中學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)操作能力測評(píng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

殷建華，解問鼎

(1.西南大學(xué) 教育學(xué)部，重慶 400715；2.蘇州市教育質(zhì)量監(jiān)測中心，江蘇 蘇州 215004)

中學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)操作能力測評(píng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

殷建華1，解問鼎2

(1.西南大學(xué) 教育學(xué)部，重慶 400715；2.蘇州市教育質(zhì)量監(jiān)測中心，江蘇 蘇州 215004)

實(shí)驗(yàn)操作能力是中學(xué)理科課程核心素養(yǎng)的重要組成，是新課程要求培養(yǎng)的重要能力。實(shí)驗(yàn)操作能力主要體現(xiàn)在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作過程當(dāng)中，只有通過對(duì)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行考查，才能真正反映出學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰η闆r。然而，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)操作能力測評(píng)形式依然拘泥于紙筆測驗(yàn)，關(guān)注容易評(píng)價(jià)的、確定性的知識(shí)。該文以物理實(shí)驗(yàn)操作能力測評(píng)為例，通過開展相關(guān)理論與實(shí)踐研究，建構(gòu)物理實(shí)驗(yàn)操作能力測評(píng)系統(tǒng)模型，利用教育信息技術(shù)手段設(shè)計(jì)和開發(fā)中學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力測評(píng)系統(tǒng)，并通過專家系統(tǒng)等智能化測評(píng)技術(shù)的引入，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)操作能力的真實(shí)、有效和智能化測評(píng)。

實(shí)驗(yàn)操作能力；測評(píng)系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)輔助測評(píng)

一、研究背景

學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力的培養(yǎng)是素質(zhì)教育和基礎(chǔ)教育課程改革的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。對(duì)于物理課程而言，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力是提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的必由之路[1]。然而，目前對(duì)物理實(shí)驗(yàn)操作能力單一的紙筆測驗(yàn)方式造成了“紙上學(xué)實(shí)驗(yàn)”和“做題練實(shí)驗(yàn)”的現(xiàn)實(shí)。雖然紙筆測驗(yàn)的成績可以間接地反映學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，但這種反映是不全面的，有時(shí)甚至是不真實(shí)的，這就直接導(dǎo)致在物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)中出現(xiàn)各種各樣的問題。因此，如何更客觀、真實(shí)地評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力是一個(gè)亟待探索的重要課題。

沒有真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作能力評(píng)價(jià)，就難以實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)驗(yàn)操作能力培養(yǎng)。破解這一矛盾，亟需一種真實(shí)有效的評(píng)價(jià)方法和工具。在信息技術(shù)推動(dòng)下，教育信息技術(shù)手段為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作能力的計(jì)算機(jī)輔助測量與評(píng)價(jià)提供了可能。將現(xiàn)代教育技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)操作能力評(píng)價(jià)進(jìn)行結(jié)合，可以創(chuàng)建理想的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與評(píng)價(jià)環(huán)境，改變傳統(tǒng)的教學(xué)與評(píng)價(jià)模式，解決教學(xué)中存在的問題或困境。

二、物理實(shí)驗(yàn)操作能力測評(píng)的瓶頸與破解思路

(一)實(shí)驗(yàn)操作能力測評(píng)面臨的主要問題

1.實(shí)驗(yàn)操作具有過程性與瞬時(shí)性特點(diǎn)，評(píng)分難度較大

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作測評(píng)需要評(píng)分員對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作過程進(jìn)行現(xiàn)場觀察評(píng)分。評(píng)分員需注意力高度集中，才能捕捉學(xué)生操作細(xì)節(jié)。另外，對(duì)評(píng)分人員有較高的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)要求，否則難以在短時(shí)間內(nèi)捕捉并判斷學(xué)生的關(guān)鍵操作情況。同時(shí)，評(píng)分人員觀察的位置、角度等因素，也會(huì)影響評(píng)分結(jié)果，甚至還會(huì)干擾學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作，現(xiàn)場評(píng)分難度較大。

2.評(píng)判過程無法重復(fù)，評(píng)分信度低

實(shí)驗(yàn)操作測評(píng)不能要求學(xué)生重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，評(píng)分過程也無法重現(xiàn)，評(píng)判結(jié)果缺少必要證據(jù)支持。一旦評(píng)分結(jié)果出現(xiàn)爭議，就很難進(jìn)行處理。有些實(shí)驗(yàn)操作測評(píng)采取“一對(duì)一”甚至“多對(duì)一”的評(píng)分方式提高測試信度，但實(shí)施效率較低、成本較高，一般只在參與測評(píng)人數(shù)較少的競賽中使用。

3.評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)不精確，評(píng)分存在主觀隨意的問題

實(shí)驗(yàn)操作測評(píng)一般通過學(xué)生對(duì)關(guān)鍵過程、關(guān)鍵環(huán)節(jié)的處理來判斷其對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握情況。由于評(píng)分員無法完全實(shí)現(xiàn)對(duì)操作過程的全面精確觀察，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)一般只會(huì)規(guī)定學(xué)生需進(jìn)行何種操作，無法準(zhǔn)確描述操作的精確程度。同時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的過程性數(shù)據(jù)也難以做出要求，僅能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作規(guī)定，這就造成了大量的實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)被忽略。另一方面，評(píng)分人員的責(zé)任心、精神狀態(tài)等，對(duì)評(píng)分結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生一定的影響，評(píng)分的客觀、公正性難以保證。

(二)實(shí)驗(yàn)操作能力測評(píng)“困境”的破解思路

計(jì)算機(jī)輔助評(píng)價(jià)的出現(xiàn)，為現(xiàn)代教育技術(shù)與學(xué)科的融合打下了基礎(chǔ)，也給實(shí)驗(yàn)操作能力測評(píng)帶來諸多啟示。計(jì)算機(jī)輔助測評(píng)可以勝任大范圍群體的測評(píng)，考試服務(wù)人員數(shù)目較少，組織工作相對(duì)簡化；可以引入更復(fù)雜、更準(zhǔn)確的測評(píng)手段，有利于更有效地測量被試的知識(shí)和能力水平；測試的時(shí)間和地點(diǎn)不再嚴(yán)格要求同時(shí)和同地[2][3]。

具體來說，在配備標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)測評(píng)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)室中，利用計(jì)算機(jī)輔助測評(píng)技術(shù)分割實(shí)驗(yàn)操作與評(píng)分之間的“時(shí)空”聯(lián)系，首先通過多角度的視頻錄像，準(zhǔn)確記錄學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的過程，然后通過“計(jì)算機(jī)閱評(píng)”的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的在線評(píng)分。通過引入“多人評(píng)分”和“專家復(fù)核”的機(jī)制，提高評(píng)分者間信度，并通過計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)監(jiān)控評(píng)分者內(nèi)部信度，確保評(píng)分的前后一致性。

然而，這種方法雖然保證了實(shí)驗(yàn)操作評(píng)分的可重復(fù)性，但相當(dāng)于實(shí)施了“一對(duì)一”實(shí)驗(yàn)操作評(píng)分，增加了評(píng)分人員的工作量。那么，如何才能提高實(shí)驗(yàn)操作評(píng)分的效率？筆者認(rèn)為“智慧學(xué)習(xí)”視角為解決這一問題提供了思路。智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的感知性、適應(yīng)性、多向交互性特征可以為綜合評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)成果提供靈活的支持[4]。通過帶有“時(shí)間軸標(biāo)記”功能的交互視頻技術(shù)和數(shù)字實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)信息采集、分析和輔助評(píng)分技術(shù)，輔助測評(píng)系統(tǒng)自動(dòng)感知實(shí)驗(yàn)操作過程，并將分析結(jié)果反饋給評(píng)分者，評(píng)分者便可以根據(jù)需求對(duì)具體操作環(huán)節(jié)進(jìn)行評(píng)分，提高評(píng)分的效率；同時(shí)，系統(tǒng)可以通過分析評(píng)分員狀態(tài)數(shù)據(jù)，自動(dòng)地適應(yīng)評(píng)分員的工作節(jié)奏；通過建立實(shí)驗(yàn)操作測評(píng)專家系統(tǒng)，將評(píng)分要點(diǎn)作為提示信息加入到交互視頻中，提高計(jì)算機(jī)輔助測評(píng)的有效性。最后，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的引入，可以運(yùn)用多種傳感器收集實(shí)驗(yàn)過程中的過程性數(shù)據(jù)，并通過后臺(tái)分析學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的準(zhǔn)確程度，輔助評(píng)分者做出更精準(zhǔn)的判斷，減少評(píng)分員在客觀數(shù)據(jù)評(píng)判上花費(fèi)的時(shí)間。

三、中學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)操作能力測評(píng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

(一)相關(guān)理論基礎(chǔ)

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Y(jié)構(gòu)模型的相關(guān)理論

物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ菑?fù)雜的心理認(rèn)知結(jié)構(gòu)的具體表現(xiàn)，一般認(rèn)為物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Π锢硭季S、科學(xué)觀察和操作技能等幾個(gè)方面的因素，但是這些因素并不是獨(dú)立存在的，各種能力的有機(jī)結(jié)合成為物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰5]。因此要對(duì)這一綜合性的能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，必須依賴具有一定維度的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰υu(píng)價(jià)模型。在各種物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ哪Ｐ椭校瑢?shí)驗(yàn)操作能力處于核心位置的認(rèn)識(shí)是統(tǒng)一的。實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ嵌嗑S度、多因素、多品質(zhì)的綜合性能力也是共識(shí)[6]。通過對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰δＰ偷氖崂恚P者認(rèn)為喬際平提出的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Y(jié)構(gòu)模型層次清晰，結(jié)構(gòu)分明，比較有利于對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰M(jìn)行考核和評(píng)價(jià)[7]。

2.計(jì)算機(jī)輔助測評(píng)理論

計(jì)算機(jī)輔助評(píng)價(jià)即把計(jì)算機(jī)用于測評(píng)的過程，計(jì)算機(jī)可以為教學(xué)測評(píng)提供模塊化、快速、準(zhǔn)確、客觀的評(píng)價(jià)，并且能夠?qū)Y(jié)果進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析[8]。

計(jì)算機(jī)輔助評(píng)價(jià)的優(yōu)點(diǎn)有：(1)應(yīng)用范圍廣：包括了技能、知識(shí)和實(shí)際操作能力等諸多方面；(2)自動(dòng)化程度高：對(duì)于客觀題可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化評(píng)分和統(tǒng)計(jì)，大大提高效率；(3)客觀性強(qiáng)：對(duì)答題者信息的保密性強(qiáng)，除了客觀題的自動(dòng)評(píng)分外，主觀題也實(shí)現(xiàn)了異地評(píng)分和多人評(píng)分，提高了評(píng)分的客觀程度；(4)時(shí)間、空間相對(duì)自由：借助網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)測評(píng)的同時(shí)異地或異時(shí)異地，自由度大大提高，組織形式也更便捷[9]。

3.專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是一種模擬專家解決問題的計(jì)算機(jī)程序，是一個(gè)智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。通過把大量的某個(gè)領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R(shí)與經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)或算法，利用人類專家的知識(shí)和解決問題的方法處理該領(lǐng)域的問題。通俗來講專家系統(tǒng)就是一個(gè)具有大量專門知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的程序系統(tǒng)[10]。

(二)實(shí)驗(yàn)操作能力測評(píng)框架模型的建立

通過分析課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ木唧w要求，筆者從學(xué)科能力、內(nèi)容領(lǐng)域、表現(xiàn)水平三個(gè)方面建構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ臏y評(píng)框架。能力維度包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、實(shí)驗(yàn)觀測能力、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力與實(shí)驗(yàn)解釋能力。與喬際平的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰δＰ拖啾龋P者在實(shí)驗(yàn)?zāi)芰δＰ椭性黾恿恕皩?shí)驗(yàn)解釋能力”這一維度。實(shí)驗(yàn)解釋可以看作是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的逆過程，強(qiáng)調(diào)對(duì)物理原理和方法的逆向運(yùn)用，是逆向思維的體現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)解釋能力中包含了對(duì)實(shí)驗(yàn)過程和現(xiàn)象的表征，是以語言表征能力為外顯的能力。基于課標(biāo)要求，結(jié)合中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域與表現(xiàn)水平的要求，本研究的實(shí)驗(yàn)操作能力測評(píng)模型如下頁圖1所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰y評(píng)框架，建立實(shí)驗(yàn)操作評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

(三)實(shí)驗(yàn)操作能力測評(píng)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)的功能定位與需求

測評(píng)系統(tǒng)的定位是能夠獨(dú)立完成對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力的測評(píng)工作，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作考試缺乏有效測評(píng)的問題，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作能力測評(píng)的數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化、可測量。系統(tǒng)的必須滿足以下需求：(1)對(duì)實(shí)驗(yàn)操作過程的科學(xué)量化功能；(2)對(duì)實(shí)驗(yàn)操作能力的評(píng)價(jià)功能；(3)測評(píng)組織管理功能；(4)數(shù)據(jù)庫維護(hù)功能；(5)測評(píng)結(jié)果的存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、分析及輔助評(píng)價(jià)決策功能。

圖1 面向過程的實(shí)驗(yàn)操作能力測量與評(píng)價(jià)框架模型

2.系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的這些功能，將系統(tǒng)分解成如下子系統(tǒng)：試題庫管理子系統(tǒng)、智能組卷子系統(tǒng)；能力量化子系統(tǒng)(評(píng)分系統(tǒng))、能力評(píng)價(jià)子系統(tǒng)、考試管理子系統(tǒng)、測評(píng)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析子系統(tǒng)、云端管理子系統(tǒng)。

試題庫管理子系統(tǒng)：用于管理維護(hù)實(shí)驗(yàn)操作能力測試試題數(shù)據(jù)庫。實(shí)驗(yàn)操作試題庫的屬性分為“試題基本參數(shù)”和“測評(píng)參數(shù)”兩部分。基本參數(shù)包括實(shí)驗(yàn)操作題的編號(hào)、名稱、知識(shí)點(diǎn)、難度、區(qū)分度、使用次數(shù)、最近使用時(shí)間、測試對(duì)象等；測評(píng)參數(shù)包括試題的能力維度構(gòu)成、實(shí)驗(yàn)方案、評(píng)分細(xì)則、常見錯(cuò)誤提示、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)參數(shù)、誤差范圍、實(shí)驗(yàn)技巧等。

能力量化子系統(tǒng)：包括考試界面及考生信息錄入模塊、考試模塊以及閱卷模塊。考試模塊負(fù)責(zé)呈現(xiàn)試題信息，并錄制保存學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作視頻。閱卷模塊是教師完成學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰υu(píng)分的模塊，教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)視頻中的提示信息對(duì)實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行評(píng)判，同時(shí)教師評(píng)分的結(jié)果和評(píng)分時(shí)間軌跡也會(huì)被同步記錄保存下來，以便對(duì)評(píng)分質(zhì)量進(jìn)行分析，監(jiān)控評(píng)分過程。

實(shí)驗(yàn)?zāi)芰υu(píng)價(jià)子系統(tǒng)：負(fù)責(zé)呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ脑u(píng)分結(jié)果，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Y(jié)構(gòu)模型對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰M(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，生成實(shí)驗(yàn)?zāi)芰υu(píng)價(jià)成績單。依據(jù)評(píng)分細(xì)則列舉學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過程中的失分項(xiàng)目，及其對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)，供學(xué)生和教師針對(duì)性地發(fā)現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)中的薄弱環(huán)節(jié)。

云端(網(wǎng)絡(luò))管理子系統(tǒng)：負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)考試的遠(yuǎn)程組織、管理與閱卷的功能，將考生考試信息備份上傳到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，以便開展異地統(tǒng)一閱卷。

在測評(píng)系統(tǒng)中，實(shí)驗(yàn)操作試題庫及其管理系統(tǒng)、智能組卷子系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰α炕酉到y(tǒng)和結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析子系統(tǒng)是專家系統(tǒng)中密切聯(lián)系的功能模塊。其信息傳遞關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測評(píng)系統(tǒng)信息關(guān)系結(jié)構(gòu)圖

(四)實(shí)驗(yàn)操作能力測評(píng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)操作測評(píng)系統(tǒng)主要利用交互視頻技術(shù)+數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)+計(jì)算機(jī)輔助測評(píng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)操作的“實(shí)測機(jī)評(píng)”。交互視頻技術(shù)是實(shí)驗(yàn)操作過程的采集階段，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)工具，計(jì)算機(jī)輔助測評(píng)系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)?zāi)芰υu(píng)價(jià)工具，也是實(shí)驗(yàn)測評(píng)系統(tǒng)智能化的核心構(gòu)成。

1.交互視頻技術(shù)

交互視頻就是指通過各種信息技術(shù)手段將交互體驗(yàn)融入到線性視頻的一種新型視頻。測評(píng)系統(tǒng)用到的交互技術(shù)主要包括實(shí)驗(yàn)視頻的關(guān)鍵操作標(biāo)記和視頻播放時(shí)的定位、變速播放、回看等。對(duì)于數(shù)字實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)儀器的每一次使用都會(huì)觸發(fā)數(shù)字實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)，將這些信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)間記錄下來就能得到一個(gè)時(shí)間軸，將不同的信號(hào)進(jìn)行梳理和分類，就能根據(jù)每個(gè)實(shí)驗(yàn)的特征和操作規(guī)范，分析出在這個(gè)信號(hào)產(chǎn)生前后對(duì)應(yīng)發(fā)生的關(guān)鍵操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵操作的識(shí)別與標(biāo)記。

2.視角與獨(dú)立時(shí)間軸

實(shí)驗(yàn)操作的錄制應(yīng)該是多視角的，同時(shí)有多個(gè)攝像頭從不同的角度記錄實(shí)驗(yàn)操作，并通過屏幕錄制記錄數(shù)字實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用情況。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)視頻播放與控制的時(shí)間軸要獨(dú)立于視頻之外，以便配合從不同的角度觀看時(shí)，同步定位實(shí)驗(yàn)操作。關(guān)鍵操作在時(shí)間軸上進(jìn)行“幀”標(biāo)記，同時(shí)加入與時(shí)間軸標(biāo)記對(duì)應(yīng)的操作評(píng)分細(xì)則作為評(píng)分參考依據(jù)，如下頁圖3所示。

3.實(shí)驗(yàn)測評(píng)數(shù)據(jù)庫

實(shí)驗(yàn)測評(píng)系統(tǒng)的“智能化”主要體現(xiàn)在把人的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信息，使軟件系統(tǒng)像專家一樣“解”物理實(shí)驗(yàn)，通過建立詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測評(píng)數(shù)據(jù)庫(包括：實(shí)驗(yàn)操作觀察與量化評(píng)分量表、操作細(xì)則、規(guī)范、注意事項(xiàng)、易犯錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)范圍、能力表征等)使得對(duì)實(shí)驗(yàn)操作沒有專門研究的評(píng)分人員也可以在系統(tǒng)的提示下客觀的對(duì)實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行評(píng)分，降低對(duì)評(píng)分人員的專業(yè)要求。

圖3 交互視頻錄制與播放示意圖

四、中學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)操作能力測評(píng)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

實(shí)踐階段選擇“驗(yàn)證牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)”作為應(yīng)用案例。通過具體實(shí)驗(yàn)操作過程來測評(píng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ?yàn)證實(shí)驗(yàn)測評(píng)系統(tǒng)的有效性與可行性。

(一)實(shí)驗(yàn)研究

1.驗(yàn)證牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)的能力考查點(diǎn)歸納

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：(1)如何運(yùn)用控制變量法，探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系；(2)選擇什么器材、設(shè)計(jì)什么方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；(3)用什么方法測量小車加速度。

實(shí)驗(yàn)操作：(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的使用；(2)天平的使用規(guī)范；(3)斜面小車的調(diào)節(jié)和使用。在具體的儀器使用技巧中，包含了實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力的考查項(xiàng)，例如實(shí)驗(yàn)操作順序、實(shí)驗(yàn)儀器使用規(guī)則、實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵操作和技巧等。

實(shí)驗(yàn)觀測能力：(1)摩擦力平衡是否到位；(2)天平讀數(shù)是否準(zhǔn)確。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力：(1)物體受力的計(jì)算；(2)加速度的計(jì)算；(3)用圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)解釋能力：(1)通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的圖像規(guī)律解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果；(2)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)成物理結(jié)論，即牛頓第二定律。

2.考場布置

三個(gè)攝像頭分別從俯視角度、左前視角、右前視角進(jìn)行拍攝，確保對(duì)實(shí)驗(yàn)操作區(qū)域的全覆蓋。

3.測試安排

測試環(huán)節(jié)選擇5位被試參與，實(shí)驗(yàn)操作時(shí)同時(shí)進(jìn)行“錄像”和現(xiàn)場評(píng)分。現(xiàn)場由兩名評(píng)分人員自由選擇位置觀看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作情況并評(píng)分。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后一個(gè)月左右，同樣兩位評(píng)分人員利用輔助評(píng)分軟件再次對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行評(píng)分。

(二)測試分析

評(píng)分人員通過調(diào)取5位被試的測試視頻資料，依據(jù)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)提示進(jìn)行評(píng)分。

1.結(jié)果分析

(1)計(jì)算機(jī)輔助方法與傳統(tǒng)方法的評(píng)分差異

在計(jì)算機(jī)輔助評(píng)分方法中，計(jì)算機(jī)評(píng)分要比傳統(tǒng)評(píng)分更加嚴(yán)格，失分率更高。分?jǐn)?shù)差出現(xiàn)在熟練程度的評(píng)判上，計(jì)算機(jī)輔助評(píng)分由于固定視角觀看實(shí)驗(yàn)操作，不太容易感覺到學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作時(shí)的情緒、心態(tài)等心理狀態(tài)，在變速播放時(shí)也不容易判斷學(xué)生的熟練度。在對(duì)學(xué)生操作熟練程度的評(píng)判上計(jì)算機(jī)輔助評(píng)分稍弱于傳統(tǒng)方法。

計(jì)算機(jī)輔助評(píng)分在實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的記錄和再現(xiàn)能力方面有明顯優(yōu)勢。如，C被試在計(jì)算機(jī)評(píng)分與傳統(tǒng)評(píng)分最大分差為4分。從C的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，兩位評(píng)分人員在傳統(tǒng)方法中均未發(fā)現(xiàn)C被試“用手操作游碼”的錯(cuò)誤操作，而在計(jì)算機(jī)輔助測評(píng)中發(fā)現(xiàn)了這一問題。同時(shí)，C被試在測量小車的質(zhì)量時(shí)也出現(xiàn)了錯(cuò)誤(也可能是書寫錯(cuò)誤導(dǎo)致)，這一錯(cuò)誤在其他被試實(shí)驗(yàn)時(shí)均已發(fā)生，甲、乙兩位評(píng)分人員現(xiàn)場評(píng)分均未發(fā)現(xiàn)該問題。通過計(jì)算機(jī)輔助測評(píng)錄像，評(píng)分人員發(fā)現(xiàn)了這一數(shù)據(jù)與其他被試測量數(shù)據(jù)之間的差別較大，發(fā)現(xiàn)了該錯(cuò)誤。

(2)計(jì)算機(jī)輔助方法的優(yōu)勢

除了細(xì)節(jié)記錄和再現(xiàn)能力外，計(jì)算機(jī)輔助測評(píng)在實(shí)驗(yàn)效果觀察中也有較大優(yōu)勢。例如：在被試進(jìn)行平衡摩擦力的操作時(shí)，評(píng)分員現(xiàn)場通過肉眼觀察只能看到被試進(jìn)行了該步驟的操作，但很難判斷出差異。通過實(shí)驗(yàn)視頻中對(duì)數(shù)字實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的屏幕錄像，評(píng)分員可以清晰看出被試在平衡摩擦力時(shí)是否達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)效果。值得注意的是，在計(jì)算機(jī)輔助評(píng)分和傳統(tǒng)評(píng)分方法中都可能出現(xiàn)誤判的情況，但是對(duì)存在爭議的評(píng)判，計(jì)算機(jī)輔助評(píng)分方法可以進(jìn)行有效補(bǔ)救。

2.輔助評(píng)價(jià)舉例

根據(jù)統(tǒng)計(jì)出的五位被試在實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Ψ矫婷總€(gè)評(píng)分項(xiàng)的得分情況，教師就可以結(jié)合學(xué)生的總分、平均分、位比、失分率等數(shù)據(jù)對(duì)學(xué)生或?qū)W生整體的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰η闆r進(jìn)行診斷分析，利用數(shù)據(jù)完整地刻畫出學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Πl(fā)展情況。如利用可視化工具將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)制作成極區(qū)圖、折線圖、面積圖、散點(diǎn)圖等數(shù)據(jù)圖像。以雷達(dá)圖為例：如下頁圖4所示，將A、C被試的得分情況生成雷達(dá)圖(圖中各維度能力得分已轉(zhuǎn)化成該維度得分率)。

從雷達(dá)圖中可以看出A、C被試能力發(fā)展的差異。雖然A、C在總分上相同，但C被試的能力發(fā)展情況要比A被試均衡；A被試在實(shí)驗(yàn)解釋能力上存在欠缺；C被試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和實(shí)驗(yàn)觀測能力上有待提高；A、C被試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力發(fā)展較好。

圖4 A、C兩位被試成績雷達(dá)圖

(三)實(shí)踐環(huán)節(jié)小結(jié)

通過實(shí)踐證明，本研究設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)操作能力測評(píng)系統(tǒng)的方案是可行的，能夠解決現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)操作測試的問題。專家系統(tǒng)的應(yīng)用使測評(píng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基本的智能化，能夠大大提高測評(píng)的效率，節(jié)約實(shí)驗(yàn)考試的人力成本。信息技術(shù)輔助下的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰y評(píng)能夠達(dá)到預(yù)期效果。

五、結(jié)束語

從實(shí)驗(yàn)操作測評(píng)實(shí)踐的效果來看，測評(píng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的目標(biāo)，具有較高的可行性。測評(píng)方法是具體可操作的，測評(píng)結(jié)果也有較高的可信度，能夠達(dá)到對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰y評(píng)的客觀、科學(xué)性要求。同時(shí)，通過傳統(tǒng)觀察測評(píng)與計(jì)算機(jī)輔助測評(píng)兩種方法的比較，證明了計(jì)算機(jī)輔助評(píng)價(jià)在實(shí)驗(yàn)?zāi)芰y評(píng)中的優(yōu)勢。雖然測評(píng)系統(tǒng)仍需進(jìn)一步改進(jìn)完善，測評(píng)系統(tǒng)軟件仍需進(jìn)一步優(yōu)化，但測評(píng)系統(tǒng)和方法的科學(xué)性、有效性已經(jīng)得到了檢驗(yàn)，為進(jìn)一步推進(jìn)深入研究、實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作能力測評(píng)系統(tǒng)的應(yīng)用與推廣奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)操作考試的基礎(chǔ)上，本測評(píng)系統(tǒng)還可以用于學(xué)生日常實(shí)驗(yàn)活動(dòng)記錄和管理，有效保障日常實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的質(zhì)量。

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Design and Application Research on the Measurement System of Students’ Ability in Physics Experiment Operation

Yin Jianhua1, Xie Wending2
(1.Faculty of Education, Southwest University, Chongqing 400715; 2.Suzhou Education Quality Monitoring Center,Suzhou Jiangsu 215004)

As an important component of the key competences of middle school science courses, the experimental operation ability is required by the new curriculum. The experiment operation ability is mainly re fl ected in the operation process, only by testing the real experiments process, can we truly reveal the students’ ability. However, the current measurement form of experimental operation ability, concentrate more energy on easy, doubtless knowledge, and still limited to paper-pencil tests. In the research, we take the physics experiment operational ability assessment as an example, construct the measurement system model based on some related research. In order to implement the veritable, e ff ective and intelligent of the measurement, we utilize such as expert system information and intelligent measurement technology in education to develop students’ experimental operation ability measurement system.

Experimental Operation Ability; Measurement System; Computer Assisted Assessment

G434

A

殷建華：在站博士后，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向?yàn)榻逃O(jiān)測與評(píng)價(jià) (63236528@qq.com)。

解問鼎：碩士，助理研究員，研究方向?yàn)檎n程與教學(xué)論(353697581@qq.com)。

2016年8月10日

責(zé)任編輯：趙興龍

1006—9860(2016)12—0073—05