|
下面是正文。2.建模教学的发展我是在本科学哲学时，对科学和数学中的认知和认识论产生了持久兴趣。1956年，我读研究生时转向了物理学，希望能找到一些答案。到1976年，我已经在理论物理和数学方面创建了一个卓有成效的研究项目，我很高兴的说，这个项目今天仍然在茁壮成长。大约在那个时候，我看到了同事理查德·斯通纳、比尔·蒂勒里和安东·劳森做的事情，这引起了我对学生学习问题的兴趣。这就诞生了我的第一篇文章，主题就是提倡物理教育研究。很快，为了对自己的建议负责，我亲自指导两位优秀研究生哈隆和威尔斯的 PER（物理教育研究） 博士论文。哈隆比威尔斯早一年毕业。在我与他们的共同工作中，开展了两个重要研究主题：第一，模型和建模的组织教学对学生学习的影响；第二，学校教育如何受学生先入之见的物理观念影响。第一个关于建模教学的主题很快见到了成效。我已经确信建模在物理教育中的效果，我也完成了一本扩展专著——以建模为核心的经典力学教科书。在哈隆的帮助下，我在物理导论课上做了几年建模试验。第二个主题涉及的问题比较大。我和理查德·斯通纳经过无数次讨论，讨论学生在物理导论课上的考试结果，关注学生的思维模式。斯通纳的考试只要求给出定性答案，因为他相信定性理解原理要比定量解决问题更好。尽管他在课程的各方面都做出了巨大的努力——从实验设计到课程设计，从问题解决活动到学生个人的互动——但测验的班级平均分一直低于40%。在我们长时间探讨学生回答问题过程中，我被学生们展示的思考方式，以及他们学习物理而不断出现的各种状况而震惊。因此，我决定设计一个测验来系统地评估这种差异。当哈隆来的时候，我把这个项目交给他来完成，包括设计测试项目、验证测试结果和分析学生的大量测试结果等艰苦工作。结果[3,4]让人惊喜！连我都感到惊讶！编辑也加快了出版速度！随着后续改进，这个测试现在被称为力概念量表（Force Concept Inventory）(FCI)，他只是在最初的成果上的巩固和增强。下面结合最近的发展来讨论教学意义。目前，你只要知道 FCI 被认为是评估高中和大学物理导论教学效果的可靠工具就足够了。关于建模理论及其在教学中的应用，我已经发表了五篇主要论文[6-10]。这些论文为建模指导项目[11]提供了理论支柱，可以说是美国高中物理改革中最成功的项目（如果不是全世界的话）。由于这些内容很少在项目外提及，所以介绍几句其中的内容是有必要的。第一篇论文[6]为建模理论及其与认知科学的关系提供了初步的理论基础。近年来，建模已经成为科学教育中的一个热门话题，现在很难理解我在 1985 年第一次提交论文时遇到的阻力。这篇论文推迟出版了两年，因为评审强烈反对，编辑多次否决。随后，这篇论文被 PER 社区的经验主义者斥为纯粹的推测，事实上它还附有一份文件，记录了在教学中成功应用的情况。尽管如此，这篇论文还是为后续建模教学开发提供了初步的概念框架。必须承认，这篇论文很难读，更适合研究人员而不是教师。论文[7]是我个人最喜欢的，因为它消除了牛顿物理学积累的实证主义污染，支持以模型为中心的认知解释。这是第一次打破传统，公式化了所有六个牛顿定律。这在教学上很重要，因为在设计 FCI 时，需要所有六个定律来完全涵盖“力的概念”[5]。此外，第零定律(关于空间和时间)的明确表述应该引起所有物理学家的兴趣，因为这是牛顿物理学中被相对论改变的部分。除此外，这篇论文还表明，牛顿有意识地运用了基本的建模技巧，他具有高超的洞察力和建模技能。事实上，牛顿制定了第一套建模游戏规则，自他以后，科学家们一直在玩这个游戏。论文[11]将建模理论应用于教学设计，尤其是方便建模活动的软件设计。不幸的是，开发软件所需研发费用非常高，现有资金来源不足以支持。与前面的关注理论相反，论文[8,9]是针对教师实践的。论文[8]描述了威尔斯博士论文成果，以及他和我共同研究的教学设计，还有他在建模讲述管理方面的杰出创新。他发明了便携式白板来组织学生的演讲，这一发明正在世界各地的教室中传播。不幸的是，绝症阻止他继续为这项工作做出贡献。威尔斯博士研究值得肯定，是有史以来最成功和最重要的教学实验之一。我认为他是一位颇有造诣的老师，在30年的教学经验中，他探索了每一个可用的教学资源。他创建了一个完整的活动体系来支持以学生为中心的研究，这个体系完全符合国家科学教育标准的每一项建议。但他仍然不满足。他的学生们在 FCI 的表现震惊了他，他决定把哈隆和我在大学里的模型教学理念应用于高中。他的控制实验是特殊的。作为一个控制实验，他拥有完整的数据：学生自己学习，不做示范。课堂活动的实验组和对照组完全相同。唯一不同的是，实验组的交流和活动侧重于模型，注重引导和评价学生自己的想法。实验组的后测结果与对照组进行比较，对照组在同一时间段内使用传统方法教授。实验组学生成绩的提高是前所未有的。而我对其有效性持绝对信心，因为已经重复了很多次，不仅仅是威尔斯，还有后来的其他人。威尔斯的研究成果给我留下了深刻印象，我在 1989 年，从美国国家科学基金会获得了一笔拨款，用于帮助他开发建模工作室，以激励和帮助其他老师复制他的成果。由此开始了建模教学项目，该项目在 NSF 的持续支持下，经历了几个阶段，对整个美国的科学教育改革产生了广泛影响。有关详情可浏览计划网页[11]。如果没有马尔科姆· 威尔斯的开创性影响，这一切，包括我自己的参与，都不会发生。3.认知科学的发展认知科学与 PER 和建模理论并行发展。为了把它们联系起来，让我以从一开始就关注其发展的角度来描述认知科学的出现。当然，人类思想的奥秘自古以来都是哲学反省的主题，但直到最近才有足够的经验和理论资源来支持它成为一门真正的心理科学。Box 1：认知科学产生我认为数学中的形式主义运动是数学进化的一个重要组成部分，数学是结构的科学，这是我们在下一节建模理论的中心主题。公理常常被认为是数学上的细枝末节，对科学无关紧要。但是我们应该认识到，公理对于欧几里得几何是必不可少的，而没有几何学就没有科学。我相信形式主义运动的核心人物，大卫· 希尔伯特，是第一个认识到公理实际上就是定义的人！公理定义了数学系统中的结构，而结构使合理的推理成为可能！ 对科学来说同样重要的是科学测量的操作结构，因为要将理论结构与物理世界的经验结构联系起来，它是必不可少的。物理学家珀西· 布里奇曼(Percy Bridgeman)强调了这一点，他提出了物理量的运算定义概念(请参阅[7])。然而我认为，亨利· 庞加莱对科学测量做了最深入的分析，他解释了测量惯例是如何深刻影响理论概念的。他声称物理空间的曲率不是一个独立于定义如何测量的自然事实。这个说法在哲学界长期以来一直争论而没有结论，最近它得到了惊人的证实。遵循理性主义哲学的悠久传统，数学和逻辑学中的形式主义运动被广泛地解释为心理理论的基础，尤其是在英美分析哲学。这是一个极其严重的错误，已经受到了乔治· 莱考夫和马克· 约翰逊的严厉批评。即便如此，正如已经指出的那样，形式主义的概念在认知的结构特征中起着重要作用。串行计算机的创造可以理解为是形式主义传统发展的操作结构的技术实现。它很快刺激并产生了信息处理心理学，信息处理认为认知是关于符号处理。我把这个错误应用到物理教学中却是正确的。即便如此，我提出的大多数重要研究结果和见解，在认知和符号处理之间的混乱被理清之后，仍然延续了 20 年。符号处理仍然是计算机科学和人工智能(AI)的中心思想，但只有相关知识缺乏的人才会将其与认知过程混为一谈。我试图将 Box 1 中的日期与每个类别中的重要事件联系起来。我选择 1983 年作为第二代认知科学的开始日期，是因为我有幸参与组织了第一次专门讨论认知神经科学的会议。但我们仍然需要几年时间来克服沉重的经验主义偏见，很期待神经科学和为神经网络建模能做出贡献（大辉注：这篇论文发表于2006年，十多年过去了，神经科学不负众望，对此有巨大贡献）。这些研究成果是一场揭露我们思考什么的思维革命。
|
