多媒体测试在物理科学素养评价中的应用与思考

项　华

提高每一位学生的科学素养水平是物理新课程的总目标，如何利用评价进一步推进物理新课程教学是当前迫切需要解决的问题。总体来讲，评价是一个复杂的系统工程，而缺少评价手段是一个基本的问题。多媒体测试是基于计算机的一种测试，是信息时代教育测量的新途径和新方法。探讨多媒体测试的特点，对于加强物理教学评价的导向、诊断、发展等功能，有效实现物理新课程目标具有重要意义。

● 科学素养水平的检测指标与常见检测手段的比较

全面考查学生的科学素养水平需要将定性考查和定量考查相结合，自评和他评相结合。但是，通过问题解决来考查学生的科学素养水平是日常科学教学评价中最基本、最普遍的方法。全面检测学生的物理科学素养水平需要考查下表中几方面指标。

由此可见，全面考查学生科学素养水平是一件颇难的事情，如表中的“科学意识和习惯”、“科学精神”指标很难在常规的纸笔测验中得到检测。应该看到，物理新课程有效实施的重要标志，是学生的主流学习范式由被动接收式转向自主探究式，这种转变主要在这两个指标中体现，这两个维度检测方面的缺失，将直接影响物理新课程评价的导向性。有效的测试是科学素养水平评价的必要条件。

为了寻找新的考查手段和途径，不妨首先比较一下纸笔测试、真实实验测试、多媒体测试的优势与劣势。

纸笔测试（即笔试）指借助文字、图形或者符号创设问题情境，考查学生问题解决素养的过程。这是一种广泛使用的物理检测形式。事实说明，这种检测形式能够有效地检测学生的物理思维能力。尽管有的学者已经开始关注如何挖掘纸笔测试的探究检测功能，大家也尝试使用该种方式检测物理实验动手情况，但是，纸笔检测方式在这方面检测会受到很大限制。

真实实验测试是指为学生创设实验条件，通过考查学生动手实验解决物理问题而考查学生科学素养的过程。它也是一种较为常见的物理检测形式。这种检测形式能够综合检测学生物理思维能力、基本操作技能、处理复杂和次要因素能力、控制实验条件、动手习惯、科学精神，等等。但是它需要仪器设备的基本条件，而且做实验需要较长时间，在实施的时候需要多名教师监考或辅导等，难以形成多角度、大面积测试。

多媒体测试是指利用相似原理，借助计算机综合处理多种媒体信息——文本、图形图像和声音，使多种信息建立逻辑连接，集成为一个交互系统测试学生科学素养水平的过程。这种检测手段的功能原则上能够涵盖纸笔测试功能，但是它的检测功能要远远大于纸笔测试。它能够创设虚拟的场景，还能够让学生与虚拟场景之间进行交互，考查学生的动手能力和获取数据的能力。尽管如此，多媒体测试还是替代不了真实实验测试。比如，学生在真实实验中控制误差的复杂性，在真实实验中可能面临不可控现象的出现等，这些都是多媒体测试难以考查的。

纸笔测试、多媒体测试、真实实验测试三者的测试关系如图1所示。尽管三者测试的功能有区别也有联系，但是学生的物理思维能力和物理观察能力却是三者考核的必要内容。

图1 纸笔测试、多媒体测试、真实实验测试三者的关系

● 多媒体测试的案例研究

案例1：观察与分析影片中违背物理原理或规律的地方

【平台】多媒体计算机或者录像机，影片DVD。

【要求】观察现象；写一个简单的分析报告（包括现象分析、原理分析、结论等）（已知空气的密度是1.2kg/m³）。

影片中主要存在两处物理问题：一个问题是热气球太小了，不足以提升攻城的士兵；另一个问题是影片中没有推动热气球前进的风。（如图2、图3所示）

图2 影片中士兵乘坐热气球攻城

图3 现代热气球与乘坐者

学生具体分析时，需要用到空气中物体浮力大小的计算，还要用到理想气体状态方程的计算，还需要对日常物体的物理量进行估计。比如，学生要能够推出n/V 1/T，其中n为热气球中的摩尔数，V为热气球中的空气的体积，T为热气球中的空气的温度，并由此得出结论——热气球中的空气密度与其温度成反比。如果估计热气球的空气被加热到97℃，可以估算出1m3的热空气可以提升0.23kg的物体。学生还得估计出士兵的质量约70kg，竹篮的质量约30kg，加热器和燃料质量约40kg。古时候制作热气球的材料应该是布，其质量约60kg，所以整个需要提升的物体质量约200kg。根据这些数据可以估算出热气球的体积至少需要870m³（由200 kg÷0.23kg/m³得出），这个体积的热气球直径会超过12m。影片中的热气球太小，产生的浮力不足以搭乘几个士兵。

看电影是学生日常生活中常做的事，该案例能够很好地考查学生的物理观察能力、探究意识和探究能力。另外，由于影片创设的物理情境接近真实生活，为了解决问题，已知量是开放的，需要学生平时积累下来关于常见物体的物理量的经验，因此可以有效考查学生理论联系实际的意识和能力。

相比较之下，纸笔测试在创设物理情境的时候，可能会受到限制。因为，对于学生缺少经验的情境，有限的文字描述，对于阅读能力可能存在障碍的学生来讲，不能有效检测他们的科学素养水平。此外，由于可以拍摄真实实验，多媒体测试可以一定程度地实现某些真实实验的测试效果。但是在考查学生的实际操作技能方面和控制误差方面，多媒体测试一般是无能为力的。

案例2：测定天平上游码的质量m

【器件】天平一台，直尺一把。

【平台】南京金华科仿真物理实验室。

【要求】在仿真平台上操作，得出必要的数据，测定出游码的质量；写一个简单的实验报告（包括主要的实验步骤，原理，结果，如图4所示)。

图4 高一年级物理多媒体测试题

学生在这个虚拟的实验环境中解决题目问题，一般需要经过如下过程：

①先把游码调到最左边，把天平调平；

②分别测出游码到中间的距离a，托盘中心到中间的距离b（注意估读）；

③把游码调到最右边，在左边放5克的砝码，天平重新平衡；

④假设在横梁在左右两边各放一个游码，根据杠杆原理，列出方程：5*b=2*m*a 求解；

⑤写出实验报告。

该多媒体测试能够考查出学生的物理思维能力，还能测量学生对于刻度尺的读数技能和误差意识，还能够考查学生的实验报告表达能力，并能增强学生对于物理学中的基本仪器——物理天平的新认识。但是，和真实实验测试相比较，某些方面该多媒体测试仍然没有办法测量出来，如学生是否养成了用镊子取放砝码的习惯等。该多媒体测试还能够将学生各种操作过程记录下来，为大数量测试提供了必要条件，这是真实实验测试没办法做到的。

该多媒体测试具有鲜明的特点。首先，在仿真物理实验室中它为学生提供了和该虚拟系统交互的功能，使学生能够获得问题解决所必需的数据。其次，学生在测试过程中可以尝试和体验到现代科技运用仿真模拟的科学研究方法。总之，该测试的开放性和交互性是纸笔测试和真实实验测试无法做到的。

● 关于多媒体测试原则的建议

多媒体测试可以弥补纸笔测试、真实实验测试在检测学生科学素养水平方面的不足。为了有效检测学生的科学素养水平，利用评价有效促进物理新课程目标的实现，应该采取多元检测的方法。具体来讲，应用多媒体检测的时候需要遵循以下原则。

1.开放性与测试效率相结合原则

由于多媒体测试的物理情境更接近真实的物理世界，所以具有开放性。利用这种开放性和问题解决方案的多样性，可以有效地考查学生的探究意识和探究能力。但是，要全面有效地测试学生科学素养的各个指标，有时需要测试一定数量的题目，因此需要将多媒体测试与纸笔测试等其他测试结合起来，才能提高对学生科学素养水平的测试效率。

2.交互性与测试效率相结合原则

传统的纸笔测试一般将问题初始状态的物理量全部给出，这些已知量在问题解决中一般全能用上。学生一般采取模仿的方式寻找解决问题的思路和方法。这对于短时间内大面积检测学生解决问题的能力是有效的。但是，较难检测学生分析和解决现实中复杂问题的能力。多媒体测试可以创设一种接近真实情境的交互问题情境，学生可以根据分析自主获取必需的数据。此外，通过多媒体网络技术，还可以创设多媒体物理虚拟环境。如果所创设的网络虚拟环境物理问题需要多名考生合作来解决，这样的多媒体测试还能够考查学生合作、交流的意识和能力。但是，这种交互性也存在着局限性，如在虚拟的环境下做实验，学生处理和控制误差的能力一般难以考查，在全面考查学生科学素养水平的时候，仍然需要和其他物理考查方式结合起来。

3.虚拟性与真实性相结合原则

比如，可以选取物理学史上的典型事件和现代科技生产上的典型事件作为问题原型，然后经过适当简化，将之改造成多媒体物理测试题。学生解决这类问题时，能够体验到科学家探索科学的过程。这有利于考查、培养学生的探索意识和探索精神。还可以利用录像手段，在所拍摄实验情境中特意安排若干故障，要求学生观察录像和排除故障。由于拍摄的情境接近于真实的情境，这种手段可以在一定程度上考查学生的实际动手能力或者问题解决能力。但是，多媒体测试毕竟是真实实验或者物理世界的纯化，全面考查学生科学素养水平仍然需要结合其他物理测试手段。

总之，物理多媒体测试在检测学生科学素养方面有其独到的优势，上面的原则性建议只能将其主要优势揭示出来，而全面检测学生的科学素养水平往往需要综合采取纸笔测试、真实实验测试和多媒体测试。