纸笔测试与实操测评对物理实验能力考查差异性研究

张红洋 李 昕

（1.陕西师范大学物理学与信息技术学院，陕西西安 710119；
2.中国基础教育质量监测协同创新中心陕西师范大学分中心，陕西西安 710119）

物理学是一门以实验为基础的自然科学.物理实验教学是中学物理教学的重要组成部分，旨在培养学生物理实验能力.科学合理的评价方式是培养学生实验能力，提高实验教学质量的方向指引.国际科学教育重视对学生过程性技能的培养，并不断创新评价方式.［1］世界经济合作与发展组织（OECD）进行的国际学生评估项目（PISA）将学生的科学素养定义为科学地解释现象、评估与设计科学探究、科学解读数据3 项能力，并以此为框架系统评价学生的科学素养.［2］TIMSS利用信息技术来评估新一代学生科学的学习状况：创新试题类型，让学生能够广泛参与到测试，并且在评估过程中融入问题解决和探究过程，要求学生能够整合并应用过程技能来解决问题.［3］

目前限于条件制约，实验评价大多采用的仍是传统的限时纸笔测试，然而纸笔测试对实验能力的考查具有较大的局限性，容易导致学生“高分低能”“眼高手低”等现象.2019年11月，教育部发布《关于加强和改进中小学实验教学的意见》，指出应当健全实验教学的评价机制.因此如何基于实验能力建立科学可行的物理实验评价方式是应该密切关注和亟待解决的问题，亦是加强改进实验教学的重要方面.

本研究通过利用纸笔测试与实际操作考查学生实验能力，分析纸笔测试对学生物理实验能力的考查效度，以及纸笔测试与实操测评在各实验能力要素考查上的差异性，以期为完善物理实验能力考查方式的进一步研究借鉴经验.

物理实验能力是指顺利进行物理实验并完成实验目的的个性心理特征.［4］国内诸多学者对其内涵进行阐释.续佩君在《物理能力测量研究》中认为物理实验能力包括操作和思维两种能力，实验操作和科学思维有机结合，可以外显为某种确定的实验实施模式，例如依据物理实验过程特点，科学思维能力在实验过程中表现为依据实验原理设计实验方案的能力、数据处理分析能力和对实验结论分析总结概括的能力.通过对于海波等作者研究分析，学者们在物理实验能力内涵上的界定都涉及到观察能力、操作能力和思维能力3 大要素，如表1所示.

表1 实验能力内涵的界定

基于上述分析，本研究将实验能力进行可操作性定义，具体界定为实验设计能力、操作能力、观察能力、数据收集及处理能力及总结与表达能力5个方面，各实验能力要素及其具体要求如表2所示.

表2 物理实验能力的可操作性定义

“探究匀变速直线运动规律”实验是历年物理实验题的高频考点.例如2021 年全国甲卷、2015年全国Ⅰ卷均考查动摩擦因数的测量；
2019年全国Ⅰ卷考查借助打点计时器探究物块沿斜面加速下滑的运动规律；
2017年全国Ⅰ卷、2016年海南卷和天津卷考查水平面上匀变速直线运动的运动规律.以“测量斜面与木块动摩擦因数”实验为例，选择同一实验情境，分别采用纸笔测试和实操测评两种方式对学生实验能力进行考查，结合观察及访谈，分析纸笔测试对学生实验能力考查的效度，以及二者对各实验能力要素考查的差异性.

2.1 研究对象

随机选取某师范大学物理学专业在校大学生37人，27名研究生，10名本科生，男生占比27%，女生占比73%，本科生为物理学专业大三年级国家公费师范生，研究生为学科教学（物理）专业，均修习过中学物理实验相关课程，具有较好的物理学专业基础.

2.2 研究工具

2.2.1 纸笔测试试题

围绕完整的实验室探究过程，纸笔测试试题以2019年新课标Ⅱ卷高考物理实验题为基础进行改编，包含5个题目，每小题10分，共50分，试题内容如下.

某学生设计了测量铁块与木板间动摩擦因数的实验，如图1所示.

图1

所用实验器材有：铁架台、长木板、铁块、米尺、电磁打点计时器、频率为50 Hz的交流电源，纸带等.回答下列问题.

（1）已知重力加速度大小为g，求铁块与木板间的动摩擦因数，还需测量

（A）物块的质量m.

（B）斜面的高度h.

（C）斜面的倾角θ.

（2）实验中应该采用的必要措施为_________.

（A）纸带必须与长木板平行.

（B）先接通电源再释放小车.

（C）平衡小车与长木板间的摩擦力.

（3）某次实验时，调整木板与水平面的夹角θ=30°.接通电源，开启打点计时器，释放铁块，铁块从静止开始沿木板滑下.多次重复后选择点迹清晰的一条纸带，如图2所示.在A-G7个点中，打点计时器最先打出的点是_________.

图2

（4）图2中的点为计数点（每两个相邻的计数点间还有4 个点未画出）.铁块下滑的加速度为________m／s2（g=9.8m／s2，结果保留2位小数，保留计算过程）.铁块与木板间的动摩擦因数为__________（结果保留2 位小数，保留计算过程）（=1.732）.

（5）该实验产生误差的原因有___________________________________________（至少写两条）.

纸笔测试的5 个实验题目是以实验能力考查为目标而设定的.第1题考查学生对实验原理的理解能力，第2 题是对实验操作细节的考查.实验操作结束后，需对纸带进行分析.第3 题考查打点顺序的判断，学生可通过物体运动状态及打点计时器的原理分析得到结论.第4题是对纸带进行数据分析的过程，利用逐差法计算物体运动的加速度，进而求得动摩擦因数.第5 题是对总结与表达能力的考查，探究过程结束后，需要对实验过程进行反思，思考误差来源，并提出改进意见.

2.2.2 实验室实操测评研究工具

实验室实操测评研究工具主要包括学生在实验操作过程中需要记录相关内容的记录单（表3）和教师对学生实验操作过程表现的记录表（表4）.实操测评与纸笔测试选取同一问题情境，要求学生利用已有实验器材测量木块与斜面的动摩擦因数，并在实际操作时为学生提供工作记录单，以便实验结束后对学生的实验设计能力、数据处理能力和总结与表达的能力进行全面分析与评价.

表3 实际操作工作记录单

在学生开展实验操作过程中，教师需要对其实验操作表现等进行观察、问询以及对学生的实验操作表现作出记录及测评，相关结果记录于表4.

表4 操作表现测评记录表

2.3 研究程序

纸笔测试限时30 min，实操测评限时1h，考试地点为某物理实验室.在对学生开展实验室实际操作测评过程中，测评教师依据学生表现填写操作表现测评记录表（表4），可为研究对象提供帮助，若学生在教师协助下完成某过程，则该生在此方面不得分.在学生实验操作过程中，教师可对设计原理、操作过程、数据获取进行实时访谈.操作结束之后，学生提交实际操作工作记录单，并将其纸笔测试题及操作表现测评记录表连同纸带装入档案袋.研究者将参照学生笔试与工作单作答情况，建立评分标准，对学生纸笔测试及实验室操作考试进行赋分，并对所得数据进行统计分析和相关性分析.

（1）实操测试较纸笔测试对学生实验设计能力的考查要求更高且更具开放性.

纸笔测试对实验设计能力的考查侧重物理原理的理解与应用，侧重于考查依据实验原理表征相关物理量的关系.而在实验室实操测试中，对实验设计的考查主要体现在通过实验原理设计实验方案上，依据实验器材，灵活运用物理原理并设计适切的实验方案.例如在“测量木块与斜面动摩擦因数”实验中，学生设计不同实验方案.大部分学生让木块沿斜面下滑做匀加速直线运动，利用打点计时器打出的纸带计算加速度，依据牛顿第二定律得到动摩擦因数.部分学生选择的实验原理是让木块沿斜面做匀速直线运动，动摩擦因数μ=tanθ.将物块置于斜面上，逐渐增大斜面倾角，木块由静止到运动的临界角即为θ，计算临界角的正切值即所求的动摩擦因数.实验原理科学合理，但在实际操作过程中临界角的寻找难度较大，导致实验结果误差较大.

在实验室环境下关于实验设计能力的考查不仅考查学生对物理原理的理解水平，更能考查学生能否依据实验原理设计科学可行的实验方案.而纸笔测试给定具体的实验情境，弱化了对实验方案设计的考查，因此实操测评对学生实验设计能力具有更高的要求.

（2）实操测评较纸笔测试更侧重于对学生实践能力和实践意识的测查.

实践能力是教育所关注和强调的重要内容，其具体表现为动手实际操作能力.纸笔测试对实验操作能力的考查主要体现为操作细节的规范.通过学生访谈反映，纸笔测试中关于操作细节的考查对实际操作起到一定的提示和帮助作用.但在实际操作过程中学生在斜面搭建、打点计时器的使用方面表现不佳.A 同学在访谈过程中表示“平时很少做实验，看到实验仪器后无法根据实验仪器的结构判断其用途或使用方法”.

“知行不一”是学生实验能力表现的突出特点，其根源在于纸笔实验和真实实验的脱离.“重复测量、重复操作以减少偶然误差”是实验试题中的考查热点问题，然而，在实际操作中，仅B同学进行了重复操作，选择了点迹清晰，并且运动情况相对理想的纸带，反映了纸笔测试在操作能力考查上的局限性.实验结束后，应整理实验仪器，平放在实验桌上，由于学生长期经历“黑板实验”，只有少数学生实验结束后整理实验仪器，大多数学生在实验活动中缺乏良好的实践意识和行为习惯.

虽然纸笔测试对学生实验操作细节和规范的考查对实际操作起到一定帮助和提示作用，但是动手操作及学生的实践意识和行为习惯是纸笔测试在实验能力考查上无法涉及的.故黑板上讲实验或纸笔实验测试题无法培养学生的实验操作能力.

（3）实操测评对实验数据获取与记录考查更为真实可靠.

纸笔测试题无法考查学生对实验数据的真实记录能力，往往仅停留于对实验数据处理能力方面，例如基于实验数据计算相关物理量及对图像处理和分析，无法让学生真实亲历实验数据获取和记录过程，且试题的实验数据往往剔除了真实实验的问题数据，与真实实验环境中获取的数据存在差异.例如图3 为纸笔测试题“探究匀变速直线运动规律”提供的实验数据，相邻计数点的位移差近似为定值，是理想的匀变速直线运动，学生在解题时利用逐差法计算出运动的加速度即可.

图3 纸带数据记录

在真实的实验室操作情境中，学生对实验数据收集和处理能力主要体现在数据的获取、记录以及数据处理与分析两个方面.在选取计数点时学生出现的典型错误有：选点时连续选择相邻的5或6个计数点，导致选点过于集中.选取计数点之后，应测量并计算相邻计数点的间距.学生有两种测量方法：有的学生固定测量起点，依次测量起点与计数点之间的距离，然后作差得到相邻两个计数点的距离.还有学生则直接测量相邻两点的间距，不断移动刻度尺改变测量起点，与上一种测量方式相比具有一定的测量误差.测量之后应合理设计数据记录表格，客观真实地记录实验数据.而学生在实验室操作考试中，均未以表格记录实验数据.大部分学生在记录数据时比较随意，缺乏规范性，直接将纸带划至数据记录区域，将相邻两点的间距标注在计数点旁边.

学生对实验数据的处理能力和学生经历的认知过程是一致的，如果学生在纸笔测试中能够依据实验原理利用数学方法对数据或图像进行处理和分析，得到正确的答案，相应的在实验室环境中亦可对获取的数据进行分析，故而纸笔测试对局部数据收集及处理能力的考查具有一定的效度.

（4）实操测评对学生实验总结反思能力考查更全面深入.

纸笔测试对总结与表达能力的考查主要集中在根据实验数据得出实验结论、误差产生原因以及实验设计方案改进等方面.在解题过程中，学生通过在脑海中再现物理实验场景或呈现现实中的问题情境，思考可能带来的误差原因及仪器或原理的改进.而在实验室环境中，学生经历了真实的实验过程，对误差产生的原因理解则更为全面和深刻.总结与反思不仅包含误差分析，也包括从实验设计、实验操作、数据记录等方面对实验的科学性、可行性、简便性等的反思.例如D 同学在实验结束后，提出新的实验设计想法，即把铝制斜面水平放置，将弹簧测力计与木块相连固定在一端，拉动铝板，记录弹簧测力计示数，然后称量木块质量，进而求得动摩擦因数，此设计可避免测量以减小实验误差.再比如E 同学在反思中提到由于实验仪器不完善导致实验中存在系统误差，该学生在实际测量过程中发现物块的运动并不是一个理想的匀变速直线运动，故其提出原因是斜面各部分光滑程度不同，应对实验仪器加以改进.

总之，在实验室实际操作对总结与反思能力的考查中，学生可以结合真实的实验情境从仪器、操作、设计等方面考虑更多的细节问题，同时对于误差产生的原因可以有更深刻的认识和了解.

纸笔测试与实操测评对学生实验能力的测查，将会在我国长期存在，充分了解两种测评方式的差异性，有利于教师做好实验测评及实验教学工作.通过上述研究，得出如下结论.

（1）实操测评对学生实验能力测评具有较高的效度.实际操作测评较纸笔测试对实验能力的考查存在质的差异性.首先，实操测评更重视实验方案的设计、动手操作能力及观察能力的考查，纸笔测试则侧重考查实验原理以及数据分析处理等局部实验能力.其次，实际操作对实验能力的考查具有生成性和完整性.纸笔测试一道试题不会做或者做不好，并不会影响下一道试题的作答，而实际操作整个过程环环相扣，学生需经历完整的探究过程，从设计到操作，再到数据获取、记录和分析，概括总结实验结论，并对实验过程进行反思和总结，一个环节失误或无法进行将导致整个实验过程失败，因此，实操测评对实验能力考查的整体效度较高.

（2）纸笔测试对学生实验能力考查具有较大局限性，与学生真实表现力不具有显著相关性.纸笔测试对实验设计能力的考查缺乏开放性，对实验操作能力考查效度低，总结与反思能力考查不全面不深刻等，但是纸笔测试对实验原理、数据处理分析能力的考查方面具有较高效度.

（3）纸笔测试仍长期存在，但实验实际操作测评会越来越得到重视.鉴于纸笔测试具有低成本、高效率等优点，在目前我国基本国情和条件限制下，纸笔测试仍会存在相当长时间，为避免题海战术和“黑板实验”，应不断创新问题情境、取材背景以及设问方式，保证笔试的效度.随着国家改革的不断深入，部分学校或教育部门尝试用实际操作对学生实验能力进行考查，创造条件并积极探索，完善考查方式，探索开发与之相对应的评价工具，以实现实验能力全面科学的考查，进而发挥评价良好的导向功能，让实验教学回归到实验能力的培养中去.