物理實驗教學中能力評價體系構建研究

邵凌，袁怡佳，高曉楠，陸佳亮，吉宏俊，夏 萌

（上海交通大學 巴黎卓越工程師學院，上海 200240）

物理實驗在物理教學中一直起著非常重要的作用。一方面是因為物理學從根本上來說，是一門實驗科學，所以很多概念和模型必須在實驗中才能得到更好、更深入的理解。另一方面，從培養學生的角度來講，實驗課是培養學生解決實際問題，或者更具體的說，是培養學生動手能力的絕佳平臺。這一點在上海交通大學（以下簡稱“交大”）巴黎卓越工程師學院是尤其重要的。對學生實踐能力的培養不僅是交大巴黎卓越工程師學院人才培養計劃中不可或缺的一項[1-2]，更是新工科人才培養的重要組成部分。培養面向新時代的工程師人才，優秀的動手能力和對所學知識的深入理解都是必不可少的。這就要求必須對物理實驗的教學予以足夠的重視。

然而，在現階段的物理實驗教學中存在著一些亟需改進的問題。一方面，學生對實驗課程的重視程度不夠，積極性不高，自主性缺失。具體的表現如課前不能很好地完成預習；實驗過程中簡單機械地按照講義上的步驟和要求進行實驗，缺少對實驗內容深入的思考，缺少和實驗指導老師的互動，對很多實驗中的問題不求甚解；另一方面，學生在實驗報告中經常會大段摘抄講義中的實驗原理，最后簡單羅列實驗結果，缺少對實驗的深入分析和討論，甚至為了得到好的實驗結果而篡改實驗數據。

為了解決上述物理實驗教學中存在的問題，計劃嘗試一種新的評價體系，引導學生積極深入地參與到物理實驗中來。在傳統的物理實驗教學中，對學生實驗表現的評價基本是基于實驗報告來完成的。有時，這種評價被簡化為看實驗結果的好壞，甚至是實驗報告的長度。這樣的做法，一方面不能全面地反映學生實驗表現的好壞；另一方面，從某種程度上也等于是變相鼓勵了學生人為“美化”實驗結果的行為。

計劃嘗試的新的評價體系，簡單的說可以概括為8個字：問題導向，能力評價。首先，所謂問題導向就是每次實驗課（或者說每次實驗主題），都有一個明確的、有一定深度的問題需要學生去回答。而實驗報告就是圍繞如何回答這個問題來進行寫作的（即所謂的問題導向型報告），而絕不是步驟和結果的簡單堆砌。而實驗講義的內容，則更類似于一種引導和啟發，而不是一系列明確的指示和必須要完成的步驟。其次，所謂能力評價就是每個學生每次實驗的評價（評分），是由對學生多個方面能力的評價綜合組成的。這些能力包括了4 大項：理解原理、掌握技巧、正確分析和實驗報告。當然每項能力又根據具體實驗主題，細分成若干子項。對于這兩點的詳細解釋，將在下一部分研究的具體內容里，結合一個具體的實例來展開。

交大巴黎卓越工程師學院進行的物理實驗教學的改進研究，一定程度上受到了本院外籍預科教師的啟發和支持。上海交通大學巴黎卓越工程師學院作為一個中法合作辦學的單位，匯集了很多由法國教育體系培養出來的年青預科教師。在和其合作進行物理實驗教學的過程中，了解到了在一些法國學校實驗教學中使用的一套能力評價體系[3]，而這一體系可能會對解決前文提到的問題有很大的幫助。在深入了解了他們的方法之后，再結合國內物理教學中的具體情況，就誕生了我們計劃嘗試的“物理實驗教學中能力評價體系”。

這一評價體系，一方面，通過在實驗中設置一個明確的問題和對學生多方面的能力進行綜合評價，來激勵學生思考、分析、討論，以提高學生的積極性、自主性和動手能力。另一方面，整個過程仿佛是一個小型的項目。從提出問題開始（當然這一步是老師給出的），然后分析問題，提出實驗方案，進行實驗，得出結果，分析結果，討論結果，最后得出結論，解決問題。通過這一過程，可以讓“未來的工程師們”從“小”項目出發，一步一步學會未來做“大”項目的基礎知識和基本技巧[4]。

一 能力評價體系的介紹

本次研究的對象是上海交通大學巴黎卓越工程師學院本科二年級的學生。交大巴黎卓越工程師學院的物理實驗課從大一下半學期開始，因此大二的學生已經有一個學期的實驗課經歷，方便進行此次物理實驗教學改進的嘗試。前面已經提到，計劃嘗試的新的評價體系可以簡單概括為：問題導向，能力評價。下面以一次具體的物理實驗課為例，來論述物理實驗教學中能力評價體系的基本思路和具體的研究方法。這次物理實驗課的主題為“RLC 振蕩電路的共振現象”（簡稱RLC 電路實驗）。這是本科二年級與電子電路課程相關的一次實驗課。

在實驗課開始的一周前通過電子郵件給學生發送實驗講義，并要求學生在實驗課開始之前認真閱讀講義，做好預習工作。實驗講義主要包括3 個方面的內容：實驗問題、實驗內容、能力評價表（包含細節評分項）。下面對這3 點一一詳細解釋。

首先，實驗問題就是所謂的“問題導向”中的問題。以RLC 電路實驗為例，由老師給出實驗問題：“RLC 振蕩電路中，電阻R 的值如何影響共振曲線的特征。”也就是說，整個實驗過程和后續的實驗報告都是圍繞這個問題展開的。

其次，實驗內容由一系列和本實驗相關的問題或是建議組成。和傳統的實驗講義對比，我們的實驗講義內容與其說是一系列要求學生完成的實驗操作，不如說是一系列對學生的引導與啟發。仍以RLC 電路實驗為例，由于提出的實驗問題和共振曲線有關，講義一開始就引導學生在實驗室條件范圍內，合理地選擇電阻、電容、電感，使得電路的共振頻率落在一個“合理”的范圍內。至于何為“合理”，需要學生結合課上所學的物理基礎知識，在實驗條件范圍內給出解答。當然這種解答并不唯一，需要老師協助進行把關并評分。

最后，能力評價表是整個能力評價體系的核心。之前提到過，所謂能力評價就是每個學生每次實驗的評價（評分），是由對學生多個方面能力的評價綜合組成的。能力評價表分為4 大項：理解原理、掌握技巧、正確分析和實驗報告。每大項又根據具體的實驗主題，細分成若干子項。下面結合RLC 電路實驗對每一大項進行詳細解釋。

1）理解原理：旨在考查學生對實驗原理掌握的能力。實驗開始后，教師會對每組學生提問實驗原理，并根據回答情況評分（交大巴黎卓越工程師學院的實驗課以小組為單位進行，每小組人數通常為2 人）。以RLC 電路實驗為例，此大項下只設置一個子項：“什么是RLC電路的共振？”如果學生能夠正確回答則得1 分，否則不得分。需要注意的是，在整個評分表中采用是非評分法。即符合要求得1 分，否則不得分，沒有中間狀態。

2）掌握技巧：旨在考查學生正確使用實驗儀器的能力。教師通過觀察學生在實驗過程中的操作來評分。以RLC 電路實驗為例，此大項下包含5 個子項，分別為“RLC 電路是否正確連接”“示波器是否正確觸發”“X-Y模式是否正確使用”“高精度電壓表是否正確使用”和“是否遵守實驗室安全規則”。

3）正確分析：旨在考查學生如下的幾項能力。能否正確選擇實驗參數、實驗方法或實驗流程；能否對實驗結果的合理性進行簡單的估計；能否正確理解實驗結果和意義。此大項的評分一部分在實驗中完成，一部分在實驗后根據學生上交的報告完成。以RLC 電路實驗為例，此大項下包含4 個子項，分別為“為本次實驗設計出合理的流程”（實驗中評分）、“電阻電容電感值的選取是否合理”（實驗中評分）、“測量的共振頻率與理論值是否相符”（因為需要計算實驗誤差，此項根據實驗報告評分）和“合理選取頻率點進行共振曲線測量”（實驗中評分）。

4）實驗報告：旨在考查學生實驗報告寫作的能力。對于一個工程師而言，科學寫作的能力是必不可少的。書寫整潔，格式規范，語言清晰準確扼要，邏輯結構合理是一份科學報告的基本要求，也是對于學生問題導向型實驗報告的基本要求。以RLC 電路實驗為例，此大項下可以包含5～8 個子項。比如“不超過A4 紙正反面的篇幅”（簡明扼要是科學寫作的基本要求）、“報告中所有的插圖是否都注明了圖名、橫縱軸、圖例和單位”“正確繪制至少2 張共振曲線”“正確得出結論”等。

最后，實驗任課教師綜合以上4 大項，多達近20 個小項來綜合評價（評分）學生此次實驗的表現。這種能力評價體系可以達到以下幾個方面的目標。

1）提高學生的興趣和自主性：由于實驗采用問題導向的設計，這就能夠激勵學生開動腦筋，參與到實驗流程的設計中去，積極思考如何講好這個“故事”，不再是機械地按照書上的指示一步一步做下去，從而提高學生參與實驗的興趣。而每次實驗開始時對于實驗原理的提問，就要求學生必須認真預習，從而提高學生的自主性，也就是獨立工作的能力。

2）激勵學生深入思考：問題導向的實驗設計也能激勵學生對于在實驗中遇到的實際問題進行深入思考，提高了學生解決實際問題的能力。

3）提高學生溝通的能力：實驗過程中的評分大部分需要和老師進行大量的溝通，這就鍛煉了學生的語言表達能力和與人溝通的能力。

4）學會書寫科學報告：對學生實驗報告的要求完全基于科學寫作的基本要求（整潔、規范、清晰、扼要及條理），這就能逐漸讓學生學會如何書寫合格的科學報告。

二 研究的方法與結果

此次教學研究共持續了3 個學期。研究課程為二年級物理實驗，其中包括了電學、熱學、光學和力學等諸多類型的物理實驗。研究對象分別為2019 年秋季學期的18 級本科生、2020 年秋季學期的19 級本科生和2021 年春季學期的19 級本科生。2020 年春季學期由于受新冠肺炎疫情的影響，教學活動轉為線上，故而無法進行物理實驗的課程。

在這3 個學期時間里，完成物理實驗共計35 次，其中使用如前所述的“能力評價體系”對學生進行評分和考核的共計12 次，占總實驗次數的約1/3。之所以沒有選擇在所有實驗課上采用“能力評價體系”，而只選取其中一部分實驗課進行嘗試，主要的原因有兩點。首先，通過對比使用“能力評價體系”的實驗課和不使用“能力評價體系”的實驗課中學生表現的差異，可以幫助了解到“能力評價體系”對于物理實驗教學的作用。更為具體地說，通過對比預習情況，實驗中提問次數和實驗報告中誤差分析的正確率，能夠清晰地了解到使用“能力評價體系”對于學生在物理實驗課前、課中和課后表現的影響。其次，在“能力評價體系”中，課后的物理實驗報告是不可或缺的一環。如前所述，實驗報告絕不是實驗結果的簡單堆砌，而是問題導向型的。因此，對學生報告書寫的格式、內容和邏輯的要求是比較高的。如果每次實驗課都要求學生書寫這樣的報告，就會給學生增加太多的負擔，綜合平衡的結果就是使用“能力評價體系”的實驗課占1/3，學生平均3 周左右完成一次要求比較高的報告。

如前所述，主要在3 個方面對比了使用“能力評價體系”與否的物理實驗課程中學生的學習效果，這3 個方面分別如下。

1 課前的預習情況

在物理實驗課開始后，首先由任課教師使用幻燈片簡單介紹本次實驗的主要內容，之后隨機抽取學生進行提問，以檢查學生的課前預習情況。由于每次實驗課的時間和理論課程相同，都是1 小時40 分鐘，對于完成一個實驗而言，這個時間是有些緊張的。因此，學生必須在課前充分預習，才能有條不紊地進行實驗。通過統計隨機提問學生回答的正確率，可以很好地知道學生是否認真進行了課前預習。

2 課中的參與情況

在物理實驗課進行過程中，學生一定會遇到各種各樣的問題。這些問題可以是關于實驗設計的，可以是關于實驗原理的，可以是關于技術細節的，可以是關于實驗儀器本身的，甚至可以是學生自己關于實驗的獨立的想法。通過統計學生在實驗課過程中的提問次數，可以在一定程度上反映學生參與實驗的積極性及思考問題的主觀能動性。

3 課后的實驗報告的完成情況

在物理實驗課結束后，無論這次實驗課是否使用能力評價體系，都要求學生書寫實驗報告。如果實驗課沒有使用能力評價體系，則學生僅需簡單羅列實驗步驟和實驗結果即可；如果實驗課使用了能力評價體系，則如前所述，學生需要書寫問題導向型報告。但是無論是哪一種報告，對于實驗結果的誤差分析都是非常重要的一部分。對于誤差的計算和分析，從物理實驗的角度來看，幾乎可以說和實驗的測量結果同樣重要，而這也恰恰是學生容易忽略和輕視的。因此，通過統計學生在實驗報告中誤差分析方法和結果的正確率，可以在一定程度上反映報告的質量以及學生對待實驗報告的認真程度。

以上3 點分別對應1 次物理實驗前、中、后的3 個部分。統計的數據繪圖如圖1—圖3 所示。

通過圖1、圖2 和圖3 的統計數據可以看出，學生在使用了能力評價體系的物理實驗課上的表現，無論是課前、課中，還是課后，都要優于未使用能力評價體系的物理實驗課。

圖1 實驗預習效果比較

圖2 實驗積極性比較

圖3 實驗結果處理比較

三 結束語

此次研究著眼于嘗試解決現階段物理實驗教學中普遍存在的問題。總結起來主要是學生普遍重理論而輕實驗；在實驗中缺少積極性、自主性，缺少獨立思考；實驗報告普遍質量不高。提出了一種可供嘗試的解決方案，即在物理實驗教學中引入新的評價體系或者說評價方法。把這種新的評價體系稱之為“能力評價體系”，其核心包括2 部分：問題導向、能力評價。前者著力于激發學生的積極性和自主性，而后者著力于通過引入多維度的評價方法，促使學生能夠重視實驗課程的學習，重視實驗報告的寫作，以達到讓學生從大學學習的開始階段就開始鍛煉自己學術寫作能力的目的，為將來本科畢業論文乃至研究生階段論文的寫作打下良好的基礎。

在此次研究中，使用了3 個指標來量化學生在物理實驗課程中的表現：實驗前隨機提問回答正確率，實驗中提問次數，實驗報告誤差分析的正確率。這3 個指標，很好地對標了我們想要嘗試解決的實驗教學中存在的問題，即態度問題、積極性問題、報告質量問題。因而可以很好地反映所引入的能力評價體系的有效性。最終，通過這3 個有代表性的指標，對比使用和不使用能力評價體系的物理實驗課中學生的表現，可以看出，學生的表現有了明顯的提高。

相比較一般的理論課程，實驗課程中學生的表現是更為多元化的。具體來說，如果要評價學生某個理論知識點的掌握情況，可以通過有針對性的測試或者問卷來達到目的。而如果要評價學生的實驗能力，卻不太可能通過簡單的測試或問卷來達到目的。因此這就要求在實驗課程的評價體系中引入對于學生實驗操作技巧的評價。實驗課指導老師通過觀察學生某個實驗步驟完成的正確性或是某個實驗技巧的掌握與否來決定是否給分。

同時，物理實驗報告不應該是實驗結果的簡答堆砌。而應該從本科低年級一開始就培養學生科學寫作的能力，即提出問題、設計實驗、實驗步驟、實驗結果和數據分析，最后討論結果，得出結論。因此，在物理實驗能力評價體系中，實驗報告的評價也占據了重要的地位。我們不但要考核學生實驗結果的正確性，更要考核學生實驗報告的結構性、邏輯性和清晰性。

由于本科階段物理教學中物理實驗課程的普遍存在性，本項目中嘗試的能力評價體系可以在考慮不同院系具體情況的前提下進行推廣試驗。一方面幫助提高物理實驗課程的有效性，另一方面也可以幫助提高學生對于實驗課程的興趣乃至對于理工科課程的興趣。

此次研究的不足之處主要在于用于檢驗項目有效性的評價指標相對較少。如前所述，本項目主要使用了3 個有代表性的指標分別用于檢驗新評價體系對于學生在實驗課前、課中和課后的表現。是否可以尋找出更多的有價值的指標去檢驗衡量新評價體系的有效性，是一個值得思考的問題。另外，如前所述，在本次研究中，使用能力評價體系的實驗課的占比為1/3。那么，在不過多增加學生負擔的情況下，如何平衡使用能力評價體系的實驗課的數量，也是一個值得思考的問題。