基于核心素养的高中学生物理科学探究能力调查研究

徐瑞璟 李春密

（1.北京师范大学物理系，北京 100875；2.青岛市实验高级中学，山东 青岛 266100）

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》提出：“要全面提高普通高中的学生综合素质，深入推进课程改革，全面落实课程方案”[1].2017年党的十九大明确提出要落实立德树人根本任务，发展素质教育.发展学生核心素养的教学目标引起了高度重视，我国的基础教育课程改革迈入了一个新的发展阶段.《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中提出，物理学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力，由物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四方面内容组成.其中科学探究是指：“基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、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、反思的能力.”[2]

物理学是以实验为基础的学科，令学生在物理学习中体验完整的科学探究过程是培养物理学科核心素养的关键环节.了解学生的科学探究能力现状，对进一步提高学生的科学探究能力，进而发展物理学科核心素养具有重要意义.国际上一直在研究评价科学探究能力的方法，1997年由经济合作与发展组织主要负责开展了核心素养框架项目——“素养界定与选择：理论与概念基础”，提供了评价核心素养的理论基础.2000年OECD首次举办了PISA测试（国际学生评估项目），主要用纸笔测试的模式评测科学情境和概念、过程技能.[3]2003年TIMSS被称为国际数学和科学测评趋势，从发现并解决问题、建立和修正理论模型、观察和测量、解释数据概括结论四个方面评测科学探究能力.[4]2004年我国出版了译本《等级评分：学习和评价的有效工具》，介绍了PTA量表法和等级评分的方法.郭玉英分析比较了国外科学探究能力的3种模型，对问题解决模型加以肯定和修正，强调把握科学探究的本质特征.[5]李春密教授建立了科学探究能力三维结构模型，并提出了深刻性、灵活性、敏捷性、批判性、独创性5个可以用于评测学生的主要指标.[6]

本研究旨在调查高中生物理科学探究能力真正处于什么水平，是否达到物理新课标在核心素养方面的要求，对不同省份、性别、班级水平加以比较研究，分析原因并提出适当的建议，为进一步发展学生的物理学科核心素养打下基础.先采用文献研究法，综合比较核心素养及科学探究概念的界定和要求，把握调查方向和研究目标，分析用于建立评价体系的原则和方法.采用PTA量表法设计评价量表和权重建立评价体系.再采用问卷调查法，调查3个省份重点中学高二年级普通班和实验班的学生.最后建立物理科学探究能力的水平分析模型，对数据进行统计分析和比较.

1 评价量表的编制

考虑到各个省份及学校实验设施的条件限制，本研究依据《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》，结合学者们对科学探究、实验探究要素整理出的研究成果和笔者对专家的访谈，将高中物理科学探究能力整合为提出问题与假设、制定方案与实施、信息分析与解释和报告交流与反思四项能力要素.课程标准已经将物理学科核心素养划分为递进关系的五级水平，其中高中毕业生应达到的合格水平为学业质量水平二，进入高等院校相关专业学习应达到的要求为学业质量水平四.[7]本研究再进一步将科学探究的5个水平按4个基本要素划分开来，制定高中生物理科学探究能力的PTA评价量表，并设定各要素及水平指标的权重.对量表中学生表现的评定能够得当反应学生的总体情况.

根据4种科学探究能力要素各对应5个水平的情况，将每一水平制成一个题目，题目顺序完全打乱，保证每种要素的题目不连续，相同水平的题目不连续.将科学探究能力评价量表制作成李克特量表，5点选项分别为完全符合、比较符合、勉强符合、不太符合和完全不符合，展现方式为自我评价.被测对象根据自身在物理学习和日常生活中的经验和表现，在符合自己能力的情况上打勾选择.高中生物理科学探究能力评价量表内容如表1.

表1 物理科学探究能力评价量表

续表

评分标准按符合程度由高到低赋5、4、3、2、1分，总共5个水平.其中一级指标为4个能力要素，各要素均为科学探究中的重要环节，探究中的4个步骤重要程度没有明显差异，因此设定权重相同，均为0.25.二级指标为水平一至五，5种水平层层递进，且递进程度相同，因此设定权重相同，均为0.05.

（1）自评量表中各项能力要素题目的得分计算模型如下.

公式（1）中，Sab是指第a种能力要素中第b个水平即第b题被调查者的得分.a代表能力要素的4个部分；b代表第a种能力要素下的5种水平；i为第b题的第i项备选答案；Qbi为第b题中选择第i项备选答案的样本数；Cbi为第b题中第i项备选答案的赋分；N为样本总数.

（2）指标体系中各项能力要素得分模型如下，

公式（2）中，Sa是第a项能力要素的得分；Wab是第a项能力要素中水平b的权重，由于分为5种水平且每种水平权重相等，Wab=0.2.在以上计算方式下，各个能力要素水平的得分均在1-5之间，为了便于参照学习成绩来划分等级，结果采用百分制，计算结果乘以20.

（3）高中生物理科学探究能力总体得分模型如下.

公式（3）中，S是物理探究能力的综合得分；Sa为各部分能力要素的得分；Wa为各部分能力的权重值.

（4）高中生物理科学探究能力水平等级的确立

将物理科学探究能力的得分对应考试评价标准，分数从及格线至满分等分成5个等级，其中高中毕业生应达到的合格水平对应等级二，进入高等院校相关专业学习应达到的要求对应等级四.见表2.

表2 物理科学探究能力等级分数划分表

2 调查结果及统计分析

笔者依次在A、B、C3个省份的重点中学的高二年级普通班和实验班发放自评表，学生根据自己在学习生活中的经验和物理实验中的表现，对自身的科学探究能力做出相符合的评价，每张问卷用时10分钟左右.自评表总共发放218份，回收218份，有效问卷185份，回收率为100%，有效率为84.86%.

2.1 不同省份物理科学探究能力平均水平及整体情况

根据本研究建立的科学探究能力的计算模型，分别统计李克特量表中5个分度的选择人数，计算3所学校被测对象分别在4种科学探究能力要素上的分数和科学探究能力的总分，对照能力水平等级分数划分表划分相应的等级，并统计3个省份整体的得分和总分.计算过程省略，得分及对应等级如表3所示.为了更直观地比较，采用条形图表示，如图1所示.

表3 3个省份物理科学探究能力水平情况

图1 3个省份物理科学探究能力情况

由上表分析可得结论，A、B、C3个省份的重点中学被测整体水平处于等级三下游.高于合格考水平且低于等级考水平要求，符合高二年级已经经过合格考但未经过高三复习的能力水平.其中提出问题与假设能力得分最高，报告交流与反思能力得分最低.总体上说明学生根据物理现象及情境，提出相关问题并作出假设的能力较强；撰写规范完整的实验报告，并交流与反思实验结果及过程的能力较弱.各个省份中四项科学探究能力水平的差别大同小异，说明每个省份科学探究方面的问题基本一致.

参照2017年姜珊对北京市3所学校高二年级的调查，其测试结果显示各所学校“交流表达与合作”能力得分均为最高.[8]经对比分析得出原因，一方面科学探究能力的划分有所不同，该调查中实验探究能力按2003课程标准划分，偏向于考量合作与交流能力，本文按2020修订版课程标准划分科学探究能力，更强调实验报告的撰写及结果反思.说明学生在撰写规范的实验报告及反思实验结果方面的能力，相比其他科学探究能力更为欠缺.另一方面经过培养核心素养理念的推广，各个学校的教学可能有所改进，导致学生的表现与往年稍有不同.

对比被测3个省份的物理科学探究能力，A省份整体水平最低，位于等级二上游；B省份整体水平居中，位于等级三下游；C省份整体水平最高，位于等级三下游且略高于B省份.王善迈等人于2009年对我国31个省份调查研究发现，各省份的教育发展水平存在明显差异.[9]本调查总体结果为A、B、C3个省份的科学探究能力得分递增，符合省份教育发展水平差异.

2.2 男女物理科学探究能力水平情况

按照科学探究能力的计算模型，计算男生、女生各自科学探究能力的得分及相应等级.统计结果如表4所示.A、B、C3个省份的重点中学被测总体男女生科学探究能力得分条形图如图2所示.

表4 男生女生物理科学探究能力水平情况

图2 男女生物理科学探究能力总体情况

由表4可得结论，男生整体水平处于等级三中下游，女生处于等级二中上游，男生更接近等级考学业水平要求.说明被试群体女生的科学探究能力明显低于男生，且各项能力要素均有差距.从高等院校物理相关专业录取及院士男女比例来看，男生人数明显多于女生，符合这一调查结果.[10]其中提出问题与假设能力男女生差距最大且得分最高，报告交流与反思能力得分差距最小同时得分最低.男女生科学探究方面的问题基本一致，C省份男女生对物理学习的差距更大.

李春密在2003年对男女生的初中物理实验操作能力进行过比较研究，男生的实验操作能力比女生强一些.[11]李鸿彬调查高一高二的多届学生发现男生对于物理学习的兴趣高于女生，且物理学习效果也明显好于女生.[12]综合以上研究结果，男生的物理科学探究能力整体强于女生.

2.3 不同水平班级的物理科学探究能力水平情况

按照科学探究能力的计算模型计算普通班、实验班各自科学探究能力的得分及相应等级.统计结果如表5示.A、B、C3个省份的重点中学总体普通班和实验班科学探究能力得分条形图如图3所示.

表5 不同水平班级的物理科学探究能力情况

图3 不同水平班级物理科学探究能力总体情况

由表5可得结论，被测普通班总体水平处于等级二中上游，稍高于合格考水平，实验班处于等级三下游，更接近等级考水平.被试群体普通班的科学探究能力明显低于实验班，且各项能力要素均低3分左右，说明普通班和实验班的各方面能力均有一定差距.其中信息分析与解释能力差距最大，提出问题与假设能力差距最小，说明普通班和实验班在对数据的分析处理并作出解释的能力方面有很大差距，而问题意识差别不大.

3个省份各种普通班和实验班对比来看，A和C省份普通班和实验班得分差别较大，B省份差别稍小.一方面可能和抽样选取的班级有关，相近水平的班级之间仍有成绩差距.另一方面可能和不同省份的实验班划分有关.提出问题与假设能力在各省份均为得分最高项，除去C省份的实验班信息分析与解释能力得分最高，其余科学探究能力要素与总体情况相同，符合3个省份的整体科学探究能力水平.

3 展望及建议

本研究的不足之处在于，学生物理科学探究能力的表现可能不仅限于新课标中给定的水平.实际情况中，科学探究能力与科学思维、物理观念等方面有不可分割的关系，因此量表的建立有待进一步推敲.量表的设定是学生根据自身情况做出判断，因此学生对自己的主观判断可能会影响调查结果.

针对调查结果的建议如下.

（1）平衡发展科学探究能力的建议.学生整体表现为提出问题与假设能力最强，报告交流与反思能力最弱，说明学生撰写规范完整的实验报告的能力较为欠缺，缺乏小组交流合作反思的能力.教师可针对这一情况，强调实验报告的要求，培养学生小组合作交流的习惯，加强学生完成规范实验报告和反思评价的能力.

（2）平衡发展各省份教育的建议.调查表明A、B、C省份学生的科学探究能力依次增强，宏观上可以说明我国不同省份的教育水平有一定差距，需要更加重视教育资源不均衡等问题.

（3）平衡男女生性别差异的建议.调查表明男生的科学探究能力显著高于女生，说明性别差异影响学生物理学科的学习，女生对物理学科的学习能力稍低.需要社会和家庭、学校共同努力消除性别偏见，增强女生对物理的兴趣和信心.

（4）培养学生科学探究能力的建议.鼓励学生在物理学习和生活中勇于发现问题、提出解决方案并实施.在教学中需要增加对物理科学探究能力的训练，充分重视实验探究，以学生为主体开展教学活动.课外可以增设科技制作、创造发明等活动，通过课外探究活动从多方面培养学生的科学探究能力，帮助学生学以致用加深理解，发展物理学科核心素养.