美國物理新教法評介

吳維寧 吳姣姣

(湖北大學物理與電子科學學院，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手段、以學生積極參與和師生互動為主要特征的教學方法的總稱．以下介紹3類美國物理新教法[1],即合作學習教學法、引導互動教學法和自主探究教學法．需要說明的是,此處的教法分類僅以其主要特征為標準,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 合作學習教學法

所謂合作學習教學法,是指以學生間的相互交流為主要特征的教學方法．在美國,合作學習的教學模式有很多．這里重點介紹其中3種,即合作小組、同伴教學和思考-結對-分享．3種教學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教學法的主要特征就是小組合作．在合作小組學習教學法中,學生們用結構化的問題解決策略,來解決個人難以解決的復雜的、背景豐富的問題．本教學法首先是結合講義進行5步走解題策略的示范教學,隨后在復習課中將學生分成若干小組,每組3-4人,進行背景豐富問題的練習,最后各個小組向教師或是其他各組匯報他們的結果,過程中實施者可以培訓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:最初的分組應是隨機的．首次測驗過后,將優秀,中等與一般三個不同水平的學生安排在一組,組員每三周輪換一次．小組規模3人最佳．小組成員應該面對面坐,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(負責人,保障任務順利進行),一個質疑者(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)．各角色每周輪轉一次．這樣做的目的是讓每位成員在三周之內體驗每種角色,避免某一位學生主宰整個小組的現象發生．

同伴教學(Peer Instruction，簡稱PI)．PI教學法是另一種合作學習的教學方法,它與其他合作學習教學法的重要區別是合作主要發生在相鄰座位的兩個同學(同伴)之間．同伴教學也因此而得名．PI教學法通常將新課內容劃分為3-4個部分,在每一部分用7-10 min時間進行微課教學,再用5-8 min進行概念測試．微課只需關注概念,推理以及直覺的知識．概念測試主要由與微課教學緊密相關的一些小型概念性多項選擇題組成．問題提出后,給學生1 min左右的時間,獨立思考并將答案寫下來,然后兩個鄰座的學生之間相互交流各自的答案．此時,如果兩個學生中有學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生的作答情況:一是舉手示意．就是在一個問題呈現給學生之后,經過學生的獨立思考和同伴交流,教師要求學生中選擇A、B、C、D、E等不同選項的學生分別舉手示意,教師以此來判斷學生對問題的掌握情況．二是課堂信息反饋系統(Clicker)．這是一種類似表決器的課堂信息收集反饋系統,每一個學生手上都有一個電子遙控器,它可以將每一個學生的選項反饋到教師操控臺的電腦系統中去,經過電腦的分析整理,最后,各個選項的學生人數可以以圖表的形式投射到電子屏幕上,教師即可依此調整教學策略．三是字母卡片．教師發給每個學生若干張卡片,上面分別寫著A、B、C、D、E等代表不同選項的字母,當教師要求學生出示各自的選項字母時,學生就將代表自己選項的字母舉起來,這時教師就可以從學生們舉起的卡片中,大致判斷學生對問題的掌握程度了．

思考-結對-分享(Think/Pair/Share，簡稱TPS)．TPS是一種非結構化、更加靈活的同伴教學法,適用于各種規模的班級教學．該教學法的實施可分為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．即讓學生獨立思考(幾s到幾min),并在限定時間內寫出答案．三是結對討論．將學生兩兩分組討論、反思、修改后盡量形成統一的意見,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:一是要保證學生將自己最初的想法記錄下來,避免人云亦云．二是引導學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,并保證在學習過程中犯錯不會被懲罰．

1.2 引導互動教學法

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

蘇格拉底誘導實驗(Socratic Dialog Inducing Labs，簡稱SDI)．SDI是一種強調對物理實驗的親身體驗以及學生互動參與的教學方法．在SDI教法中,一組學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),之后針對學生中可能出現的相異構想提出一系列問題,引發小組討論．當學生討論遇到瓶頸時,教師應作為蘇格拉底對話者,提出導向性問題,一步步引導學生正確解釋他們的觀察結果．有了這些教學實驗活動作基礎,課堂講授教學時,只需要重點解決質性問題,并適當安排教學演示就可以了．相關研究表明,SDI實驗班級學生的概念掌握情況,明顯優于傳統班級的學生,原因主要有兩點:一是SDI課堂活動密切關注基本物理現象與對這些物理現象的概念理解;二是本教學法在某種程度上已經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是指通過學生積極參與課堂演示過程,來強化物理課堂中概念學習的教學方法．但由于多方面的原因,課堂演示常流于形式．要真正發揮課堂演示應有的作用,需要遵循以下幾個步驟:首先,要舍得花時間去解釋儀器設備及其使用方法,讓學生預測實驗的結果;其次,是讓學生將自己預測的結果寫下來,與鄰座的學生進行討論;最后,學生現場演示,將實驗結果與其預測結果進行比較,并嘗試性地解釋觀察到的現象．

ILDs的另一種形式是采用結果性質清楚,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．經過學生最初的討論之后,讓學生以結對或分組的方式計算可能出現的實驗結果．若有條件將計算結果投射到大屏幕上,互動演示教學法也可以在機房里實施．

1.3 自主探究教學法

所謂自主探究教學法,是指以學生的自主探究為核心的教學方法．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,以圖像采集和數據處理為主要手段,以增進學生對物理概念直觀感受為目的的教學方法．MBLs實驗活動同樣要求學生:首先,預測實驗結果并以書面的形式記錄下來,然后通過討論得出結論．這類實驗活動與SDI實驗相似,主要關注點都是物理現象,而不是精確測量,只是MBLs更強調數據的采集．

MBLs的兩大突出特點是:(1) 計算機代替學生去收集數據和繪圖,讓學生將有限的時間投入到物理概念的學習之中．(2) 實時顯示的數據圖像,可以幫助學生將圖像與物體的運動聯系起來．相較于傳統教學,MBLs顯示出對力與運動概念理解教學的高效性．值得注意的是,關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用．這里,教師需要引導學生建立物理觀念,并學習運用計算機進行具體測量的技術和方法．

工作坊物理(Workshop Physics，簡稱WP)．WP是以計算機為工具,以數據的收集處理為手段,以為學生營造一個做中學環境為目的的教學方法．它的最大特點,是打破了新授課、復習課和實驗課之間的界限,用有序的活動完全取代傳統的理論與實驗課程．WP通常要求學生參與每周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．

教學活動通常包括數據收集與分析、檢驗假設、分析概念、解答習題、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．教學活動需要學生與同伴、教師共同討論,必要時教師還要進行微課教學或者全班討論．WP教學可借助MBL工具以及其他用于建模與顯示結果、仿真/模擬和某些特殊目的的制表與繪圖軟件．WP教學法要求高師生比例,因此它在大班教學中不適用．

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方法,它為學生提供先進的桌面實驗裝置和計算機網絡系統,學生在此親自動手操作并與同伴合作學習．它與WP的主要區別,是適用于大班教學,并以培養學生的物理直覺和建模能力為重要目標．

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．學生的座位背對教師有序排列,座椅可自由轉動,這樣可以保證教師可以隨時看到學生的計算機屏幕,并且方便教師隨時叫停學生的活動．在SP的每個教室中,都有教師和助教維持課堂教學．助教主要負責在課堂上解決學生遇到的問題．具體的上課過程是:教師先講解課程的主要內容,安排課堂的具體活動,并為有疑問的學生答疑．隨后學生在自己的工作臺上開始自己的學習活動,完成教師安排的實驗內容,采集實驗數據并實時分析．

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

2 新教法的有效性

為研究新教法的有效性,美國印第安納大學物理系的Richard R.Hake教授做過一次大規模調查[2]．為了更好地理解Hake的調查結果,先簡要介紹兩個相關概念．

一是概念增益．所謂概念增益,就是學生學習物理概念的進步值．該進步值用學生學習某項知識前后兩次評測結果之差來表示,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,受到學生原有知識水平的影響,因此,要想讓概念增益對于不同學生群體具有可比性,Hake定義了一個規范化概念增益來表征學生學習的進步值,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,說明教學效果越好,而與學生的前測成績無關．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,是標準化的力學概念測試卷(FCI)和力學診斷測試卷(MDT),由于兩份測試卷的標準化程度很高,在美國的應用面很廣,所以它們的測試結果是可信的．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生概念進步的圖示方法．它用學生的前測成績作橫軸、以學生的概念增益為縱軸、以圖線的斜率大小來表征規范化概念增益．圖中的一個點代表一個學生,以圖中右端點為起點,引一條指向代表學生的散點的直線,根據圖中的幾何關系不難看出,其斜率就是規范化概念增益的數值(見圖1，圖1中評測工具的滿分值為30分,圖中“學習增益”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,學生的規范化概念增益就越大．

圖1 增益散點圖之示意圖

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

通過對運用FCI實施的前后測結果進行統計,Hake發現,采用傳統教法的班級,其規范化概念增益的平均值為

T-ave=0.23±0.04 (標準差).

而采用新教法的班級,其規范化概念增益的平均值為

IE-ave=0.48±0.14 (標準差).

新教法比傳統教法幾乎高出兩個標準差．為了更形象地描述兩種教法教學效果的差異,Hake還將參與調查的不同班級作為散點,繪制了包括大學和高中兩個學段的多個散點圖,這里僅呈現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班級的散點斜率．

圖2 Hake調查結果的散點圖

為了研究概念理解水平與解題能力之間的關系,Hake又讓研究樣本中的3259名學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基礎測試卷(Mechanics Baseline Test,簡稱MBT)．測試結果表明,學生的概念理解水平與學生的物理解題能力之間存在顯著的正相關．由此證明,新教法不僅能夠提升學生對于物理概念的理解水平,還能夠間接地提升學生的解題能力．所以最終的結論是,新教法顯著優于傳統教法．

20幾年來,Hake的該項研究報告在美國物理教育界產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的Randall D.Knight教授在考查了美國大中學校所有的IE課程(實施新教法的課程)之后,總結得出的關于新教法的班級規模及課型適用性一覽表(文獻[1]原表中列出了12種新教法,此處精選并呈現了其中的8種．這些教法同時適用于大學和中學)．從表1中我們可以看到,上面介紹的8種新教法中,大多數教法都同時適用于復習課型和實驗課型,多數方法都適用于小班教學,而適用(或者調整后適用)于大班教學的新教法數目也達到一半．我國主要是大班教學,所以互動演示教學法、同伴教學法和思考-結對-分享教學法都是完全適用的,經過適當的調整,小組合作學習教學法也是可以采用的．此外,我國一些有條件的地區和學校都在嘗試小班教學,相信上述適用于小班教學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;?表示根據實際問題適當調整效果也會很好;-表示不太適合這種教學形式．

再說國情適應性的問題．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),目前我國大中學校,尤其是中學的硬件條件還達不到．但這并不意味著我國所有學校的實驗條件都達不到．事實上,目前我國已有不少地區、不少學校都建設了數字化實驗室,或者配備了數字化實驗設備．我們相信,隨著我國經濟實力的迅速提升,各類學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,尤其是在中學階段．但是美國的部分中學同樣存在升學的壓力,尤其對于那些想進名牌大學的學生來說,升學考試仍然會對他們的學習方式、從而也對教師的教學方式產生重要的影響．所以美國的教師也會采取多種措施,保證在有限的時間內高效地實施新教法．下面就是他們實施新教法過程中總結出來的具體做法,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.

一是教材內容能否完成的問題．PI教學法的創始人、哈佛大學物理系的Eric Mazur教授表示,他在實施同伴教學法時,教學內容總量沒有變化,而且他還增加了學生解題訓練的時間．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%的教學材料,但是學生在主動學習課堂中的學習效果,完全可以補償在材料上的削減所帶來的負面影響．

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

三是如何保證課前閱讀的問題．幾乎所有的新教法都強調學生要提前閱讀和學習教材．新教法的教學實踐者發現,可以激勵學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,都與教材內容有關,學生只要真正閱讀了相關內容就能作出回答．需要注意的是,教師必須每次都提出課前閱讀的明確要求,并且每次講課的內容、方式和進度都基于學生的課前閱讀基礎之上．這樣一來,久而久之,學生就會自然地養成課前閱讀的習慣了．