物理教育改革：回顧與展望

幾乎是在物理學成為高中課程的同時，物理學家就開始尋求教授物理學的方法。芝加哥大學的物理學家Charles Mann 於1906 年在《中學科學與數學》一書中指出：「想要掌握科學，就必須學習如何合理解釋現象，並使之成為一種習慣。這一習慣只有通過科學研究才能習得。」

儘管Mann 的觀點與眾多物理學家是一致的，但直到物理學成為中學課程后200 多年的今天，這一願景也未能實現，其主要障礙是缺少經過有效培訓的物理教師。

下面簡要回顧物理教育改革事件的時間線(圖1)，並努力探究其背後緣由。

圖1 物理中遇到的教師培訓問題時間表

2015 年10 月10 日，美國總統歐巴馬簽署了「每個學生成功法案ESSA(the Every Student Succeeds Acts)」。它試圖解決2001 年「不落下一個孩子法案」引起的、學校過於注重考試、而忽略了科學本身的問題。解決這一問題的關鍵是合格教師的培養。為此，ESSA 的重要內容是「準備、培訓和招聘高素質教師、校長或其他學校領導者」，允許各州用部分聯邦教育資金創建教師預備學院，並制定了嚴格的政策。例如，不能強制要求教師擁有高等學位或進行過學術研究；不論是否曾獲得了學士學位，學院的畢業生都將獲得「至少相當於教育碩士」的學位。也就是說，未來的教師有可能從未學習過物理或數學的大學部課程但卻在教授物理。這正是立法者的目的——讓市場而不是專家來決定如何培養物理教師或是其他教師。

判斷未來美國如何實施這項法案仍為時尚早，到目前為止還沒有這種教師預備學院成立。對物理教育意味著什麼，其結果也很難預測。物理教育改革和物理教師教育的發展歷程可以提供一些啟示。

總體上，在19 世紀末、20 世紀初，物理學家和教師都致力於物理教育重要性的宣傳，倡導物理教育應讓學生像科學家一樣探索與發現。這一努力使得1880 年至1900 年間，高中生和大學生使用物理實驗室的情況大幅增長。1906 年，科學與數學教師中心協會委託物理學家和高中物理教師一起進行的、使「基礎的物理課更有趣和吸引力」的研究發現，對「科學獲取結果的方法」的學習比「零散的知識或理論」更重要。

此後，圍繞著這一主題的教育改革不斷、循環往複進行。科學教育改革者一直嘗試用「演繹方法」、「科學探究」、「科學性質」等術語引領科學學習。如2012 年國家研究委員會頒布的K-12 科學教育框架指出：科學教育期望學生能自主參與到實踐中，並從中獲得知識，而不是從老師那裡學習。這一目的與美國科學促進會20 年前推動的「科學實踐」非常相似。

儘管不同時期的流行術語不同，但物理教育和科學教育領域中保持不變的是：科學家從來都要求進行具體的教學方式變革；儘管科學界一直進行著強烈的抗議，但大多數老師的科學知識儲備仍然不足(圖2)；今天的改革者拒絕承認以往改革出現了類似的努力和問題。

圖2 過去幾十年中，美國高中物理教師中受過物理培訓的人數一直增長，但擁有大學物理委員會推薦的至少24 個學分的物理準備的教師仍不到一半。圖中1993 年和2013 年的數據顯示，這兩年主修或輔修過物理或物理教育的教師比例相近，其置信水平為95%。(1961 年數據的誤差線顯示柱狀圖所代表的教師所修學分在18 到29 個學分之間)。更早的，全州的調查顯示在二戰前的幾年中，只有不到20%的物理教師完成了推薦的教師準備

一般來說，大學的教育學院承擔著培養物理教師的主要任務。最新調查顯示，對於佔美國物理教師約30%、擁有物理學碩士或大學部學歷的教師，他們中微弱多數的學歷是由教育學院頒發的。這意味著他們的教學計劃中由教育學院安排了相當一部分的教育學課程。

教育學院的教授一般不具備等同於碩士的科學研究背景，通常難以完全理解由科學家制定的、教育目標的真正意圖。多數政策制定者同樣也缺少科學研究經驗。這就有可能導致課程設計和教育政策不僅沒有起到促進作用，反而產生了阻礙。反之，科學家制定的課程標準和大綱若被政策制定者或教師教育者誤解的話，也會影響課程實施。比如，有些教師教育者對「科學實踐」的含義表示出困惑，認為「科學教育沒有給『科學實踐』一個明確定義，雖然我們同意學生應該參與『真實的』科學活動，但對學生應具體學習什麼還未形成共識。」

長期以來一直存在著對科學教育改革目標的另一種解釋，稱之為技術應用觀念，把科學家提出的、強調項目和實驗的教學方法誤解為將科學事實應用於日常技術或社會問題，表現在對工程設計項目的過於重視，如許多項目都採用STEM(科學、技術、工程和數學)這一表述。顯然，這種觀念的積極作用是實現了讓學生將科學應用於日常生活的目標，但其遺漏的是，「發現」的過程才是科學家進行實踐的主要動力。這導致科學教育偏離了原來的目標，甚至起到相反的作用。

目前的挑戰是如何讓眾多的教師教育者和千萬名的預備教師，以與科學家相同的方式來體驗科學。如果沒有這種努力，國家對科學教育的改革就難以成功。

儘管ESSA 存在使缺乏物理背景和經驗的物理教師隊伍擴大的風險，但其也提供了一個改革的新途徑——讓物理學界設立物理教師預備學院成為可能。

2008 年，美國物理學會、美國物理教師協會和美國物理研究院共同組建了「 物理教師教育機構」(T-TEP)，以應對美國物理教師教育面臨的挑戰。2012 年發布的最終報告對物理學家、物理教育研究者和教育學院提出了組建物理教師教育區域中心的建議。中心將由擁有物理學、物理教育和物理教育研究背景的學者領導。ESSA 資助的教師預備學院可以作為T-TEP 設想的區域中心。中心將與物理系合作，根據物理學和物理實踐研究設立國家支持的課程。

與過去相比，今天物理系的新優勢是物理教育研究(PER)學者普遍存在。PER 學者通常受過很好的物理訓練，具備物理學的研究所水平，能夠運用科學的方法研究如何學習和講授物理。同時，物理系還可以提供豐富的教學實踐資源，預備教師可以幫助大學部生體驗科學研究的智力挑戰和科學探究的美感，培養「科學精神」。

T-TEP 長達一年的調查顯示，由從事PER 研究、有能力的領導者來保證物理系的資源有效用於物理教師培養是非常必要的。他可以將豐富的物理實驗資源、研究經驗等轉化為教學方法與教學技術，與物理系的同事和教師教育學院合作對科學教育產生強大的積極影響。

物理系或國家實驗室與教師預備學院間將如何進行合作？合作的商業模式是什麼？資金如何分配？目前並沒有明確的解決方案。但是，如果物理系不採取行動，將其留給非物理學家，則很有可能再次重演歷史。

(北京師範大學羅瑩、張墨雨編譯自Valerie K. Otero，David E. Meltzer. Physics Today，2017，(5)：50)

本文選自《物理》2017年第5期