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基础物理课程建设与改革——合作学习与创新人才培养张萍北京师范大学物理学系2012年8月9日清华大学中美学生知识、能力水平差异美国的物理教育研究介绍学生物理前概念研究合作学习教学方法实例2：Peer–Instruction(哈佛大学）合作学习教学方法实例1：WorkshopTutorial（悉尼大学）一、中美学生知识、能力差异TheFCIresultsshowthattheU.S.studentshaveabroaddistributioninthemediumscorerange(from25to75%).Incontrast,theChinesestudentshadanarrowdistributionthatpeaksnearthe90%score.30JANUARY2009VOL323SCIENCE美国俄亥俄州立大学的研究数据（对两国大学一年级学生测试）1.力学知识水平的比较FortheBEMAtest,theU.S.studentshaveanarrowdistributioncenteredabitabovethechancelevel(chance20%).TheChinesestudentsalsoscoredlowerthantheirperformanceontheFCI,withthescoredistributioncenteredaround70%.2.电磁学知识水平的比较3.科学推理能力的中美比较结论：中国学生在知识水平上高于美国学生；在科学推理能力上两者水平相当必修课程：基础必修课程有1.英语2.自然科学(如生物、化学、物理或地理、环境）、3.社会科学(美国历史、世界历史、经济学、心理学)、2.数学(代数、几何、三角函数等)。4.中美学生知识水平差异原因美国高中课程设置课程主要包括必修课、选修课和其他类型的课程。中、美国中学科学课程设置和大学入学条件不同选修课程：美国高中课程设置中的选修课程特别多,一般美国高中均要求学生选修一定的学分。常见的选修课程有：1、视觉艺术(画画、雕刻、油画、摄影)2、行为艺术(合唱、戏剧、舞蹈、电影、乐队、管弦乐)3、职业课程(木工、金属加工、汽车修理)4、计算机/商科课程(文字处理、编程、图像设计、计算机俱乐部、网页设计)5、体育(美式足球、棒球、篮球、网球、田径、游泳、水球)6、新闻/出版(校报、年历、电视制作)7、外语(一般是法语、德语、西班牙语)8、家庭和消费者科学、健康(家庭经济学、营养学、幼儿发展)美国中学科学课程生物学AP生物AP生物实验化学AP化学AP化学实验物理（概念物理）AP物理BAP物理B实验AP物理CAP物理C实验环境科学自然科学地理AP物理B-algebrabased,物理B涵盖部分较广，与我国高中课程相当，但难度一般。Sixcourseunitsinlanguage,includingfourunitsinEnglishemphasizinggrammar,composition,andliterature,twounitsofalanguageotherthanEnglish.Fourcourseunitsofmathematics,inanyofthefollowingcombinations:algebraIandII,geometry,andoneunitbeyondalgebraII,algebraIandII,andtwounitsbeyondalgebraII,orintegratedmathI,II,andIII,andoneunitbeyondintegratedmathIII.ForApplicantsWhoGraduatedfromHighSchoolduringAcademicYear2005-06orBeyond北卡大学入学要求Threecourseunitsinscience,includingatleastoneunitinalifeorbiologicalscience(forexample,biology),atleastoneunitinphysicalscience(forexample,physicalscience,chemistry,physics),andatleastonelaboratorycourse.Twocourseunitsinsocialstudies,includingoneunitinU.S.history.美国高中学生科学课程选课普遍模式三类物理课程1.Conceptualphysics(physicalscience,nomath)2.Physics(algebrabased)3.APPhysicsBandC(B–algebrabased;C–calculusbased)高中学生中有三分之一的学生选两个学期的物理课程，其中三分之一选择学习概念物理（不需要数学）。在美国要想进入大学,需要具备以下几个条件:1.SAT(ScholasticAptitudeTest)成绩(资质考试）2.修满入学要求的中学课程，平均成绩(其中一半是考试,一半是做项目的成绩)，研究计划和研究报告。3.社会服务和公益4.推荐信5.面谈。美国的SAT一年能考多次,并且可以选其中最好的一次成绩上报。什么时候考,由学生自己定。中国高考：一年一次。传统的题目的问题：一般来说，物理学者常常用粗略估计的方法来解决新的问题。这些解决问题不能仅仅通过演绎来解决，而要求有假设、模型、数量级估计，和非常自信。辨别科学家成功与否不是看他解微积分方程，或一组联立方程的能力，而是构建模型、提出假设、估计数量级的能力和运用模型解题能力我们总是用传统的题目来检验学生：含相同数量的未知数和已知数（方程），－－除了数学技巧之外什么都不需要。我们是如何把一个实际的问题变成一个传统的题目：某天的下午，你到一个靠近商业区的免费的停车场停车。转了一圈后，你发现这里有大约20个车位，但没有空车位。你决定等在停车场的入口，你需要多长时间等待某人空出一个车位？？？？加上一句话帮学生(a)提出假设某天的下午，你到一个靠近商业区的免费的停车场停车。转了一圈后，你发现这里有大约20个车位，但没有空车位。你决定等在停车场的入口每人平均购物时间为２小时你需要多长时间等待某人空出一个车位？？？再加上一个对大量事件的统计平均的出的结果－－(b)进行估计某天的下午，你到一个靠近商业区的免费的停车场停车。转了一圈后，你发现这里有大约20个车位，但没有空车位。你决定等在停车场的入口每人平均购物时间为２小时。假设人们离开时间间隔相等你需要多长时间等待某人空出一个车位？不熟悉的情形，而且模型没有明确给出？还需要加上－－(c)构建模型某天的下午，你到一个靠近商业区的免费的停车场停车。停车的人去购物，平均时间为２小时。转了一圈后，你发现这里有大约20个车位，但没有空车位。你决定在停车场的入口你需要多长时间等待某人空出一个车位？spacesshopwaitNTt21计算公式传统题目中剩下的：就是让学生们带入数字和使用计算器！同样的问题，不仅中国有美国也有建构主义学习理论中，学习者原有的知识经验对学习新知识的重要性获得了普遍的认可。学习者的头脑并非空的容器，他们带着已有的概念走进课堂。这些概念往往与公认的科学概念不一致，并具顽固性，不易通过传统的教学方式消除，因而又被称为“前科学概念”（preconception）、“相异概念”（alternativeconception）或“相异构想”（alternativeframework）二、美国的物理教育研究介绍学生物理前概念研究经过长达二十几年对学生物理概念的研究，美国的物理教育研究者得出了一些重要的研究结果：1.前概念广泛存在于学生头脑中，并会严重影响学生物理概念的学习Clement(1982)在抛硬币实验的研究中发现88%的被试认为上抛的硬币受到两个力的作用:一个是硬币的重力，另一个是抛力;硬币上升时抛力大于重力，下降时重力大于抛力。J.Clement.students’preconceptioninintroductorymechanies[J].Am.J.Phys，1982，50(1):66-71.华盛顿大学教育研究小组在利用“图像和轨迹”软件测试时发现，很多学生认为s-t图像就是物体运动的实际轨迹。L.C.McDemott.Researchandcomputer-basedinstruction:opportunityforinteraction[J].AM.J.Phys.1990,8（5）McDermott和Shaffer在研究中发现，学生对于电流概念的理解会受到“流”的影响，学生认为越靠近电源正极的元件其流过的电流越大，位于后方的元件得到的电流是前面元件用完剩下的;学生认为灯泡和其他的用电器，是让电流“流进”并将电流消耗的终端设备，而并不只是让电流“流过”。L.C.Mcdermott,P.S.Shaffer.Researchasaguideforcurriculumdevelopment:anexamplefromintroductoryelectricity[J].am.J.Phys,1992,60（11）：994-1003.演示实验：电池和灯泡相连，并且灯泡是亮的举例:研究用的测试题：问题：下面那种说法正确：（1）灯泡用完了所有的电流。（2）灯泡用了一部份电流。（3）所有的电流从电池出来经过灯泡又回到电池。结果：很少学生答对，他们认为电流不变与电池最后会“用尽”的事实是矛盾的。2.物理教学通常很少在物理观念上获得成功Hestenes、Wells等(1992)对传统讲座式教学方式下的1500多名中学生以及500多名大学生进行了FCI测试，发现学生教学前后测试的FCI分数提高并不明显，同时还发现物理前概念的转变与学生的数学基础没有明显相关性，所在测试班级教师水平(达到合格以上)与测试的结果也没有必然的联系。Gauld(1989)设计了一个的实验对学生的这种概念提出了挑战，例子：针对许多学生认为：电流在灯泡上被消耗，只有一部分电流流回电池的前概念。他成功地使其班上的学生确信：使用稳恒电流的观点，能很好地解释为什么电路中电流表的示数都是相同的。大多数学生不再使用他们在上次教学中已掌握的物理概念。当问他们电流表的读数时，许多学生认为两表的读数至少有微小的不同，尽管3个月前他们都看了，并确信这两个表的读数是相同的。3个月后，他又问学生关于电流流动的概念。Goldberg和Bendall(1995)认为:“传统教学中，学生都把记忆性的、以公式为中心的问题解决方法作为学习物理的正统工具，他们缺少面对陌生环境利用所学的概念和定律进行推理的能力，因为他们的知识只是由零散的、少量的事实和公式组成，当遇到陌生的环境时，学生外显的还是他们的前概念。”因此为了防止学生只是死记硬背公式，最好的预防措施就是教没有数学的物理，至少在教学过程的初期应该这样做。F.Goldberg,S.Bendall.Makingtheinvisiblevisible[J].AM.J.Phys.1995.63(11):978-990.美国近二十年的科学教育研究把科学学习看作学生关于自然现象的原有概念的发展或转变，研究发现:“体验到认知冲突是影响概念转变的重要因素”，因此有效的“转变学生概念”教学策略必须要让学生产生认知冲突。有效“转变学生概念”的教学策略之一：小组合作互动的教学策略Clement(1982)认为“可以通