高中生解决不同情境物理问题能力的比较研究

梁 晓

（深圳实验学校，广东 深圳 518107）

物理学科核心素养注重培养学生的解决实际问题能力.《高中物理课程标准（2017年版）解读》中的物理学科能力是指学习者对体现物理学科本质的真实问题情境的适应能力，即解决真实情境问题的能力.评价学生物理问题解决能力就是考查学生适应物理学科问题情境的能力，即学生能够解决何种情境的什么层次的问题.［1］原始物理问题能真实检测和训练学生解决真实情境问题的能力，但学生日常训练的多是模型化的传统物理习题.近年来物理高考试题出现了大量以生产生活实际为背景的情景化物理问题.学生在不同情境下的物理问题解决能力的表现水平如何呢？本研究试图从活动表现视角，借鉴PISA测评中问题解决能力的表现水平的划分，建构物理问题解决能力的评价标准和表现水平框架，编制不同情境的物理问题，比较学生在不同情境下的物理问题解决能力.

1 物理问题解决能力的评价维度

1.1 基于情境的物理问题解决能力

物理问题解决的一般过程包括物理表述，物理应用和反思评价.这3个阶段并非一个线性的流程，可能会交替出现；且物理问题解决的一般过程和问题解决能力不是一一对应的.因此，在评价学生的物理问题解决能力时，不能套用物理问题解决的过程来评价学生的物理问题解决能力.学生的心理过程具有内隐性，因此只能通过外显的活动表现来判断学生的物理问题解决能力.因此对于学生物理问题解决能力的评价应建立在真实的情境上，且命题设计时从情感教育的目标出发，利用真实情境和生活实际应用，让学生在复杂的、开放性的真实情境中运用所学的物理知识解决问题.［2］

综合考虑物理问题解决能力评价的科学性和可操作性，参照国内外的研究基础和前面对物理问题解决能力的分析，［3－6］本研究中物理问题解决能力包括：物理表征能力、学科问题转化能力、物理知识应用能力、数学推导能力，具体涵义如表1所示.

表1 基于情境的物理问题解决能力

1.2 物理问题解决能力的表现水平

本研究借鉴PISA2003和PISA2012问题解决测评中对问题解决能力的表现来描述物理问题解决能力的表现，通过评估学生的答案来观察内隐的思维过程.［7，8］根据“物理表征”“学科问题转化”“物理知识应用”和“数学推导”4个指标的内涵，将情境的复杂程度、知识和技能、思维方式的综合程度等划分为不同的水平（如表2）.每一级水平都包括了物理问题解决能力的4个维度，主要表现为学生在不同情境下应用物理概念和方法等解决物理问题的关键特征.

表2 物理问题解决能力表现水平

在实际操作中，为了更好评价学生物理问题解决能力，本文从整体上评价学生物理问题解决能力的水平，将物理问题解决能力的不同水平分别对应不同的分数，水平3、2、1、0分别对应3、2、1、0分.赋分过程中，由于学生的回答多样，当学生的回答处于中间时，则以较低的水平进行赋分.

2 测试工具开发与施测

2.1 测试题开发

根据相关的文献和标准，开发了3种基于“力与运动”主题的不同情境的物理问题：情境化物理问题（C）、原始物理问题（Y）和传统物理习题（P）.［9－11］情境化物理问题和原始物理问题的情境源于生产生活现象，解答的过程需要学生设定一些简单参数.每份测试卷中共有6道题，采用交叉设计，不同版本测试卷中的同一序号的题目情境不同，但所考查的知识点和解题的过程基本相同，具体分布如表3.

表3 各版本题目分布

为了提高测试卷的内容效度，邀请6名教师对测试卷进行检查.建议教师以被试者的身份完成测试，判断题目情境的选择和描述、设问和题干是否清晰合理等，对不符合要求的题目进行修正后再施测.

2.2 质量评估

在高一年级4个班（重点班和平行班各2个）内随机发放3个版本的测试卷，限时60分钟完成.本次研究共发放200份测试卷，回收测试卷187份，有效问卷169份，含A版本52份，B版本55份，C版本62份.

2.2.1 评分者信度分析

本研究的测试题均是主观题，学生的分数容易受到评分者主观性的影响.因此采用经典测量理论的斯皮尔曼 布朗估计法计算评分者间信度.随机抽取30份测试卷，其中包括A版本10份，B版本10份和C版本10份，由两名评分者同时打分，利用SPSS软件计算各题的斯皮尔曼系数如表4.每道题的斯皮尔曼系数均在0.01的水平上呈显著性相关，说明根据所制订评分标准赋分，所得到的数据一致性和可靠性较好，评分标准的可操作性较强.

表4 各题目评分者信度统计表

2.2.2 效标效度分析

为了验证测试题的有效性，将学生本次测试成绩和期末考试成绩做相关分析.学生本次测试的成绩总分是18分，期末考试成绩满分是100分.将两者的分数都进行归一化统计，利用SPSS计算两者相关系数如表5.结果表明学生的3个版本测试卷成绩均与物理期末考试成绩具有显著性相关，说明该3个版本的测试卷能有效反映学生解决问题水平.

表5 学生本次测试成绩与物理期末考试成绩的相关性检验

3 高中生解决不同情境物理问题能力的比较研究

3.1 样本学生的整体表现水平

每个学生所做的测试卷都会涉及原始物理问题、传统物理习题和情境化物理问题各两道，即每个学生的3个类型题目总分均为6分.按照题目的类型统计所有学生在每个类型问题中的平均分如下表6所示.从表中可看出学生解决传统物理习题（P）的表现最好，解决情境化物理问题（C）中的表现略好，学生解决原始物理问题（Y）中的表现较差.

表6 学生在不同情境问题中的平均分

为了从整体上把握学生群体的总成绩分布情况，将所有学生在各个题目中的总得分由低到高排列，进行分段统计，不同分数区间的频率分布图如图1.

图1 学生在各类型题目中的成绩分布图

从上图可看出，学生解决情境化物理问题（C）和传统物理习题（P）的表现相似，呈现右侧高峰.学生解决原始物理问题（Y）的表现呈现中间高峰.从原始物理问题（Y）到情境化物理问题（C）再到传统物理习题（P），成绩处于0－2分的学生比例逐渐降低，成绩处于5－6分的学生比例逐渐升高.可见在原始物理问题中处于中间“转化”状态的学生较多，而这部分学生在情境化物理问题和传统物理习题中可能是以“专家”状态出现.

3.2 学生解决不同情境问题的成绩相关性和差异性

为了了解学生解决不同物理问题的成绩的相关性，利用SPSS计算的Person系数对学生不同情境下的成绩进行相关分析，如表7.结果表明学生的原始物理问题成绩和情境化物理问题成绩呈现弱相关，且学生的情境化物理问题成绩与传统物理习题成绩呈现极弱相关性.

表7 不同情境问题成绩的相关分析表

为了了解学生在不同情境下物理解决问题能力的差异性，利用SPSS的独立样本T检验分析学生解决不同情境物理问题的平均分差异，如表8和表9.从表中看出学生情境化物理问题（C）和原始物理问题（Y）的平均分具有显著性差异（P＜0.05），说明学生解决情境化物理问题（C）的表现不能准确反映其解决原始物理问题（Y）的表现；但学生的情境化物理问题（C）和传统物理习题（P）的平均分差异不显著（P＞0.05）.

表8 Y类型和C类型的显著性检验表

表9 C类型和P类型的显著性检验表

3.3 学生解决不同情境问题的成绩

3.3.1 传统物理习题与情境化物理问题成绩

将169名学生按照物理期末考试成绩从高到低排名，其中排名前30%的学生为优生，排名处于30%－70%的学生为中等生，排名后30%的学生为弱生.图2，图3，图4是不同层次学生的传统物理习题（P）和情境化物理问题（C）成绩的散点图；其中横坐标代表该学生的期末成绩排名序号，纵坐标代表学生解决传统物理习题（P）和情境化物理问题（C）的成绩.

图2 优生的传统物理习题（P）和情境化物理问题（C）成绩的散点图

图3 中等生的传统物理习题（P）和情境化物理问题（C）成绩的散点图

图4 弱生的传统物理习题（P）和情境化物理问题（C）成绩的散点图

从图2、图3、图4中可看出学生解决传统物理习题（P）成绩的散点图和情境化物理问题（C）成绩的散点图的变化趋势不同.图2表明前11%优生的传统物理习题（P）和情境化物理问题（C）成绩的散点图均较稳定，振幅较小，说明这部分学生的物理问题解决能力的水平很高，能很好解决多种不同情境物理问题.图3和图4表明中下层次学生的传统物理习题（P）和情境化物理问题（C）成绩较不稳定，散点图变化较大.可见问题情境对中等偏下成绩的学生解决物理问题的影响较大.

3.3.2 原始物理问题和情境化物理问题成绩

图5，图6，图7是不同层次的学生的原始物理问题（Y）和情境化物理问题（C）成绩的散点图；其中横坐标代表该学生的期末成绩排名序号，纵坐标代表学生解决原始物理问题（C）和情境化物理问题（C）的成绩.

图5 优生的原始物理问题（Y）和情境化物理问题（C）成绩的散点图

图6 中等生的原始物理问题（Y）和情境化物理问题（C）成绩的散点图

图7 弱生的原始物理问题（Y）和情境化物理问题（C）成绩的散点图

从图5、图6、图7中可看出学生的原始物理问题成绩（Y）的散点图和情境化物理问题成绩（C）的散点图的变化趋势不同.图5表明前11%优生的传统物理习题（P）和情境化物理问题（C）成绩的散点图均较稳定，振幅较小，说明这部分学生的物理问题解决能力的水平很高，能很好解决多种不同情境物理问题.图6和图7表明中下层次学生的传统物理习题（P）和情境化物理问题（C）成绩较不稳定，散点图变化较大.

4 测评结论与讨论

本研究在了解当前物理问题解决能力评价现状的基础上，借鉴国内外物理问题解决能力的评价标准和表现水平描述，制订了物理问题解决能力的评价标准，并编制3种不同情境的物理问题测量学生的物理问题解决能力的水平，测评结果讨论如下.

（1）学生解决传统物理习题的表现水平最高，且解决情境化物理问题的表现水平比原始物理问题的表现水平高.部分学生面对真实情境的原始物理问题或情境化物理问题感觉无从下手，不能从情境中获取与问题相关的信息，转化物理问题，难以摒弃与解题无关因素的干扰，判断出真实情境与哪些物理知识相关.因此不能很好根据解题需要假设相关变量，正确选择物理知识和规律，建立知识与问题的联系.这也反映学生的思维迁移能力不强，难以将物理概念和规律迁移到解决实际问题中.

（2）成绩较好的学生解决不同情境问题的水平较为稳定，中等偏下的学生解决不同情境问题的水平波动较大.可见，问题情境对优生解决物理问题影响较小，对中等偏下学生的影响较大.这表明成绩较好的学生的知识结构完整，在解决各种情境的物理问题时，能明确解决问题的目标，提取有效的信息解决问题.而成绩中等偏下的学生对知识的理解较差，知识结构零散，对知识停留在简单记忆阶段，因此解决各种情境物理问题的能力较差.

（3）学生解决原始物理问题时对问题情境缺乏深入分析.原始物理问题由于未给出解决问题所需的物理变量，学生在解决原始物理问题的过程中缺乏对问题情境的深入和全面分析，容易受到题目表面特征（如某个物理术语）的影响.通过题目的表面特征映射到特定解决问题的方案，直接套用含有题目已知变量的物理公式或该术语的公式，并根据这个公式所需要的物理量由后往前推进而解决问题.

（4）学生利用草图思考的水平有待提高.学生对问题的理解和表征是一个整体的思维过程，学生画受力分析图等是在理解题意的基础上对物理模型的抽象.传统的解题教学使部分学生形成了“画图—套公式—计算”的固定解题模式.一方面部分学生由于未能很好理解题目建立错误的物理模型，所画的受力图等不完整.另一方面，部分学生虽然能从题目提取有效的信息画出正确的受力图等，但学生的知识结构不深刻且对概念的理解不透彻，易陷入思维定式.对他们而言，画草图仅仅是一个做题的“形式工具”，并没有真正起到辅助解决问题的作用.