高中物理探究型實驗設計能力測評框架的構(gòu)建與應用

張軍朋,范亞輝，呂辰祎，鄧浩儀

(1.華南師范大學 物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006；2.深圳高級中學，廣東 深圳 518040)

在物理課程中，科學探究是物理學科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，實驗探究是科學探究的主要形式，實驗設計是實驗探究的重要環(huán)節(jié). 已有研究發(fā)現(xiàn)，學生在經(jīng)歷自己設計、調(diào)查來解決問題的過程后，對科學本質(zhì)和探究的認識有很大改變[1]. 而在我國中學物理實驗教學中，教師往往把實驗目的、原理、具體操作步驟等講解清楚，學生根據(jù)具體步驟進行操作,做實驗對于學生來說僅僅是動手重復固定的操作. 對中學生的科學探究能力現(xiàn)狀的調(diào)查表明，學生的物理實驗設計能力是中學生探究能力中較為薄弱的環(huán)節(jié)[2]. 科學探究不僅僅要動手做實驗，更要積極主動地動腦設計實驗. 現(xiàn)代社會對人才的需求已不局限于對知識的記憶和技術(shù)活動的重復，更看重的是能夠應對多變世界中可能出現(xiàn)的新問題的能力.

物理實驗設計能力屬于高階思維能力的范疇，但我國現(xiàn)行物理教學和評價沒有對學生的高階思維能力給予足夠重視[3]. 長期以來，基于課程標準的學業(yè)成就評價研究相對滯后，且在高考指揮棒下，課程標準和學業(yè)評價標準無法較好地銜接. 課程標準沒有給出具體實驗設計能力的評價標準和樣例，這給評價學生達到什么程度帶來了困難. 因此，物理實驗評價改革應促進學生實驗設計能力的發(fā)展，應為促進學生對實驗的深度理解而評，應為促進學生對實驗的深度學習而教.

目前，國內(nèi)大多數(shù)研究集中在科學探究能力的測評上，關(guān)于實驗設計能力的測評研究較少，且有關(guān)實驗能力的測評形式主要關(guān)注容易評價和確定性的實驗知識、方法和技能，多以甄別與選拔功能為主，沒有發(fā)揮實驗評價的激勵與導向作用. 本研究在明晰物理探究型實驗設計能力內(nèi)涵及測評要素的基礎上，基于國際實驗或科學能力評價標準，確定高中物理探究型實驗設計能力的測評要素與具體指標，構(gòu)建高中物理探究型實驗設計能力測評框架，應用測評框架嘗試開發(fā)情境化紙筆測試工具，旨在為物理探究型實驗設計能力測評實踐提供標準，指明評價的路徑和方向，同時為正確引導物理探究型實驗教學與測評提供參考.

1 物理探究型實驗設計能力的內(nèi)涵

1.1 探究型實驗

目前的學生實驗，除了技能訓練型實驗和知識應用型實驗外，主要有2類：a.驗證型實驗，即在學習相應的知識之后通過實驗進行驗證；b.探究型實驗，與驗證型實驗的區(qū)別在于，探究型實驗是在學生不知道實驗結(jié)果和結(jié)論的前提下進行，其主要目的是讓學生動腦動手探究和解決科學性問題，體驗類似研究人員進行科學實驗研究的過程，以增強學生對科學本質(zhì)的認識和理解. 在驗證型實驗和探究型實驗中，實驗內(nèi)容可能相似，但是設計思路不同，學生的心理活動不同，得到的訓練也不同.

1.2 實驗設計能力

在物理教學中，實驗能力是綜合能力，從實驗前的設計、實驗中的操作和觀測、實驗后的數(shù)據(jù)分析處理和實驗報告的撰寫，都是物理實驗能力的表現(xiàn)[4]. 在實驗能力的諸多因素中，主要體現(xiàn)為實驗設計能力、實驗操作能力、實驗觀測能力和實驗數(shù)據(jù)處理能力. 其中，物理實驗設計能力是指在理解與掌握實驗目的、實驗原理、實驗方法等內(nèi)容的基礎上，具體設計實驗方案的能力；實驗操作能力是指對實驗儀器、工具的使用以及實驗過程中的動手操作能力.

實驗設計過程是指學生根據(jù)實驗目的和要求，運用相關(guān)的知識和技能，在頭腦中對實驗儀器、裝置、步驟和方法進行規(guī)劃并擬定好實驗方案的過程[5]. 擬定實驗方案是對實驗活動的超前認識，是對實驗應該做什么、用什么做、怎樣做等問題的思考.

以上對實驗設計能力進行了界定，并對實驗設計能力與實驗操作能力進行了區(qū)分. 從定義來看，實驗設計能力是根據(jù)實驗目的和要求，選擇恰當?shù)膶嶒炂鞑暮蛯嶒灧椒ǎ`活運用學科知識和技能，設計實驗方案的能力.

1.3 探究型實驗設計能力

如前所述，實驗設計是在用實驗的方法解決具體問題時，形成的對實驗應該做什么、用什么做、怎樣做等問題的解決思路或?qū)嶒灧桨? 實驗設計需要學生綜合運用所學知識和已有經(jīng)驗，創(chuàng)造性地構(gòu)思、設計解決問題的途徑和方法. 探究型實驗具有很強的靈活性與開放性，對于要解決的同一問題，根據(jù)相同的實驗條件，學生可以進行不同的設計. 好的實驗設計，必須遵循科學性、簡便可行性、控制變量、可重復性及設立對照等原則.

實驗探究過程是讓學生在真實情境中發(fā)現(xiàn)問題，并嘗試解決問題的過程. 在解決問題的過程中，學生針對問題嘗試提出實驗方案. 結(jié)合1.2中對實驗設計能力的概念界定，可認為：物理探究型實驗設計能力是明確實驗目的和要求，根據(jù)探究問題的需要，學生自主選擇合適的實驗方法和恰當?shù)膶嶒炂鞑模`活運用物理知識和技能，設計探究型實驗去探索未知問題的能力.

常規(guī)的考查物理實驗設計能力的試題大多是基于學生做過的實驗，針對物理實驗設計能力的個別方面創(chuàng)設新的情境(條件變化或者試題形式變化)，嚴格來說不具有探究性. 而物理探究型實驗設計能力是高階思維能力，不同于常規(guī)的實驗設計.

2 探究型實驗設計能力的測評要素

學生能力的形成和發(fā)展與其參與的活動密切相關(guān)，學生能力的高低能夠在活動中表現(xiàn)出來，但并非所有活動都能同等程度地提高學生的能力，不同的活動在培養(yǎng)能力方面的差異主要體現(xiàn)在活動的自主程度上.

根據(jù)學生在探究型實驗設計活動中的自主程度，可將實驗探究按自主程度由低到高分為結(jié)構(gòu)型探究、指導型探究與開放型探究[6]. 基于上文界定的實驗設計能力內(nèi)涵：評價學生實驗設計能力需要根據(jù)學生按照實驗目的與要求，自主選擇實驗方法和儀器的程度. 因此，本文用于評價學生探究型實驗設計能力的探究型實驗是指導型探究.

就探究型實驗過程而言，學生要經(jīng)歷基于觀察和實驗提出物理問題，形成猜想和假設，設計實驗與制訂方案，獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋以及交流、評估和反思等環(huán)節(jié)[7]. 其中，基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案3個環(huán)節(jié)是探究型實驗設計必須經(jīng)歷的過程.

就探究型實驗教學而言，教學過程一般分為5個階段，如圖1所示，而本文研究的探究型實驗設計能力主要體現(xiàn)在實驗準備階段. 學生探究型實驗設計能力決定了其后續(xù)的實驗實施和實驗處理的質(zhì)量與效率.

圖1 探究型實驗活動的基本流程

物理探究型實驗設計能力是復雜的心理結(jié)構(gòu)，由許多要素組成. 在物理實驗探究問題解決過程中往往需要多個要素的協(xié)同作用. 同時，在研究測評問題時，為了說明整體結(jié)構(gòu)，需要將其分解為一些有聯(lián)系的基本要素.

從國際高校和研究機構(gòu)對實驗能力或科學能力的測評來看，測評中都包含對科學探究能力的測評，例如英國的GCE-A級實驗考試、美國的NAEP科學能力測評、國際PISA科學能力測評以及國際TIMSS科學成就測評. 在科學探究能力測評要素中都包含實驗設計的測評(紙筆考試)要求，這些要求中均涵蓋學生就特定問題情境制訂實驗計劃，包括實驗步驟、測量變量和控制無關(guān)變量的方法、分析數(shù)據(jù)的方法以及應該注意的安全措施等[6].

結(jié)合上述國際對科學探究型實驗設計測評要求，本文研究的探究型實驗設計能力測評的基本要素包含：變量識別(變量包括自變量、因變量及控制變量)，實驗裝置、材料及方法的選擇，實驗探究步驟的設計(測量變量和控制變量的方法).

2.1 變量識別

在探究型實驗設計之初，學生要明確實驗目的，即弄清楚“做什么”的問題，并通過推理對探究的問題進行分析，識別出探究問題涉及的自變量、因變量及控制變量(指實驗中除自變量以外，影響實驗結(jié)果的因素或條件，也稱無關(guān)變量). 教師根據(jù)學生能否識別自變量與因變量來判斷其是否明確實驗目的，只有明確了實驗目的，才能保證學生在后續(xù)實驗材料、裝置及方法的選擇上和實驗探究過程設計的方向的正確性.

2.2 實驗裝置、材料及方法的選擇

在探究型實驗設計中，選擇合適的實驗材料、裝置及方法對于有效測量或控制變量至關(guān)重要. 根據(jù)變量的操作性定義，學生思考實驗中物理量需要的測定儀器或制作材料，從而準確地判斷出需要選擇的實驗器材或材料，才能在實驗中有效地控制變量，保證實驗結(jié)論正確、可靠.

2.3 實驗探究步驟的設計

探究型實驗是開放性活動，可能存在多種實驗方案和實驗操作程序，因此學生要根據(jù)實驗設計的基本原則，設計合理的實驗探究步驟，并對變量進行操作性定義(根據(jù)合適的實驗原理及方法，對變量如何測量進行說明或描述)以及確定合理的獲取實驗數(shù)據(jù)次數(shù). 此外，獲取實驗數(shù)據(jù)的時間點也是影響實驗結(jié)果的關(guān)鍵因素. 因此，本文將獲取實驗數(shù)據(jù)的時間點確定為實驗探究步驟設計中應該包含的基本內(nèi)容.

3 物理探究型實驗設計能力的測評框架

3.1 測評性質(zhì)

從評價標準性質(zhì)的角度，教學評價可分為絕對評價和相對評價[8]. 絕對評價又稱目標參照評價，是以評價對象以外的某一客觀目標為參照標準的評價，考查評價對象達到目標的程度和水平，用于衡量評價對象的實際水平. 相對評價又稱常模參照評價，是以評價對象團體的平均水平為參照標準的評價，主要考查評價對象在評價團體中的相對位置，用于衡量評價對象的相對水平.

高中物理探究型實驗設計能力測評目的在于對學生在探究型實驗設計能力水平進行評定，了解學生在實驗探究過程中實驗設計能力的狀況，為改進探究型實驗設計的教學提供反饋. 因此，本文的測評性質(zhì)為目標參照評價.

3.2 測評內(nèi)容

物理探究型實驗設計能力是復雜的綜合能力，可將其分解為3個要素：變量識別，實驗材料、裝置及方法的選擇，實驗探究步驟的設計.

表1給出了本測評的基本要素、分解的具體指標及具體指標的內(nèi)涵，即測評指標的外顯行為，由此可確定物理探究型實驗設計能力的測評要素、測評內(nèi)容，即具體指標與外顯行為之間的對應關(guān)系.

表1 物理探究型實驗設計能力的基本要素、具體指標及外顯行為

3.3 實驗設計能力水平的劃分

SOLO(Structure of the observed learning outcome)分類理論是由澳大利亞教育心理學專家比格斯(J.B.Biggs)教授首次提出的學生學業(yè)評價方法，他認為：學生在學習具體知識的過程中，都要經(jīng)歷從量變到質(zhì)變的過程，每一次躍變的發(fā)生，都說明學生進入了更高一級知識的認知階段. SOLO分類理論與皮亞杰的認知發(fā)展階段理論的觀點類似，不同的是SOLO分類理論更加關(guān)注學生在特定試題或某個學習領(lǐng)域內(nèi)表現(xiàn)出來的認知結(jié)構(gòu)，而非整體認知結(jié)構(gòu).

SOLO分類理論本質(zhì)上是認知發(fā)展的理論. 后來比格斯等人通過大量研究發(fā)現(xiàn)，SOLO分類理論可以對學生的學習結(jié)果進行分類，首先將學生在回答某個問題或完成某項任務表現(xiàn)出來的思維結(jié)構(gòu)稱作可觀察的學生學習成果結(jié)構(gòu)，然后將可觀察的學生學習成果結(jié)構(gòu)由低到高分為5個層次，即前結(jié)構(gòu)、單點結(jié)構(gòu)、多點結(jié)構(gòu)、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)和抽象擴展結(jié)構(gòu)[9].

如果將上述5個層次賦予不同的等級分數(shù)，那么學生回答問題的質(zhì)量就可以被量化，量化的分數(shù)可以作為評價的依據(jù)[9]. 在評價過程中，SOLO分層評價與傳統(tǒng)的“采點給分”有本質(zhì)的不同. SOLO分層評價不僅重視“采點”即量的多少，還重視學業(yè)結(jié)果中文字表述的邏輯關(guān)系，以此界定學生思維能力所達到的水平與層次.

本文參照SOLO分類理論，將高中物理探究型實驗設計能力的水平進行劃分. 由于SOLO中的“抽象擴展水平”要求較高，因此本文依據(jù)SOLO分類理論的其余4個水平來劃分高中物理探究型實驗設計能力的水平層次，水平層次與其具體的行為表現(xiàn)如表2所示.

表2 探究型實驗設計能力的水平層次及行為表現(xiàn)

根據(jù)SOLO分類理論將物理探究型實驗設計能力的每個具體指標劃分為4個水平. 為了方便對學生的反應進行處理，在設計測評工具時,根據(jù)SOLO分類理論設計試題并對其賦分值，并以此確定測評框架中7個具體指標對應的水平，如表3所示.

表3 高中物理探究型實驗設計能力的具體水平層次的劃分和評分說明

3.4 測評的方法及結(jié)果的解釋與利用

從信息論的觀點看，教育測評是依據(jù)測評目的對測評信息的搜集、處理和分析，并做出解釋的過程[8]. 因此，在高中物理探究型實驗設計能力測評過程中，需要對搜集測評信息的方法進行選擇，再設計并檢驗其測量工具，才能對學生的物理探究型實驗設計能力做出量或質(zhì)的記述，從而形成價值判斷. 搜集教育測評信息的方法主要有觀察法、問卷法、訪談法和測驗法.

1)觀察法. 觀察法是對教育評價對象的活動進行有目的、有計劃、系統(tǒng)、深入地觀察，以搜集評價資料的方法. 觀察法雖然具有自然、客觀、真實的特點，但不容易獲得較為精密的結(jié)果，并且高中學生的探究型實驗設計能力具有內(nèi)隱性，個別方面較難通過課堂行為直接進行測量和判斷.

2)問卷法. 問卷法是以書面形式向被調(diào)查者提出嚴格設計的問題，從而獲得評價信息的方法. 如果在沒有嚴格監(jiān)督的條件下進行，學生容易對問卷不做回答或隨意選填，因此用于測量學生的探究型實驗設計能力水平時，較難得到客觀的數(shù)據(jù).

3)訪談法. 訪談法是以直接的接觸和口頭問答方式獲得評價信息的調(diào)查方法. 該方法可以在一定程度上了解學生對探究型實驗設計的認識，但難以判斷學生的探究型實驗設計能力水平，而且調(diào)查樣本的數(shù)量會受到限制.

4)測驗法. 測驗法是指對被試者的行為樣本(由對儀器操作和問題的回答引起)進行測量的系統(tǒng)程序. 探究型實驗設計能力是學生在對相關(guān)實驗方法、實驗裝置或儀器、相關(guān)物理知識理解的基礎上，應用其解決實際問題的能力. 通過測驗能引起學生做出一系列的行為反應，進而得到客觀真實的測量數(shù)據(jù).

綜上所述，探究型實驗設計能力通過紙筆測試方式來進行測量是合理、有效的，因此本文采用測驗法中的紙筆測驗對高中物理探究型實驗設計能力進行測評.

在結(jié)果分析方面，通過編制的測評工具對學生的物理探究型實驗設計能力進行測評. 根據(jù)SOLO分類理論對每個項目進行賦分，得到的分數(shù)轉(zhuǎn)換成等距意義的Logit分，再通過Rasch模型將Logit分與探究型實驗設計能力的水平劃分相對應，從而確定每個學生的物理探究型實驗設計能力的水平層次，再對照高中生物理探究型實驗設計能力水平框架中的行為范圍，對學生的探究型實驗設計能力做出解釋.

3.5 測評工具的試題設計

3.5.1 測評工具的內(nèi)容選取

考慮到測評對象為高中學生，因此在確定高中探究型實驗設計能力的測評內(nèi)容時“裝置的選擇”不應超過課程標準中“所用儀器”的范圍.

測評工具即測試卷將以物理知識為主要內(nèi)容，圍繞高中物理探究型實驗設計能力測評的7個具體指標來設問.

由于探究型實驗設計能力屬于綜合能力，所涉及的知識點較多，因此主要以中學物理基礎知識為主，涉及的實驗器材主要是《高中物理課程標準》中較為簡單的器材. 為了提高測評的內(nèi)容效度，本研究在設計測評工具時，會降低試題所涉及知識的難度，這樣可以給學生充分展示其探究型實驗設計能力的機會，使學生根據(jù)自己已掌握的知識和方法靈活地、創(chuàng)造性地解決問題.

3.5.2 測評工具的試題設計

要想確定被測試者的探究型實驗設計能力的水平層次，就得盡可能準確地獲得被測試者在作答測試卷時的行為表現(xiàn)，即測試卷要盡可能地讓被試者展示其思維過程. 這就與測試卷中試題類型的選取、試題的命制原則等息息相關(guān).

試題類型按照回答方式一般可分為開放式、封閉式和半封閉式. 其中，開放式試題是由被測試者根據(jù)自身的實際情況或主觀感受自由回答，不受限制，因此被測試者的觀點、思路和看法可以得到充分發(fā)揮，能夠更真實地體現(xiàn)被測試者的實際情況. 因此，開放式試題可以獲取更多被測試者的答題信息，從反映被測試者的實際水平來看，開放式試題是最有效的測試方式. 但由于被測試者不受限制地自由回答，可能會導致被測試者的回答與測試目的背道而馳，一定程度上會增加研究者處理數(shù)據(jù)的難度. 盡管如此，根據(jù)本研究的要求和測評的性質(zhì)，測試卷的題型仍選擇開放式試題.

為了提高試題效度，避免因試題命制不當而產(chǎn)生不良問題，在命制試題時，應遵循以下原則：

1)情境性. 試題的素材選擇要以學生日常生活中熟悉的情境為基準，使學生在解答試題時有身臨其境的感受，從而能真正沉浸其中回答好實驗探究中的問題[10].

2)設問清晰. 為了準確獲取被測試者在測試中的反應，試題中題干的表述一定要清晰明確，沒有模糊性或歧義性.

3)控制性. 試題設問的難度處于學生的最近發(fā)展區(qū)，使學生“跳一跳，能達到”，這樣才能使學生在試題上的作答反映學生的真實水平.

4)新穎性. 試題中的情境盡量新穎，應避免與學生平時做過的題目相近或類似.

5)探究性. 試題應盡可能以學生現(xiàn)有的知識或技能來探究生活中的問題.

基于以上試題命制原則，結(jié)合測評工具內(nèi)容選取的要求，考慮到實際情況，測試卷的試題數(shù)量不應太多. 因此，本測評工具將選取2個不同的探究情境，通過在不同探究情境中相同結(jié)構(gòu)的設問，研究者可根據(jù)被測試者的作答情況，獲取其各個具體指標的水平層次，進而得到被測試者物理探究型實驗設計能力的水平層次.

4 物理探究型實驗設計能力測評實踐：情境化紙筆測試工具

4.1 問題設計

測評工具中的試題素材取自文獻[6]中的探究性問題：探究不同類型導線與其輻射熱能力的關(guān)系，探究包裹不同材料的紙杯對杯里液體的隔熱能力. 這2個題目所設置的情境不同，但都與生活實際情況密切相關(guān). 題目涉及的知識不同，內(nèi)容較易，且都是學生已具有的必備知識.

為了考查學生探究型實驗設計能力的穩(wěn)定性和遷移性，2個題目的設問結(jié)構(gòu)和方式相同，均涉及對物理探究型實驗設計能力的7個具體指標的考查. 情境化紙筆測試題如下：

試題1：研究不同類型導線的輻射熱能力

在導線兩端加上電壓，過一段時間，導線會發(fā)熱，這種熱效應是烤箱、電暖器和電吹風等電器設備的工作原理. 利用該原理研究不同類型導線(32規(guī)格銅、36規(guī)格銅、32規(guī)格鐵、32規(guī)格鎳鉻合金，型號32和36分別表示直徑為0.24 mm和0.15 mm的導線)的輻射熱能力.

實驗器材：工作電壓為6 V的加熱器、6 V電池、電池座、閘刀開關(guān)、鱷魚夾導線、32規(guī)格銅、36規(guī)格銅、32規(guī)格鐵、32規(guī)格鎳鉻合金、蠟筆、100 g的砝碼、細線、剪刀、米尺、秒表等.

根據(jù)提供的實驗器材或其他器材，回答以下問題：

1)陳述要探究的問題，標明探究問題中涉及的自變量和因變量.

2)請寫出自變量和因變量的測量(制作)原理或描述性定義，并分別寫出所需具體器材.

示例與說明：如果要研究“不同小車運動的快慢”，就要對不同的小車和快慢進行說明. 不同小車：質(zhì)量不同，其他方面都相同的小車；具體器材需要：砝碼、小車、軌道；快慢：物體在給定距離中運動的時間，時間越短，物體運動越快.

3)請寫出實驗步驟，或用流程圖進行說明，以便其他人可以重復實驗.

4)設計相關(guān)數(shù)據(jù)表格，或者用于記錄數(shù)據(jù)和結(jié)果的其他方法.

試題2：研究不同材料對液體的隔熱能力

你是否曾買了1個飲熱水的紙杯，并發(fā)現(xiàn)在你喝完之前，水已經(jīng)涼了. 請做1個能使杯中熱水保持較長時間的紙杯(可通過包裝該紙杯使之絕緣).

實驗器材：6只帶蓋子的紙杯、布、4張黑紙、4張白紙、鋁箔、直尺、秒表、6只帶蓋子的塑料杯、2支溫度計、量筒、剪刀、2支體溫計、熱水、護目鏡、圍裙、銅導線[導線電阻會隨溫度變化而變化，若不考慮變化的非線性，則滿足R=R0(1+αT),其中T為溫度]

根據(jù)提供的實驗器材或其他器材，回答以下問題：

1)陳述要探究的問題，標明探究問題中涉及的自變量和因變量.

2)請寫出自變量和因變量的測量(制作)原理或描述性定義，并分別寫出所需具體器材.

3)請寫出實驗步驟，或用流程圖進行說明，以便其他人可以重復實驗.

4)設計相關(guān)數(shù)據(jù)表格，或者用于記錄數(shù)據(jù)和結(jié)果的其他方法.

為了更好地呈現(xiàn)測評工具的試題與物理探究型實驗設計能力的基本要素(具體指標)之間的對應關(guān)系，本研究給出了設計的試卷命題雙向細目表，如表4所示，表4中括號外數(shù)字表示大題號，括號內(nèi)數(shù)字表示小題號.

表4 高中生物理探究型實驗設計能力和實測試卷命題雙向細目表

為了讓學生更清楚地理解題目的含義，需要對一些較難理解的地方給出提示或說明. 在測試卷中，對以下幾個方面給出了提示或說明：

1)在被測試者可能不懂的名詞旁給出解釋性說明. 例如，在對“操作性定義變量”這個具體指標設問時，考慮大部分被測試者可能沒有接觸過此類問題，因此在題目下方列舉了“示例與說明”，以期被測試者能更好地理解問題.

2)對被測試者較難想到的實驗儀器或材料，可借助圖片等形式輔助被測試者理解該儀器或材料.

3)題目可能涉及常見實驗器材的不常見用途，因此在具體器材后面可給出提示，以降低題目的難度，但可能會干擾被測試者對具體器材的選擇. 例如，試題2中的銅導線(提示表明此器材可以測量溫度)和溫度計，這2種器材都可以測定溫度，但可能會導致被測試者為了避免引入無關(guān)變量，而只選用溫度計.

4.2 試題的水平層次劃分及評分原則

為了從試題的測試結(jié)果中確定學生的探究型實驗設計能力的水平，在命制測試卷時，對試題水平進行劃分的方式主要有2種：a.1個問題對應1個水平;b.1個問題對應多個水平，各個水平與學生在各個具體指標下的回答程度相對應. 根據(jù)本文構(gòu)建的測評框架，考慮到題目過多會影響學生回答問題的認真度，因此，采取第2種劃分方式. 每個具體指標的水平層次劃分依據(jù)是物理探究型實驗設計能力的水平層次(見表2)，以此來分析學生回答問題的結(jié)果，量化學生回答問題的質(zhì)量.

下面以試題2中選擇裝置、材料或方法有效控制變量指標的水平層次劃分為例，來說明如何對某個指標進行水平層次的劃分及評分.

試題2中第3問的設置目的是獲取學生在4個具體指標下的思維過程，這4個具體指標分別為：識別控制變量，選擇裝置、材料或方法有效控制變量，數(shù)據(jù)獲取的時間與次數(shù)，操作思路的順序及注意事項. 在選擇裝置、材料或方法有效控制變量指標下，根據(jù)實驗器材、材料或方法的作用不同，將其分為4類：

1)控制紙杯中液體的體積，需要用到量筒.

2)控制包裹紙杯的材料面積和大小，需要用到剪刀，選擇尺子更好，不選也行，因為如果學生先剪出一種包裹材料并以它為參照，剪出相同面積和大小的其他包裹材料，則不需要用到尺子.

3)控制包裹紙杯的方式，此處不需要說出包裹紙杯方式的具體操作，只需要答出“以相同方式包裹紙杯”等字眼即可.

4)控制外界環(huán)境中溫度等因素的影響，考慮設置對照組等方式.

該題指標的水平層次劃分將主要依據(jù)SOLO分類理論，具體參考表2的內(nèi)容，得出該指標的評分標準，如表5所示.

表5 試題2在SOLO分類與選擇裝置、材料或方法有效控制變量指標評分標準的對應關(guān)系

學生在回答試題前，首先要結(jié)合試題提出自己所要探究的問題，根據(jù)所要探究的問題構(gòu)思實驗步驟. 構(gòu)思的過程中可能會涉及物理探究型實驗設計能力的7個具體指標，如果在1個問題中考查全部指標，評分人很容易弄混不同指標的評分標準，因此學生在其他3個指標下的行為表現(xiàn)，將從學生對其他問題的反應中獲取.

由于本測試卷的2道試題能獲取學生在每個具體指標下的具體反應，因此每個指標會對應2個分數(shù). 為了盡量減少被測試者的知識水平對作答情況的影響，考慮到這2道試題所涉及知識的難度及深度相當，故采取2個分數(shù)取平均值后四舍五入的方式，得到被測試者在每個指標下的分數(shù)(對應SOLO分類理論的具體水平層次). 例如，某被測試者在試題1和試題2中的識別控制變量指標下分別得到2和3的分數(shù)，那么被測試者在該指標中的分數(shù)為3.

5 結(jié)果與啟示

5.1 創(chuàng)設真實情境，促進學生對控制變量的深層理解

測試結(jié)果表明：超過一半學生的“識別控制變量”水平層次處于單點結(jié)構(gòu)水平. 這與學生在物理學習中缺乏用實驗探究的方法解決真實問題的訓練相關(guān). 在當前物理實驗教學中，學生遇到的實驗問題，大多是直接給出變量，學生會很快識別出實驗中的自變量、因變量及控制變量. 而本測評工具的試題是給出具體的問題情境，讓學生通過分析問題情境，找出實驗所涉及的自變量、因變量及控制變量. 因此，在探究型實驗教學和評價中，應該創(chuàng)設真實的問題情境，使學生經(jīng)歷和體驗分析情境及實驗變量的過程.

5.2 使用合理策略，加強對學生思維的引導

測試結(jié)果表明：絕大部分學生的“選擇裝置、材料或方法有效控制變量”的水平層次處于前結(jié)構(gòu)水平，這說明學生在進行實驗設計時，沒有采用科學有效的方式來控制變量. 這可能是基于真實情境的探究型實驗涉及的變量較多且復雜，導致學生在對實驗設計時，思維較為混亂，常常忽略選擇裝置、材料或方法來控制變量. Kuhn和Phelps發(fā)現(xiàn)，在涉及控制變量的任務上成功的策略之一是記筆記(note-taking)[11]. 因此，在基于真實情境的探究型實驗中，要提高學生在“選擇裝置、材料或方法有效控制變量”的水平，可通過培養(yǎng)學生記錄思路筆記(思維導圖)的習慣來實現(xiàn).

5.3 開放式探究環(huán)境下，多問學生“為什么”

測試結(jié)果表明：大部分學生的“實驗探究步驟的設計”水平處于較低的水平層次. 在常規(guī)的物理實驗教學中，很多探究實驗在教材或?qū)嶒瀮灾卸加泻唵尾僮鞑襟E的說明和建議，這可能會導致學生對實驗為何要進行這樣的操作、每步操作的注意事項等內(nèi)容不甚了解，對整個實驗設計的理解不夠深刻. 因此，為培養(yǎng)并發(fā)展學生對整個探究活動的理解，教師需多向?qū)W生提問“為什么”，以此推動學生思考，加深學生對實驗設計的理解.

5.4 拓展學生實驗探究的視野，提升學生的探究型實驗設計能力

測試發(fā)現(xiàn)：大部分(約93%)高一學生的“探究型實驗設計能力”水平處于單點結(jié)構(gòu)水平和多點結(jié)構(gòu)水平，僅有5%的學生處于關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平. 物理探究型實驗教學可以有效提高學生的實驗探究能力. 目前,由于課堂教學具有時間和空間的局限性，因此應引導學生把視野拓寬到生活的方方面面，使其在日常生活中發(fā)現(xiàn)可以探究的問題. 在具體的探究型實驗教學中，教師可引導學生針對問題先嘗試提出初步的實驗設計；在小組學習、相互討論、相互幫助下，進行修改和完善；最終形成較為完善的實驗設計，以此來促進對學生探究型實驗設計能力的培養(yǎng).