物理实验教学中能力评价体系构建研究

邵凌，袁怡佳，高晓楠，陆佳亮，吉宏俊，夏 萌

（上海交通大学 巴黎卓越工程师学院，上海 200240）

物理实验在物理教学中一直起着非常重要的作用。一方面是因为物理学从根本上来说，是一门实验科学，所以很多概念和模型必须在实验中才能得到更好、更深入的理解。另一方面，从培养学生的角度来讲，实验课是培养学生解决实际问题，或者更具体的说，是培养学生动手能力的绝佳平台。这一点在上海交通大学（以下简称“交大”）巴黎卓越工程师学院是尤其重要的。对学生实践能力的培养不仅是交大巴黎卓越工程师学院人才培养计划中不可或缺的一项[1-2]，更是新工科人才培养的重要组成部分。培养面向新时代的工程师人才，优秀的动手能力和对所学知识的深入理解都是必不可少的。这就要求必须对物理实验的教学予以足够的重视。

然而，在现阶段的物理实验教学中存在着一些亟需改进的问题。一方面，学生对实验课程的重视程度不够，积极性不高，自主性缺失。具体的表现如课前不能很好地完成预习；实验过程中简单机械地按照讲义上的步骤和要求进行实验，缺少对实验内容深入的思考，缺少和实验指导老师的互动，对很多实验中的问题不求甚解；另一方面，学生在实验报告中经常会大段摘抄讲义中的实验原理，最后简单罗列实验结果，缺少对实验的深入分析和讨论，甚至为了得到好的实验结果而篡改实验数据。

为了解决上述物理实验教学中存在的问题，计划尝试一种新的评价体系，引导学生积极深入地参与到物理实验中来。在传统的物理实验教学中，对学生实验表现的评价基本是基于实验报告来完成的。有时，这种评价被简化为看实验结果的好坏，甚至是实验报告的长度。这样的做法，一方面不能全面地反映学生实验表现的好坏；另一方面，从某种程度上也等于是变相鼓励了学生人为“美化”实验结果的行为。

计划尝试的新的评价体系，简单的说可以概括为8个字：问题导向，能力评价。首先，所谓问题导向就是每次实验课（或者说每次实验主题），都有一个明确的、有一定深度的问题需要学生去回答。而实验报告就是围绕如何回答这个问题来进行写作的（即所谓的问题导向型报告），而绝不是步骤和结果的简单堆砌。而实验讲义的内容，则更类似于一种引导和启发，而不是一系列明确的指示和必须要完成的步骤。其次，所谓能力评价就是每个学生每次实验的评价（评分），是由对学生多个方面能力的评价综合组成的。这些能力包括了4 大项：理解原理、掌握技巧、正确分析和实验报告。当然每项能力又根据具体实验主题，细分成若干子项。对于这两点的详细解释，将在下一部分研究的具体内容里，结合一个具体的实例来展开。

交大巴黎卓越工程师学院进行的物理实验教学的改进研究，一定程度上受到了本院外籍预科教师的启发和支持。上海交通大学巴黎卓越工程师学院作为一个中法合作办学的单位，汇集了很多由法国教育体系培养出来的年青预科教师。在和其合作进行物理实验教学的过程中，了解到了在一些法国学校实验教学中使用的一套能力评价体系[3]，而这一体系可能会对解决前文提到的问题有很大的帮助。在深入了解了他们的方法之后，再结合国内物理教学中的具体情况，就诞生了我们计划尝试的“物理实验教学中能力评价体系”。

这一评价体系，一方面，通过在实验中设置一个明确的问题和对学生多方面的能力进行综合评价，来激励学生思考、分析、讨论，以提高学生的积极性、自主性和动手能力。另一方面，整个过程仿佛是一个小型的项目。从提出问题开始（当然这一步是老师给出的），然后分析问题，提出实验方案，进行实验，得出结果，分析结果，讨论结果，最后得出结论，解决问题。通过这一过程，可以让“未来的工程师们”从“小”项目出发，一步一步学会未来做“大”项目的基础知识和基本技巧[4]。

一 能力评价体系的介绍

本次研究的对象是上海交通大学巴黎卓越工程师学院本科二年级的学生。交大巴黎卓越工程师学院的物理实验课从大一下半学期开始，因此大二的学生已经有一个学期的实验课经历，方便进行此次物理实验教学改进的尝试。前面已经提到，计划尝试的新的评价体系可以简单概括为：问题导向，能力评价。下面以一次具体的物理实验课为例，来论述物理实验教学中能力评价体系的基本思路和具体的研究方法。这次物理实验课的主题为“RLC 振荡电路的共振现象”（简称RLC 电路实验）。这是本科二年级与电子电路课程相关的一次实验课。

在实验课开始的一周前通过电子邮件给学生发送实验讲义，并要求学生在实验课开始之前认真阅读讲义，做好预习工作。实验讲义主要包括3 个方面的内容：实验问题、实验内容、能力评价表（包含细节评分项）。下面对这3 点一一详细解释。

首先，实验问题就是所谓的“问题导向”中的问题。以RLC 电路实验为例，由老师给出实验问题：“RLC 振荡电路中，电阻R 的值如何影响共振曲线的特征。”也就是说，整个实验过程和后续的实验报告都是围绕这个问题展开的。

其次，实验内容由一系列和本实验相关的问题或是建议组成。和传统的实验讲义对比，我们的实验讲义内容与其说是一系列要求学生完成的实验操作，不如说是一系列对学生的引导与启发。仍以RLC 电路实验为例，由于提出的实验问题和共振曲线有关，讲义一开始就引导学生在实验室条件范围内，合理地选择电阻、电容、电感，使得电路的共振频率落在一个“合理”的范围内。至于何为“合理”，需要学生结合课上所学的物理基础知识，在实验条件范围内给出解答。当然这种解答并不唯一，需要老师协助进行把关并评分。

最后，能力评价表是整个能力评价体系的核心。之前提到过，所谓能力评价就是每个学生每次实验的评价（评分），是由对学生多个方面能力的评价综合组成的。能力评价表分为4 大项：理解原理、掌握技巧、正确分析和实验报告。每大项又根据具体的实验主题，细分成若干子项。下面结合RLC 电路实验对每一大项进行详细解释。

1）理解原理：旨在考查学生对实验原理掌握的能力。实验开始后，教师会对每组学生提问实验原理，并根据回答情况评分（交大巴黎卓越工程师学院的实验课以小组为单位进行，每小组人数通常为2 人）。以RLC 电路实验为例，此大项下只设置一个子项：“什么是RLC电路的共振？”如果学生能够正确回答则得1 分，否则不得分。需要注意的是，在整个评分表中采用是非评分法。即符合要求得1 分，否则不得分，没有中间状态。

2）掌握技巧：旨在考查学生正确使用实验仪器的能力。教师通过观察学生在实验过程中的操作来评分。以RLC 电路实验为例，此大项下包含5 个子项，分别为“RLC 电路是否正确连接”“示波器是否正确触发”“X-Y模式是否正确使用”“高精度电压表是否正确使用”和“是否遵守实验室安全规则”。

3）正确分析：旨在考查学生如下的几项能力。能否正确选择实验参数、实验方法或实验流程；能否对实验结果的合理性进行简单的估计；能否正确理解实验结果和意义。此大项的评分一部分在实验中完成，一部分在实验后根据学生上交的报告完成。以RLC 电路实验为例，此大项下包含4 个子项，分别为“为本次实验设计出合理的流程”（实验中评分）、“电阻电容电感值的选取是否合理”（实验中评分）、“测量的共振频率与理论值是否相符”（因为需要计算实验误差，此项根据实验报告评分）和“合理选取频率点进行共振曲线测量”（实验中评分）。

4）实验报告：旨在考查学生实验报告写作的能力。对于一个工程师而言，科学写作的能力是必不可少的。书写整洁，格式规范，语言清晰准确扼要，逻辑结构合理是一份科学报告的基本要求，也是对于学生问题导向型实验报告的基本要求。以RLC 电路实验为例，此大项下可以包含5～8 个子项。比如“不超过A4 纸正反面的篇幅”（简明扼要是科学写作的基本要求）、“报告中所有的插图是否都注明了图名、横纵轴、图例和单位”“正确绘制至少2 张共振曲线”“正确得出结论”等。

最后，实验任课教师综合以上4 大项，多达近20 个小项来综合评价（评分）学生此次实验的表现。这种能力评价体系可以达到以下几个方面的目标。

1）提高学生的兴趣和自主性：由于实验采用问题导向的设计，这就能够激励学生开动脑筋，参与到实验流程的设计中去，积极思考如何讲好这个“故事”，不再是机械地按照书上的指示一步一步做下去，从而提高学生参与实验的兴趣。而每次实验开始时对于实验原理的提问，就要求学生必须认真预习，从而提高学生的自主性，也就是独立工作的能力。

2）激励学生深入思考：问题导向的实验设计也能激励学生对于在实验中遇到的实际问题进行深入思考，提高了学生解决实际问题的能力。

3）提高学生沟通的能力：实验过程中的评分大部分需要和老师进行大量的沟通，这就锻炼了学生的语言表达能力和与人沟通的能力。

4）学会书写科学报告：对学生实验报告的要求完全基于科学写作的基本要求（整洁、规范、清晰、扼要及条理），这就能逐渐让学生学会如何书写合格的科学报告。

二 研究的方法与结果

此次教学研究共持续了3 个学期。研究课程为二年级物理实验，其中包括了电学、热学、光学和力学等诸多类型的物理实验。研究对象分别为2019 年秋季学期的18 级本科生、2020 年秋季学期的19 级本科生和2021 年春季学期的19 级本科生。2020 年春季学期由于受新冠肺炎疫情的影响，教学活动转为线上，故而无法进行物理实验的课程。

在这3 个学期时间里，完成物理实验共计35 次，其中使用如前所述的“能力评价体系”对学生进行评分和考核的共计12 次，占总实验次数的约1/3。之所以没有选择在所有实验课上采用“能力评价体系”，而只选取其中一部分实验课进行尝试，主要的原因有两点。首先，通过对比使用“能力评价体系”的实验课和不使用“能力评价体系”的实验课中学生表现的差异，可以帮助了解到“能力评价体系”对于物理实验教学的作用。更为具体地说，通过对比预习情况，实验中提问次数和实验报告中误差分析的正确率，能够清晰地了解到使用“能力评价体系”对于学生在物理实验课前、课中和课后表现的影响。其次，在“能力评价体系”中，课后的物理实验报告是不可或缺的一环。如前所述，实验报告绝不是实验结果的简单堆砌，而是问题导向型的。因此，对学生报告书写的格式、内容和逻辑的要求是比较高的。如果每次实验课都要求学生书写这样的报告，就会给学生增加太多的负担，综合平衡的结果就是使用“能力评价体系”的实验课占1/3，学生平均3 周左右完成一次要求比较高的报告。

如前所述，主要在3 个方面对比了使用“能力评价体系”与否的物理实验课程中学生的学习效果，这3 个方面分别如下。

1 课前的预习情况

在物理实验课开始后，首先由任课教师使用幻灯片简单介绍本次实验的主要内容，之后随机抽取学生进行提问，以检查学生的课前预习情况。由于每次实验课的时间和理论课程相同，都是1 小时40 分钟，对于完成一个实验而言，这个时间是有些紧张的。因此，学生必须在课前充分预习，才能有条不紊地进行实验。通过统计随机提问学生回答的正确率，可以很好地知道学生是否认真进行了课前预习。

2 课中的参与情况

在物理实验课进行过程中，学生一定会遇到各种各样的问题。这些问题可以是关于实验设计的，可以是关于实验原理的，可以是关于技术细节的，可以是关于实验仪器本身的，甚至可以是学生自己关于实验的独立的想法。通过统计学生在实验课过程中的提问次数，可以在一定程度上反映学生参与实验的积极性及思考问题的主观能动性。

3 课后的实验报告的完成情况

在物理实验课结束后，无论这次实验课是否使用能力评价体系，都要求学生书写实验报告。如果实验课没有使用能力评价体系，则学生仅需简单罗列实验步骤和实验结果即可；如果实验课使用了能力评价体系，则如前所述，学生需要书写问题导向型报告。但是无论是哪一种报告，对于实验结果的误差分析都是非常重要的一部分。对于误差的计算和分析，从物理实验的角度来看，几乎可以说和实验的测量结果同样重要，而这也恰恰是学生容易忽略和轻视的。因此，通过统计学生在实验报告中误差分析方法和结果的正确率，可以在一定程度上反映报告的质量以及学生对待实验报告的认真程度。

以上3 点分别对应1 次物理实验前、中、后的3 个部分。统计的数据绘图如图1—图3 所示。

通过图1、图2 和图3 的统计数据可以看出，学生在使用了能力评价体系的物理实验课上的表现，无论是课前、课中，还是课后，都要优于未使用能力评价体系的物理实验课。

图1 实验预习效果比较

图2 实验积极性比较

图3 实验结果处理比较

三 结束语

此次研究着眼于尝试解决现阶段物理实验教学中普遍存在的问题。总结起来主要是学生普遍重理论而轻实验；在实验中缺少积极性、自主性，缺少独立思考；实验报告普遍质量不高。提出了一种可供尝试的解决方案，即在物理实验教学中引入新的评价体系或者说评价方法。把这种新的评价体系称之为“能力评价体系”，其核心包括2 部分：问题导向、能力评价。前者着力于激发学生的积极性和自主性，而后者着力于通过引入多维度的评价方法，促使学生能够重视实验课程的学习，重视实验报告的写作，以达到让学生从大学学习的开始阶段就开始锻炼自己学术写作能力的目的，为将来本科毕业论文乃至研究生阶段论文的写作打下良好的基础。

在此次研究中，使用了3 个指标来量化学生在物理实验课程中的表现：实验前随机提问回答正确率，实验中提问次数，实验报告误差分析的正确率。这3 个指标，很好地对标了我们想要尝试解决的实验教学中存在的问题，即态度问题、积极性问题、报告质量问题。因而可以很好地反映所引入的能力评价体系的有效性。最终，通过这3 个有代表性的指标，对比使用和不使用能力评价体系的物理实验课中学生的表现，可以看出，学生的表现有了明显的提高。

相比较一般的理论课程，实验课程中学生的表现是更为多元化的。具体来说，如果要评价学生某个理论知识点的掌握情况，可以通过有针对性的测试或者问卷来达到目的。而如果要评价学生的实验能力，却不太可能通过简单的测试或问卷来达到目的。因此这就要求在实验课程的评价体系中引入对于学生实验操作技巧的评价。实验课指导老师通过观察学生某个实验步骤完成的正确性或是某个实验技巧的掌握与否来决定是否给分。

同时，物理实验报告不应该是实验结果的简答堆砌。而应该从本科低年级一开始就培养学生科学写作的能力，即提出问题、设计实验、实验步骤、实验结果和数据分析，最后讨论结果，得出结论。因此，在物理实验能力评价体系中，实验报告的评价也占据了重要的地位。我们不但要考核学生实验结果的正确性，更要考核学生实验报告的结构性、逻辑性和清晰性。

由于本科阶段物理教学中物理实验课程的普遍存在性，本项目中尝试的能力评价体系可以在考虑不同院系具体情况的前提下进行推广试验。一方面帮助提高物理实验课程的有效性，另一方面也可以帮助提高学生对于实验课程的兴趣乃至对于理工科课程的兴趣。

此次研究的不足之处主要在于用于检验项目有效性的评价指标相对较少。如前所述，本项目主要使用了3 个有代表性的指标分别用于检验新评价体系对于学生在实验课前、课中和课后的表现。是否可以寻找出更多的有价值的指标去检验衡量新评价体系的有效性，是一个值得思考的问题。另外，如前所述，在本次研究中，使用能力评价体系的实验课的占比为1/3。那么，在不过多增加学生负担的情况下，如何平衡使用能力评价体系的实验课的数量，也是一个值得思考的问题。