物理師范生投入學習的創新教學研究與實驗*

鄭淵方 （福建師范大學物理與能源學院）

學科專業知識是教師知識的根基，師范院校都很重視師范生專業課程的設置，在教學中也在不斷探索提高師范生的專業知識水平的方法和策略。調查表明，師范生學科知識掌握和應用情況并不樂觀。例如，趙冬臣，馬云鵬對教師專業知識的調查發現，數學、語文、英語師范生學科知識的得分率分別是24.5%、57.0%、54.8%[1]。在物理學科方面，我們自編一份力學知識的測試卷，在某省三所高等師范院校中選取2014 級（畢業班）物理師范生194 名進行測試，結果發現，即將畢業的物理師范生力學知識平均得分率只有53.29%。大學專業課程深入系統，可是為什么師范生的專業知識表現不夠理想呢？趙冬臣等人的分析有一定道理：“數學專業的師范生的學科知識欠佳的原因并非所學的數學專業課不夠系統深入，主要癥結是這些課程的內容與中學數學之間缺乏關聯”[2]。按照奧蘇貝爾有意義學習理論，學習者必須有積極主動的有意義學習的心向，在原有認知結構中找到有關的觀念，作為新知識的固定點，這樣才能把學習材料中的潛在意義轉化為自己現實的心理意義，形成自己的理解[3]。大學專業課程的學習是在中學相關學科知識基礎上的深入和擴展，大學專業課程的教學應采取一些教學策略，加強中學學科知識、學科教學知識與大學專業課程的有效聯系，從而促使師范生反思自己的學習過程，自主地、積極地建構知識，以思維、智力高參與程度地投入學習，達到對新知識和學科結構的意義建構。我們把這類的學習策略稱為投入學習策略（strategies for actively engaged in learning）。投入學習的教學策略就是使學生主動投入到學習活動中的教學策略，其特點是學生不只是被動傾聽，而是投入到閱讀、討論、寫作等活動中，學習動機大大增強，能夠得到及時的反饋，學習過程中涉及的是分析、綜合、評價等高層次的思維過程[4]。本研究認為將基礎教育的研究與師范生大學專業課程學習相結合，可以促進學生投入學習，最終有助于學生深化理解學科專業知識（CK），提高課程考試成績，同時促進師范生了解學生知識(knowledge of learners)。

一 研究假設和目的

首先提出研究假設：將物理教育研究成果與大學專業課程相結合的教學策略，可促使師范生投入學習，從而達到對物理知識和學生知識的深入理解，同時提高課程考試成績。本研究的目的是，在師范生力學課程教學過程中結合力學觀念的有關研究、中學力學疑難問題的研究等，讓學生在測試、閱讀、及時自我反饋中投入學習，加深對力學知識和學生力學知識的理解，提高力學課程考試成績。

二 研究方法

1 被試

隨機抽取某師范大學2017 級（實驗時為大學一年級）3 個班共115 名物理學師范生為實驗被試，其中男生41 人，女生74 人。

2 實驗設計

本研究采用單組“準實驗設計”。實驗的自變量是大學力學課程的教學策略，因變量是師范生力學知識的理解情況、力學課程考試成績以及對學生力學觀念的了解情況。

3 實驗材料

實驗材料為FCI 測試卷、物理教育研究中FCI 研究的文獻、自編力學觀念測試卷及答案。

（1）FCI 測試卷

FCI 測試卷是領域內熟知的由美國的Hestenes 團隊聯合編制的力學概念調查問卷，主要調查學生對力學基本概念的掌握情況和力學前概念。

（2）物理教育研究中FCI 研究的文獻

通過對眾多FCI 研究的文獻反復對比，選出適合師范生閱讀的文獻，再選出其中對學生力學概念的調查結果及對結果的詳細分析的部分讓師范生閱讀。

（3）自編力學觀念測試卷及答案

自編力學觀念測試卷是在查閱中學物理疑難問題研究文獻基礎上編制的，測試題目是中學物理學習中的疑難問題，且屬于大學力學課程中深入學習的內容。

4 實驗過程

教學策略1 實施過程：

在被試力學課程學習期間，發放FCI 測試卷，告知學生這些問題有助于理解力學知識，要求學生認真作答。在學生答題之后，讓學生閱讀FCI 研究文獻了解中學生是如何理解這些觀念的，以及形成的這些觀念的原因，并對照文獻對自己的力學觀念進行自我反饋和自我評價。

教學策略2 實施過程：

在力學課程教學結束后的考試前一周發放自編的“力學觀念測試卷”，要求學生不查資料且獨立完成，學生答完并回收答題卷后，以詳細答案給學生及時反饋，要求他們結合自己的答題情況反思自己力學觀念，核對答案時若有疑問要與老師或同學交流。

FCI 力學觀念測試卷和自編的力學觀念測試卷對學生測試的目的是讓學生自主發現自己存在的問題，并進行自我反饋，自主學習，因此，試卷各題目不評分，都由學生對照答案進行自我評價和學習。

實驗數據的收集：

實驗結束后，采用訪談法收集因變量的信息資料。于2018年2月2日、3日，從115 名2017 級物理師范生中隨機抽取40 名學生（其中男生9 人，女生31 人）進行訪談。訪談采用半結構化訪談 (semi-structured interviewing)方式，訪談提綱包括了解這些策略在師范生中的落實情況和了解學習材料對被試的影響兩個方面。前者內容包括：力學概念測試卷做過嗎？題目分析及學生解答情況的分析看過嗎？力學觀念測試題做得怎么樣？答案看過嗎？你以前有接觸過類似的題目或看過類似的研究嗎？后者內容包括：你覺得這些題目對你有哪些影響？對你力學概念或規律的理解有幫助嗎？對你力學課程考試有幫助嗎？對你了解中學生學習物理概念和規律的認知情況有幫助嗎？同時也請學生談談對這些教學策略的認知、看法、態度，以便我們后期研究中進一步改善教學。

三 結果的統計與分析

通過訪談，了解到約有30%的學生未做過FCI 測試卷，訪談中了解到是由于當時學委疏忽只發了一個班，但所有學生都閱讀了FCI 力學觀念調查的文獻，都做了力學觀念測試卷并交回，所有學生都用力學觀念測試卷答案核對了自己的解答。

學習材料對物理師范生知識的理解、課程考試、學生知識的了解情況如下表1 所示。

表1 學習材料對物理師范生總的影響情況

1 學習材料對師范生力學知識理解的影響

表1 數據表明，大多數學生（占80%）認為學習材料對力學概念或規律的理解有幫助。例如學生認為：“學習材料把自己不是很了解的和自己以前錯誤的概念得到重新的學習，對我理解這些概念很有幫助。”“學習材料造成了我思維上的沖突，對力學概念的理解很有幫助。”

2 學習材料對師范生了解中學生力學知識的影響

表1 數據表明，超過一半的學生（占60%）認為學習材料對他們了解中學生力學概念的認知情況有幫助。有學生說：“通過自己去做學習材料，了解自己對物理概念和規律的認知從而可以了解到學生。”也有學生說：“這種題目形式和自己做題所犯錯誤可以去了解中學生學習物理概念和規律的認知情況”。“中學生力學概念調查結果的分析和總結讓我進一步了解到學生”。

3 學習材料對師范生力學課程考試的影響

僅有個別學生（占10%）認為學習材料對力學課程考試有一定幫助。例如有學生說：“學習材料可以幫我復習知識點，比如考查胡克定律和摩擦力的題目，幫助我回顧了這兩個知識點，這兩個知識點剛好也是物理專業課力學的考點”；還有學生說：“通過學習材料，讓我了解到我對慣性系和非慣性系知識掌握的不足，于是自己又著重看了這些題目。”大部分學生（占90%）認為學習材料對力學課程考試沒有幫助。他們中的大多數覺得“學習材料對課程考試沒幫助，課程考試的內容不會是這樣的。”

四 討論與結論

1 關于教學策略應用中學習材料的選擇

自從舒爾曼（L.Shulman）于1986、1987年間提出了教師專業的七類知識以來，對教師專業發展的理解大多基于此知識框架，其中探討最多的是學科知識(CK)、學科教學知識(PCK)、學生知識(knowledge of learners)，以及他們之間的轉化。“教學知識”和“學生知識”的專門學習是教師教育專業與其他理工科專業的在專業知識方面的主要區別，這兩種知識的學習通常是通過高師院校在高年級設置的“教師教育類課程”而完成的，而“學科知識”的學習則是通過在低年級的各種“專業課程”來實現的。就這樣，師范生對這些知識的學習用不同的課程設置截然分開。“教師教育類課程”通常是在“專業基礎課程”先修的基礎上開設的，即開設該類課程的前提是師范生已經掌握了學科的基礎知識和基本思想、方法。但事實上，長期以來的“物理教師教育類課程”實踐中我們發現，很大一部分學生盡管能熟練解決相關習題，但對學科的一些基本概念、基本方法等卻存在理解不到位和理解錯誤的現象。比如，自由落體運動是一個理想化運動模型，實際的物體由靜止下落的運動能否看作自由落體運動，其判斷依據是物體在運動過程中所受的其他作用力是否遠小于重力。但學生往往并不注意這一點，他們很少關注概念的建立過程，于是，他們會編制或選用雨滴從1000 米高空下落的問題作為自由落體運動的練習題。

再如，科學探究作為一種科學的過程和方法，我們要求中小學教師通過科學教學能讓學生理解科學探究和科學本質，但大多數科學教師從未做過科學研究，他們往往對科學假設、分析與論證等的意義理解不夠，因此，不能很好地應用探究式教學幫助中學生理解科學本質。這種情況國外也一樣，太多的科學教師有一個障礙：他們從未做過科學研究。他們知道自己的學科，但他們從來沒有經歷科學作為一個令人興奮的過程，或在實踐中使用科學方法，或與科學家一起工作。針對這種問題，有教師教育研究機構開發了科學教師與研究者項目（the Science Teacher and Researcher program，簡稱 STAR），參與該項目的職前的本科生被安排在尖端的加利福尼亞研究機構（包括勞倫斯國家實驗室、NASA 噴氣推進實驗室和UC 戴維斯生物光子中心）進行5～10 周有償的項目研究，研究員表示，這項計劃提高了他們對科學的理解能力和教學能力[5]。這種方式確實是一種好的訓練方式，但需要額外的大量的教師培訓經費，該研究從2007年到2010年四年間共培訓教師156 人。我們認為如果能改變專業課程的教學方式可以在一定程度上達到以上三種知識的兼顧，而不必進行額外的訓練。這種想法可能很多從事教師教育的學者都會有，例如，刁心峰，劉高福等人認為，在大一學生開始學習階段就把中學物理教材發給學生，指導學生深入鉆研中學物理教材。可以通過布置課外作業設置研究課題等形式，使他們參照新課標全面了解中學物理課程，并且可以將這個研究過程貫穿整個大學階段，這樣更容易把中學物理知識和大學物理知識聯系起來[6]。他們的想法很好，但未看到相關的實踐研究。而實踐中有很多具體的問題需要解決，例如，布置什么樣的作業？怎樣在專業課程學習中進行課題研究？這些問題的解決需要高師院校專業課教師與課程與教學論專業課教師協同合作。

為了解決“如何做”的問題，我們首先與擔任力學課程的專業教師溝通，專業課教師了解研究目的后同意按我們的想法進行輔助教學。首先，為了讓師范生在力學課程學習過程中更好地理解力學中的基本概念，并了解中學生理解和應用這些概念的情況，我們借鑒華盛頓大學物理教育研究組的做法，想要能深入系統地將力學方面的教育研究成果應用于師范生力學課程學習過程中。于是，在2017年暑假我們開始搜索基礎教育領域力學方面的研究成果。結果發現兩個問題：一是力學教育方面的研究大多是基于著名的FCI 的研究，本土化的研究實際上還比較欠缺；二是基于FCI 的研究雖多，但適合大一物理師范生閱讀的卻很少，反復討論、對比分析后發現，2017年東北師范大學樊麗的碩士論文《基于FCI 的力學概念相異構想案例研究》中所用的FCI 測試卷、對測試結果的分析和學生出現問題的原因分析相對來說更加詳細、全面、準確，因此，我們選用該論文中“FCI 測試卷”對師范生進行測試，讓他們閱讀“調查結果及分析”從而進行自我反饋。這兩個材料即為實驗中施加的教學策略1 中所用的學習材料。

FCI 測試、閱讀FCI 測試結果及分析目的是幫助師范生更進一步理解力學基本概念，了解中學生對力學知識的理解情況。但FCI 與大學力學課程學習、力學問題的解決相差很遠。為了讓師范生能更積極地學習專業課程，提高專業知識的學習效果，我們借鑒該領域研究者提出的將中學物理知識與大學物理知識聯系起來的觀點，查找中學力學教學中的一些疑難問題，以及這些疑難問題的解決，這些研究都是對中學問題與大學知識相結合的具體的研究。根據基礎教育的這些研究成果，自編“力學觀念測試卷”和該試卷的詳細解答。這些材料的自主閱讀、解答、反饋即為我們力學課程教學中施加的教學策略2 中的學習材料。

我們所實施的教學策略中所選用的學習材料有的與已有研究中提出的一樣，有的根據我們的實際情況做了調整。例如FCI 測試與華盛頓大學物理教育研究組曾經實施的一項在職教師培訓[7]時用到的是一樣的；不同之處是課后閱讀、討論的物理教育研究文獻內容不太一樣，他們選的文獻是本國的已有研究，而我們選擇我國的已有研究。這些文獻材料雖然內容有所不同，但目的是相同的，都是讓在職教師、師范生進一步理解學科概念，并了解中學生的學習困難（學生知識）。還有的教師教育研究中，學習材料都是由受培訓的教師自己開發，這樣讓培訓教師獲得了更多的專業發展。例如，Coenders，F.，Terlouw，C.等人的研究描述了三位經驗豐富的教師在化學教育開發創新學習材料和課堂設置，實現了五個教學內容知識領域的專業化[8]。而我們只關注到三個領域。總之，我們所實施的教學策略與現有的研究基本是一致的，但還處于初步的探索階段，還不夠系統、全面，與國外的研究還存在一定差距。

2 教學策略的應用對師范生理解學科知識和學生知識的影響

師范生的專業特點要求他們對學科基本概念要有更深入、準確的理解，以利于師范生學科專業知識（CK）向學科教學知識（PCK）的轉化，因此，很有必要讓師范生了解自己對學科基本概念的理解情況，以及中學生對這些概念的理解情況。本研究中，FCI 的測試、自編的力學觀念測試，及閱讀基于FCI 測試的研究文獻正是此目的。FCI 測試卷中題目不是一般的物理習題，其題目特點是應用真實的問題情境考查學生的物理觀念，它能挖掘學生的一些錯誤概念（misconception）或相異構想（alternative conception）。本研究中的師范生先獨立完成FCI 測試卷，再通過閱讀基于FCI 測試的高中學生力學觀念的調查研究文獻自主反思自己力學基本概念的理解情況，并理解中學生力學知識存在的問題及原因，可謂一舉兩得。另外，力學觀念的測試針對力學中的一些疑難問題，詳細答案給予學生及時的自我反饋，有利于提升師范生力學觀念的理解和應用。這些學習材料針對性較強，取得了較好的實驗效果。參與實驗的大部分師范生認為這些學習材料對于他們力學概念的理解有幫助；一半以上師范生認為學習材料對于他們了解中學生力學概念和規律的認知情況很有幫助。

3 教學策略的應用對師范生專業課程考試的影響

從學生的反饋來看，只有個別學生認為對于他們課程考試有一定幫助，大部分學生認為課程考試與我們所提供的學習材料兩者在內容上有很大不同。導致這種結果的原因，分析起來有兩方面，一是學習材料主要針對的是概念的理解，所解決的問題雖然有助于與大學力學課程內容銜接，但畢竟屬于中學物理范圍內的問題，與大學專業課程考試試題相差很大。其次可能是我們編制的力學測試題未能充分體現大學知識和方法的應用。因此，雖然本次實驗對師范生專業課程考試未取得理想的效果，但并不能說明我們提出的假設不成立，即不能說明聯系中學學科知識、學科教學知識(PCK)等對師范生專業知識學習無任何正面影響。這個問題還需要進一步研究，例如，如果由實施課程的教師選擇與大學考試更緊密聯系的一些中學物理問題，或學生參與選擇與中學學科問題有關的學習材料，結果會如何？如果在提供學習材料的同時改革教學方法、評價方法是否能取得更理想的效果？這些問題如果能得到專業課教師的關注、重視，或者師范院校專業課教師能與中學教師、教學論專業教師合作進行這樣的教學改革，將對提高師范生的專業知識的掌握程度、提升專業課教師的專業化水平都具有重要意義。

總之，本研究結果表明，在高等師范院校的物理力學課程學習過程與中學力學的問題、中學力學教學問題的研究相聯系的教學策略有助于師范生投入學習，從而有助于師范生加深對物理力學觀念的理解，有助于師范生了解中學生學習物理概念和規律的認知情況。但遺憾的是，本研究還未對師范生大學力學課程考試成績提高產生明顯的作用，這還有待于進一步的實踐研究，特別需要大學專業課教師在了解相關教育研究的基礎上進行的實踐研究。