基于核心素养的物理实验探究测评框架探索

黄红波

(江苏省教育考试院,江苏 南京 210024)

1 核心素养下的实验探究

新课标认为,物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力,是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质,是学生科学素养的关键成分．物理核心素养主要由物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任4个方面构成．

对物理实验的要求主要在科学探究方面．科学探究是指提出科学问题,形成猜想和假设,获取和处理信息,基于证据得出结论并作出解释,以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思．可以归纳为问题、证据、解释、交流等4个要素．学业质量标准将科学探究划分为5个水平等级,每个等级均涵盖上述4个要素．

2 从学业质量标准到测试框架

按学业质量标准的要求实施考试评价,需要将学业质量标准规定的行为目标可操作化．考试开发的做法是将行为目标分类细化,通常至少再分解成多个知识内容和表现水平,据此建立测评框架．[2]在测评框架的指导下命制试题,可以准确定位试题的测试目标,筛选出代表性试题,测评框架也是解释分数结果的根本依据．

本文以核心素养下学业质量标准为依据,尝试构建的测评框架如表1所示．框架采用二维结构,涵盖学业质量标准的所有知识内容和表现水平．知识内容包括原理和方案、器材和操作、现象和数据、解释和结论等4个要素,内容全面、重点突出．表现水平包括理解、应用、分析、评价、创造等5个层次,参照布卢姆的教育目标分类,层次清晰、逐级递进．二维形式的测评框架将知识内容和表现水平有机地整合在一起,便于理解和操作．

表1 物理实验探究的测评框架

(1) 知识内容维度．物理实验是人们根据研究的目的,运用科学仪器设备,人为地控制、创造或纯化某种自然过程,使之按预期的进程发展,同时在尽可能减少干扰客观状态的前提下进行观测,以探究物理过程变化规律的一种科学活动．[3]可见,虽然物理实验探究的内容极其丰富,但是实验探究环节都由一些基本要素构成．要成功地完成一次实验探究,实验的原理和方案是基础,运用器材和操作是关键,观察现象和分析数据是重点,实验结论的解释和讨论是目的．只有通过细致的观察和严密的逻辑分析才会提出有可探究的科学问题,实验探究方案制订离不开科学原理的指导,因此,这里测评框架的4个基本要素与学业质量标准提出的问题、证据、解释、交流等4个科学探究要素一致．

(2) 表现水平维度．学业质量标准的划分依据了行为目标的复杂程度,完成从水平1到水平5不同层级的任务,学生要经历不同的信息加工过程,认知活动的构成也不同．[4]具体地说,“水平1”要求知道科学探究是什么,心理过程主要经历问题转译和信息整合,是对问题的识别和理解．“水平2”要求能简单实施科学探究,是执行一定的程序和规则来完成简单的实验任务,属于对实验知识的应用．“水平3”要求能在实验的基础上对实验要素进行整理和分析,弄清部分与整体的关系,信息加工过程有明确的策略监控和策略运用,重点是对实验过程的分析．“水平4”在对实验分析和解释的基础,要求能对过程和结果进行交流和反思,通过实验要素的内部一致性或外部准则有效性的分析判断,对实验的质量、效果和效率等作出检查或评论．“水平5”的要求最高,要求能将各要素组成符合内在一致性的整体或具有功能性的整体,是创造一个新产品．上述分析可见,利用布卢姆的目标分类可以方便地理解学业质量标准的水平划分．由于“水平5”已超出学业水平测试要求,本文将不作讨论．

从知识内容和表现水平分析,该测评框架具有适标性、有效性和实用性的特点．框架内容以核心素养理念核心,知识内容符合科学探究的构成要素,表现水平也与学业质量标准相一致,符合评价实施建议对日常学习评价和学业水平考试的要求．框架设计以考试评价为导向,二维形式的框架结构满足试题命制和质量评价的实际需要,符合考试测量的基本原理,在框架指导下的命题可以做到测试的目标全面、重点突出、层次清晰．框架还以教学实际为前提,充分考虑当前教师在实验教学和试题命题上的水平现状,对学业质量标准的分类细化参照教师比较熟悉的、被广泛应用的布卢姆教育目标分类，测评框架是对能力立意下测评框架的继承和发展,很好地衔接了能力立意下实验探究的考试评价．[5]

3 测评框架的实证检验

下面以2017年江苏省高考物理实验题为样本,检验测试框架与核心素养下学业质量标准的一致性．

例1.(2017年江苏物理高考题第10题)利用如图1所示的实验装置探究恒力做功与物体动能变化的关系.小车的质量为M=200.0 g,钩码的质量为m=10.0 g,打点计时器的电源为50 Hz的交流电.

图1

(1) 挂钩码前,为了消除摩擦力的影响,应调节木板右侧的高度,直至向左轻推小车观察到________________.

(2) 挂上钩码,按实验要求打出的一条纸带如图2所示.选择某一点为O,依次每隔4个计时点取一个计数点.用刻度尺量出相邻计数点间的距离Δx,记录在纸带上,计算打出各计数点时小车的速度v.其中打出计数点“1”时小车的速度v1=________m/s.

表2

请根据表中的数据,在答题卡的方格纸上作出ΔEk-W图像.

(4) 实验结果表明,ΔEk总是略小于W.某同学猜想是由于小车所受拉力小于钩码重力造成的.用题中小车和钩码质量的数据可算出小车所受的实际拉力F=________N.

图3

该题情境基于教材中“探究动能定理”、“加速度与物体质量、物体受力的关系”两个必考实验,目的是探究恒力做功与物体动能变化的关系,因此,学生对实验目的、原理和装置都比较熟悉,试题的实验装置也已搭建完整,与学业质量标准“水平3”的“能在他人帮助下制订简单的科学探究方案,使用基本的器材,获得数据”要求一致．考查内容涉及基本仪器操作、数据处理、形成结论,以及分析误差对实验结果的影响等．具体分析如下.

第(1)问考查斜木板上小车平衡摩擦力的方法．轻推小车观察到其做匀速直线运动,这是判断平衡摩擦力实验操作的基本知识,学生是从长时记忆中提取相关信息做出回答．测试的知识内容属于“器材和操作”,水平为“理解”,是对是什么的回答,在学业质量标准中属于“水平1”的要求．

第(3)问根据测量数据描点作图．学生不仅要知道描点作图的规范和要求,而且要能在实际作图过程中加以执行,例如确定合适的坐标轴标度,准确描出数据点位置,合理绘制直线拟合数据点等．该作答过程与第(2)问对“数据”处理知识的“理解”不同,信息加工过程需要在一定程序和规则下完成,要依据程序和规则监控描点作图的操作,因此,是对“数据”处理规则的直接“应用”,对应学业质量标准的“水平2”．

第(4)问通过理论计算对可能的误差来源进行定量检验．学生要弄清小车在整个系统中的受力状况,弄清小车所受拉力F与受到其他力之间的关系,找出拉力F与砝码重力mg之间的关系．具体地说,小车和砝码的牛顿运动定律表达式分别是F=Ma和mg-F=ma,代入数据解得F=0.093 N．这里运用的解题策略是典型的整体法与隔离法,是对“解释和结果”的“分析”．发现误差来源是建立在仔细整理分析实验数据的基础上,是陈述科学探究过程、合理推断实验结果的必要构成,在学业质量标准中属于“水平3”．

例2.(2017年江苏物理高考题第11题)某同学实验制作一个简易的温控装置,实验原理电路图如图4所示,继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端,当继电器的电流超过15 mA时,衔铁被吸合,加热器停止加热,实现温控.继电器的电阻约20 Ω,热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如表3所示.

图4

t/℃30.040.050.060.070.080.0Rt/Ω199.5145.4108.181.862.949.1

(1) 提供的实验器材有:电源E1(3 V,内阻不计)、电源E2(6 V,内阻不计)、滑动变阻器R1(0～200 Ω)、滑动变阻器R2(0～500 Ω)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱(0～999.9 Ω)、开关S、导线若干.

为使该装置实现对30～80℃之间任一温度的控制,电源E应选用________(选填“E1”或“E2”),滑动变阻器R应选用________(选填“R1”或“R2”).

(2) 实验发现电路不工作.某学生为排查电路故障,用多用电表测量各接点间的电压,则应将如图5所示的选择开关旋至________(选填“A”、“B”、“C”或“D”).

(3) 合上开关S,用调节好的多用电表进行排查.在图4中,若只有b、c间断路,则应发现表笔接入a、b时指针____________(选填“偏转”或“不偏转”),接入a、c时指针____________(选填“偏转”或“不偏转”).

图5

(4) 排除故障后,欲使衔铁在热敏电阻温度为50℃时被吸合,下列操作步骤的正确顺序是________.(填写各步骤前的序号)

① 将热敏电阻接入电路.

② 观察到继电器的衔铁被吸合.

③ 断开开关,将电阻箱从电路中移除.

④ 合上开关,调节滑动变阻器的阻值.

⑤ 断开开关,用电阻箱替换热敏电阻,将阻值调至108.1 Ω.

该题取材于教材的相关习题,学生有理论知识没有实验探究经历,符合学业质量标准“水平4”的“能分析相关事实或结论,提出可探究的物理问题,作出初步的猜测与假设”内涵．在此背景下,试题在选择实验器材、使用基本仪器、排查实验故障、制订探究方案等方面设置问题．具体分析如下.

本题第(1)问要根据实验方案选择合适的器材．要使继电器在30～80 ℃范围都能工作,则热敏电阻阻值最大时(30 ℃,199.5 Ω),回路的电流需达到15 mA,只有选用电源E2(6 V)才能达到这一电流值．当使用6 V电源,要使在热敏电阻阻值最小时(80 ℃,49.1 Ω)回路的电流也能到达15 mA,应选用R2．上述分析过程,以电源、滑动变阻器、热敏电阻等器件的规格保证工作条件的有效性和器件规格之间的一致性为判断依据,在布卢姆认知水平中属于“评价”类型．在学业质量标准中,“能制订科学探究方案,选择使用合适的器材,获得数据”的要求属于“水平4”．

第(2)问选择多用电表的挡位．学生不仅要能识别多用电表面板,而且还要根据具体实验情境和条件做出合理选择,是多用电表“器材和操作”在具体问题中的“应用”，属于“水平2”的要求．

第(3)问排查电路故障．只有b、c间断路时,b、c间断路有电压,a、b间导通无电压,因此,多用电表电压挡接入b、c间有偏转,接入a、b间不偏转．上述判断过程需要学生对电路做出分析,弄清故障造成相关检测点间电压变化的状况,是对“现象”的“分析”解释．学业质量标准的“能分析观察物理现象”、“能对数据进行整理分析”属于“水平3”．

第(4)问的实验步骤排序考查实验方案的设计．区别于一般的分析综合过程,解答该问时学生在深刻理解温控装置工作原理的基础上,弄清电路工作条件,明白电阻箱与热敏电阻之间等效替代的关系,继而制订科学探究方案,正确排列操作顺序．学生在思考步骤⑤为什么要“用电阻箱替换热敏电阻,将阻值调至108.1 Ω”时,将“108.1 Ω”的线索与之前“热敏电阻阻值Rt与温度t的关系”和继电器在“15 mA时吸合”等条件构成准则的内部一致性关系,是对实验“原理和方案”的准则一致性、有效性的“评价”．在学业质量标准中涉及“对科学探究过程与结果进行交流和反思”,属于“水平4”．

对两道高考实验题的分析检验表明,该测评框架与核心素养下科学探究质量标准的内涵相一致,细化测评知识内容和表现水平能够很好地界定和分析试题的测评目标．

4 测评框架对命题和教学的启示

考试需要有高效度．具体到命题环节,要求试卷的知识覆盖率高、重点知识突出、难度合理．表4在测评框架中列出近3年江苏省高考物理实验题每问的测试目标．“水平5”主要适用于高校自主招生,超出本文讨论范围,故未列入．

表4 2015～2017年江苏高考物理实验题的测试目标

续表

注： 2017-11(4)表示2017年第11题第(4)问。

测评目标的统计表明,近3年实验题的问题布局比较合理,涵盖大多数测试目标,每年的覆盖率都比较高．“器材和操作”和“现象和数据”是测试的主要内容,突出物理实验的观察和操作两个特色．表现水平以“应用”、“分析”和“评价”3个层次为主,突出对解决实际问题的能力考查．

然而,统计也发现,近3年试题中均有第(1)问设置在“评价”水平上的,起点较高,可能不利于学生理解问题情境,这在今后命题中需要进一步研究和改进．

教学中,将学生实验探究的行为表现定位在测评框架中,评价会更精准.找准优势和劣势所在,能使学习更有针对性．图6是两名考生的不同

图6 第10题两位考生的不同作答表现

作答表现,考生甲答对例1的前两问,而考生乙答对例1的后两问．依据测评框架评估发现,他们虽然得分相同,但实验探究素养的表现不同．考生甲对器材操作、数据处理的识记理解较好,但对数据处理规则的应用和误差来源的分析不足．而考生乙的表现与之恰好相反．

5 结束语

该实验探究测评框架基于核心素养的理念，从细化的测评框架能更容易理解和把握学业质量标准水平的内涵,有利于将学业质量评价落实到日常学习和学业水平考试实践．利用教师熟悉的和广泛使用的教育理论理解诸如核心素养、学科素养和学业质量标准等新概念,可以做好当前考试评价的能力立意与新课程标准核心素养的衔接．随着新课程标准正式颁布实施,需要有更多基于需要导向的研究,将核心素养下的学业质量标准真正落实到评价实施的实际工作中．

1 雷新勇.大规模教育考试:命题与评价[M].上海:华东师范大学出版社,2007:98-116.

2 吉尔伯·萨克斯.教育和心理的测量与评价原理(第4版)[M].王昌海,等,译.南京:江苏教育出版社, 2002:83-86.

3 陶洪.物理实验论[M].南宁:广西教育出版社,1996:3-4.

4 杨向东.理论驱动的心理与教育测量学[M].上海:华东师范大学出版社,2014:135-146.

5 黄红波. 江苏高考物理实验题的新课程特点与答题情况分析[J].物理教学,2013(2):64-67.