能量概念學習進階的建構及其測評項目開發研究

弭樂

（鹽城師范學院教育科學學院，江蘇 鹽城 224002）

我國高中物理課程標準中的大概念包括物質觀念、運動與相互作用觀念和能量觀念。1 這些大概念由若干重要概念構成，其中包括重要概念、原理、理論等的基本理解和解釋，這些內容能夠展現當代學科圖景，是學科結構的主干部分。2 能量是K-12科學課程的中心主題，在地球、物理、生命科學、工程和技術等領域有諸多應用。3 學習進階從四種能量類型描述能量概念，期望學生以逐漸復雜的思維方式學習這些概念，對能量、能量統一性和能量守恒有一個連貫、綜合的理解。為此，美國《新一代科學教育標準》（NGSS）為學生學習能量概念構建了各學段表現期望（PES）。下面介紹國外能量概念學習進階的建構及其測評項目開發研究，供我國開展學習進階教學與評價參考。

一、能量概念學習進階的構建

為測試學習進階與NGSS 內容的匹配程度，核查NGSS 表現期望（PES）描述的每個年級的基礎學科核心概念。為明確能量概念學習進階與NGSS 的緊密聯系，研究了每個年級的表現期望（PES）和相應的學科核心概念。針對NGSS 能量核心概念的研究，發現有七個小學PEs、五個初中PEs 和五個高中PEs。將每個表現期望與學習進階相匹配。

研究發現，NGSS 的表現期望和能量學習進階之間有很好的一致性。14 個具體能量概念都可以與至少一個PEs 相匹配。當從認知復雜度的角度來看待這一排列時，在大多數情況下，概念復雜度的基本水平與NGSS 小學PEs 相匹配；中級水平與初中PEs 相對應；高級水平與高中PEs 相對應。但也有某些概念，我們無法找到PEs 匹配的每一個層次的進階。例如，有一個小學表現期望“能量是由聲音傳遞”，但沒有初中或高中的表現期望。

雖然在高中階段有彈性勢能、對流和耗散的概念，但在小學和初中階段卻沒有。此外，在小學階段，有關熱能、重力勢能或能量守恒的資料很少。在進階中，我們包括了每個能量概念的各個層次的描述，以便呈現能量本質的更完整的畫面。在基本的層面上介紹每一個概念都有助于學生朝著高中表現期望中所期望的復雜理解方向進階。萊西及其同事（2014 年）在《小學生能量學習進階》中介紹了有關重力勢能、熱能、耗散和守恒的基本概念，并證明在適當的教學支持下，小學生可以獲得這些概念。

研究構建了每個具體能量概念理解的進階。其中對于電能轉移的概念，創建了兩個進階層級，而對于能量轉換的概念，創建了一個層級。以能量轉移為例，所構建的六個具體能量概念的進階，如表1 所示。

表1 能量概念理解進階（能量轉移）

二、能量概念進階測評項目的開發

為驗證學生對能量概念理解的進階，開發了多項選擇題。按照概念復雜度設計與每個能量概念層級相一致的項目。每個項目設計成與單一的概念復雜性水平和單一的能量概念相一致。項目構建遵循嚴格的迭代開發程序，包括（1）識別迷思概念，將其作為干擾因素；（2）仔細評估項目與能量和認知復雜度水平的一致性；（3）檢查項目心理測量的有效性。Rasch 分析在整個項目開發過程中用于監測項目的心理測量學特性。以能量轉移中通過傳導傳遞能量為例（表2），展示項目如何與學習進階的各級水平相一致。

表2 示例：評價項目（試題）與學習進階相一致

按照如上命題方式，總共設計359 道多項選擇題，組成兩套試卷。測評項目與能量結構的一致性通過兩個標準確定：必要性是確保目標能量概念評估答案選項；充分性是確保目標能量概念本身的正確性。一致性可以提高學生推論的有效性。為進一步確保構造效度，科學家和科學教育專家小組對項目和能量構造進行了審查，以確保構造和項目的科學準確性，并消除構造無關的特征，如可理解性問題、智力問題或不適當的任務情境。

為獲得反饋，對4 至12 年級的學生進行了初步測試，以獲得他們對這些項目是否有效地衡量了他們對目標能量概念的理解。在預測試中，要求學生選擇他們認為正確的答案，并回答后續問題。這些后續問題提供了有關項目對目標受眾的表現如何，以及學生是否使用預期知識回答項目的信息。學生被要求解釋為什么選擇或拒絕某個答案；描述任何他們發現混淆的東西；識別不熟悉的詞；評論圖表、圖片和表格的有用性。隨后根據學生和小組成員的反饋修改或刪除項目，以便確定最終的項目是學生對能量概念理解有效性和可靠性的度量。

三、研究結果與啟示

本研究目的是驗證能量學習進階。研究從構成能量結構的四種能量類型開始，將它們細化為14 個更具體的概念，為其中13 個概念確定了三個層級的概念復雜度。使用多項選擇評估項目測試進階，這些項目對應能量的每個層級。

為獲得參與這項研究的學生對能量的理解與學習進階中描述的期望之間的關系，對三個學段的平均Rasch 測量值與基礎、中級和高級項目的平均難度進行了比較研究。首先，關于基礎水平項目，研究發現各學段基礎水平項目的平均難度為-0.81 logits，即低于各學段的學生均值，即使是小學生，學生均值為-0.54 logits。（當項目難度小于學生測量值時，學生對項目的正確回答率大于50%）。這表明三個學段的學生都對基礎能量概念有很好的理解。但當我們觀察學生在中級項目上的表現時，發現中級項目的平均難度為-0.05 logits，高于所有學段學生的平均水平（高中生為-0.16 logits，初中生為-0.46 logits，小學生為-0.54 logits）。

小學生沒有達到中級水平的期望可以理解。令人驚訝的是，無論是初中生還是高中生都沒有達到中級水平。對于高級水平項目，平均難度為0.45 logits，難度水平遠遠高于高中生（還有中小學生）的平均水平。在小學階段，研究結果令人欣慰，因為小學生總體上具有與年級相適宜的能量理解。但是,對初、高中生的調查結果表明，學生的表現低于預期，這表明在這些學段教師需要提供更多的能量教學支持。