理工科大學物理教學研究回顧、反思與展望

羅 瑩劉兆龍韓思思

（1北京師范大學物理系，北京 100875；2北京理工大學理學院，北京 100081）

理工科大學物理教學研究回顧、反思與展望

羅 瑩1劉兆龍2韓思思1

（1北京師范大學物理系，北京 100875；2北京理工大學理學院，北京 100081）

本文回顧了理工科大學物理教學研究在過去20年間的發展歷程，并進行了反思與展望.在過去20年間，大學物理教學研究的發展和我國高等教育改革是息息相關的，經歷了起步與發展兩個時期，為物理教育研究的起步奠定了基礎.反思理工科大學物理教學研究，與國際物理教育研究發展相比，我國大學物理教學研究存在兩個明顯的問題.一是研究領域過于狹窄，基本上是從“教”的角度進行，缺乏從學生的角度研究；二是研究方法多采用論辯的定性研究，缺乏實證的定量研究.分析問題產生的原因可能是因為我國大學物理教學研究領域的研究主體、研究方法和研究資助體系與國際上不同引起的.最后，本文對大學物理教學研究的發展進行了展望.

大學物理；物理教學研究；物理教育研究

大學物理課程是我國高等院校理工科專業重要的必修基礎課，課程涵蓋的基本概念、基本理論和基本方法是科技人才必備的科學素養的重要部分，是培養和提高分析問題、解決問題能力的重要基礎.高校理工科專業必修的基礎物理課程通常簡稱為“大學物理”，因此與之相關的教學研究也被稱為“大學物理教學研究”.

長期以來，我國理工科基礎物理課程的教學研究主要關注的是教學內容、教學體系、教材與教法等.以大學物理課程的教學研究為主要內容的雜志，包括20世紀80年代初創刊的《大學物理》（創刊于1982年）、《物理與工程》（1981年創刊）和《物理實驗》（1980年創刊）等，其刊登的研究論文絕大多數是以研究物理教學內容為主.例如:剛體與質點碰撞實例分析、對簡諧波能量的討論等等.它們是以具體的物理內容為研究對象，研究的主題和關鍵詞均是物理概念或規律等.這類研究是大學物理教學的基礎，也是提高教師的物理專業素養的需要.但僅有這些研究是遠遠不夠的，還需要另外一類重要研究.它們以物理教學為研究對象，研究主題與大學物理課程教學相關，關鍵詞多為大學、物理、教學或教育等.這類研究關注理工科、特別是工科，基礎物理課程體系、教學方法和教材等等，其目的是探索適合的、最佳的課程體系和教學設計，以確保基礎物理課程的教學質量.本文中的“大學物理教學研究”特指這類以物理教學為研究對象的大學物理教學研究.它們是理工科大學物理教學研究中不可缺少的重要組成部分，也是基礎物理教學實現課程目標的重要保障，更是提升教學質量的重要支撐.

在高等教育成為大眾教育的今天，理工科大學生知識結構變得更加多樣化、需求也更加多元化，如何保證和提高大學的教學質量，是每個學校和教師面臨的挑戰.對基礎物理課程的培養目標、課程體系、教學方法等進行改革已成為亟需解決的重要教育研究課題.

為了使大學物理教學研究能夠真正為物理教師和學習大學物理的學生服務，趕上國際物理教育研究水平，有必要對大學物理教學研究進行梳理和總結、反思和展望.以提高我國高校理工科的物理教育研究的整體水平.

1 研究對象、方法及獲得的數據

1994年教育部實施了“高等教育面向21世紀教學內容和課程體系改革計劃”，促進了高等院校展開教育、教學改革.大學物理作為培養理工科人才至關重要的基礎課程，開始了大規模、多方面的教學改革，與之相應的大學物理教學研究也開始逐步發展.為此，本文選擇1995年作為研究的時間起點.

核心期刊與CSSCI期刊是目前認知度較高，學術界廣泛認同，發文質量較高、具有較高代表性的學術刊物.因此，本文選擇近20年來核心期刊和CSSCI期刊發表的大學物理教學研究方面的論文為研究對象.為了提高文獻檢索的查全率和查準率，需要選擇正確的主題詞和邏輯運算符［1］.因此，大學物理教學研究領域的關鍵詞選擇為“大學”“物理”“教學”.

將主題概念作為檢索語言，其恰當的主題詞是“大學物理教學”.為了提高查全率，避免文獻被漏檢，需要引入同義詞和選擇范圍更廣的上位詞.將“大學”替換為同義詞“高校”，將“教學”替換為“教育”，同時檢索“教學”和“教育”，“大學”和“高校”，以擴大范圍.這里需要注意的是不能將“大學”替換為“基礎”，因為“基礎物理”特指中學物理.如果將“大學”替換為“基礎”，會使檢索結果包含大量的中學物理研究內容.全面地檢索文獻，需要合理地表達主題詞間的邏輯關系，為此本文用“大學、物理、教育”或“大學、物理、教學”或“高校、物理、教學”“高校、物理、教育”這樣的組配檢索，以保證高準確率的情況下避免漏檢.

在中國知網中以“大學”或者“高校”“物理”“教學”或者“教育”為主題詞進行檢索，搜索到20年間來源自核心期刊與CSSCI的論文1262篇.如果以“大學物理”“物理教學”和“高校物理教學”組合詞為主題詞進行檢索，同樣搜索這20年間的研究論文，檢索到的文章篇數少于1262篇，故選用前一種方式進行文獻檢索.將檢索到的1262篇研究論文中排除與大學物理教學主題無關的文章還余635篇，經查閱確定，其研究主題均是大學物理教學.將635篇文章按每年發表的文章數目進行統計，其分布如圖1所示.

圖1 1995—2015年期間，每年發表的文章篇數

圖1顯示，在1995—1999年期間，平均每年發表9.6篇文章，每年不足10篇.將這一時期看作大學物理教學研究的起步時期.在2000年以后進入了發展期，研究文章數量逐漸增多，可將其分為兩個階段.第一階段是2000—2006年期間，這一階段平均每年發表文章數為22.7篇.第二階段是2007年至今，平均每年發表文章數為47.6. 2015年11月內發表28篇，大學物理教學研究進入了快速發展時期.

論文的引用情況反映了學術研究的熱點和方向.通常來說，受到關注較多研究方向的文章比較容易被引用，特別是在某個研究方向剛剛開始的時候.從這個意義上講，文章的引用次數反映了該文章的重要性，可以代表文章的獨創性，前瞻性以及影響力［2］.雖然文章的引用次數不能完全反映該論文的研究水平，但是沒有更好的方法衡量論文的水平的情況下，以被引用次數為參考依據仍然是一種可行的評價方法.

在前面檢索的基礎上，對搜索到的論文以“被引用的次數”進行再次檢索，結果顯示被引用至少一次的文獻有496篇（包括作者自引情況）.其中被引用的次數和發表文章的時間分布如表1所示.

表1　文章被引用的總次數和所發表的年份分布

續表

表1中的數據顯示大學物理教學研究在不同時期受到的關注程度，2000年以后大學物理教學研究的論文引用率和文章數量不斷提高，越來越受到關注.

2 理工科大學物理教學研究回顧

前面的數據反映了從1995至2015年在高等教育的改革、大學擴招等時代背景下，大學物理教學研究發展狀況.對以上的數據、及其對文章內容進行分析、結合高校發展情況，將這20年間大學物理教學研究發展過程分為兩個時期.

2.1 第一時期:初始階段（1995年—1999年）

1994年教育部實施了“高等教育面向21世紀教學內容和課程體系改革計劃”以后，理工科必修基礎課程，開始了大規模、多方面的教學改革.為了培養出滿足社會現代化需要、未來需要的科技人才，中國物理學會教學委員會組織了就理工科基礎物理課程教學的現代化組織了多次會議，圍繞著理工科基礎物理課的根本性任務進行討論［3］.在大學物理教學中非常有影響力的趙凱華先生指出:“物理教育的目的不是為了服務于專業課，也不僅僅是傳授知識，它作為自然科學的基礎，是希望培養學生科學素養.”討論明確了理工科基礎物理課的根本性任務是培養具有一定科學素質的高端人才.教師在重傳授知識內容的同時，更應注重科學素養、科學方法的培養.授人以魚不如授人以漁.

在1995—1999年期間，圖1顯示這一時期平均每年發表10篇左右論文.大學物理教學研究從對國內外成功的經驗的梳理和總結開始，將著眼點放在了培養和提高科學素質和能力.在總結成功的經驗［4，5］基礎上，圍繞大學物理課程培養目標和借助計算機輔助教學手段，如何提高學生的科技素質和實驗動手能力進行了多項研究［6-8］，揚起了大學物理教學研究的風帆.

2.2 第二時期:快速發展時期（2000年至今）

2000年以后，數字化、信息化技術在我國迅速普及.由于當時許多教育先進的國家已將數字化技術應用在大學基礎課的教學中.因此在2000—2006年期間，大學物理教學研究圍繞著以計算機技術為核心的信息技術如何與工科基礎物理課教學相結合進行展開.圖1顯示這個期間，平均每年發表22.7篇研究論文，比起步時期論文的數量增多了2倍多，這是大學物理教學研究發展時期的第一階段.在第一階段重點研究了物理實驗教學的信息化和數字化.借助信息化技術物理實驗出現在了以衛星電視和網絡為手段的遠程教育的大學物理課程中［9-10］.虛擬現實技術、網絡管理系統等被引入了大學物理實驗教學中［11，12］.研究比較了國內外大學物理實驗教學［13，14］.為了提高學生實驗動手能力，物理實驗課程體系、教學模式、實驗室建設與管理進行了一系列改革［15-17］.

至2007年，我國已約有1900多所普通高等院校，其中一半以上是擴招后新增加的，多數是中專提升上來的，這些學校在理念、制度、師資、設施等各方面準備都不足.大學在經歷了“量變”之后，如何迎來質的飛躍是高校面臨的嚴峻的問題.大學擴招也使得高等教育從精英教育走向了大眾教育.伴隨著高等教育的變化，大學物理教學研究進入了發展期的第二階段.論文數量顯著增長，首次突破百篇，圖1顯示2007年至2015年平均每年發表47.6篇研究論文，超過了第一階段的2倍.與第一階段相比，大學物理教學研究的范圍更為細致、全面.

高等教育的大眾化使得本科教育逐漸走向了通識教育.這一轉變，導致了必修基礎物理課學時減少很多，因為在教學計劃中增加了原來缺少的通識課.與此同時，理工科學生的物理基礎和學習能力也變得差別非常之大.因此，如何建立合理的課程體系、進行有效的教學，以保證教學質量成為了教學研究的首要任務.大學物理教學研究在長期教學實踐積累的基礎上圍繞著課程體系的建設［18］、教學模式［19］以及實驗教學的創新［20-22］開展研究.

近2年來，大學物理教學研究出現了兩個新趨勢.一是國際上流行起來的大型網絡開放課程也對我國產生了很大影響.2013年10月教育部提出建設“兩個200門”網絡共享課程［23］，理工科的基礎物理課程出現在了愛課程網絡公開課平臺中.二是國際上主流的、物理教育研究的方法——量化、實證研究，被逐漸流入我國的大學物理教學研究中［24-28］.

伴隨著網絡技術和國際主流研究方法的應用，大學物理教學研究將以網絡技術和研究方法作為切入點，以大學物理教學為研究對象，采用量化、實證的方法，開始一個新的發展時期.

3 反思與展望

3.1 存在問題

回顧20年來大學物理教學研究的發展歷程，可以看到研究成果豐碩，尤其自2000年后進入了發展的快車道.但與國際先進大學物理教育研究水平相比，還存在明顯不足，主要表現在兩個方面:

（1）研究領域過于狹窄，基本上是從“教”的角度進行，缺乏從學生的角度研究.

總結20年研究發展可以發現我國的大學物理教學研究是從課程目標、課程體系、教學方法；實驗教學；數字化與信息化技術在教學中的應用等方面進行的.這些研究可以概括為是從教育者的角度出發，著重研究如何實現教學目標，其目的是如何更好地完成教學要求，滿足人才培養需要.對于學生在學習物理過程中是如何“學”的，以往的研究幾乎是空白.從學生的角度來看，現有的研究成果對其學習大學物理課程幾乎沒有幫助.與國際物理教育研究相比，我國大學物理教學的研究范圍是非常狹窄，僅涉及了其中的少部分.

按照國際上流行的觀點［28］，物理教育研究（Physics Education Research，簡稱PER）是物理學與教育學間的橋梁，應對物理教師的“教”與學生的“學”的過程進行研究，其最終目的是了解學生學習物理的過程，分析學習物理困難的原因、促進和幫助學生學習物理.為了達到這個目的，物理教育研究的主要內容應包括:識別學生學習物理內容時的迷失概念與困難；設計并評估物理教學策略；開發基于研究和經過研究檢驗的物理課程；將物理教育研究、物理課程開發的成果應用于物理教學.

（2）大多數的大學物理教學研究多是論證的定性研究，缺乏實證的定量研究

回顧近20年的發展，可以發現已往的大學物理教學研究大多數是基于長期的教學經驗，采用論證推理方法研究物理課程體系，教學體系、教學方法等，具有定性的、論證特征，具體表現在:研究對象個性強，取得的研究資料缺乏嚴謹研究設計，研究結果缺乏實驗數據支撐.由于缺乏定量的、實證研究，導致大學物理教學研究成果的可重復性不好.這也是我國大學物理教學研究論文的引用率不高的原因之一.

在本文檢索到的635篇論文中，僅有496篇被引用.表1中顯示絕大部分論文被引用1～5次，占496篇的57%；引用率最高沒有超過100次，在81～90次之間僅有1篇.這是一篇1995年趙凱華先生發表的、題為“物理教育與科學素質培養”文章，至2015年其被引用86次.趙凱華先生在大學物理教學研究領域非常有影響力，但其論文的引用率與自然科學領域中論文的引用情況相比，卻相差甚遠.這種現象出現的原因其一是目前大學物理教學研究的主流研究范式——采用教育學中傳統的定性、論辯的研究范式；其二是研究結果的可重復性差.這大大限制了物理教學研究成果的普及和推廣，在一個大學取得了很好的教學效果的研究成果在另一個大學中的卻有著諸多不適用.

反觀國際上PER領域，其主流研究范式——用物理學的研究方法研究物理教育，量化與實證是其重要特征.量化研究是現代科學的重要特征，尤其是計算機、信息、網絡技術的快速發展，各種統計程序應用的軟件大量涌現，大大地方便和滿足了教育研究者在研究過程中對數據分析的需要.量化的實證研究具有更高的信度和效度，具有更強的說服力，其研究成果可推廣性好.例如:同伴教學雖然發源于美國的哈佛大學，但在其他許多大學都在使用［24］.

3.2 原因解析

將我國大學物理教學研究的發展歷程與走在國際前列的美國高校的PER發展歷程［29］進行比較，我國大學物理教學研究領域與其最重要的差別表現在以下3個方面:

（1）研究主體的不同.我國大學物理教學研究主體是講授理工科基礎物理課程的物理教師，他們主要的研究方向是物理學，而不是物理教學，物理教學研究是他們研究的副業，不是主業.反觀PER處于高水平的美國，從事PER的人員雖然也是講授大學物理課程的教師，但他們研究的主要方向是PER.因為在美國，經過近20多年的快速發展PER已成為了物理學新興的學科分支.美國大學也有完善的PER方向的研究生培養制度，PER專業的學生獲得的是物理學博士學位.這個專業培養的畢業生很受歡迎，他們既是專業的物理教育研究者，也是優秀的物理教師.在我國與物理教育相關的專業被稱為物理學科教學論，歸屬于教育學（一級學科）下屬的科課程教學論（二級學科）專業的一個研究方向，目前大多數研究人員主要研究中學物理教育.可以說，盡管我國高等學校學習物理的人數眾多，物理教師也不少，但仍未形成專業的大學PER隊伍.

（2）研究方法不同.由于我國大學物理教學研究隊伍不能夠、也沒有專注于物理教學研究，導致現有的研究大多數是在長期教學積累的基礎上進行的定性論證研究，很少使用國際上PER的主流范式.量化實證研究需要對研究對象和過程進行客觀、真實的觀察與記錄，所獲得的研究資料需要嚴謹研究設計，研究過程不能隨意變化，研究結果需要實驗數據支撐等.這些要求對于教學研究來是需要花費大量精力和時間的，是量化實證研究的效度與信度的保障.

由于研究范式與國際通用的不同，也導致了盡管我國學習大學物理課程的學生人數眾多，但大學物理教學研究成果卻不能與國家接軌.

（3）研究的資助體系不同.我國大學物理教學研究的經費基本上是教育部，或學校布置分配的，與自然科學研究中的資助體系完全不同.這種從上到下的研究資助體系大大地限制了大學物理教師的教學研究.目前大學物理教學研究對大學生學習物理的困難和如何獲得物理能力很少關注.大學的普通物理教師要想獲得教學研究經費的資助非常困難，即使少數教師獲得學校的經費支持，因研究項目的資助級別不高、評定職稱時難以計入考核指標，迫使教師不能專注于教學研究，極大地限制了教學研究的積極性.此外，對教學研究論文的考核采用與科研論文相同的、SCI收錄標準，而刊登大學物理教學研究論文的雜志（《大學物理》《物理實驗》和《物理與工程》）也只在近些年才進入核心期刊，更沒有被SCI收錄.以上歷史遺留的、科研體制上的弊端極大地限制了我國大學物理教學研究的發展，以至于至今沒有跨越到PER專業，仍然停留在教學研究范圍.

3.3 展望發展

20年的發展歷程顯示大學物理教學研究發展與我國高等教育的改革是息息相關的.今天，我國社會、經濟和科技的發展對高等教育質量提出了更新、更高的要求，培養符合未來發展需求人才是高校刻不容緩的任務.大學物理教學研究應向快速、深入發展.

縱觀大學物理教學研究的發展，可以看到要實現大學物理教學研究快速深入發展，首先需要一支專業化的研究隊伍.借鑒美國的經驗，我國應鼓勵大學在物理系中設立PER專業.將PER劃歸為一級物理學科下的二級學科，讓其成為物理學的一個新的研究專業.大學物理教育將會受益于PER這個新興的、嚴密的研究領域，PER，會使物理教學質量得到提高.

其次，提倡專業的物理教育研究者使用PER的、主流研究范式（物理學的研究方法）研究物理教育，提高我國大學物理教學研究成果的信度和效度，增進其可重復性、可普及性和與國際同行的可交流性，以便提升我國PER成果的水平.

第三，為了使我國大學物理教學研究快速進入PER領域，與國際PER發展保持一致，在大學物理教學研究領域應采用與自然科學相同的管理體系，特別是相同的資助體系.將PER劃歸自然科學基金的資助范圍.因PER是物理學重要的組成部分，物理學的發展離不開PER.PER的研究方法與物理學的相同，其差別僅是研究對象不同. PER的研究對象是人類的教育行為，而物理學的研究對象是物質世界.隨著現代物理學不斷發展，今天物理學的研究對象已從無生命的物質世界擴展到人類社會，例如:金融物理出現.同樣PER專業也是物理學不斷發展的體現.

他山之石，可以攻玉.美國PER的發展［29］給我們提供了先進的經驗.美國物理學會（APS）早在1999年發表了“關于物理教育研究的聲明”，聲明承認PER是成長中的研究領域，支持美國高校的物理系設立PER研究方向.此后，美國自然科學基金的大力資助了EPR的研究.據不完全統計，2006至2010年期間美國自然科學基金至少資助了262個PER項目，經費約為7250萬美元，占PER總經費的75%.為了使PER在物理學科中擁有被公認的高水平研究成果，美國物理學會與AAPT聯手，于2005年開始出版電子期刊《物理評論專輯——物理教育研究》（Physical Review Special Topics——Physics Education Research）.這個專刊的設立使得從事PER的教師能夠得到正確的評價，專注于PER方向的研究.專業的研究隊伍，在有效經費的資助和高水平的成果展示體系下，專注于PER是美國的PER在十幾年的時間內迅速發展起來的核心要素.

時至今日，我國物理教育研究如果能夠走上專業的、學術化發展之路，必然帶動我國高等物理教育的迅速崛起，使高等物理教育走上可持續發展之路，進而促使教學質量、學生素質、能力的提高.

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6 結論與前瞻

本文運用電磁感應的基本定理及行列式技術，成功地推導出3個相互耦合的并聯線圈的等效自感系數，其在各特例情形的具體結論，均與文獻中已有的結果相符，檢驗和證實了本文理論的正確性.本文公式（14）及其行列式推導方法不僅能夠成功地解決3個線圈的并聯耦合的等效自感問題，在最一般的情形，還能推廣應用于n個并聯且相互耦合線圈的等效自感問題［6］，其等效自感系數是由各自的自感系數與互感系數構成的兩個分別為n階與n-1階矩陣的行列式之比，亦即:

這為進一步處理混聯且相互耦合的線圈的等效自感問題奠定了理論基礎，并將有益于電磁場、電路分析及電工學的教學與研究.

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REVIEW，REFLECTION AND PROSPECT: COLLEGE PHYSICS TEACHING RESEARCH IN PAST 20 YEARS

Luo Ying1Liu Zhaolong2Han Sisi1

（1Department of Physics，Beijing Normal University，Beijing 100875；2School of Physics，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081）

This article reviewed andrethought the development of College Physics Teaching Research（CPTR）in the past 20 years.The development of CPTR is linked closely with the reform and development of higher education.There are two stages of CPTR in the past 20 years，the start and development.Based on the reflection of the past 20 years，future development is proposed in Physical Education Research.

college physics；college physics teaching research；physics education research

2016-04-08

獲北京師范大學教學改革項目:“雙重預警、網絡交互教學模式在大學物理教學中的應用研究”、未來教育高精尖創新中心項目支持.

羅瑩，女，副教授，主要從事物理教育測量與評價研究.luoying@bnu.edu.cn

羅瑩，劉兆龍，韓思思.理工科大學物理教學研究回顧、反思與展望［J］.物理與工程，2016，26（4）:112-117.