大学生物理实验素养评价体系的构建

刘佳琪，李春密，冉 露，黄佳佳

(北京师范大学 物理学系，北京 100875)

物理学是人类在探索自然现象及其规律过程中形成的一门以实验为基础的自然科学[1]. 物理学中的重大进展与实验研究工作密不可分. 近年来，国内外许多学者从建构主义、物理课程改革的新理念等理论出发，对于初高中学生的物理学科能力、物理实验能力开展了大量研究[2-3]. 然而，相比之下，仍然缺乏对于大学生的物理实验素养的针对性研究，缺少系统、具体的大学生实验素养的评价指标体系，而且对于大学生的实验素养现状分析不足. 大学物理实验是培养学生实验素养和各项能力的重要环节，是培养符合当今时代需求的高素质、高能力人才过程的重要组成. 构建大学生物理实验素养指标体系，分析大学生的物理实验素养水平，可以有效地探索大学生在进行物理实验时存在的普遍问题，为教师开展教学设计、制定教学策略、顺应教学改革提供必要的理论依据.

为了评价大学生的物理实验素养，以布鲁姆教育目标分类学等教育理论[4]和中学物理三维目标、物理学科核心素养等教学理念为指导[5]，构建大学生物理实验素养的结构模型. 依据从模型中提取的重要成分，给出大学生物理实验素养的评价指标，并制定评价水平量表，构建科学系统的评价指标体系，以求为高等院校开展大学物理实验教学提供参考意见和理论依据.

1 大学生物理实验素养的概念界定

依据系统论的思想[6]，以物理学科核心素养的概念为基础，对大学生物理实验素养的概念进行分级界定. 大学生物理实验素养是大学生在进行物理实验过程中逐步形成的个人能力和素质，是学生顺利进行物理实验的个体必备条件. 作为学生科学素养以及物理素养的重要组成部分，大学生物理实验素养符合大学物理实验的特点，包括理论知识、实验技能、实验与社会发展的关系等诸多方面[7]. 相比于中学物理实验，大学物理实验更复杂，更强调自主、更开放，更能体现学生的个人能力，要求学生具备更高的科学探究精神. 因此，大学生物理实验素养具有以下特点:

1)综合性. 构成大学生物理实验素养的因子不是相互孤立的，而是相通互融的. 大学生物理实验素养是知识、方法和情感的有机结合，包括多个因子. 单一的物理实验素养无法解决问题，不同因子之间相互影响，对学生的物理实验起到综合作用.

2)发展性. 学生的物理实验素养并非与生俱来，而是在不断学习、不断实践的实验活动中逐渐形成的. 随着实验活动由简单到复杂，学生的实验素养水平也在循序渐进地提高.

3)个体差异性. 不同于中学物理实验，大学物理实验课程更强调学生的个人能力. 学生在知识和方法2个维度上的素养差异直接影响物理实验素养的评价结果.

4)外显性. 学生在实验过程中的表现是大学生物理实验素养的外在表现，学生的物理实验素养可以通过其表现进行测评和推断.

2 大学生物理实验素养的结构模型

结构模型是提出大学生物理实验素养评价指标的基础. 根据大学生物理实验素养的特点，参照吉尔福特的智力结构图[7]，构建了大学生物理实验素养的结构模型，如图1所示.

图1 大学生物理实验素养的结构模型

大学生物理实验素养的结构模型共有3个维度：大学生物理实验素养要素(x轴)、大学生物理实验过程(y轴)和水平等级(z轴). 每个维度下有不同的因子. 大学生物理实验要素有3个因子：知识、方法和情感，这3个要素是大学生物理实验的必备要素，在内容上既与中学物理教学目标中的三维目标保持一致，又对应于布鲁姆教育目标分类学中的知识向度和认知历程[2]，是学习活动中的必备品质. 其次，大学生物理实验过程包含了4个因子：学习、操作、分析和应用，这在认知维度上符合物理实验的发展过程. 最后，为表现各方面素养的差异性，以水平等级作为第3个维度，设立5个水平级次，用以表现同一维度下各元素的差异.

知识、方法和情感3个维度下共有3+4+5=12个因子，这些因子相互作用，共形成了60个元素，每个元素可以代表1个基本的大学生物理实验素养单元.

3 结构模型中的元素解释

考虑x和y维度的因子间作用，可以得到12个表征大学生物理实验素养内容的关键成分，并定义其为“重要成分”. 在此基础上加以z维度的5个水平因子的作用，可以得到模型中的全部60个元素. 每个元素对x,y和z维度做投影，对应不同的内在含义和外部表现.

3.1 12个重要成分

首先，综合x和y维度，大学生物理实验要素和大学生物理实验过程2个维度相互作用，共形成3×4=12个成分. 将这12个成分中的每个成分在x轴上投影，表示完成大学物理实验的必备能力；各成分在y轴上投影，是该成分在物理实验过程中的具体表现. 这12个成分囊括了大学生物理实验素养的全部内容，因此定义它们为“重要成分”. 表1具体解释了这12个重要成分的内涵.

表1 对结构模型中12个重要成分的解释

“知识-学习”成分指的是实验前的知识储备过程，“知识-操作”、“知识-分析”和“知识-应用”成分体现了理论和实践的结合：一方面知识的学习指导实验过程顺利进行，另一方面通过实验可以充实理论，实现知识的完善和深化.

方法体现在实验过程中的各个阶段，成功地完成实验离不开方法的支撑. 学习实验方法指的是在实验操作前，对实验方法的预习、观察、模仿和交流；实验操作主要包括选择搭建仪器、操作实验仪器、解决实验中的实际问题和实验数据的采集；分析过程和方法，既是对实验现象和结果的分析，又是实验结论的构建过程；方法的应用是深入理解和再创造的过程，在反思实验形成实验经验的基础上，寻求更高效的操作方法，或者对实验方法进行创新，并且将其运用到学习与生活当中.

情感因子融入到实验中的各个阶段，表现为实验兴趣、实验习惯、科学态度和价值观. 大学生要在学习过程中培养实验兴趣，具备认真严谨的学习态度；在操作过程中展现良好的实验习惯，尊重实验数据和客观事实；在分析过程中具备钻研和探索精神，努力发现物理规律，培养物理思维. 大学生要形成良好的价值观念，逐步形成对科学技术应有的态度与责任感.

3.2 全部60个元素

在12个重要成分的基础上，加入水平维度，即考虑x,y和z3个维度形成的60个元素：当确定了某个重要成分后，即该元素的x和y坐标已确定，z轴的5个不同取值可以反映这一成分的5个不同的水平等级，12个成分的5个水平等级共构成60个元素. 将三维结构模型中的每个元素对3个坐标轴做投影，可以表示学生在知识、方法和情感中的某一方面在物理实验下的某个过程中的个体发展.

可以看到，该结构模型中的60个元素分别有其含义，基本可以涵盖大学生物理实验素养的组成内容和发展等级. 采用此模型评价学生的物理实验素养可以在模型中对应地找到评价对象的素养分布状态. 在教学中，培养学生的物理实验素养，就是要让学生形成趋向于顶层分布的大学生物理实验素养元素的完整集合，使学生的各项素养达到较高的水平级次.

4 大学生物理实验素养的结构模型特点

大学生物理实验素养的结构模型特点如下：

1)整体性. 该模型指出了大学生物理实验要素是由知识、方法和情感在大学生物理实验过程中的外部体现. 不同维度之间相互作用，不同元素之间相互联系，形成了紧密结合、共同发展的有机整体.

2)协调发展性. 大学生物理实验素养的内容不是一成不变的. 随着实验难度的提高和大学生的个人发展，模型中的每个元素可以被不断填充，按照一定规律发展变化，但是模型的整体结构是稳定的.

3)将大学生物理实验的特点与实验素养结合在一起. 大学物理实验重视学生的知识发散过程和思维锻炼过程，注重学生的基本素质和个人能力. 该模型中的几个维度的作用强化了知识与实践的相互指导作用，同时水平维度突出了学生的能力差异，体现了大学生物理实验的突出特征.

5 大学生物理实验素养的评价体系

根据已经构建的模型中大学生物理实验要素和大学生物理实验过程2个维度的相互作用，得出了可以表征大学生物理实验素养内涵的12个重要成分. 由于每个成分是2个维度相互作用的结果，各成分之间存在内容的重叠，有相同的外在表现. 为了满足评价指标的相对独立性，综合分析12个成分的含义，提取成分中的重要因子，重新归纳出大学生物理实验素养的一、二级指标，并且结合评价水平量表构建大学生物理实验素养的评价体系.

5.1 一级指标的内容及其内在关系

首先确立大学生物理实验素养的6个主要成分：理论基础、实验操作能力、数据处理与分析能力、设计创新能力、情感态度和科学态度，作为评价的一级指标.

1)理论基础是指学生对于物理理论及实验理论的掌握情况. 其中物理理论部分具体表现为能够较系统和完整地掌握物理学的基本理论、基本知识和基本技能，以及所需的数学基础知识；实验理论部分指学生通过学习大学物理专业课程以及实验操作中的知识积累，形成对实验原理及内容上的认知和动手能力[8]. 物理理论和实验理论密不可分、相互补充.

2)实验操作能力是指学生顺利完成实验的能力. 具体表现为：学生能够通过实验前的自主学习和教师的讲解示范，借助仪器的使用说明顺利组装实验装置，操作仪器，观察现象，合理记录数据，灵活应对实验中的突发状况，将理论知识运用到实际操作之中.

3)数据处理与分析能力是指学生在实验结束后处理实验数据、分析实验结果和构建实验结论的能力. 数据处理能力要求学生全面、深入地分析物理现象，掌握常用的数据处理方法，熟练应用处理数据软件. 学生能够科学地分析实验误差，对所得结果提出完备的解释，给出相应的实验结论. 数据处理与分析能力是学生总结物理规律的关键.

4)设计创新能力是指学生在熟练掌握已知实验的基础上，改进和设计实验的能力. 具体表现为：学生能够发现实验问题，提出合理的改进方案；能够仿照已知实验，独立设计实验.

5)情感态度是学生在物理实验过程中的内心体验以及养成习惯. 它既包括学生对于物理实验的学习热情和兴趣，以及物理学科的历史、发展和应用对学生引起的个人情怀和内心世界的变化，又包括学生在物理实验过程中潜移默化的行为习惯变化.

6)科学态度是学生在实验中形成的对于物理学习、科学进步以及社会发展的价值观念. 具体表现为：学生具有敢于和善于提出问题的能力，具有独立思考的能力和批判精神，具有创新意识和新思维，能够领悟和运用物理学的思维方法和研究方法；学生有强烈的好奇心和求知欲，坚持真理，具有实事求是的科学精神；学生能够了解和体会物理学科对于科学进步以及社会发展的贡献，有振兴中华的责任感和使命感，有科学工作者服务人类的意识[9].

这6个主要成分密不可分，在大学生物理实验素养中均发挥着不可替代的作用:理论基础是大学生物理实验素养的前提，是其他成分的先决条件；实验操作能力既是学生完成物理实验过程的关键，也是大学生物理实验素养的直接表现；数据处理与分析能力是理论基础与实验操作能力的综合体现，既是上述成分的延伸，同时数据处理与分析的结果又可以反作用于理论与实践；设计创新能力是物理实验的拓展，是各项成分的深化；情感态度与科学态度贯穿于物理实验及物理学习的始终，是其他成分的思想指导,其中，科学态度既是情感态度的深化，又为情感态度的发展提供了导向.

5.2 大学生物理实验素养指标

为了实现精准评价，对每个一级指标进行细化，拟定了二级指标. 在对北京师范大学物理教师进行访谈交流和意见征集后，确定了大学生物理实验素养的指标内容，并对每个子指标在总指标中所占权重比例的调查结果计算其统计平均值. 以上述内容为依据，最终确定评价指标如表2所示.

表2 大学生物理实验素养指标

该指标共包括6个一级指标和26个二级指标，表1每个单元格中括号内的数值为该指标的权重. 通过权重比例，可以有效地量化大学生物理实验素养这一抽象概念. 大学生物理实验素养的计算方法为

i=1,2，…，6;j=1,2，…，m;3≤m≤7.

其中，i代表一级指标序数，j代表二级指标序数，m为每个确定的一级指标下对应二级指标的总数；Sij为每个二级指标的得分，Wij为该二级指标在一级指标下的权重，Wi为该一级指标在总指标下的权重，例如：S25表示评价对象在“观察实验现象”指标下的测试得分，此时m=7，W25=0.128，W2=0.325；S为评价对象大学生物理实验素养的总分数.

基于此，通过计算评价对象的大学生物理实验素养的得分，即可判断该学生的物理实验素养水平.

5.3 评价水平量表

为描述学生的物理实验素养，与学生的测评分数相对应，以直观展现个体水平，需要结合指标框架制定评价水平量表.

参考李克特量表法[10]，对大学生物理实验素养的水平进行5级划分，如表3所示.

表3 大学生物理实验素养水平等级划分

由于大学生物理实验素养是协调发展的，整体水平与子指标水平间存在包含关系，但并不绝对对应. 在实际应用中，可以将水平等级中的每项抽离出来，制定一级指标以及二级指标水平量表，开展单一指标水平对比与评价.

6 大学生物理实验素养评价体系的特点

大学生物理实验素养评价体系的特点如下：

1)科学性. 该评价体系遵循科学的理论基础，从布鲁姆目标教育分类学、物理核心素养等理论出发，与科学素养所提倡的培养目标相一致. 指标和水平量表中的每项内容不是随意确定的，各项指标都针对大学生物理实验的特点.

2)全面性. 评价指标提取了大学生物理实验素养中的重要成分，全方位、多角度地分析学生素养. 评价指标被划分为多个层次，并且逐层分解为多个因子，评价因子的复杂性体现了评价的多元化.

3)整体性. 评价体系中各指标之间不是脱节的，是相互联系的，评价体系是统一的有机体.

4)可操作性. 评价指标中每项指标相互独立、明确具体，易于理解，符合学生的认知水平；评价方法便于实施，指标的设置便于评价者进行观察评价.

5)导向性. 评价的目的是促进大学生发展，而非选拔与甄别. 该评价体系对于大学生物理实验素养的发展起到了积极的引导作用.

6)可回溯性. 通过评价指标和评价结果，学生可以发现自身优点和问题，寻求正确方法以发展自己的实验素养. 教师以此为参考，发现教学过程存在的问题，加以改进和完善，提高实验教学的质量.

7 结束语

物理实验是培养物理思维、锻炼个人能力的重要手段，是探寻客观规律的必要途径. 大学生物理实验素养的发展对于学生科学素养的发展起到了至关重要的作用. 在多种教育理论和教学理念的指导下，构建了大学生物理实验素养的结构模型，并在此基础上，拟定评价指标和水平量表. 根据构建的大学生物理实验素养评价体系，可以进行大学生物理实验素养的测评，了解学生物理实验素养的现状和普遍问题，以优化教学策略，引导学生不断提高物理实验素养.