男女生物理探究能力表現的實證分析
——基于浙江省2019年教育質量監測數據

沈啟正

(浙江省教育廳教研室,浙江 杭州 310012)

2019年浙江省教育質量監測數據包括全省八年級抽測學生語文、數學、科學三學科的監測成績以及學生、教師及家長問卷結果.科學學科考查的知識內容主要包括物理、化學部分(生物內容較少,作為單獨學科分析的維度代表性不足,不予研究).科學學科能力維度測試主要診斷學生“提出科學問題、設計探究方案、獲取和解釋證據、科學解釋現象、評價科學探究”五個維度的能力水平.本文從物理試題各能力維度題量的均衡分布考慮,把“獲取和解釋證據、科學解釋現象”合并為“方案實施與改進”,結合物理探究能力各種表述的研究,整合成:信息收集與提問、計劃探索與制定、方案實施與改進、結果反思與評價這4個維度.

物理學科考查的能力水平主要考查探究能力,測試研究團隊特別注重編制密切聯系實際、聚焦真實問題解決的情境化試題,設計開放性分級計分試題,為測評學生的物理探究能力提供了豐富、準確和有效的信息.

本文著重研究男女生在物理探究能力方面的表現差異情況,并根據典型題的作答分析觀察男女生在探究能力各個維度以及在不同難度值時的表現情況,幫助一線教師更好地了解男女生在物理探究能力中的性別特征,以便在教學時更有效地實施情感激活與認知建構,提高學生分析問題與解決問題的創新意識與探究水平.

1 研究設計

1.1 研究對象

參加2019年浙江省初中質量監測的8 年級學生共41590名,在本次研究中剔除變量缺失值樣本,最終有效人數41382人,其中男生21782名,女生19600名.

1.2 學生分類

為了淺顯易懂、增加可讀性,本文不采用教育測量統計中引用大量專業術語的寫法,盡量用直觀的圖表呈現.為避免繁雜及沖淡主題,一概不呈現數據檢驗表,特在此統一聲明:本文所有數據都另進行了統計T檢驗,除特別說明外,分類群組之間均有顯著性差異.

2 研究結果與分析

2.1 男女生在物理探究能力上的差異

本次物理監測試題考查學生的探究能力,因此量尺分總分可表征物理探究能力的高低,男女生得分率可比較兩者的能力差異.監測試題還設計了考查較復雜的綜合探究物理問題能力,得分率同樣可比較男女生在復雜物理問題探究能力上的差異情況,如圖1.結果顯示:在物理探究能力方面總體上男生略優于女生,在復雜物理問題探究能力上也是男生優于女生,但在復雜物理問題探究能力上,男女生得分率差異并沒有擴大.

圖1 男女生物理探究能力的差異

2.2 男女生在理化探究能力上的差異

本次監測中,科學學科主要考查學生在物理、化學中的探究能力.經分析,得到如圖2所示的男女生在理化探究能力上的差異情況.顯然,男生物理探究能力優于女生,但在化學中,男女生得分率無顯著性差異.

圖2 男女生在理化探究能力上的差異

2.3 不同閱讀水平的男女生物理探究能力差異

本次語文監測學生的閱讀水平,按專家組事先的水平標定,把閱讀水平分為:A(好)、B(較好)、C(中等)、D(待提高).圖3表明男女生的閱讀水平與探究能力均是明顯的正相關關系;但男女性別的影響極小,經T檢驗這些結果均不顯著,說明各閱讀水平下男女生物理探究能力水平在統計意義上沒有差異.

圖3 不同閱讀水平的男女生物理探究能力差異

2.4 男女生在各物理探究維度上的表現差異

我們把物理探究按進程順序劃分,得到“信息收集與提問、計劃探索與制定、方案實施與改進、結果反思與評價”4個維度,圖4是男女生在各維度中的表現情況,圖中表明各維度中男女生的表現有所差異,“信息收集與提問”和“方案實施與改進”維度男生略占優勢,“結果反思與評價”維度女生略微占優,“計劃探索與制定”維度經T檢驗男女生沒顯著性差異.

圖4 男女生在各物理探究維度上的表現

2.5 不同水平的男女生在物理各探究維度上的表現

按1.2中的學生分類,把5個層次的男女生在物理各探究維度上的表現合并在同一張圖上.如圖5所示,實線表征男生,虛線表征女生;從上向下看,依次為尖子生、優良生、中等生、薄弱生和學困生.從圖中可讀出以下信息.

圖5 不同水平的男女生在物理探究維度上的表現

尖子生層面,“信息收集與提問”、“計劃探索與制定”這兩維度經T檢驗無顯著性差異,“方案實施與改進”男生占優,“結果反思與評價”則是女生占優.

優良生層面,“信息收集與提問”、“方案實施與改進” 這兩維度經T檢驗無顯著性差異,“計劃探索與制定”和“結果反思與評價”這兩維度均是女生占優.

在中等生中,“方案實施與改進” 無顯著性差異,“信息收集與提問”男生略占優,“計劃探索與制定”和“結果反思與評價”這兩維度均是女生占優.

薄弱生中,只有“方案實施與改進”男生略占優,其他維度均無顯著性差異.

學困生中,所有維度均無顯著性差異.

3 探究題示例及分析

為了讓讀者了解本次監測是如何通過紙筆試題考查探究能力的,以下示3例并通過數據分析真實展現男女生在各問題探究時的表現情況.

例1.為觀測水結冰的過程,某學生進行如圖6的實驗:在小試管中倒入適量的水,在水中插入并固定溫度計,再將此小試管放入加有食鹽的碎冰中冷卻,每隔1 min記錄溫度計的示數及小試管內水的狀態,結果如表1.

表1

(1) 請根據表中數據在下面方格中畫出小試管內水的溫度隨時間變化的關系圖像.

(2) 根據表中數據,某學生認為冰是晶體,你是否贊同?

圖6

(3) 針對上小題的回答,說明理由.

解析: 第(1)小題著重考查了“方案實施與改進”維度,根據項目反應理論(IRT)的難度值,本題第(1)小題得1分難度值-1.83;得2分難度值-0.95;得3分難度值0.63;屬容易題.由圖7可知,得2分和得滿分3分的比例男生略高于女生.

圖7 例1(1)得分情況

第(2)小題著重考查“結果反思與評價”維度,IRT難度為0.38,屬于較易題,如圖8,得分率男生占優,但此題答題表達上要求邏輯性全面性更強些.

圖8 例1(2)得分情況

第(3)小題著重考查 “方案實施與改進”中的解釋環節,得1分的IRT難度值為2.37,得2分為2.89,得3分為3.38,屬于極難題,得0分比例高達93.5%以上,如圖9,男女生得分率均極低,無比較的意義.

圖9 例1(3)得分情況

例2.為探究影響“筷子提米”實驗的成功因素,某科學小組進行了如下實驗:

實驗1:進行“筷子提米”時,發現只有當米層達到某一高度后,木棒才能將盛米容器提起.他們分別用橫截面周長相同的圓形、方形、扁形木棒和橫截面直徑為12 mm的輕質圓柱形容器進行實驗,測出能提起盛米容器時的米層“最小高度(h)”,結果如表2.

表2

實驗 2:用1根圓形木棒和3個橫截面積不同的輕質圓柱形容器分別進行提米實驗,測量出木棒提起盛米容器時的米層“最小高度(h)”和相應容器的橫截面直徑(d),結果如表3所示.

(1) 分析實驗1,請推測他們的假設是________.

(2) 分析實驗2,可以得出利用圓形木棒進行“筷子提米”實驗,米層的“最小高度(h)”與盛米容器的橫截面直徑(d)之間的數量關系式是________.

表3

(3)某學生認為用方形木棒不能提起橫截面直徑d為20 mm、盛有35 mm高的米的輕質圓柱形容器.請寫出他判斷的理由.

解析: 第(1)小題著重考查 “信息收集與提問”環節,得1分、2分和3分的IRT的難度分別為-0.01、0.16和2.16,得滿分不容易,由圖10可知,男女生表現較接近,男生略占優.

圖10 例2(1)得分情況

第(2)小題著重考查 “方案實施與改進” 維度,得1分、2分和3分的IRT的難度分別為-0.18、0. 05和0.31,難度不大,圖11顯示得滿分有近40%,男生略優于女生.

圖11 例2(2)得分情況

第(3)小題著重考查 “方案實施與改進”維度,得1分、2分和3分的IRT的難度分別為0.42、1.04、1.19,難度適中,區分度較好,圖12顯示男女生表現較相近,差異不顯著.

圖12 例2(3)得分情況

例3.為驗證電磁鐵磁性強弱與電流大小、線圈匝數的關系,某學生設計制作了如圖13實驗裝置,底端固定有小磁鐵的指針能繞轉軸O轉動,并進行了如下操作:① 先將變阻器滑片P移至最上端,閉合開關S至a處,再將滑片P逐漸向下移動,觀察指針示數的變化.

(1) 操作①研究的問題是________.

(2) 推測操作①指針的偏轉方向及示數變化情況.

(3) 操作②是為了探究另一個影響電磁鐵磁性強弱的因素,請設計具體操作步驟.

圖13

解析: 第(1)小題著重考查 “信息收集與提問”維度,得1分、2分和3分的IRT的難度分別為0.05、0.06、0.1,屬于較易題,圖14顯示男女生表現較相近,從得滿分情況看,男生略占優.

圖14 例3(1)得分情況

第(2)小題著重考查探究維度中的“方案實施與改進”維度,得1分、2分和3分的IRT的難度分別為0.14、2.83、2.91,屬于較難題,圖15顯示大部分得分的學生只得1分,男女生表現較相近.

圖15 例3(2)得分情況

第(3)小題著重考查探究維度中的“計劃探索與制定”維度,得1分、2分和3分的IRT的難度分別為-0.55、0.19、2.76,得滿分較難,圖16顯示大部分得分的學生只得1、2分,男生表現略占優.

圖16 例3(3)得分情況

4 歸納與思考

4.1 男生的物理探究能力總體略優于女生

無論從物理探究能力和復雜物理問題探究能力的得分率看,男生總體得分均略高于女生,對比物理和化學兩門學科的男女生探究能力,可發現男生在物理學科中有優勢,而在化學學科中男女生無顯著差異.

4.2 相同閱讀水平的男女生的物理探究能力無差異

閱讀水平與學生的物理探究能力成高度正相關關系,但在閱讀水平相同時,性別差異卻在統計意義上與物理探究能力無關,這說明閱讀水平對學生物理探究能力的影響超過了性別對學生物理探究能力的影響.

4.3 男女生在各探究維度上的優勢側重點不同

男女生在不同探究維度上的優勢側重點有所差異.在“計劃探索與制定”物理探究維度中兩者無顯著性差異,但在“信息收集與提問”和“方案實施與改進”維度中男生略占優勢,而在“結果反思與評價”維度中又是女生略微占優.通過對五個不同學業層次的男女生分析,結果基本也是“方案實施與改進”維度中男生略占優勢,在“結果反思與評價”維度中女生略微占優.“信息收集與提問”在中等生中男生占優,其它層次中則無顯著性差異.

4.4 答題分析顯示男女生探究成績差異與難度關系不大

根據對典型題學生答題情況分析,試題難度與學生得分率高低有直接關系,但男女生得分率之間的差值并沒有與試題難度存在相關性,也就是說不存在探究難度高時男生成績好,而探究難度低時女生成績好的現象.統計分析還顯示“方案實施與改進”是男生相對最具優勢的探究維度; 而在中等生及以上水平的學生中,“結果反思與評價”維度的女生得分率往往會超過同等水平的男生,但具體到每個題則有例外.

物理探究能力是學生知識技能和學習能力的綜合反映.我們在平時教學中,總認為女生的探究能力遠不如男生,本文通過監測大數據的分析,發現性別差異并沒有想像中那么大,不同性別在各探究環節中的表現互有優勢,一線教師應該根據男女生在探究能力中的思維特征,在教學時更有效地實施男女搭配的小組交流與合作探究,充分鼓勵和激活女生的探究熱情,提高男女生的物理探究水平和分析問題與解決問題的創新能力.