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近幾十年來,美國的物理學家和教育工作者非常重視美國基礎物理教育,他們通過美國物理研究所(AmericanInsti-tuteofPhysics)對美國的基礎物理教育進行多次(1987、1990、1993、1997、2001、2005、2009)調查,從中發現問題,提出解決方案.在1999年,由美國物理學會(AmericanPhysicalSociety)和美國物理教師協會(AmericanAssociationofPhysicsTeachers)主導成立的“物理教師教育聯盟”(PhysicsTeacherEducationCoa-lition)得到美國物理研究所的資助,該機構旨在提高物理教育水平、培養優秀物理教師和促進物理教師專業發展,提升和傳播物理教師教育成功的案例、方法和觀念.本文通過對美國物理教育調查報告這一窗口,借鑒物理教師教育聯盟培養物理教師的經驗和做法,以期對我國基礎物理教育改革提供借鑒.

1選修物理科目學生的演變

美國中學生選修物理的人數和比例在持續地增加,1987年,美國高中學生選修物理的人數60多萬,所占的比例為20%,到了2009年達到近140萬,比例為37%.選修物理課程學生人數和比例的持續增加令美國人大為驚訝,傳統意義上認為物理是一門比較艱深的選修課程,選修物理的學生主要是為上大學做準備或者對科學或與科學相關領域有興趣,選修物理需要比較好的數學基礎,因此會阻礙學生特別是女生和少數民族學生選修物理.造成這一結果的主要原因是進入四年制大學學習人數的比例增加(2005年達50%),學習規劃指導顧問(guidancecounselor)建議如果在高中選修過物理能夠增加他們進入大學的機會,導致部分意愿進入大學社會領域學習的學生選修物理,另一方面由于各州對高中畢業生提出更高的科學素養方面的要求.次要原因是物理在生活中變的越來越有用和高中入學人數的增加.美國高中主要開設以下四種類型物理課程:概念性物理、一年期物理、榮譽物理、高階物理.圖1是美國高中學生選修各類物理課程的百分比,從中可以看出,近年來除了選修一年期物理課程的比例在減小,選修其它類型的物理課程的比例都在增加.雖然不同種族的高中生選修物理的比例呈現增加的趨勢,但是其比例是不同的,亞裔學生選修的比例最高(2008年達到52%),其次是白人(2008年達到41%),黑人和西班牙裔學生選修的比例較低(2005年分別達到25%、24%),另外女生選修物理課程的比例也呈現增加的趨勢,從1987年的39%到2005年的47%,并且處于穩定的比例狀態.美國物理研究所教育研究中心主任杰克•赫恩(JackHe-hn)認為,自上世紀80年代以來美國的物理教育出現以下六個方面可喜的變化:更多的學生在中學和大學學習物理;關注的焦點從教什么轉向學生真正學到什么;教師對學生是怎樣學習物理的逐漸產生了興趣,并將對此的研究運用于課堂教學;美國國家科學教育改革注重于學生應該知道哪些物理知識和教師應該怎樣教的研究;更多地關注物理教師的職前教育;網絡的發展促進了各層面教師之間的溝通.正是這樣的變化促進了美國物理教育的發展,吸引更多的學生學習物理.

2美國基礎物理教材

美國基礎教育物理教材多種多樣,常用的教材有《物理學:原理與問題》(Zitzewitz/Merrill-Glencoe)、《概念性物理學》(Hewitt/AddisonWesley)、《霍爾特物理學》(Serway&Faughn/Holt)、《現代物理學》(Trinklein/Holt)、《物理學》(Gi-ancoli/PrenticeHall)、《大學物理》(Serway&Faughn/HarcourtBrace)、《物理學:原理與應用》(Giancoli/PrenticeHall)、《物理學》(Cutnell&Johnson/Wiley)、《物理學基本原理》(Hallidayetal./Wiley)、《大學物理》(Searsetal./Addison-Wesley)、《科學家與工程師的物理學》(Serway,jewett/CengageLearning)等.由于美國高中物理開設四類物理課程,所以各種教材的使用情況各不相同,教師針對特定的物理課程選擇相應的教材,表一是美國各類課程常用的教材、使用比例和教師使用滿意度.從中可以看出,在概念性物理課程中使用最為廣泛的是《概念性物理學》,使用的比例在增高,教師使用的滿意度也比較高,雖然部分教師使用《物理學:原理與問題》,但是其不滿意度非常高,達到50%;在一年期物理課程中《物理學:原理與問題》使用雖然達到近三分之一,但是教師的滿意度最低,也正是由于不滿意度較高,導致該教科書使用的比例在減少,《概念性物理學》的教師滿意度最高,使用的比例在增加,《物理學:原理與應用》的教師滿意度較高,但是使用率非常低;在榮譽物理課程中使用廣泛的三本物理教科書是《霍爾特物理學》、《物理學:原理與問題》和《物理學:原理與應用》,并且都處于比例增加的趨勢,但是教師對《物理學:原理與問題》滿意度最低,不滿意度最高,結合一年期物理課程對該教科書的評價,表明在教師心目中《物理學:原理與問題》并不適合一年期物理和榮譽物理課程的目標;高階物理(B)課程主要利用代數學和三角學介紹物理,教師對廣泛使用的兩本教科書滿意度較高,《大學物理》教科書使用的比例獲得顯著性增加;高階物理(C)課程主要為將來進入大學學習科學或工程類學生所準備,涉及到解決力學和電、磁學方面的復雜問題,《物理學》教科書的使用率顯著性下降.

3美國高中物理教師的狀況

物理教師的質量是決定高中物理教育教育水準和培養未來從事科學和技術人才的重要因素,然而超過2.3萬的物理教師認為他們并沒有為從事高中物理教育做好充分的準備.2009年的調查結果顯示物理教師中具有學士學位的占30%,具有碩士學位的占63%,具有博士學位的占7%.高中物理教師中有主、輔修物理學位的占26%和9%,主、輔修物理教育學位的占9%和2%,表明高中物理教師中無物理類學位的占54%,預示著能夠有效承擔物理教學的物理教師仍然短缺,加之選修物理學生人數的不斷增加,這一短缺狀況近期難以發生改變.美國高中物理教師自我評價認為,物理基礎知識非常好的占66%,有四分之一的教師認為在物理課堂教學和實驗教學中能夠有效使用計算機,對物理學最新發展了如指掌的比例只有13%,實驗教學設計與演示能力好的比例為36%,有47%的教師能夠很好地將物理學應用于日常生活.美國高中物理教師認為當前高中物理教學存在如下的問題,資金、教學儀器的匱乏,沒有足夠的時間準備物理實驗,實驗場所缺乏和實驗儀器過時,學生的數學基礎較差,沒有足夠的時間備課等.近年來,美國在基礎物理課程改革過程中提倡在物理教學過程中采用基于探究的教學方法,開發基于計算器的實驗、交互式物理、基于探究的物理、建模教學、基于計算機的實驗、活動物理、跨學科教學、實時物理、物理研討會、促進物理概念理解的課程、理解物理學的建構等物理教學方法與手段.

4美國基礎物理教育教師的培養

美國合格的基礎物理教師嚴重匱乏,每年約需要雇傭1200個新的物理教師,其中約有800人缺乏講授物理概念的訓練和相關物理知識,美國教育雇傭協會認為,除特殊教育教師外,高中物理教師的職位是最難供給的.旨在改善和促進未來物理教育和物理教師教育的“物理教師教育聯盟”成立以來培養出超過以往一倍以上合格的高中物理教師,促進大學物理系與中學物理教學之間的對接,為未來物理教師改進物理課程內容和教學方法奠定基礎.為了吸引大學生有志于從事物理教師職業,首先要激發他們的興趣,通過持續的交流,組織學生參加與物理相關的研討活動,讓學生意識到他們具備物理教師的潛力;其次展示物理教學的樂趣,在大學物理課程中采用交互式教學方法讓他們意識到教學并不僅僅是教師講,通過討論、交流等教學活動體驗到參與教學的興奮感;第三是體驗早期的教育經驗,讓有志于從事教師職業的學生成為學習基礎物理課程學生的學習助手(LearningAssistants),嘗試幫助其他學生更好地學習物理,體驗到做教師的成功感、喜悅感;第四是加強大學與中學優秀物理教師之間的互動,吸引中學優秀物理教師參與未來物理教師的培養工作.科羅拉多州立大學物理系創建的學習助手計劃提供了很好的大學物理系培養物理教師的典型案例,該計劃的目的在于通過改造本科教育提高學生的教育質量和教師教育質量,招募更多潛在的物理教師,讓具有科學才能的學生有志于從事科學教育和基于學科的教育研究,將科學系科文化轉換為我們教師和學生的教學研究活動.學習助手計劃能夠有助于課堂環境的構建,讓學生通過平等的交流,相互合作進行問題解決,闡明和捍衛自己的觀點.學習助手計劃招募的優秀高年級學生需要從事學科內容知識、學科教學法知識和學科教學實踐的學習和實踐,他們每周和教師一起反思教學,規劃未來一周的教學活動,檢查和評估學生的學習狀況;他們學習為期15周的教育類課程,從中反思自己的教學實踐,分享教學經驗,研修相關的教學研究論文;他們參加由教師主持的相關教學研討會,在課堂教學過程中扮演學習助手的角色,引導學生參與對相關物理問題的討論,從而在實踐中豐富學科教學法知識.科學教育教授瓦萊麗•奧賽羅(Vale-rieOtero)認為,學習助手的經驗可以幫助學生認識到教學是真正的智力挑戰,對學習助手中的一部人而言,這正是他們期待的.學習助手計劃的實施取得了成功,增加了未來物理教師的數量和提升他們的教學水平,提高學生對物理學基本內容的理解.

5啟示

美國物理研究所對全美中學物理教育的調查能夠了解和掌握當前基礎物理教育的現狀和所面臨的問題,提供相應的解決方案,物理教師的培養工作卓有成效,對當前我國基礎物理教育具有以下的啟示:

5.1全面摸底基礎物理教育的現狀勢在必行我國第八次課程改革已經實施了10年,給基礎物理教育帶來了翻天覆地的變化,教育主管部門需要對當前基礎物理教育的現狀進行摸底,例如選修物理課程的學生比例,五套現行高中物理教科書的選用情況,教師對這些教科書的評價,高中三個系列選修模塊的實施狀況等.教育主管部門需要掌握基礎物理課程改革的實際狀況是否與課程改革的理想所契合,改革以來存在哪些主要的問題,提供解決這些問題的指導性方案.

5.2未來物理教師職業能力的培養亟待改革我國的物理教師培養模式與美國不同,但是科羅拉多州立大學的學習助手計劃為我們提供了未來物理教師職業能力培養的新方式.例如對未來物理教師職業能力的培養采用“teamteaching”的模式,加強物理教師培養高校學科教學法教師和大學物理公共課教師之間的合作,讓未來物理教師的職業能力在實踐中得到有效提升.物理教師培養的高校需要與地方基礎教育聯合,形成緊密型“校校聯盟”,構建符合物理教師終身發展的未來物理教師職業能力的培養體系.通過教師互聘、學生拜師、導師制以及積極組織學生參加基礎教育開展的各類中學物理教學觀摩課、示范課以及各類教學比賽,聘請優秀中學物理教師作為物理師范生的導師,實施“一對一”診斷和指導,提升未來物理教師的職業能力.緊密型“校校聯盟”的建立能夠切實加強大學與中學之間的互動,物理學專業的大學生與優秀中學物理教師之間的互動,物理學專業的教師與中學物理教師之間的互動.