基于模糊理論的大學生物理實驗能力綜合評價

李 林

（深圳市寶安中學，廣東 深圳 518101）

1 引言

實驗教學是物理教學的有機組成部分，正如理工科類大學物理實驗課程教學基本要求所說，“物理實驗課是高等理工科院校對學生進行科學實驗基本訓練的必修基礎課程，是本科生接受系統實驗方法和實驗技能訓練的開端.物理實驗課覆蓋面廣，具有豐富的實驗思想、方法、手段，同時能提供綜合性很強的基本實驗技能訓練，是培養學生科學實驗能力、提高科學素質的重要基礎.它在培養學生嚴謹的治學態度、活躍的創新意識、理論聯系實際和適應科技發展的綜合應用能力等方面具有其他實踐類課程不可替代的作用［1］”.近年來，物理實驗能力培養在理論層面以其特有的地位已得到相應的重視，對物理實驗能力的研究正逐漸深入，但對物理實驗能力的測量仍存在很多問題.

評價工作的核心是建立評價模型，目前我們的評價模型大多采用簡單的加權平均模型.但由于評價對象一般含有多種屬性，這些屬性從不同側面反映了評價對象的不同特征，而這些特征往往又帶有一定程度的模糊性，這就導致加權平均模型的評價結果可信度差，無法科學、客觀地反映評價對象的特征.采用模糊理論進行綜合評價，評價結果將更接近于實際情況.本文使用模糊層次分析法（F AHP）構建了一個實用的物理實驗能力評價多層次模糊評價模型，來對大學生的實驗能力進行綜合、客觀地評價.

2 建立模糊評價模型

根據模糊綜合評價的數學理論，建立大學生物理實驗能力多因素模糊評價的模型可以分如下幾個步驟進行：（1）確定評價對象與評價有關的各參數集：評價因素集B、評價等級集V和評價因素的權重系數集W，并確定評價分幾個層次進行；（2）用填表的方式，請每位評價人員對各層次中包括下一層次評價子因素的各評價因素進行評價，并給出等級建議，在此基礎上，由最底層開始，逐層建立評價因素與評價等級之間的模糊關系矩陣R（i）及相應的權重系數集W（i）；（3）用模糊綜合評價模型對各評價層次的模糊關系矩陣進行變換，即用公式S＝［W］o［R］進行矩陣乘法運算，得出各層次的評價矩陣S（i）；（4）對最終的評價矩陣S進行數據處理，得出最終的評價結果［2］.

2.1 建立評價指標體系

認知心理學研究表明，物理實驗能力結構是由實驗知識結構、實驗操作技能結構和實驗問題解決能力結構3個部分構成，且存在相互聯系的整體結構［3］.有關實驗原理、方法、步驟、實驗儀器的工作原理和讀數方法，誤差分析和實驗的設計等各項理論知識都屬于認知領域，依據布盧姆認知領域的教育目標的六級分類［4］，建立認知目標的三分類體系（識記、理解、運用），比較適合大學生物理實驗的認知目標教學.根據學生的學習水平和對實驗過程中的行為動作進行歸類，本著教學目標的分類與界定便于教學目標的制定和實施，便于對行為動作進行觀察、調控和評估的原則，按照教育學、心理學的原理，參考美國伊利諾斯大學辛普森的七分類動作技能目標［4］和我國教育心理學界對操作技能形成過程的劃分，對我國大學生物理實驗操作技能可以劃分為模仿操作、意識操作和定型操作3個層次［9］.物理實驗問題解決活動是學生面臨新的實驗問題情景，應用原有認知結構中的陳述性知識和程序性知識解決實驗問題的過程中體現出的能力［5］，解決問題過程中主要體現出學生的實驗設計能力、實驗創新能力和實驗成果表達能力.

運用層次結構模型將各項評價指標按照不同屬性自上而下地分解成3個遞階層次，從而形成大學生物理實驗能力評價系統的指標體系結構，評價因素層次結構見表1.

表1

2.2 確定評價等級

本評價等級集合定為V＝｛優V1、良V2、中V3、及格V4、差V5｝，各等級賦值V 分別為｛5，4，3，2，1｝.

2.3 確定各評價指標的權重

在傳統教學評價中，教師對于評價指標權重的決定均以教師個人主觀判斷而定，卻無法確定說出權重制定的原因.本文采用模糊層次分析法（F AHP）來計算評價指標之間的權重以解決傳統評價中評價因素、評價權重制定不客觀的問題.模糊標度及其含義見表2.

表2

2.4 確定評價矩陣R

評價指標體系建立之后，就可以根據評價指標體系設計出評價調查表.調查表中的調查項目、習題選項要與指標體系對應.先把調查表發給評價者，教師對調查表的數據進行統計，分別得到每個被評價者的每一因素的單因素評價向量.

2.5 進行綜合評價

通過權系數矩陣W 與評價矩陣R的模糊變換得到模糊評判S，S＝［W］?［R］，其中，“?”模糊合成算子.相關文獻研究表明［7］，乘于有界模糊算子（·，8）可針對各種因素按權重大小統籌兼顧，綜合考慮能夠充分考慮各種因素.由于不同層次的權系數矩陣與評價矩陣的不同，這種評價方法既可以進行單層次評價又可以進行多層次綜合評價.

3 實例分析

現以評價某校2008級某一物理師范專業學生的物理實驗能力為例，具體說明如何運用模糊綜合評價模型對大學生的實驗能力進行綜合評價.

根據實際教學情況，實施本次評價的專家成員包括普通物理實驗教研室6位教師，評價分數范圍取1～5，針對被評價學生的物理實驗能力測量分3個部分進行，分別針對該學生的物理實驗知識結構、物理實驗操作技能和物理實驗問題解決能力進行測量.（1）利用普通物理實驗考試中的筆試考題，作為分析物理實驗知識結構的工具，批改該學生的考試答卷，從物理實驗知識的識記、理解、運用三個層次給出相應的評價分數，然后取平均值，作為該學生物理實驗知識結構方面的評價結果；（2）利用普通物理實驗考試中的操作考試，觀察、記錄并分析該學生在實驗操作考試中各個環節的表現，從模仿操作、意識操作和定型操作三個層次給出相應的評價分數，然后取平均值，作為該學生物理實驗操作技能方面的評價結果；（3）根據學生在創新實驗與科技制作活動中的表現，從實驗設計的科學性與可行性、實驗的創新性以及對于實驗結果的呈現效果3個方面出發，由多名教師進行分析評定，給出每個方面相應的評價分數，然后取平均值，作為物理實驗問題解決能力的最終評價結果.

3.1 用層次分析法求解評價指標的各權重

根據表1層次結構模型，并參照對各因素的定性分析，對各指標的相對重要性進行兩兩比較，構造模糊一致矩陣，如表3，然后進行單排序.

表3

表4

表5

表6

由表3～6可得各級指標的權重矩陣：W＝｛0.250，0.350，0.400｝，W1＝｛0.250，0.333，0.417｝，W2＝｛0.267，0.417，0.316｝，W3＝｛0.433，0.233，0.334｝.

3.2 確定評價矩陣R

對收集的調查表進行統計，得到該學生的各因素的評價矩陣R1，R2，R3，以及總體評價矩陣R，如表7所示.

表7

3.3 進行綜合評價

通過權重系數矩陣W 與評價矩陣R的模糊變換得到模糊評判集S＝W?R，可以得出S＝［0.3395，0.3690，0.1395，0.0565，0.0955］.前面我們已經定義了確定評價等級為“5，4，3，2，1”，然后用S中對應分量將各等級的秩加權求和，得到綜合評價值為3.8005，由于3＜3.8005＜4，說明該學生的物理實驗能力為中等.運用同樣的方法，可以計算出每個因素的評價值，如表7所示.從表中的計算結果，我們可以看出該同學各方面實驗能力有明顯差異，其中實驗操作能力最強，達到了4.0244，物理實驗基礎知識和物理實驗問題解決能力處于中等偏上.

由此可以看出，用此模型計算學生的物理實驗能力，不但可以對學生的物理實驗能力做定性的分析，而且能給出定量的評價結果.這有利于對該專業全體學生的物理實驗能力進行準確地排序，幫助教師了解學生的學習情況，從而促進物理實驗教學.

4 結論

本文以對大學生的物理實驗能力評價為例，利用模糊層次分析法，在系統分析的基礎上建立了綜合評價模型，該模型全面考慮了影響大學生實驗能力的各種綜合因素.通過應用此模型，能盡量避免評價者個人主觀臆斷的缺點，較好地保證了評價工作的客觀性和適用性.教師可以從評價結果中發現學生哪方面實驗能力不足，從而改善教學策略，有助于學生實驗能力的發展，保證了及時、準確、高效地完成評價工作.

1 教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會物理基礎課程教學指導分委員會.理工科類大學物理實驗課程教學基本要求.北京：高等教育出版社，2010.

2 李柏年.模糊數學及其應用.合肥：合肥工業大學出版社，2007.134～139

3 查有梁，謝仁根等.物理教學論.南寧：廣西教育出版社，1996.357

4 邵瑞珍等.學與教的心理學.上海：華東師范大學出版社，1990.191，195

5 王振東.中學物理實驗能力測量研究（碩士論文）.山東師范大學，2003.10，23

6 田立勇，于寧，張蘭芬.大學生科技創新實踐能力綜合評價.遼寧工程技術大學學報（社會科學版），2010（6）：651

7 寧庶亮，陳亮，李霖.模糊合成算子在軍隊指揮效能評估中的應用.火力與指揮控制，2008（12）：119～120

8 孫祥，徐留美，吳清.M a t l ab 7.0基礎教程.北京：清華大學出版社，2005.

9 張軍朋.物理教學與學業評價.廣州：廣東教育出版社，2005.182－186

10 陳海燕.模糊綜合評價在物理實驗中的應用.信陽師范學院學報（自然科學版），2004（1）：86

11 陳鳳姣，徐正華.模糊評判法在高校實驗教學質量評價體系的應用.漳州師范學院學報（自然科學版），2010（4）：152－153