物理教育研究中的量化研究方法

DING Lin 張 萍 賈澤皓

(1長(zhǎng)江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，湖北 荊州 434023 ； 2俄亥俄州立大學(xué)教育學(xué)院，美國(guó) 俄亥俄哥倫布 43210；3 北京師范大學(xué)物理學(xué)系，北京 100875)

物理教育研究對(duì)每一個(gè)物理教師來(lái)說(shuō)既需要也重要，它可以幫助教師理解教育規(guī)律，更有效地進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)，利于學(xué)生的發(fā)展，同時(shí)也利于教師的專業(yè)成長(zhǎng)。

1 量化研究方法在物理教育研究中的意義

事實(shí)上，教師在日常的教學(xué)過(guò)程中都會(huì)或多或少地對(duì)自己的教學(xué)進(jìn)行反思和總結(jié)，在遇到的問(wèn)題時(shí)會(huì)對(duì)自己的教學(xué)行為進(jìn)行調(diào)整，這就是教育研究的原始狀態(tài)，是一種不自覺(jué)的行動(dòng)研究，形成了很多零散的，碎片化的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、印象、感想和觀點(diǎn)。如果能對(duì)教學(xué)中遇到的問(wèn)題和個(gè)人反思進(jìn)行更深入的探索，用科學(xué)的實(shí)證研究方法對(duì)教學(xué)進(jìn)行研究，就可以使研究結(jié)果在物理教育研究領(lǐng)域中進(jìn)行比較和整合，形成共識(shí)，利于同行之間交流，并與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌。

實(shí)證研究方法分為量化研究(Quantitative Research Methods)、質(zhì)性研究(Qualitative Research Methods)(也稱為定量研究和定性研究)，及將兩者相結(jié)合的混合研究方法(Mixed-Methods Approach)。由于PER的研究者主要是物理教師，而量化研究遵循傳統(tǒng)的科學(xué)研究方法，包括提出假設(shè)、構(gòu)建模型、創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)和驗(yàn)證假設(shè)，因此最容易被物理教育者接受，在學(xué)科教育研究領(lǐng)域中最早使用量化研究方法的多是PER研究者。在PER的歷史上量化研究一直居于主導(dǎo)的地位，質(zhì)性研究的發(fā)展較為緩慢。

PER量化研究主要是使用統(tǒng)計(jì)測(cè)量原理獲得數(shù)字資料來(lái)研究物理教育的問(wèn)題，通過(guò)收集、整理、描述各類物理教育現(xiàn)象中蘊(yùn)含的數(shù)字信息，探明研究對(duì)象的屬性特征，分析和判斷影響物理教育現(xiàn)象變化因素，研究物理教育現(xiàn)象之間的關(guān)系，比較教育現(xiàn)象之間的差異，發(fā)現(xiàn)物理教育發(fā)展變化的特征及規(guī)律，解決物理教學(xué)中存在的問(wèn)題，或者對(duì)研究結(jié)果的數(shù)據(jù)處理進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推斷，由樣本推斷總體，從而做出正確的決策。

2 量化研究在PER和物理其他研究領(lǐng)域中的差異

盡管PER也是物理研究的一個(gè)分支，但是PER的量化研究方法和物理其他領(lǐng)域的量化研究方法有所不同。由于對(duì)物理教育研究感興趣的多是有物理專業(yè)研究背景的教師，有必要先討論一下量化研究在PER和物理其他領(lǐng)域的差異，說(shuō)明無(wú)論是物理測(cè)量還是物理教育的測(cè)量，其正確性都不是絕對(duì)的，物理測(cè)量結(jié)果也會(huì)受到實(shí)驗(yàn)條件的影響，而物理教育研究對(duì)象是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，發(fā)展的歷史還很短，因此在物理教育量化研究中一味地追求絕對(duì)的測(cè)量是不現(xiàn)實(shí)的。

首先，傳統(tǒng)物理中的測(cè)量涉及有形物體和無(wú)形物體(例如電磁場(chǎng))及其物理屬性，測(cè)量的主體是明確的，被測(cè)物理量有明確的定義，存在大家公認(rèn)的與被測(cè)物理量相關(guān)的一組變量，對(duì)這些變量的測(cè)量和數(shù)據(jù)分析通常遵循一些成熟的規(guī)則，這些規(guī)則幫助物理學(xué)家建立起物理世界是如何運(yùn)作的模型。但是， PER的量化研究是為了探索人們?cè)趯W(xué)習(xí)物理過(guò)程中是如何思考和表現(xiàn)的，研究主體是教學(xué)活動(dòng)中教師和學(xué)生的非物質(zhì)特性(心理屬性)，它們是概念理解、推理能力、科學(xué)實(shí)踐、信仰、態(tài)度和認(rèn)知等等。這些心理屬性往往不能直接觀察和測(cè)量，需要通過(guò)教師或?qū)W生在完成某些任務(wù)上的表現(xiàn)來(lái)探測(cè)。另外，人的心理屬性，往往難以明確界定，有些甚至缺乏公認(rèn)的定義，易受條件的影響發(fā)生變化，制約它們的變化因素很多，因此相比物理學(xué)研究，PER量化研究面臨更大的挑戰(zhàn)。

PER量化研究的另一個(gè)獨(dú)特之處在于它使用的測(cè)試工具。在傳統(tǒng)的物理學(xué)量化研究中，絕大多數(shù)的測(cè)量工具已在全球范圍內(nèi)校準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)化，使用不同儀器收集和計(jì)算的數(shù)字信息很少引起爭(zhēng)議。即使用不同單位制(如SI和英制)的儀器進(jìn)行測(cè)量，利用單位變換規(guī)則就可以輕松地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析與比較[1]。在PER領(lǐng)域中，研究的內(nèi)容通常是一個(gè)多層次、多元化的復(fù)雜系統(tǒng)，一般而言都涉及二階建構(gòu)：第一階是人們理解物理世界的過(guò)程，第二階是我們研究人員理解一階建構(gòu)的過(guò)程。而物理學(xué)所研究的內(nèi)容直接與物質(zhì)世界及其相互作用有關(guān)，處于一階建構(gòu)的層面。因此，盡管PER研究人員已經(jīng)開發(fā)出一些測(cè)試工具，但是由于測(cè)試工具的開發(fā)通?；谠O(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的認(rèn)知，加上PER的測(cè)量存在樣本依賴性，所以在PER領(lǐng)域(包括任何教育和心理測(cè)量領(lǐng)域)幾乎沒(méi)有一套測(cè)試工具可以被全球接受，用來(lái)對(duì)某一個(gè)感興趣的變量進(jìn)行全球標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量。

此外，由于量化研究使用的數(shù)據(jù)類型不同，PER與物理學(xué)其他領(lǐng)域在數(shù)據(jù)分析方法上存在很大差異。定量數(shù)據(jù)有4種類型，簡(jiǎn)單介紹如下：

(1) 定類數(shù)據(jù)(nominal)是一種分類數(shù)據(jù)，它是離散的并且沒(méi)有順序關(guān)系。例如，在研究物理學(xué)習(xí)過(guò)程中男女生差異時(shí)，我們可能會(huì)使用的“1” 和“0”分別表示男性和女性，這里并不表示1比0更大。

(2) 定序數(shù)據(jù)(ordinal)是另一種分類數(shù)據(jù)，也是離散的但具有順序。例如，研究高中階段三個(gè)年級(jí)的學(xué)生對(duì)一些物理概念理解水平的發(fā)展變化時(shí)，分別用數(shù)字1，2，3表示高中一年級(jí)，二年級(jí)和三年級(jí)。定序數(shù)據(jù)用數(shù)字表示個(gè)體在某個(gè)有序狀態(tài)中所處的位置，不能做數(shù)學(xué)計(jì)算。例如，PER的測(cè)試工具中的科羅拉多物理學(xué)習(xí)態(tài)度調(diào)查(Colorado learning attitude survey about sciences，簡(jiǎn)稱C-LASS)和馬里蘭州物理期望調(diào)查(Maryland physics expectations survey，簡(jiǎn)稱MPES)[2]，它們是李克特量表(Likert-scale inventory)，是由一組陳述組成，每一陳述都有：1(非常不同意)，2(同意)，3(中立)，4(同意)到5(非常同意)五種回答，數(shù)值越大表明同意的程度越高，但5(非常同意)和4(同意)之間的差距與4(同意)和3(中立)之間的差距不一定相同。

(3) 定距數(shù)據(jù)(interval)是具有相等間隔的連續(xù)數(shù)據(jù)，并且有順序。例如，溫度，1℃、2℃之間的差與20℃和21℃之間的差是相同的。定距數(shù)據(jù)有單位，沒(méi)有絕對(duì)零點(diǎn)，可以做加減運(yùn)算，不能做乘除運(yùn)算。

(4) 定比數(shù)據(jù)(ratio)不僅具有定距數(shù)據(jù)的全部屬性，同時(shí)具有絕對(duì)原點(diǎn)(即0)，且兩個(gè)數(shù)值之間的比值是有意義的。例如：質(zhì)量就是一個(gè)定比變量，我們可以說(shuō)一個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量為一個(gè)電子的1836倍。

上述4類數(shù)據(jù)是從低到高的次序排列，排在后面的數(shù)據(jù)類型除了包含前面數(shù)據(jù)類型的所有性質(zhì)外還具有更多的性質(zhì)，數(shù)據(jù)能參與的運(yùn)算更多。

在傳統(tǒng)的物理學(xué)中，量化研究的數(shù)據(jù)基本上是定距和定比數(shù)據(jù)(也有例外，如電子自旋是離散狀態(tài)，不是定距數(shù)據(jù))。這意味著我們可以用數(shù)據(jù)執(zhí)行多種數(shù)學(xué)運(yùn)算，其結(jié)果仍具有物理意義。與之不同的是，PER定量數(shù)據(jù)大多為定類和定序數(shù)據(jù)，只有極少的定距數(shù)據(jù)，且從無(wú)定比數(shù)據(jù)。 例如PER常用的幾個(gè)測(cè)試工具：力的概念測(cè)試(force concept inventory，簡(jiǎn)稱FCI)[3]，力與運(yùn)動(dòng)概念評(píng)測(cè)(force and motion conceptual evaluation，簡(jiǎn)稱FMCE)[4]，電磁學(xué)概念調(diào)查(conceptual survey of electricity and magnetism，簡(jiǎn)稱CSEM)[5]中都沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)定距數(shù)據(jù)。因?yàn)?，我們不能說(shuō)在FCI測(cè)試中獲得1分和2分的兩名學(xué)生之間在力的概念理解上的差距與獲得20分和21分的兩名學(xué)生之間的差距相同[6,7]。然而，如果樣本中的學(xué)生分?jǐn)?shù)分布遵循正態(tài)分布，在統(tǒng)計(jì)上可以將學(xué)生分?jǐn)?shù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成間隔相等的標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)，此時(shí)研究人員就可以把測(cè)試分?jǐn)?shù)近似看作定距數(shù)據(jù)，計(jì)算均值和標(biāo)準(zhǔn)差，并進(jìn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析。在一般情況下，對(duì)定序和定類數(shù)據(jù)(也被稱為分類數(shù)據(jù))，通常以其頻率呈現(xiàn)出一定特征，并可進(jìn)行非參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析(nonparametric statistical analysis)。總之，在數(shù)據(jù)連續(xù)的情況下，當(dāng)樣本量足夠大，通?？梢詽M足正態(tài)假設(shè)。但是，當(dāng)涉及分類數(shù)據(jù)或小規(guī)模連續(xù)數(shù)據(jù)時(shí)，正態(tài)假設(shè)很可能會(huì)不適用，在這種情況下，傳統(tǒng)的參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析不再有效。非參數(shù)統(tǒng)計(jì)并不基于正態(tài)分布假設(shè)，可以用于在傳統(tǒng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)不適用的多數(shù)情況。

鑒于定量數(shù)據(jù)的上述性質(zhì)，可以想象，相比其他的物理研究領(lǐng)域，PER中的定量研究更難達(dá)到有效、可靠的水平，更難令人滿意。然而，需要指出的是：無(wú)論對(duì)PER定量數(shù)據(jù)進(jìn)行如何仔細(xì)的測(cè)量和分析，我們也只能用觀察到的結(jié)果來(lái)推斷我們真正感興趣的部分，而那些不能被直接觀察到的才是我們真正感興趣的東西，這就是為什么PER量化研究在解決有效性和可靠性方面常常遇到很大困難的原因，也是物理學(xué)家在理解PER量化研究時(shí)常常產(chǎn)生質(zhì)疑的原因。

PER量化研究在某些方面類似于物理學(xué)家所熟知的熱力學(xué)中的微觀態(tài)和宏觀態(tài)，其中宏觀態(tài)是大量微觀態(tài)的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果，并且宏觀態(tài)不需要對(duì)應(yīng)任何特定的微觀態(tài)。同樣，PER的研究結(jié)果也不可能映射到某個(gè)學(xué)生身上。

3 PER量化研究的3種基本類型

簡(jiǎn)而言之，量化研究是通過(guò)一些統(tǒng)計(jì)技術(shù)進(jìn)行定量觀測(cè)，獲得數(shù)字資料，對(duì)物理教育中的事件、想法或行動(dòng)進(jìn)行描述、解釋和推論的研究方法。量化研究的優(yōu)點(diǎn)在于它允許研究人員專注于所感興趣的變量，測(cè)試與分析變量之間的各類關(guān)系，如變量之間的相關(guān)，甚至是因果關(guān)系。相比于質(zhì)性研究，量化方法主要處理數(shù)值數(shù)據(jù)，因此在處理和傳播信息的過(guò)程中，由于研究者個(gè)人主觀因素而引起的偏差相對(duì)較少。 在PER中常用的量化研究方法有：描述統(tǒng)計(jì)，推斷統(tǒng)計(jì)、測(cè)試工具的開發(fā)和檢驗(yàn)。對(duì)應(yīng)于PER的3種主要研究類型：調(diào)查研究(survey research)、實(shí)驗(yàn)/準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究(experimental/quasi-experimental studies)、測(cè)量與評(píng)價(jià)研究(evaluation research)[8]。

描述統(tǒng)計(jì)主要用來(lái)描繪或概括獲得數(shù)據(jù)的基本情況，顯示其分布特征，研究不涉及因果，重點(diǎn)描述物理教育中的現(xiàn)象 “是什么”而非“可能是”。例如，研究人員想調(diào)查“在某幾個(gè)大學(xué)的學(xué)生們完成FCI測(cè)試的平均表現(xiàn)如何？” 解決這個(gè)問(wèn)題就可以利用描述統(tǒng)計(jì)，通過(guò)計(jì)算平均數(shù)和中位數(shù)來(lái)反映數(shù)據(jù)的集中趨勢(shì)，通過(guò)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差、差異系數(shù)等差異變量來(lái)反映數(shù)據(jù)的離散程度。一般而言，采用描述統(tǒng)計(jì)方法的研究報(bào)告比采用其他方法的研究論文更容易理解。

推斷統(tǒng)計(jì)主要是根據(jù)樣本數(shù)據(jù)信息，運(yùn)用概率理論分析論證，在一定的可靠程度上推斷出總體的有關(guān)特征。在PER中最典型的應(yīng)用是實(shí)驗(yàn)/準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究，受試者個(gè)體(在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中)或受試者群體(在準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中)被隨機(jī)取樣并分配到對(duì)照組或?qū)嶒?yàn)組中，通過(guò)對(duì)比不同的群體表現(xiàn)，研究人員可以推斷出實(shí)驗(yàn)干預(yù)后的有效性。使用該研究方法的一個(gè)實(shí)例是：與傳統(tǒng)大學(xué)物理教學(xué)相比，使用同伴教學(xué)法后學(xué)生在C-LASS中的表現(xiàn)更接近物理專家[9]。

如果我們想測(cè)量學(xué)生學(xué)習(xí)物理過(guò)程中的某些心理屬性，就要編制一種測(cè)驗(yàn)來(lái)引起與該種心理屬性相應(yīng)的行為反應(yīng)，通過(guò)測(cè)量學(xué)生完成測(cè)驗(yàn)的行為反應(yīng)，來(lái)估計(jì)和推測(cè)這種屬性。PER中第三類量化研究是測(cè)試工具的開發(fā)和校準(zhǔn)，用于評(píng)估研究，使其能匹配特定的評(píng)估計(jì)劃，并提供具有有效性和可靠性的證據(jù)。經(jīng)典測(cè)量理論(classical test theory， 簡(jiǎn)稱CTT)是其他測(cè)量理論的基礎(chǔ)，它的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，涉及的基本概念有平均分、標(biāo)準(zhǔn)差、難度、區(qū)分度、信度、效度等，都易于理解和計(jì)算，但是這些測(cè)量常常依賴被試樣本，因此很難獲得一個(gè)客觀的尺度對(duì)不同情境下的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行有意義的比較。除了CTT外，還有項(xiàng)目反應(yīng)理論(item response theory，簡(jiǎn)稱IRT)，它建立在更復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型之上。另外，在解決CTT測(cè)量結(jié)果依賴樣本的局限性、實(shí)現(xiàn)測(cè)試的客觀性上， Rasch模型提供了一個(gè)可行性很高的方案，使不同情境下的測(cè)量可以在相對(duì)一致的框架下進(jìn)行比較和解讀。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)分析變得越來(lái)越容易，大數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用越來(lái)越廣泛，也拓展了物理教育量化研究思路和空間。但是大數(shù)據(jù)分析不等同于教育領(lǐng)域的量化研究，兩者在研究范式、數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)分析方法等方面是不同的。PER量化研究是基于問(wèn)題，選取適合的樣本收集數(shù)據(jù)，基于統(tǒng)計(jì)原理處理和分析數(shù)據(jù)，由樣本推斷總體。大數(shù)據(jù)分析是采用基于數(shù)據(jù)庫(kù)原理和計(jì)算機(jī)技術(shù)的數(shù)據(jù)挖掘和分析技術(shù)，通常是先有數(shù)據(jù)，但是一般而言它的數(shù)據(jù)生成具有隨機(jī)性，富含大量繁雜信息，從而稀釋了有用信息，因此“大數(shù)據(jù)”盡管數(shù)據(jù)量大但價(jià)值密度卻低。

4 結(jié)語(yǔ)

具備PER量化研究方法的知識(shí)可以使教育研究和教育實(shí)踐都“基于證據(jù)”(evidence-based)，這對(duì)物理教育工作者來(lái)說(shuō)非常重要。一方面，在做物理教育研究時(shí)，使用量化研究方法可以提高研究的科學(xué)性，有多少證據(jù)說(shuō)多少話。另一方面，了解PER量化研究的知識(shí)可以讓教師讀懂國(guó)內(nèi)外物理教育研究成果的文獻(xiàn)，判斷其質(zhì)量，決定是否將其運(yùn)用于教學(xué)中改進(jìn)教學(xué)，做到在教學(xué)改革過(guò)程中既開放思想又不隨波逐流。為此，我們?cè)噲D以實(shí)踐合理性的視角介紹PER量化研究，打開窗口、留出接口，使教師初步了解PER量化研究方法，在需要的時(shí)候可以繼續(xù)學(xué)習(xí)達(dá)到精通。本文作為一個(gè)開篇，后面幾篇將分別按照PER量化研究的3種主要類型(調(diào)查研究、實(shí)驗(yàn)/準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究、測(cè)量與評(píng)價(jià)研究)具體介紹其研究方法。