普通物理实验课程成绩量化的优化研究

肖 航,桑海波,景鹏飞

(1. 北京师范大学(珠海校区) 文理学院,珠海 519080 ;2. 北京师范大学 物理学系,北京 100875)

1. 绪论

1.1 研究背景

2019年高等学校大学物理实验教学标准[1]以及《非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求》指出,普通物理实验课程的目标是培养学生自主学习知识的能力,以及合理科学探究的能力.在授课整个过程中要努力争取建构一个有助于培养本科生科学素养和创新意识的授课环境.课程考核要求引导学生学习情况,检查教学成果,同时要体现课程要求规范.同时要尽量避免出现应试教育的消极影响,积极探索以素质教育为着力点的实验课程考评方式.[2]因此现在需要创制更加合理规范的普通物理实验评价标准.而物理实验课程难以制定一个量化的考核方式,因为评价过程带有很多主观因素.如何实现合理优化的量化考核一直都是实验类课程考核的难点.国内主要有华东师范大学的陈伊淳、李佳隆等团队在从事相关研究[3,4],对普通物理学实验课程的平时成绩制定了一套评价细则,规定了具体操作规程,但是所制定的评分细则没有具体理论依据和系统方法支撑.国外研究更加偏向于利用互联网、人工智能等技术,来辅助物理实验的测量和评价.同时结合虚拟仿真实验开展线上学习,作为实验预习的评价方式,也便于教师掌握学生的实验预习的具体情况.

正确有效的普通物理实验课程量化考核方法可以促进学生物理实验水平的提高,科学合理的普通物理实验课程评价方法可以减轻实验教师的工作量,引导学生注重实验重点;同时有助于提高理工科学生的实践能力、探究能力和思维能力.

1.2 研究流程

本文的具体研究流程如下：

图1 研究流程图

2. 普通物理实验量化评价的建构

2.1 确定各级评价指标

国内一些专家[9]认为大学物理实验考核应该注重基于过程的考核,包括实验兴趣、实验操作、实验预习、实验协作精神、实验科学精神、和学习目标检测.也有一些专家[10]认为实验考核的成绩应采取百分制,具体分为三个部分：预习报告(20%)、实验操作(50%)、实验报告(30%).

实验态度与情感是整个物理实验的灵魂,本文将其分为三个部分：情感与兴趣、表现、责任.对于第一部分要在实验过程中观察学生是否有较高的实验兴趣,是否有克服实验困难的意志,以及是否有较好的实验安全意识.对于实验表现则要观察在实验过程中,学生是否能遵守实验纪律,是否能够与同学合作探究,能够反思自我,同时能够客观的评价他人.在实验责任部分要求学生在实验操作过程中规范安全,同时实验数据真实准确,不抄袭他人数据;在实验过程中能够面对突发情况不慌乱,并且在实验结束之后能够整理实验操作台.[14]考虑到学生在教学中的主体地位,因此也将学生的自评和互评纳入到评价体系中.

2.2 各级指标权重确定流程[16]

在制定完成评价指标之后,需要确定评价指标中相应指标的占比.我们采用问卷调研法,研制问卷发放给北京师范大学(珠海校区)的师生进行填写.将收集到的结果使用SPSSPRO工具利用层次分析法(也称为方根法)来计算每个指标所占权重.主要的分析步骤为：

1) 通过问卷数据按照各个指标的重要程度填写判断矩阵,建构一个主观的评价矩阵.

2) 将判断矩阵输入到SPSSPRO工具中,通过方根法计算求出特征向量.

3) 通过计算CI值(一致性指标),检验其结果是否具有一致性.

2.3 各级指标权重确定

首先我们将一级指标做对比,然后按照一线实验教师60%,学生40%的占比分数来制作判断矩阵,得到的矩阵如表1.

表1 一级指标的重要程度比较结果(判断矩阵)

续表

其中实验态度与情感包括：实验情感与兴趣,实验责任,实验表现等.

根据构造的结果数据输入到SPSSPRO工具中进行计算,得到各指标的占比如下表：

表2 AHP层次分析一级指标各项权重和特征值

从表2中我们可以看到实验操作在评价体系中的占比最大,实验态度与情感的占比最小,这与北京师范大学的评价标准大体相同.由层次分析法通过计算可以得到其占比权重,实验预习的权重为5.673%,实验操作的权重为65.912%,实验报告的权重为22.995%,实验态度与情感的权重为5.42%.从结果中也可以看到,教师和学生对于实验操作都比较重视,因此实验操作的权重占比最大.

图2 一级指标各项占比饼状图

表3 一级指标的一致性检验结果

通过一致性检验可以判断本次数据的有效性.如果通过一致性检验说明本次数据真实有效,利用层次分析法得到表3,我们可以发现,其最大特征根为4.162,通过查找相关数据到相应的RI值为0.882,而CR为CI与RI的比值,因此CR为0.061<0.1,可知此次数据一次性检验没问题,本次数据有效.其他的指标以及自评、互评和教师评价的权重占比计算方法都依照以上方法,最后汇总在量表总表中.

3 普通物理实验课程成绩量化评价方式分析

3.1 普通物理实验课程成绩量化评价方式的信度和效度检验

3.1.1 信度分析

通过上述方法得到的普通物理实验课程量化评价表是基于问卷的原始数据的,要分析普通物理实验课程量化评价表的信度,就需要先检验问卷的信度.在这里采用SPSS来进行分析.

首先从问卷数据中选出1/3的问卷题目和数据,进行可靠性分析.一般分析问卷的信度使用克隆巴赫系数,这个系数∈(0,1).如果系数介于(0.80,0.90)之间则可信度非常高;如果系数介于(0.70,0.80)之间则可信度还不错;如果系数介于(0.65,0.70)之间则可信度一般;如果系数介于(0.60,0.0)之间则可信度不太好.

表4 调查问卷的可靠性统计

由表4可以看到其克隆巴赫系数为0.867,∈(0.80,0.90),因此本问卷调研的可信度很高.

3.1.2 效度分析

本文使用SPSS进行因子分析,在这里我们首先对问卷原始数据的效度做一下分析,来检验本次问卷的数据是否有效.

表5 问卷原始数据的KMO和巴特利特检验

利用SPSS 26来分析,得到显著性为0.000<0.05,显著性较小,排除H0(H0：该问卷不适合做因子分析),说明本问卷调研的数据可以做因子分析.接下来分析KMO值,如果此值>0.8,则说明效度非常好;如果此值∈(0.7,0.8),则说明效度还不错;如果此值∈(0.6,0.7),则说明效度一般,如果此值<0.6,说明效度较低.分析得到KMO的数值为0.728,因此本问卷调研的效度较好,可以用来做分析.

由于本文使用的层次分析法极度依赖原始数据,当原始数据有效且可信度较高时,由层次分析法得到的评价量表的信度和效度也比较高.

3.2 普通物理实验成绩量化评价效果分析

为了验证评价量表的评价效果,笔者邀请不同高校的多位评委按照新的普通物理实验量化评价表来对学生打分,在评价前对评委们进行培训,讲解了相应的使用方法和标准,以此来减少由于评价者的主观性带来的误差.

本文利用SPSS来分析评委们对同一个学生的评价是否存在差异性,如果评委的评分差异较大则说明此量表主观性较强,导致该量表失去客观性,如果其差异性较小说明此评价量表具有客观性,其评价效果也比较客观公正.

在此本文利用卡方检验来检测评价效果是否存在差异性,得到各评委对同一学生的评价结果统计如下：

表6 评委总分检验统计

由表6可以直接读出评委总分的渐近显著性为1.000>0.05,说明五位评委的评分没有显著的差异,因此该量表具有一定的客观性,对于不同的评委都能够打出较为一致的分数.

接下来检验评委给不同的学生打分是否具有差异性(区分度).请评委们给不同的两位学生打分,最后对评分情况进行差异性分析：

由表7可以得到假设两个学生总分不存在差异的显著性为0.009<0.05.如果拒绝此假设,认为两个学生的总分是存在差异的,所以该量表对不同的学生评价是具有区分度的,因此该量表评价结果能够体现不同学生的实验能力.

4 研究结论和展望

本文利用层次分析法将模糊的评测标准具体化.同时借鉴了之前几位学者的研究结果,将学生纳入到评价的体系中,充分调动学生的积极性,使得学生能够对自己的实验成果有更加深入的认识,也能够帮助学生及时总结反思,进而改进学习方法和实验操作,提高实验探究能力.本文的量化评价表也纳入了同伴互评的环节,因为同学之间能够关注到老师无法注意到的问题和角度,研究表明这样的考核是更全面的.

本文创制的评价量表针对难以标准化评价的实验过程,制定了相应的可操作性标准,帮助实验教学教师对学生的实验过程做出合理科学的评价.此量化评价表对普通物理实验的评价标准进行了规范,得到的标准是教师和同学都高度认同的.但是受到客观因素的影响,本量表还处于实验阶段,关于其对学生物理实验能力的具体影响还需要做进一步研究.

普通物理实验量化评价表并不是一成不变的,本文介绍了一种可以基于本校情况而制定量化评价表的方法.因为层次分析法比较依赖于原始数据,而不同高校的师生对于大学物理实验的侧重点可能有所不同,因此最终得到的标准也会有所不同.制作量表的方法和过程也可以扩展到高中物理实验、生物或化学等学科的实验评价,同样具有指导意义.