基于核心素養(yǎng)的高中學(xué)生物理科學(xué)探究能力調(diào)查研究

徐瑞璟 李春密

（1.北京師范大學(xué)物理系，北京 100875；2.青島市實(shí)驗(yàn)高級(jí)中學(xué)，山東 青島 266100）

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》提出：“要全面提高普通高中的學(xué)生綜合素質(zhì)，深入推進(jìn)課程改革，全面落實(shí)課程方案”[1].2017年黨的十九大明確提出要落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，發(fā)展素質(zhì)教育.發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)引起了高度重視，我國(guó)的基礎(chǔ)教育課程改革邁入了一個(gè)新的發(fā)展階段.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中提出，物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力，由物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四方面內(nèi)容組成.其中科學(xué)探究是指：“基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對(duì)科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力.”[2]

物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，令學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中體驗(yàn)完整的科學(xué)探究過程是培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié).了解學(xué)生的科學(xué)探究能力現(xiàn)狀，對(duì)進(jìn)一步提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，進(jìn)而發(fā)展物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有重要意義.國(guó)際上一直在研究評(píng)價(jià)科學(xué)探究能力的方法，1997年由經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織主要負(fù)責(zé)開展了核心素養(yǎng)框架項(xiàng)目——“素養(yǎng)界定與選擇：理論與概念基礎(chǔ)”，提供了評(píng)價(jià)核心素養(yǎng)的理論基礎(chǔ).2000年OECD首次舉辦了PISA測(cè)試（國(guó)際學(xué)生評(píng)估項(xiàng)目），主要用紙筆測(cè)試的模式評(píng)測(cè)科學(xué)情境和概念、過程技能.[3]2003年TIMSS被稱為國(guó)際數(shù)學(xué)和科學(xué)測(cè)評(píng)趨勢(shì)，從發(fā)現(xiàn)并解決問題、建立和修正理論模型、觀察和測(cè)量、解釋數(shù)據(jù)概括結(jié)論四個(gè)方面評(píng)測(cè)科學(xué)探究能力.[4]2004年我國(guó)出版了譯本《等級(jí)評(píng)分：學(xué)習(xí)和評(píng)價(jià)的有效工具》，介紹了PTA量表法和等級(jí)評(píng)分的方法.郭玉英分析比較了國(guó)外科學(xué)探究能力的3種模型，對(duì)問題解決模型加以肯定和修正，強(qiáng)調(diào)把握科學(xué)探究的本質(zhì)特征.[5]李春密教授建立了科學(xué)探究能力三維結(jié)構(gòu)模型，并提出了深刻性、靈活性、敏捷性、批判性、獨(dú)創(chuàng)性5個(gè)可以用于評(píng)測(cè)學(xué)生的主要指標(biāo).[6]

本研究旨在調(diào)查高中生物理科學(xué)探究能力真正處于什么水平，是否達(dá)到物理新課標(biāo)在核心素養(yǎng)方面的要求，對(duì)不同省份、性別、班級(jí)水平加以比較研究，分析原因并提出適當(dāng)?shù)慕ㄗh，為進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)打下基礎(chǔ).先采用文獻(xiàn)研究法，綜合比較核心素養(yǎng)及科學(xué)探究概念的界定和要求，把握調(diào)查方向和研究目標(biāo)，分析用于建立評(píng)價(jià)體系的原則和方法.采用PTA量表法設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)量表和權(quán)重建立評(píng)價(jià)體系.再采用問卷調(diào)查法，調(diào)查3個(gè)省份重點(diǎn)中學(xué)高二年級(jí)普通班和實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生.最后建立物理科學(xué)探究能力的水平分析模型，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和比較.

1 評(píng)價(jià)量表的編制

考慮到各個(gè)省份及學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)施的條件限制，本研究依據(jù)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》，結(jié)合學(xué)者們對(duì)科學(xué)探究、實(shí)驗(yàn)探究要素整理出的研究成果和筆者對(duì)專家的訪談，將高中物理科學(xué)探究能力整合為提出問題與假設(shè)、制定方案與實(shí)施、信息分析與解釋和報(bào)告交流與反思四項(xiàng)能力要素.課程標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)將物理學(xué)科核心素養(yǎng)劃分為遞進(jìn)關(guān)系的五級(jí)水平，其中高中畢業(yè)生應(yīng)達(dá)到的合格水平為學(xué)業(yè)質(zhì)量水平二，進(jìn)入高等院校相關(guān)專業(yè)學(xué)習(xí)應(yīng)達(dá)到的要求為學(xué)業(yè)質(zhì)量水平四.[7]本研究再進(jìn)一步將科學(xué)探究的5個(gè)水平按4個(gè)基本要素劃分開來，制定高中生物理科學(xué)探究能力的PTA評(píng)價(jià)量表，并設(shè)定各要素及水平指標(biāo)的權(quán)重.對(duì)量表中學(xué)生表現(xiàn)的評(píng)定能夠得當(dāng)反應(yīng)學(xué)生的總體情況.

根據(jù)4種科學(xué)探究能力要素各對(duì)應(yīng)5個(gè)水平的情況，將每一水平制成一個(gè)題目，題目順序完全打亂，保證每種要素的題目不連續(xù)，相同水平的題目不連續(xù).將科學(xué)探究能力評(píng)價(jià)量表制作成李克特量表，5點(diǎn)選項(xiàng)分別為完全符合、比較符合、勉強(qiáng)符合、不太符合和完全不符合，展現(xiàn)方式為自我評(píng)價(jià).被測(cè)對(duì)象根據(jù)自身在物理學(xué)習(xí)和日常生活中的經(jīng)驗(yàn)和表現(xiàn)，在符合自己能力的情況上打勾選擇.高中生物理科學(xué)探究能力評(píng)價(jià)量表內(nèi)容如表1.

表1 物理科學(xué)探究能力評(píng)價(jià)量表

續(xù)表

評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)按符合程度由高到低賦5、4、3、2、1分，總共5個(gè)水平.其中一級(jí)指標(biāo)為4個(gè)能力要素，各要素均為科學(xué)探究中的重要環(huán)節(jié)，探究中的4個(gè)步驟重要程度沒有明顯差異，因此設(shè)定權(quán)重相同，均為0.25.二級(jí)指標(biāo)為水平一至五，5種水平層層遞進(jìn)，且遞進(jìn)程度相同，因此設(shè)定權(quán)重相同，均為0.05.

（1）自評(píng)量表中各項(xiàng)能力要素題目的得分計(jì)算模型如下.

公式（1）中，Sab是指第a種能力要素中第b個(gè)水平即第b題被調(diào)查者的得分.a代表能力要素的4個(gè)部分；b代表第a種能力要素下的5種水平；i為第b題的第i項(xiàng)備選答案；Qbi為第b題中選擇第i項(xiàng)備選答案的樣本數(shù)；Cbi為第b題中第i項(xiàng)備選答案的賦分；N為樣本總數(shù).

（2）指標(biāo)體系中各項(xiàng)能力要素得分模型如下，

公式（2）中，Sa是第a項(xiàng)能力要素的得分；Wab是第a項(xiàng)能力要素中水平b的權(quán)重，由于分為5種水平且每種水平權(quán)重相等，Wab=0.2.在以上計(jì)算方式下，各個(gè)能力要素水平的得分均在1-5之間，為了便于參照學(xué)習(xí)成績(jī)來劃分等級(jí)，結(jié)果采用百分制，計(jì)算結(jié)果乘以20.

（3）高中生物理科學(xué)探究能力總體得分模型如下.

公式（3）中，S是物理探究能力的綜合得分；Sa為各部分能力要素的得分；Wa為各部分能力的權(quán)重值.

（4）高中生物理科學(xué)探究能力水平等級(jí)的確立

將物理科學(xué)探究能力的得分對(duì)應(yīng)考試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分?jǐn)?shù)從及格線至滿分等分成5個(gè)等級(jí)，其中高中畢業(yè)生應(yīng)達(dá)到的合格水平對(duì)應(yīng)等級(jí)二，進(jìn)入高等院校相關(guān)專業(yè)學(xué)習(xí)應(yīng)達(dá)到的要求對(duì)應(yīng)等級(jí)四.見表2.

表2 物理科學(xué)探究能力等級(jí)分?jǐn)?shù)劃分表

2 調(diào)查結(jié)果及統(tǒng)計(jì)分析

筆者依次在A、B、C3個(gè)省份的重點(diǎn)中學(xué)的高二年級(jí)普通班和實(shí)驗(yàn)班發(fā)放自評(píng)表，學(xué)生根據(jù)自己在學(xué)習(xí)生活中的經(jīng)驗(yàn)和物理實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)，對(duì)自身的科學(xué)探究能力做出相符合的評(píng)價(jià)，每張問卷用時(shí)10分鐘左右.自評(píng)表總共發(fā)放218份，回收218份，有效問卷185份，回收率為100%，有效率為84.86%.

2.1 不同省份物理科學(xué)探究能力平均水平及整體情況

根據(jù)本研究建立的科學(xué)探究能力的計(jì)算模型，分別統(tǒng)計(jì)李克特量表中5個(gè)分度的選擇人數(shù)，計(jì)算3所學(xué)校被測(cè)對(duì)象分別在4種科學(xué)探究能力要素上的分?jǐn)?shù)和科學(xué)探究能力的總分，對(duì)照能力水平等級(jí)分?jǐn)?shù)劃分表劃分相應(yīng)的等級(jí)，并統(tǒng)計(jì)3個(gè)省份整體的得分和總分.計(jì)算過程省略，得分及對(duì)應(yīng)等級(jí)如表3所示.為了更直觀地比較，采用條形圖表示，如圖1所示.

表3 3個(gè)省份物理科學(xué)探究能力水平情況

圖1 3個(gè)省份物理科學(xué)探究能力情況

由上表分析可得結(jié)論，A、B、C3個(gè)省份的重點(diǎn)中學(xué)被測(cè)整體水平處于等級(jí)三下游.高于合格考水平且低于等級(jí)考水平要求，符合高二年級(jí)已經(jīng)經(jīng)過合格考但未經(jīng)過高三復(fù)習(xí)的能力水平.其中提出問題與假設(shè)能力得分最高，報(bào)告交流與反思能力得分最低.總體上說明學(xué)生根據(jù)物理現(xiàn)象及情境，提出相關(guān)問題并作出假設(shè)的能力較強(qiáng)；撰寫規(guī)范完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并交流與反思實(shí)驗(yàn)結(jié)果及過程的能力較弱.各個(gè)省份中四項(xiàng)科學(xué)探究能力水平的差別大同小異，說明每個(gè)省份科學(xué)探究方面的問題基本一致.

參照2017年姜珊對(duì)北京市3所學(xué)校高二年級(jí)的調(diào)查，其測(cè)試結(jié)果顯示各所學(xué)校“交流表達(dá)與合作”能力得分均為最高.[8]經(jīng)對(duì)比分析得出原因，一方面科學(xué)探究能力的劃分有所不同，該調(diào)查中實(shí)驗(yàn)探究能力按2003課程標(biāo)準(zhǔn)劃分，偏向于考量合作與交流能力，本文按2020修訂版課程標(biāo)準(zhǔn)劃分科學(xué)探究能力，更強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫及結(jié)果反思.說明學(xué)生在撰寫規(guī)范的實(shí)驗(yàn)報(bào)告及反思實(shí)驗(yàn)結(jié)果方面的能力，相比其他科學(xué)探究能力更為欠缺.另一方面經(jīng)過培養(yǎng)核心素養(yǎng)理念的推廣，各個(gè)學(xué)校的教學(xué)可能有所改進(jìn)，導(dǎo)致學(xué)生的表現(xiàn)與往年稍有不同.

對(duì)比被測(cè)3個(gè)省份的物理科學(xué)探究能力，A省份整體水平最低，位于等級(jí)二上游；B省份整體水平居中，位于等級(jí)三下游；C省份整體水平最高，位于等級(jí)三下游且略高于B省份.王善邁等人于2009年對(duì)我國(guó)31個(gè)省份調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，各省份的教育發(fā)展水平存在明顯差異.[9]本調(diào)查總體結(jié)果為A、B、C3個(gè)省份的科學(xué)探究能力得分遞增，符合省份教育發(fā)展水平差異.

2.2 男女物理科學(xué)探究能力水平情況

按照科學(xué)探究能力的計(jì)算模型，計(jì)算男生、女生各自科學(xué)探究能力的得分及相應(yīng)等級(jí).統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示.A、B、C3個(gè)省份的重點(diǎn)中學(xué)被測(cè)總體男女生科學(xué)探究能力得分條形圖如圖2所示.

表4 男生女生物理科學(xué)探究能力水平情況

圖2 男女生物理科學(xué)探究能力總體情況

由表4可得結(jié)論，男生整體水平處于等級(jí)三中下游，女生處于等級(jí)二中上游，男生更接近等級(jí)考學(xué)業(yè)水平要求.說明被試群體女生的科學(xué)探究能力明顯低于男生，且各項(xiàng)能力要素均有差距.從高等院校物理相關(guān)專業(yè)錄取及院士男女比例來看，男生人數(shù)明顯多于女生，符合這一調(diào)查結(jié)果.[10]其中提出問題與假設(shè)能力男女生差距最大且得分最高，報(bào)告交流與反思能力得分差距最小同時(shí)得分最低.男女生科學(xué)探究方面的問題基本一致，C省份男女生對(duì)物理學(xué)習(xí)的差距更大.

李春密在2003年對(duì)男女生的初中物理實(shí)驗(yàn)操作能力進(jìn)行過比較研究，男生的實(shí)驗(yàn)操作能力比女生強(qiáng)一些.[11]李鴻彬調(diào)查高一高二的多屆學(xué)生發(fā)現(xiàn)男生對(duì)于物理學(xué)習(xí)的興趣高于女生，且物理學(xué)習(xí)效果也明顯好于女生.[12]綜合以上研究結(jié)果，男生的物理科學(xué)探究能力整體強(qiáng)于女生.

2.3 不同水平班級(jí)的物理科學(xué)探究能力水平情況

按照科學(xué)探究能力的計(jì)算模型計(jì)算普通班、實(shí)驗(yàn)班各自科學(xué)探究能力的得分及相應(yīng)等級(jí).統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5示.A、B、C3個(gè)省份的重點(diǎn)中學(xué)總體普通班和實(shí)驗(yàn)班科學(xué)探究能力得分條形圖如圖3所示.

表5 不同水平班級(jí)的物理科學(xué)探究能力情況

圖3 不同水平班級(jí)物理科學(xué)探究能力總體情況

由表5可得結(jié)論，被測(cè)普通班總體水平處于等級(jí)二中上游，稍高于合格考水平，實(shí)驗(yàn)班處于等級(jí)三下游，更接近等級(jí)考水平.被試群體普通班的科學(xué)探究能力明顯低于實(shí)驗(yàn)班，且各項(xiàng)能力要素均低3分左右，說明普通班和實(shí)驗(yàn)班的各方面能力均有一定差距.其中信息分析與解釋能力差距最大，提出問題與假設(shè)能力差距最小，說明普通班和實(shí)驗(yàn)班在對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理并作出解釋的能力方面有很大差距，而問題意識(shí)差別不大.

3個(gè)省份各種普通班和實(shí)驗(yàn)班對(duì)比來看，A和C省份普通班和實(shí)驗(yàn)班得分差別較大，B省份差別稍小.一方面可能和抽樣選取的班級(jí)有關(guān)，相近水平的班級(jí)之間仍有成績(jī)差距.另一方面可能和不同省份的實(shí)驗(yàn)班劃分有關(guān).提出問題與假設(shè)能力在各省份均為得分最高項(xiàng)，除去C省份的實(shí)驗(yàn)班信息分析與解釋能力得分最高，其余科學(xué)探究能力要素與總體情況相同，符合3個(gè)省份的整體科學(xué)探究能力水平.

3 展望及建議

本研究的不足之處在于，學(xué)生物理科學(xué)探究能力的表現(xiàn)可能不僅限于新課標(biāo)中給定的水平.實(shí)際情況中，科學(xué)探究能力與科學(xué)思維、物理觀念等方面有不可分割的關(guān)系，因此量表的建立有待進(jìn)一步推敲.量表的設(shè)定是學(xué)生根據(jù)自身情況做出判斷，因此學(xué)生對(duì)自己的主觀判斷可能會(huì)影響調(diào)查結(jié)果.

針對(duì)調(diào)查結(jié)果的建議如下.

（1）平衡發(fā)展科學(xué)探究能力的建議.學(xué)生整體表現(xiàn)為提出問題與假設(shè)能力最強(qiáng)，報(bào)告交流與反思能力最弱，說明學(xué)生撰寫規(guī)范完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力較為欠缺，缺乏小組交流合作反思的能力.教師可針對(duì)這一情況，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要求，培養(yǎng)學(xué)生小組合作交流的習(xí)慣，加強(qiáng)學(xué)生完成規(guī)范實(shí)驗(yàn)報(bào)告和反思評(píng)價(jià)的能力.

（2）平衡發(fā)展各省份教育的建議.調(diào)查表明A、B、C省份學(xué)生的科學(xué)探究能力依次增強(qiáng)，宏觀上可以說明我國(guó)不同省份的教育水平有一定差距，需要更加重視教育資源不均衡等問題.

（3）平衡男女生性別差異的建議.調(diào)查表明男生的科學(xué)探究能力顯著高于女生，說明性別差異影響學(xué)生物理學(xué)科的學(xué)習(xí)，女生對(duì)物理學(xué)科的學(xué)習(xí)能力稍低.需要社會(huì)和家庭、學(xué)校共同努力消除性別偏見，增強(qiáng)女生對(duì)物理的興趣和信心.

（4）培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的建議.鼓勵(lì)學(xué)生在物理學(xué)習(xí)和生活中勇于發(fā)現(xiàn)問題、提出解決方案并實(shí)施.在教學(xué)中需要增加對(duì)物理科學(xué)探究能力的訓(xùn)練，充分重視實(shí)驗(yàn)探究，以學(xué)生為主體開展教學(xué)活動(dòng).課外可以增設(shè)科技制作、創(chuàng)造發(fā)明等活動(dòng)，通過課外探究活動(dòng)從多方面培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，幫助學(xué)生學(xué)以致用加深理解，發(fā)展物理學(xué)科核心素養(yǎng).