朱行建 陸建隆
(1. 天津經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)教育促進中心,天津 300457; 2. 南京師范大學教師教育學院,江蘇 南京 210024)
物理學科能力是指學生在順利地完成物理知識學習活動和相關(guān)物理問題解決活動中所必須具備的、穩(wěn)定的心理特征.[1]2019年11月,《教育部關(guān)于加強初中學業(yè)水平考試命題工作的意見》(教基〔2019〕15號)指出,“試題命制既要注重考查基礎(chǔ)知識、基本技能,還要注重考查思維過程、創(chuàng)新意識和分析問題、解決問題的能力”,[2]為此,南京師范大學陸建隆教授領(lǐng)銜的全國初中學業(yè)水平考試物理能力研究課題組在思辨與命題實踐的基礎(chǔ)上構(gòu)建了我國初中學業(yè)水平考試物理能力要素的框架,即初中物理能力由理解能力、應用能力和實驗探究能力構(gòu)成.[3]但是,該文獻沒有回答以下幾個問題: (1) 這樣建立的物理能力要素沒有依托大數(shù)據(jù)的數(shù)學建模實證支持是否正確?(2) 上述能力的含義、具體要求及表現(xiàn)水平到底是怎樣的?(3) 試卷中各個能力層次的分值占比應該大致為多少是比較合適的?弄清這些問題就可以根據(jù)具體的試題確定其考查的能力屬性,從而進一步確定試卷的能力結(jié)構(gòu).為此,全國初中學業(yè)水平考試物理能力研究課題組針對這些問題開展了研究.
由于解答一道試題時可能要使用多種能力,但是到底以哪種潛在的能力為主?這一問題不弄清楚,對同一道試題不同的教師就會有不同的理解,從而在確定能力時會出現(xiàn)不同的主觀答案.全國初中學業(yè)水平考試物理能力研究課題組以2020年某省的中考試題為例,邀請兩位具有20年以上教齡的初中物理省級骨干教師給本套試卷中的每一道試題進行能力劃分,從他們劃分的結(jié)果看,實驗與探究能力的劃分基本一致,而在理解能力和應用能力的劃分上幾乎有一半的不同.基于這樣的不同認識,筆者以某城市的2020年5月進行的中考模擬試題為研究對象,對本套試卷建立了該城市的4718名學生的答題反應數(shù)據(jù)庫,運用SPSS統(tǒng)計軟件采用探索性因素的聚類分析方法對數(shù)據(jù)進行處理,根據(jù)聚類分析數(shù)據(jù)處理的因素分類結(jié)果,找出與因素分類相對應的試題,建立物理能力要素的數(shù)據(jù)實證模型,再運用MPLUS軟件,通過驗證性因素分析的方法檢驗建立的物理能力要素模型是否正確,最后,通過具體的分析試題解答過程中的行為表現(xiàn),歸納出試題的主要能力因素及水平高低,進一步概括出能力的內(nèi)涵、具體要求和結(jié)構(gòu).
試卷滿分100分,考試時間90 min,共有試題28道,題型共有3種類,其中單項選擇題12道,填空題8道,解答題8道,在解答題中進一步分為作圖題1道(分為3個小題)、實驗與探究題5道,計算2道,具體的試題的題型與題號如表1.
表1 試題的題型與題號
2.3.1 探索性因素分析
對學生的答題運用SPSS統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)處理,試卷的難度為0.67,與初中學業(yè)水平考試的要求基本一致,試卷的內(nèi)部一致性α系數(shù)為0.925,說明試卷的信度很好,KMO檢驗和巴特利特球形度檢驗,結(jié)果如表2,KMO檢驗系數(shù)為0.983,巴特利特球形度檢驗相應的概率Sig.=0.00,表明試卷有較高的效度,說明本試卷的數(shù)據(jù)可以用作因素分析.
表2 試卷KMO和巴特利特球體檢驗
對數(shù)據(jù)用SPSS統(tǒng)計軟件進行探索性因素聚類處理,得出的碎石圖如圖1,譜系圖如圖2.
圖1 探索性因素聚類分析碎石圖
圖2 探索性因素聚類分析譜系圖(使用平均聯(lián)接)
碎石圖表明,試卷考查了5個主要的因素,因素6考查的因素較弱,數(shù)據(jù)解釋力不強.譜系圖表明了哪些試題考查了同一因素,并且這些因素可以劃分為由低到高的不同水平,具體題號和由低到高的水平因素如表3.
表3 由低到高水平因素分析
進一步分析譜系圖可知,因素2包含因素1,可以認為這是某個要素的2個不同水平,記為要素1,從傳統(tǒng)題型上看主要是選擇題和填空題;由于因素5只有一道試題,是一個獨立存在的因素,比較容易分析,故,先分析因素5,因素5的第26題是一道實驗探究性試題,說明實驗探究性試題考查指向了某個潛在的因素,因素5包含因素3和因素4中的某些因子,可以認為這是某個要素的3個不同水平,因素3有3題實驗探究題,因素4有1題實驗探究題,且,因素5是全卷實驗探究性試題因素中考查的最高水平的試題,故,因素3、因素4中的實驗探究題與因素5的實驗探究題記為要素3;因素4包含因素3,除了實驗與探究題(已納入要素3),共有6道試題(包括4道填空,1道作圖和1道計算),因素6是全卷的最后一題,因其解釋力不強,不能獨立作為一個潛在因素,同時,考慮到該題是一道計算題,將該題并入因素3與因素4中較高水平上進行分析,除了實驗探究性試題的其他試題潛在因素3、因素4與因素6可以認為這是另外某個因子的3個不同水平,記為要素2.至此,運用探索性因素分析建立的物理試卷考查要素模型如表4.
表4 物理試卷考查要素模型分析
續(xù)表
2.3.2 驗證性因素分析
表4根據(jù)探索性因素分析的6個因素結(jié)合傳統(tǒng)的題型建立了初中學業(yè)水平考試物理試卷考查的3要素分析模型.那么,這樣的三要素模型是否合理?為此,用結(jié)構(gòu)方程模型分析軟件MPLUS進行驗證性因素分析,具體模型擬合指數(shù)如表5.
表5 模型擬合指數(shù)
用MPLUS構(gòu)建一階模型,模型擬合指標與評價標準如下,近似誤差均方根RMSEA<0.050,越小越好;標準化殘差平方和的平方根SRMR<0.08,越小越好;Tucker-Lewis指數(shù)TLI>0.900越接近1越好;比較擬合指數(shù)CFI>0.900,越接近1越好.[4]由表5可知,模型擬合指數(shù)較好,即物理試卷是由3個要素構(gòu)成的,表4的模型是可以接受的.
為了確定中考試題的能力要素和表現(xiàn)水平,下面結(jié)合具體的試題解答,分析答題時的行為表現(xiàn),將試題與表4建立的模型因素類別相對應,探討試題考查的能力要素和表現(xiàn)水平.在表4建立的模型中,第3個要素可以初步確定是實驗探究題型,考查的是實驗探究能力,至于要素1和2考查的是什么需要再做進一步的分析.試題的能力要素與表現(xiàn)水平的確定以新修訂的布魯姆教育目標分類學為基礎(chǔ),[5]同時,對實驗探究能力則參考科學探究的主要程序.在例題選擇時,盡可能的選擇初中物理常見的、不同風格的具有一定代表性的試題類型進行分析.
因素1涉及的題型為7個選擇題和3個填空題,選擇1個常見的試題類型進行分析.
例1.(試卷第2題)中華古詩詞、俗語蘊含著豐富的聲學知識,下列有關(guān)理解正確的是
(A) “響鼓還需重錘敲”說明聲音的響度與頻率有關(guān).
(B) “誰家玉笛暗飛聲”中笛聲由笛管的振動產(chǎn)生.
(C) “聞其聲知其人”的依據(jù)是不同人的聲音,其音色不同.
(D) “不敢高聲語,恐驚天上人”中的“高”指的是聲音的音調(diào)高.
本題通過古詩詞考查學生的物理知識是中考試題中經(jīng)常采用的一類試題,該題是對樂音的特性進行考查,要求學生能夠根據(jù)其特性進行識別,達到再認水平,這一因素可以看作理解能力中較低層次的考查目標.
因素2涉及的題型為5個選擇題和1個填空題,選擇1個常見的試題類型進行分析.
圖3
例2.(試卷第15題)如圖3所示,用滑輪組提升重100 N的物體時,在10 s內(nèi)繩子自由端被勻速拉下6 m.已知拉繩子的力F為70 N,則在此過程中滑輪組所做的有用功是________J,拉力F的功率是________W,該滑輪組機械效率為________%(保留一位小數(shù)).
本題是填空題中的簡單計算題,試題取材于教科書中的情境,是中考中常見的一類試題,考查學生對功、功率、機械效率等物理概念和規(guī)律的計算.本題屬于計算題,由于情境是教科書上學生熟悉的模型,他們能夠通過回憶,直接提取相關(guān)公式,代入公式進行簡單的計算就可以得出答案,其本質(zhì)特征還是對公式的正確回憶與提取,但是,由于涉及到計算的能力,這一因素可以看作理解能力中較高層次的考查目標.
因素3涉及的題型為3個填空題,填空題有2個涉及計算,另外1道填空有2個小題,選擇1個常見的填空試題類型進行分析.
圖4
例3.(試卷第14題第1小題)如圖4甲所示,小紅將一個硬質(zhì)塑料瓶裝滿水,把乒乓球放在瓶口處按住并倒置,松手后,乒乓球在________的作用下不會下落;如圖4乙所示,將硬質(zhì)塑料瓶去掉瓶底,把乒乓球放入瓶內(nèi),若從瓶口處用力向上吹氣,由于氣體流速越大的位置,壓強越________,所以乒乓球不會上升.
本題在具體的情境下考查大氣壓強的知識,也是中考常見的一類試題.試題要求學生回答乒乓球的運動情況,需要學生應用壓強的知識對乒乓球進行受力分析,而受力情況又和大氣壓有關(guān),盡管后一填空學生通過回憶就可以作答,但是前一空學生需要通過分析與推理乒乓球不會下落的原因,這一因素可以看作應用能力中較低層次的考查目標.
因素4涉及3種題型,為1個填空題、1個計算、1個作圖,其中作圖分為3個小題,選擇作圖題中的1個小題進行分析.
圖5
例4.(試卷第21題第1小題)如圖5所示是小華春游時在水邊看到的美景,請將他看到水中“樹木”的光路圖補充完整.
作圖題是中考中常用的試題類型,本題不僅要求學生理解光的折射現(xiàn)象,弄清楚物與像的位置關(guān)系,還要動手操作畫圖,像本題這樣,作圖題需要學生把學到的物理知識應用到具體的作圖中去,用物理知識解釋生活現(xiàn)象,需要對問題進行分析、推理等進行綜合論證.這一因素可以看作應用能力中較高層次的考查目標.
因素5屬于要素2,只有一道計算題,并是全卷最后一道試題.
例5.(試卷第28題)如圖6(甲)所示是一款加熱杯,可以通過控制開關(guān)S實現(xiàn)高、中、低三擋加熱,其簡化電路圖如圖6(乙)所示.R1、R2、R3均為電熱絲(R1>R2),已知R1=77 Ω,加熱杯的部分參數(shù)如表6.求:
圖6
表6
(1)R2的阻值是多少?
(2) 加熱杯的低溫檔功率是多少?(結(jié)果保留1位小數(shù))
(3) 若只要求將中溫檔功率提升10%,請通過計算說明具體措施.
本題是在新的情境中考查學生解決問題能力的一類題型,但是本題不僅僅要求學生從圖表中提取有用的信息,還要求學生能夠用電路圖對保溫檔和加熱檔進行區(qū)分,考查學生從復雜的物理情境中構(gòu)建物理模型的能力,最后一問還需要通過分析、推理、計算、論證等才能得出正確答案,考查學生創(chuàng)新能力,這一因素可以看作應用能力中最高層次的考查目標.
實驗探究性試題屬于要素3,涉及因素有3、4和5,共有5題,選擇其中有代表性的常見試題進行分析.
例6.(試卷第23題)小方在“探究凸透鏡成像特點”的實驗中,將凸透鏡固定在光具座上50 cm刻度線處不動,移動蠟燭和光屏至如圖8所示位置時,光屏上承接到清晰的像.
(1) 如圖7所示位置,此時蠟燭在光屏上成倒立、________(選填“放大”、“縮小”或“等大”)的實像.
圖7
(2) 小方將遠視眼鏡的鏡片放在蠟燭和透鏡之間的適當位置,此時應將蠟燭向________(選填“左”或“右”)移動,光屏上才能再次承接到清晰的像.
(3) 取走鏡片,小方將蠟燭放到光具座上20 cm處然后向左移動一段距離后,應將光屏移至(選填序號)范圍內(nèi)才能承接到清晰的像,此時成的像和蠟燭在光具座上20 cm處成的像相比是________(選填“變大”、“變小”或“等大”)的.
(A) 50~65 cm;
(B) 65~80 cm;
(C) 80~95 cm.
(4) 小方想用大小合適的玻璃板替換凸透鏡探究平面鏡成像規(guī)律,她取兩支相同的蠟燭是為了比較像與物的________關(guān)系;光具座上的刻度可以方便比較像與物到玻璃板的________關(guān)系.
本題也是重要的分組實驗,也是一種考常見的試題類型.試題在教材的實驗的基礎(chǔ)上進行了改編,在蠟燭和透鏡之間加上了遠視眼鏡的鏡片,要求學生對提出的問題進行蠟燭移動的猜想,并進行設(shè)計論證.在光具座上考查平面鏡成像規(guī)律,考查學生的比較、推理等綜合論證能力.本題考查的因素與原屬于因素4的應用能力中較高層次的考查目標相當.
例7.(試卷第26題)在“探究電流與電阻的關(guān)系”實驗中,小丁選用如下器材:電壓恒為5 V的電源、阻值為5 Ω、10 Ω、20 Ω的定值電阻,規(guī)格為“30 Ω 1 A”的滑動變阻器,電流表,電壓表,開關(guān)和若干導線.
圖8
(1) 如圖8(甲)所示為小丁連接的實驗電路,閉合開關(guān)前發(fā)現(xiàn)電路中有一根導線連接錯誤,請在連接錯的導線上打上“×”,并用筆畫線代替導線將電路連接正確.
(2) 改正錯誤后,用開關(guān)試觸,發(fā)現(xiàn)電壓表指針迅速擺到表盤最右端,電流表指針幾乎未動.小丁分析可能是定值電阻發(fā)生了________(選填“斷路”或“短路”)故障.
(3) 排除故障后,調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片,電壓表示數(shù)如圖8(乙)所示,其示數(shù)為________V.斷開開關(guān),保持滑動變阻器滑片位置不動,將10 Ω電阻換成5 Ω電阻,閉合開關(guān),應將滑片向________(填“左”或“右”) 移動,使電壓表示數(shù)與第一次實驗示數(shù)相同,此時電流表示數(shù)應為________A.
(4) 在探究過程中,小丁發(fā)現(xiàn),為了保持定值電阻兩端電壓不變,只要滑動變阻器接入電路的阻值與電路中定值電阻的阻值之比為________即可.
(5) 多次實驗后,根據(jù)數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論:電壓一定時,通過導體的電流與導體的電阻成________.(選填“正比”或“反比”)
(6) 完成實驗后,小丁又設(shè)計了如圖8(丙)所示的電路圖,只用電壓表就測出了額定電壓為U額的小燈泡的額定功率.已知電源電壓恒為U,定值電阻的阻值為R0.請將實驗步驟補充完整.
① ________(填3個開關(guān)的閉合與斷開情況),調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片,使電壓表示數(shù)為________,小燈泡正常發(fā)光.
② 保持滑動變阻器滑片位置不動,________(填三個開關(guān)的閉合與斷開情況),記錄電壓表示數(shù)為U滑.
③ 小燈泡額定功率的表達式P額=________(用已知量和所測物理量符號表示).
本題題干較長,既有儀器讀數(shù)、電路連線、實驗步驟的操作性考查,也有故障的分析、理論計算,還有探究過程的控制變量、數(shù)據(jù)記錄、得出結(jié)論等,要求學生理解實驗原理和方法,能控制實驗條件,會使用儀器,會觀察、分析實驗現(xiàn)象,會記錄、獲取和處理實驗數(shù)據(jù),基于證據(jù)得出結(jié)論,特別是第(6)小題,屬于新的情境,要求學生構(gòu)建一個新的實驗方案模型將實驗步驟補充完整,屬于實驗設(shè)計,學生必須能夠遷移相關(guān)知識解決問題,并能夠評估結(jié)果.本題考查的因素與原屬于因素4的應用能力中最高層次的考查目標相當.
上述能力與水平是按照解答試題的外在行為表現(xiàn)來劃分的,但是,題型會對試題解答的外在行為表現(xiàn)帶來一定的影響,選擇題由于選項對解題線索有一定的提示作用,或者具有猜測的可能性,會降低題目的能力要求,如下面的例9.
根據(jù)以上試題解答表現(xiàn)出來的水平與模型分析的結(jié)果,要素1可以看作理解能力,分為回憶與再認、區(qū)分與解釋兩個水平;要素2可以看作應用能力,分為分析與推理、綜合與論證、建模與創(chuàng)新三個水平;要素3可以看作實驗與探究能力,分為分析與經(jīng)歷、設(shè)計與綜合、遷移與創(chuàng)新3個水平.試卷考查的潛在物理能力要素與全國初中學業(yè)水平考試物理能力研究課題組建立的能力要素框架完全一致,構(gòu)建的物理能力要素及表現(xiàn)水平如表7.
表7 試題能力要素及表現(xiàn)水平
(1) 理解能力:理解能力是指對物理概念、規(guī)律和基本方法有正確的認識,建立概念間的聯(lián)系,把握內(nèi)在邏輯關(guān)系,能從多方面詮釋物理概念的內(nèi)涵和外延.具體要求如下:
回憶與再認:回憶、識別、辨認相關(guān)科學概念、事實或證據(jù);舉出例子;描述對象的基本特征.
區(qū)分與解釋:區(qū)分相似概念;與已有知識建立聯(lián)系,進行解釋、判斷、擴展.
(2) 應用能力:應用能力是指應用物理概念與規(guī)律解決實際問題的能力,建立不同情境下的合理聯(lián)系等.具體要求如下.
分析與推理:是指根據(jù)給定的情景,利用已有的知識、方法,針對問題進行分析,將較復雜的問題分解為幾個較簡單的問題,并找出它們之間的聯(lián)系進行邏輯推斷,并得出正確結(jié)論的能力.
綜合與論證:能綜合運用數(shù)學手段和物理規(guī)律確定物理量之間的定量關(guān)系,通過運算進行論證,得出結(jié)論.
建模與創(chuàng)新:能夠?qū)⒅R方法遷移到新的情境中,建立新的模型并應用模型對問題進行合理的簡化,找出物理量之間的關(guān)系進行分析、求解,能對結(jié)論進行評價.
(3) 實驗探究能力:能夠獨立完成所學過的實驗,能從物理情景中發(fā)現(xiàn)物理問題、建立模型、設(shè)計方案,并應用恰當?shù)难芯糠椒ǖ贸鼋Y(jié)論.具體要求如下.
分析與經(jīng)歷:能夠復述所學過的教材中的實驗,或者通過對教材實驗進行簡單的分析即可解答.
綜合與論證:能對已學過的實驗與探究問題進行拓展、變通,運用知識與技能設(shè)計實驗,組合器材,獲得信息,并論證方案.
遷移與創(chuàng)新:能對新的實驗與探究情境建立模型并運用模型,對探究的過程、方法和結(jié)論做出解釋和評估,提出修改和完善的建議.
根據(jù)表7,用能力代替表4中的要素,得出試卷中各個能力層次考查的分值占比結(jié)果如表8所示.
表8 物理能力結(jié)構(gòu)
由表8可知道,試卷考查的物理能力由理解能力、應用能力和實驗與探究能力構(gòu)成,三者在試卷中的占分比例大致為30%、40%和30%.
依據(jù)大數(shù)據(jù)運用教育測量與統(tǒng)計學建立的物理能力模型具有一定的應用價值,一線教師可以根據(jù)物理能力的內(nèi)涵、具體要求和表現(xiàn)水平指導教學,以落實對不同能力水平的學生實施因材施教,初中學業(yè)考試命題人員可以以此能力結(jié)構(gòu)模型確定能力考查的比例,以實現(xiàn)能力立意的測試目標.
致謝:本文寫作過程中,首都師范大學趙玉萍博士、翟彥芳博士進行了數(shù)據(jù)處理,特此致謝!