邢紅軍，臧富華，石 堯，趙玉萍

（1.首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院，北京 100048；2.北京市第十三中學(xué)分校，北京 100009；3.北京中學(xué)，北京 100028；4.首都師范大學(xué)教育學(xué)院，北京 100048）

0 引 言

在發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)和培養(yǎng)學(xué)生關(guān)鍵能力的基礎(chǔ)教育課程改革背景下，物理教育愈加注重培養(yǎng)學(xué)生“面對(duì)復(fù)雜而不確定的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題時(shí)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、找到辦法、解決問(wèn)題”的綜合品質(zhì)［1］.然而在實(shí)際的教學(xué)中，“題海戰(zhàn)術(shù)”已經(jīng)成為我國(guó)物理教學(xué)的普遍現(xiàn)象，教師以脫離物理現(xiàn)象的習(xí)題為主對(duì)學(xué)生進(jìn)行機(jī)械訓(xùn)練，注重步驟與運(yùn)算技巧，忽視學(xué)生的思維訓(xùn)練.楊振寧［2］教授曾經(jīng)指出“現(xiàn)象是物理學(xué)的根源”，從這一基本思想出發(fā)，我國(guó)物理教育學(xué)者引入了原始物理問(wèn)題，通過(guò)自然界和人類生產(chǎn)、生活中未被加工過(guò)的物理現(xiàn)象和事實(shí)的描述來(lái)呈現(xiàn)物理問(wèn)題［3］.而后又提出原始物理問(wèn)題的表征理論、自組織理論以及相關(guān)的物理能力理論［4］.原始物理問(wèn)題的提出和發(fā)展，打破了物理習(xí)題教學(xué)一統(tǒng)天下的局面，成為發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑.有鑒于此，本研究基于“原始物理問(wèn)題”已有的研究基礎(chǔ)，總結(jié)了原始物理問(wèn)題的選材原則和編制步驟，編制了高中原始物理問(wèn)題測(cè)驗(yàn)工具并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，以期為高中學(xué)生物理關(guān)鍵能力的培養(yǎng)開(kāi)辟一個(gè)新的途徑.

1 原始物理問(wèn)題測(cè)驗(yàn)工具的來(lái)源與編制原則

1.1 測(cè)驗(yàn)工具的來(lái)源

（1）直接經(jīng)驗(yàn)提取.

學(xué)生的直接經(jīng)驗(yàn)是原始物理問(wèn)題編制的最佳來(lái)源，因?yàn)橹苯咏?jīng)驗(yàn)貼合生活實(shí)際且契合學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)體會(huì)，能夠很好地體現(xiàn)物理世界回歸生活世界的宗旨.如讓學(xué)生畫出實(shí)際情況下，籃球落地過(guò)程中的加速度-時(shí)間變化曲線圖，就是借助學(xué)生日常生活中熟知的籃球落地場(chǎng)景，從運(yùn)動(dòng)與相互作用的角度，所提取出的一道看似簡(jiǎn)單卻又奧妙無(wú)窮的原始物理問(wèn)題.

（2）間接經(jīng)驗(yàn)提取.

學(xué)生的間接經(jīng)驗(yàn)也是原始物理問(wèn)題的重要來(lái)源，亦即從電視、電影、新聞報(bào)道和圖書資料等途徑挖掘原始物理問(wèn)題.如2019年上映的電影《流浪地球》，就包含了許多天體運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，可以借此提取一些與衛(wèi)星發(fā)射及變軌有關(guān)的原始物理問(wèn)題［5］.此外，電影中存在的一些有違科學(xué)常識(shí)的場(chǎng)景，也可以拿來(lái)使用，讓學(xué)生結(jié)合已有物理知識(shí)，分析、糾正其不合理之處，籍此促進(jìn)批判性思維的發(fā)展.

（3）傳統(tǒng)習(xí)題還原.

傳統(tǒng)物理習(xí)題通常直接對(duì)應(yīng)于具體的物理知識(shí)點(diǎn)，往往過(guò)濾掉了豐富多彩的物理現(xiàn)象，導(dǎo)致物理習(xí)題的教育價(jià)值大打折扣.因此，賦予傳統(tǒng)習(xí)題以鮮活的情景，就不失為一條編制原始物理問(wèn)題的有效路徑.如將物理習(xí)題中考察杠桿的題目還原為2人抬箱上樓的問(wèn)題，讓學(xué)生分析抬箱上樓誰(shuí)更省力，就成為一道非常好的原始物理問(wèn)題［6］.

（4）物理實(shí)驗(yàn)發(fā)掘.

在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，許多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或結(jié)果并不能與理論知識(shí)完全吻合，往往會(huì)存在一些偏差.因此，就可以利用這些偏差來(lái)編制原始物理問(wèn)題，讓學(xué)生對(duì)偏差做出符合物理規(guī)律的解釋.解答這類原始物理問(wèn)題有助于學(xué)生養(yǎng)成尊重事實(shí)的習(xí)慣，樹(shù)立抓住主要矛盾、忽略次要矛盾的觀念.如高中物理探究機(jī)械能守恒的實(shí)驗(yàn)，重力勢(shì)能的減少量并不等于動(dòng)能的增加量，可以借此讓學(xué)生分析其中的原因，也能夠編制出理想的原始物理問(wèn)題［7］.

1.2 測(cè)驗(yàn)工具的編制原則

眾所周知，任何一個(gè)測(cè)驗(yàn)工具的編制，都需要在理論的指導(dǎo)下進(jìn)行，原始物理問(wèn)題測(cè)驗(yàn)工具的編制亦如此.因?yàn)橹挥薪⒃谡_理論之上的測(cè)驗(yàn)工具，才有可能達(dá)成測(cè)驗(yàn)的目的.為此，充分運(yùn)用教育生態(tài)學(xué)理論、自組織表征理論和物理核心素養(yǎng)理論，制訂出原始物理問(wèn)題測(cè)驗(yàn)工具的編制原則.

（1）理論性原則.

理論性原則是指原始物理問(wèn)題的編制要有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ).物理核心素養(yǎng)理論作為物理課程改革的風(fēng)向標(biāo)，指引著基礎(chǔ)物理教育課程改革的方向.因此，原始物理問(wèn)題的編制必須契合核心素養(yǎng)的要求，才能達(dá)成“促進(jìn)學(xué)生全面和諧發(fā)展”的總目標(biāo).自組織表征理論提出，中學(xué)生解決原始物理問(wèn)題包含6個(gè)相互銜接的表征層次，分別是抽象表征、圖像表征、賦值表征、物理表征、方法表征和數(shù)學(xué)表征等［8］.因此，原始物理問(wèn)題測(cè)驗(yàn)工具需要依次呈現(xiàn)6個(gè)表征過(guò)程.顯然，原始物理問(wèn)題只有在正確理論的指導(dǎo)下進(jìn)行編制，才能保證所編制測(cè)驗(yàn)工具的有效性.

（2）科學(xué)性原則.

科學(xué)性原則是指原始物理問(wèn)題的編制要符合科學(xué)性，具體來(lái)說(shuō)，題目的選取要符合事實(shí)，有客觀依據(jù)，同時(shí)還要重視科學(xué)方法的考察，滲透科學(xué)方法，避免采用“只圖立意新穎而未經(jīng)科學(xué)驗(yàn)證”的題目作為原始物理問(wèn)題.由于物理學(xué)是一門精密定量的自然科學(xué)［9］，因此，科學(xué)性原則在原始物理問(wèn)題的編制原則中就非常關(guān)鍵，如果編制的原始物理問(wèn)題出現(xiàn)科學(xué)性錯(cuò)誤，就難以達(dá)成測(cè)驗(yàn)工具編制的目的.科學(xué)性原則的要求還包括原始物理問(wèn)題的表述語(yǔ)言規(guī)范、科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn).

（3）生態(tài)性原則.

生態(tài)性原則是指原始物理問(wèn)題的編制要以生態(tài)學(xué)理論為基礎(chǔ)，把傳統(tǒng)的對(duì)物理知識(shí)的抽象形式還原為對(duì)物理現(xiàn)象的描述形式.鑒于教育生態(tài)學(xué)理論強(qiáng)調(diào)對(duì)客觀現(xiàn)象的描述，所以在編制原始物理問(wèn)題過(guò)程中，要凸顯對(duì)物理現(xiàn)象的真實(shí)描述，盡可能減少對(duì)物理現(xiàn)象的人為抽象.這是因?yàn)?，生態(tài)化的根本目的在于培養(yǎng)學(xué)生在真情實(shí)境下解決實(shí)際問(wèn)題的能力，這也是發(fā)展學(xué)生物理核心素養(yǎng)的要求［10］.顯然，只有遵循生態(tài)性原則，所編制出來(lái)的原始物理問(wèn)題才能考察出學(xué)生的關(guān)鍵能力與綜合品質(zhì).

（4）開(kāi)放性原則.

所謂開(kāi)放性原則：首先是題目取材的廣泛性，要求題目聯(lián)系生活實(shí)際，擺脫傳統(tǒng)物理習(xí)題的束縛，能夠充分開(kāi)放學(xué)生的大腦，豐富學(xué)生的認(rèn)識(shí)；其次是題目設(shè)置的開(kāi)放性，要求題目不拘泥于傳統(tǒng)計(jì)算，能夠發(fā)散學(xué)生的思維，促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象的深度思考；最后是評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放性，只要結(jié)論有理有據(jù)，不違背科學(xué)性原則，均應(yīng)給予肯定.當(dāng)然，開(kāi)放并不是漫無(wú)邊際的開(kāi)放，而是有一定程度的約束.如答案可以是不唯一的，但必須是合理的、正確的，能夠解釋題目中描述的物理現(xiàn)象.

（5）趣味性原則.

趣味性原則是指原始物理問(wèn)題要有一定程度的趣味性，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的好奇心，發(fā)展學(xué)生對(duì)物理學(xué)的熱愛(ài).這種趣味性既包括問(wèn)題本身設(shè)置的趣味性，亦包括在解答過(guò)程中獲得解題的樂(lè)趣.這就需要在題目選材、設(shè)置等方面進(jìn)行深入細(xì)致的思考.人們常說(shuō)興趣是最好的老師，就是因?yàn)槿の缎阅軉酒饘W(xué)生的內(nèi)驅(qū)力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī).所以，原始物理問(wèn)題的編制應(yīng)充分考慮如何激發(fā)學(xué)生的興趣，讓學(xué)生在解決問(wèn)題過(guò)程中獲得樂(lè)趣，增長(zhǎng)自我效能感.

1.3 測(cè)驗(yàn)工具的編制步驟

當(dāng)明確了原始物理問(wèn)題的來(lái)源和編制原則之后，進(jìn)一步將原始物理問(wèn)題的編制步驟進(jìn)行設(shè)定，包括選材、還原、整合和測(cè)試4個(gè)步驟.選材指的是恰當(dāng)選取構(gòu)成原始物理問(wèn)題的原材料，這是原始物理問(wèn)題編制的重要基礎(chǔ)；還原是指將選取的材料經(jīng)過(guò)加工處理，在確?？茖W(xué)性的基礎(chǔ)上進(jìn)行情境還原，使其更加接近真實(shí)生活中的問(wèn)題；整合指的是在還原的基礎(chǔ)上，充分考慮話語(yǔ)表達(dá)的邏輯和解題的邏輯，將題目整合為表述流暢、邏輯合理的完整問(wèn)題；測(cè)試是在題目編制完成后，選取合適的對(duì)象，通過(guò)解答驗(yàn)證題目的可靠性，并提出改進(jìn)意見(jiàn).本研究的選材主要來(lái)源于生活現(xiàn)象和物理習(xí)題的還原，還原過(guò)程充分注意題目的科學(xué)性，并在測(cè)驗(yàn)工具及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)編制完成后，選取幾位一線教師和學(xué)生進(jìn)行預(yù)測(cè)，在收集反饋意見(jiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步修改、完善，直至定稿.

2 原始物理問(wèn)題測(cè)驗(yàn)工具的編制

依據(jù)以上原則和步驟，本研究編制的高中原始物理測(cè)驗(yàn)工具共由4道題目構(gòu)成，其中2道力學(xué)題目，2道電學(xué)題目.在評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的制訂方面，采用了表征分項(xiàng)評(píng)分法，也就是按照原始物理問(wèn)題的表征進(jìn)行賦分，從而使主觀試題在評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)上達(dá)成客觀化.根據(jù)原始物理問(wèn)題表征的相關(guān)研究，學(xué)生解決原始物理問(wèn)題的表征可分為外部表征和內(nèi)部表征：外部表征包括抽象表征、賦值表征和圖像表征；內(nèi)部表征包括物理表征、方法表征和數(shù)學(xué)表征.計(jì)分時(shí)每一個(gè)表征呈現(xiàn)正確則得1分，不呈現(xiàn)或者呈現(xiàn)錯(cuò)誤則得0分，每道題滿分為6分，全卷滿分共計(jì)24分.

2.1 雜技拋球

雜技演員拋球表演是雜技團(tuán)的經(jīng)典節(jié)目，在表演中，演員每隔一定時(shí)間將一個(gè)球拋到空中，循環(huán)往復(fù).若演員使用3個(gè)球進(jìn)行表演，試推導(dǎo)相鄰球拋出的時(shí)間間隔為多少時(shí)，可以保證表演順利進(jìn)行（見(jiàn)表1）.（6分）

表1 雜技拋球問(wèn)題評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

2.2 肇事車輛速度確定

交通事故發(fā)生時(shí)，車上的部分物體會(huì)因碰撞脫離車身.因此，位于車上不同高度的2個(gè)物體散落在地面上的位置是不同的，據(jù)此可以測(cè)定碰撞瞬間汽車的速度，這對(duì)于事故責(zé)任認(rèn)定具有重要的作用.請(qǐng)根據(jù)散落物體的位置推導(dǎo)出一個(gè)確定碰撞瞬間車輛行駛速度的表達(dá)式（見(jiàn)表2）.（6分）

表2 肇事車輛速度確定問(wèn)題評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

2.3 飛機(jī)機(jī)翼兩端電動(dòng)勢(shì)

一架飛機(jī)由東向西飛行，請(qǐng)根據(jù)所學(xué)物理知識(shí)導(dǎo)出飛機(jī)機(jī)翼兩端感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式，并注明每個(gè)字母所代表的物理意義（見(jiàn)表3）.（6分）

表3 飛機(jī)機(jī)翼兩端電動(dòng)勢(shì)問(wèn)題評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

2.4 渦流制動(dòng)

一個(gè)有一定厚度的金屬圓盤，能夠繞其中心軸以某一角速度旋轉(zhuǎn)，圓盤上方有一正方形磁場(chǎng)垂直于圓盤，其邊長(zhǎng)遠(yuǎn)小于磁場(chǎng)到轉(zhuǎn)軸的距離，試推導(dǎo)出一個(gè)表達(dá)式解釋圓盤慢慢停止轉(zhuǎn)動(dòng)的原因（見(jiàn)表4）.（6分）

表4 渦流制動(dòng)問(wèn)題評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

3 原始物理問(wèn)題測(cè)驗(yàn)工具的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

3.1 被試對(duì)象選擇

為檢驗(yàn)原始物理問(wèn)題測(cè)驗(yàn)工具的科學(xué)性與有效性，選取B市S中學(xué)高二年級(jí)2個(gè)班級(jí)的80名同學(xué)作為本次測(cè)試的被試對(duì)象.由于S中學(xué)在B市屬于中等偏上的學(xué)校，是B市的第一批示范性高中，符合整群抽樣的代表性要求［11］.在確保被試對(duì)象已經(jīng)學(xué)過(guò)試卷考查范圍相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)被試者進(jìn)行原始物理問(wèn)題測(cè)驗(yàn)工具的測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為80 min，學(xué)生獨(dú)立完成.

3.2 原始物理問(wèn)題測(cè)驗(yàn)工具統(tǒng)計(jì)分析

3.2.1 難度

難度是衡量測(cè)驗(yàn)工具難易程度的指標(biāo)，取所有測(cè)試得分前27%，即得分前21名被試者的成績(jī)作為高分被試組（稱為H組），后27%即得分后21名被試者的成績(jī)作為低分被試組（稱為L(zhǎng)組），得到：

根據(jù)命題難度的標(biāo)準(zhǔn)，單個(gè)題目的Pi應(yīng)該控制在 0.3～0.7 之間，試卷的整體Pi為 0.5 左右［12］.本測(cè)驗(yàn)工具Pi為0.56，說(shuō)明題目難度適宜.

3.2.2 區(qū)分度

區(qū)分度是指測(cè)驗(yàn)工具對(duì)不同能力學(xué)生區(qū)分程度的指標(biāo)，它體現(xiàn)了測(cè)驗(yàn)工具的鑒別能力，根據(jù)區(qū)分度（Di）計(jì)算公式可得：

Di=PH-PL=0.52.

按美國(guó)學(xué)者伊貝爾提出的區(qū)分度標(biāo)準(zhǔn)可知，Di≥0.40即為優(yōu)秀試題［13］.原始物理問(wèn)題測(cè)量工具的Di達(dá)到0.52，說(shuō)明工具對(duì)不同物理關(guān)鍵能力的學(xué)生具有很好的鑒別性.

3.2.3 信度

信度是指測(cè)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性或可靠性，常用克隆巴赫系數(shù)（α）來(lái)反映信度的高低.根據(jù)教育測(cè)量學(xué)的要求，有效測(cè)驗(yàn)的信度需要達(dá)到0.7以上，達(dá)到0.8以上認(rèn)為信度較高［14］.運(yùn)用SPSS25.0軟件，對(duì)原始物理問(wèn)題測(cè)驗(yàn)工具的信度進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，α=0.826＞0.8，說(shuō)明該測(cè)驗(yàn)工具信度較高，各題目具有很好的內(nèi)部一致性.

3.2.4 結(jié)構(gòu)效度

測(cè)驗(yàn)工具的結(jié)構(gòu)效度反映了工具的有效性，是指測(cè)驗(yàn)工具實(shí)際測(cè)得的能夠反映事先假設(shè)的理論結(jié)構(gòu)和特質(zhì)的程度.驗(yàn)證測(cè)驗(yàn)工具的結(jié)構(gòu)效度，需要經(jīng)歷2個(gè)步驟：首先是對(duì)測(cè)驗(yàn)工具進(jìn)行Kaiser-Meyer-Olkin系數(shù)（簡(jiǎn)稱KMO系數(shù)）和巴特利特球形度檢驗(yàn)；在結(jié)果良好的前提下再進(jìn)行探索性因子分析，得到的主成分?jǐn)?shù)若與假設(shè)相符合則證明測(cè)驗(yàn)工具結(jié)構(gòu)效度良好［14］.

運(yùn)用SPSS25.0軟件，得到測(cè)驗(yàn)工具的KMO系數(shù)和巴特利特球形度檢驗(yàn)結(jié)果如表5所示，顯著性p＜0.01，KMO=0.703＞0.6，測(cè)試結(jié)果良好，故可以進(jìn)行探索性因子分析.

表5 原始物理問(wèn)題測(cè)驗(yàn)試卷的KMO系數(shù)和巴特利特檢驗(yàn)效果

進(jìn)一步對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行探索性因子分析，得到如表6所示的總成分方差解釋和如圖1所示的碎石圖［15］.表6呈現(xiàn)的是在用SPSS做出成分因子分析后因子提取和因子旋轉(zhuǎn)的結(jié)果.“成分”是提取的因子編號(hào)，“初始特征值”描述的是因子解的情況，“提取載荷平方和”描述的是從初始解中提取的公共因子，“旋轉(zhuǎn)載荷平方和”描述的是旋轉(zhuǎn)后的因子對(duì)于原變量的刻畫情況，是最終因子解情況的反映.從表6和圖1可知，原始物理問(wèn)題測(cè)驗(yàn)工具的測(cè)試結(jié)果提取了6個(gè)主成分，且累積比良好，達(dá)68.77%，碎石圖中組件號(hào)在7處產(chǎn)生了拐點(diǎn)，說(shuō)明測(cè)驗(yàn)工具的測(cè)量指標(biāo)取6～8個(gè)是合適的.根據(jù)理論假設(shè)，原始物理問(wèn)題的解決過(guò)程分為6個(gè)表征，且本研究在編制評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了6個(gè)測(cè)試指標(biāo)的要求.由此可見(jiàn)，測(cè)試結(jié)果與先前的假設(shè)吻合，故原始物理問(wèn)題測(cè)驗(yàn)工具具有良好的結(jié)構(gòu)效度.

表6 原始物理問(wèn)題測(cè)驗(yàn)工具總方差解釋

圖1 原始物理問(wèn)題測(cè)驗(yàn)工具碎石圖

統(tǒng)計(jì)分析表明，原始物理問(wèn)題測(cè)驗(yàn)工具的難度、區(qū)分度、信度和結(jié)構(gòu)效度良好，說(shuō)明原始物理問(wèn)題測(cè)驗(yàn)工具可以作為標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)驗(yàn)工具使用.

4 結(jié) 論

4.1 原始物理問(wèn)題測(cè)驗(yàn)工具質(zhì)量較高

通過(guò)對(duì)原始物理問(wèn)題測(cè)驗(yàn)工具進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，該工具難度適中，區(qū)分度良好，各項(xiàng)目?jī)?nèi)部一致性較強(qiáng)，有效性較高.由于難度、區(qū)分度、信度和結(jié)構(gòu)效度指標(biāo)是評(píng)判一個(gè)測(cè)驗(yàn)工具優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)，所以認(rèn)為，高中原始物理問(wèn)題測(cè)驗(yàn)工具的編制是可行的，具有較高的質(zhì)量，能夠?qū)W(xué)生解決物理問(wèn)題的能力進(jìn)行很好的鑒別，這就為物理核心素養(yǎng)背景下的考試評(píng)價(jià)以及學(xué)生物理關(guān)鍵能力的鑒別提供了一個(gè)新的途徑.

4.2 高中生解決原始物理問(wèn)題的水平較低

通過(guò)對(duì)高中原始物理問(wèn)題測(cè)驗(yàn)工具的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，研究結(jié)果顯示，學(xué)生的測(cè)驗(yàn)平均成績(jī)并不高，僅有13.31分.這是因?yàn)?，原始物理?wèn)題給出的是對(duì)物理現(xiàn)象的描述，與學(xué)生熟悉的物理習(xí)題有著非常大的差別，工具中涉及的物理量需要學(xué)生自己去設(shè)置，解決問(wèn)題所需要運(yùn)用的物理知識(shí)也不像解答習(xí)題那樣容易從大腦中提取，這就在很大程度上影響著學(xué)生對(duì)原始物理問(wèn)題的解決.這表明，中學(xué)生解決原始物理問(wèn)題能力，或者說(shuō)解決實(shí)際物理問(wèn)題的關(guān)鍵能力還有待提升.