大學生物理實驗素養評價體系的構建

劉佳琪，李春密，冉 露，黃佳佳

(北京師范大學 物理學系，北京 100875)

物理學是人類在探索自然現象及其規律過程中形成的一門以實驗為基礎的自然科學[1]. 物理學中的重大進展與實驗研究工作密不可分. 近年來，國內外許多學者從建構主義、物理課程改革的新理念等理論出發，對于初高中學生的物理學科能力、物理實驗能力開展了大量研究[2-3]. 然而，相比之下，仍然缺乏對于大學生的物理實驗素養的針對性研究，缺少系統、具體的大學生實驗素養的評價指標體系，而且對于大學生的實驗素養現狀分析不足. 大學物理實驗是培養學生實驗素養和各項能力的重要環節，是培養符合當今時代需求的高素質、高能力人才過程的重要組成. 構建大學生物理實驗素養指標體系，分析大學生的物理實驗素養水平，可以有效地探索大學生在進行物理實驗時存在的普遍問題，為教師開展教學設計、制定教學策略、順應教學改革提供必要的理論依據.

為了評價大學生的物理實驗素養，以布魯姆教育目標分類學等教育理論[4]和中學物理三維目標、物理學科核心素養等教學理念為指導[5]，構建大學生物理實驗素養的結構模型. 依據從模型中提取的重要成分，給出大學生物理實驗素養的評價指標，并制定評價水平量表，構建科學系統的評價指標體系，以求為高等院校開展大學物理實驗教學提供參考意見和理論依據.

1 大學生物理實驗素養的概念界定

依據系統論的思想[6]，以物理學科核心素養的概念為基礎，對大學生物理實驗素養的概念進行分級界定. 大學生物理實驗素養是大學生在進行物理實驗過程中逐步形成的個人能力和素質，是學生順利進行物理實驗的個體必備條件. 作為學生科學素養以及物理素養的重要組成部分，大學生物理實驗素養符合大學物理實驗的特點，包括理論知識、實驗技能、實驗與社會發展的關系等諸多方面[7]. 相比于中學物理實驗，大學物理實驗更復雜，更強調自主、更開放，更能體現學生的個人能力，要求學生具備更高的科學探究精神. 因此，大學生物理實驗素養具有以下特點:

1)綜合性. 構成大學生物理實驗素養的因子不是相互孤立的，而是相通互融的. 大學生物理實驗素養是知識、方法和情感的有機結合，包括多個因子. 單一的物理實驗素養無法解決問題，不同因子之間相互影響，對學生的物理實驗起到綜合作用.

2)發展性. 學生的物理實驗素養并非與生俱來，而是在不斷學習、不斷實踐的實驗活動中逐漸形成的. 隨著實驗活動由簡單到復雜，學生的實驗素養水平也在循序漸進地提高.

3)個體差異性. 不同于中學物理實驗，大學物理實驗課程更強調學生的個人能力. 學生在知識和方法2個維度上的素養差異直接影響物理實驗素養的評價結果.

4)外顯性. 學生在實驗過程中的表現是大學生物理實驗素養的外在表現，學生的物理實驗素養可以通過其表現進行測評和推斷.

2 大學生物理實驗素養的結構模型

結構模型是提出大學生物理實驗素養評價指標的基礎. 根據大學生物理實驗素養的特點，參照吉爾福特的智力結構圖[7]，構建了大學生物理實驗素養的結構模型，如圖1所示.

圖1 大學生物理實驗素養的結構模型

大學生物理實驗素養的結構模型共有3個維度：大學生物理實驗素養要素(x軸)、大學生物理實驗過程(y軸)和水平等級(z軸). 每個維度下有不同的因子. 大學生物理實驗要素有3個因子：知識、方法和情感，這3個要素是大學生物理實驗的必備要素，在內容上既與中學物理教學目標中的三維目標保持一致，又對應于布魯姆教育目標分類學中的知識向度和認知歷程[2]，是學習活動中的必備品質. 其次，大學生物理實驗過程包含了4個因子：學習、操作、分析和應用，這在認知維度上符合物理實驗的發展過程. 最后，為表現各方面素養的差異性，以水平等級作為第3個維度，設立5個水平級次，用以表現同一維度下各元素的差異.

知識、方法和情感3個維度下共有3+4+5=12個因子，這些因子相互作用，共形成了60個元素，每個元素可以代表1個基本的大學生物理實驗素養單元.

3 結構模型中的元素解釋

考慮x和y維度的因子間作用，可以得到12個表征大學生物理實驗素養內容的關鍵成分，并定義其為“重要成分”. 在此基礎上加以z維度的5個水平因子的作用，可以得到模型中的全部60個元素. 每個元素對x,y和z維度做投影，對應不同的內在含義和外部表現.

3.1 12個重要成分

首先，綜合x和y維度，大學生物理實驗要素和大學生物理實驗過程2個維度相互作用，共形成3×4=12個成分. 將這12個成分中的每個成分在x軸上投影，表示完成大學物理實驗的必備能力；各成分在y軸上投影，是該成分在物理實驗過程中的具體表現. 這12個成分囊括了大學生物理實驗素養的全部內容，因此定義它們為“重要成分”. 表1具體解釋了這12個重要成分的內涵.

表1 對結構模型中12個重要成分的解釋

“知識-學習”成分指的是實驗前的知識儲備過程，“知識-操作”、“知識-分析”和“知識-應用”成分體現了理論和實踐的結合：一方面知識的學習指導實驗過程順利進行，另一方面通過實驗可以充實理論，實現知識的完善和深化.

方法體現在實驗過程中的各個階段，成功地完成實驗離不開方法的支撐. 學習實驗方法指的是在實驗操作前，對實驗方法的預習、觀察、模仿和交流；實驗操作主要包括選擇搭建儀器、操作實驗儀器、解決實驗中的實際問題和實驗數據的采集；分析過程和方法，既是對實驗現象和結果的分析，又是實驗結論的構建過程；方法的應用是深入理解和再創造的過程，在反思實驗形成實驗經驗的基礎上，尋求更高效的操作方法，或者對實驗方法進行創新，并且將其運用到學習與生活當中.

情感因子融入到實驗中的各個階段，表現為實驗興趣、實驗習慣、科學態度和價值觀. 大學生要在學習過程中培養實驗興趣，具備認真嚴謹的學習態度；在操作過程中展現良好的實驗習慣，尊重實驗數據和客觀事實；在分析過程中具備鉆研和探索精神，努力發現物理規律，培養物理思維. 大學生要形成良好的價值觀念，逐步形成對科學技術應有的態度與責任感.

3.2 全部60個元素

在12個重要成分的基礎上，加入水平維度，即考慮x,y和z3個維度形成的60個元素：當確定了某個重要成分后，即該元素的x和y坐標已確定，z軸的5個不同取值可以反映這一成分的5個不同的水平等級，12個成分的5個水平等級共構成60個元素. 將三維結構模型中的每個元素對3個坐標軸做投影，可以表示學生在知識、方法和情感中的某一方面在物理實驗下的某個過程中的個體發展.

可以看到，該結構模型中的60個元素分別有其含義，基本可以涵蓋大學生物理實驗素養的組成內容和發展等級. 采用此模型評價學生的物理實驗素養可以在模型中對應地找到評價對象的素養分布狀態. 在教學中，培養學生的物理實驗素養，就是要讓學生形成趨向于頂層分布的大學生物理實驗素養元素的完整集合，使學生的各項素養達到較高的水平級次.

4 大學生物理實驗素養的結構模型特點

大學生物理實驗素養的結構模型特點如下：

1)整體性. 該模型指出了大學生物理實驗要素是由知識、方法和情感在大學生物理實驗過程中的外部體現. 不同維度之間相互作用，不同元素之間相互聯系，形成了緊密結合、共同發展的有機整體.

2)協調發展性. 大學生物理實驗素養的內容不是一成不變的. 隨著實驗難度的提高和大學生的個人發展，模型中的每個元素可以被不斷填充，按照一定規律發展變化，但是模型的整體結構是穩定的.

3)將大學生物理實驗的特點與實驗素養結合在一起. 大學物理實驗重視學生的知識發散過程和思維鍛煉過程，注重學生的基本素質和個人能力. 該模型中的幾個維度的作用強化了知識與實踐的相互指導作用，同時水平維度突出了學生的能力差異，體現了大學生物理實驗的突出特征.

5 大學生物理實驗素養的評價體系

根據已經構建的模型中大學生物理實驗要素和大學生物理實驗過程2個維度的相互作用，得出了可以表征大學生物理實驗素養內涵的12個重要成分. 由于每個成分是2個維度相互作用的結果，各成分之間存在內容的重疊，有相同的外在表現. 為了滿足評價指標的相對獨立性，綜合分析12個成分的含義，提取成分中的重要因子，重新歸納出大學生物理實驗素養的一、二級指標，并且結合評價水平量表構建大學生物理實驗素養的評價體系.

5.1 一級指標的內容及其內在關系

首先確立大學生物理實驗素養的6個主要成分：理論基礎、實驗操作能力、數據處理與分析能力、設計創新能力、情感態度和科學態度，作為評價的一級指標.

1)理論基礎是指學生對于物理理論及實驗理論的掌握情況. 其中物理理論部分具體表現為能夠較系統和完整地掌握物理學的基本理論、基本知識和基本技能，以及所需的數學基礎知識；實驗理論部分指學生通過學習大學物理專業課程以及實驗操作中的知識積累，形成對實驗原理及內容上的認知和動手能力[8]. 物理理論和實驗理論密不可分、相互補充.

2)實驗操作能力是指學生順利完成實驗的能力. 具體表現為：學生能夠通過實驗前的自主學習和教師的講解示范，借助儀器的使用說明順利組裝實驗裝置，操作儀器，觀察現象，合理記錄數據，靈活應對實驗中的突發狀況，將理論知識運用到實際操作之中.

3)數據處理與分析能力是指學生在實驗結束后處理實驗數據、分析實驗結果和構建實驗結論的能力. 數據處理能力要求學生全面、深入地分析物理現象，掌握常用的數據處理方法，熟練應用處理數據軟件. 學生能夠科學地分析實驗誤差，對所得結果提出完備的解釋，給出相應的實驗結論. 數據處理與分析能力是學生總結物理規律的關鍵.

4)設計創新能力是指學生在熟練掌握已知實驗的基礎上，改進和設計實驗的能力. 具體表現為：學生能夠發現實驗問題，提出合理的改進方案；能夠仿照已知實驗，獨立設計實驗.

5)情感態度是學生在物理實驗過程中的內心體驗以及養成習慣. 它既包括學生對于物理實驗的學習熱情和興趣，以及物理學科的歷史、發展和應用對學生引起的個人情懷和內心世界的變化，又包括學生在物理實驗過程中潛移默化的行為習慣變化.

6)科學態度是學生在實驗中形成的對于物理學習、科學進步以及社會發展的價值觀念. 具體表現為：學生具有敢于和善于提出問題的能力，具有獨立思考的能力和批判精神，具有創新意識和新思維，能夠領悟和運用物理學的思維方法和研究方法；學生有強烈的好奇心和求知欲，堅持真理，具有實事求是的科學精神；學生能夠了解和體會物理學科對于科學進步以及社會發展的貢獻，有振興中華的責任感和使命感，有科學工作者服務人類的意識[9].

這6個主要成分密不可分，在大學生物理實驗素養中均發揮著不可替代的作用:理論基礎是大學生物理實驗素養的前提，是其他成分的先決條件；實驗操作能力既是學生完成物理實驗過程的關鍵，也是大學生物理實驗素養的直接表現；數據處理與分析能力是理論基礎與實驗操作能力的綜合體現，既是上述成分的延伸，同時數據處理與分析的結果又可以反作用于理論與實踐；設計創新能力是物理實驗的拓展，是各項成分的深化；情感態度與科學態度貫穿于物理實驗及物理學習的始終，是其他成分的思想指導,其中，科學態度既是情感態度的深化，又為情感態度的發展提供了導向.

5.2 大學生物理實驗素養指標

為了實現精準評價，對每個一級指標進行細化，擬定了二級指標. 在對北京師范大學物理教師進行訪談交流和意見征集后，確定了大學生物理實驗素養的指標內容，并對每個子指標在總指標中所占權重比例的調查結果計算其統計平均值. 以上述內容為依據，最終確定評價指標如表2所示.

表2 大學生物理實驗素養指標

該指標共包括6個一級指標和26個二級指標，表1每個單元格中括號內的數值為該指標的權重. 通過權重比例，可以有效地量化大學生物理實驗素養這一抽象概念. 大學生物理實驗素養的計算方法為

i=1,2，…，6;j=1,2，…，m;3≤m≤7.

其中，i代表一級指標序數，j代表二級指標序數，m為每個確定的一級指標下對應二級指標的總數；Sij為每個二級指標的得分，Wij為該二級指標在一級指標下的權重，Wi為該一級指標在總指標下的權重，例如：S25表示評價對象在“觀察實驗現象”指標下的測試得分，此時m=7，W25=0.128，W2=0.325；S為評價對象大學生物理實驗素養的總分數.

基于此，通過計算評價對象的大學生物理實驗素養的得分，即可判斷該學生的物理實驗素養水平.

5.3 評價水平量表

為描述學生的物理實驗素養，與學生的測評分數相對應，以直觀展現個體水平，需要結合指標框架制定評價水平量表.

參考李克特量表法[10]，對大學生物理實驗素養的水平進行5級劃分，如表3所示.

表3 大學生物理實驗素養水平等級劃分

由于大學生物理實驗素養是協調發展的，整體水平與子指標水平間存在包含關系，但并不絕對對應. 在實際應用中，可以將水平等級中的每項抽離出來，制定一級指標以及二級指標水平量表，開展單一指標水平對比與評價.

6 大學生物理實驗素養評價體系的特點

大學生物理實驗素養評價體系的特點如下：

1)科學性. 該評價體系遵循科學的理論基礎，從布魯姆目標教育分類學、物理核心素養等理論出發，與科學素養所提倡的培養目標相一致. 指標和水平量表中的每項內容不是隨意確定的，各項指標都針對大學生物理實驗的特點.

2)全面性. 評價指標提取了大學生物理實驗素養中的重要成分，全方位、多角度地分析學生素養. 評價指標被劃分為多個層次，并且逐層分解為多個因子，評價因子的復雜性體現了評價的多元化.

3)整體性. 評價體系中各指標之間不是脫節的，是相互聯系的，評價體系是統一的有機體.

4)可操作性. 評價指標中每項指標相互獨立、明確具體，易于理解，符合學生的認知水平；評價方法便于實施，指標的設置便于評價者進行觀察評價.

5)導向性. 評價的目的是促進大學生發展，而非選拔與甄別. 該評價體系對于大學生物理實驗素養的發展起到了積極的引導作用.

6)可回溯性. 通過評價指標和評價結果，學生可以發現自身優點和問題，尋求正確方法以發展自己的實驗素養. 教師以此為參考，發現教學過程存在的問題，加以改進和完善，提高實驗教學的質量.

7 結束語

物理實驗是培養物理思維、鍛煉個人能力的重要手段，是探尋客觀規律的必要途徑. 大學生物理實驗素養的發展對于學生科學素養的發展起到了至關重要的作用. 在多種教育理論和教學理念的指導下，構建了大學生物理實驗素養的結構模型，并在此基礎上，擬定評價指標和水平量表. 根據構建的大學生物理實驗素養評價體系，可以進行大學生物理實驗素養的測評，了解學生物理實驗素養的現狀和普遍問題，以優化教學策略，引導學生不斷提高物理實驗素養.