用PISA科学评价体系分析物理全国卷——以2017—2019年全国1卷物理主观题为例

区楚瑜 肖 化

(华南师范大学物理与电信工程学院,广东 广州 510006)

1 问题提出

2018年9月,习近平总书记在全国教育大会上指出,要深化教育体制改革,健全立德树人落实机制,扭转不科学的教育评价导向,坚决克服“唯分数”“唯升学”“唯文凭” “唯论文”“唯帽子”的顽瘴痼疾,从根本上解决教育评价指挥棒问题.[1]高考改革是教育评价的改革的关键,对教育体制改革全局有重要的导向作用.[2]在改革的过程中,除了依据我国多年来的教育经验外,分析参考国外优秀经典的测评方式也是非常必要的.

国际学生评估项目(Programme for International Student Assessment,简称PISA) 是经济合作与发展组织(The Organization for Economic Cooperation and Development, 简称OECD) 发起并组织实施的为各参与国家与地区协作监控教育成效的评价项目.旨在测试义务教育阶段结束后15岁学生在阅读、数学和科学方面所具备的应用知识、技能和解决问题的能力,通过评估结果反映学生在结束义务教育阶段后,在多大程度上掌握了有关科学方面的终身学习的能力,为年轻人理解和处理未来生活中可能遇到的科学技术相关的问题做好了准备.[3]PISA 除了测验学生知识内容外, 还包括了问卷调查, 目的是收集有关社会、文化、经济和教育因素的信息, 这些信息与学生的成就相联系, 从个体学习者、教学、学校及教育体制四个层面进行分析.

而在2014年国务院发布的《关于深化考试招生制度改革的实施意见》中明确提出深化高考考试内容改革,依据高校人才选拔要求和国家课程标准,科学设计命题内容,增强基础性、综合性,着重考查学生独立思考和运用所学知识分析问题、解决问题的能力.[4]由此可见,在考查目标上,PISA的立意与我国是非常一致的.

2019年12月公布的PISA2018的成果中,在79个国家里由北京、上海、江苏、浙江组成的中国部分地区联合体在阅读、数学和科学3项测试均遥遥领先.从2009年、2012年连续排名第一,到2015年的排名第十,再到如今的回归第一.由此可以看出,PISA测试具有较好的可信度,能够吸引大部分国家持续参与,并且中国考生在该题型下能够体现其较为真实的实力水平,其试题设定对我国教育测评具有较大的参考性.

因此,本研究用PISA科学测评框架来分析2017—2019年全国理综1卷物理主观题题目,以期对我国高考物理主观题的编写和课堂教学等提供相应的建议.

2 研究设计

2.1 研究对象

全国卷是使用范围最广的一套试题,其中理综1卷所使用的范围较为固定,一般包括安徽、湖北、福建、湖南、山西、河北、江西、广东、河南、山东等省市.而在整张试卷中,主观题是占分最重的,题目最为复杂的.因此本研究将以2017—2019年理综1卷的主观题作为研究对象.

2.2 研究工具[5]

PISA在2000年首次实施评价,每3年一次,以评价年命名.每次从阅读、数学、科学中选择一个作为主要领域,另外两个作为次要领域.PISA2006和PISA2015重点测评学生的科学素养,并且在2006年的基础上,PISA2015对科学素养测评框架做了进一步的完善.PISA2018所测的重点领域不是科学,因此测评框架中去掉了态度维度,但在其他维度上并无改动.[6]态度维度多是结合问卷信息进行分析的,单从题目设定难以区分.因此,本研究所使用的研究工具还是PISA2015科学素养测评框架,但不分析态度维度(如图1).

图1 PISA2015科学素养测评框架

PISA2015科学素养测评框架包括4部分:情境、能力、知识和态度.情境维度是PISA测评的典型特点,分为个人、社会和全球3类,涉及健康与疾病、自然资源、环境质量、危害和科技前沿5大前沿领域,共采取15种测评背景.能力维度分为科学地解释现象、设计与评价科学探究和科学地解释数据和证据.知识维度的划分可以简单的理解为内容性知识是指“是什么”、程序性知识是“怎么做”、认知性知识是“为什么这样做”.态度维度主要评判学生对科学的兴趣、对科学探究的支持、对资源和环境的意识和责任感3方面的内容.

除此以外,PISA2015的框架还指出,在以往的评估框架中,试题难度是根据经验得出的,常常与认知需求混淆.基于经验的试题难度是根据测试者正确解决问题的比例估计得出的,所能评估的是测试人群所具有的知识数量,而并非知识深度.因此,引入了“认知需求”这一新概念,该概念主要借鉴韦伯的知识深度模型.分为低中高3个等级,越高等级的认知需求需要经过越多的步骤、或者分析越复杂的数据才能完成任务.

2.3 研究方法

利用PISA2015科学素养测评框架评价全国1卷的物理主观题主要分为3步,首先是对各主观题在各个维度的判断定位,其次将所有判定类型进行统计,最后横向和纵向分析其趋势.为了保证每道题在各维度上判定的可靠性,本研究采用先多人单独评定,后比较个人判定结果,小组讨论分析得出一致结果.需要额外说明的是,由于理综1卷主观题的情境多是实验情境或者无情境,因此在在情境维度判定时,会单独将实验和无情境罗列出来.其次,在能力维度和知识维度判定的过程中,一道题目可能包含多种能力和知识类型,比如学生在分析数据得出结论(属于“科学地解释数据和证据”能力)的过程中,需要回忆应用某个知识概念(属于“科学地解释现象”能力),该情况下能力类型的判断以这一题的主要考察能力为准,即属于科学地解释数据和证据能力类型.

例1.某小组利用打点计时器对物块沿倾斜的长木板加速下滑时的运动进行研究.物块拖动纸带下滑，打出的纸带一部分如图2所示.已知打点计时器所用交流电的频率为50 Hz,纸带上标出的每个相邻点之间还有4个打出的点未画出.在ABCDE5个点中，打点计时器最先打出的是________点，在打出C点时物块的速度大小为________m/s(保留3位有效数字)；物块下滑的加速度大小为________m/s2(保留2位有效数字).

图2 2019年全国理综1卷第22题

用2019年全国理综1卷第22题进行说明(如图2),该题共有3小问,按照PISA2015科学素养测评框架对其判定,经过小组讨论分析后,各小问在各维度的类型如表1所示.

表1 2019年全国理综Ⅰ卷第22题分析

3 研究结果分析

根据上述研究方法,对2017—2019年全国理综1卷物理主观题进行判定和统计,得出如下结果.

3.1 情境维度分析

虽然PISA将背景列为科学素养评估的一个方面,但并不代表要对背景本身进行评估.情境维度的设定是让学生在具体背景下展示其素养,背景只是评估内容呈现的一个载体或环境.但题目情境可以帮助判定学生的学习水平.PISA2015和PISA2018将表现水平划分为1～6级,其中PISA2015年的1级分为1a和1b.不同水平对情境的描述是不同的,主要在情境的范围和数据形容词上作出了区分.(如表2)在越高的表现水平中,学生越能在各种复杂情境中完成任务.相对的低水平等级的学生只能在熟悉的情境中完成任务.

表2 PISA2015,2018学生水平等级的情境表述

对全国理综1卷物理主观题进行判定分析后,得到试题情境类型的统计结果(如表3).由于各年试题问题数量不同,为了更好的作出对比,将各情境类型题数除以该年题目总量,得到百分比条形图(如图3).

表3 2017—2019年全国理综1卷主观题情境类型统计

图3 2017—2019全国理综1卷物理主观题情境类型占比图

从横向角度分析,2017—2019年物理主观题的实验情境所占比是最高的,分别为50%、53.3%、68.8%,其次是无情境题目,地区情境题目最少,全球情境题目仅在2017年有一道,后续两年都没有.这里的无情境题目指的是直接给出图表分析数据的题目,如分析简谐横波图像.而在PISA2015的情境类型中,个人情境和地区/国家情境则是最多的,占有36%,而全球情境占28%,三者占比比较平均.纵向来看,相对前两年,2019年的无情境题目明显减少了,而实验情境题目的占比则是逐年上升.

3.2 能力维度分析

物理科考试在2017年物理课程标准的基础上,提出了5种具体的关键能力:理解能力、推理论证能力、模型建构能力、实验探究能力、创新能力.[2]这5种能力都包含在PISA设定的科学能力维度中,如科学地解释现象需要理解能力和模型建构能力;设计与评价科学探究需要实验探究能力和创新能力;科学地解释数据和证据则需要推理论证能力.总体而言PISA的能力框架所包含的范围更广.

用PISA的能力框架对主观题进行分析统计后,得到表4和图4.

表4 2017—2019年全国理综1卷主观题能力维度类型统计

图4 2017—2019全国理综1卷物理主观题能力维度类型占比图

从横向角度分析,在主观题目中,考察学生“科学地解释数据和证据”能力的题目占比最多,3年占比分别为85.7%、73.3%和81.3%.这一统计结果在比较综合的主观题里是合乎情理的.而“设计和评价科学探究”能力在2017年和2019年都占有较大的比例,分别是14.3%和12.5%.一般来说,这一能力主要体现在试卷的第22、23题实验题中.这也可以侧面反映2018年的实验题中关于科学探究的设问是比较少的.至于“科学地解释现象”能力一般体现在综合题目的第一小问中.例如2019年第22题第一空,通过观察纸带说明打点计时器最先打出的点,这是对技术现象的识别与解释.但由于综合主观题所涉及的一般是多个知识点或对数据的复杂分析,因此该能力在主观题中占比较少是合理的.

相对于我国高考卷,PISA2015和PISA2018的测试题中考察“科学解释现象”能力的最多,占比40-50%,其次是对数据和证据的解释,占比30-40%.这体现了PISA对学生的考察还是集中在对科学知识的生活化上,其次反映了PISA不仅关注科学探究的设计,更看重对实验数据的处理和推论,因为这更能全面的反映学生科学探究能力.PISA与高考试题在能力类型占比的巨大不同可能是因为测试对象年龄不同和所统计的题目类型不同.从纵向来看,2017至2019年的主观题所考查的能力类型则是没有明显的趋势变化.

3.3 知识维度

我国物理考试的知识以《物理课程标准》为基准,是指学生面对相关生活实践或问题时,有效的认识、分析、解决问题所必备的知识,是主要由基本的事实、概念、规律和方法组成的知识体系.相对PISA的知识框架,上述所说的知识多属于内容性和程序性知识,然而认知性知识则是没有明确划分的.而在用PISA知识框架对主观题进行分析统计后,得到表5和图5.

表5 2017—2019年全国理综1卷主观题科学知识维度统计

图5 2017—2019全国理综1卷物理主观题知识维度类型占比图

首先观察数据可知,从纵向角度分析,主观题考察内容性知识占比逐年减少,程序性知识和认知性知识的总占比量则是不断地增加,每一年对于程序性知识的考察都是最少的.而横向来看,2017年和2018年,内容性知识占比最多,分别为50%和40%,认知性知识次之.而2019年认知性知识占比最多,为56%.内容性知识次之,为31.3%.一般来说,程序性知识体现在实验题中.2017年的程序性知识是最少的,而内容性知识最多.这侧面反映了2017年的实验题中大部分问题可能是仅需要学生利用单一的知识点和简单的计算来求解的,并未涉及实验步骤或实验探究的相关内容.总体而言,命题者除了注重对基本概念原理的考察外,还逐步加重对知识本质的理解考察,但对于实验探究的考察还是比较少的.

相对于高考题,PISA2015和2018的测试题中内容性知识占比最多,为54-66%,程序性知识次之,为19-31%,认知性知识最少,为10-22%.相对而言,学生掌握和运用内容性知识会更容易,因为程序性知识和认知性知识涉及到更多关于科学探究的思想,需要学生通过两个或多个步骤,分析处理数据,并整合得到结论,难度会更高.

其次,从2017至2019年全国理综卷物理知识点的数量分布,及其占考试大纲所列出的72个知识的比例来看(如表6),3年所占比例起伏比较大,说明命题人的关注点不在于知识点的覆盖面,而更关注对知识点的深度考察.并且某些知识点在同一张试卷中出现多次考察,例如匀变速直线运动规律在2017年的第15、22、25题;2018年的第14、15、18、24;2019年的第18、22、25题均有涉及.对同一知识点的多次考察,必定是对知识点本质的考察,多属于认知性知识的考察.由此也印证了上述内容性知识占比下降,而其余两者总占比量上升的数据结论.

表6 2017至2019年全国理综卷物理知识点的数量分布及占比

3.4 认知需求

由图6和表7可知,横向分析,无论哪一年,中等认知需求所占比例均是最多的.其次,除了2017年外,高认知需求占比第二.而纵向来看,高认知需求占比逐年增加,而低认知需求占比则是逐年减少.PISA2015中高认知需求题目占比62%,远远高于高考试题占比.

表7 2017—2019年全国理综1卷主观题认知需求维度统计

图6 2017—2019全国理综1卷物理主观题认知需求类型占比图

其次,题目认知需求的判断是从总体而言的,包括模型的构建、数据的处理等,但在同等认知需求的题目中,所考查的物理能力是有较大的不同的.

以每一年的第25题为例.

2017年考察的是带点油滴在电场的运动.研究对象仅有1个,涉及匀强电场、牛顿第二定律和匀变速直线运动规律3个知识点和匀速、匀加速、匀减速3个物理过程.相对繁巧的数学运算来说,所考查的物理能力是比较简单的.

2019年考查两个物块在倾斜轨道和水平轨道上的运动.相关联对象有2个,涉及匀变速直线运动规律、牛顿第二定律和动量定理3个知识点,但该题物理过程有6个,且涉及的参数繁多.而参数的繁多和物块的往复循环运动都使得数学计算有较大的难度.其次考生必须对物理过程的因果关系有清晰的把握,特别对物体各参量的方向有准确的判断,否则不能列出有效公式并进行有效计算.而这就需要考生对物理概念规律有深度的理解,甚至达到具备良好物理观念的层次.相对于前两道题目,本题对物理能力的考察体现的更好.[7]

3年的压轴题的认知需求基本是一样,都是第一小问属于中层次认知需求,后续小问属于高层次认知需求.但以从考察物理能力,对学生物理水平的要求而言,则是逐年上升的.

4 PISA视角下的物理教育启示

4.1 增加试题生活情境,提升学生建模能力

PISA测评题目都是基于各种情境来考察学生的能力,而全国理综卷的物理主观题中还是以学生熟悉的实验情境或无情境居多.试题中的物理情境能够给予学生解决问题的实际意义,增强学生对物理知识的本质理解.其实近年来不断有学者提倡使用原始物理问题,这其实就是增加试题的情境性.使用不同情境的题目有利于提高学生提取题目重要信息的能力,更有利于提高学生的建模能力.在日常教学中使用情境性题目能帮助学生搭建理论知识与生活实践的桥梁,促进学生深化物理知识,形成物理观念.同时也会培养学生关注社会技术问题和社会责任感.

4.2 增强科学探究考察,提高学生探究能力

上述统计数据中“认知性知识”和“科学地解释数据与证据”的比例增大,反映了试题注重考察学生对知识的深度理解的良好趋势.但“程序性知识”和“设计和评价科学探究”的比例之少则侧面反映对物理实验考核的不足.物理是一门以实验为基础的学科,因此在对学生科学探究能力的考查上应当更为注重.在笔试测试中,对仅有的两道实验题目应当更注重结合实验探究能力和实验过程来设置.例如2019年的全国理综1卷的第23题对电表改装的考察,通过对电路设计、对现象的推论和解释等问题,就很有针对性地考查了考生的科学探究能力.对于实验题目的设置不能局限在数据的分析计算中,更应当从实验的目的和设计的原理的角度出发,让学生知道“怎么做”和“为什么这样做”.

4.3 注重考查物理能力,关注试题认知需求

试题的难易程度可以起到重要的选拔作用,而不同层次的认知需求则能够考查学生理解与运用知识的总体水平.在不同类型的题目设置不同层次的认知需求,有利于反映不同的学生的能力水平.其次不同认知需求的设置应当着重在题目的物理水平上,而非计算的繁杂性.高认知需求的试题应当更注重考查学生的物理观念、知识本质和分析、比较、总结等多步骤解决方法.从而提高学生的物理核心素养.