原始物理問題測驗工具的編制研究*

邢紅軍，臧富華，石 堯，趙玉萍

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

0 引 言

在發(fā)展學生核心素養(yǎng)和培養(yǎng)學生關(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)學生“面對復雜而不確定的現(xiàn)實問題時，發(fā)現(xiàn)問題、找到辦法、解決問題”的綜合品質(zhì)［1］.然而在實際的教學中，“題海戰(zhàn)術(shù)”已經(jīng)成為我國物理教學的普遍現(xiàn)象，教師以脫離物理現(xiàn)象的習題為主對學生進行機械訓練，注重步驟與運算技巧，忽視學生的思維訓練.楊振寧［2］教授曾經(jīng)指出“現(xiàn)象是物理學的根源”，從這一基本思想出發(fā)，我國物理教育學者引入了原始物理問題，通過自然界和人類生產(chǎn)、生活中未被加工過的物理現(xiàn)象和事實的描述來呈現(xiàn)物理問題［3］.而后又提出原始物理問題的表征理論、自組織理論以及相關(guān)的物理能力理論［4］.原始物理問題的提出和發(fā)展，打破了物理習題教學一統(tǒng)天下的局面，成為發(fā)展學生核心素養(yǎng)的重要途徑.有鑒于此，本研究基于“原始物理問題”已有的研究基礎(chǔ)，總結(jié)了原始物理問題的選材原則和編制步驟，編制了高中原始物理問題測驗工具并進行了統(tǒng)計檢驗，以期為高中學生物理關(guān)鍵能力的培養(yǎng)開辟一個新的途徑.

1 原始物理問題測驗工具的來源與編制原則

1.1 測驗工具的來源

（1）直接經(jīng)驗提取.

學生的直接經(jīng)驗是原始物理問題編制的最佳來源，因為直接經(jīng)驗貼合生活實際且契合學生的經(jīng)驗體會，能夠很好地體現(xiàn)物理世界回歸生活世界的宗旨.如讓學生畫出實際情況下，籃球落地過程中的加速度-時間變化曲線圖，就是借助學生日常生活中熟知的籃球落地場景，從運動與相互作用的角度，所提取出的一道看似簡單卻又奧妙無窮的原始物理問題.

（2）間接經(jīng)驗提取.

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

（3）傳統(tǒng)習題還原.

傳統(tǒng)物理習題通常直接對應于具體的物理知識點，往往過濾掉了豐富多彩的物理現(xiàn)象，導致物理習題的教育價值大打折扣.因此，賦予傳統(tǒng)習題以鮮活的情景，就不失為一條編制原始物理問題的有效路徑.如將物理習題中考察杠桿的題目還原為2人抬箱上樓的問題，讓學生分析抬箱上樓誰更省力，就成為一道非常好的原始物理問題［6］.

（4）物理實驗發(fā)掘.

在中學物理實驗中，許多實驗現(xiàn)象或結(jié)果并不能與理論知識完全吻合，往往會存在一些偏差.因此，就可以利用這些偏差來編制原始物理問題，讓學生對偏差做出符合物理規(guī)律的解釋.解答這類原始物理問題有助于學生養(yǎng)成尊重事實的習慣，樹立抓住主要矛盾、忽略次要矛盾的觀念.如高中物理探究機械能守恒的實驗，重力勢能的減少量并不等于動能的增加量，可以借此讓學生分析其中的原因，也能夠編制出理想的原始物理問題［7］.

1.2 測驗工具的編制原則

眾所周知，任何一個測驗工具的編制，都需要在理論的指導下進行，原始物理問題測驗工具的編制亦如此.因為只有建立在正確理論之上的測驗工具，才有可能達成測驗的目的.為此，充分運用教育生態(tài)學理論、自組織表征理論和物理核心素養(yǎng)理論，制訂出原始物理問題測驗工具的編制原則.

（1）理論性原則.

理論性原則是指原始物理問題的編制要有堅實的理論基礎(chǔ).物理核心素養(yǎng)理論作為物理課程改革的風向標，指引著基礎(chǔ)物理教育課程改革的方向.因此，原始物理問題的編制必須契合核心素養(yǎng)的要求，才能達成“促進學生全面和諧發(fā)展”的總目標.自組織表征理論提出，中學生解決原始物理問題包含6個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)學表征等［8］.因此，原始物理問題測驗工具需要依次呈現(xiàn)6個表征過程.顯然，原始物理問題只有在正確理論的指導下進行編制，才能保證所編制測驗工具的有效性.

（2）科學性原則.

科學性原則是指原始物理問題的編制要符合科學性，具體來說，題目的選取要符合事實，有客觀依據(jù)，同時還要重視科學方法的考察，滲透科學方法，避免采用“只圖立意新穎而未經(jīng)科學驗證”的題目作為原始物理問題.由于物理學是一門精密定量的自然科學［9］，因此，科學性原則在原始物理問題的編制原則中就非常關(guān)鍵，如果編制的原始物理問題出現(xiàn)科學性錯誤，就難以達成測驗工具編制的目的.科學性原則的要求還包括原始物理問題的表述語言規(guī)范、科學和嚴謹.

（3）生態(tài)性原則.

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

（4）開放性原則.

所謂開放性原則：首先是題目取材的廣泛性，要求題目聯(lián)系生活實際，擺脫傳統(tǒng)物理習題的束縛，能夠充分開放學生的大腦，豐富學生的認識；其次是題目設(shè)置的開放性，要求題目不拘泥于傳統(tǒng)計算，能夠發(fā)散學生的思維，促進學生對物理現(xiàn)象的深度思考；最后是評價標準的開放性，只要結(jié)論有理有據(jù)，不違背科學性原則，均應給予肯定.當然，開放并不是漫無邊際的開放，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題要有一定程度的趣味性，能夠激發(fā)學生的學習興趣，激發(fā)學生的好奇心，發(fā)展學生對物理學的熱愛.這種趣味性既包括問題本身設(shè)置的趣味性，亦包括在解答過程中獲得解題的樂趣.這就需要在題目選材、設(shè)置等方面進行深入細致的思考.人們常說興趣是最好的老師，就是因為趣味性能喚起學生的內(nèi)驅(qū)力，激發(fā)學生的學習動機.所以，原始物理問題的編制應充分考慮如何激發(fā)學生的興趣，讓學生在解決問題過程中獲得樂趣，增長自我效能感.

1.3 測驗工具的編制步驟

當明確了原始物理問題的來源和編制原則之后，進一步將原始物理問題的編制步驟進行設(shè)定，包括選材、還原、整合和測試4個步驟.選材指的是恰當選取構(gòu)成原始物理問題的原材料，這是原始物理問題編制的重要基礎(chǔ)；還原是指將選取的材料經(jīng)過加工處理，在確?？茖W性的基礎(chǔ)上進行情境還原，使其更加接近真實生活中的問題；整合指的是在還原的基礎(chǔ)上，充分考慮話語表達的邏輯和解題的邏輯，將題目整合為表述流暢、邏輯合理的完整問題；測試是在題目編制完成后，選取合適的對象，通過解答驗證題目的可靠性，并提出改進意見.本研究的選材主要來源于生活現(xiàn)象和物理習題的還原，還原過程充分注意題目的科學性，并在測驗工具及評分標準編制完成后，選取幾位一線教師和學生進行預測，在收集反饋意見的基礎(chǔ)上進一步修改、完善，直至定稿.

2 原始物理問題測驗工具的編制

依據(jù)以上原則和步驟，本研究編制的高中原始物理測驗工具共由4道題目構(gòu)成，其中2道力學題目，2道電學題目.在評分標準的制訂方面，采用了表征分項評分法，也就是按照原始物理問題的表征進行賦分，從而使主觀試題在評分標準上達成客觀化.根據(jù)原始物理問題表征的相關(guān)研究，學生解決原始物理問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)學表征.計分時每一個表征呈現(xiàn)正確則得1分，不呈現(xiàn)或者呈現(xiàn)錯誤則得0分，每道題滿分為6分，全卷滿分共計24分.

2.1 雜技拋球

雜技演員拋球表演是雜技團的經(jīng)典節(jié)目，在表演中，演員每隔一定時間將一個球拋到空中，循環(huán)往復.若演員使用3個球進行表演，試推導相鄰球拋出的時間間隔為多少時，可以保證表演順利進行（見表1）.（6分）

表1 雜技拋球問題評分標準

2.2 肇事車輛速度確定

交通事故發(fā)生時，車上的部分物體會因碰撞脫離車身.因此，位于車上不同高度的2個物體散落在地面上的位置是不同的，據(jù)此可以測定碰撞瞬間汽車的速度，這對于事故責任認定具有重要的作用.請根據(jù)散落物體的位置推導出一個確定碰撞瞬間車輛行駛速度的表達式（見表2）.（6分）

表2 肇事車輛速度確定問題評分標準

2.3 飛機機翼兩端電動勢

一架飛機由東向西飛行，請根據(jù)所學物理知識導出飛機機翼兩端感應電動勢的表達式，并注明每個字母所代表的物理意義（見表3）.（6分）

表3 飛機機翼兩端電動勢問題評分標準

2.4 渦流制動

一個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垂直于圓盤，其邊長遠小于磁場到轉(zhuǎn)軸的距離，試推導出一個表達式解釋圓盤慢慢停止轉(zhuǎn)動的原因（見表4）.（6分）

表4 渦流制動問題評分標準

3 原始物理問題測驗工具的統(tǒng)計檢驗

3.1 被試對象選擇

為檢驗原始物理問題測驗工具的科學性與有效性，選取B市S中學高二年級2個班級的80名同學作為本次測試的被試對象.由于S中學在B市屬于中等偏上的學校，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］.在確保被試對象已經(jīng)學過試卷考查范圍相關(guān)知識的基礎(chǔ)上，對被試者進行原始物理問題測驗工具的測試，測試時間為80 min，學生獨立完成.

3.2 原始物理問題測驗工具統(tǒng)計分析

3.2.1 難度

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

根據(jù)命題難度的標準，單個題目的Pi應該控制在 0.3～0.7 之間，試卷的整體Pi為 0.5 左右［12］.本測驗工具Pi為0.56，說明題目難度適宜.

3.2.2 區(qū)分度

區(qū)分度是指測驗工具對不同能力學生區(qū)分程度的指標，它體現(xiàn)了測驗工具的鑒別能力，根據(jù)區(qū)分度（Di）計算公式可得：

Di=PH-PL=0.52.

按美國學者伊貝爾提出的區(qū)分度標準可知，Di≥0.40即為優(yōu)秀試題［13］.原始物理問題測量工具的Di達到0.52，說明工具對不同物理關(guān)鍵能力的學生具有很好的鑒別性.

3.2.3 信度

信度是指測驗結(jié)果的穩(wěn)定性或可靠性，常用克隆巴赫系數(shù)（α）來反映信度的高低.根據(jù)教育測量學的要求，有效測驗的信度需要達到0.7以上，達到0.8以上認為信度較高［14］.運用SPSS25.0軟件，對原始物理問題測驗工具的信度進行分析，結(jié)果顯示，α=0.826＞0.8，說明該測驗工具信度較高，各題目具有很好的內(nèi)部一致性.

3.2.4 結(jié)構(gòu)效度

測驗工具的結(jié)構(gòu)效度反映了工具的有效性，是指測驗工具實際測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.驗證測驗工具的結(jié)構(gòu)效度，需要經(jīng)歷2個步驟：首先是對測驗工具進行Kaiser-Meyer-Olkin系數(shù)（簡稱KMO系數(shù)）和巴特利特球形度檢驗；在結(jié)果良好的前提下再進行探索性因子分析，得到的主成分數(shù)若與假設(shè)相符合則證明測驗工具結(jié)構(gòu)效度良好［14］.

運用SPSS25.0軟件，得到測驗工具的KMO系數(shù)和巴特利特球形度檢驗結(jié)果如表5所示，顯著性p＜0.01，KMO=0.703＞0.6，測試結(jié)果良好，故可以進行探索性因子分析.

表5 原始物理問題測驗試卷的KMO系數(shù)和巴特利特檢驗效果

進一步對測試結(jié)果進行探索性因子分析，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，“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，原始物理問題測驗工具的測試結(jié)果提取了6個主成分，且累積比良好，達68.77%，碎石圖中組件號在7處產(chǎn)生了拐點，說明測驗工具的測量指標取6～8個是合適的.根據(jù)理論假設(shè)，原始物理問題的解決過程分為6個表征，且本研究在編制評價標準中明確規(guī)定了6個測試指標的要求.由此可見，測試結(jié)果與先前的假設(shè)吻合，故原始物理問題測驗工具具有良好的結(jié)構(gòu)效度.

表6 原始物理問題測驗工具總方差解釋

圖1 原始物理問題測驗工具碎石圖

統(tǒng)計分析表明，原始物理問題測驗工具的難度、區(qū)分度、信度和結(jié)構(gòu)效度良好，說明原始物理問題測驗工具可以作為標準的測驗工具使用.

4 結(jié) 論

4.1 原始物理問題測驗工具質(zhì)量較高

通過對原始物理問題測驗工具進行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明，該工具難度適中，區(qū)分度良好，各項目內(nèi)部一致性較強，有效性較高.由于難度、區(qū)分度、信度和結(jié)構(gòu)效度指標是評判一個測驗工具優(yōu)劣的重要標準，所以認為，高中原始物理問題測驗工具的編制是可行的，具有較高的質(zhì)量，能夠?qū)W生解決物理問題的能力進行很好的鑒別，這就為物理核心素養(yǎng)背景下的考試評價以及學生物理關(guān)鍵能力的鑒別提供了一個新的途徑.

4.2 高中生解決原始物理問題的水平較低

通過對高中原始物理問題測驗工具的測試結(jié)果進行分析，研究結(jié)果顯示，學生的測驗平均成績并不高，僅有13.31分.這是因為，原始物理問題給出的是對物理現(xiàn)象的描述，與學生熟悉的物理習題有著非常大的差別，工具中涉及的物理量需要學生自己去設(shè)置，解決問題所需要運用的物理知識也不像解答習題那樣容易從大腦中提取，這就在很大程度上影響著學生對原始物理問題的解決.這表明，中學生解決原始物理問題能力，或者說解決實際物理問題的關(guān)鍵能力還有待提升.