基于核心素養(yǎng)的物理實驗探究測評框架探索

黃紅波

(江蘇省教育考試院,江蘇 南京 210024)

1 核心素養(yǎng)下的實驗探究

新課標認為,物理核心素養(yǎng)是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關鍵能力,是學生通過物理學習內(nèi)化的帶有物理學科特性的品質(zhì),是學生科學素養(yǎng)的關鍵成分．物理核心素養(yǎng)主要由物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任4個方面構成．

對物理實驗的要求主要在科學探究方面．科學探究是指提出科學問題,形成猜想和假設,獲取和處理信息,基于證據(jù)得出結論并作出解釋,以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思．可以歸納為問題、證據(jù)、解釋、交流等4個要素．學業(yè)質(zhì)量標準將科學探究劃分為5個水平等級,每個等級均涵蓋上述4個要素．

2 從學業(yè)質(zhì)量標準到測試框架

按學業(yè)質(zhì)量標準的要求實施考試評價,需要將學業(yè)質(zhì)量標準規(guī)定的行為目標可操作化．考試開發(fā)的做法是將行為目標分類細化,通常至少再分解成多個知識內(nèi)容和表現(xiàn)水平,據(jù)此建立測評框架．[2]在測評框架的指導下命制試題,可以準確定位試題的測試目標,篩選出代表性試題,測評框架也是解釋分數(shù)結果的根本依據(jù)．

本文以核心素養(yǎng)下學業(yè)質(zhì)量標準為依據(jù),嘗試構建的測評框架如表1所示．框架采用二維結構,涵蓋學業(yè)質(zhì)量標準的所有知識內(nèi)容和表現(xiàn)水平．知識內(nèi)容包括原理和方案、器材和操作、現(xiàn)象和數(shù)據(jù)、解釋和結論等4個要素,內(nèi)容全面、重點突出．表現(xiàn)水平包括理解、應用、分析、評價、創(chuàng)造等5個層次,參照布盧姆的教育目標分類,層次清晰、逐級遞進．二維形式的測評框架將知識內(nèi)容和表現(xiàn)水平有機地整合在一起,便于理解和操作．

表1 物理實驗探究的測評框架

(1) 知識內(nèi)容維度．物理實驗是人們根據(jù)研究的目的,運用科學儀器設備,人為地控制、創(chuàng)造或純化某種自然過程,使之按預期的進程發(fā)展,同時在盡可能減少干擾客觀狀態(tài)的前提下進行觀測,以探究物理過程變化規(guī)律的一種科學活動．[3]可見,雖然物理實驗探究的內(nèi)容極其豐富,但是實驗探究環(huán)節(jié)都由一些基本要素構成．要成功地完成一次實驗探究,實驗的原理和方案是基礎,運用器材和操作是關鍵,觀察現(xiàn)象和分析數(shù)據(jù)是重點,實驗結論的解釋和討論是目的．只有通過細致的觀察和嚴密的邏輯分析才會提出有可探究的科學問題,實驗探究方案制訂離不開科學原理的指導,因此,這里測評框架的4個基本要素與學業(yè)質(zhì)量標準提出的問題、證據(jù)、解釋、交流等4個科學探究要素一致．

(2) 表現(xiàn)水平維度．學業(yè)質(zhì)量標準的劃分依據(jù)了行為目標的復雜程度,完成從水平1到水平5不同層級的任務,學生要經(jīng)歷不同的信息加工過程,認知活動的構成也不同．[4]具體地說,“水平1”要求知道科學探究是什么,心理過程主要經(jīng)歷問題轉(zhuǎn)譯和信息整合,是對問題的識別和理解．“水平2”要求能簡單實施科學探究,是執(zhí)行一定的程序和規(guī)則來完成簡單的實驗任務,屬于對實驗知識的應用．“水平3”要求能在實驗的基礎上對實驗要素進行整理和分析,弄清部分與整體的關系,信息加工過程有明確的策略監(jiān)控和策略運用,重點是對實驗過程的分析．“水平4”在對實驗分析和解釋的基礎,要求能對過程和結果進行交流和反思,通過實驗要素的內(nèi)部一致性或外部準則有效性的分析判斷,對實驗的質(zhì)量、效果和效率等作出檢查或評論．“水平5”的要求最高,要求能將各要素組成符合內(nèi)在一致性的整體或具有功能性的整體,是創(chuàng)造一個新產(chǎn)品．上述分析可見,利用布盧姆的目標分類可以方便地理解學業(yè)質(zhì)量標準的水平劃分．由于“水平5”已超出學業(yè)水平測試要求,本文將不作討論．

從知識內(nèi)容和表現(xiàn)水平分析,該測評框架具有適標性、有效性和實用性的特點．框架內(nèi)容以核心素養(yǎng)理念核心,知識內(nèi)容符合科學探究的構成要素,表現(xiàn)水平也與學業(yè)質(zhì)量標準相一致,符合評價實施建議對日常學習評價和學業(yè)水平考試的要求．框架設計以考試評價為導向,二維形式的框架結構滿足試題命制和質(zhì)量評價的實際需要,符合考試測量的基本原理,在框架指導下的命題可以做到測試的目標全面、重點突出、層次清晰．框架還以教學實際為前提,充分考慮當前教師在實驗教學和試題命題上的水平現(xiàn)狀,對學業(yè)質(zhì)量標準的分類細化參照教師比較熟悉的、被廣泛應用的布盧姆教育目標分類，測評框架是對能力立意下測評框架的繼承和發(fā)展,很好地銜接了能力立意下實驗探究的考試評價．[5]

3 測評框架的實證檢驗

下面以2017年江蘇省高考物理實驗題為樣本,檢驗測試框架與核心素養(yǎng)下學業(yè)質(zhì)量標準的一致性．

例1.(2017年江蘇物理高考題第10題)利用如圖1所示的實驗裝置探究恒力做功與物體動能變化的關系.小車的質(zhì)量為M=200.0 g,鉤碼的質(zhì)量為m=10.0 g,打點計時器的電源為50 Hz的交流電.

圖1

(1) 掛鉤碼前,為了消除摩擦力的影響,應調(diào)節(jié)木板右側(cè)的高度,直至向左輕推小車觀察到________________.

(2) 掛上鉤碼,按實驗要求打出的一條紙帶如圖2所示.選擇某一點為O,依次每隔4個計時點取一個計數(shù)點.用刻度尺量出相鄰計數(shù)點間的距離Δx,記錄在紙帶上,計算打出各計數(shù)點時小車的速度v.其中打出計數(shù)點“1”時小車的速度v1=________m/s.

表2

請根據(jù)表中的數(shù)據(jù),在答題卡的方格紙上作出ΔEk-W圖像.

(4) 實驗結果表明,ΔEk總是略小于W.某同學猜想是由于小車所受拉力小于鉤碼重力造成的.用題中小車和鉤碼質(zhì)量的數(shù)據(jù)可算出小車所受的實際拉力F=________N.

圖3

該題情境基于教材中“探究動能定理”、“加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關系”兩個必考實驗,目的是探究恒力做功與物體動能變化的關系,因此,學生對實驗目的、原理和裝置都比較熟悉,試題的實驗裝置也已搭建完整,與學業(yè)質(zhì)量標準“水平3”的“能在他人幫助下制訂簡單的科學探究方案,使用基本的器材,獲得數(shù)據(jù)”要求一致．考查內(nèi)容涉及基本儀器操作、數(shù)據(jù)處理、形成結論,以及分析誤差對實驗結果的影響等．具體分析如下.

第(1)問考查斜木板上小車平衡摩擦力的方法．輕推小車觀察到其做勻速直線運動,這是判斷平衡摩擦力實驗操作的基本知識,學生是從長時記憶中提取相關信息做出回答．測試的知識內(nèi)容屬于“器材和操作”,水平為“理解”,是對是什么的回答,在學業(yè)質(zhì)量標準中屬于“水平1”的要求．

第(3)問根據(jù)測量數(shù)據(jù)描點作圖．學生不僅要知道描點作圖的規(guī)范和要求,而且要能在實際作圖過程中加以執(zhí)行,例如確定合適的坐標軸標度,準確描出數(shù)據(jù)點位置,合理繪制直線擬合數(shù)據(jù)點等．該作答過程與第(2)問對“數(shù)據(jù)”處理知識的“理解”不同,信息加工過程需要在一定程序和規(guī)則下完成,要依據(jù)程序和規(guī)則監(jiān)控描點作圖的操作,因此,是對“數(shù)據(jù)”處理規(guī)則的直接“應用”,對應學業(yè)質(zhì)量標準的“水平2”．

第(4)問通過理論計算對可能的誤差來源進行定量檢驗．學生要弄清小車在整個系統(tǒng)中的受力狀況,弄清小車所受拉力F與受到其他力之間的關系,找出拉力F與砝碼重力mg之間的關系．具體地說,小車和砝碼的牛頓運動定律表達式分別是F=Ma和mg-F=ma,代入數(shù)據(jù)解得F=0.093 N．這里運用的解題策略是典型的整體法與隔離法,是對“解釋和結果”的“分析”．發(fā)現(xiàn)誤差來源是建立在仔細整理分析實驗數(shù)據(jù)的基礎上,是陳述科學探究過程、合理推斷實驗結果的必要構成,在學業(yè)質(zhì)量標準中屬于“水平3”．

例2.(2017年江蘇物理高考題第11題)某同學實驗制作一個簡易的溫控裝置,實驗原理電路圖如圖4所示,繼電器與熱敏電阻Rt、滑動變阻器R串聯(lián)接在電源E兩端,當繼電器的電流超過15 mA時,銜鐵被吸合,加熱器停止加熱,實現(xiàn)溫控.繼電器的電阻約20 Ω,熱敏電阻的阻值Rt與溫度t的關系如表3所示.

圖4

t/℃30.040.050.060.070.080.0Rt/Ω199.5145.4108.181.862.949.1

(1) 提供的實驗器材有:電源E1(3 V,內(nèi)阻不計)、電源E2(6 V,內(nèi)阻不計)、滑動變阻器R1(0～200 Ω)、滑動變阻器R2(0～500 Ω)、熱敏電阻Rt、繼電器、電阻箱(0～999.9 Ω)、開關S、導線若干.

為使該裝置實現(xiàn)對30～80℃之間任一溫度的控制,電源E應選用________(選填“E1”或“E2”),滑動變阻器R應選用________(選填“R1”或“R2”).

(2) 實驗發(fā)現(xiàn)電路不工作.某學生為排查電路故障,用多用電表測量各接點間的電壓,則應將如圖5所示的選擇開關旋至________(選填“A”、“B”、“C”或“D”).

(3) 合上開關S,用調(diào)節(jié)好的多用電表進行排查.在圖4中,若只有b、c間斷路,則應發(fā)現(xiàn)表筆接入a、b時指針____________(選填“偏轉(zhuǎn)”或“不偏轉(zhuǎn)”),接入a、c時指針____________(選填“偏轉(zhuǎn)”或“不偏轉(zhuǎn)”).

圖5

(4) 排除故障后,欲使銜鐵在熱敏電阻溫度為50℃時被吸合,下列操作步驟的正確順序是________.(填寫各步驟前的序號)

① 將熱敏電阻接入電路.

② 觀察到繼電器的銜鐵被吸合.

③ 斷開開關,將電阻箱從電路中移除.

④ 合上開關,調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值.

⑤ 斷開開關,用電阻箱替換熱敏電阻,將阻值調(diào)至108.1 Ω.

該題取材于教材的相關習題,學生有理論知識沒有實驗探究經(jīng)歷,符合學業(yè)質(zhì)量標準“水平4”的“能分析相關事實或結論,提出可探究的物理問題,作出初步的猜測與假設”內(nèi)涵．在此背景下,試題在選擇實驗器材、使用基本儀器、排查實驗故障、制訂探究方案等方面設置問題．具體分析如下.

本題第(1)問要根據(jù)實驗方案選擇合適的器材．要使繼電器在30～80 ℃范圍都能工作,則熱敏電阻阻值最大時(30 ℃,199.5 Ω),回路的電流需達到15 mA,只有選用電源E2(6 V)才能達到這一電流值．當使用6 V電源,要使在熱敏電阻阻值最小時(80 ℃,49.1 Ω)回路的電流也能到達15 mA,應選用R2．上述分析過程,以電源、滑動變阻器、熱敏電阻等器件的規(guī)格保證工作條件的有效性和器件規(guī)格之間的一致性為判斷依據(jù),在布盧姆認知水平中屬于“評價”類型．在學業(yè)質(zhì)量標準中,“能制訂科學探究方案,選擇使用合適的器材,獲得數(shù)據(jù)”的要求屬于“水平4”．

第(2)問選擇多用電表的擋位．學生不僅要能識別多用電表面板,而且還要根據(jù)具體實驗情境和條件做出合理選擇,是多用電表“器材和操作”在具體問題中的“應用”，屬于“水平2”的要求．

第(3)問排查電路故障．只有b、c間斷路時,b、c間斷路有電壓,a、b間導通無電壓,因此,多用電表電壓擋接入b、c間有偏轉(zhuǎn),接入a、b間不偏轉(zhuǎn)．上述判斷過程需要學生對電路做出分析,弄清故障造成相關檢測點間電壓變化的狀況,是對“現(xiàn)象”的“分析”解釋．學業(yè)質(zhì)量標準的“能分析觀察物理現(xiàn)象”、“能對數(shù)據(jù)進行整理分析”屬于“水平3”．

第(4)問的實驗步驟排序考查實驗方案的設計．區(qū)別于一般的分析綜合過程,解答該問時學生在深刻理解溫控裝置工作原理的基礎上,弄清電路工作條件,明白電阻箱與熱敏電阻之間等效替代的關系,繼而制訂科學探究方案,正確排列操作順序．學生在思考步驟⑤為什么要“用電阻箱替換熱敏電阻,將阻值調(diào)至108.1 Ω”時,將“108.1 Ω”的線索與之前“熱敏電阻阻值Rt與溫度t的關系”和繼電器在“15 mA時吸合”等條件構成準則的內(nèi)部一致性關系,是對實驗“原理和方案”的準則一致性、有效性的“評價”．在學業(yè)質(zhì)量標準中涉及“對科學探究過程與結果進行交流和反思”,屬于“水平4”．

對兩道高考實驗題的分析檢驗表明,該測評框架與核心素養(yǎng)下科學探究質(zhì)量標準的內(nèi)涵相一致,細化測評知識內(nèi)容和表現(xiàn)水平能夠很好地界定和分析試題的測評目標．

4 測評框架對命題和教學的啟示

考試需要有高效度．具體到命題環(huán)節(jié),要求試卷的知識覆蓋率高、重點知識突出、難度合理．表4在測評框架中列出近3年江蘇省高考物理實驗題每問的測試目標．“水平5”主要適用于高校自主招生,超出本文討論范圍,故未列入．

表4 2015～2017年江蘇高考物理實驗題的測試目標

續(xù)表

注： 2017-11(4)表示2017年第11題第(4)問。

測評目標的統(tǒng)計表明,近3年實驗題的問題布局比較合理,涵蓋大多數(shù)測試目標,每年的覆蓋率都比較高．“器材和操作”和“現(xiàn)象和數(shù)據(jù)”是測試的主要內(nèi)容,突出物理實驗的觀察和操作兩個特色．表現(xiàn)水平以“應用”、“分析”和“評價”3個層次為主,突出對解決實際問題的能力考查．

然而,統(tǒng)計也發(fā)現(xiàn),近3年試題中均有第(1)問設置在“評價”水平上的,起點較高,可能不利于學生理解問題情境,這在今后命題中需要進一步研究和改進．

教學中,將學生實驗探究的行為表現(xiàn)定位在測評框架中,評價會更精準.找準優(yōu)勢和劣勢所在,能使學習更有針對性．圖6是兩名考生的不同

圖6 第10題兩位考生的不同作答表現(xiàn)

作答表現(xiàn),考生甲答對例1的前兩問,而考生乙答對例1的后兩問．依據(jù)測評框架評估發(fā)現(xiàn),他們雖然得分相同,但實驗探究素養(yǎng)的表現(xiàn)不同．考生甲對器材操作、數(shù)據(jù)處理的識記理解較好,但對數(shù)據(jù)處理規(guī)則的應用和誤差來源的分析不足．而考生乙的表現(xiàn)與之恰好相反．

5 結束語

該實驗探究測評框架基于核心素養(yǎng)的理念，從細化的測評框架能更容易理解和把握學業(yè)質(zhì)量標準水平的內(nèi)涵,有利于將學業(yè)質(zhì)量評價落實到日常學習和學業(yè)水平考試實踐．利用教師熟悉的和廣泛使用的教育理論理解諸如核心素養(yǎng)、學科素養(yǎng)和學業(yè)質(zhì)量標準等新概念,可以做好當前考試評價的能力立意與新課程標準核心素養(yǎng)的銜接．隨著新課程標準正式頒布實施,需要有更多基于需要導向的研究,將核心素養(yǎng)下的學業(yè)質(zhì)量標準真正落實到評價實施的實際工作中．

1 雷新勇.大規(guī)模教育考試:命題與評價[M].上海:華東師范大學出版社,2007:98-116.

2 吉爾伯·薩克斯.教育和心理的測量與評價原理(第4版)[M].王昌海,等,譯.南京:江蘇教育出版社, 2002:83-86.

3 陶洪.物理實驗論[M].南寧:廣西教育出版社,1996:3-4.

4 楊向東.理論驅(qū)動的心理與教育測量學[M].上海:華東師范大學出版社,2014:135-146.

5 黃紅波. 江蘇高考物理實驗題的新課程特點與答題情況分析[J].物理教學,2013(2):64-67.