基于科學探究評價框架的高中物理實驗操作試題開發探討

胡振歡 許桂清

（1.中山市桂山中學，廣東中山 528463；2.華南師范大學物理與電信工程學院，廣東廣州 510631）

2017年教育部發布了《普通高中物理課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》），在課程目標的闡述中指出，高中物理課程應在義務教育的基礎上，進一步促進學生物理學科核心素養的養成和發展.2020年教育部發布了《中國高考評價體系》，提出要立足全面發展育人目標，構建包括“核心價值、學科素養、關鍵能力、必備知識”在內的考查體系，扭轉不符合時代要求的教育評價導向，最終完成立德樹人的根本目標.因應教育評價發展的需求，我們有必要對如何評價學生物理學科核心素養水平進行進一步的研究，目前基于紙筆測試的核心素養評價成為考試主流，對實驗操作的考查也只停留在紙筆測試層面，可以說試題里面的物理實驗沒有“物”，也是當今高中物理考試中的一大遺憾，以評價促進育人的功能有所缺失.

在2022年3月廣東某地級市高考備考研討會中的摸底調查顯示，由于目前高考中實驗測試不考查實驗操作，各普通高中開設實驗熱情不足，即使學生到達實驗室開展活動，但進行實驗時缺乏有效的評價標準，學生只是進行簡單的操作體驗，不利于判斷和提升學生核心素養水平，許多物理教師更是表示找不到合適的實驗操作試題素材對學生進行考核，因此筆者探索建立科學探究評價框架，探討開發實驗操作試題的模式并進行了實踐研究.

1 科學探究評價框架建立依據

1.1 普通高中物理課程標準中的科學探究素養

《課程標準》相比于舊版課程標準的一個重要變化是凝聚了物理學科的核心素養，并制定了從水平1到水平5 的學業質量水平標準.學業質量水平2是高中畢業生應達到的合格要求，是學業水平合格性考試的命題依據，學業質量水平4 是用于高等院校招生錄取的學業水平等級性考試的命題依據.［1］容易發現，水平1到水平5是層層遞進的關系，對學生的要求指向明確.但是課程標準中的素養層級只是以學生表現為主的描述，從試題命制和試題分析的角度看來，這樣的描述顯得抽象和籠統，難以按照素養水平命制試題，也難以直觀判斷一道試題對應具體考查的素養水平.因此操作試題中涉及的科學探究評價應進一步具體細化，使得命題時有據可依.

1.2 SOLO 理論

SOLO 分類理論是由澳大利亞著名教育心理學教授比格斯在1982年首先提出的.其對于教育領域產生深刻影響的是對每種發展階段下不同的層級水平進行劃分，這些層級水平主要包括：前結構層次，單點結構層次，多點結構層次，關聯結構層次和抽象拓展層次.對于每一層級，比格斯又主要是通過能力、思維、一致性與收斂性，以及回答結構4個維度來進行描述和界定的，［2］結合思維導圖可以直觀理解，如圖1所示.

圖1 SOLO 分類理論思維導圖

筆者借鑒SOLO 理論，在試題命制的角度對科學探究素養水平進一步細化、具體化，形成評價框架，力求在實驗操作試題命題和試題分析中更加具有操作性.

2 構建科學探究評價框架和操作試題開發流程

2.1 構建科學探究評價框架

SOLO分類理論與學業質量的分層評價具有內涵一致性，用該理論指導學業質量的分層評價具有積極的實踐意義.［3］但SOLO 理論提到的5個等級水平和科學探究的5個水平并不是很嚴格的一一對應關系，如前結構水平認為“學生基本上無法理解問題和解決問題，只提供了一些邏輯混亂、沒有論據支撐的答案”，這和科學探究的水平1要求是不一致的，科學探究水平1是要求學生已經達到簡單認知而非邏輯混亂的水平，由于科學探究水平1和水平2的具體描述都偏向單一認知描述，因此在框架建立時可把水平1和水平2都看作有水平差異的單點結構，并進行細化劃分，如看作較低難度的單點結構水平和較高難度的單點結構水平，以此類推.雖然兩者并沒有嚴格一一對應，但是可以形成以學業質量水平為主，SOLO理論為輔的科學探究評價框架.

參考SOLO 理論中對于不同思維水平具體明確的操作性鑒定，結合《課程標準》中對于科學探究不同水平的經驗型抽象描述，對實驗操作試題中所包含的核心素養科學探究不同水平進行判別和斷定，并按照高中物理實驗的四個基本要素：方案與原理、器材與操作、現象與操作和結論與分析進行細分.以原理與方案這個實驗操作要素為例，水平2 的題目應當對應單點結構水平，結合探究要素里面的描述“根據已有探究方案”，因此題目對學生的要求較低，不單只是教材常規實驗，更是學生能稍微一回想就能做出來的簡單實驗.而水平4 的題目應該具有關聯結構水平，也就是達到這個水平的學生應當可以對幾個常規的實驗內容進行遷移整合，以此類推，逐一按照實驗操作要素對科學探究水平進行重新解構，可以得出更具有操作性的科學探究評價框架，如表1所示.

表1 科學探究評價框架

續表

在評價框架實際應用中對具體考查水平應科學判定，如結論與分析的水平4 在評價框架描述分為3點，用分號隔開：“題目需要仔細觀察擬合數據并做遷移對比才能得出實驗結論；題目要求分析造成實驗誤差的具體原因或者簡要提出改進建議；要求能撰寫較為完整的實驗報告.”實驗操作題目只要符合以上描述中的任意一點，就可認為是考查該要素水平5的題目.

2.2 實驗操作試題的開發流程

結合評價框架和高中物理實驗要求，可進一步細化考試目標和考試內容，制定完善評分細則進行實驗操作試題的命制.具體開發流程主要包括框架的構建、試題的命制和試題的實施反饋，在反饋中促進框架的完善，如圖2所示.

圖2 實驗操作試題開發流程圖

在開發實驗操作試題時，應以評價框架作為中心，既可以用來細化考試內容，也可以用來評價試題和擬定得分點，在考試實施后還可以及時反饋修正評價框架.

3 試題開發案例

按照開發流程，利用實驗室的現有器材，筆者設計了“測量未知電阻阻值”的實驗操作試題，試題采用實物操作與紙筆測試結合的形式進行，限制時間25min內完成，結合實驗室的器材，在高二物理電學實驗學習完畢后進行操作考試，開發試題案例如下.

案例.利用所給器材盡量精確測量某未知電阻阻值，實驗所給儀器如下：

A.待測電阻Rx；

B.多用電表；

C.電阻箱（0～9999Ω）；

D.電流表A（量程0.6A 和3A，內阻約為10Ω和2Ω）；

E.電壓表V（量程3V 和15V，內阻為3kΩ和15kΩ）；

F.滑動變阻器R1：0～10 Ω，額定電流為1A；

G.滑動變阻器R2：0～500 Ω，額定電流為0.3A；

H.學生電源固定為6V，內阻約為1Ω；

I.開關S及導線若干.

儀器的參數都會具體給出，待測電阻實際阻值為10Ω，但是沒有在試卷上提示阻值范圍，因此在試卷作答區域，主要有4塊內容：一是要求粗測未知電阻阻值；二是要求設計畫出測量阻值電路圖（標出電表采用量程）；三是要求記錄數據（不給表格之類的引導內容），并且得出阻值大小；四是要求分析實驗誤差并提出初步改進建議.其余均是老師直接具體的實驗操作或者回看錄像給出評分.

評分可以按評價框架從實驗4個要素進行擬定，以下舉部分評分要點進行分析.

（1）方案與原理（賦分10分）：本題考查學生在粗測出電阻阻值后，為選擇電表測量量程以及選擇內接法或外接法提供數據依據.對于盡量精確測量電阻的要求和后續處理數據的要求，考慮分壓接法，選用合適的滑動變阻器，均是常規實驗內容，對應框架中水平3.另外在量程搭配不合適的時候，能遷移電表改裝的內容，對電壓表進行改裝，對應框架中水平4.

（2）器材與操作（賦分20分）：本題的未知電阻準確值為10Ω，但是一開始并沒有給出阻值范圍，因此應該從多用電表大倍率擋位開始測量，發現指針偏轉過大而選擇更小的倍率進行測量，對應框架中水平3，在設計出實驗后，要對眾多器材進行準確組裝，對應框架中水平4.

（3）現象與數據（賦分10分）：本題的實驗現象反應在兩個電表的數據上，要求讀數時示數應該超過量程的，對應框架中的水平1，并合理選擇6 組以上數據進行圖像處理，對應框架中水平4.

（4）結論與分析（賦分10分）：在數據處理中已經得出了電阻阻值，因此本塊內容主要考查誤差分析，對應框架中水平3，能否提出合理建議改進實驗，對應框架中水平5.

最終本實驗操作考試的試題考查內容和評分細則可以用表2呈現.

表2 測量未知電阻實驗評分細則

續表

考試實施中評分注意事項將進一步細化，如關于多用電表使用的評分，能否一開始觀察指針位置是否在0刻度處（2分）；歐姆擋調零步驟和操作是否準確（2分）；調整倍率后是否有重新調零（1分）；用完是否能把擋位調至OFF處（1分）.由于篇幅關系，不一一展示.通過學生做題情況和每個環節得分情況，可以具體判斷出學生在該塊內容的素養達成情況.

4 開發實驗操作試題和實施考試的注意事項

4.1 試題素材應斟酌選擇

目前多地的中考進行實驗操作考試，實驗考查常規實驗，操作已經固定化，考試往往只是簡單地重復再現經典實驗，學生在應考前已經訓練機械化，難以考查出學生應有的科學探究水平，大多只能對應本文建構的評價框架水平3 以下，所以高中階段的實驗考查建議進行變式考查，可以在經典實驗中選擇素材進行整合創新命制，達到考查評價框架水平4 以上.如本文中的測量未知電阻實驗，實質上也是幾個經典實驗的綜合：多用電表的使用、電表的改裝和伏安法測電阻.這樣可以考查到學生是否具備較高的素養水平.另外考試需要用到的實物如電表的取材不能想當然提供，要結合實驗室已有儀器命制操作試題.

4.2 試題命制應有側重點

命題的重要依據是《課程標準》，和純書面測試一樣，命制一個實驗操作題目時，不可能全方面考查，因此制定考核目標和考查內容時便要有所取舍和側重，本文中的例題重點考查的是方案設計和儀器操作.如果本實驗要重點考查儀器的選擇，則可以多準備幾個不同量程的電表，增加迷惑性；如果要降低本試題中要求實驗分析的水平5的要求，則可在最后一部分多提供一到兩個儀器，引導學生進行電路設計，使解題方向不至于過于發散.

4.3 試題實施和流程設置應符合操作實驗特點

在器材準備上操作考試會比純粹的書面考試要求更高，操作考試涉及更多實物，因此考試前要多次檢查相關器材確保給學生公平的實驗條件.在實施實驗操作考試時，應讓學生在有錄像的情況下相互“隔離”進行實驗.由于操作考試的評分更具有主觀性，觀看錄像時可進行“二改”，兩位老師各自觀看錄像評分，由于組織此類考試比書面測試需要更多的人力物力，所以要注意考試流程安排的合理性，如筆者在設置考場和實施考試時候，把實物操作、記錄數據的地點和完善實驗報告、處理數據的地點隔離開，不需要實物操作的地方采用一人監考多人的方式，采用操作與數據處理時間連貫但地點不同的考查模式，提高考核效率.