中學生物理概念理解水平的性別差異: 影響因素及作用機制

摘 要 大量研究表明，男生在物理學科能力和學習動機方面的表現顯著優于女生。為探究外界評價和物理學習動機對學生物理概念理解的作用機制，本文選取252名高中生為樣本，用結構方程模型分析性別差異的形成機制。該模型顯示物理身份認同能夠顯著正向預測學生物理概念理解水平，而學習興趣和自我效能感對其沒有顯著影響。外界評價是導致男女生物理身份認同存在顯著差異的重要原因。女生感知到來自他人的認可度低，破壞了其物理身份認同的形成發展過程，從而進一步影響了女生在物理學習中的表現。

關鍵詞 物理概念理解水平;物理身份認同;性別差異;結構方程模型

《普通高中物理課程標準（2017年版2020 年修訂）》中明確指出，要推進教育公平，同時關注學生個性化、多樣化的學習和發展需求，促進人才培養模式的轉變，著力發展學生的核心素養[1]。關注物理學科中的性別差異及其影響因素不僅有助于挖掘潛在的不公平因素助力教育公平，同時也能因材施教，促進學生個性化發展。

作為科學、技術、工程和數學（STEM）領域的一部分，物理學科中的性別差異一直是一個備受關注的話題。物理學習動機包含自我效能感、物理學習興趣、身份認同等。在自我效能感方面，Sonja Cwik等人發現，即使男女生成績相當，女生的自我效能感顯著低于男生，成績為A 的女生和成績為B的男生自我效能感相當[2]。國內學者何秀君等人也發現，在高中階段，女生在物理身份認同、物理學習興趣方面顯著低于男生[3]。Kalender等研究者開展關于女性在物理領域低代表性的原因的調查，通過結構方程模型分析發現影響女性物理身份認同的主要原因是外界評價，“女性天生不適合學習物理”的言論讓其喪失了學習物理的動機信念[4]。

在物理學科能力上，一些國外學者利用物理學科概念測試工具（如力學概念測試（Force conceptinventory， FCI）、電磁學概念測試（BriefElectricity and Magnetism Assessment， BEMA）等）開展研究發現，女性在這些概念測試工具上的表現普遍弱于男性。Matthew 的研究發現，無論身處何種層次的學習階段，女生在力學概念的理解和運用上均顯著落后于男生[5]。Rachel Henderson等人通過使用電磁學概念測試量表發現，男女生在電磁學概念理解中也存在顯著的性別差異[6]。國內也有部分學者開展了中學生物理成績的性別差異研究，如姚中華發現女生在高一、高二時物理成績低于男生，而到高三時，物理成績差異達到最大[7]。

現有研究嘗試從學生、課堂等多個角度對中學階段學生物理學科能力表現的影響因素做探討。一項研究表明，改變課程設置以激發學生的興趣，有助于提高所有學生對學科的理解能力[8]。同時，自我效能感能夠正向預測學生各學科的學習能力表現，這一結論得到縱向研究[9]和元分析文獻[10，11]的支持。國內學者也從生理、心理、社會、課堂等角度分析了物理學習中性別差異的產生原因[12，13]。形成物理學科能力中的性別差異的因素有很多，但在物理學習過程中，學生無疑是學習活動的主體，因此，學生因素在物理學習影響因素中占據理論和實踐的首要地位。目前，中學生物理學科能力性別差異的影響因素研究很少考慮外界評價、物理學習動機等因素的交互作用。

為此，本文以FCI、BEMA 量表為參考自編概念測試量表，對三個省份高二、高三學生的物理概念理解水平及相關影響因素進行研究分析，期望通過結構方程模型探究性別、物理學習興趣、外界評價與物理概念理解水平之間的關系。本研究在Kalender提出模型的基礎上，參考已有研究，建立以下理論模型（見圖1）。

1 測試工具與樣本

1.1 研究工具

1.1.1 物理概念檢測量表

FCI主要用來測量學生對經典力學基本概念的掌握和理解情況，包含30個選擇題，是學界公認的標準化力學概念測試工具。D.Hestens等人在20世紀90年代開發了該量表[14]。之后由IbrahimHalloun、Richard Hake和Eugene Mosca三位學者對其進行了多次修訂，以提高量表的信度和效度[15]。BEMA 則是標準化的電磁學概念測試工具，主要用來測試學生對電磁學基本概念的掌握和理解情況。該量表是Chabay和Sherwood于1997年在Fred Reif的協助下開發的一個電磁學概念評估工具[16]。在開發后，Lin Ding、RuthChabay、S.J.Pollock等學者多次對該工具進行評估，認為BEMA 是一個可靠的評估工具[17， 18]。

本研究中的物理概念檢測量表是依據《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》，同時參考FCI和BEMA 編制形成的。為保證學生回答量表問題的質量，本研究中的物理概念測試量表共11題，包含運動學、力的合成與分解、力的種類、牛頓三大定律、庫侖定律、電勢差與強度的關系、電容器的充電過程、電磁感應等力學、電磁學中的重要概念。物理概念檢測量表由兩名物理教育研究生在專家的指導下編制完成，并邀請多位高中在職教師進行試測。在專家指導和教師試測反饋的基礎上，物理教育研究生完善和優化了測試題，確保測試題質量。

在物理課程中，成績是衡量學生學業成績的常用指標。除考試成績以外，物理概念量表是衡量學生物理學習成果的另一個常用指標。有研究顯示，學生在物理概念測試上的表現與物理成績呈正相關[19]。同時，與考試相比，這些測試工具摒棄了常規考試中對技巧、方法的考查，更加注重對物理規律的本質理解，更能體現被測者的物理觀念。因此，本研究利用物理概念檢測量表反映學生某一階段物理學習成效。

1.1.2 影響因素量表

影響因素量表問題題項及因子載荷系數如表1所示。四個維度Cronbachs alpha 系數均大于 0.7，因此量表具有較好的信度。同時，影響因素量表由兩位物理教育專家及多位物理教育研究生共同翻譯完成，在翻譯時不存在跨語境歧義，量表的內容效度得到保障;對量表進行驗證性因子分析（Confirmatory Factor Analysis， CFA），結果顯示各題項對相應維度的因子載荷在plt;0.001水平上顯著，且因子載荷系數均大于0.5。同時模型擬合指數為Chi/DF=2.298， TLI=0.938， IFI=0.934， CFI=0.951， RMSEA=0.072，根據D.Hooper[20]關于結構方程模型擬合指數的指南，當Chi/DFlt;3， TLIgt;0.9， IFIgt;0.9， CFIgt;0.9，RMSEAlt;0.08時，CFA 結果良好，因此，該量表具有較好的結構效度。量表以李克特 5 級量表的形式編制，評分值越大表示學生對該題項表示的意義積極正向認同程度越高。

自我效能感是指個體對自己成功執行給定任務所需行為能力的信念[21]。本研究選取由Lindstrom和Sharma編制的“物理自我效能感問卷”（PSEQ），該問卷以物理學科中的自我效能感為焦點，具有較強的針對性。問卷的原始問題4的表述為：“我可以通過物理考試”，我們將其改為“我足夠用功的話，就能考出好成績”，更符合中國高中教育的實際情況。

物理身份認同即個人在學習物理或從事物理相關工作的過程中，是否認為自己是一個“物理人”[4]。在Yangqiuting Li的研究中，物理身份認同僅用一個題項來測量：“我把自己看成一個物理人”[22]。本研究在此基礎上，參考Lauren Kost-Smith關于《物理自我效能感與身份認同問卷》[23]中關于身份認同的題項，最后確定兩個題項作為物理身份認同維度的測量。

外界評價指的是個體感知到的來自他人的評價。在Yangqiuting Li的研究中，外界評價主要來自家人、朋友、老師，筆者稍作修改，使題項表述符合目前高中的現實情況。如：將“My friendssees me as a physics person”改為“我的同學認為我適合學物理”等。

物理學習興趣是指學生對物理學習活動產生的喜愛和探求的情感狀態，是推動學生學習物理的內在力量[24]。學習興趣量表參考了由E.F.Redish等人編制的《馬里蘭物理期望問卷》[25]。

1.2 研究對象

本研究在秋季學期中將量表以問卷的形式發放，選取來自三所中學的252名高中生為樣本（表2）。為實現樣本多樣性，消除樣本僅來自單一地區所帶來的偶然性，筆者選取來自三個省份的高中生填寫問卷，共發放312份問卷，剔除無效問卷60份，共回收有效問卷252份，問卷回收率80.77%。樣本包括上海高二學生117人，浙江高二學生77人，安徽高三學生58人，其中，男生168人，女生84人。最新研究表明，高中生物理選科存在顯著的性別差異，男生選考物理的意向要顯著高于女生[26]。學生在高二時已經完成選科，故樣本中的男女比例約為2∶1符合實際情況。

2 數據分析

2.1 性別差異檢驗

先對數據結果進行正態性檢驗。Shapiro-Wilk正態性檢驗結果表明，男女生各維度均不服從正態分布。對于不滿足正態分布的定量數據，可用Mann-Whitney U 檢驗。因此，我們使用Mann-Whitney U 檢驗來進行性別差異檢驗，如表3所示。Mann-Whitney U 檢驗只能檢驗組間差異是否顯著，因此，本文引入Cohens d反映差異的效應量，即差異的大小程度，Cohen 認為，0.1、0.3、0.5分別代表小、中、大效應量[27]。

物理概念檢測量表共11題，筆者將物理成績作歸一化處理。男女生均值分別為0.709 和0.639，男生成績在p lt;0.01水平上顯著高于女生，達到中等效應量，說明男生對物理概念的理解水平顯著高于女生。從物理身份認同這一變量看，男生的平均得分高于理論中值3分，說明男生整體上具有較強的物理身份認同，普遍認為自己有成為優秀物理學者的潛能。而女生在物理身份認同這一變量上的平均得分較低，僅為2.530分，接近理論中值，說明女生對自己在物理學科的角色定位不如男生那樣明確和堅定。男女生差異這一變量具有統計學意義，效應量為0.567，屬于較大程度的差異。在自我效能感和外界評價兩個變量上，盡管男女生得分均高于理論中值，但男生的均分顯著高于女生。這說明男生對自己在物理學科表現出更高的信心，同時也感知到來自外界的更多正面評價。這兩個變量上男女差異均達到中等程度。數據結果表明，男生在物理學習興趣這一變量上的均分顯著高于女生，且高于理論中值，而女生的得分低于理論中值，說明男生對學習物理科目具有更濃厚的興趣，與何秀君[3]等人的研究結論一致。

2.2 結構方程模型構建

結構方程模型（Structural Equation Model，SEM）是一種用于建構觀測變量與潛變量之間或多個潛變量之間因果關系的多元統計分析方法，該方法是驗證性因子分析和路徑分析的結合，即包含測量模型和結構模型。如圖2所示，在SEM中，我們將變量分為兩大類，可以直接測得的變量為顯變量，用方框表示，如學生性別屬于顯變量范疇。無法直接觀測到的變量為潛變量，用橢圓表示，可以通過觀測變量之間的關系推斷出來。通過測量模型，我們可以了解潛在變量和觀測變量之間的關系，以及觀測變量之間的測量誤差。如自我效能感屬于潛變量，我們只能通過題項的分數來估計自我效能感的高低，但是分數無法準確代表自我效能感。與多元回歸模型相比，SEM 的一大優勢在于我們可以同時估計多個結果的所有回歸關系和項目的因子載荷，從而提高統計能力[28]。同時，在本研究中，各變量的相關性如表4所示，變量之間存在中度顯著相關關系。若使用簡單的回歸分析，則會導致多重共線性問題，結構方程模型能夠突破傳統回歸分析中的多重共線性限制，靈活建模處理多個變量間的復雜關系。本文使用Amos26.0建立結構方程模型。

結構方程模型如圖2所示。在圖2中，箭頭表示變量間因果關系方向，其上方為標準化路徑系數，數值表示影響效應的大小，效應大小用箭頭粗細表示。根據D. Hooper[20]的結構方程模型擬合指數指南，本研究建立的關于物理概念理解水平影響因素結構方程模型擬合指標比較理想，擬合度良好。

本研究的結構方程模型中，性別作為類別自變量，男生編碼為1，女生編碼為0，與之相連的路徑系數是男生相對于女生的水平[29]。在進行結構方程模型建構的過程中，筆者發現性別對物理概念理解水平的直接影響在統計學上不顯著，說明物理概念理解水平中性別差異的解釋需引入其他變量。

通過路徑分析發現，外界評價和物理身份認同是關鍵的中介變量。如表5所示，性別對外界評價的直接影響的標準化路徑系數為0.23，且在plt;0.001水平上顯著。物理身份認同對物理概念理解的直接影響的標準化路徑系數達到0.36，屬于中等程度影響。而外界評價、自我效能感和物理學習興趣對物理概念理解沒有顯著的直接影響。

學生性別變量主要通過以下三條途徑間接影響物理概念理解：

（1） 性別→外界評價→物理身份認同→物理概念理解;

（2） 性別→外界評價→自我效能感→物理身份認同→物理概念理解;

（3） 性別→外界評價→物理學習興趣→物理身份認同→物理概念理解。

這三條途徑都涉及了外界評價和物理身份認同這兩個核心中介變量，說明外界評價和物理身份認同對學生學科能力表現具有重要影響作用。

3 討論與分析

與理論模型進行對比發現，首先，在物理學習動機與物理概念理解水平的關系中，唯有物理身份認同對學生物理概念理解水平有顯著影響，說明學生對自身物理身份的認同會影響其學科能力，可見物理身份認同是個體物理學習、成就的關鍵，也是個體獲得物理知識和能力不可缺失的一部分。其次，在物理學習動機內部，自我效能感和物理學習興趣均顯著正向影響物理身份認同，而與Kalender得到的模型不一致的是，本研究中，中國學生的物理學習興趣對自我效能感并沒有顯著影響。

外界評價是本研究中的關鍵變量，一方面，性別對學生的自我效能感沒有顯著影響，而是通過外界評價影響自我效能感，標準化路徑系數高達0.75，說明自我效能感發展中的性別差異是來自男女生感知到的他人對自我評價的差異，這一結論與外界評價在個體的自我效能感發展中發揮關鍵作用的理論是一致的。同樣地，性別對學生的物理學習興趣沒有顯著的直接影響，而是通過外界評價影響物理學習興趣，這與Kalender的模型不一致，說明外界評價在中國高中生物理學習興趣形成與發展中起到關鍵作用。另一方面，男女生感知到的外界評價直接或間接顯著影響物理身份認同，從而影響學生在物理學習中的表現。研究發現，男女生感知到的外界評價存在顯著差異。從結構方程模型分析結果看，性別對外界評價的直接影響路徑系數為正值且達到了顯著水平。這意味著女生整體上感知到的外界負面評價更多。外界的消極評價會降低女生的物理學科自信心和學習動機，這繼而對她們的學習行為和效果造成不利影響。該結論與國外一些研究關于性別差異生成機制的類似發現一致[4]。

4 建議

本研究表明，物理身份認同能夠正向顯著預測學生的物理概念理解水平。同時，外界評價是影響物理身份認同的最主要因素。因此，筆者呼吁中學教師努力為學生建立平等包容的學習環境，消除外界評價中的刻板印象，從而提高物理身份認同，提升學生在物理學習中的表現。

學生在進入物理課堂之前可能就受到社會刻板印象的影響，在物理中常見的刻板印象是人們通常認為天賦是學好物理的重要因素，而天才往往和男性聯系在一起，女性從小就傾向于回避與先天才華有關的領域[30]。因此，教師作為學生學習的引導者，應該幫助學生減小外界刻板印象帶來的負面影響。在教學中，教師應謹慎用語，盡量避免使用“顯然的”“有天賦”等詞語，因為這些語言會潛在加重女性認為自己不適合物理學科的刻板印象。在物理課堂中，教師應當采取公平包容的教學策略，鼓勵男女生一起參與課堂環節，為每個同學提供平等的機會來表達他們的觀點。當女生在課堂上表現良好或進步時，教師應給予肯定，這可以潛在地減少學生感知到來自他人評價中的性別差異，從而建立其物理學習的自信心。同時，教師也可以采取多樣化的教學方式，比如，胡禔臻等人在高中物理課堂中實施同伴教學法，發現該方法對提高女生的物理學習動機有輕微的成效[31]。教師作為最直接影響學生的群體，應對每一位學生表達對他們的期待，但是這還不夠，還需要引導學生為達到學習目標而付出努力，同時改善其學習方法，促進同伴間的交流互動，真正營造一個讓學生具有“物理歸屬感”的學習空間。

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