南澳洲SAM课程物理实验教学表现性评价的探析与启示——以“衍射光栅”实验为例

蔡卫东

(江苏省前黄高级中学，江苏 常州 213161)

物理学是一门以实验为基础的自然科学.物理实验是中学物理课程标准规定的重要教学内容，是培养学生物理核心素养的重要途径.在传统的实验教学评价中，我们主要是采用单一的纸笔测试的评价方式，着重考察学生对实验知识和技能的掌握情况、对实验方法和实验过程中有关问题的理论分析，而忽视对学生动手操作能力和解决实际问题能力的考察，尤其是未能对学生物理核心素养的发展水平进行直接的评价.因此，如何改进高中物理实验教学评价方式，充分发挥评价的诊断和激励功能，促进物理核心素养的评价在实验教学中落地生根，应是当前中学物理实验教学面临的重要而又亟待解决的问题.

我校与南澳洲高考局合作开办的SAM(“South Australia Matriculation”的简称)课程(即南澳洲大学预科课程)已经十分成熟，经过深入考察和调研，笔者发现南澳洲在中学物理课程建设和教学过程中已形成了非常完善的学业评价体系.南澳洲的物理实验教学评价已经走在了国际的前列.不仅关注对学生历次实验操作的评价，更重视对学生每次实验过程的分水平级的表现性评价.[1]下面以SAM课程的“衍射光栅”实验为例，研究南澳洲中学物理实验教学是如何通过平时学生的实验操作评估学生实验能力水平的，以期给我国中学物理实验教学评价改革提供一些参考和启示.

1 SAM课程“衍射光栅”实验简介

南澳洲SAM课程十分重视学生物理实验能力的培养，在物理教学中每学年至少安排4次学生分组实验，每次学生实验操作安排2课时，撰写实验报告并交流汇报安排3～5课时.SAM课程的实验考核主要分散在平时，学生每做一次分组实验，教师就对学生进行一次考核，“衍射光栅”实验是SAM课程实验操作考核内容之一.

1.1 实验目的

用激光器及光栅来测定光栅常量，即光栅相邻两狭缝之间的距离，并观测光栅衍射条纹的图像.

1.2 实验原理

图1 衍射光栅原理图

如图1所示，平行单色光垂直入射衍射光栅AB时，从光栅狭缝发出衍射光BP，其衍射角为θ；线段AC垂直于BP，BC就是从相邻两狭缝A与B分别发出的衍射角为θ的衍射光的光程差，该光程差为

BC=d·sinθ.

当光程差等于波长的整数倍时，从各狭缝发出的衍射光互相加强，可得

dsinθ=mλ.

上式称为光栅公式，式中d是光栅上两相邻狭缝中心间的距离，即光栅常量.θ角是m级条纹的衍射角度，λ是所用激光波长，m是亮条纹的级数，取0、1、2、3……等值.当m=0时，θ=0，对应的是最亮的中央亮条纹；m=1时，对应的是第一级亮条纹，其余依次类推.在实验中，如果光波波长λ已知，那么只要测出θ的值，就可以根据光栅公式得出光栅常量d.

1.3 实验仪器

氦氖激光器，衍射光栅，光栅夹架，电源，白纸，毫米刻度尺，偏光眼镜.

1.4 实验步骤

(1) 学生戴上偏光眼镜，按图2所示安装实验仪器.

图2 衍射光栅实验装置图

(2) 将激光器垂直于墙面放置，白纸平整的粘贴于墙面上，衍射光栅垂直放置于激光器之前，距离墙1～2 m远.

(3) 调整仪器，直至墙面出现激光的衍射图像.

(4) 确定中央亮纹，并依次标出1级、2级、3级…等亮条纹的位置.

(5) 测量光栅与墙面的距离x，以及1级、2级、3级等亮条纹对应的y值，并将数据记入表格.

(6) 查找资料，得到所用光源的波长λ.

1.5 实验结果

按类似于表1的方式记录实验数据.并根据公式dsinθ=mλ，计算各种光栅的光栅常量d，并取平均值.

表1 SAM课程衍射光栅实验数据记录表

2 SAM课程“衍射光栅”实验的考核任务

SAM课程实验操作考核分成两类，一类是指定性实验，由教师给出具体的实验原理、器材和方案，学生只要按照操作程序完成实验任务即可.主要考查学生实验操作、收集记录信息、分析处理数据、解释实验结果并得出结论的能力.另一类是设计性实验，由学生以小组为单位自主选择实验课题、查阅资料、设计方案、开展研究、得出结论并交流对相关概念和原理的理解.这类实验是对学生实验探究能力的全面和深入的考查.

“衍射光栅”实验可以安排为指定性考核实验，也可以安排为设计性考核实验，具体由任教教师根据课程纲要而定.一般每学年只安排一次设计性考核实验.本文介绍的实验属于设计性考核实验，其考核的具体任务如下.

2.1 实验设计

要求学生清楚地陈述实验目的和需要检验的假设；撰写出150个字左右的实验背景介绍，内容包括衍射的物理原理及相关概念、必要的方程式及其中各个量的物理意义，以及衍射光栅的应用；确定实验研究中的自变量和因变量；根据提供的材料和设备清单，选择有关实验器材，画出或记录仪器设备的安装图；写出实验器材清单、实验方案及实验操作程序；明确实验风险、安全隐患和应采取的防范措施.

2.2 实验操作

要求学生遵循安全操作规则，规范合理的使用仪器，在正式实验操作前应预先测试实验程序，并进行效果评估，再根据需要调整相关程序；确定最后的实验方案和程序后，正式进行实验操作并完成实验探究；实验中仔细观察、收集相关信息和原始数据；所有结果应清晰的记录在表格里，并写出有关物理量的单位；同时与其他同学进行有效的合作.

2.3 评估和结论

要求学生展示出得出实验结果的所有推理过程，包括所涉及的方程和物理量的单位等；解释并讨论结果，评估实验的误差来源，提出提高准确性和精确度的改进意见和建议；最后得出一个有效的实验结论，该结论应是基于实验探究结果并与假设有关的.

2.4 撰写报告

要求每个学生独立完成实验报告，并在实验完成后的一周时间内递交.实验报告中除含背景知识、实验目的、操作程序外，还必须包涵这些内容： 安全考虑； 陈述自变量、因变量和可控变量； 器材清单及设备安装图； 清晰的数据表格； 规范的收集信息并记录数据； 用恰当的方程和方法推理实验结果； 实验结果分析； 评估系统误差和随机误差； 评估实验程序，改进设计方案； 实验结论.

3.2.3 稳态的调节机制 机体是如何来维持稳态的呢？通过学生的讨论，总结出： 要维持内环境的稳定，动物体必须能及时感知内外环境的变化，并及时作出反应加以调整，这些活动都依靠神经系统和内分泌系统的活动来完成的。

3 SAM课程“衍射光栅”实验的表现性评价

南澳洲SAM班的物理教师通过课堂观察和记录学生实验操作过程、听取学生的汇报和交流及批阅实验报告等途径，系统收集学生参与实验探究活动的各种信息和证据，采用表现性评价的方式对学生的实验能力水平进行判断和评价.

3.1 表现性评价的方案

南澳洲的高中物理课程标准中明确提出了学业质量标准，描述了不同水平学习结果的具体表现.教师严格依据学业质量标准，主要从探究、分析与评价、应用、知识与理解4个方面对学生的实验能力进行评价.

(1) 探究(Investigation).具体评价要素如下：

I1 能设计物理实验探究方案；

I2 能从不同的材料中选择或识别物理信息；

I3 能操作实验仪器和技术工具，实施安全的并符合伦理的调查步骤；

I4 能用适当的规范和格式获取信息、记录数据、展示探究结果.

(2) 分析与评价(Analysis and Evaluation).具体评价要素如下：

AE1 能分析数据与概念之间的联系，得出结论并作出相关预测；

AE2 能对实验操作程序进行评价，并提出改进建议.

(3) 应用(Application).具体评价要素如下：

A1 能运用物理概念及探究获得的证据解决新的或熟悉环境中的问题；

A2 能使用适当的物理学术用语、约定、公式及方程式；

A3 能展示个人及在团队协作中的技能.

(4) 知识与理解(Knowledge and Understanding).具体评价要素如下:

KU1 能展示对物理学概念的理解；

KU2 能用物理知识理解和解释实际问题及其应用；

KU3 能使用多种途径来交流和理解物理知识.

SAM课程物理教师对照学业质量标准的4个方面，并根据实际考核的实验内容有侧重点的选择确定了具体的评价要素，最后形成了“衍射光栅”实验的表现性评价方案，见表2.

表2 SAM课程“衍射光栅”实验表现性评价方案

3.2 表现性评价的等级标准

南澳洲的学业质量标准对各评价要素设置了合理清晰的、可操作性强的评价等级标准，明确说明评价者需要考察的学生学习行为特征，并且不同水平等级的表现标准与测量行为目标互相对应.本实验中每个评价要素均设置了A、B、C、D、E 5个水平等级的评价标准，如A、C、E等级的行为表现描述的具体界定如表3.

表3 SAM课程“衍射光栅”实验评价等级标准量表

续表

3.3 实验成绩的评定

在学生完成实验并递交实验报告后，SAM课程的物理教师根据制定的评价标准，对学生实验水平进行综合评价，评价内容的每一个方面都按A、B、C、D、E 5个等级评分，其中每个等级又分成3个层次，例如C等级可以分为C+、C和C-,最后取4个方面成绩的平均分作为该实验的总成绩.

为保证实验评价的公正性，SAM课程对实验考试采用实验报告备查制度和实验成绩复评制度.要求学生平时实验考核应形成一式两份的实验报告，一份由本人存档备查，另一份由SAM课程中心寄送到南澳洲高考局，用于对教师日常评分的复评，学生实验的最终成绩由复评定出.一般会在规定时间里，由南澳洲高考局组织抽调专家统一对各地区教师的评分进行复评，复评专家按一定比例随机抽取每位任课教师所教学生的实验报告进行审核，若复评结果比任课教师打的成绩低一等级，相应该教师所有学生的成绩将降低一等级.反之，若复评结果比任课教师评的成绩高一等级，相应该教师所有学生的成绩将提高一等级.

4 讨论与启示

南澳洲的物理实验考核以过程性评价为主，实验操作的评估方式主要是采用表现性评价，平时学生的历次实验操作都纳入高中的学业水平考试.相对我国以往主要只在高考中采用的纸笔测试方式评估学生的实验能力，南澳洲对学生实验能力的评价更全面、真实和深入，充分反映了学生的学习过程和学习结果，促进了学生更好的发展.比较中澳两国的物理实验教学评价，给了我们很多启发与思考.

4.1 健全评价机制，形成素养为重的评价体系[2]

南澳洲SAM物理课程的学业评价体系由统一考试(占50%)、课程作业(占25%)、实验操作性评估(占15%)、信息检索和答辩(即课题研究，占10%)4个项目组成，其中统一考试相当于我国的高考，其余项目成绩的评定主要采用过程性的表现性评价方式，学生升学的依据是整个高中的学业水平成绩.相对于南澳洲SAM课程来说我们高中的学业评价体系并不是十分完善，尤其是对学生实验能力的评价不够重视.我们必须进一步健全实验教学评价机制，认真落实《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》(教基〔2019〕16号)的精神，把学生实验操作情况和能力表现纳入综合素质评价.在普通高中学业水平考试中，逐步将实验操作纳入省级统一考试.并且，借鉴南澳洲的实验教学评价方式，从聚焦学科核心素养的评价入手，系统设计考察学生学习过程和学习结果的表现性评价任务，逐步形成一套兼顾科学、公平、全面、有效的学业评价体系，促进整个学生群体的核心素养的全面提升.

4.2 探索评价改革，综合培养学生的核心素养

南澳洲SAM课程的物理实验教学评价主要内容是探究、分析与评价、应用、知识与理解4个方面，这其实与我们的物理核心素养4个方面是完全吻合的.我们从SAM课程衍射实验的考核任务上可以看出，每一项任务都是围绕对物理学科素养水平的评估而设计，也就是说，每一次实验都是对学生学科素养水平状况的一次全面评估.在我们物理教师的观念里，往往认为物理实验主要是考查学生的科学探究这一核心素养状况的，而没有在实验中考查学生的其余核心素养水平的意识.这其实是忽视了物理实验教学与评价对物理核心素养的综合培养作用.我们必须改革原来实验教学评价对核心素养关注不全、不够的评价方式.基于物理学业质量标准，对不同类型的实验整体构建相应的表现性评价目标，确定每一个实验有侧重点的评价内容，并认真研究制定科学的、可行的、细化的表现标准.充分利用分散在平时的每一次学生实验，全面而又有侧重地评价学生在各个学习阶段的物理核心素养的发展水平状况，促进课物理课程与教学目标的充分达成.

4.3 加强专业培训,提升教师的教学评价能力

南澳洲高考局对教师的教学评价能力培养十分重视，每学期要求SAM课程每位教师参与线上的培训活动.教师们学习怎么制定评价目标、设计评价任务及相应的评价量表，怎么对学生实验报告及课题研究进行水平级的评价，怎么基于学生表现的学习证据不断地调整教学和评价的内容等.在每年的高考结束后，南澳洲高考局都要求SAM课程中心选派一些教师赴澳洲参与教育测量与教学评价的培训，并由资深的教师带领年轻教师一起对各地区送高考局的课程作业、实验操作性评估、课题研究的成绩进行复评，以此提升教师的教学评价能力，又确保了评价的公正性.相对于南澳洲而言，我们教师的教学评价能力培养一直是被忽视的，教学评价能力水平普遍偏低，教学评价意识不强，评价专业知识明显不够，评价技能欠缺.因此，我们的省、市、区教师发展中心应积极开展教师教学评价能力的培训，学校也应邀请教育教学评价专家指导教师日常教学实践中的评价工作，让教学评价研究贯穿于整个教学过程.我们教师也应树立终身学习的理念，不断更新知识，完善自己的知识体系，结合教学实际设计丰富多样的评价任务，探索实施新型的评价方式，在与同行的合作交流与自我反思中实现教学评价能力的逐步提升.