【科学教学】“学物理”能模仿“做物理”么？（上）

此前的上篇，以“折射”的教学案例为例。学生在入射射线和穿过有机玻璃的射线的路径中，自己找到并解释一种规律。通过适当的教学法，学生可以体验真正的物理学，并且可以感觉到自己像个真正的科学家。

这里是下篇，是对探究型科学学习环境教学法（ISLE）的归纳总结，也给出了一些课堂问题的示例。

物理教学遭遇的挑战

物理教育者面临着三大挑战。
1.改变学习的重点。从纯粹学习物理学成果，转变到获得这些成果的过程。换句话说，通过经历物理学家如何构建知识，帮助学生学习。
2.改变物理教学法的重点。从简单地向学生传授物理知识，转变到创造一个可以自我建构知识的环境。
3.让学生相信自己可以做物理并且自己属于物理学。帮助学生将自己视为物理学家，即使他们之后的职业各种各样。
过去30年中，物理教育研究界开发的具有交互式参与的教学工具很多。探究型科学学习环境（Investigative Science Learning Environment，ISLE）的物理教学法其中之一。此外还有SCALE-UP（以学生为中心的本科课程主动学习环境）项目、华盛顿大学开创的物理教程、同伴教学（peer instruction），范式（paradigms）、建模指导（modeling instruction）。研究表明，它们在帮助学生学习物理方面比传统教学模式更有效。
以上所有方法都让学生分组工作，来解答问题。
但这其中只有两种方法——建模指导和ISLE——让学生通过基于物理学家如何做的过程来构建知识。只有ISLE过程教学生：明确地提出并验证假说，来解释现象。它还提供量规，帮助学生自我评估和改进他们的工作。本文上篇的课例，体现了学生在ISLE教室中构建概念和关系的逻辑流程（见图5）。
图5  示意图：探究型科学学习环境（ISLE）教学法所采用的学习活动
在一堂典型的ISLE课上，学习活动如下：学生分组观察物理现象、识别规律、设计多种解释或假说 （定性或定量），但他们不知道什么是正确的。他们使用类比推理、图形表示和数学工具；与全班同学分享他们的发现；并就应该通过实验检验哪些假说并达成共识。然后，他们设计实验来测试这些假说。在进行实验前，他们会对其结果做出预测。他们将结果与他们的预测进行比较，并决定他们可以拒绝哪些假说。这个过程根据需要重复多次，直到只剩下一个假说，然后学生应用该假说来解决样本问题。最后，教师总结学生的发现，并分享与学生发现相关的物理知识。
物理学家获得新知，靠的是物理世界和模型之间的持续相互作用。研究表明，ISLE的物理教学方法体现了物理学家的工作方式。例如，华盛顿大学物理教育研究小组最近的一项研究观察到，专家（包括教职员工和研究生）在模拟新问题时会以周期性的方式提出和验证假说。当教师面临新的实验问题时，我们观察到类似的周期。
尽管ISLE的过程可能看起来漫长而复杂，但只要学生熟悉它，它费时不多，可以在普通课堂上实施。
20多年前，罗格斯大学的开发团队，为了帮助学生有效地参与ISLE方法，做了以下教学资源开发：
  • 提出了一份代表物理从业者使用的过程和活动的科学能力清单。每种能力都被分解为几个较小的子能力，这些子能力与物理学家在2022年《今日物理》文章中提到的许多决策步骤相匹配。
  • 设计了一系列活动来帮助学生发展这些能力。
  • 为每个子能力制定了描述性量规，以帮助学生自我评估和改进他们的工作，并指导教师向学生提供反馈。量规供学生在设计实验以观察现象并找到模式时使用。
  • 开发了一个用于物理入门课程的课程资源库和一本教科书，旨在配合ISLE教学法教授的课程。
  • 开发了有关现实生活的问题库。这些问题的正确答案不止一个，让学生参与决策过程。其中一些例子如下，这些问题帮助学生发展传统的解决问题的能力，同时也引导他们如何像物理学家一样思考。
问题库中的问题示例
下面是两个类别的问题示例。
类别：评估推理或解决方案。学生必须批判性地评估推理或问题的答案，以文字、图形、图表或方程式给出。学生必须识别富有成效的想法，即使它们藏在错误的答案中，将这些想法与无效想法区分开。
例 1.你有一个风火轮汽车的环形赛道。在玩汽车时，你和朋友注意到，需要从地面上至少1.3直径的环路最小高度H释放汽车，以防止汽车从环路顶部的轨道上掉下来。你的两个朋友对观察到的模式有不同的解释。莱拉认为，即使摩擦力可以忽略不计，最小高度H也必须大于环直径d，否则汽车会在顶部从环上掉下来。另一方面，乔丹坚持认为，如果没有施加在汽车上的摩擦力，最小高度H将等于环直径d，因为汽车 - 地球系统的机械能是恒定的。
分析每个解释，并描述莱拉和乔丹用来得出答案的物理思想，即使你认为他们的答案不正确。然后决定其中哪一个是正确的。解释您是如何做出选择的。
例 2.一些学生被问到以下问题：“一个5000cm3的气缸充满1.0×105Pa和 300K的氮气，封闭处是一个可移动活塞。气体在恒温下缓慢压缩至最终体积为5cm3。确定气体的最终压力。”（a）定量解释，为什么不能应用理想气体定律来得出答案。（b）修改问题，以便使用理想气体定律求解并给出答案。
类别：设计实验或提出问题。学生必须设计一个实验，一个实验程序或一个设备，让他们能够测量或确定某些物理量或满足特定要求。
例 1.为了开发一个触摸检测器，你将两个力传感器连接到计算机和已知质量的米尺。传感器用于保持米尺水平。（a）如何使用该设置来设计一个实验，该实验使用两个力传感器的读数来确定任何推力F的大小及其在作用与米尺上的位置x？（b）如何使用该设置导出一个表达式，该表达式可用作计算机算法，以使用力传感器的读数和参数计算x和F？
例 2.设计两个实验，使用不同的方法，以确定一把尺的质量。可用的材料是尺、弹簧、一组三个砝码（标准质量为50克、100克、200克）。其中一种方法应涉及你对静态平衡的理解。设计和执行实验后，确定这两种方法给出的结果是否相同。

新方法对教学的帮助

那么，ISLE方法如何帮助解决第三个挑战，即帮助学生相信自己能够做物理学而且自己属于物理学呢？
它从四个方面来做：
  • 首先，当学生开始学习一个新想法并观察最初的实验时，不要求他们预测结果，而是用简单的语言描述观察到的东西。这一步消除了学生常有的失败感。而失败感往往来自当他们不得不对几乎一无所知的事情做出预测并迅速发现它是错误。让学生观察实验，他们都在同一起点，且最终获得成功，觉得自己可以做到。当学生一起参加活动时，他们作为一个团体，获得了专业知识，这让每个学生都感到他们的贡献受到重视，并且成功属于他们。
  • 其次，当学生提出自己的假说——我们称之为疯狂的想法——来解释观察实验的结果时，不要求假说不一定正确，但它们必须可检验。当学生分组工作时，他们分享他们的设计并根据他们的疯狂想法做出预测。如果他们的实验结果与预测不符，这不是他们的个人的失败——是疯狂的想法失败。因此，他们的自信心不会受到伤害：相反，他们经常觉得自己完成了在科学上非常有价值的事情——他们排除了一个可能的假说！这不是大多数物理学生都能有的经历。它告诉他们，知道正确的答案远不如创造力和毅力重要。
  • 第三，始终要求学生使用图形表示（graphical representations）。用图形表示连接起单词（或物理现象）和代数（或微积分），可以帮助那些需要具体图像的人用数学符号描述过程。但是，能从中受益不仅是数学困难的学生。认知科学的最新研究表明，它对所有学习者都有帮助。理解表征之间的相互作用是高级物理思维的标志，这意味着这种教学法帮助所有学生更像专家一样推理，并增加他们在物理学中的归属感。
  • 最后，ISLE课程结构鼓励学生重新提交改进的实验室报告、家庭作业、测验，甚至考试以获得更好的成绩，这有助于他们感到自己的学习受到重视。因此，学生们习惯于理解他们可能不会在第一次尝试时成功，但如果他们坚持不懈，他们可以在物理上取得成功。
在2014年美国物理教师协会夏季会议上的密立根奖章（现为麦克德莫特奖章）讲座，概述了使用ISLE方法教授的入门物理课程中学生经历的文献。正如所描述的，ISLE学生在概念理解方面表现出很高的学习收益，以专家般的方式解决问题， 并发展物理推理和实验能力，帮助他们学习新材料。最近的另一项研究表明，ISLE学生认为他们可以在物理方面取得成功，他们在ISLE课程中学到的知识对他们在其他课程中的学习，他们在工作场所的未来以及他们的一般生活都很有用。
为什么要用新方法？
由于ISLE过程改变了学生学习物理的环境，更好地帮助他们取得成功。因此它符合建筑师罗纳德·梅斯（Ronald Mace）所谓的通用设计（universal design）：适应环境，使每个人都可以参与，无论他们的年龄或能力如何。
证据显示，ISLE方法是包容性的，可以帮助学生学习。如果这不能说服你，我鼓励你问自己：尘埃落定后，你希望学生如何因为你的教学而改变？如果你希望他们更像物理学家一样思考，并把这些技能贯穿他们的一生——不管他们做什么——那么我鼓励你考虑ISLE。
在COVID-19大流行开始时，一个名为“探索和应用物理学”的脸书小组建立。在论坛中，我们发布课程材料，鼓励日常专业发展，每月举办研讨会，并讨论学生的学习和当前研究。如今，该组织拥有来自除南极洲以外的各大洲的2200多名成员。
欢迎你也来试试！
资料来源：

When learning physics mirrors doing physics 

https://pubs.aip.org/physicstoday/article/76/10/26/2912731
拓展阅读：
https://doi.org/10.1088/2053-2571/ab3ebd
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