大學生物理實驗素養調查分析*

劉佳琪 李春密 黃佳佳 冉露

(北京師范大學物理學系 北京 100875)

隨著時代的發展，創新型、復合型、應用型人才越來越被社會需要.物理學是一門以實驗為基礎的自然科學[1]，物理實驗在物理學中有著特殊的地位.大學物理實驗是大學生發展科學素養和各項能力，探尋客觀規律的重要環節.然而，相比于中學，關于大學生物理實驗素養的針對性研究并不多，對于大學生的物理實驗素養現狀的實證分析也有待加強.

基于已構建的大學生物理實驗素養評價體系[2]，對某大學物理學系低年級本科生開展抽樣調查，結合大學生物理實驗素養的幾個重要指標，從被試群體的物理實驗素養整體水平、優勢、待提高之處等方面分析和討論了調查結果，發現學生在物理實驗學習中的普遍問題，并針對學生物理實驗素養的發展提出教學建議，為學生全面發展個人物理實驗素養和教師優化教學策略提供必要依據.

1 大學生物理實驗素養的內容

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基礎.在結合了眾多教育理念和新型教學理念后，將大學生物理實驗的必需要素總結為“知識”“方法”和“情感”，將大學生物理實驗的過程概括為“學習”“操作”“分析”和“應用”.大學生物理實驗素養主要包括理論基礎、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等6個一級指標，其中每個一級指標又被細化為不同的二級指標[2].這些指標是大學生物理實驗素養的具體體現，具有外顯性的特征，其發展水平可以通過學生在實驗過程中的表現進行測評和推斷.

2 評價實施

抽取某大學物理學系28名2018級本科生作為研究對象，以學生學習普通物理實驗課程的過程為研究載體，結合多種評價方法制定評價策略、開展評價實施，以獲得客觀、全面的調查結果.

2.1 評價方法

為實現精準評價，采用客觀評價和主觀評價兩種評價方式，并利用多種調查方法，擬定計分權重，綜合評價大學生物理實驗素養指標.

2.1.1 客觀評價

(1)試題測試

針對理論基礎與設計創新部分兩個指標編制試題，主要考查學生對于“力、熱、電、光”部分的物理理論和實驗理論的理解情況和學生對于已操作過的實驗的思考.題目難易適中，普遍針對學生學習時的易錯點，在多次預測試和意見調查后最終確定.

(2)訪談法

針對學生的實驗操作能力和設計創新能力兩部分對學生進行訪談，包括“是否能在實驗中形成清晰的操作思路,對于實驗的外延知識是否有自己的思考”等訪談問題，旨在通過討論交流過程反映學生對于實驗的思考.

(3)問卷法

針對情感態度與科學態度兩個指標編制題目問卷，主要調查學生做實驗的計劃性、目的性、積極性和認真程度，在實驗中是否能保證數據的真實性、是否能認真完成實驗、是否愿意嘗試新方法等.

(4)分析學生的實驗報告

針對數據處理及分析能力制定實驗報告分析標準，從準確性、完整性、規范性3個方面對學生的實驗報告進行分析評價.

(5)參考學生的實驗考試成績

實驗考試成績為實驗任課教師在特定實驗情境下對于學生操作實驗的過程進行觀察后得到的，是在具體的實驗環境下的評價結果，成績真實有效，具有很大參考價值.

2.1.2 主觀評價

擬定“五級自評表”，以自評問卷的形式發于學生填寫，進行物理實驗素養的自我評價.

2.2 計分辦法

采用5分制，即每一個被評價成分的滿分均為5分，再結合指標權重計算評價對象的大學生物理實驗素養總分數.

特別地，針對大學生物理實驗素養的不同一級指標，為其涉及的調查方法擬定計分權重(見表1).其中，主觀評價均占該指標總分的30%，客觀評價共占70%.不同指標的客觀評價方案是各不相同的.

表 1 大學生物理實驗素養各一級指標的針對性計分辦法

對于每一個指標，以1分為一個水平級次(0～1分為水平1，1～2分為水平2，以此類推).被試者在調查中獲得的分數可以直觀反映學生的各項素養水平.

2.3 數據處理

本次調查對某大學物理學系2018級的4個班級進行了抽樣測試，每班調查人數均衡，共30人，共收回有效結果28份，調查結果信效度分析良好，有效保證了調查結果的真實性與可靠性.對統計數據進行相關性檢驗，還可以發現不同成分之間的相關關系，找出影響大學生物理實驗素養的因素.

3 結果分析與討論

李春密在研究高中生物理實驗操作能力及其品質發展時發現：物理實驗操作能力的發展是一個漫長的過程，即便對于一生從事實驗教學的實驗人員來說，操作能力達到滿分也是極難實現的.按照年齡段來分，人的實驗操作能力發展可粗略分為3個時期，分別為：快步發展期、穩步發展期和定型期.其中，大學階段學生的物理實驗操作能力正處于穩步發展期[3].實驗操作能力是物理實驗素養的一部分，與物理實驗素養的發展經歷相同的過程，和物理實驗素養中的其他成分互相影響，協調發展.因此，物理實驗素養的發展與實驗操作能力發展應該有近似的規律.

基于以上內容，將學生的物理實驗素養水平劃分為3個階段：入門期(表現為水平1和水平2)、熟練期(表現為水平3和水平4)和定型期(表現為水平5)，作為分析學生物理實驗素養的標準.

3.1 被試群體物理實驗素養的整體水平

根據調查結果，被試群體物理實驗素養總體和各一級指標的水平分布情況如圖1所示.

從總體分布來看，學生的物理實驗素養集中在水平3和水平4級次，且無低水平者.說明在普通物理實驗課程的學習中，學生的物理實驗素養普遍得到了發展，均已步入熟練階段.在長期的學習和積累中，學生已經能正確理解基礎物理理論和實驗理論，能順利完成實驗、得出實驗預期結果，具備基本的實驗探究能力以及良好的情感態度和科學態度.

對于大學生物理實驗素養的各項一級指標，處于水平3和水平4級次的人數均是最多的，各成分的發展程度基本一致，說明在當前的教學模式下，學生的物理實驗素養沒有嚴重的短板，得到了綜合性的培養.

此外，由圖1可見，有4%的學生的物理實驗素養整體水平已經達到高水平(水平5)，且對于具體的某一項素養來說，也有個別水平較高的學生.說明被試群體的物理實驗素養相比于一般規律發展更加迅速，有部分學生已經步入從熟練期向定型期過渡的階段，可以達到綜合運用各種知識、靈活解決實驗中的問題、獨立完成實驗、進行創新實驗設計等較高要求.

3.2 物理實驗素養情況的具體分析與討論

為了進一步探討學生物理實驗素養的情況，統計被試群體各項素養的平均得分及其與總分平均分的比較結果如表2所示.

從表2中看，學生的實驗操作能力、情感態度和科學態度均已達到水平4，處于熟練期內的高水平階段，在調查中顯現出了明顯的優勢.學生的理論基礎、數據處理與分析能力和設計創新能力處于中等水平(水平3)，相比于物理實驗素養中的其他成分，在整體發展中相對滯后.可見，在多項指標中，學生的實驗素養具有一定優勢及有待提高之處.

接下來，結合調查結果及調查過程，從知識、能力、思維層面具體討論學生各項實驗素養的狀況.

(1)知識層面

現代認知心理學將知識分成了兩大類，分別是陳述性知識和程序性知識.從知識的作用上，陳述性知識是回答 “是什么”問題的知識，程序性知識是回答“怎么做”問題的知識.其中，程序性知識又被具體劃分為動作技能、智慧技能和認知策略，包括方法、策劃、實踐、程序、常規、策略、技術、竅門等[4].

從性質上看，學生的物理理論隸屬于陳述性知識，而實驗理論隸屬于程序性知識.在指標中，理論基礎指的就是學生對于物理理論及實驗理論的掌握情況.

在調查中發現，學生的物理理論水平較高.大部分學生對物理學基本物理量及相關知識概念、基本實驗方法等掌握情況較好，學生不僅可以準確寫出題目有關的知識和概念，并能夠對其進行細致地解釋.但是，相比之下，學生對于常用儀器的原理和使用方法、常用數據的處理方法等實驗理論的掌握情況略有不足.一些學生無法將實驗與實驗方法相對應，如學生不能說出在“金屬絲楊氏彈性模量的測量”實驗中，為測量金屬絲長度的微小伸長量所設計的“光杠桿法”應用了放大法這一實驗方法.對于常用儀器，如示波器和多用電表，學生可以正確規范地操作儀器，但對于儀器的原理理解不夠深入，導致在不同的實驗環境下，學生在讀取數據和理解圖像所表現出的物理規律上，有時會出現困難.

從程序性知識的形成過程來看，學生的物理理論的形成主要依賴于對實驗過程的反思和總結，是一個長期的積累過程，需要在具體應用中不斷自我完善.在實驗學習中，學生操作實驗具有一定的模仿性，如果學生缺乏主動探究的過程，將不能形成長久記憶，不易在實驗過程中自覺內化知識進行理論充實.此外，如果學生缺乏對于實驗的反思精神，對于知識僅一知半解，也將不利于學生深入理解儀器原理，靈活使用實驗儀器.所以，在教學中多強調知識的反思和總結，學生的物理理論會得到進一步鞏固，實驗理論也會得到有效提高.

(2)能力層面

學生的物理實驗素養中以能力形式存在的內容主要表現為實驗操作能力、數據處理與分析能力和設計創新能力.

在調查中發現，被試群體的實驗操作能力發展處在各項素養前列.學生的實驗操作能力發展已相對成熟，會操作基本的實驗儀器，能夠得到準確的測量數據、排查實驗故障、順利完成實驗.許多學生對于常用儀器的使用方法和規范已經十分熟悉，操作儀器時效率較高，測量結果較準確.在操作實驗時，絕大部分學生思路清晰、動手能力較強，有能力靈活處理實驗中的各種問題.盡管在調查中發現學生在實際操作實驗時所展現的能力呈現波動性，在操作不同的實驗時展現出來的水平呈現忽高忽低的現象，但是對于處于熟練期而未實現實驗素養定型的大學生而言，這是正常的.

對于實驗操作能力，根據已有的心理學研究，它的一個顯著特征是可以通過練習而改進[5].

結合學生的學習環境，基礎物理實驗課程的學習、演示實驗室的開放、實驗競賽等活動的開設為學生充分創造了練習的機會.可見，如果多多鼓勵學生走進實驗室，參加實驗活動，將加速學生實驗操作能力的內化，進一步鞏固學生的實驗操作能力.

關于學生的數據處理與分析能力，從被試者的實驗報告來看，大部分學生處理數據的能力較強，可以規范記錄數據、利用正確的方法處理數據、制作符合要求的標準圖像，個別學生還可以應用較高級的計算軟件如Matlab和Origin等進行繪圖，以更加直觀清晰的方式展現實驗規律.然而相比之下，學生的分析能力相對薄弱，分析實驗現象、分析誤差來源、構建實驗結論的能力水平相對較低.一些學生只注重實驗結果的呈現，卻很少分析產生這一結果的原因；在誤差分析時，這些學生往往不能發現產生誤差的本質原因，分析不夠細致、全面，缺少對于減小誤差方法的思考，對于實驗過程的分析有所欠缺.

在調查中發現：分析能力較強的學生的實驗報告往往具有規范性、深刻性和獨創性的特點，能夠有意識地分析實驗過程、比較實驗結果、總結實驗經驗，并能在原有實驗的基礎上進行知識拓展，這說明分析能力的提高有賴于日常學習中的反思和總結.

在物理實驗素養中，學生的設計創新能力是提升空間相對較大的一項.被試群體的設計創新能力平均分為2.48，處于剛剛從入門期進入熟練期的階段.從試題測試和訪談的結果來看，有的學生不能及時總結實驗經驗并進行知識遷移，如在回答“邁克爾遜干涉儀除測量鈉光波長外還有哪些應用”時，學生不能聯系光學所學的知識，提出“邁克爾遜干涉儀還可以用來測量牛頓環半徑”等類似的實驗想法；學生“提出問題—尋找證據—作出解釋—討論交流”的科學探究能力欠佳，自主提出完整的實驗改進方案和設計方案的科學探究能力需要加強.

但是，在調查中也有個別學生展現出了較強的設計創新能力.在訪談中了解到，創新能力較強的學生均受過諸如實驗競賽、實驗設計活動等創新實驗訓練，已經形成了一套較為成熟的認知策略.這說明創新能力的提高依賴于新情境的創設，設計性思考題和活動可以使學生逐漸學會運用所學的知識解決新情境中的問題.

(3)思維層面

為表征在思維層面上學生物理實驗素養的發展程度，將統計數據計入大學生物理實驗素養的三維結構模型中[2]，標記學生在各個思維層面上的發展水平(如圖2).由圖2可見，縱坐標對應于水平3和水平4之間的點的個數是最多的，這與學生的大學生物理實驗素養水平有著相同的整體趨勢.

圖2 被試群體物理實驗素養的思維發展水平

表3記錄了模型中每個重要成分下對應于各水平的點的個數.由表3可見，在思維層面上，學生對知識和方法的分析和應用思維水平均集中在第2和第3個水平級次，相比于這兩者在學習和操作層面上的思維水平要低一些.

知識和方法的分析與應用思維在物理學科上主要體現在模型建構、科學推理、科學論證和質疑創新等要素上.從調查結果上看，學生能夠初步形成思維習慣，但在思維水平的構建上還不夠成熟.學生在遇到靈活性較高的問題或在解釋現象時,有時會無從下手，習慣于憑借直覺進行判斷，而缺乏合理有力的推理過程.

在平時的實驗操作中，學生所做實驗多為驗證性的實驗，講義上已給出詳細的操作步驟，學生獨立思考、獨立探究的過程相對較少，這會降低學生的思維發展速度.為強化學生的分析和應用思維的培養，教師可以適當提高對學生的要求，引導學生結合已學知識全方位地分析問題，采用不同的方法和手段制定問題解決方案，力求在日常的學習鍛煉中，讓學生對于知識和方法的分析與應用達到熟練化.

表3 各重要成分下對應各水平的點的個數統計表

3.3 調查中發現的其他現象

3.3.1 學生的情感態度和科學態度與物理實驗素養顯著相關

學生的情感態度與科學價值觀教育是我國教育改革對于當前人才的客觀要求[6].皮亞杰的認知心理學理論認為，所有的行為均具有情感與認知兩個方面，純粹的認知行為或者純粹的情感行為是不存在的[7].情感態度和科學態度是物理實驗素養中不可分割的一部分，同時它們對于其他物理實驗素養重要成分的發展也起到了重要的推動作用.

在調查中發現，被試群體的情感態度和科學態度較好.大部分學生都能養成良好的實驗習慣，形成實驗安全意識，能主動完成學習任務，當遇到困難時努力尋找解決問題的方案，并能清楚地認識到實驗在物理學中的地位和作用.

此外，根據對調查數據的相關性檢驗，在情感態度中，學生的實驗興趣對物理實驗素養總體水平的影響最大.實驗興趣強烈的學生的物理實驗素養均處于中上等水平，而物理實驗素養水平較低的學生實驗興趣普遍不高，對于實驗表現出來的積極性較差.在科學態度中，學生的求真意識和鉆研精神與數據處理與分析能力的相關性最強.態度嚴謹、認真的學生在數據處理和結果分析時往往更加細致、全面，分析內容也更加準確、到位，數據處理與分析能力差的學生傾向于以參考和詢問他人的方式完成結果的處理與分析過程，不愿意獨立思考.

在學習過程中，起關鍵作用的情感態度因素主要為焦慮、自信心、動機等[7].情感態度和科學態度差的學生在訪談中普遍表現出畏難情緒和不自信的狀態，存在退縮性焦慮，逃避學習任務，學習愿望不夠強烈.如果能在教學中適當鼓勵學生提升情感態度和科學態度，對于學生物理實驗素養的發展將是極其有益的.

3.3.2 網絡教學手段有利于加強學生對于實驗的理解

當前，網絡的普及為教育者和學習者提供了很好的互動平臺，利用多種數字化、網絡化的教學手段開展實驗教學成為當前教育研究的熱點.許多學校致力于實驗預習系統、仿真模擬系統、物理實驗精品在線課程等網絡手段的開發[8，9]，并在課堂上應用多媒體教學、CCD技術等方式進行實驗演示，例如“采用CCD 技術演示分光計的調節和使用”等.

在調查中發現，學生對于有錄制的視頻講解實驗的預習效果遠高于僅能單純閱讀實驗講義的實驗，對于實驗原理的理解也更加深刻.此外，有的實驗教師喜歡在課堂上播放實驗講解視頻，除幫助學生細致觀察實驗儀器的操作方法外，也充分調動了學生學習的積極性和主動性，改善了學生的學習方式.因此，在學生的預習和課堂學習階段加以網絡教學手段的輔助，是一種幫助學生深入理解實驗的有效途徑.

4 教學建議

4.1 思考與操作并重 提高學生的分析能力

實驗課的目的在于從物理現象和規律的發現過程中感悟實驗對于物理學理論的推動作用.在實驗課程的學習中，操作和思考具有同等地位[8].因此，為提高學生的分析能力，教師可以在課堂上多設置問題，以問題引領實驗操作，引導學生在頭腦中經歷實驗方案的設計過程.在課堂下，通過規范實驗報告的格式促使學生在實驗報告中體現對于實驗現象產生原因、誤差來源、實驗的不足之處等問題的分析，引導學生主動對實驗進行分析、反思和總結，以加強學生對于實驗知識和過程的理解.

4.2 增加設計型實驗活動和實驗思考題 促進創新思維的發展

現在實驗課程中的實驗大多為“菜譜型”實驗，即學生按照已有的實驗步驟和方法完成實驗操作，缺乏自主探究過程[4].調整教學內容，適當增加設計型實驗活動，通過設置情境，讓學生以小組或個人為單位經歷完整的實驗方案設計、實施和總結的過程，可以有效培養學生的設計創新能力，從而進一步提高創新思維.此外，一種實驗設備往往具有多種功能，也可以在其他實驗中發揮作用.因此，教師可以在實驗思考題中設置問題，引導學生聯系已學知識，自主挖掘儀器的其他功能，以求在日積月累中強化創新思維.

4.3 注重課堂上的情感交流和科學態度的滲透

濃厚的學習興趣和強烈的求知欲是學生刻苦學習、自我提升的不竭動力. 關于情感態度，日常教學中的情感交流可以激發學生的實驗興趣、提高學習意識；增加課堂上的討論交流環節可以促進教師與學生和學生與學生之間的交流，使每一位學生充分參與到課堂之中.在實驗過程中，教師應適當鼓勵學生，幫助學生消除畏難情緒，樹立自信心，從而從學生的心理上提高學習的積極性.在科學態度的培養上，適度的知識拓展可以發揮重要的作用.課堂上，教師可以講解與實驗相關的物理學發展史或物理學家的事跡，使學生了解科學技術的發展歷程，明白從事科研事業的意義，從而優化實驗態度，樹立正確的科學價值觀和責任感.

4.4 豐富教學手段 充分利用多種網絡媒介

對于實驗步驟的學習，相比于實驗講義，錄制的實驗視頻可以有效輔助學生進行課前預習，將實驗理論和實驗過程結合在一起.在課堂上，適當使用多媒體課件配合教師的講解，可以更加清楚地幫助學生梳理理論知識.通過上述方法，幫助學生在實驗前形成較為清晰的實驗思路，理解各實驗步驟的設計意圖.此外，在當前成熟的網絡教學環境下，模擬仿真系統的使用也將會對教學產生巨大的促進作用.

5 結束語

發展物理實驗素養是大學生物理實驗學習的最終目的.本文綜合利用多種調查方法，對某大學物理學系的低年級學生開展了抽樣調查，分析了樣本群體物理實驗素養的整體水平，并從知識、能力和思維等方面討論了被試群體在物理實驗學習中的長處和存在問題，針對大學生物理實驗素養的發展提出教學建議.在物理實驗教學中，及時的反饋和評價可以幫助教師了解學生的物理實驗素養水平，以更具針對性的教學方式引導學生不斷提升個人的物理實驗素養，有助于高校實驗教學策略的改進和完善.