傳統大學物理教學的困境及成因分析

張 萍 DING Lin 張 靜

(1北京師范大學物理學系,北京 100875; 2長江大學物理與光電工程學院,湖北 荊州 434023；3俄亥俄州立大學教育學院,美國俄亥俄 哥倫布 43210)

哈佛大學前校長德里克·博克(Derek Curtis Bok)說：“沒有人能夠通過命令教授們如何教得更好來改善教學，你不可能強迫教授們使用新的教學法。教授們必須明白他們原來的教學方法到底在哪里出了問題，必須理解并且接受一種不同的教學方法，同意并且愿意使用新的教學法，然后才會去運用它。”[1]研究和反思傳統大學物理教學中存在的問題，認識到問題的存在和原因是教師轉變教學理念和明確如何進行教學方法改革的首要環節。

1 傳統大學物理教學的困境

大學物理是針對理工科專業(非物理專業)的學生開設的物理課程，傳統的教學法是教師按照教科書體系講授其中的全部內容，通常教師會對教材做精細的加工，力求將每個概念和定律所涉及的方方面面都講給學生，并且在課堂上盡可能生動地講授自己準備的內容，希望通過自己的努力使學習內容易于學生學習和記憶。

依據學校不同，教學的效果和遇到的問題不同，在一些大學，大多數學生很努力地學習物理課程，但是教師常常發現自己在課堂上已經講得很清楚的概念和題目，只要題目問題情景稍稍發生變化，學生就會表現出不知所措。而在另外一些學校，情況更糟糕：學生描述到“偌大的階梯教室幾乎每個座位都坐滿了人，但所有人都在低頭做自己的事情，沒有一個人聽講。老師滔滔不絕地講課，費盡全力不過上演了一出獨角戲。”這里描述的情形也許不能代表所有的學校，但是很多一線教師都反映說他們的學生(非物理專業)認為物理非常難學、物理知識對自己將來的專業學習沒有用、大多數學生本身對學習物理就沒有興趣。

通常情況下，教師都具備足夠的職業責任感，不會對學生視而不見。但是由于學校對教師的要求越來越多，迫使教師疲于奔命，很少有時間反思和改進自己的教學，對于一個長期使用傳統教學方法的教師來說，大多數教師都認為自己具有多年的教學經驗，正在使用的教學方法是有效的。然而，大量已有的研究表明：講授式為主的教學方法的局限性導致上述問題的存在。下面我們從認知科學研究和物理教育研究的視角說明傳統大學物理教學的困境原因。

2 認知科學研究視角：傳統教學方法的局限性

以講授為主的傳統教學法的優勢在于：教師提供了一種明晰、直接的途徑幫助學生掌握學科知識。目前在很多學校教師的績效取決于學生能夠在標準化考試中取得很好的成績，所以能否高效地向學生傳授知識變得非常重要，講完教材中的所有知識內容，讓學生學會(記住)這些知識，在考試中取得好的成績，是教學的重要目標。但是，認知科學研究表明傳統教學法存在一些局限性，下面強調3個主要的方面。

2.1 講授法只在實現低階學習目標方面有效

按照布魯姆的“教育目標分類法”，在認知領域的教育目標可分成：(1)知道(knowledge)；(2)領會(comprehension)；(3)應用(application)；(4)分析(analysis)；(5)綜合(synthesis)；(6)評價(evaluation)，前3個是低階目標，后3個是高階目標。教育研究表明，傳統的講授為主的教學方法，只能實現低階目標。布萊(Bligh)發現講課只在傳播信息方面有效，并且其效果與閱讀等方法相當，不會更有效[2]。邁克卡(Mckeachie)和庫利克(Kulik)的研究表明:在促進事實學習方面，講課優于討論。在促進更高層次的推理能力、積極性和學習動機3個方面，討論優于講授[3]。斯密斯(Smith)對大學的多個學科的教學研究發現學生之間的相互作用促進學生批判性思維發展和積極思考的習慣，減少死記硬背[4]。

2.2 學生課堂注意力保持時間有限

講授式教學方法的前提條件是學生上課聽講，并且能“記住”。然而研究表明：隨著講課的進行，學生聽課的注意力越來越低。斯圖爾特(Stuart) 和盧瑟福(Rutherford)對1353名學生的課堂注意力進行調查，數據表明：在課程開始后學生的注意力迅速集中，在10～15分鐘時達到高峰，然后逐步下降，他們的研究結論是：使用講授法的課程最長時間應該限制在30分鐘[5]。彭納(Penner)的研究結果是：學生在開始上課的15分鐘內注意力保持率是41%，30分鐘時的注意力保持率是25%，40分鐘時注意力保持率為20%[6]。我們在教師培訓中對中國大學的2036名教師進行調查，有52%的教師認為，在自己講課的過程中，有一半以上的學生的注意力可以整節課都保持在課堂上，但是在對1321名985學校的學生調查的結果是：83%的學生表示他們的課堂注意力保持率(學生聽課時間占課堂總時間的比率)低于50%，沒有學生表示自己的課堂注意力保持率是100%。由于教師的數據和學生的數據之間存在巨大差異，我們使用課堂觀察的研究方法，對一些課堂秩序非常好的班級中的89名學生進行實地觀測，得到他們課堂注意率保持率的平均值是41%。這一結果表明，使用講授法的教師往往過高地估計了學生對他們講授內容的關注程度，事實是，即使是比較好的學生來到教室，平均地說也只有大約一半的時間在認真聽課。認知心理學給出的解釋是，人的注意力持續集中時間是有限的，平均在15分鐘左右。布萊綜述了50年中近百個關于大學教學的研究得出結論是：與單純聽老師講課的學生相比，積極參與討論的學生更集中注意力、更活躍、更深思熟慮，他們會花更多的時間對學習材料做綜合和整理。[2]

2.3 記憶保持時間有限

教師期望通過自己的精心講授，學生能快速地記住這些信息。事實上，學生記憶的效果和記憶保留的時間都與教師們的主觀期望相去甚遠。學生在一節課結束時只能記住42%的課堂信息，一周后僅能回憶起20%的信息，一個月或者一年以后，學生保留和記憶的內容會更少[7]。認知科學研究表明，長時記憶(long-term memory)是生成性、情景依賴、有結構并相互關聯的，僅僅通過傾聽教師的詳細講解很難形成長時記憶。因為人類記憶的局限性，詳細講解大量知識要點的教學方法收效甚微。

綜上所述，傳統的講授方法更適合低認知水平的信息傳遞，這些信息需要學生聽懂和記憶，但是在實施的過程中存在著課堂注意力保持和記憶保持兩方面困難。為此，哈佛大學前校長埃利奧特(Eliot)在就職演說中曾說過：“填鴨式地傳授知識就好像奮力把水撒在篩網里，即便水的質量再好，還是嘩嘩流走了。”[8]

3 物理教育研究視角： 傳統大學物理教學中存在的問題

物理教育研究(physics education research 簡稱PER)是用科學研究方法研究物理教育中的實際問題，尋求有效解決方案，提高物理教育教學質量。PER是物理學、認知心理學和教育學等多學科交叉的學科。國際上PER發展大約有50年的歷史，取得了豐富的成果[9]。借鑒國際上的相關研究，我們研究了導致傳統大學物理教學困境的主要原因，包括概念理解(conceptual understanding)、問題解決(problem-solving performance)和物理認識論(epistemological views of physics)3個方面。

3.1 概念教學中的問題

學生帶著已有的概念走進課堂。這些概念往往與課程中的科學概念不一致，并具有頑固性，不易通過傳統的教學方式消除，因而又被稱為“迷思概念”(misconception)。物理迷思概念廣泛地存在于學生中，這些迷思概念的存在造成新課程學習的障礙。學生頭腦中的大部分概念框架來自于自己的日常生活經驗，例如：基于一串鑰匙比一張紙下落快的觀察，學生中存在“重的物體比輕的物體下落快”的迷思概念。這些迷思概念可以解釋學生日常生活中所觀察到的許多現象，因此在學生頭腦中根深蒂固，當教師按照科學體系講授科學概念時，學生很難接受科學概念，因為在現實中很難消除空氣阻力，觀察到樹葉和石頭以相同的速度下落，從而理解所有物體都以相同速度下落的科學概念。即使是哈佛大學的學生在學習大學物理課程時也存在同樣的問題，在一次力學的測試中，有一個題目問大卡車和小汽車碰撞時的它們之間的相互作用力哪個大，一個學生問課程的教授埃里克·馬祖爾(Eric Mazur)：“馬祖爾教授，我是用你教給我的結果回答這個題目(牛頓第三定律的)還是用我自己的想法(大車施加給小車的力更大)？”[10]馬祖爾教授非常震驚地意識到在完成大學物理課程學習后，即使是成績優秀的學生對知識的理解也竟是如此膚淺！在大學物理課程的教學中，教授常常是按照物理的科學體系講授課程，即使是有著多年教學經驗的教師對學生的迷思概念及其頑固性都缺乏認識。 海斯頓斯(Hestenes )和 威爾斯(Wells)等人的研究表明：“迷思概念的存在使得學生聽不懂物理課，從而導致他們強行記憶一些沒有關聯的片段，做著沒有意義的作業，使很多學生有厭學情緒。”[11]

我們在課程改革的過程中讓學生基于概念測試題進行小組討論，通過聆聽和分析學生討論的錄音，研究發現學生中存在許多錯誤概念。[12]其中很多都出乎教師的意料，并且我們研究還發現有些錯誤概念也廣泛地存在于教師中。使用傳統教學方法講授大學物理課程的教師很少了解學生的想法，教學過程中也缺少針對學生錯誤概念的講解，教師按照科學體系講解課程時，通過文字和語言把科學概念傳遞給學生，教師很清楚地知道自己講了什么，但是卻不知道學生是如何想的。學生被動地接受信息，當接受到的信息與自己的想法不一致時，他們很少有機會表達自己的觀點，堅持已見和冥思苦想通常是高風險的，為了考試得到一個好的成績，最“高效”的方法就是認同教師的講解并記住它們，但是自己的想法依然存在，考試獲得好成績并不意味著對課程真正意義上的理解，學生不斷獲取專業知識是一個艱苦和長期的過程，傳統的教師在向學生灌輸經由自己精心篩選、包裝的知識時，很少關注學生的情感、想法和觀點，在這樣學習的環境中，學生是被動地學習，常常沒有興趣、動機不強。

3.2 問題解決教學中的問題

戈德堡(Goldberg)和本多爾(Bendall)研究表明:“傳統教學中，學生都把記憶性的、以公式為中心的問題解決方法作為學習物理的正統工具，他們缺少面對陌生環境利用所學的概念和定律進行推理的能力，因為他們的知識只是由零散的、少量的事實和公式組成，當遇到陌生的環境時，學生外顯的還是他們的錯誤概念。”[13]我們利用教室交互系統(classroom response system 簡稱CRS or Clickers)，設計使用配對題測試的方法，對中國學生進行測試，每對測試題涉及的物理規律和概念本質相同但問題情景不同，其中一個題目可以通過公式計算得出結果，另一個題目無需公式計算或者不能直接使用公式，圖1和圖2是CRS系統顯示出的其中一對測試題的內容和測試結果。

圖1 杠桿原理測試題1和測試結果

圖2 杠桿原理測試題2和測試結果

我們使用這個配對題對大學物理專業四年級的學生進行測試，配對題中第一個題目學生回答的正確率是99%，這個題目涉及的杠桿原理是初中物理課程中的簡單內容，對應的公式是F1L1=F2L2，這對于物理系的大學四年級學生來說實在是太容易了。配對題中的第二個題目——我們稱之為胡蘿卜問題，需要用到的物理規律與第一題是一樣的，僅僅是物理情景發生了一些變化，它不能直接使用公式，需要先有一個簡單的建模過程，測試結果只有25%的學生答對。其中有53%的學生錯誤地選擇了兩邊的胡蘿卜一樣重的選項——外顯出他們存在“兩邊平衡即等重”的錯誤概念。一個物理專業即將畢業的大學生居然不能用自己學過的一個簡單的物理原理(杠桿原理)為自己選出一個大的(質量大)胡蘿卜，這樣的測試結果，值得物理教師反思：我們的教學是否真的有效？

傳統的大學物理教學中，講題、做題是教學中的重要環節之一，學習例題、做課后習題以及考試前“刷題”成了學習物理通過考試獲得好成績的有效策略，這些題目大多是訓練學生使用公式求解方程，很少用到關于構建模型、提出假設、數量級估計……這些科學思維中的重要和基本的方法。我們的調查顯示：許多學生更愿意使用習題解答而不是習題集(沒有答案)來復習物理課程，因為這樣可以快速地獲得解題策略來減少認知負荷降低學習成本，比起自主探索和在試錯的過程中進行努力嘗試，閱讀和記憶更為輕松，同時也避免出錯給自己帶來的“負能量”。通過聽教師詳細講解和利用習題解答刷題，學生通常可以獲得很好的考試成績，并自認為已經很好地掌握了物理知識，然而當他們發現自己所學的知識很難遷移到新問題情景中用于解決新問題時，會產生嚴重的挫敗，認為學習物理沒有用。

3.3 學生物理認識論的負向移動

20多年來國際物理教育研究一直關注于研究學生的物理認識論——關于對物理的本質和物理學習方法的認識，學生對物理學本質的認知以及學習物理的態度對他們的學習會產生直接和重大的影響。例如：學生認為物理是由大量的概念組成，這些概念之間互不關聯，在物理學習中，他們死記硬背大量的物理概念和機械地使用物理公式。相反，物理學專家堅信物理是由一些最基本的定律構成，大量的物理概念和原理都是以這些基本定律為核心，他們認為在物理學習時必須深度理解物理概念和原理與這些基本定律之間的本質聯系。我們研究表明：使用傳統的教學方法，教師常常“高效”地帶領學生直接找到答案，可是學習物理時間越長，累積物理知識越多，對物理的認知水平卻負向移動——學生的觀點更加遠離物理專家的觀點，更向新手方向移動[14,15]。因為，單純地知識累加，無法讓學生理解物理學是復雜的、一致的、簡潔的和有組織的理論體系。國際上的一些研究結果與我們的一致[16-19]。

事實上，大多數學生從傳統的大學物理課程中獲益很少。哈克(Hake)使用力的概念測試量表(force concept inventory 簡稱FCI))對美國62所大學的6542名學習大學物理課程的學生進行研究，結果表明，使用傳統教學法講授物理課程，最好的學習結果是學生獲得標準化增益(normalized gain)只有23%。而使用互動教學方法學生的學習收益可以提升到48%。[20]

4 改革教學方法培養創新人才

目前大學物理教學中存在的一些問題，部分原因來自教師正在使用的傳統的教學方法。在灌輸為主的教學方法中，教師按照課程的科學體系對課程內容進行精細加工，然后教給學生，希望學生學習并記住大量的教學內容，然而多數學生在考試后只能記住一些零星的知識，若是沒有機會運用這些知識，殘存的記憶也將消失。因此，僅僅學會知識對學生意義不大，因為知識很快就會被遺忘，教育的意義不在于知識本身而在于當知識忘了還剩下的那些東西。人們對具體信息的記憶往往很快消褪，與之相反的是興趣、繼續學習的能力和解決問題的能力等更容易維持。技術的進步，信息儲存和重復性的勞動都可以由機器替代，和機器相比人的優勢在于人具有創新能力——解決新問題的能力，因此在教學中培養學生分析、應用、綜合、評估這些高階思維能力是非常重要的。

多數教師都認同在傳授知識同時培養學生能力和情感態度的教學目標，卻很少思考如何做才可以實現這些目標。在課程改革中教師們討論最多的是非物理專業的學生學習大學物理的必要性，大學物理課程應該講授哪些內容，需要多少課時。然而教育研究結果表明：改革大學課程設置和教學內容對實現這些目標作用不大，改革教學模式和教學方法才是最有效的辦法。因此國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)中提出：“創新人才培養模式。適應國家和社會發展需要，遵循教育規律和人才成長規律，深化教育教學改革，創新教育教學方法，探索多種培養方式，形成各類人才輩出、拔尖創新人才不斷涌現的局面。注重學思結合，倡導啟發式、探究式、討論式、參與式教學，幫助學生學會學習。激發學生的好奇心，培養學生的興趣愛好，營造獨立思考、自由探索、勇于創新的良好環境。”

從2010年開始，結合我國教學實際問題，從創新人才培養目標出發，我們在大學物理課程教學過程中借鑒國際上先進教學經驗[21]，研究設計出符合我國教育教學規律的翻轉課堂教學模式——同伴教學法[22]，構建適合中國國情的大班課堂教學的互動和合作學習模式[23]。同伴教學法是將教學任務中最容易的部分即知識的傳遞前移到課堂外讓學生自主學習，實現低階學習目標，充分利用課堂上教師和學生之間，學生和學生之間面對面的機會進行積極的社會化互動和合作學習，實現深度學習和能力培養(高階學習目標)[24]。在教學設計中關注學生錯誤概念、激發學生主動學習、使用形成性評價。在8年的教學方法改革和實踐中我們使用科學的量、質結合的研究方法對教學方法改革的效果進行實證研究，研究結果表明：大學物理課程知識學習中應用同伴教學法，在激發學生學習興趣，實現學生自主學習、合作學習，培養學生創造性思維、高水平推理、批判性思維等能力和培養創新人才方面都取得很好效果，有效解決了傳統大學物理教學中的問題[14,25-27]。近年來，越來越多的物理教育實踐者意識到傳統教學方法的局限性，在大學物理課程中進行教學方法改革，取得了很好的教學效果。[28,29]

5 結語

一線教師通常很少關注教育研究者的研究成果，更不會將其應用于自己的教學實踐，甚至很多教師認為自己從事教學工作多年自然是教育專家，他們中有些人不認同教育研究是一個專業性很強的領域，他們常常從非專業的角度對教育研究領域的研究成果指手畫腳，給出不當評論。由于這種不信任，很少有教師愿意嘗試將教育研究成果直接應用于自己的教學改革中。[24]因此，在課程改革的教師培訓的過程中，必須首先從專業性角度，提供大量有證據和數據支撐的研究結論，讓他們理解傳統教學存在困境和原因，引發更多的教師通過反思而突破自我，思考“怎樣的教育才是好的教育。”