男女生物理探究能力表现的实证分析——基于浙江省2019年教育质量监测数据

沈启正

(浙江省教育厅教研室,浙江 杭州 310012)

2019年浙江省教育质量监测数据包括全省八年级抽测学生语文、数学、科学三学科的监测成绩以及学生、教师及家长问卷结果.科学学科考查的知识内容主要包括物理、化学部分(生物内容较少,作为单独学科分析的维度代表性不足,不予研究).科学学科能力维度测试主要诊断学生“提出科学问题、设计探究方案、获取和解释证据、科学解释现象、评价科学探究”五个维度的能力水平.本文从物理试题各能力维度题量的均衡分布考虑,把“获取和解释证据、科学解释现象”合并为“方案实施与改进”,结合物理探究能力各种表述的研究,整合成:信息收集与提问、计划探索与制定、方案实施与改进、结果反思与评价这4个维度.

物理学科考查的能力水平主要考查探究能力,测试研究团队特别注重编制密切联系实际、聚焦真实问题解决的情境化试题,设计开放性分级计分试题,为测评学生的物理探究能力提供了丰富、准确和有效的信息.

本文着重研究男女生在物理探究能力方面的表现差异情况,并根据典型题的作答分析观察男女生在探究能力各个维度以及在不同难度值时的表现情况,帮助一线教师更好地了解男女生在物理探究能力中的性别特征,以便在教学时更有效地实施情感激活与认知建构,提高学生分析问题与解决问题的创新意识与探究水平.

1 研究设计

1.1 研究对象

参加2019年浙江省初中质量监测的8 年级学生共41590名,在本次研究中剔除变量缺失值样本,最终有效人数41382人,其中男生21782名,女生19600名.

1.2 学生分类

为了浅显易懂、增加可读性,本文不采用教育测量统计中引用大量专业术语的写法,尽量用直观的图表呈现.为避免繁杂及冲淡主题,一概不呈现数据检验表,特在此统一声明:本文所有数据都另进行了统计T检验,除特别说明外,分类群组之间均有显著性差异.

2 研究结果与分析

2.1 男女生在物理探究能力上的差异

本次物理监测试题考查学生的探究能力,因此量尺分总分可表征物理探究能力的高低,男女生得分率可比较两者的能力差异.监测试题还设计了考查较复杂的综合探究物理问题能力,得分率同样可比较男女生在复杂物理问题探究能力上的差异情况,如图1.结果显示:在物理探究能力方面总体上男生略优于女生,在复杂物理问题探究能力上也是男生优于女生,但在复杂物理问题探究能力上,男女生得分率差异并没有扩大.

图1 男女生物理探究能力的差异

2.2 男女生在理化探究能力上的差异

本次监测中,科学学科主要考查学生在物理、化学中的探究能力.经分析,得到如图2所示的男女生在理化探究能力上的差异情况.显然,男生物理探究能力优于女生,但在化学中,男女生得分率无显著性差异.

图2 男女生在理化探究能力上的差异

2.3 不同阅读水平的男女生物理探究能力差异

本次语文监测学生的阅读水平,按专家组事先的水平标定,把阅读水平分为:A(好)、B(较好)、C(中等)、D(待提高).图3表明男女生的阅读水平与探究能力均是明显的正相关关系;但男女性别的影响极小,经T检验这些结果均不显著,说明各阅读水平下男女生物理探究能力水平在统计意义上没有差异.

图3 不同阅读水平的男女生物理探究能力差异

2.4 男女生在各物理探究维度上的表现差异

我们把物理探究按进程顺序划分,得到“信息收集与提问、计划探索与制定、方案实施与改进、结果反思与评价”4个维度,图4是男女生在各维度中的表现情况,图中表明各维度中男女生的表现有所差异,“信息收集与提问”和“方案实施与改进”维度男生略占优势,“结果反思与评价”维度女生略微占优,“计划探索与制定”维度经T检验男女生没显著性差异.

图4 男女生在各物理探究维度上的表现

2.5 不同水平的男女生在物理各探究维度上的表现

按1.2中的学生分类,把5个层次的男女生在物理各探究维度上的表现合并在同一张图上.如图5所示,实线表征男生,虚线表征女生;从上向下看,依次为尖子生、优良生、中等生、薄弱生和学困生.从图中可读出以下信息.

图5 不同水平的男女生在物理探究维度上的表现

尖子生层面,“信息收集与提问”、“计划探索与制定”这两维度经T检验无显著性差异,“方案实施与改进”男生占优,“结果反思与评价”则是女生占优.

优良生层面,“信息收集与提问”、“方案实施与改进” 这两维度经T检验无显著性差异,“计划探索与制定”和“结果反思与评价”这两维度均是女生占优.

在中等生中,“方案实施与改进” 无显著性差异,“信息收集与提问”男生略占优,“计划探索与制定”和“结果反思与评价”这两维度均是女生占优.

薄弱生中,只有“方案实施与改进”男生略占优,其他维度均无显著性差异.

学困生中,所有维度均无显著性差异.

3 探究题示例及分析

为了让读者了解本次监测是如何通过纸笔试题考查探究能力的,以下示3例并通过数据分析真实展现男女生在各问题探究时的表现情况.

例1.为观测水结冰的过程,某学生进行如图6的实验:在小试管中倒入适量的水,在水中插入并固定温度计,再将此小试管放入加有食盐的碎冰中冷却,每隔1 min记录温度计的示数及小试管内水的状态,结果如表1.

表1

(1) 请根据表中数据在下面方格中画出小试管内水的温度随时间变化的关系图像.

(2) 根据表中数据,某学生认为冰是晶体,你是否赞同?

图6

(3) 针对上小题的回答,说明理由.

解析: 第(1)小题着重考查了“方案实施与改进”维度,根据项目反应理论(IRT)的难度值,本题第(1)小题得1分难度值-1.83;得2分难度值-0.95;得3分难度值0.63;属容易题.由图7可知,得2分和得满分3分的比例男生略高于女生.

图7 例1(1)得分情况

第(2)小题着重考查“结果反思与评价”维度,IRT难度为0.38,属于较易题,如图8,得分率男生占优,但此题答题表达上要求逻辑性全面性更强些.

图8 例1(2)得分情况

第(3)小题着重考查 “方案实施与改进”中的解释环节,得1分的IRT难度值为2.37,得2分为2.89,得3分为3.38,属于极难题,得0分比例高达93.5%以上,如图9,男女生得分率均极低,无比较的意义.

图9 例1(3)得分情况

例2.为探究影响“筷子提米”实验的成功因素,某科学小组进行了如下实验:

实验1:进行“筷子提米”时,发现只有当米层达到某一高度后,木棒才能将盛米容器提起.他们分别用横截面周长相同的圆形、方形、扁形木棒和横截面直径为12 mm的轻质圆柱形容器进行实验,测出能提起盛米容器时的米层“最小高度(h)”,结果如表2.

表2

实验 2:用1根圆形木棒和3个横截面积不同的轻质圆柱形容器分别进行提米实验,测量出木棒提起盛米容器时的米层“最小高度(h)”和相应容器的横截面直径(d),结果如表3所示.

(1) 分析实验1,请推测他们的假设是________.

(2) 分析实验2,可以得出利用圆形木棒进行“筷子提米”实验,米层的“最小高度(h)”与盛米容器的横截面直径(d)之间的数量关系式是________.

表3

(3)某学生认为用方形木棒不能提起横截面直径d为20 mm、盛有35 mm高的米的轻质圆柱形容器.请写出他判断的理由.

解析: 第(1)小题着重考查 “信息收集与提问”环节,得1分、2分和3分的IRT的难度分别为-0.01、0.16和2.16,得满分不容易,由图10可知,男女生表现较接近,男生略占优.

图10 例2(1)得分情况

第(2)小题着重考查 “方案实施与改进” 维度,得1分、2分和3分的IRT的难度分别为-0.18、0. 05和0.31,难度不大,图11显示得满分有近40%,男生略优于女生.

图11 例2(2)得分情况

第(3)小题着重考查 “方案实施与改进”维度,得1分、2分和3分的IRT的难度分别为0.42、1.04、1.19,难度适中,区分度较好,图12显示男女生表现较相近,差异不显著.

图12 例2(3)得分情况

例3.为验证电磁铁磁性强弱与电流大小、线圈匝数的关系,某学生设计制作了如图13实验装置,底端固定有小磁铁的指针能绕转轴O转动,并进行了如下操作:① 先将变阻器滑片P移至最上端,闭合开关S至a处,再将滑片P逐渐向下移动,观察指针示数的变化.

(1) 操作①研究的问题是________.

(2) 推测操作①指针的偏转方向及示数变化情况.

(3) 操作②是为了探究另一个影响电磁铁磁性强弱的因素,请设计具体操作步骤.

图13

解析: 第(1)小题着重考查 “信息收集与提问”维度,得1分、2分和3分的IRT的难度分别为0.05、0.06、0.1,属于较易题,图14显示男女生表现较相近,从得满分情况看,男生略占优.

图14 例3(1)得分情况

第(2)小题着重考查探究维度中的“方案实施与改进”维度,得1分、2分和3分的IRT的难度分别为0.14、2.83、2.91,属于较难题,图15显示大部分得分的学生只得1分,男女生表现较相近.

图15 例3(2)得分情况

第(3)小题着重考查探究维度中的“计划探索与制定”维度,得1分、2分和3分的IRT的难度分别为-0.55、0.19、2.76,得满分较难,图16显示大部分得分的学生只得1、2分,男生表现略占优.

图16 例3(3)得分情况

4 归纳与思考

4.1 男生的物理探究能力总体略优于女生

无论从物理探究能力和复杂物理问题探究能力的得分率看,男生总体得分均略高于女生,对比物理和化学两门学科的男女生探究能力,可发现男生在物理学科中有优势,而在化学学科中男女生无显著差异.

4.2 相同阅读水平的男女生的物理探究能力无差异

阅读水平与学生的物理探究能力成高度正相关关系,但在阅读水平相同时,性别差异却在统计意义上与物理探究能力无关,这说明阅读水平对学生物理探究能力的影响超过了性别对学生物理探究能力的影响.

4.3 男女生在各探究维度上的优势侧重点不同

男女生在不同探究维度上的优势侧重点有所差异.在“计划探索与制定”物理探究维度中两者无显著性差异,但在“信息收集与提问”和“方案实施与改进”维度中男生略占优势,而在“结果反思与评价”维度中又是女生略微占优.通过对五个不同学业层次的男女生分析,结果基本也是“方案实施与改进”维度中男生略占优势,在“结果反思与评价”维度中女生略微占优.“信息收集与提问”在中等生中男生占优,其它层次中则无显著性差异.

4.4 答题分析显示男女生探究成绩差异与难度关系不大

根据对典型题学生答题情况分析,试题难度与学生得分率高低有直接关系,但男女生得分率之间的差值并没有与试题难度存在相关性,也就是说不存在探究难度高时男生成绩好,而探究难度低时女生成绩好的现象.统计分析还显示“方案实施与改进”是男生相对最具优势的探究维度; 而在中等生及以上水平的学生中,“结果反思与评价”维度的女生得分率往往会超过同等水平的男生,但具体到每个题则有例外.

物理探究能力是学生知识技能和学习能力的综合反映.我们在平时教学中,总认为女生的探究能力远不如男生,本文通过监测大数据的分析,发现性别差异并没有想像中那么大,不同性别在各探究环节中的表现互有优势,一线教师应该根据男女生在探究能力中的思维特征,在教学时更有效地实施男女搭配的小组交流与合作探究,充分鼓励和激活女生的探究热情,提高男女生的物理探究水平和分析问题与解决问题的创新能力.