黃紅波

(江蘇省教育考試院,江蘇 南京 210024)

1 核心素養(yǎng)下的實(shí)驗(yàn)探究

新課標(biāo)認(rèn)為,物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力,是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì),是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)鍵成分．物理核心素養(yǎng)主要由物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個方面構(gòu)成．

對物理實(shí)驗(yàn)的要求主要在科學(xué)探究方面．科學(xué)探究是指提出科學(xué)問題,形成猜想和假設(shè),獲取和處理信息,基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋,以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思．可以歸納為問題、證據(jù)、解釋、交流等4個要素．學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)將科學(xué)探究劃分為5個水平等級,每個等級均涵蓋上述4個要素．

2 從學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)到測試框架

按學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求實(shí)施考試評價(jià),需要將學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的行為目標(biāo)可操作化．考試開發(fā)的做法是將行為目標(biāo)分類細(xì)化,通常至少再分解成多個知識內(nèi)容和表現(xiàn)水平,據(jù)此建立測評框架．[2]在測評框架的指導(dǎo)下命制試題,可以準(zhǔn)確定位試題的測試目標(biāo),篩選出代表性試題,測評框架也是解釋分?jǐn)?shù)結(jié)果的根本依據(jù)．

本文以核心素養(yǎng)下學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),嘗試構(gòu)建的測評框架如表1所示．框架采用二維結(jié)構(gòu),涵蓋學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的所有知識內(nèi)容和表現(xiàn)水平．知識內(nèi)容包括原理和方案、器材和操作、現(xiàn)象和數(shù)據(jù)、解釋和結(jié)論等4個要素,內(nèi)容全面、重點(diǎn)突出．表現(xiàn)水平包括理解、應(yīng)用、分析、評價(jià)、創(chuàng)造等5個層次,參照布盧姆的教育目標(biāo)分類,層次清晰、逐級遞進(jìn)．二維形式的測評框架將知識內(nèi)容和表現(xiàn)水平有機(jī)地整合在一起,便于理解和操作．

表1 物理實(shí)驗(yàn)探究的測評框架

(1) 知識內(nèi)容維度．物理實(shí)驗(yàn)是人們根據(jù)研究的目的,運(yùn)用科學(xué)儀器設(shè)備,人為地控制、創(chuàng)造或純化某種自然過程,使之按預(yù)期的進(jìn)程發(fā)展,同時在盡可能減少干擾客觀狀態(tài)的前提下進(jìn)行觀測,以探究物理過程變化規(guī)律的一種科學(xué)活動．[3]可見,雖然物理實(shí)驗(yàn)探究的內(nèi)容極其豐富,但是實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)都由一些基本要素構(gòu)成．要成功地完成一次實(shí)驗(yàn)探究,實(shí)驗(yàn)的原理和方案是基礎(chǔ),運(yùn)用器材和操作是關(guān)鍵,觀察現(xiàn)象和分析數(shù)據(jù)是重點(diǎn),實(shí)驗(yàn)結(jié)論的解釋和討論是目的．只有通過細(xì)致的觀察和嚴(yán)密的邏輯分析才會提出有可探究的科學(xué)問題,實(shí)驗(yàn)探究方案制訂離不開科學(xué)原理的指導(dǎo),因此,這里測評框架的4個基本要素與學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提出的問題、證據(jù)、解釋、交流等4個科學(xué)探究要素一致．

(2) 表現(xiàn)水平維度．學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的劃分依據(jù)了行為目標(biāo)的復(fù)雜程度,完成從水平1到水平5不同層級的任務(wù),學(xué)生要經(jīng)歷不同的信息加工過程,認(rèn)知活動的構(gòu)成也不同．[4]具體地說,“水平1”要求知道科學(xué)探究是什么,心理過程主要經(jīng)歷問題轉(zhuǎn)譯和信息整合,是對問題的識別和理解．“水平2”要求能簡單實(shí)施科學(xué)探究,是執(zhí)行一定的程序和規(guī)則來完成簡單的實(shí)驗(yàn)任務(wù),屬于對實(shí)驗(yàn)知識的應(yīng)用．“水平3”要求能在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對實(shí)驗(yàn)要素進(jìn)行整理和分析,弄清部分與整體的關(guān)系,信息加工過程有明確的策略監(jiān)控和策略運(yùn)用,重點(diǎn)是對實(shí)驗(yàn)過程的分析．“水平4”在對實(shí)驗(yàn)分析和解釋的基礎(chǔ),要求能對過程和結(jié)果進(jìn)行交流和反思,通過實(shí)驗(yàn)要素的內(nèi)部一致性或外部準(zhǔn)則有效性的分析判斷,對實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量、效果和效率等作出檢查或評論．“水平5”的要求最高,要求能將各要素組成符合內(nèi)在一致性的整體或具有功能性的整體,是創(chuàng)造一個新產(chǎn)品．上述分析可見,利用布盧姆的目標(biāo)分類可以方便地理解學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的水平劃分．由于“水平5”已超出學(xué)業(yè)水平測試要求,本文將不作討論．

從知識內(nèi)容和表現(xiàn)水平分析,該測評框架具有適標(biāo)性、有效性和實(shí)用性的特點(diǎn)．框架內(nèi)容以核心素養(yǎng)理念核心,知識內(nèi)容符合科學(xué)探究的構(gòu)成要素,表現(xiàn)水平也與學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相一致,符合評價(jià)實(shí)施建議對日常學(xué)習(xí)評價(jià)和學(xué)業(yè)水平考試的要求．框架設(shè)計(jì)以考試評價(jià)為導(dǎo)向,二維形式的框架結(jié)構(gòu)滿足試題命制和質(zhì)量評價(jià)的實(shí)際需要,符合考試測量的基本原理,在框架指導(dǎo)下的命題可以做到測試的目標(biāo)全面、重點(diǎn)突出、層次清晰．框架還以教學(xué)實(shí)際為前提,充分考慮當(dāng)前教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)和試題命題上的水平現(xiàn)狀,對學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的分類細(xì)化參照教師比較熟悉的、被廣泛應(yīng)用的布盧姆教育目標(biāo)分類，測評框架是對能力立意下測評框架的繼承和發(fā)展,很好地銜接了能力立意下實(shí)驗(yàn)探究的考試評價(jià)．[5]

3 測評框架的實(shí)證檢驗(yàn)

下面以2017年江蘇省高考物理實(shí)驗(yàn)題為樣本,檢驗(yàn)測試框架與核心素養(yǎng)下學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的一致性．

例1.(2017年江蘇物理高考題第10題)利用如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置探究恒力做功與物體動能變化的關(guān)系.小車的質(zhì)量為M=200.0 g,鉤碼的質(zhì)量為m=10.0 g,打點(diǎn)計(jì)時器的電源為50 Hz的交流電.

圖1

(1) 掛鉤碼前,為了消除摩擦力的影響,應(yīng)調(diào)節(jié)木板右側(cè)的高度,直至向左輕推小車觀察到________________.

(2) 掛上鉤碼,按實(shí)驗(yàn)要求打出的一條紙帶如圖2所示.選擇某一點(diǎn)為O,依次每隔4個計(jì)時點(diǎn)取一個計(jì)數(shù)點(diǎn).用刻度尺量出相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離Δx,記錄在紙帶上,計(jì)算打出各計(jì)數(shù)點(diǎn)時小車的速度v.其中打出計(jì)數(shù)點(diǎn)“1”時小車的速度v1=________m/s.

表2

請根據(jù)表中的數(shù)據(jù),在答題卡的方格紙上作出ΔEk-W圖像.

(4) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,ΔEk總是略小于W.某同學(xué)猜想是由于小車所受拉力小于鉤碼重力造成的.用題中小車和鉤碼質(zhì)量的數(shù)據(jù)可算出小車所受的實(shí)際拉力F=________N.

圖3

該題情境基于教材中“探究動能定理”、“加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系”兩個必考實(shí)驗(yàn),目的是探究恒力做功與物體動能變化的關(guān)系,因此,學(xué)生對實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理和裝置都比較熟悉,試題的實(shí)驗(yàn)裝置也已搭建完整,與學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)“水平3”的“能在他人幫助下制訂簡單的科學(xué)探究方案,使用基本的器材,獲得數(shù)據(jù)”要求一致．考查內(nèi)容涉及基本儀器操作、數(shù)據(jù)處理、形成結(jié)論,以及分析誤差對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響等．具體分析如下.

第(1)問考查斜木板上小車平衡摩擦力的方法．輕推小車觀察到其做勻速直線運(yùn)動,這是判斷平衡摩擦力實(shí)驗(yàn)操作的基本知識,學(xué)生是從長時記憶中提取相關(guān)信息做出回答．測試的知識內(nèi)容屬于“器材和操作”,水平為“理解”,是對是什么的回答,在學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中屬于“水平1”的要求．

第(3)問根據(jù)測量數(shù)據(jù)描點(diǎn)作圖．學(xué)生不僅要知道描點(diǎn)作圖的規(guī)范和要求,而且要能在實(shí)際作圖過程中加以執(zhí)行,例如確定合適的坐標(biāo)軸標(biāo)度,準(zhǔn)確描出數(shù)據(jù)點(diǎn)位置,合理繪制直線擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)等．該作答過程與第(2)問對“數(shù)據(jù)”處理知識的“理解”不同,信息加工過程需要在一定程序和規(guī)則下完成,要依據(jù)程序和規(guī)則監(jiān)控描點(diǎn)作圖的操作,因此,是對“數(shù)據(jù)”處理規(guī)則的直接“應(yīng)用”,對應(yīng)學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的“水平2”．

第(4)問通過理論計(jì)算對可能的誤差來源進(jìn)行定量檢驗(yàn)．學(xué)生要弄清小車在整個系統(tǒng)中的受力狀況,弄清小車所受拉力F與受到其他力之間的關(guān)系,找出拉力F與砝碼重力mg之間的關(guān)系．具體地說,小車和砝碼的牛頓運(yùn)動定律表達(dá)式分別是F=Ma和mg-F=ma,代入數(shù)據(jù)解得F=0.093 N．這里運(yùn)用的解題策略是典型的整體法與隔離法,是對“解釋和結(jié)果”的“分析”．發(fā)現(xiàn)誤差來源是建立在仔細(xì)整理分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,是陳述科學(xué)探究過程、合理推斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的必要構(gòu)成,在學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中屬于“水平3”．

例2.(2017年江蘇物理高考題第11題)某同學(xué)實(shí)驗(yàn)制作一個簡易的溫控裝置,實(shí)驗(yàn)原理電路圖如圖4所示,繼電器與熱敏電阻Rt、滑動變阻器R串聯(lián)接在電源E兩端,當(dāng)繼電器的電流超過15 mA時,銜鐵被吸合,加熱器停止加熱,實(shí)現(xiàn)溫控.繼電器的電阻約20 Ω,熱敏電阻的阻值Rt與溫度t的關(guān)系如表3所示.

圖4

t/℃30.040.050.060.070.080.0Rt/Ω199.5145.4108.181.862.949.1

(1) 提供的實(shí)驗(yàn)器材有:電源E1(3 V,內(nèi)阻不計(jì))、電源E2(6 V,內(nèi)阻不計(jì))、滑動變阻器R1(0～200 Ω)、滑動變阻器R2(0～500 Ω)、熱敏電阻Rt、繼電器、電阻箱(0～999.9 Ω)、開關(guān)S、導(dǎo)線若干.

為使該裝置實(shí)現(xiàn)對30～80℃之間任一溫度的控制,電源E應(yīng)選用________(選填“E1”或“E2”),滑動變阻器R應(yīng)選用________(選填“R1”或“R2”).

(2) 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電路不工作.某學(xué)生為排查電路故障,用多用電表測量各接點(diǎn)間的電壓,則應(yīng)將如圖5所示的選擇開關(guān)旋至________(選填“A”、“B”、“C”或“D”).

(3) 合上開關(guān)S,用調(diào)節(jié)好的多用電表進(jìn)行排查.在圖4中,若只有b、c間斷路,則應(yīng)發(fā)現(xiàn)表筆接入a、b時指針____________(選填“偏轉(zhuǎn)”或“不偏轉(zhuǎn)”),接入a、c時指針____________(選填“偏轉(zhuǎn)”或“不偏轉(zhuǎn)”).

圖5

(4) 排除故障后,欲使銜鐵在熱敏電阻溫度為50℃時被吸合,下列操作步驟的正確順序是________.(填寫各步驟前的序號)

① 將熱敏電阻接入電路.

② 觀察到繼電器的銜鐵被吸合.

③ 斷開開關(guān),將電阻箱從電路中移除.

④ 合上開關(guān),調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值.

⑤ 斷開開關(guān),用電阻箱替換熱敏電阻,將阻值調(diào)至108.1 Ω.

該題取材于教材的相關(guān)習(xí)題,學(xué)生有理論知識沒有實(shí)驗(yàn)探究經(jīng)歷,符合學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)“水平4”的“能分析相關(guān)事實(shí)或結(jié)論,提出可探究的物理問題,作出初步的猜測與假設(shè)”內(nèi)涵．在此背景下,試題在選擇實(shí)驗(yàn)器材、使用基本儀器、排查實(shí)驗(yàn)故障、制訂探究方案等方面設(shè)置問題．具體分析如下.

本題第(1)問要根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案選擇合適的器材．要使繼電器在30～80 ℃范圍都能工作,則熱敏電阻阻值最大時(30 ℃,199.5 Ω),回路的電流需達(dá)到15 mA,只有選用電源E2(6 V)才能達(dá)到這一電流值．當(dāng)使用6 V電源,要使在熱敏電阻阻值最小時(80 ℃,49.1 Ω)回路的電流也能到達(dá)15 mA,應(yīng)選用R2．上述分析過程,以電源、滑動變阻器、熱敏電阻等器件的規(guī)格保證工作條件的有效性和器件規(guī)格之間的一致性為判斷依據(jù),在布盧姆認(rèn)知水平中屬于“評價(jià)”類型．在學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中,“能制訂科學(xué)探究方案,選擇使用合適的器材,獲得數(shù)據(jù)”的要求屬于“水平4”．

第(2)問選擇多用電表的擋位．學(xué)生不僅要能識別多用電表面板,而且還要根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)情境和條件做出合理選擇,是多用電表“器材和操作”在具體問題中的“應(yīng)用”，屬于“水平2”的要求．

第(3)問排查電路故障．只有b、c間斷路時,b、c間斷路有電壓,a、b間導(dǎo)通無電壓,因此,多用電表電壓擋接入b、c間有偏轉(zhuǎn),接入a、b間不偏轉(zhuǎn)．上述判斷過程需要學(xué)生對電路做出分析,弄清故障造成相關(guān)檢測點(diǎn)間電壓變化的狀況,是對“現(xiàn)象”的“分析”解釋．學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的“能分析觀察物理現(xiàn)象”、“能對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析”屬于“水平3”．

第(4)問的實(shí)驗(yàn)步驟排序考查實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)．區(qū)別于一般的分析綜合過程,解答該問時學(xué)生在深刻理解溫控裝置工作原理的基礎(chǔ)上,弄清電路工作條件,明白電阻箱與熱敏電阻之間等效替代的關(guān)系,繼而制訂科學(xué)探究方案,正確排列操作順序．學(xué)生在思考步驟⑤為什么要“用電阻箱替換熱敏電阻,將阻值調(diào)至108.1 Ω”時,將“108.1 Ω”的線索與之前“熱敏電阻阻值Rt與溫度t的關(guān)系”和繼電器在“15 mA時吸合”等條件構(gòu)成準(zhǔn)則的內(nèi)部一致性關(guān)系,是對實(shí)驗(yàn)“原理和方案”的準(zhǔn)則一致性、有效性的“評價(jià)”．在學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中涉及“對科學(xué)探究過程與結(jié)果進(jìn)行交流和反思”,屬于“水平4”．

對兩道高考實(shí)驗(yàn)題的分析檢驗(yàn)表明,該測評框架與核心素養(yǎng)下科學(xué)探究質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)涵相一致,細(xì)化測評知識內(nèi)容和表現(xiàn)水平能夠很好地界定和分析試題的測評目標(biāo)．

4 測評框架對命題和教學(xué)的啟示

考試需要有高效度．具體到命題環(huán)節(jié),要求試卷的知識覆蓋率高、重點(diǎn)知識突出、難度合理．表4在測評框架中列出近3年江蘇省高考物理實(shí)驗(yàn)題每問的測試目標(biāo)．“水平5”主要適用于高校自主招生,超出本文討論范圍,故未列入．

表4 2015～2017年江蘇高考物理實(shí)驗(yàn)題的測試目標(biāo)

續(xù)表

注： 2017-11(4)表示2017年第11題第(4)問。

測評目標(biāo)的統(tǒng)計(jì)表明,近3年實(shí)驗(yàn)題的問題布局比較合理,涵蓋大多數(shù)測試目標(biāo),每年的覆蓋率都比較高．“器材和操作”和“現(xiàn)象和數(shù)據(jù)”是測試的主要內(nèi)容,突出物理實(shí)驗(yàn)的觀察和操作兩個特色．表現(xiàn)水平以“應(yīng)用”、“分析”和“評價(jià)”3個層次為主,突出對解決實(shí)際問題的能力考查．

然而,統(tǒng)計(jì)也發(fā)現(xiàn),近3年試題中均有第(1)問設(shè)置在“評價(jià)”水平上的,起點(diǎn)較高,可能不利于學(xué)生理解問題情境,這在今后命題中需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)．

教學(xué)中,將學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的行為表現(xiàn)定位在測評框架中,評價(jià)會更精準(zhǔn).找準(zhǔn)優(yōu)勢和劣勢所在,能使學(xué)習(xí)更有針對性．圖6是兩名考生的不同

圖6 第10題兩位考生的不同作答表現(xiàn)

作答表現(xiàn),考生甲答對例1的前兩問,而考生乙答對例1的后兩問．依據(jù)測評框架評估發(fā)現(xiàn),他們雖然得分相同,但實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)的表現(xiàn)不同．考生甲對器材操作、數(shù)據(jù)處理的識記理解較好,但對數(shù)據(jù)處理規(guī)則的應(yīng)用和誤差來源的分析不足．而考生乙的表現(xiàn)與之恰好相反．

5 結(jié)束語

該實(shí)驗(yàn)探究測評框架基于核心素養(yǎng)的理念，從細(xì)化的測評框架能更容易理解和把握學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)水平的內(nèi)涵,有利于將學(xué)業(yè)質(zhì)量評價(jià)落實(shí)到日常學(xué)習(xí)和學(xué)業(yè)水平考試實(shí)踐．利用教師熟悉的和廣泛使用的教育理論理解諸如核心素養(yǎng)、學(xué)科素養(yǎng)和學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等新概念,可以做好當(dāng)前考試評價(jià)的能力立意與新課程標(biāo)準(zhǔn)核心素養(yǎng)的銜接．隨著新課程標(biāo)準(zhǔn)正式頒布實(shí)施,需要有更多基于需要導(dǎo)向的研究,將核心素養(yǎng)下的學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)真正落實(shí)到評價(jià)實(shí)施的實(shí)際工作中．

1 雷新勇.大規(guī)模教育考試:命題與評價(jià)[M].上海:華東師范大學(xué)出版社,2007:98-116.

2 吉爾伯·薩克斯.教育和心理的測量與評價(jià)原理(第4版)[M].王昌海,等,譯.南京:江蘇教育出版社, 2002:83-86.

3 陶洪.物理實(shí)驗(yàn)論[M].南寧:廣西教育出版社,1996:3-4.

4 楊向東.理論驅(qū)動的心理與教育測量學(xué)[M].上海:華東師范大學(xué)出版社,2014:135-146.

5 黃紅波. 江蘇高考物理實(shí)驗(yàn)題的新課程特點(diǎn)與答題情況分析[J].物理教學(xué),2013(2):64-67.