基于核心素养下的纸笔测试科学探究题的效度研究

石 弘

(湖北省宜昌市第六中学，湖北 宜昌 443000)

1 问题的提出

物理学科的核心素养是由“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”和“科学态度和责任”4个要素组成,其中科学探究是物理学习的主要方式,是形成其他物理核心素养的主要途径．所以科学探究能力的培养是发展学生核心素养的关键．在现阶段我国基础教育升学体制的大环境下,纸笔测试还是选拔学生进入高一级学校的主要依据,所以升学考试依然是现阶段物理教学的主要依据之一.怎样在纸笔测试中体现学生的核心素养,是我们每一位物理教师特别是中考命题教师一直要研究的问题．近年来,全国各地中考题中涌现了一大批较好的科学探究笔试题．但笔者发现也有一部分科学探究题没有达到真正考查学生科学探究能力的目的.在平时的课堂和课外探究活动中探究能力很弱的学生在这样的纸笔测试中往往也会取得很好的成绩．那么什么样的探究题能真正达到考查学生的科学探究能力的目的,具有良好的效度呢?为此,笔者于2019年春季在其学校8年级8个班中进行了研究．

2 基本假设

探究题在能力水平层次中属于理解和问题的解决层次,考查的目标在课程标准中已经有清楚的界定.它是通过对设置的一个具体的物理情景的研究来考查学生在研究过程中表现出来的科学探究能力．怎样才能在纸笔测试中考查出这种能力呢?笔者认为,学生已经经历过的探究或曾经遇到过的探究问题完全可以凭记忆作答,考查不出学生真正的探究能力.要想在纸笔测试中考查出学生的探究能力,一定要在探究试题的设计中触及到学生的思维.学生在答题过程中必须有探究过程,即必须有现场的探究行为．

3 研究过程

在2019年春我校8年级的单元测验和期中考试的命题中,笔者对试卷中科学探究题部分进行了不同的设置,并在考试后对考试结果进行了分析,分析过程如下.

案例1.

1. (2019年春《第7章 力单元测试》)表1是小明测得的数据,请你根据数据在图1所示坐标中描点.

(1) 作出G-m关系的图像．

(2) 根据画出的图像得出G-m关系为____________．

表1

2. (2019年春期中测试)小明想用橡皮筋作为材料自制一个弹簧测力计．制作前,小明对橡皮筋的伸长与所受拉力的关系进行了探究．并得到如表2所示数据.

表2

(1) 将表2中的数据用ΔL-F图像(图2中)表示出来．

图2

(2) 根据图像,得出的结论是橡皮筋的伸长与所受拉力________正比(填“成”“不成”)．

(3) 如果小明用这根橡皮筋自制弹簧测力计,你认为刻度会与利用弹簧制作的测力计有何不同?

这两道题的第一问都是在考查学生描点作图和用图像处理数据,我校的8个班在相隔不到一个月的考试结果如表3所示.

表3

图3

两道题的第1问,3个组的得分率都没有发生较大的变化,中、高分组得分较高,说明学生描点作图这种技能还是掌握得较好,两次考试均有较高的效度．第二问是我在实验室测出的橡皮筋真实数据,测量结果橡皮筋与弹簧不一样,它的伸长与拉力是不成正比的,这个结论通过ΔL-F图像不是一条过原点的直线很容易得出,这个结论应该与第1题的第2问的难度是相当的,但各个组的得分率都大幅下降．进一步分析不难得出,第1题学生得分率较高的原因并不是答对的学生都具备了用图像处理数据的能力,而是这个结论学生学过,他根本不需要通过图形,而是仅凭记忆就可得出正确的答案,所以这一问表面上是想考查问题的解决能力层次,实际上考查的是记忆层次．高分组的学生学习一般都比较认真,教师讲过的知识都能记住,所以第一题高分组学生的得分率能达到100%．第2题学生遇到的是他没有见过的情景,不可能凭记忆作答,这时学生利用图像处理数据能力的差异就显现出来．对学生利用图像进行数据处理这种探究能力的考查,第2题的效度无疑比第1题高的多．从学生根据所给数据描出的图(图4)中可以得出橡皮筋的伸长与拉力不成正比并非难事,但学生的得分并不高．这反映出我们的教学在科学探究能力素养的培养方面还是有待加强的．

图4

案例2.

(2019年春期中测试)理想模型法是研究物理规律的一种重要的思想方法,它以大量可靠的事实为基础,以真实的实验为原型,通过合理的推理得出物理规律．理想模型法能深刻地揭示物理规律的本质．

(1) 伽利略在研究阻力对物体,让同一辆小车从同一斜面的同一高度自由滑下,分别驶上粗糙程度不同的平面,结果发现:运动物体受到的阻力越小,速度减小得越________,伽利略以这个事实为基础,用理想模型法推理得出的结论是____________________,科学家们经过进一步的研究,在此基础上得出了著名的______________．

图5

(2) 如图5,把正在响铃的闹钟放在玻璃罩内,逐渐抽出其中的空气,我们发现抽出的空气越多,听到的声音越小,如果我们利用理想模型法,就能得到一个推论．在研究中,你基于的可靠事实是____________________,推理得出的结论是____________________,通过后来的物理学习,我们知道这个推论是____________(填“正确”或“不正确”)

本题是对学生探究过程中物理思维方法的考查,在“牛顿第一定律”这节课里,学生在教师的带领下经历了从伽利略、笛卡尔到牛顿的研究和推理过程,学习了理想模型法这种推理的思维方法.这种物理思维是否内化为学生的科学素养,这就是本题的考察目标,应该属于理解层次．笔者设置了两问,第1问是学生在课堂上已经经历过的探究过程重现,第2问是让学生利用这种物理思维方法去研究另一个问题,实际上这个问题也不是新的,是在8年级上学期学过的声现象,只不过当时没有用这种方法来推理．学生考试情况如表4所示.

表4

第1问是经常考的一道常规题,学生多次反复练习,所以得分率很高,但这是不是意味着学生对理想化模型这种物理思维方法掌握的比较好呢?从第2问的答题情况看绝非如此,可明显看出很多学生无法利用这种研究方法研究新的问题．如果我们要去考查学生这种科学思维方式的养成情况,第一问很明显达不到目标,作为考查科学思维方法,第2问明显具有更高的效度．

案例3.

1. (2018年秋期末测试)为了探究同种物质的质量与体积的关系,小明利用铝块和木块测得4组数据,填在表5中.

表5

(1) 根据以上数据,你得出的结论是①________________②________________

2. (2019年春期中测试)小明在学完了“重力”这一节后,从互联网上查到了科学家利用精密仪器在地球上不同位置测得的两组数据，如表6所示.

表6

图6

图7

(1) 根据以上数据,你得出的结论是

①________________②________________

(2) 图6是小明根据数据画出的重力与质量关系的图像,你认为图中(a)图像是__________地的图像．

(3) 图7是小明奶奶上街买菜时使用的弹簧秤(实际上就是一个弹簧测力计)．小明认为它只能大致测出物体的质量,不能准确测出物体的质量．他的看法对吗?说出你的看法．

第1题是这届学生在8年级上学期的期末考试题,这里只是摘取了第1问,在智学网上调出了当时学生的答题的得分情况．第2题是我这次期中考试命制的一道题,我的目的主要是对比两道题的第1问．

第1题的第1问“探究同种物质的质量与体积的关系”是学生经历过的,教师教学生怎么得出两个物理量间定量的关系,得出“同种物质质量与体积的比值是一定的”,然后对比另一组数据,发现比值变了,而条件的变化就是物质变成了另一种,所以得出“不同物质,这个比值是不同的”,从而引出密度的概念.我相信每一个教师都是这么教的．这个环节除了在知识上得出密度的概念外,关键是要培养学生探究活动中分析论证的能力．第2题的分析论证过程与第1题几乎完全相同,先通过A地和B地的数据得出“同一地点,重力与质量的比值是一定的”,然后比较两地的比值,得出“不同地点,这个比值是不一样的”．

学生考试情况如表7所示.

表7

第1题同样是学生反复训练的问题,得分率在高分组和中间组还是比较高的．第2题虽然也是上课探究过的实验,但课堂的实验并没有探究不同地点的g的值是不一样的,所以这道题学生是无法通过记忆来回答的,只能用从前学过的分析论证方法现场分析得出结论.很明显不少成绩好的孩子并不具备这种能力,所以第2空丢分比较严重．两道题的对比充分说明第1题很多学生的得分与分析论证能力并没有直接的联系,如果我们用类似的题考查学生的分析论证能力,是几乎没有效度的．

4 研究结论

通过以上案例的研究,笔者认为一道较好效度的科学探究笔试题不应是对教材探究过程的重复,也不应是学生有可能在各教辅书上见过的陈题.只有让学生有在考试现场的探究行为才能真正达到考查学生科学探究能力的目的．

5 研究的意义

本研究结束后,笔者和教研组的教师们对实验结果都很惊讶,没有想到我们的高分组学生科学探究能力这么弱.我们在本学期的校本教研活动中通过这次研究结果对我们的课堂教学进行了反思.

(1) 核心素养背景下的物理课堂构建我们已经开展了好几年,学习了不少核心素养方面的理论文章,参加了不少类似的学习培训,自己以为已经在核心素养下的初中物理课堂教学构建方面迈开了较大的步子,但这次研究结果表明我们在课堂上对学生科学思维和科学探究能力这种核心素养的培养还是非常欠缺.课堂还是以传授知识的识记为主,在探究活动中总是以教师演示和讲解为主,没有以学生为主体,在学生自主探究的过程中有意识地渗透核心素养．究其原因,还是因为教师们觉得用传统的讲授式教学不难对付这些常规的科学探究试题．

(2) 在复习备考的过程中,教师们一是热衷于去挖掘教材实验中可以作为探究考题背景的所谓“亮点”,以押宝的心态让学生反复训练,期待自己能在中考中“中大奖”,二是通过传统的题海战术将教材上的探究任务一网打尽．通过这次校本研讨,教师们觉得对付科学探究题的真正办法是在物理的学习中让学生形成独立研究问题的物理思维,提高科学探究的能力．

(3) 在教学中提高教师自己的编制题目的水平,对探究能力的考查尽量避免命制那些不用动脑筋,仅凭记忆即可作答的“伪探究题”,让那些真正具有现场探究能力的学生在考试中脱颖而出.这样才会通过评价来促进教师和学生在教与学的过程中注重核心素养的培养．