張紅洋 李 昕

（1.陜西師范大學物理學與信息技術學院，陜西西安 710119；2.中國基礎教育質(zhì)量監(jiān)測協(xié)同創(chuàng)新中心陜西師范大學分中心，陜西西安 710119）

物理學是一門以實驗為基礎的自然科學.物理實驗教學是中學物理教學的重要組成部分，旨在培養(yǎng)學生物理實驗能力.科學合理的評價方式是培養(yǎng)學生實驗能力，提高實驗教學質(zhì)量的方向指引.國際科學教育重視對學生過程性技能的培養(yǎng)，并不斷創(chuàng)新評價方式.［1］世界經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（OECD）進行的國際學生評估項目（PISA）將學生的科學素養(yǎng)定義為科學地解釋現(xiàn)象、評估與設計科學探究、科學解讀數(shù)據(jù)3 項能力，并以此為框架系統(tǒng)評價學生的科學素養(yǎng).［2］TIMSS利用信息技術來評估新一代學生科學的學習狀況：創(chuàng)新試題類型，讓學生能夠廣泛參與到測試，并且在評估過程中融入問題解決和探究過程，要求學生能夠整合并應用過程技能來解決問題.［3］

目前限于條件制約，實驗評價大多采用的仍是傳統(tǒng)的限時紙筆測試，然而紙筆測試對實驗能力的考查具有較大的局限性，容易導致學生“高分低能”“眼高手低”等現(xiàn)象.2019年11月，教育部發(fā)布《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》，指出應當健全實驗教學的評價機制.因此如何基于實驗能力建立科學可行的物理實驗評價方式是應該密切關注和亟待解決的問題，亦是加強改進實驗教學的重要方面.

本研究通過利用紙筆測試與實際操作考查學生實驗能力，分析紙筆測試對學生物理實驗能力的考查效度，以及紙筆測試與實操測評在各實驗能力要素考查上的差異性，以期為完善物理實驗能力考查方式的進一步研究借鑒經(jīng)驗.

1 理論基礎

物理實驗能力是指順利進行物理實驗并完成實驗目的的個性心理特征.［4］國內(nèi)諸多學者對其內(nèi)涵進行闡釋.續(xù)佩君在《物理能力測量研究》中認為物理實驗能力包括操作和思維兩種能力，實驗操作和科學思維有機結(jié)合，可以外顯為某種確定的實驗實施模式，例如依據(jù)物理實驗過程特點，科學思維能力在實驗過程中表現(xiàn)為依據(jù)實驗原理設計實驗方案的能力、數(shù)據(jù)處理分析能力和對實驗結(jié)論分析總結(jié)概括的能力.通過對于海波等作者研究分析，學者們在物理實驗能力內(nèi)涵上的界定都涉及到觀察能力、操作能力和思維能力3 大要素，如表1所示.

表1 實驗能力內(nèi)涵的界定

基于上述分析，本研究將實驗能力進行可操作性定義，具體界定為實驗設計能力、操作能力、觀察能力、數(shù)據(jù)收集及處理能力及總結(jié)與表達能力5個方面，各實驗能力要素及其具體要求如表2所示.

表2 物理實驗能力的可操作性定義

2 研究設計

“探究勻變速直線運動規(guī)律”實驗是歷年物理實驗題的高頻考點.例如2021 年全國甲卷、2015年全國Ⅰ卷均考查動摩擦因數(shù)的測量；2019年全國Ⅰ卷考查借助打點計時器探究物塊沿斜面加速下滑的運動規(guī)律；2017年全國Ⅰ卷、2016年海南卷和天津卷考查水平面上勻變速直線運動的運動規(guī)律.以“測量斜面與木塊動摩擦因數(shù)”實驗為例，選擇同一實驗情境，分別采用紙筆測試和實操測評兩種方式對學生實驗能力進行考查，結(jié)合觀察及訪談，分析紙筆測試對學生實驗能力考查的效度，以及二者對各實驗能力要素考查的差異性.

2.1 研究對象

隨機選取某師范大學物理學專業(yè)在校大學生37人，27名研究生，10名本科生，男生占比27%，女生占比73%，本科生為物理學專業(yè)大三年級國家公費師范生，研究生為學科教學（物理）專業(yè)，均修習過中學物理實驗相關課程，具有較好的物理學專業(yè)基礎.

2.2 研究工具

2.2.1 紙筆測試試題

圍繞完整的實驗室探究過程，紙筆測試試題以2019年新課標Ⅱ卷高考物理實驗題為基礎進行改編，包含5個題目，每小題10分，共50分，試題內(nèi)容如下.

某學生設計了測量鐵塊與木板間動摩擦因數(shù)的實驗，如圖1所示.

圖1

所用實驗器材有：鐵架臺、長木板、鐵塊、米尺、電磁打點計時器、頻率為50 Hz的交流電源，紙帶等.回答下列問題.

（1）已知重力加速度大小為g，求鐵塊與木板間的動摩擦因數(shù)，還需測量

（A）物塊的質(zhì)量m.

（B）斜面的高度h.

（C）斜面的傾角θ.

（2）實驗中應該采用的必要措施為_________.

（A）紙帶必須與長木板平行.

（B）先接通電源再釋放小車.

（C）平衡小車與長木板間的摩擦力.

（3）某次實驗時，調(diào)整木板與水平面的夾角θ=30°.接通電源，開啟打點計時器，釋放鐵塊，鐵塊從靜止開始沿木板滑下.多次重復后選擇點跡清晰的一條紙帶，如圖2所示.在A-G7個點中，打點計時器最先打出的點是_________.

圖2

（4）圖2中的點為計數(shù)點（每兩個相鄰的計數(shù)點間還有4 個點未畫出）.鐵塊下滑的加速度為________m／s2（g=9.8m／s2，結(jié)果保留2位小數(shù)，保留計算過程）.鐵塊與木板間的動摩擦因數(shù)為__________（結(jié)果保留2 位小數(shù)，保留計算過程）（=1.732）.

（5）該實驗產(chǎn)生誤差的原因有___________________________________________（至少寫兩條）.

紙筆測試的5 個實驗題目是以實驗能力考查為目標而設定的.第1題考查學生對實驗原理的理解能力，第2 題是對實驗操作細節(jié)的考查.實驗操作結(jié)束后，需對紙帶進行分析.第3 題考查打點順序的判斷，學生可通過物體運動狀態(tài)及打點計時器的原理分析得到結(jié)論.第4題是對紙帶進行數(shù)據(jù)分析的過程，利用逐差法計算物體運動的加速度，進而求得動摩擦因數(shù).第5 題是對總結(jié)與表達能力的考查，探究過程結(jié)束后，需要對實驗過程進行反思，思考誤差來源，并提出改進意見.

2.2.2 實驗室實操測評研究工具

實驗室實操測評研究工具主要包括學生在實驗操作過程中需要記錄相關內(nèi)容的記錄單（表3）和教師對學生實驗操作過程表現(xiàn)的記錄表（表4）.實操測評與紙筆測試選取同一問題情境，要求學生利用已有實驗器材測量木塊與斜面的動摩擦因數(shù)，并在實際操作時為學生提供工作記錄單，以便實驗結(jié)束后對學生的實驗設計能力、數(shù)據(jù)處理能力和總結(jié)與表達的能力進行全面分析與評價.

表3 實際操作工作記錄單

在學生開展實驗操作過程中，教師需要對其實驗操作表現(xiàn)等進行觀察、問詢以及對學生的實驗操作表現(xiàn)作出記錄及測評，相關結(jié)果記錄于表4.

表4 操作表現(xiàn)測評記錄表

2.3 研究程序

紙筆測試限時30 min，實操測評限時1h，考試地點為某物理實驗室.在對學生開展實驗室實際操作測評過程中，測評教師依據(jù)學生表現(xiàn)填寫操作表現(xiàn)測評記錄表（表4），可為研究對象提供幫助，若學生在教師協(xié)助下完成某過程，則該生在此方面不得分.在學生實驗操作過程中，教師可對設計原理、操作過程、數(shù)據(jù)獲取進行實時訪談.操作結(jié)束之后，學生提交實際操作工作記錄單，并將其紙筆測試題及操作表現(xiàn)測評記錄表連同紙帶裝入檔案袋.研究者將參照學生筆試與工作單作答情況，建立評分標準，對學生紙筆測試及實驗室操作考試進行賦分，并對所得數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和相關性分析.

3 結(jié)果與討論

（1）實操測試較紙筆測試對學生實驗設計能力的考查要求更高且更具開放性.

紙筆測試對實驗設計能力的考查側(cè)重物理原理的理解與應用，側(cè)重于考查依據(jù)實驗原理表征相關物理量的關系.而在實驗室實操測試中，對實驗設計的考查主要體現(xiàn)在通過實驗原理設計實驗方案上，依據(jù)實驗器材，靈活運用物理原理并設計適切的實驗方案.例如在“測量木塊與斜面動摩擦因數(shù)”實驗中，學生設計不同實驗方案.大部分學生讓木塊沿斜面下滑做勻加速直線運動，利用打點計時器打出的紙帶計算加速度，依據(jù)牛頓第二定律得到動摩擦因數(shù).部分學生選擇的實驗原理是讓木塊沿斜面做勻速直線運動，動摩擦因數(shù)μ=tanθ.將物塊置于斜面上，逐漸增大斜面傾角，木塊由靜止到運動的臨界角即為θ，計算臨界角的正切值即所求的動摩擦因數(shù).實驗原理科學合理，但在實際操作過程中臨界角的尋找難度較大，導致實驗結(jié)果誤差較大.

在實驗室環(huán)境下關于實驗設計能力的考查不僅考查學生對物理原理的理解水平，更能考查學生能否依據(jù)實驗原理設計科學可行的實驗方案.而紙筆測試給定具體的實驗情境，弱化了對實驗方案設計的考查，因此實操測評對學生實驗設計能力具有更高的要求.

（2）實操測評較紙筆測試更側(cè)重于對學生實踐能力和實踐意識的測查.

實踐能力是教育所關注和強調(diào)的重要內(nèi)容，其具體表現(xiàn)為動手實際操作能力.紙筆測試對實驗操作能力的考查主要體現(xiàn)為操作細節(jié)的規(guī)范.通過學生訪談反映，紙筆測試中關于操作細節(jié)的考查對實際操作起到一定的提示和幫助作用.但在實際操作過程中學生在斜面搭建、打點計時器的使用方面表現(xiàn)不佳.A 同學在訪談過程中表示“平時很少做實驗，看到實驗儀器后無法根據(jù)實驗儀器的結(jié)構(gòu)判斷其用途或使用方法”.

“知行不一”是學生實驗能力表現(xiàn)的突出特點，其根源在于紙筆實驗和真實實驗的脫離.“重復測量、重復操作以減少偶然誤差”是實驗試題中的考查熱點問題，然而，在實際操作中，僅B同學進行了重復操作，選擇了點跡清晰，并且運動情況相對理想的紙帶，反映了紙筆測試在操作能力考查上的局限性.實驗結(jié)束后，應整理實驗儀器，平放在實驗桌上，由于學生長期經(jīng)歷“黑板實驗”，只有少數(shù)學生實驗結(jié)束后整理實驗儀器，大多數(shù)學生在實驗活動中缺乏良好的實踐意識和行為習慣.

雖然紙筆測試對學生實驗操作細節(jié)和規(guī)范的考查對實際操作起到一定幫助和提示作用，但是動手操作及學生的實踐意識和行為習慣是紙筆測試在實驗能力考查上無法涉及的.故黑板上講實驗或紙筆實驗測試題無法培養(yǎng)學生的實驗操作能力.

（3）實操測評對實驗數(shù)據(jù)獲取與記錄考查更為真實可靠.

紙筆測試題無法考查學生對實驗數(shù)據(jù)的真實記錄能力，往往僅停留于對實驗數(shù)據(jù)處理能力方面，例如基于實驗數(shù)據(jù)計算相關物理量及對圖像處理和分析，無法讓學生真實親歷實驗數(shù)據(jù)獲取和記錄過程，且試題的實驗數(shù)據(jù)往往剔除了真實實驗的問題數(shù)據(jù)，與真實實驗環(huán)境中獲取的數(shù)據(jù)存在差異.例如圖3 為紙筆測試題“探究勻變速直線運動規(guī)律”提供的實驗數(shù)據(jù)，相鄰計數(shù)點的位移差近似為定值，是理想的勻變速直線運動，學生在解題時利用逐差法計算出運動的加速度即可.

圖3 紙帶數(shù)據(jù)記錄

在真實的實驗室操作情境中，學生對實驗數(shù)據(jù)收集和處理能力主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的獲取、記錄以及數(shù)據(jù)處理與分析兩個方面.在選取計數(shù)點時學生出現(xiàn)的典型錯誤有：選點時連續(xù)選擇相鄰的5或6個計數(shù)點，導致選點過于集中.選取計數(shù)點之后，應測量并計算相鄰計數(shù)點的間距.學生有兩種測量方法：有的學生固定測量起點，依次測量起點與計數(shù)點之間的距離，然后作差得到相鄰兩個計數(shù)點的距離.還有學生則直接測量相鄰兩點的間距，不斷移動刻度尺改變測量起點，與上一種測量方式相比具有一定的測量誤差.測量之后應合理設計數(shù)據(jù)記錄表格，客觀真實地記錄實驗數(shù)據(jù).而學生在實驗室操作考試中，均未以表格記錄實驗數(shù)據(jù).大部分學生在記錄數(shù)據(jù)時比較隨意，缺乏規(guī)范性，直接將紙帶劃至數(shù)據(jù)記錄區(qū)域，將相鄰兩點的間距標注在計數(shù)點旁邊.

學生對實驗數(shù)據(jù)的處理能力和學生經(jīng)歷的認知過程是一致的，如果學生在紙筆測試中能夠依據(jù)實驗原理利用數(shù)學方法對數(shù)據(jù)或圖像進行處理和分析，得到正確的答案，相應的在實驗室環(huán)境中亦可對獲取的數(shù)據(jù)進行分析，故而紙筆測試對局部數(shù)據(jù)收集及處理能力的考查具有一定的效度.

（4）實操測評對學生實驗總結(jié)反思能力考查更全面深入.

紙筆測試對總結(jié)與表達能力的考查主要集中在根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出實驗結(jié)論、誤差產(chǎn)生原因以及實驗設計方案改進等方面.在解題過程中，學生通過在腦海中再現(xiàn)物理實驗場景或呈現(xiàn)現(xiàn)實中的問題情境，思考可能帶來的誤差原因及儀器或原理的改進.而在實驗室環(huán)境中，學生經(jīng)歷了真實的實驗過程，對誤差產(chǎn)生的原因理解則更為全面和深刻.總結(jié)與反思不僅包含誤差分析，也包括從實驗設計、實驗操作、數(shù)據(jù)記錄等方面對實驗的科學性、可行性、簡便性等的反思.例如D 同學在實驗結(jié)束后，提出新的實驗設計想法，即把鋁制斜面水平放置，將彈簧測力計與木塊相連固定在一端，拉動鋁板，記錄彈簧測力計示數(shù)，然后稱量木塊質(zhì)量，進而求得動摩擦因數(shù)，此設計可避免測量以減小實驗誤差.再比如E 同學在反思中提到由于實驗儀器不完善導致實驗中存在系統(tǒng)誤差，該學生在實際測量過程中發(fā)現(xiàn)物塊的運動并不是一個理想的勻變速直線運動，故其提出原因是斜面各部分光滑程度不同，應對實驗儀器加以改進.

總之，在實驗室實際操作對總結(jié)與反思能力的考查中，學生可以結(jié)合真實的實驗情境從儀器、操作、設計等方面考慮更多的細節(jié)問題，同時對于誤差產(chǎn)生的原因可以有更深刻的認識和了解.

4 結(jié)論與啟示

紙筆測試與實操測評對學生實驗能力的測查，將會在我國長期存在，充分了解兩種測評方式的差異性，有利于教師做好實驗測評及實驗教學工作.通過上述研究，得出如下結(jié)論.

（1）實操測評對學生實驗能力測評具有較高的效度.實際操作測評較紙筆測試對實驗能力的考查存在質(zhì)的差異性.首先，實操測評更重視實驗方案的設計、動手操作能力及觀察能力的考查，紙筆測試則側(cè)重考查實驗原理以及數(shù)據(jù)分析處理等局部實驗能力.其次，實際操作對實驗能力的考查具有生成性和完整性.紙筆測試一道試題不會做或者做不好，并不會影響下一道試題的作答，而實際操作整個過程環(huán)環(huán)相扣，學生需經(jīng)歷完整的探究過程，從設計到操作，再到數(shù)據(jù)獲取、記錄和分析，概括總結(jié)實驗結(jié)論，并對實驗過程進行反思和總結(jié)，一個環(huán)節(jié)失誤或無法進行將導致整個實驗過程失敗，因此，實操測評對實驗能力考查的整體效度較高.

（2）紙筆測試對學生實驗能力考查具有較大局限性，與學生真實表現(xiàn)力不具有顯著相關性.紙筆測試對實驗設計能力的考查缺乏開放性，對實驗操作能力考查效度低，總結(jié)與反思能力考查不全面不深刻等，但是紙筆測試對實驗原理、數(shù)據(jù)處理分析能力的考查方面具有較高效度.

（3）紙筆測試仍長期存在，但實驗實際操作測評會越來越得到重視.鑒于紙筆測試具有低成本、高效率等優(yōu)點，在目前我國基本國情和條件限制下，紙筆測試仍會存在相當長時間，為避免題海戰(zhàn)術和“黑板實驗”，應不斷創(chuàng)新問題情境、取材背景以及設問方式，保證筆試的效度.隨著國家改革的不斷深入，部分學?；蚪逃块T嘗試用實際操作對學生實驗能力進行考查，創(chuàng)造條件并積極探索，完善考查方式，探索開發(fā)與之相對應的評價工具，以實現(xiàn)實驗能力全面科學的考查，進而發(fā)揮評價良好的導向功能，讓實驗教學回歸到實驗能力的培養(yǎng)中去.