基于模糊理论的大学生物理实验能力综合评价

李 林

（深圳市宝安中学，广东 深圳 518101）

1 引言

实验教学是物理教学的有机组成部分，正如理工科类大学物理实验课程教学基本要求所说，“物理实验课是高等理工科院校对学生进行科学实验基本训练的必修基础课程，是本科生接受系统实验方法和实验技能训练的开端.物理实验课覆盖面广，具有丰富的实验思想、方法、手段，同时能提供综合性很强的基本实验技能训练，是培养学生科学实验能力、提高科学素质的重要基础.它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面具有其他实践类课程不可替代的作用［1］”.近年来，物理实验能力培养在理论层面以其特有的地位已得到相应的重视，对物理实验能力的研究正逐渐深入，但对物理实验能力的测量仍存在很多问题.

评价工作的核心是建立评价模型，目前我们的评价模型大多采用简单的加权平均模型.但由于评价对象一般含有多种属性，这些属性从不同侧面反映了评价对象的不同特征，而这些特征往往又带有一定程度的模糊性，这就导致加权平均模型的评价结果可信度差，无法科学、客观地反映评价对象的特征.采用模糊理论进行综合评价，评价结果将更接近于实际情况.本文使用模糊层次分析法（F AHP）构建了一个实用的物理实验能力评价多层次模糊评价模型，来对大学生的实验能力进行综合、客观地评价.

2 建立模糊评价模型

根据模糊综合评价的数学理论，建立大学生物理实验能力多因素模糊评价的模型可以分如下几个步骤进行：（1）确定评价对象与评价有关的各参数集：评价因素集B、评价等级集V和评价因素的权重系数集W，并确定评价分几个层次进行；（2）用填表的方式，请每位评价人员对各层次中包括下一层次评价子因素的各评价因素进行评价，并给出等级建议，在此基础上，由最底层开始，逐层建立评价因素与评价等级之间的模糊关系矩阵R（i）及相应的权重系数集W（i）；（3）用模糊综合评价模型对各评价层次的模糊关系矩阵进行变换，即用公式S＝［W］o［R］进行矩阵乘法运算，得出各层次的评价矩阵S（i）；（4）对最终的评价矩阵S进行数据处理，得出最终的评价结果［2］.

2.1 建立评价指标体系

认知心理学研究表明，物理实验能力结构是由实验知识结构、实验操作技能结构和实验问题解决能力结构3个部分构成，且存在相互联系的整体结构［3］.有关实验原理、方法、步骤、实验仪器的工作原理和读数方法，误差分析和实验的设计等各项理论知识都属于认知领域，依据布卢姆认知领域的教育目标的六级分类［4］，建立认知目标的三分类体系（识记、理解、运用），比较适合大学生物理实验的认知目标教学.根据学生的学习水平和对实验过程中的行为动作进行归类，本着教学目标的分类与界定便于教学目标的制定和实施，便于对行为动作进行观察、调控和评估的原则，按照教育学、心理学的原理，参考美国伊利诺斯大学辛普森的七分类动作技能目标［4］和我国教育心理学界对操作技能形成过程的划分，对我国大学生物理实验操作技能可以划分为模仿操作、意识操作和定型操作3个层次［9］.物理实验问题解决活动是学生面临新的实验问题情景，应用原有认知结构中的陈述性知识和程序性知识解决实验问题的过程中体现出的能力［5］，解决问题过程中主要体现出学生的实验设计能力、实验创新能力和实验成果表达能力.

运用层次结构模型将各项评价指标按照不同属性自上而下地分解成3个递阶层次，从而形成大学生物理实验能力评价系统的指标体系结构，评价因素层次结构见表1.

表1

2.2 确定评价等级

本评价等级集合定为V＝｛优V1、良V2、中V3、及格V4、差V5｝，各等级赋值V 分别为｛5，4，3，2，1｝.

2.3 确定各评价指标的权重

在传统教学评价中，教师对于评价指标权重的决定均以教师个人主观判断而定，却无法确定说出权重制定的原因.本文采用模糊层次分析法（F AHP）来计算评价指标之间的权重以解决传统评价中评价因素、评价权重制定不客观的问题.模糊标度及其含义见表2.

表2

2.4 确定评价矩阵R

评价指标体系建立之后，就可以根据评价指标体系设计出评价调查表.调查表中的调查项目、习题选项要与指标体系对应.先把调查表发给评价者，教师对调查表的数据进行统计，分别得到每个被评价者的每一因素的单因素评价向量.

2.5 进行综合评价

通过权系数矩阵W 与评价矩阵R的模糊变换得到模糊评判S，S＝［W］◦［R］，其中，“◦”模糊合成算子.相关文献研究表明［7］，乘于有界模糊算子（·，8）可针对各种因素按权重大小统筹兼顾，综合考虑能够充分考虑各种因素.由于不同层次的权系数矩阵与评价矩阵的不同，这种评价方法既可以进行单层次评价又可以进行多层次综合评价.

3 实例分析

现以评价某校2008级某一物理师范专业学生的物理实验能力为例，具体说明如何运用模糊综合评价模型对大学生的实验能力进行综合评价.

根据实际教学情况，实施本次评价的专家成员包括普通物理实验教研室6位教师，评价分数范围取1～5，针对被评价学生的物理实验能力测量分3个部分进行，分别针对该学生的物理实验知识结构、物理实验操作技能和物理实验问题解决能力进行测量.（1）利用普通物理实验考试中的笔试考题，作为分析物理实验知识结构的工具，批改该学生的考试答卷，从物理实验知识的识记、理解、运用三个层次给出相应的评价分数，然后取平均值，作为该学生物理实验知识结构方面的评价结果；（2）利用普通物理实验考试中的操作考试，观察、记录并分析该学生在实验操作考试中各个环节的表现，从模仿操作、意识操作和定型操作三个层次给出相应的评价分数，然后取平均值，作为该学生物理实验操作技能方面的评价结果；（3）根据学生在创新实验与科技制作活动中的表现，从实验设计的科学性与可行性、实验的创新性以及对于实验结果的呈现效果3个方面出发，由多名教师进行分析评定，给出每个方面相应的评价分数，然后取平均值，作为物理实验问题解决能力的最终评价结果.

3.1 用层次分析法求解评价指标的各权重

根据表1层次结构模型，并参照对各因素的定性分析，对各指标的相对重要性进行两两比较，构造模糊一致矩阵，如表3，然后进行单排序.

表3

表4

表5

表6

由表3～6可得各级指标的权重矩阵：W＝｛0.250，0.350，0.400｝，W1＝｛0.250，0.333，0.417｝，W2＝｛0.267，0.417，0.316｝，W3＝｛0.433，0.233，0.334｝.

3.2 确定评价矩阵R

对收集的调查表进行统计，得到该学生的各因素的评价矩阵R1，R2，R3，以及总体评价矩阵R，如表7所示.

表7

3.3 进行综合评价

通过权重系数矩阵W 与评价矩阵R的模糊变换得到模糊评判集S＝W◦R，可以得出S＝［0.3395，0.3690，0.1395，0.0565，0.0955］.前面我们已经定义了确定评价等级为“5，4，3，2，1”，然后用S中对应分量将各等级的秩加权求和，得到综合评价值为3.8005，由于3＜3.8005＜4，说明该学生的物理实验能力为中等.运用同样的方法，可以计算出每个因素的评价值，如表7所示.从表中的计算结果，我们可以看出该同学各方面实验能力有明显差异，其中实验操作能力最强，达到了4.0244，物理实验基础知识和物理实验问题解决能力处于中等偏上.

由此可以看出，用此模型计算学生的物理实验能力，不但可以对学生的物理实验能力做定性的分析，而且能给出定量的评价结果.这有利于对该专业全体学生的物理实验能力进行准确地排序，帮助教师了解学生的学习情况，从而促进物理实验教学.

4 结论

本文以对大学生的物理实验能力评价为例，利用模糊层次分析法，在系统分析的基础上建立了综合评价模型，该模型全面考虑了影响大学生实验能力的各种综合因素.通过应用此模型，能尽量避免评价者个人主观臆断的缺点，较好地保证了评价工作的客观性和适用性.教师可以从评价结果中发现学生哪方面实验能力不足，从而改善教学策略，有助于学生实验能力的发展，保证了及时、准确、高效地完成评价工作.

1 教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会物理基础课程教学指导分委员会.理工科类大学物理实验课程教学基本要求.北京：高等教育出版社，2010.

2 李柏年.模糊数学及其应用.合肥：合肥工业大学出版社，2007.134～139

3 查有梁，谢仁根等.物理教学论.南宁：广西教育出版社，1996.357

4 邵瑞珍等.学与教的心理学.上海：华东师范大学出版社，1990.191，195

5 王振东.中学物理实验能力测量研究（硕士论文）.山东师范大学，2003.10，23

6 田立勇，于宁，张兰芬.大学生科技创新实践能力综合评价.辽宁工程技术大学学报（社会科学版），2010（6）：651

7 宁庶亮，陈亮，李霖.模糊合成算子在军队指挥效能评估中的应用.火力与指挥控制，2008（12）：119～120

8 孙祥，徐留美，吴清.M a t l ab 7.0基础教程.北京：清华大学出版社，2005.

9 张军朋.物理教学与学业评价.广州：广东教育出版社，2005.182－186

10 陈海燕.模糊综合评价在物理实验中的应用.信阳师范学院学报（自然科学版），2004（1）：86

11 陈凤姣，徐正华.模糊评判法在高校实验教学质量评价体系的应用.漳州师范学院学报（自然科学版），2010（4）：152－153