用PISA科學(xué)評價體系分析物理全國卷
——以2017—2019年全國1卷物理主觀題為例

區(qū)楚瑜 肖 化

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

1 問題提出

2018年9月,習(xí)近平總書記在全國教育大會上指出,要深化教育體制改革,健全立德樹人落實機(jī)制,扭轉(zhuǎn)不科學(xué)的教育評價導(dǎo)向,堅決克服“唯分?jǐn)?shù)”“唯升學(xué)”“唯文憑” “唯論文”“唯帽子”的頑瘴痼疾,從根本上解決教育評價指揮棒問題.[1]高考改革是教育評價的改革的關(guān)鍵,對教育體制改革全局有重要的導(dǎo)向作用.[2]在改革的過程中,除了依據(jù)我國多年來的教育經(jīng)驗外,分析參考國外優(yōu)秀經(jīng)典的測評方式也是非常必要的.

國際學(xué)生評估項目(Programme for International Student Assessment,簡稱PISA) 是經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(The Organization for Economic Cooperation and Development, 簡稱OECD) 發(fā)起并組織實施的為各參與國家與地區(qū)協(xié)作監(jiān)控教育成效的評價項目.旨在測試義務(wù)教育階段結(jié)束后15歲學(xué)生在閱讀、數(shù)學(xué)和科學(xué)方面所具備的應(yīng)用知識、技能和解決問題的能力,通過評估結(jié)果反映學(xué)生在結(jié)束義務(wù)教育階段后,在多大程度上掌握了有關(guān)科學(xué)方面的終身學(xué)習(xí)的能力,為年輕人理解和處理未來生活中可能遇到的科學(xué)技術(shù)相關(guān)的問題做好了準(zhǔn)備.[3]PISA 除了測驗學(xué)生知識內(nèi)容外, 還包括了問卷調(diào)查, 目的是收集有關(guān)社會、文化、經(jīng)濟(jì)和教育因素的信息, 這些信息與學(xué)生的成就相聯(lián)系, 從個體學(xué)習(xí)者、教學(xué)、學(xué)校及教育體制四個層面進(jìn)行分析.

而在2014年國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于深化考試招生制度改革的實施意見》中明確提出深化高考考試內(nèi)容改革,依據(jù)高校人才選拔要求和國家課程標(biāo)準(zhǔn),科學(xué)設(shè)計命題內(nèi)容,增強(qiáng)基礎(chǔ)性、綜合性,著重考查學(xué)生獨(dú)立思考和運(yùn)用所學(xué)知識分析問題、解決問題的能力.[4]由此可見,在考查目標(biāo)上,PISA的立意與我國是非常一致的.

2019年12月公布的PISA2018的成果中,在79個國家里由北京、上海、江蘇、浙江組成的中國部分地區(qū)聯(lián)合體在閱讀、數(shù)學(xué)和科學(xué)3項測試均遙遙領(lǐng)先.從2009年、2012年連續(xù)排名第一,到2015年的排名第十,再到如今的回歸第一.由此可以看出,PISA測試具有較好的可信度,能夠吸引大部分國家持續(xù)參與,并且中國考生在該題型下能夠體現(xiàn)其較為真實的實力水平,其試題設(shè)定對我國教育測評具有較大的參考性.

因此,本研究用PISA科學(xué)測評框架來分析2017—2019年全國理綜1卷物理主觀題題目,以期對我國高考物理主觀題的編寫和課堂教學(xué)等提供相應(yīng)的建議.

2 研究設(shè)計

2.1 研究對象

全國卷是使用范圍最廣的一套試題,其中理綜1卷所使用的范圍較為固定,一般包括安徽、湖北、福建、湖南、山西、河北、江西、廣東、河南、山東等省市.而在整張試卷中,主觀題是占分最重的,題目最為復(fù)雜的.因此本研究將以2017—2019年理綜1卷的主觀題作為研究對象.

2.2 研究工具[5]

PISA在2000年首次實施評價,每3年一次,以評價年命名.每次從閱讀、數(shù)學(xué)、科學(xué)中選擇一個作為主要領(lǐng)域,另外兩個作為次要領(lǐng)域.PISA2006和PISA2015重點測評學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng),并且在2006年的基礎(chǔ)上,PISA2015對科學(xué)素養(yǎng)測評框架做了進(jìn)一步的完善.PISA2018所測的重點領(lǐng)域不是科學(xué),因此測評框架中去掉了態(tài)度維度,但在其他維度上并無改動.[6]態(tài)度維度多是結(jié)合問卷信息進(jìn)行分析的,單從題目設(shè)定難以區(qū)分.因此,本研究所使用的研究工具還是PISA2015科學(xué)素養(yǎng)測評框架,但不分析態(tài)度維度(如圖1).

圖1 PISA2015科學(xué)素養(yǎng)測評框架

PISA2015科學(xué)素養(yǎng)測評框架包括4部分:情境、能力、知識和態(tài)度.情境維度是PISA測評的典型特點,分為個人、社會和全球3類,涉及健康與疾病、自然資源、環(huán)境質(zhì)量、危害和科技前沿5大前沿領(lǐng)域,共采取15種測評背景.能力維度分為科學(xué)地解釋現(xiàn)象、設(shè)計與評價科學(xué)探究和科學(xué)地解釋數(shù)據(jù)和證據(jù).知識維度的劃分可以簡單的理解為內(nèi)容性知識是指“是什么”、程序性知識是“怎么做”、認(rèn)知性知識是“為什么這樣做”.態(tài)度維度主要評判學(xué)生對科學(xué)的興趣、對科學(xué)探究的支持、對資源和環(huán)境的意識和責(zé)任感3方面的內(nèi)容.

除此以外,PISA2015的框架還指出,在以往的評估框架中,試題難度是根據(jù)經(jīng)驗得出的,常常與認(rèn)知需求混淆.基于經(jīng)驗的試題難度是根據(jù)測試者正確解決問題的比例估計得出的,所能評估的是測試人群所具有的知識數(shù)量,而并非知識深度.因此,引入了“認(rèn)知需求”這一新概念,該概念主要借鑒韋伯的知識深度模型.分為低中高3個等級,越高等級的認(rèn)知需求需要經(jīng)過越多的步驟、或者分析越復(fù)雜的數(shù)據(jù)才能完成任務(wù).

2.3 研究方法

利用PISA2015科學(xué)素養(yǎng)測評框架評價全國1卷的物理主觀題主要分為3步,首先是對各主觀題在各個維度的判斷定位,其次將所有判定類型進(jìn)行統(tǒng)計,最后橫向和縱向分析其趨勢.為了保證每道題在各維度上判定的可靠性,本研究采用先多人單獨(dú)評定,后比較個人判定結(jié)果,小組討論分析得出一致結(jié)果.需要額外說明的是,由于理綜1卷主觀題的情境多是實驗情境或者無情境,因此在在情境維度判定時,會單獨(dú)將實驗和無情境羅列出來.其次,在能力維度和知識維度判定的過程中,一道題目可能包含多種能力和知識類型,比如學(xué)生在分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論(屬于“科學(xué)地解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)”能力)的過程中,需要回憶應(yīng)用某個知識概念(屬于“科學(xué)地解釋現(xiàn)象”能力),該情況下能力類型的判斷以這一題的主要考察能力為準(zhǔn),即屬于科學(xué)地解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)能力類型.

例1.某小組利用打點計時器對物塊沿傾斜的長木板加速下滑時的運(yùn)動進(jìn)行研究.物塊拖動紙帶下滑，打出的紙帶一部分如圖2所示.已知打點計時器所用交流電的頻率為50 Hz,紙帶上標(biāo)出的每個相鄰點之間還有4個打出的點未畫出.在ABCDE5個點中，打點計時器最先打出的是________點，在打出C點時物塊的速度大小為________m/s(保留3位有效數(shù)字)；物塊下滑的加速度大小為________m/s2(保留2位有效數(shù)字).

圖2 2019年全國理綜1卷第22題

用2019年全國理綜1卷第22題進(jìn)行說明(如圖2),該題共有3小問,按照PISA2015科學(xué)素養(yǎng)測評框架對其判定,經(jīng)過小組討論分析后,各小問在各維度的類型如表1所示.

表1 2019年全國理綜Ⅰ卷第22題分析

3 研究結(jié)果分析

根據(jù)上述研究方法,對2017—2019年全國理綜1卷物理主觀題進(jìn)行判定和統(tǒng)計,得出如下結(jié)果.

3.1 情境維度分析

雖然PISA將背景列為科學(xué)素養(yǎng)評估的一個方面,但并不代表要對背景本身進(jìn)行評估.情境維度的設(shè)定是讓學(xué)生在具體背景下展示其素養(yǎng),背景只是評估內(nèi)容呈現(xiàn)的一個載體或環(huán)境.但題目情境可以幫助判定學(xué)生的學(xué)習(xí)水平.PISA2015和PISA2018將表現(xiàn)水平劃分為1～6級,其中PISA2015年的1級分為1a和1b.不同水平對情境的描述是不同的,主要在情境的范圍和數(shù)據(jù)形容詞上作出了區(qū)分.(如表2)在越高的表現(xiàn)水平中,學(xué)生越能在各種復(fù)雜情境中完成任務(wù).相對的低水平等級的學(xué)生只能在熟悉的情境中完成任務(wù).

表2 PISA2015,2018學(xué)生水平等級的情境表述

對全國理綜1卷物理主觀題進(jìn)行判定分析后,得到試題情境類型的統(tǒng)計結(jié)果(如表3).由于各年試題問題數(shù)量不同,為了更好的作出對比,將各情境類型題數(shù)除以該年題目總量,得到百分比條形圖(如圖3).

表3 2017—2019年全國理綜1卷主觀題情境類型統(tǒng)計

圖3 2017—2019全國理綜1卷物理主觀題情境類型占比圖

從橫向角度分析,2017—2019年物理主觀題的實驗情境所占比是最高的,分別為50%、53.3%、68.8%,其次是無情境題目,地區(qū)情境題目最少,全球情境題目僅在2017年有一道,后續(xù)兩年都沒有.這里的無情境題目指的是直接給出圖表分析數(shù)據(jù)的題目,如分析簡諧橫波圖像.而在PISA2015的情境類型中,個人情境和地區(qū)/國家情境則是最多的,占有36%,而全球情境占28%,三者占比比較平均.縱向來看,相對前兩年,2019年的無情境題目明顯減少了,而實驗情境題目的占比則是逐年上升.

3.2 能力維度分析

物理科考試在2017年物理課程標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,提出了5種具體的關(guān)鍵能力:理解能力、推理論證能力、模型建構(gòu)能力、實驗探究能力、創(chuàng)新能力.[2]這5種能力都包含在PISA設(shè)定的科學(xué)能力維度中,如科學(xué)地解釋現(xiàn)象需要理解能力和模型建構(gòu)能力;設(shè)計與評價科學(xué)探究需要實驗探究能力和創(chuàng)新能力;科學(xué)地解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)則需要推理論證能力.總體而言PISA的能力框架所包含的范圍更廣.

用PISA的能力框架對主觀題進(jìn)行分析統(tǒng)計后,得到表4和圖4.

表4 2017—2019年全國理綜1卷主觀題能力維度類型統(tǒng)計

圖4 2017—2019全國理綜1卷物理主觀題能力維度類型占比圖

從橫向角度分析,在主觀題目中,考察學(xué)生“科學(xué)地解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)”能力的題目占比最多,3年占比分別為85.7%、73.3%和81.3%.這一統(tǒng)計結(jié)果在比較綜合的主觀題里是合乎情理的.而“設(shè)計和評價科學(xué)探究”能力在2017年和2019年都占有較大的比例,分別是14.3%和12.5%.一般來說,這一能力主要體現(xiàn)在試卷的第22、23題實驗題中.這也可以側(cè)面反映2018年的實驗題中關(guān)于科學(xué)探究的設(shè)問是比較少的.至于“科學(xué)地解釋現(xiàn)象”能力一般體現(xiàn)在綜合題目的第一小問中.例如2019年第22題第一空,通過觀察紙帶說明打點計時器最先打出的點,這是對技術(shù)現(xiàn)象的識別與解釋.但由于綜合主觀題所涉及的一般是多個知識點或?qū)?shù)據(jù)的復(fù)雜分析,因此該能力在主觀題中占比較少是合理的.

相對于我國高考卷,PISA2015和PISA2018的測試題中考察“科學(xué)解釋現(xiàn)象”能力的最多,占比40-50%,其次是對數(shù)據(jù)和證據(jù)的解釋,占比30-40%.這體現(xiàn)了PISA對學(xué)生的考察還是集中在對科學(xué)知識的生活化上,其次反映了PISA不僅關(guān)注科學(xué)探究的設(shè)計,更看重對實驗數(shù)據(jù)的處理和推論,因為這更能全面的反映學(xué)生科學(xué)探究能力.PISA與高考試題在能力類型占比的巨大不同可能是因為測試對象年齡不同和所統(tǒng)計的題目類型不同.從縱向來看,2017至2019年的主觀題所考查的能力類型則是沒有明顯的趨勢變化.

3.3 知識維度

我國物理考試的知識以《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》為基準(zhǔn),是指學(xué)生面對相關(guān)生活實踐或問題時,有效的認(rèn)識、分析、解決問題所必備的知識,是主要由基本的事實、概念、規(guī)律和方法組成的知識體系.相對PISA的知識框架,上述所說的知識多屬于內(nèi)容性和程序性知識,然而認(rèn)知性知識則是沒有明確劃分的.而在用PISA知識框架對主觀題進(jìn)行分析統(tǒng)計后,得到表5和圖5.

表5 2017—2019年全國理綜1卷主觀題科學(xué)知識維度統(tǒng)計

圖5 2017—2019全國理綜1卷物理主觀題知識維度類型占比圖

首先觀察數(shù)據(jù)可知,從縱向角度分析,主觀題考察內(nèi)容性知識占比逐年減少,程序性知識和認(rèn)知性知識的總占比量則是不斷地增加,每一年對于程序性知識的考察都是最少的.而橫向來看,2017年和2018年,內(nèi)容性知識占比最多,分別為50%和40%,認(rèn)知性知識次之.而2019年認(rèn)知性知識占比最多,為56%.內(nèi)容性知識次之,為31.3%.一般來說,程序性知識體現(xiàn)在實驗題中.2017年的程序性知識是最少的,而內(nèi)容性知識最多.這側(cè)面反映了2017年的實驗題中大部分問題可能是僅需要學(xué)生利用單一的知識點和簡單的計算來求解的,并未涉及實驗步驟或?qū)嶒炋骄康南嚓P(guān)內(nèi)容.總體而言,命題者除了注重對基本概念原理的考察外,還逐步加重對知識本質(zhì)的理解考察,但對于實驗探究的考察還是比較少的.

相對于高考題,PISA2015和2018的測試題中內(nèi)容性知識占比最多,為54-66%,程序性知識次之,為19-31%,認(rèn)知性知識最少,為10-22%.相對而言,學(xué)生掌握和運(yùn)用內(nèi)容性知識會更容易,因為程序性知識和認(rèn)知性知識涉及到更多關(guān)于科學(xué)探究的思想,需要學(xué)生通過兩個或多個步驟,分析處理數(shù)據(jù),并整合得到結(jié)論,難度會更高.

其次,從2017至2019年全國理綜卷物理知識點的數(shù)量分布,及其占考試大綱所列出的72個知識的比例來看(如表6),3年所占比例起伏比較大,說明命題人的關(guān)注點不在于知識點的覆蓋面,而更關(guān)注對知識點的深度考察.并且某些知識點在同一張試卷中出現(xiàn)多次考察,例如勻變速直線運(yùn)動規(guī)律在2017年的第15、22、25題;2018年的第14、15、18、24;2019年的第18、22、25題均有涉及.對同一知識點的多次考察,必定是對知識點本質(zhì)的考察,多屬于認(rèn)知性知識的考察.由此也印證了上述內(nèi)容性知識占比下降,而其余兩者總占比量上升的數(shù)據(jù)結(jié)論.

表6 2017至2019年全國理綜卷物理知識點的數(shù)量分布及占比

3.4 認(rèn)知需求

由圖6和表7可知,橫向分析,無論哪一年,中等認(rèn)知需求所占比例均是最多的.其次,除了2017年外,高認(rèn)知需求占比第二.而縱向來看,高認(rèn)知需求占比逐年增加,而低認(rèn)知需求占比則是逐年減少.PISA2015中高認(rèn)知需求題目占比62%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高考試題占比.

表7 2017—2019年全國理綜1卷主觀題認(rèn)知需求維度統(tǒng)計

圖6 2017—2019全國理綜1卷物理主觀題認(rèn)知需求類型占比圖

其次,題目認(rèn)知需求的判斷是從總體而言的,包括模型的構(gòu)建、數(shù)據(jù)的處理等,但在同等認(rèn)知需求的題目中,所考查的物理能力是有較大的不同的.

以每一年的第25題為例.

2017年考察的是帶點油滴在電場的運(yùn)動.研究對象僅有1個,涉及勻強(qiáng)電場、牛頓第二定律和勻變速直線運(yùn)動規(guī)律3個知識點和勻速、勻加速、勻減速3個物理過程.相對繁巧的數(shù)學(xué)運(yùn)算來說,所考查的物理能力是比較簡單的.

2019年考查兩個物塊在傾斜軌道和水平軌道上的運(yùn)動.相關(guān)聯(lián)對象有2個,涉及勻變速直線運(yùn)動規(guī)律、牛頓第二定律和動量定理3個知識點,但該題物理過程有6個,且涉及的參數(shù)繁多.而參數(shù)的繁多和物塊的往復(fù)循環(huán)運(yùn)動都使得數(shù)學(xué)計算有較大的難度.其次考生必須對物理過程的因果關(guān)系有清晰的把握,特別對物體各參量的方向有準(zhǔn)確的判斷,否則不能列出有效公式并進(jìn)行有效計算.而這就需要考生對物理概念規(guī)律有深度的理解,甚至達(dá)到具備良好物理觀念的層次.相對于前兩道題目,本題對物理能力的考察體現(xiàn)的更好.[7]

3年的壓軸題的認(rèn)知需求基本是一樣,都是第一小問屬于中層次認(rèn)知需求,后續(xù)小問屬于高層次認(rèn)知需求.但以從考察物理能力,對學(xué)生物理水平的要求而言,則是逐年上升的.

4 PISA視角下的物理教育啟示

4.1 增加試題生活情境,提升學(xué)生建模能力

PISA測評題目都是基于各種情境來考察學(xué)生的能力,而全國理綜卷的物理主觀題中還是以學(xué)生熟悉的實驗情境或無情境居多.試題中的物理情境能夠給予學(xué)生解決問題的實際意義,增強(qiáng)學(xué)生對物理知識的本質(zhì)理解.其實近年來不斷有學(xué)者提倡使用原始物理問題,這其實就是增加試題的情境性.使用不同情境的題目有利于提高學(xué)生提取題目重要信息的能力,更有利于提高學(xué)生的建模能力.在日常教學(xué)中使用情境性題目能幫助學(xué)生搭建理論知識與生活實踐的橋梁,促進(jìn)學(xué)生深化物理知識,形成物理觀念.同時也會培養(yǎng)學(xué)生關(guān)注社會技術(shù)問題和社會責(zé)任感.

4.2 增強(qiáng)科學(xué)探究考察,提高學(xué)生探究能力

上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)中“認(rèn)知性知識”和“科學(xué)地解釋數(shù)據(jù)與證據(jù)”的比例增大,反映了試題注重考察學(xué)生對知識的深度理解的良好趨勢.但“程序性知識”和“設(shè)計和評價科學(xué)探究”的比例之少則側(cè)面反映對物理實驗考核的不足.物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科,因此在對學(xué)生科學(xué)探究能力的考查上應(yīng)當(dāng)更為注重.在筆試測試中,對僅有的兩道實驗題目應(yīng)當(dāng)更注重結(jié)合實驗探究能力和實驗過程來設(shè)置.例如2019年的全國理綜1卷的第23題對電表改裝的考察,通過對電路設(shè)計、對現(xiàn)象的推論和解釋等問題,就很有針對性地考查了考生的科學(xué)探究能力.對于實驗題目的設(shè)置不能局限在數(shù)據(jù)的分析計算中,更應(yīng)當(dāng)從實驗的目的和設(shè)計的原理的角度出發(fā),讓學(xué)生知道“怎么做”和“為什么這樣做”.

4.3 注重考查物理能力,關(guān)注試題認(rèn)知需求

試題的難易程度可以起到重要的選拔作用,而不同層次的認(rèn)知需求則能夠考查學(xué)生理解與運(yùn)用知識的總體水平.在不同類型的題目設(shè)置不同層次的認(rèn)知需求,有利于反映不同的學(xué)生的能力水平.其次不同認(rèn)知需求的設(shè)置應(yīng)當(dāng)著重在題目的物理水平上,而非計算的繁雜性.高認(rèn)知需求的試題應(yīng)當(dāng)更注重考查學(xué)生的物理觀念、知識本質(zhì)和分析、比較、總結(jié)等多步驟解決方法.從而提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng).