高中生解決不同情境物理問題能力的比較研究

梁 曉

（深圳實(shí)驗(yàn)學(xué)校，廣東 深圳 518107）

物理學(xué)科核心素養(yǎng)注重培養(yǎng)學(xué)生的解決實(shí)際問題能力.《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）解讀》中的物理學(xué)科能力是指學(xué)習(xí)者對(duì)體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)的真實(shí)問題情境的適應(yīng)能力，即解決真實(shí)情境問題的能力.評(píng)價(jià)學(xué)生物理問題解決能力就是考查學(xué)生適應(yīng)物理學(xué)科問題情境的能力，即學(xué)生能夠解決何種情境的什么層次的問題.［1］原始物理問題能真實(shí)檢測(cè)和訓(xùn)練學(xué)生解決真實(shí)情境問題的能力，但學(xué)生日常訓(xùn)練的多是模型化的傳統(tǒng)物理習(xí)題.近年來物理高考試題出現(xiàn)了大量以生產(chǎn)生活實(shí)際為背景的情景化物理問題.學(xué)生在不同情境下的物理問題解決能力的表現(xiàn)水平如何呢？本研究試圖從活動(dòng)表現(xiàn)視角，借鑒PISA測(cè)評(píng)中問題解決能力的表現(xiàn)水平的劃分，建構(gòu)物理問題解決能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和表現(xiàn)水平框架，編制不同情境的物理問題，比較學(xué)生在不同情境下的物理問題解決能力.

1 物理問題解決能力的評(píng)價(jià)維度

1.1 基于情境的物理問題解決能力

物理問題解決的一般過程包括物理表述，物理應(yīng)用和反思評(píng)價(jià).這3個(gè)階段并非一個(gè)線性的流程，可能會(huì)交替出現(xiàn)；且物理問題解決的一般過程和問題解決能力不是一一對(duì)應(yīng)的.因此，在評(píng)價(jià)學(xué)生的物理問題解決能力時(shí)，不能套用物理問題解決的過程來評(píng)價(jià)學(xué)生的物理問題解決能力.學(xué)生的心理過程具有內(nèi)隱性，因此只能通過外顯的活動(dòng)表現(xiàn)來判斷學(xué)生的物理問題解決能力.因此對(duì)于學(xué)生物理問題解決能力的評(píng)價(jià)應(yīng)建立在真實(shí)的情境上，且命題設(shè)計(jì)時(shí)從情感教育的目標(biāo)出發(fā)，利用真實(shí)情境和生活實(shí)際應(yīng)用，讓學(xué)生在復(fù)雜的、開放性的真實(shí)情境中運(yùn)用所學(xué)的物理知識(shí)解決問題.［2］

綜合考慮物理問題解決能力評(píng)價(jià)的科學(xué)性和可操作性，參照國內(nèi)外的研究基礎(chǔ)和前面對(duì)物理問題解決能力的分析，［3－6］本研究中物理問題解決能力包括：物理表征能力、學(xué)科問題轉(zhuǎn)化能力、物理知識(shí)應(yīng)用能力、數(shù)學(xué)推導(dǎo)能力，具體涵義如表1所示.

表1 基于情境的物理問題解決能力

1.2 物理問題解決能力的表現(xiàn)水平

本研究借鑒PISA2003和PISA2012問題解決測(cè)評(píng)中對(duì)問題解決能力的表現(xiàn)來描述物理問題解決能力的表現(xiàn)，通過評(píng)估學(xué)生的答案來觀察內(nèi)隱的思維過程.［7，8］根據(jù)“物理表征”“學(xué)科問題轉(zhuǎn)化”“物理知識(shí)應(yīng)用”和“數(shù)學(xué)推導(dǎo)”4個(gè)指標(biāo)的內(nèi)涵，將情境的復(fù)雜程度、知識(shí)和技能、思維方式的綜合程度等劃分為不同的水平（如表2）.每一級(jí)水平都包括了物理問題解決能力的4個(gè)維度，主要表現(xiàn)為學(xué)生在不同情境下應(yīng)用物理概念和方法等解決物理問題的關(guān)鍵特征.

表2 物理問題解決能力表現(xiàn)水平

在實(shí)際操作中，為了更好評(píng)價(jià)學(xué)生物理問題解決能力，本文從整體上評(píng)價(jià)學(xué)生物理問題解決能力的水平，將物理問題解決能力的不同水平分別對(duì)應(yīng)不同的分?jǐn)?shù)，水平3、2、1、0分別對(duì)應(yīng)3、2、1、0分.賦分過程中，由于學(xué)生的回答多樣，當(dāng)學(xué)生的回答處于中間時(shí)，則以較低的水平進(jìn)行賦分.

2 測(cè)試工具開發(fā)與施測(cè)

2.1 測(cè)試題開發(fā)

根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)了3種基于“力與運(yùn)動(dòng)”主題的不同情境的物理問題：情境化物理問題（C）、原始物理問題（Y）和傳統(tǒng)物理習(xí)題（P）.［9－11］情境化物理問題和原始物理問題的情境源于生產(chǎn)生活現(xiàn)象，解答的過程需要學(xué)生設(shè)定一些簡單參數(shù).每份測(cè)試卷中共有6道題，采用交叉設(shè)計(jì)，不同版本測(cè)試卷中的同一序號(hào)的題目情境不同，但所考查的知識(shí)點(diǎn)和解題的過程基本相同，具體分布如表3.

表3 各版本題目分布

為了提高測(cè)試卷的內(nèi)容效度，邀請(qǐng)6名教師對(duì)測(cè)試卷進(jìn)行檢查.建議教師以被試者的身份完成測(cè)試，判斷題目情境的選擇和描述、設(shè)問和題干是否清晰合理等，對(duì)不符合要求的題目進(jìn)行修正后再施測(cè).

2.2 質(zhì)量評(píng)估

在高一年級(jí)4個(gè)班（重點(diǎn)班和平行班各2個(gè)）內(nèi)隨機(jī)發(fā)放3個(gè)版本的測(cè)試卷，限時(shí)60分鐘完成.本次研究共發(fā)放200份測(cè)試卷，回收測(cè)試卷187份，有效問卷169份，含A版本52份，B版本55份，C版本62份.

2.2.1 評(píng)分者信度分析

本研究的測(cè)試題均是主觀題，學(xué)生的分?jǐn)?shù)容易受到評(píng)分者主觀性的影響.因此采用經(jīng)典測(cè)量理論的斯皮爾曼 布朗估計(jì)法計(jì)算評(píng)分者間信度.隨機(jī)抽取30份測(cè)試卷，其中包括A版本10份，B版本10份和C版本10份，由兩名評(píng)分者同時(shí)打分，利用SPSS軟件計(jì)算各題的斯皮爾曼系數(shù)如表4.每道題的斯皮爾曼系數(shù)均在0.01的水平上呈顯著性相關(guān)，說明根據(jù)所制訂評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)賦分，所得到的數(shù)據(jù)一致性和可靠性較好，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的可操作性較強(qiáng).

表4 各題目評(píng)分者信度統(tǒng)計(jì)表

2.2.2 效標(biāo)效度分析

為了驗(yàn)證測(cè)試題的有效性，將學(xué)生本次測(cè)試成績和期末考試成績做相關(guān)分析.學(xué)生本次測(cè)試的成績總分是18分，期末考試成績滿分是100分.將兩者的分?jǐn)?shù)都進(jìn)行歸一化統(tǒng)計(jì)，利用SPSS計(jì)算兩者相關(guān)系數(shù)如表5.結(jié)果表明學(xué)生的3個(gè)版本測(cè)試卷成績均與物理期末考試成績具有顯著性相關(guān)，說明該3個(gè)版本的測(cè)試卷能有效反映學(xué)生解決問題水平.

表5 學(xué)生本次測(cè)試成績與物理期末考試成績的相關(guān)性檢驗(yàn)

3 高中生解決不同情境物理問題能力的比較研究

3.1 樣本學(xué)生的整體表現(xiàn)水平

每個(gè)學(xué)生所做的測(cè)試卷都會(huì)涉及原始物理問題、傳統(tǒng)物理習(xí)題和情境化物理問題各兩道，即每個(gè)學(xué)生的3個(gè)類型題目總分均為6分.按照題目的類型統(tǒng)計(jì)所有學(xué)生在每個(gè)類型問題中的平均分如下表6所示.從表中可看出學(xué)生解決傳統(tǒng)物理習(xí)題（P）的表現(xiàn)最好，解決情境化物理問題（C）中的表現(xiàn)略好，學(xué)生解決原始物理問題（Y）中的表現(xiàn)較差.

表6 學(xué)生在不同情境問題中的平均分

為了從整體上把握學(xué)生群體的總成績分布情況，將所有學(xué)生在各個(gè)題目中的總得分由低到高排列，進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)，不同分?jǐn)?shù)區(qū)間的頻率分布圖如圖1.

圖1 學(xué)生在各類型題目中的成績分布圖

從上圖可看出，學(xué)生解決情境化物理問題（C）和傳統(tǒng)物理習(xí)題（P）的表現(xiàn)相似，呈現(xiàn)右側(cè)高峰.學(xué)生解決原始物理問題（Y）的表現(xiàn)呈現(xiàn)中間高峰.從原始物理問題（Y）到情境化物理問題（C）再到傳統(tǒng)物理習(xí)題（P），成績處于0－2分的學(xué)生比例逐漸降低，成績處于5－6分的學(xué)生比例逐漸升高.可見在原始物理問題中處于中間“轉(zhuǎn)化”狀態(tài)的學(xué)生較多，而這部分學(xué)生在情境化物理問題和傳統(tǒng)物理習(xí)題中可能是以“專家”狀態(tài)出現(xiàn).

3.2 學(xué)生解決不同情境問題的成績相關(guān)性和差異性

為了了解學(xué)生解決不同物理問題的成績的相關(guān)性，利用SPSS計(jì)算的Person系數(shù)對(duì)學(xué)生不同情境下的成績進(jìn)行相關(guān)分析，如表7.結(jié)果表明學(xué)生的原始物理問題成績和情境化物理問題成績呈現(xiàn)弱相關(guān)，且學(xué)生的情境化物理問題成績與傳統(tǒng)物理習(xí)題成績呈現(xiàn)極弱相關(guān)性.

表7 不同情境問題成績的相關(guān)分析表

為了了解學(xué)生在不同情境下物理解決問題能力的差異性，利用SPSS的獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析學(xué)生解決不同情境物理問題的平均分差異，如表8和表9.從表中看出學(xué)生情境化物理問題（C）和原始物理問題（Y）的平均分具有顯著性差異（P＜0.05），說明學(xué)生解決情境化物理問題（C）的表現(xiàn)不能準(zhǔn)確反映其解決原始物理問題（Y）的表現(xiàn)；但學(xué)生的情境化物理問題（C）和傳統(tǒng)物理習(xí)題（P）的平均分差異不顯著（P＞0.05）.

表8 Y類型和C類型的顯著性檢驗(yàn)表

表9 C類型和P類型的顯著性檢驗(yàn)表

3.3 學(xué)生解決不同情境問題的成績

3.3.1 傳統(tǒng)物理習(xí)題與情境化物理問題成績

將169名學(xué)生按照物理期末考試成績從高到低排名，其中排名前30%的學(xué)生為優(yōu)生，排名處于30%－70%的學(xué)生為中等生，排名后30%的學(xué)生為弱生.圖2，圖3，圖4是不同層次學(xué)生的傳統(tǒng)物理習(xí)題（P）和情境化物理問題（C）成績的散點(diǎn)圖；其中橫坐標(biāo)代表該學(xué)生的期末成績排名序號(hào)，縱坐標(biāo)代表學(xué)生解決傳統(tǒng)物理習(xí)題（P）和情境化物理問題（C）的成績.

圖2 優(yōu)生的傳統(tǒng)物理習(xí)題（P）和情境化物理問題（C）成績的散點(diǎn)圖

圖3 中等生的傳統(tǒng)物理習(xí)題（P）和情境化物理問題（C）成績的散點(diǎn)圖

圖4 弱生的傳統(tǒng)物理習(xí)題（P）和情境化物理問題（C）成績的散點(diǎn)圖

從圖2、圖3、圖4中可看出學(xué)生解決傳統(tǒng)物理習(xí)題（P）成績的散點(diǎn)圖和情境化物理問題（C）成績的散點(diǎn)圖的變化趨勢(shì)不同.圖2表明前11%優(yōu)生的傳統(tǒng)物理習(xí)題（P）和情境化物理問題（C）成績的散點(diǎn)圖均較穩(wěn)定，振幅較小，說明這部分學(xué)生的物理問題解決能力的水平很高，能很好解決多種不同情境物理問題.圖3和圖4表明中下層次學(xué)生的傳統(tǒng)物理習(xí)題（P）和情境化物理問題（C）成績較不穩(wěn)定，散點(diǎn)圖變化較大.可見問題情境對(duì)中等偏下成績的學(xué)生解決物理問題的影響較大.

3.3.2 原始物理問題和情境化物理問題成績

圖5，圖6，圖7是不同層次的學(xué)生的原始物理問題（Y）和情境化物理問題（C）成績的散點(diǎn)圖；其中橫坐標(biāo)代表該學(xué)生的期末成績排名序號(hào)，縱坐標(biāo)代表學(xué)生解決原始物理問題（C）和情境化物理問題（C）的成績.

圖5 優(yōu)生的原始物理問題（Y）和情境化物理問題（C）成績的散點(diǎn)圖

圖6 中等生的原始物理問題（Y）和情境化物理問題（C）成績的散點(diǎn)圖

圖7 弱生的原始物理問題（Y）和情境化物理問題（C）成績的散點(diǎn)圖

從圖5、圖6、圖7中可看出學(xué)生的原始物理問題成績（Y）的散點(diǎn)圖和情境化物理問題成績（C）的散點(diǎn)圖的變化趨勢(shì)不同.圖5表明前11%優(yōu)生的傳統(tǒng)物理習(xí)題（P）和情境化物理問題（C）成績的散點(diǎn)圖均較穩(wěn)定，振幅較小，說明這部分學(xué)生的物理問題解決能力的水平很高，能很好解決多種不同情境物理問題.圖6和圖7表明中下層次學(xué)生的傳統(tǒng)物理習(xí)題（P）和情境化物理問題（C）成績較不穩(wěn)定，散點(diǎn)圖變化較大.

4 測(cè)評(píng)結(jié)論與討論

本研究在了解當(dāng)前物理問題解決能力評(píng)價(jià)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，借鑒國內(nèi)外物理問題解決能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和表現(xiàn)水平描述，制訂了物理問題解決能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并編制3種不同情境的物理問題測(cè)量學(xué)生的物理問題解決能力的水平，測(cè)評(píng)結(jié)果討論如下.

（1）學(xué)生解決傳統(tǒng)物理習(xí)題的表現(xiàn)水平最高，且解決情境化物理問題的表現(xiàn)水平比原始物理問題的表現(xiàn)水平高.部分學(xué)生面對(duì)真實(shí)情境的原始物理問題或情境化物理問題感覺無從下手，不能從情境中獲取與問題相關(guān)的信息，轉(zhuǎn)化物理問題，難以摒棄與解題無關(guān)因素的干擾，判斷出真實(shí)情境與哪些物理知識(shí)相關(guān).因此不能很好根據(jù)解題需要假設(shè)相關(guān)變量，正確選擇物理知識(shí)和規(guī)律，建立知識(shí)與問題的聯(lián)系.這也反映學(xué)生的思維遷移能力不強(qiáng)，難以將物理概念和規(guī)律遷移到解決實(shí)際問題中.

（2）成績較好的學(xué)生解決不同情境問題的水平較為穩(wěn)定，中等偏下的學(xué)生解決不同情境問題的水平波動(dòng)較大.可見，問題情境對(duì)優(yōu)生解決物理問題影響較小，對(duì)中等偏下學(xué)生的影響較大.這表明成績較好的學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)完整，在解決各種情境的物理問題時(shí)，能明確解決問題的目標(biāo)，提取有效的信息解決問題.而成績中等偏下的學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解較差，知識(shí)結(jié)構(gòu)零散，對(duì)知識(shí)停留在簡單記憶階段，因此解決各種情境物理問題的能力較差.

（3）學(xué)生解決原始物理問題時(shí)對(duì)問題情境缺乏深入分析.原始物理問題由于未給出解決問題所需的物理變量，學(xué)生在解決原始物理問題的過程中缺乏對(duì)問題情境的深入和全面分析，容易受到題目表面特征（如某個(gè)物理術(shù)語）的影響.通過題目的表面特征映射到特定解決問題的方案，直接套用含有題目已知變量的物理公式或該術(shù)語的公式，并根據(jù)這個(gè)公式所需要的物理量由后往前推進(jìn)而解決問題.

（4）學(xué)生利用草圖思考的水平有待提高.學(xué)生對(duì)問題的理解和表征是一個(gè)整體的思維過程，學(xué)生畫受力分析圖等是在理解題意的基礎(chǔ)上對(duì)物理模型的抽象.傳統(tǒng)的解題教學(xué)使部分學(xué)生形成了“畫圖—套公式—計(jì)算”的固定解題模式.一方面部分學(xué)生由于未能很好理解題目建立錯(cuò)誤的物理模型，所畫的受力圖等不完整.另一方面，部分學(xué)生雖然能從題目提取有效的信息畫出正確的受力圖等，但學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)不深刻且對(duì)概念的理解不透徹，易陷入思維定式.對(duì)他們而言，畫草圖僅僅是一個(gè)做題的“形式工具”，并沒有真正起到輔助解決問題的作用.