高中生物理實驗數據分析能力評價體系的建構

李佳泓,胡安琦李賀文,李春密

(北京師范大學 物理學系，北京 100875)

數據與我們的日常生活息息相關，尤其在大數據時代，人們需要掌握處理數據、將數據轉化為有效信息、把數據及信息與生活實際聯系起來的方法，從而對客觀事物產生清晰的認知. 物理學是人類在探索自然現象及其規律過程中形成的以實驗為基礎的自然科學[1]. 因此，實驗數據處理能力和分析能力對學習與發展物理學至關重要. 高中生處理和分析實驗數據時，要根據實驗原理、要求以及限制條件，對實驗現象進行理性分析，運用學過的物理知識和相關數學方法(例如解析法、圖像法、列表法等)得出合理的結論[2]. 建構適用于高中生的物理實驗數據分析能力的評價體系，對高中生的相關能力進行評價和分析，可以發現高中生的普遍問題或個別問題，為一線教師開展教學設計提供科學依據.

本文建構的高中生物理實驗數據分析能力評價體系，是以普通高中物理課程標準中的物理學科核心素養為起點，以Pols等人的物理實驗數據分析能力體系框架為基礎[3]，結合我國高中生物理實驗相關學習的實際情況與實際需要，建構出一級指標與二級指標，該評價體系具有科學性、導向性、可操作性等特點.

1 高中生實驗數據分析能力評價體系的建構

1.1 核心概念的界定

文獻[4]將數據分析能力分為：認識、收集、整理、表述、探究，共5個方面. 而本評價體系的建構方向致力于評價學生整理、分析數據的能力，以及從數據中抽取對研究問題有用的信息進而作出判斷的能力. 物理實驗數據分析能力要求學生在進行物理實驗的過程中，能夠靈活改變實驗數據的表征形式，運用圖表、計算公式等數據分析方法，得到與實驗探究目的相關的信息，并結合已有物理知識和生活實際，對實驗數據進行分析和解釋. 在《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》中，物理學科核心素養主要由物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任4方面構成[5]，其中“科學探究”中提到“獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思”與實驗數據分析能力密不可分.

1.2 體系的建構原則

該評價體系應用對象為高中生，旨在對高中生的物理實驗數據分析能力進行等級劃分，評判高中生在相關能力方面的優勢與不足，為一線教師開展教育教學工作提供幫助，為提升高中生的物理實驗數據分析能力提供指導方向. 本體系在建構過程中遵循下列原則：

1)科學性原則

評價體系應該遵循物理學科核心素養的思想，有合適的理論基礎，適合中國的教育環境，包含高中生實驗數據分析能力的主要要素，經一線教師和專家評判，認定其具有合理性和科學性.

2)客觀性原則

評價體系需要反映出被測學生的客觀情況，得到學生真實能力的情況，不能被教學者、評價者的主觀意愿所影響. 這就需要評價體系避開評價者和被測學生的興趣愛好、價值觀念等的影響. 客觀性是教學評價能否發揮其功能的基礎，違反客觀性原則就會失去評價的意義[6].

3)指導性原則

評價體系應在指出師生長處和不足的基礎上提出建設性意見，以便師生揚長避短，不斷前進[6]. 另外，評價體系還需要能夠具體指出教師在教學方面和學生在學習過程中存在的優勢和不足，為師生提供指導性的改進方向和建議.

4)整體性原則

評價體系反映出的各項能力水平、優勢與不足均體現在學生個體上. 從教學角度理解，評價體系的各項維度和指標是個整體，能夠共同反映學生的能力情況;從學生角度理解，要體現以人為本的教育觀，不能將能力維度與學生割裂開.

5)實用性原則

評價體系要切實可行，具有可操作性，能夠幫助教育工作者判斷學生的能力情況，是教師進行教育教學研究的實用工具. 實用性是評價體系能夠不斷發展的基礎，是評價體系建立的最初目的.

1.3 體系的建構思路

1.3.1 體系指標劃分

將物理學科核心素養科學探究中的“獲取和處理信息”能力應用到高中生的物理實驗數據處理過程中，可以得到具體的能力內涵：“獲取信息”的內涵是學生對現有數據的處理能力，包括理解數據的基本信息，能夠將數據可視化，建立正確的趨勢線，等等；“處理信息”的內涵是學生從已有的數據和圖表中進一步獲取有效信息的能力，包括描述數據的趨勢，理解趨勢的物理含義，比較數據之間的區別，歸納出可以描述數據的公式等能力.

核心素養中的“對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思”，其內涵是學生基于已有的物理知識，將實驗數據、已有的實驗圖表、公式或實驗結論與生活實際相結合進行理解，指出結論的限制性，理解數據的含義并舉出實際應用場景等能力.

上述高中生實驗數據分析能力，具有實際應用場景與應用價值，以物理學科核心素養為出發點，與高中生的物理實驗學習實際需要相結合. 根據高中生物理實驗的過程順序，其實驗數據分析能力可以被分類、概述和總結，繼而建構為具有條理、層級分明、體現核心素養、對高中生物理實驗有實際價值的能力維度體系.

1.3.2 體系指標的水平層級劃分

高中生物理實驗數據分析能力評價體系指標的水平層級劃分是基于物理學科核心素養的水平劃分，結合高中生物理實驗數據分析能力評價體系的一級指標和二級指標，總結出每個水平層級的能力要求，匯總得到以物理學科核心素養為培養目標、在高中物理實驗教學領域具有實際運用價值、可行性強的高中生物理實驗數據分析能力評價體系指標的水平層級劃分.

在《普通高中物理課程標準(2017年版，2020年修訂)》的“科學探究”水平劃分中，水平5的部分表述為：“能用多種方法分析數據，發現規律，形成合理的結論，用已有的物理知識進行科學解釋；……交流、反思科學探究過程與結果.”[5]，水平5的內容在高中生物理實驗數據分析能力方面的內涵為：能夠運用已有的物理知識和數學知識將數據可視化；能夠深入理解實驗，總結出深入、全面的物理定性、定量結論；能夠全面、具體地指出結論成立的局限性，科學地推測出實驗誤差的主要來源，并提出合理、有效、可行的減小誤差的方法，等等. 依照類似研究方法，可以得到其余能力水平的水平層級劃分細則.

2 高中生實驗數據分析能力評價體系

2.1 評價體系的一級指標與二級指標

以普通高中物理課程標準中的物理學科核心素養為起點，以Pols等人的物理實驗數據分析能力體系框架為基礎[3]，結合我國高中生物理實驗學習的實際情況與實際需要，建構出一級指標與二級指標，如表1所示.

表1 高中生物理實驗數據分析能力指標

2.2 評價體系一級指標的內容及其內在關系

表1確立了高中生物理實驗數據分析能力評價體系的3個一級指標.

1)對現有數據進行處理的能力. 要求學生對從實驗過程中獲取的原始數據，根據實驗的物理情境選擇原始數據，并且運用相關數學知識將數據轉化為表格、圖像、公式等，即數據可視化. 數據可視化能夠更加直觀地獲取與實驗探究目的相關的信息. 這項指標對學生的數學能力、繪圖能力、物理思維有較高要求.

2)從數據中進一步獲取有效信息的能力. 要求學生在處理完實驗原始數據的基礎上，根據物理情境和已學的物理知識進一步獲取有效信息. 其中“有效信息”是指從物理實驗情境中提取出的具體結論，包括但不限于：數據和趨勢的主要特征，數據趨勢的物理含義，多組數據之間的相似性和差異性，估計所需的物理量，等等. 這項指標要求學生能夠熟練應用數據處理軟件(如Excel等)，給出相應的實驗結論.

3)基于已有的物理知識，將數據與實際相結合進行理解的能力. 要求學生在處理完實驗原始數據，根據物理實驗情境給出具體結論的基礎上，考慮物理實驗情境背后隱含的客觀條件，指出上述實驗結論的局限性，列舉符合實驗數據性質的具體應用. 學生在進行物理實驗的過程中容易忽略實驗結論的局限性和結論成立的限制條件，這項指標要求學生能夠在分析整個實驗的過程中結合實際，并且能夠將物理實驗研究成果應用到實踐中.

評價體系的3個一級指標密不可分，在高中生物理實驗數據分析能力評價中發揮著不可替代的作用：對現有數據進行處理的能力是物理實驗數據分析的基礎，是其他指標的前提條件；從數據中進一步獲取有效信息的能力是物理實驗數據分析的核心，也是學生能否得出有效實驗結論的直觀體現；基于已有的物理知識，將數據與實際相結合進行理解的能力則是貫穿于物理實驗數據分析的始終，學生需始終將理論與實際相結合，才能保證實驗結論科學、準確，并將物理成果應用于生活. 這3個一級指標的邏輯順序與物理實驗思維相匹配，貫穿高中生物理實驗過程始末.

2.3 評價體系的二級指標的內容及其內在關系

1-1(代指第1個一級指標中的第1個二級指標，即“理解數據的基本信息，并將數據可視化”，下同)是指學生能夠清楚地理解實驗探究目標與所測得實驗數據之間的關系，理解不同變量之間的關系，知悉將數據可視化的規范.例如，在普通高中物理必修1中的“探究彈簧彈力與形變量的關系”實驗[7]，測得的數據是彈簧的長度l與對應彈簧受到的彈力F，為了達到實驗探究目標，應該將數據中彈簧的長度l轉換為彈簧的伸長量Δl；將數據可視化的規范包括：在圖中，將自變量賦予x軸，因變量賦予y軸，在x軸和y軸上標記正確的物理量名稱(或者符號)和相應合適的單位，繪制數據點和比例尺；當存在多組實驗數據時，添加圖例加以區分；選擇合適的坐標軸刻度和取值范圍.

1-2是指學生能夠根據已有的實驗數據點，繪制恰當的趨勢線，使其能夠反映實驗數據的變化趨勢和真實的物理情境，理解趨勢線與描點連線的區別. 另外，學生還需要考慮圖像的原點是否為數據中的一部分，考慮趨勢線的形式是直線還是曲線，并且讓所繪制的趨勢線盡可能接近數據點.

2-1是指學生在基本繪制數據圖像和趨勢線的基礎上，定性地總結數據和趨勢線的主要特征，結合實驗物理情境理解趨勢線所代表的物理含義，并且盡可能全面地總結出特征，根據這些特征可以重現出大致的物理圖像.

2-2是指學生除了能夠定性描述單組實驗數據的主要特征之外，在面對多組實驗數據時，能夠給出不同組數據之間在趨勢形狀、限制范圍、突變點等方面的相似性和差異性，這項指標對學生將不同組數據進行對比、類比的能力有較高要求.

2-3是指學生能夠在已獲取的實驗數據基礎上，利用已學的物理和數學知識，選取合適的公式對實驗數據進行擬合，能夠靈活運用內插法或外推法估計所需物理量的值. 這項指標要求學生掌握常用的數據處理方法，熟練應用數據處理軟件(如Excel等).

3-1是指學生在處理完實驗原始數據，根據物理實驗情境給出具體結論的基礎上，能夠考慮物理實驗情境背后隱含的客觀條件，指出上述實驗結論的局限性；能夠說明數據的準確程度；能夠科學地分析實驗誤差，結合實際用已有物理知識進行科學解釋. 例如，在普通高中物理必修1“探究加速度與力、質量的關系”實驗[7]中，通過改變槽碼的個數改變小車所受的拉力. 小車所受的拉力與槽碼所受的重力近似相等，限制條件為槽碼的質量要遠小于小車的質量，若不滿足該限制條件，所得到的實驗數據結果將與預期結果出現偏差.

3-2是指學生在處理完實驗原始數據，根據物理實驗情境給出相應的具體結論，以及全面交流、反思實驗探究過程與交流的基礎上，依據自身的科學態度與責任，將物理實驗研究成果應用到實踐中，可以有效地指導工作和生活實踐等.例如，在普通高中物理必修1“探究彈簧彈力與形變量的關系”實驗[7]中，當學生處理完實驗數據，發現彈簧受到的彈力F與彈簧的伸長量Δl線性相關的規律后，學生可以利用該規律(胡克定律)制作符合實際要求的彈簧測力計，為其他需要測量力的探究實驗提供設計思路.

以上所有的二級指標是從3個一級指標細化、拓展延伸而得到，二級指標之間也存在著密不可分的關系：1-1是物理實驗數據分析的初始步驟，是后續其他指標的基礎；1-2是物理實驗數據分析的重要途徑，是物理實驗數據主要特征的直觀體現；2-1和2-3是物理實驗數據分析的關鍵，從中可以分別得到實驗的定性結論和定量結論；2-2要求學生分析并理解多組實驗數據在各指標上的表現，再進行對比和類比，這也對學生理解上述二級指標的能力提出了更高要求；3-1體現了物理實驗數據分析的科學思維，學生只有具備批判性的科學思維，才能夠深入掌握實驗探究內容的來龍去脈；3-2要求將數據分析與物理實際相結合，是各項指標的高度深化.

2.4 評價體系指標的水平層級劃分

評價高中生的物理實驗數據分析能力，全面、直觀地展示學生的物理實驗數據分析能力水平，需要結合上述提出的一級指標和二級指標框架劃分評價體系指標的水平層級.

參考李克特量表法[8]，將高中生物理實驗數據分析能力的水平劃分為五級，如表2所示.

表2 高中生物理實驗數據分析能力的水平層級劃分

續表

表2所示為高中生物理實驗數據能力水平進行劃分，賦予評價體系各項指標以實際的水平層級劃分標準. 實際應用中可將水平層級中的每一項抽離出來，制定一級指標和二級指標水平量表，實行單一指標水平的對比與評價.

3 評價體系的實證檢驗及應用

3.1 評價體系的實證檢驗

為了解一線物理教師對此體系的認同程度，使用問卷法征集了安徽省、吉林省、福建省各1所中學共31位一線物理教師對上述評價體系的評判，5分表示“非常重要”，1分表示“不重要”，以此類推. 問卷收集結果如表3所示.

表3 一線物理教師對體系二級指標的評價均分

所有二級指標的平均得分均高于4分，說明31位一線教師認為該評價體系的所有指標均具有較高的重要程度.

3.2 評價體系的應用

本評價體系在實際應用階段，各選取安徽省、吉林省、福建省中的1所中學中的高二、高三班級(共計369位高中生)作為被試對象，綜合運用發放試題、一對一訪談等方法，對學生進行了物理實驗數據分析能力的測試. 本次測試中，學生在各指標上的表現總體呈現高斯分布，并且通過T檢驗法驗證了本次測試有著良好的區分度. 具體測試結果如表4所示.

表4 中學生在各二級指標上的平均表現水平

從測試結果可以看出，高二、高三學生的物理實驗數據分析能力未表現出明顯差異. 學生在1-2和3-2的指標上表現較差，平均處于水平2，表明在該方面教師需指導學生夯實基礎，包括增加對圖表規范的教學，注重引導學生聯系實際應用，等等；學生在2-2和2-3的指標上表現中等，平均表現處于水平3，提示授課教師應當增加比較數據、內推法和外推法的練習，并在原理上引領學生進一步思考探究；學生在1-1,2-1和3-1的指標上表現較好，平均表現處于水平4，教師可以考慮在該方面引導學生進行強化提升. 基于評價體系和測試結果，我們也與各班級的授課教師進行了溝通和交流，并根據測試結果對班級的物理實驗教學提出了具體可行的意見，收到了良好的反饋.

4 結束語

本文從物理學科核心素養出發，分析明確了高中生物理實驗數據分析過程中的核心概念和評價體系的建構原則；結合高中生物理實驗數據分析的實際過程，提出了高中生物理實驗數據分析能力的評價體系，包括3個一級指標和7個二級子指標；基于物理學科核心素養的水平劃分，結合3個一級指標和7個二級指標，制定出了該評價體系相應的水平層級劃分細則. 建構完成后，該評價體系經過高中一線教師的評議與實際應用，反饋良好. 未來計劃持續追蹤被試班級，與學生、教師進一步接觸，探究評價體系在實際教學中的深度應用.