用PTA量表评价学生物理实验设计能力的探讨

田春凤 秦晴晴

摘 要：实验设计作为科学探究关键性的一步，关乎整个探究活动的成败。学生实验设计能力的培养既是提高学生科学探究能力的重要方面，又是培養学生创新精神和实践能力的重要内容。本文通过确定实验设计能力的构成要素、明确评价指标体系、形成评价水平、分配权重、量化赋分等一系列环节，制定出物理实验设计能力的PTA量表，为评价学生的物理实验设计能力提供客观、可操作的评价工具。

关键词：科学探究；实验设计能力；PTA量表；评价

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）10-0064-3

实验设计是指实验者根据研究问题或实验目的，在实验操作之前，运用科学知识和原理对实验方案的整体构思和规划，应包括对实验方法、实验装置、实验步骤、结果处理等全部内容的设计。实验探究是科学探究的主要形式之一，实验设计则是探究中承前启后的关键一步，关乎整个探究活动的成败。猜想与假设必须通过实验来检验；论证与结论必须借助实验来提供证据。实验设计能力的培养既关乎科学探究能力的提高，又是培养学生创新精神和实践能力的重要内容。

PTA（即基本要素分析）是一种对学生作业的评分工具，是对科学探究能力评价的主要工具之一。本文通过确定实验设计能力构成要素、明确评价指标体系、形成评价水平、分配权重、量化赋分等一系列环节，制定物理实验设计能力的PTA量表，为评价学生的物理实验设计能力提供客观、可操作的评价工具。

1 确定实验设计能力的构成要素

实验设计能力是指实验者根据研究问题或实验目的，运用科学知识和原理对实验进行整体构思和规划的能力，即能根据要求自主设计出实验方案的能力。

对于实验设计能力的构成要素，因学科特点或研究侧重点的不同而有所差异。例如，刘东方、王磊认为制定计划与设计实验的能力包括确定定性和定量的方法，鉴别各种变量，设计有逻辑顺序的实验步骤和探究的方法，选取合适的实验材料和工具收集证据，采用各种表格、图片及其他思维辅助工具来显示数据等五个构成要素[2]。曹永青认为学生的实验设计能力包括以下几个方面：（1）方案是否能检验假设；（2）是否合理运用科学方法；（3）设计的表述是否清楚[3]。郭金花、吴星、汤亚兰等将实验设计能力分为实验原理、实验计划和方案反思三个一级指标[4]。李琼从明确的实验目的、可靠的理论依据、正确的仪器药品选择、科学的实验步骤、准确的实验现象、合理的实验结论等几个方面界定了生物实验设计能力[5]。2003年由教育部颁布的《普通高中物理课程标准（实验稿）》[6]将科学探究纳入其内容体系，对实验设计能力提出以下三点要求：（1）知道实验目的和已有条件，制定实验方案；（2）尝试选择实验方法及所需要的装置与器材；（3）知道实验的变量及其控制方法。

综上所述，从实验设计的内容来看，一般包括实验目的、实验原理、实验器材及装置、实验步骤、实验结果的处理等内容，将实验设计能力的构成要素确定为：①科学性；②可行性；③实验方案表述的质量。

2 明确评价指标体系

2.1 科学性

科学性是实验设计质量的根本保证，主要从实验原理、实验方法、仪器设计、结果处理等角度考查。即所设计的实验方案必须符合物理学的基本原理，运用科学合理的实验方法达到实验目的，仪器的设计不违背科学原理，应运用科学的方法分析和处理实验结果，保证所得结果与结论客观、真实、有效。因此，实验设计科学性的一级指标包括：实验原理的科学性、方法选择的科学性、仪器设计的科学性和结果处理的科学性四个二级指标。

2.2 可行性

可行性是实验设计能力的核心要素，主要从实验目的、实验仪器、实验的操作及规程等角度考虑。从实验目的的角度，主要考查学生所设计的实验方案是否能很好地实现实验目的，能否检验猜想与假设；从实验仪器的角度，主要考查需要的材料及器材是否经济易得，其组装和调试是否简便可行；从实验的操作及规程角度，主要看所设计的方案是否具有可操作性，流程设计是否合理，便于实施。因此，将实验设计的可行性这个一级指标分为实验目的的可行性、实验仪器的可行性和实验操作的可行性三个二级指标。

2.3 实验方案表述的质量

即便学生能设计出符合科学性和可行性的实验方案，但如果表述不够清晰，也会使得他人无法读懂或理解其实验设计，因此，实验方案表述的质量也是构成实验设计能力的重要因素之一，在一定程度上反映实验设计能力的高低。首先要注意表述的明确性，即用准确的语言、清晰的思路表述自己的实验方案，以便读者能准确理解；其次，也要注意语言的简洁性，不能啰嗦，避免不必要的因素影响读者理解。因此，对于实验方案表述的质量这个一级指标，可将其分成表述的明确性和语言的简洁性两个二级指标。

3 细化二级指标，形成评价水平

为了使量表更具有可操作性，编制的过程要充分考虑每个二级指标的特征和学生的实际，为实验设计能力的二级指标编制若干评价水平来描述每个指标的具体评价标准。例如，对于“实验目的的可行性”，可将其划分为3个评价水平，分别是方案能很好地实现实验目的、方案能基本实现实验目的和方案不能实现实验目的。

4 量化赋分，形成量表

实验设计能力的评价指标，根据其重要性赋予权重。如前述，“实验设计的科学性”是根本，是反映学生实验设计能力高低的重要依据，因此赋予其0.4的权重；“实验设计的可行性”是实验设计能力的核心要素，如果一个方案不具备可行性，即便再科学也是没有用处的，可以说方案的可行性在整个评价体系中起着关键性的作用，因此给予该指标0.45的权重；“实验方案表述的质量”虽然也在一定程度上反映实验设计的质量，但其重要性在这三个指标中是最低的，给予0.15的权重。

至此，物理实验设计能力的PTA量表初步形成（如表1所示）。在山东省某高中试用了该量表调查高一学生物理实验设计能力，结果表明该量表具有较强的可操作性和较高的信度。中学教师在运用该量表时也可根据实际情况进行简单的修改与完善。

5 结 语

PTA量表是评价学生科学探究能力的有效方式之一，其评价指标清晰明确、可操作性强。运用PTA量表可以定量地进行物理实验设计能力的评价，在一定程度上反映出学生实验设计能力的水平，为一线教师转变教学方式，以更有效的教学手段来培养学生的实验设计能力提供客观的依据，从而促进学生实验设计能力及多方面能力的提升。

参考文献：

[1]王磊，胡久华.中学化学实验问题解决心理机制的初步研究[J].化学教育，2000（5）：11-13.

[2]刘东方，王磊.科学探究能力的构成要素——基于国外科学课程文件的分析[J].化学教育，2012（9）：44-49.

[3]曹永青.高中生物理实验探究能力现状测试与分析[D].新乡：河南师范大学硕士学位论文，2014.

[4]郭金花，吴星，汤亚兰.中学生化学实验能力评价实施程序探析[J].现代中小学教育，2005（11）：65-68.

[5]李琼.高中学生生物实验设计能力的调查研究[D].桂林：广西师范大学硕士学位论文，2007.

[6]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（实验）[S].北京：北京师范大学出版社，2003.