各個小組向教師或是其他各組匯報他們的結(jié)果,過程中實施者可以培訓(xùn)一些助教來輔助管理合作小組．

保證合作小組的有效實施要做到以下幾點:最初的分組應(yīng)是隨機的．首次測驗過后,將優(yōu)秀,中等與一般三個不同水平的學(xué)生安排在一組,組員每三周輪換一次．小組規(guī)模3人最佳．小組成員應(yīng)該面對面坐,如果教室的桌椅都是固定的話最好能前一排坐兩人后一排坐一人,而不是3個人坐在同一排．每個小組成員都扮演不同的角色．3人小組中,一個管理者(負責(zé)人,保障任務(wù)順利進行),一個質(zhì)疑者(有目的地提出問題或不同意見),還有一個記錄者(詳細記錄要上交的解決方案)．各角色每周輪轉(zhuǎn)一次．這樣做的目的是讓每位成員在三周之內(nèi)體驗每種角色,避免某一位學(xué)生主宰整個小組的現(xiàn)象發(fā)生．

同伴教學(xué)(Peer Instruction，簡稱PI)．PI教學(xué)法是另一種合作學(xué)習(xí)的教學(xué)方法,它與其他合作學(xué)習(xí)教學(xué)法的重要區(qū)別是合作主要發(fā)生在相鄰座位的兩個同學(xué)(同伴)之間．同伴教學(xué)也因此而得名．PI教學(xué)法通常將新課內(nèi)容劃分為3-4個部分,在每一部分用7-10 min時間進行微課教學(xué),再用5-8 min進行概念測試．微課只需關(guān)注概念,推理以及直覺的知識．概念測試主要由與微課教學(xué)緊密相關(guān)的一些小型概念性多項選擇題組成．問題提出后,給學(xué)生1 min左右的時間,獨立思考并將答案寫下來,然后兩個鄰座的學(xué)生之間相互交流各自的答案．此時,如果兩個學(xué)生中有學(xué)生希望修改自己的答案的話,教師是容許的．

教師通常有如下3種不同的方式來收集學(xué)生的作答情況:一是舉手示意．就是在一個問題呈現(xiàn)給學(xué)生之后,經(jīng)過學(xué)生的獨立思考和同伴交流,教師要求學(xué)生中選擇A、B、C、D、E等不同選項的學(xué)生分別舉手示意,教師以此來判斷學(xué)生對問題的掌握情況．二是課堂信息反饋系統(tǒng)(Clicker)．這是一種類似表決器的課堂信息收集反饋系統(tǒng),每一個學(xué)生手上都有一個電子遙控器,它可以將每一個學(xué)生的選項反饋到教師操控臺的電腦系統(tǒng)中去,經(jīng)過電腦的分析整理,最后,各個選項的學(xué)生人數(shù)可以以圖表的形式投射到電子屏幕上,教師即可依此調(diào)整教學(xué)策略．三是字母卡片．教師發(fā)給每個學(xué)生若干張卡片,上面分別寫著A、B、C、D、E等代表不同選項的字母,當(dāng)教師要求學(xué)生出示各自的選項字母時,學(xué)生就將代表自己選項的字母舉起來,這時教師就可以從學(xué)生們舉起的卡片中,大致判斷學(xué)生對問題的掌握程度了．

思考-結(jié)對-分享(Think/Pair/Share，簡稱TPS)．TPS是一種非結(jié)構(gòu)化、更加靈活的同伴教學(xué)法,適用于各種規(guī)模的班級教學(xué)．該教學(xué)法的實施可分為4個步驟:一是提出問題．即由教師向全班提出一個問題或者話題．二是獨立思考．即讓學(xué)生獨立思考(幾s到幾min),并在限定時間內(nèi)寫出答案．三是結(jié)對討論．將學(xué)生兩兩分組討論、反思、修改后盡量形成統(tǒng)一的意見,并補充理由(討論過程中教師可以加入1-2組的討論,了解他們的討論內(nèi)容);四是交流分享．教師請1-2組交流分享自己的觀點,教師或其他小組可對其觀點做出點評．課堂中要注意3個問題:一是要保證學(xué)生將自己最初的想法記錄下來,避免人云亦云．二是引導(dǎo)學(xué)生對自己的答案做出合理的解釋．三是教師在點評時要給每一個答案(尤其是錯誤答案)以反饋,并保證在學(xué)習(xí)過程中犯錯不會被懲罰．

1.2 引導(dǎo)互動教學(xué)法

所謂引導(dǎo)互動教學(xué)法,是指以教師引導(dǎo)和師生互動為主要特征的教學(xué)方法．在美國,此類教學(xué)方法中具有影響力的具體教法主要有以下兩種,即蘇格拉底誘導(dǎo)實驗和互動演示．

蘇格拉底誘導(dǎo)實驗(Socratic Dialog Inducing Labs，簡稱SDI)．SDI是一種強調(diào)對物理實驗的親身體驗以及學(xué)生互動參與的教學(xué)方法．在SDI教法中,一組學(xué)生展開相對簡單的物理活動(例如在不同的條件下推動物塊或是將裝有水的小桶在空中旋轉(zhuǎn)),之后針對學(xué)生中可能出現(xiàn)的相異構(gòu)想提出一系列問題,引發(fā)小組討論．當(dāng)學(xué)生討論遇到瓶頸時,教師應(yīng)作為蘇格拉底對話者,提出導(dǎo)向性問題,一步步引導(dǎo)學(xué)生正確解釋他們的觀察結(jié)果．有了這些教學(xué)實驗活動作基礎(chǔ),課堂講授教學(xué)時,只需要重點解決質(zhì)性問題,并適當(dāng)安排教學(xué)演示就可以了．相關(guān)研究表明,SDI實驗班級學(xué)生的概念掌握情況,明顯優(yōu)于傳統(tǒng)班級的學(xué)生,原因主要有兩點:一是SDI課堂活動密切關(guān)注基本物理現(xiàn)象與對這些物理現(xiàn)象的概念理解;二是本教學(xué)法在某種程度上已經(jīng)具備了小組合作與同伴互動的特征．

互動演示(Interactive Lecture Demonstration，簡稱ILDs)．ILDs是指通過學(xué)生積極參與課堂演示過程,來強化物理課堂中概念學(xué)習(xí)的教學(xué)方法．但由于多方面的原因,課堂演示常流于形式．要真正發(fā)揮課堂演示應(yīng)有的作用,需要遵循以下幾個步驟:首先,要舍得花時間去解釋儀器設(shè)備及其使用方法,讓學(xué)生預(yù)測實驗的結(jié)果;其次,是讓學(xué)生將自己預(yù)測的結(jié)果寫下來,與鄰座的學(xué)生進行討論;最后,學(xué)生現(xiàn)場演示,將實驗結(jié)果與其預(yù)測結(jié)果進行比較,并嘗試性地解釋觀察到的現(xiàn)象．

ILDs的另一種形式是采用結(jié)果性質(zhì)清楚,但具體程度/大小不明確的實驗．例如,讓小球沿斜坡滾下,在軌道底部敲擊鐘擺,問鐘擺的擺動角度是多少．經(jīng)過學(xué)生最初的討論之后,讓學(xué)生以結(jié)對或分組的方式計算可能出現(xiàn)的實驗結(jié)果．若有條件將計算結(jié)果投射到大屏幕上,互動演示教學(xué)法也可以在機房里實施．

1.3 自主探究教學(xué)法

所謂自主探究教學(xué)法,是指以學(xué)生的自主探究為核心的教學(xué)方法．下面重點介紹三種自主探究的具體教法,即微機實驗室、工作坊物理和工作室物理．

微機實驗室(Microcomputer-Based Labs，簡稱MBLs)．MBLs是指以微型計算機為工具,以圖像采集和數(shù)據(jù)處理為主要手段,以增進學(xué)生對物理概念直觀感受為目的的教學(xué)方法．MBLs實驗活動同樣要求學(xué)生:首先,預(yù)測實驗結(jié)果并以書面的形式記錄下來,然后通過討論得出結(jié)論．這類實驗活動與SDI實驗相似,主要關(guān)注點都是物理現(xiàn)象,而不是精確測量,只是MBLs更強調(diào)數(shù)據(jù)的采集．

MBLs的兩大突出特點是:(1) 計算機代替學(xué)生去收集數(shù)據(jù)和繪圖,讓學(xué)生將有限的時間投入到物理概念的學(xué)習(xí)之中．(2) 實時顯示的數(shù)據(jù)圖像,可以幫助學(xué)生將圖像與物體的運動聯(lián)系起來．相較于傳統(tǒng)教學(xué),MBLs顯示出對力與運動概念理解教學(xué)的高效性．值得注意的是,關(guān)鍵因素并不是作為工具的計算機,而是計算機在課堂中的應(yīng)用．這里,教師需要引導(dǎo)學(xué)生建立物理觀念,并學(xué)習(xí)運用計算機進行具體測量的技術(shù)和方法．

工作坊物理(Workshop Physics，簡稱WP)．WP是以計算機為工具,以數(shù)據(jù)的收集處理為手段,以為學(xué)生營造一個做中學(xué)環(huán)境為目的的教學(xué)方法．它的最大特點,是打破了新授課、復(fù)習(xí)課和實驗課之間的界限,用有序的活動完全取代傳統(tǒng)的理論與實驗課程．WP通常要求學(xué)生參與每周3次課,每次課2小時,并且要求每2人配備一臺計算機以及各種計算機接口實驗器材．

教學(xué)活動通常包括數(shù)據(jù)收集與分析、檢驗假設(shè)、分析概念、解答習(xí)題、利用制表軟件進行計算,最近還有影像捕捉與分析工具的使用報告．教學(xué)活動需要學(xué)生與同伴、教師共同討論,必要時教師還要進行微課教學(xué)或者全班討論．WP教學(xué)可借助MBL工具以及其他用于建模與顯示結(jié)果、仿真/模擬和某些特殊目的的制表與繪圖軟件．WP教學(xué)法要求高師生比例,因此它在大班教學(xué)中不適用．

工作室物理(Studio Physics，簡稱SP)．SP是一種類似于工作坊物理的教學(xué)方法,它為學(xué)生提供先進的桌面實驗裝置和計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),學(xué)生在此親自動手操作并與同伴合作學(xué)習(xí)．它與WP的主要區(qū)別,是適用于大班教學(xué),并以培養(yǎng)學(xué)生的物理直覺和建模能力為重要目標(biāo)．

SP要求配備專用的、可容納大約60人的工作室,2人一臺計算機．學(xué)生的座位背對教師有序排列,座椅可自由轉(zhuǎn)動,這樣可以保證教師可以隨時看到學(xué)生的計算機屏幕,并且方便教師隨時叫停學(xué)生的活動．在SP的每個教室中,都有教師和助教維持課堂教學(xué)．助教主要負責(zé)在課堂上解決學(xué)生遇到的問題．具體的上課過程是:教師先講解課程的主要內(nèi)容,安排課堂的具體活動,并為有疑問的學(xué)生答疑．隨后學(xué)生在自己的工作臺上開始自己的學(xué)習(xí)活動,完成教師安排的實驗內(nèi)容,采集實驗數(shù)據(jù)并實時分析．

在SP教學(xué)模式下,學(xué)生在使用各種計算機工具完成各種計算機接口技術(shù)實驗的過程中,既體現(xiàn)了教師主導(dǎo)和學(xué)生主體的作用,同時又培養(yǎng)了學(xué)生的合作精神．此外,由于物理工作室面對的是大型班級,所以在教學(xué)時間的控制上以及學(xué)生的管理上也更加嚴格,因此,學(xué)會了這種主動性學(xué)習(xí)的學(xué)生,幾乎不會出現(xiàn)曠課現(xiàn)象．

2 新教法的有效性

為研究新教法的有效性,美國印第安納大學(xué)物理系的Richard R.Hake教授做過一次大規(guī)模調(diào)查[2]．為了更好地理解Hake的調(diào)查結(jié)果,先簡要介紹兩個相關(guān)概念．

一是概念增益．所謂概念增益,就是學(xué)生學(xué)習(xí)物理概念的進步值．該進步值用學(xué)生學(xué)習(xí)某項知識前后兩次評測結(jié)果之差來表示,即后測成績減去前測成績

g=Spost-Spre.

由于前后測成績之差的大小,受到學(xué)生原有知識水平的影響,因此,要想讓概念增益對于不同學(xué)生群體具有可比性,Hake定義了一個規(guī)范化概念增益來表征學(xué)生學(xué)習(xí)的進步值,具體來說,就是用前后測成績之差除以滿分與前測成績之差

其中,分子是概念增益的實際取值,分母則是概念增益的最大取值．兩者之商越大,說明教學(xué)效果越好,而與學(xué)生的前測成績無關(guān)．的取值范圍在0-1之間．這里的前后測成績都用百分制成績來表征,這時評測工具的滿分為100分．使用的評測工具,是標(biāo)準化的力學(xué)概念測試卷(FCI)和力學(xué)診斷測試卷(MDT),由于兩份測試卷的標(biāo)準化程度很高,在美國的應(yīng)用面很廣,所以它們的測試結(jié)果是可信的．因為上述兩份測試卷都是只考查物理概念的問卷,所以相關(guān)的增益就被稱為概念增益了．

二是增益散點圖．所謂增益散點圖,是一種用來直觀表述學(xué)生概念進步的圖示方法．它用學(xué)生的前測成績作橫軸、以學(xué)生的概念增益為縱軸、以圖線的斜率大小來表征規(guī)范化概念增益．圖中的一個點代表一個學(xué)生,以圖中右端點為起點,引一條指向代表學(xué)生的散點的直線,根據(jù)圖中的幾何關(guān)系不難看出,其斜率就是規(guī)范化概念增益的數(shù)值(見圖1，圖1中評測工具的滿分值為30分,圖中“學(xué)習(xí)增益”即“概念增益”),所以,在概念增益散點圖中,散點與右端點連線的斜率越大,學(xué)生的規(guī)范化概念增益就越大．

圖1 增益散點圖之示意圖

1996年,Hake選取了美國大學(xué)和高中學(xué)生共計6542人作為研究樣本,其中接受新教法(Interactive Engagement簡稱IE教法)的學(xué)生4458人,接受傳統(tǒng)教法(Traditional簡稱T教法)的學(xué)生2084人．

通過對運用FCI實施的前后測結(jié)果進行統(tǒng)計,Hake發(fā)現(xiàn),采用傳統(tǒng)教法的班級,其規(guī)范化概念增益的平均值為

T-ave=0.23±0.04 (標(biāo)準差).

而采用新教法的班級,其規(guī)范化概念增益的平均值為

IE-ave=0.48±0.14 (標(biāo)準差).

新教法比傳統(tǒng)教法幾乎高出兩個標(biāo)準差．為了更形象地描述兩種教法教學(xué)效果的差異,Hake還將參與調(diào)查的不同班級作為散點,繪制了包括大學(xué)和高中兩個學(xué)段的多個散點圖,這里僅呈現(xiàn)其中高中部分的散點圖(如圖2)．圖中的空心方框代表接受新教法班級的散點,實心方框代表接受傳統(tǒng)教法班級的散點,從圖中我們可以看到,接受新教法的班級,其散點斜率明顯高于傳統(tǒng)班級的散點斜率．

圖2 Hake調(diào)查結(jié)果的散點圖

為了研究概念理解水平與解題能力之間的關(guān)系,Hake又讓研究樣本中的3259名學(xué)生參與了物理解題能力的測試,采用的評測工具,也是在美國具有廣泛影響的力學(xué)基礎(chǔ)測試卷(Mechanics Baseline Test,簡稱MBT)．測試結(jié)果表明,學(xué)生的概念理解水平與學(xué)生的物理解題能力之間存在顯著的正相關(guān)．由此證明,新教法不僅能夠提升學(xué)生對于物理概念的理解水平,還能夠間接地提升學(xué)生的解題能力．所以最終的結(jié)論是,新教法顯著優(yōu)于傳統(tǒng)教法．

20幾年來,Hake的該項研究報告在美國物理教育界產(chǎn)生了十分重要的影響,它也成為推廣新教法之強有力的宣傳工具．

3 新教法的適用性

了解了新教法的具體實施辦法,以及新教法的有效性以后,您可能會問:這些誕生于美國的新教法適合我國國情嗎?它們適用于什么樣的班級規(guī)模和課型?教師在采用新教法的過程中可能面臨哪些問題?下面我們就來探討這些問題．

先說班額及課型適用性的問題．表1是美國加州理工大學(xué)的Randall D.Knight教授在考查了美國大中學(xué)校所有的IE課程(實施新教法的課程)之后,總結(jié)得出的關(guān)于新教法的班級規(guī)模及課型適用性一覽表(文獻[1]原表中列出了12種新教法,此處精選并呈現(xiàn)了其中的8種．這些教法同時適用于大學(xué)和中學(xué))．從表1中我們可以看到,上面介紹的8種新教法中,大多數(shù)教法都同時適用于復(fù)習(xí)課型和實驗課型,多數(shù)方法都適用于小班教學(xué),而適用(或者調(diào)整后適用)于大班教學(xué)的新教法數(shù)目也達到一半．我國主要是大班教學(xué),所以互動演示教學(xué)法、同伴教學(xué)法和思考-結(jié)對-分享教學(xué)法都是完全適用的,經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,小組合作學(xué)習(xí)教學(xué)法也是可以采用的．此外,我國一些有條件的地區(qū)和學(xué)校都在嘗試小班教學(xué),相信上述適用于小班教學(xué)的新教法會給他們以啟示．

表1 美國物理新教法的班額及課型適用性一覽表

注釋: +表示效果很好;?表示根據(jù)實際問題適當(dāng)調(diào)整效果也會很好;-表示不太適合這種教學(xué)形式．

再說國情適應(yīng)性的問題．中美物理教育的背景差異主要有兩點:一是實驗條件;二是考試壓力．在實驗條件方面,總體來講,要想運用前面介紹的某些新教法(如工作坊物理、微機實驗室、工作室物理等等),目前我國大中學(xué)校,尤其是中學(xué)的硬件條件還達不到．但這并不意味著我國所有學(xué)校的實驗條件都達不到．事實上,目前我國已有不少地區(qū)、不少學(xué)校都建設(shè)了數(shù)字化實驗室,或者配備了數(shù)字化實驗設(shè)備．我們相信,隨著我國經(jīng)濟實力的迅速提升,各類學(xué)校的實驗條件也將不斷改善,實施前面介紹的需要硬件支撐的各種教法將不再是夢想．在考試壓力方面,客觀地講,中美之間確實存在差異,尤其是在中學(xué)階段．但是美國的部分中學(xué)同樣存在升學(xué)的壓力,尤其對于那些想進名牌大學(xué)的學(xué)生來說,升學(xué)考試仍然會對他們的學(xué)習(xí)方式、從而也對教師的教學(xué)方式產(chǎn)生重要的影響．所以美國的教師也會采取多種措施,保證在有限的時間內(nèi)高效地實施新教法．下面就是他們實施新教法過程中總結(jié)出來的具體做法,它們也是新教法實施過程中教師通常需要面臨的幾個問題.

一是教材內(nèi)容能否完成的問題．PI教學(xué)法的創(chuàng)始人、哈佛大學(xué)物理系的Eric Mazur教授表示,他在實施同伴教學(xué)法時,教學(xué)內(nèi)容總量沒有變化,而且他還增加了學(xué)生解題訓(xùn)練的時間．新教法的其他實踐者大多則表示,在新教法的實施過程中,他們削減了大約15-20%的教學(xué)材料,但是學(xué)生在主動學(xué)習(xí)課堂中的學(xué)習(xí)效果,完全可以補償在材料上的削減所帶來的負面影響．

二是如何鼓勵學(xué)生參與的問題．鼓勵學(xué)生參與交流的一個重要方式,是要營造讓每個學(xué)生都不怕出錯的寬松環(huán)境．要鼓勵學(xué)生討論,避免消極地評價學(xué)生．盡量用實驗或是演示來揭示正確答案,而不是教師作為權(quán)威者簡單地呈現(xiàn)答案．此外,要采用絕對評分的方法來評價學(xué)生．所謂絕對評分法,是指學(xué)生的成績完全由與課程標(biāo)準的比照得出,而不是與其他學(xué)生的比較后得出．教師可以在新學(xué)期開始時,就宣布自己的評分規(guī)則,并告訴學(xué)生:大家只需對自己的成績負責(zé),別人得分高低完全不會對你的分數(shù)產(chǎn)生任何影響．

三是如何保證課前閱讀的問題．幾乎所有的新教法都強調(diào)學(xué)生要提前閱讀和學(xué)習(xí)教材．新教法的教學(xué)實踐者發(fā)現(xiàn),可以激勵學(xué)生持之以恒的進行課前閱讀的方法,就是教師需要花時間編制閱讀問卷,其中提出的問題并不太難,都與教材內(nèi)容有關(guān),學(xué)生只要真正閱讀了相關(guān)內(nèi)容就能作出回答．需要注意的是,教師必須每次都提出課前閱讀的明確要求,并且每次講課的內(nèi)容、方式和進度都基于學(xué)生的課前閱讀基礎(chǔ)之上．這樣一來,久而久之,學(xué)生就會自然地養(yǎng)成課前閱讀的習(xí)慣了．