NAEP高中物理科學試題及評分方式的分析和啟示

吳俊生　詹偉琴

(華南師范大學物理與信息工程學院　廣東 廣州　511400)

1　引言

NAEP(The National Assessment of Educa-tional Progress)即國家教育進步評價是美國最大的全國性長期評價，這也是由國家教育統計中心(NCES)管理的國會授權項目[1]．NAEP測試的對象是四年級、八年級和十二年級的學生．數學和閱讀每兩年進行一次評價，科學和寫作每4年評價一次．其他科目也定期進行評價，包括藝術、公民學、經濟、地理、技術工程素養以及美國歷史．

NAEP認為在快速變化的世界中，科學素養的培養是全國學生的重要目標．通過科學教育，學生可以了解他們所居住的世界，并學習在生活的各個方面運用科學原理．科學旨在通過實證證據增加對自然世界的了解，并且通過觀察和判斷這些證據可以解釋和預測自然現象．因此，一個具有科學素養的人應該熟悉自然界，了解科學事實、科學概念、科學原理、科學定律以及科學理論，如物體運動，活體器官中的細胞功能和地球的物質屬性等．科學素養還包括運用科學原理和科學思維方式來推進我們對自然世界的了解以及利用科學來解決現實世界中的問題．

2　NAEP高中物理科學框架的內容

NAEP科學框架主要圍繞兩個維度展開：“科學內容”和“科學實踐”．

(1)科學內容

“科學內容”分為3個部分：“物理科學”、“生命科學”和“地球科學”．以十二年級為例，所占比例分別是37.5%，37.5%，25%．每部分又細分為多個領域．高中“物理科學”部分分為3個領域：“物質”、“能量”和“運動”．每個領域的內容有各自的主題，“物質”分為“物質的特性”和“物質變化”；“能量”分為“能量的形式”和“能量的轉化和守恒”；“運動”分為“宏觀運動”和“力影響運動”，每個主題都有其具體的說明．

(2)科學實踐

NAEP不僅評價學生學習的科學內容，還將評估學生使用知識的能力．NAEP將通過“識別科學原理”、“運用科學原理”、“科學探究”與“技術設計”4個方面來評價學生運用科學內容的能力．“識別科學原理”主要是評價學生識別、回憶、定義、聯系和陳述基本科學原理的能力[1]．“運用科學原理”評價的是學生闡明、解釋、分析、運用科學原理的能力．“科學探究”涉及到收集相關數據，使用邏輯推理以及運用想象和證據來設計假設去解釋數據模式．“技術設計”方面，NAEP主要評價學生運用科學原理進行技術設計的能力．

3　NAEP的題目類型設計

NAEP的試題類型包括：

(1)單項選擇題；

(2)建構反應題，包括簡短型建構反應題，擴展型建構反應題和概念圖任務；

(3)組合題，包括試題串、POE項目集、動手表現任務和交互式計算機任務[2]．

3.1　單項選擇題

單項選擇題一般有4個選項，4個選項中包含一個正確答案和其他3個具有迷惑性的選項，3個看起來正確的選項應該是根據學生對已學知識可能產生的錯誤性理解進行制定的，包括錯誤的概念理解、解釋、預測等等．如例1所示．

【例1】(十二年級) 如圖1所示，兩只狗按照下面箭頭所示方向對雪橇施加相同的力，點代表雪橇．試問圖2中哪個箭頭最好地表示了雪橇的運動方向？

圖1　例1題圖

圖2　例題中的設問

這道題考查的是學生受力分析的相關知識，在科學實踐維度方面屬于考查學生“運用科學原理”的能力，需要學生運用所學的物理科學知識預測將會觀察到的現象．題目中錯誤選項和正確選項的受力方向比較相近，具有一定的迷惑性，學生需要熟練掌握相關知識才能做出正確的解答．

3.2　建構反應題

建構反應題包括簡短型建構反應題，擴展型建構反應題和概念圖任務．其中簡短型建構反應題需要在題目給定的情境中寫一個簡明的解釋．學生必須運用相關的信息和知識進行思考，而不是從給定的選項中選擇正確答案．而擴展型建構反應題呈現的是比較復雜的問題情境，要求學生分析情境，選擇并執行解決方案，并且解釋運用此方案后會出現的情況．概念圖是一種可靠且有效的評價方式來測試學生對于科學原理的理解．在該任務中一般是給出6～8個概念，學生需要用箭頭來鏈接這些概念，并且用一個單詞或短語來標記每個箭頭來解釋一對概念之間的關系．以擴展型建構反應題進行舉例如例2所示．

【例2】(十二年級)學生將兩只相同的燒杯放在窗臺上．一只燒杯有液體A為80 ml．另一只燒杯有液體B為80 ml．經3天后，兩只燒杯的液體都減少了．而且，剩下的液體B比液體A少．圖3顯示了實驗開始時和3天后每只燒杯中的液體體積．

圖3　例2題圖

請問為什么3天后兩只燒杯的液體都減少？

哪種液體沸點較低？

液體A

液體B

通過參考實驗結果和比較液體A中的分子間吸引力與液體B中分子間吸引力來解釋你的答案．

這道題是對物質氣態變化以及分子力等相關知識的考查．學生做出合理的解釋需要對題目的情境作出分析，考查的是學生運用科學原理解決問題的能力．學生首先需要進行簡單地思考回答第一個問題，然后運用相關的科學知識對題目的現象進行解釋說明．

3.3　POE項目集

POE項目集主要是讓學生進行預測、觀察和解釋．學生的任務是先提供一個預測的結果并對其進行解釋．主要考查學生的程序性知識和運用科學原理的能力．POE項目集可能是選擇題或者是建構反應題的形式，也可能是二者的組合．如例3所示則是二者的結合．

【例3】(十二年級)如圖4所示，兩只相同的燒杯中有30 ℃的水，燒杯A中有20 g的水，燒杯B中有40 g的水．

試問當室溫達到25℃時，哪杯水會釋放更多的熱量？

燒杯A

燒杯B

兩燒杯將釋放相同的熱量

解釋你的推理

圖4　例3題圖

首先這道題考查的是熱量方面的運算知識．需要學生運用科學原理對題設的問題作出預測，預測哪只燒杯的水會釋放更多熱量．然后結合科學知識對自己的預測作出解釋，這是POE試題常見的模式．

3.4　動手表現任務

在動手表現任務中，學生通過運用物理知識嘗試解決涉及該物理知識的科學問題，NAEP在動手表現任務中為學生提供了具體的問題、設備和材料．學生通過合理的科學程序解決相關問題，學生的成績評定應以解決方案和調查的設計程序為基礎．動手表現任務測試的是學生在解決復雜問題時展現出來的運用科學知識進行調查、探究以及解決問題的能力．

【例4】(十二年級) 第一部分：

問題1：在測試水樣之前，預測哪個城鎮(A或者B)會有更好的水質．由于您還沒有測試城鎮A和B的水樣，所以您的預測將基于“水系統地圖”(圖5)和“參考圖1”(圖6)提供的信息支持你的觀點．

圖5　水系統圖

圖6　參考圖

第二部分：

問題2：測試城鎮A和B的水樣，

使用您所有的設備對水樣進行水質測試．

將測試A水樣的污染物填寫在1A表格的第一列，對應的污染物水平寫在第二列．

使用參考材料完成表格1A中的第3和4列．

同樣的，城鎮B的水樣按以上兩個步驟完成表格．

問題3：根據表格1A，表格1B和圖7的數據選擇合適的位置建新城鎮．

A.城鎮A

B.城鎮B

C.城鎮A和城鎮B都不合適

解釋你作出選擇的原因．

圖7　表格2

第三部分：

問題4：圖8中列出了水處理過程的主要步驟，使用表1A,1B的信息，以及你的物理化學生物知識，確定每個處理過程步驟中可去除或減少的污染物，在圖8的最后一列填寫污染物超標的場所．

問題5：描述您選擇的場所的水污染處理所需要的物理化學生物過程，參考圖7進行回答．

圖8　表格3

如例4所示，題目要求學生在40 min內完成題目的操作任務和數據記錄，以及結果解釋等．試題首先需要學生根據所給材料選擇新城鎮的合適地點并進行解釋．然后還需要學生利用所提供的材料進行實驗分析和水處理的工藝評估．該題在科學內容維度考查的是學生“物質特性”方面的知識以及化學和生物方面的綜合知識，科學實踐維度方面則綜合考查了學生運用科學原理和科學探究的能力．

3.5　交互式計算機任務

交互式計算機任務是動手表現任務的一種補充，通過模擬自然或者實驗室的環境讓學生基于計算機的環境進行解決問題，這種任務通常是現實生活難以短時間觀察到的，不受現實條件約束．下文以十二年級交互式計算機任務為例，對題目進行分析．

該任務要求學生調查兩種金屬銅和鋁哪種材料可以更好地制作烹飪盤的底部．在設計和調查時，學生們使用虛擬熱量計來測試兩種金屬的比熱容．給定時間為20 min，圖9是該任務的操作頁面：圖中是一個虛擬的熱量計，當兩種物質彼此接觸時，熱量計可以確定一種物質傳遞到另一種物質的熱能．學生可以使用虛擬熱量計來研究當不同溫度時金屬放在其中水溫的變化．

圖9　操作頁面

題目的任務主要分為3個部分展開：

(1)先將60 ℃，250 g的銅放入20 ℃，250 g水中，點擊“運行”按鈕即可以得出結束時的溫度，學生得出數據并對數據結果進行原理解釋．

(2)調整設定的數據，將20 ℃，250 g的銅放入60 ℃，250 g的水中，點擊“運行”按鈕，得出數據．并且對結果進行解釋．

(3)設計方案對鋁材料進行分析實驗，比較確定合適的材料作為烹飪盤的鍋底．

整體看來交互式計算機的題目可以突破現實的限制進行實驗模擬驗證，該題考查了學生比熱容的相關知識，科學實踐方面則考查了學生“運用科學原理”和“科學探究”方面的能力，通過題設的引導，學生進行實驗方案的設計、運行和分析，最終得出問題的答案．

4　NAEP試題的評分方式

NAEP試題采用的是SOLO分類評分方法，使用評分量規對學生的答案進行評分．一般分為3個層次：完全正確、部分正確、錯誤．對應的給出滿分、部分分和零分．滿分是指學生能聯系多個方面進行系統地回答；部分分是指學生只能給出單一答案或雖聯系多個方面卻未能形成相關知識的網絡；零分是指學生沒有理解問題．再根據具體題目答案的要素分為2～5個評分等級[2]．每個等級都有進行文字描述的答案，這些答案呈現出學生可能出現的思維過程，并且由專業的評價人員根據學生回答的答案按細化的評分量規進行給分．這些評價人員都是經過專業培訓且在資深的專家監控下進行評分[3]．具體如例2的評分量規所示．

令人滿意的答案：

(1)學生能回答每只燒杯的液體部分蒸發；

(2)學生選擇液體B有較低沸點，能解釋液體B的沸點較低導致有更多的液體蒸發；

(3)學生能解釋較低沸點是因為液體B變為氣體需要的熱量較少；

(4)學生能解釋較低的沸點是因為液體B的分子間作用力較弱．

或者:

(1)學生能回答每只燒杯的液體部分蒸發；

(2)雖然錯誤地選擇A，但是學生解釋了液體B的沸點較低導致有更多的液體蒸發；

(3)學生能解釋較低沸點是因為液體B變為氣體需要的熱量較少；

(4)學生能解釋較低的沸點是因為液體B的分子間作用力較弱．

必要的答案:

(1)學生能回答每只燒杯的液體部分蒸發；

(2)雖然錯誤地選擇A，但是學生能解釋較低的沸騰溫度與液體B的較大蒸發有關；

(3)學生能解釋較低沸騰溫度是因為液體B變為氣體需要的熱量較少；

(4)學生能解釋較低的沸騰溫度是因為液體B的分子間作用力較弱．

或者:

(1)學生能回答液體B有較低的沸點；

(2)學生能解釋低沸點與更多的體積減少有關；

(3)學生能解釋低沸點是因為液體B變為氣體需要的熱量較少；

(4)學生能解釋較低的沸點是因為液體B的分子間作用力較弱．

部分正確的答案:

(1)學生回答每只燒杯中的液體部分蒸發.

或者:

(1)學生能解釋液體B的沸點較低導致有更多的液體蒸發.

(2)學生能解釋較低沸點是因為液體B變為氣體需要的熱量較少．

(3)學生能解釋較低的沸點是因為液體B的分子間作用力較弱．

令人不滿意的答案：學生回答完全錯誤．

5　NAEP評價的啟示

(1)豐富試題的種類，重視學生的科學實踐能力

NAEP的試題按照“科學內容”和“科學實踐”進行綜合設計，能較好地考查學生的知識水平和實踐能力．其中單項選擇題和建構反應題能檢查學生的知識掌握情況，而動手表現任務和交互式計算機任務則能對學生進行表現性評價．單一的紙筆測驗并不能充分地檢測學生各方面的能力，采用紙筆測驗加操作實驗的方式可以更好地達到評價的目的．國內考試可以考慮逐漸加入一些動手操作試題或者計算機模擬操作試題，加強學生的科學實踐的能力，這對于學生將來在大學乃至工作生活中都是不可或缺的．在編制操作性試題的過程中，要先定義好要評價的科學內容以及實踐能力，然后進行任務的設計和任務指導語的編寫，讓學生知道應該做什么．最后再制定評分的細則，教師根據評分細則對學生的表現進行評定．

(2)豐富評價的功能

目前，我們國內的考試比較注重評價的選拔功能，而忽視了評價的診斷反饋功能，評價的另一個目的是為了診斷學生的學習障礙和反饋教學建議．我國的考試評價要豐富評價功能的多樣性，首先對于每個評價我們要制定合適的評分指南，如NAEP中所用的SOLO分類評分方法，每個評分等級列舉了學生可能出現的思維分析過程，按照評分指南對學生的答案進行賦分，了解學生的解題情況，并進而分析學生的學習障礙，為教師的課堂教學提供建議，實現評價的診斷和反饋的功能．診斷學生的學習障礙是一件復雜的工作，我們要培養專業的評價分析人員，對評價的結果進行分析，這樣才能更有效地發現學生的學習困難．

(3)注重真實情境下的教學

從NAEP的試題中可以看出，NAEP注重學生在真實情境中運用知識解決問題的能力，不能孤立地去評價學生的知識水平和科學實踐能力．我們在物理科學的教育方面要更加注重融合真實的情境，這樣能更好地激發學生的學習興趣和求知欲．通過自己已有的知識對出現的問題進行預測、調查、收集數據，進而提出解決問題的方案，解釋選擇方案的理由，由此來培養學生解決實際問題的能力．