物理教育学

高等教育学科

物理教育学是出于人类自身的物质生活和维持生存的需要，起源于在生产活动中传授使用和制造生产工具的经验，它是社会的政治、经济和科技文化的反映，同时又对它们起推动作用并受其制约。所以物理教育产生、发展的过程，实质上是社会的经济、政治和科技文化与物理教育之间相互作用的过程。

内容的深化

新世纪的物理教育研究覆盖了从小学低年级到大学高年级的全部物理学习阶段，对学生理解和应用物理学基本概念的研究向更全面和更高层次发展，越来越多的研究成果反映了更高水平的物理学习过程，如学生在高等力学、热力学、相对论、量子力学等课程中对具体内容的认识过程。同时，研究者开始深入研究影响学生理解物理概念的内、外部因素。

已有的研究表明，学生的前概念向科学概念转化的过程是一个十分复杂的过程，涉及到学习者自身、学习内容、学习过程及学习环境等多方面因素，这些因素对概念转化的影响过程和机制并没有真正认识清楚。研究者采用调查、创设情境和访谈等多种方法，试图深入研究影响概念转化过程的因素。

例如，2001年有一项研究深入考察了中学生和大学生关于静电感应的一些概念及其转化过程。研究者首先调查了学生原有的关于电解质的极化概念，然后又让学生观察了一些极化现象，接着对他们进行了访谈。据此分析学生是如何对原有的概念和观念进行肯定或否定，从而实现概念转化的。在分析过程中涉及到了概念之间的联系和学生的思维方式。研究者认为，概念可以看成由核心概念和与其相关的保护带构成。保护带包括：辅助概念、初始条件或相关假设。该项的研究者指出：概念的保护带理论部分建立的越不完善，学习者在实现概念转化的过程中，保护带部分被修改的就越多，而不是核心概念被否定的越多。因此，要成功地使学习者的概念得到转化，需要关注学习者与核心概念相联系的保护带的质量，还要关注核心概念，即要关注学习者前概念的整体结构和质量。

2002年有研究者以八年级到十二年级的学生为对象，对学生在电流、电势差、电阻的关系中如何理解电阻和电压的概念作了调查研究，深入考查学生在学习物理的过程中，概念之间的相互关系对理解概念的影响，研究过程采用了测试分析方法，例如，已知电压和电流强度，要求被试判断电阻的大小，根据被试的推理过程来分析三个概念之间的关系对于学生理解电阻概念的影响。研究表明，传统的电学概念和欧姆定律教学对学习者理解概念会产生正负两方面的影响。

研究科学化

研究者为了揭示学生物理概念学习过程的本质，采用定性分析和定量描述相结合的方法，在前期研究的基础上开始尝试建立学生学习物理的认知模型或理论框架。例如，在《物理教育研究》杂志2006年发表的一篇论文中，研究者根据认知科学和物理教育已有的研究结果，提出学生在物理概念学习过程中，不同的相异概念模型构成一种混合态，对于不同的测试情境，学生会使用不同模型来处理问题。研究者采用模型分析方法定量分析了大学生在牛顿力学概念测试（FCI）中的测试结果，提出了用模型评价一组学生对物理学概念理解的混乱程度的适用条件和分析方法。首先通过对学生进行系统研究和深入访谈，确定一组具有相似背景的学生持有的常见模型；根据这些模型设计多项选择测试中的迷惑项，并通过研究证明测验的有效性。根据测试结果，可以在线性模型空间中用一个矢量表示一个学生的反应，对于一组学生可以建立一个密度矩阵，用来表示学生采用不同模型的概率。

与认知领域的结合还体现在研究者开始关注学生在学习物理中的智力发展过程；研究物理概念、数学方法和技能以及逻辑推理能力之间的相互关系；关注学生对物理知识本质的认识和获得这种认识的过程，以及学生的认识与概念学习之间的关系。这些方面的研究都刚刚起步，体现出物理教育研究领域广阔的发展前景。

新评价手段

研究者更加关注对新课程、新教学策略和现代教学手段产生的实际效果的评价，进一步考查已有的测试工具的有效性，在研究基础上开发新的测试工具。

研究者为了揭示学生对物理概念的认识，在大量调查和研究的基础上，设计出了诊断学生错误概念的测试工具。其中力的概念测试（FCI）和运动学图形理解测试（TUCK）已经得到了广泛的传播和应用，在此过程中也发现了一些值得深入研究的问题。2003年，美国堪萨斯州立大学的两位学者Rebello和Zollman对FCI的迷惑项的作用进行了深入研究，主要考察以下四个方面的问题：

（1）学生在多项选择题和同样内容及水平的开放性试题上的成绩是否有显著差异；

（2）相应多项选择题提供的选项能否覆盖学生对开放性试题的答案，是否会产生新的选项；

（3）多项选择题中的迷惑项是否影响学生对错误回答的选择；

（4）将开放性试题的测试结果作为迷惑项修改FCI原题后，是否改变学生对该题中各选项的选择比例。

为了研究这些问题，Rebello和Zollman从FCI中选择了4个有代表性的题目，将每个题目改为开放性问题，即只给出与多项选择题相同的问题情境，让学生自由回答。分别进行测试后比较两种题型的学生成绩。然后，利用开放性试题的测试结果设计具有新迷惑项的多项选择题，并进行测试。结果显示，两种形式中正确回答的百分比有很好的一致性；同时表明，FCI的迷惑项不会对学生成绩产生不利影响。通过分析开放性试题的测试结果，研究者发现有一定比例的学生答案超出了FCI对应试题的选项范围，当把这些答案设计成迷惑项对原题进行修改之后，测试结果表明，许多学生选择了这些新的选项。这表明FCI某些试题的选项并没有覆盖学生的主要认知模式，

为了了解高中生和大学生对直流纯电阻电路的理解，2003年Paula和Robert在研究基础上设计了标准化的诊断测验“确定和解释纯电阻电路概念测试”，简称为DIRECT1.0（De-terminingandInterpretingResistiveElectricCircuitsConceptsTest）。这套测验与FCI形式相同，共包含29个测试题，全部是只有一个正确选项的选择题。研究者用这套题目对美国454名高中学生和681名大学生进行了测试，在分析有效性的基础上又进行了修订，修订版本为DIRECT1.1。研究者用修订版本对251名高中生（美国）和441名大学生（美国、加拿大、德国）再次进行了测试，对测试结果进行了详细的统计分析，揭示出许多学生存在的错误认识。研究结果表明，这两套测验都具有可靠性和有效性，既可以用于评估课程和教学方法，又可以深入了解学生对直流电路中电现象的理解情况。

课堂教学改革

由于大量研究结果揭示出传统物理课堂教学对于学生理解物理学核心概念的低效性，同时，对学生学习的研究也表明，自主钻研和合作学习可以提高学生的复杂推理技能。在这些认识的基础上，物理教育研究者尝试了多种方法来改革传统的物理教学，并对这些方法产生的实际效果进行深入分析和总结。例如，为了使学生更好地理解欧姆定律中电阻、电压和电流的关系，Laurent,Liegeois等研究者用计算机设计了新的教学策略来补充传统教学的不足。这种策略包括以下四个步骤：首先，学生展示简单电路图，要求他们利用电流和电阻推导电压，用图表形式而非数值形式向学生提供几种可能的结果；其次，用同样的方法让学生根据电压和电阻推导电流强度。第三，用同样的方法让学生根据电流强度和电压推导电阻；第四，给学生提供机会，利用他们得出的结果思考电流、电压和电阻三者之间的关系。最后，研究者对这种教学策略的效果进行了深入分析。

在2001年《美国物理》杂志发表的一篇论文中，Catherine和Erio对在大学物理教学中开展了10年的“同伴教学”进行了总结和深入研究。“同伴教学”是一种基于问题的合作学习方式，要求班级中每一个学生应用核心概念解决问题，并向其同伴讲解。在这种精心设计的问题教学过程中，教师将课程设计成一系列小单元，每个单元集中解决一个核心问题，紧接着对相关概念进行测试，检查学生对概念的理解。学生用1到2分钟时间独立完成，向教师汇报答案后再与周围同学交流，在交流过程中说明理由。2到4分钟后，教师再次收集学生答案并进行讲解，然后进入下一个单元。研究表明，这种教学促进了学生对物理概念的掌握，提高了解决问题的能力。

在中国历史

中国近代的物理教育，虽是从19世纪末才开始的，至今不过100多年的历史，但中国是世界文明古国，有悠久的历史和灿烂的文化，其中包括丰富的物理知识及运用物理知识的技术、技能，这是中国物理教育史的特点。同时，100多年来，我国物理教育在曲折的道路上也得到不断发展。学习和研究中国物理教育史，可以了解我国古代的物理知识及其有关的教学理论，也可以学习我国物理教育家严谨的治学、治教的态度和为发展与繁荣我国物理教育事业而自强不息、奋斗不已的献身精神。中国物理教育史作为中国教育史的一个分支，有与中国教育发展史一致的共性，又有它特有的个性，内容相当丰富复杂。因此，研究中国物理教育史，一定要在充分占有史料的基础上，以马克思列宁主义、毛泽东思想为指导，对中国物理教育发展中的沿革、事件、人物进行科学的整理、分析和总结。它既要展现物理教育发展的历史过程，又要努力探索有关物理教育发展的理论和规律。例如：物理教育是怎样在生产的推动下，在社会的经济、政治、科技文化的影响下发展，又是怎样反作用于生产并影响着社会生活的各个方面的；不同社会制度，不同历史时期的物理教育是怎样繁荣昌盛，又是怎样停滞衰落的；物理教育的指导思想、教学理论、教学内容、教学方法及教育测量与评估是怎样提出、演化、继承和革新的；物理教育中的不同教育观点、不同教学理论、不同教学方法是怎样比较、论争以相互促进和鉴别取弃的；物理教育家的思想、品格和教育观点与研究方法是怎样影响着他们的物理教育的成败得失的等等。本书中，只就中国物理教育史中的某些问题，作了一定深度的探讨。

中国物理教育史是物理教育改革向新的广度和深度发展过程中，刚刚兴起的一门教育科学。随着这一研究工作的不断深入和成熟，一定会在物理教育改革中发挥越来越积极的作用。

历史及意义

人类在长期生产实践和科学实验中，不断地积累和发展着物理知识与技能，又不断地把它们传授给下一代。这种传授的内容与经验，经过科学的总结，并为新的实践和新的认识所修正和发展，使之在更符合社会需要、更科学的基础上进行传授，如此循环往复，逐步深入，这就是物理教育不断发展的过程。因此，物理教育史也是人类不断地认识和改革物理教育的历史。研究物理教育史的根本任务，是揭示物理教育的客观规律，为物理教育实践提供理论指导。恩格斯说过：“世界不是一成不变的事物的集合体，而是过程的集合体。”物理教育的基本规律正是存在于物理教育发展运动的过程中。通过全面、系统地研究物理教育的发展过程，认真、科学地分析历次物理教育改革的背景、内容和影响，有助于探索社会的政治、经济、科技文化对物理教育的影响和物理教育对国家建设与社会发展的作用。事实上，物理教育的价值与功能，也只有在它与社会其他因素的相互作用中，才能比较全面、客观、准确地反映出来。这对正确认识物理教育在我国社会主义四个现代化建设中所肩负的历史任务，对国家制订物理教育的方针政策，从而摆正物理学科在学校教育中的地位，有重要的理论意义。

研究物理教育史，发现物理教育整个发展过程的基本线索和特点，客观地得出规律性的认识，这是物理教育进一步发展的重要前提，每一个物理教育工作者，了解和掌握物理教育的全过程，比较准确地把握新的物理教育生长点、突破口，预测物理教育、教学改革的方向和趋势，将有益于扩展视野和提高物理教育质量，有利于继承和借鉴前人的教学经验，这既包括从前人物理教学遗产中吸取其精华，也包括从前人的失误原因中吸取教训。历史上，许多教育家就是从对教育史的研究开始自己的创造活动的。了解历史上各个不同时期、不同自然科学水平上所产生的物理教育的指导思想、教学理论、教学内容和方法的积极作用与历史局限性，是今天进行物理教育、教学改革的基础。因此，在造就和培养合格物理教师的教育中，把熟悉物理学科的教育发展史作为对学生或学员的一项基本要求，是完全必要的。

在物理教育改革中，学习国外先进的教育观点、教学理论和教学方法固然十分重要，但它们在发展过程中所经历的道路和所处的情景，往往与我国是不同的。学习和研究中国物理教育史，可以了解我国历史上在向日本学习、向英美学习和向苏联等国学习中的经验教训。

专业培养方案

一、培养目标

本专业培养德、智、体全面发展，掌握物理学的基本理论和方法，具有良好的数学基础和实验能力，能够胜任中学物理教学以及在相关领域内从事教学、科研的高等专门人才。

二、培养规格

1、具有坚定正确的政治方向，热爱社会主义祖国，热爱人民的教育事业，树立正确的世界观与人生观，具有良好的道德品质，具有良好的教师职业道德和心理素质及健康体魄。

2、掌握物理学的基本概念和基本理论知识。

3、获得基础研究的初步训练，具有良好的科学素养和一定的科研和应用开发能力。

4、具有较强的计算机应用能力和较高的外语水平。

5、熟悉中等阶段物理教学的现状和发展方向，具有从事中学物理及实验室管理的实际能力。

三、专业主干课程简介

线性代数：本课程为物理专业的重要基础课程，是学习物理的重要工具，共36学时。主要包括：行列式与矩阵、线性方程组、向量空间、线性变换等。