物理学科能力及其表现研究

　　摘要：核心素养发展重在关键能力的提升。聚焦物理学科能力，基于理论研讨和多轮实证测评检验，确定了三个维度、九项一级指标的物理学科能力表现框架。通过大样本跨年级测评探查学生的实际能力表现，划分了学生物理学科能力表现的7级水平，从关键能力的角度对学生物理核心素养的发展现状进行了诊断性描述，为核心素养的分级评价提供了实证资料。在物理教学中要以促进学生核心素养发展为导向，针对学生物理学科能力的发展现状，特别是测评中发现的薄弱点，引导学生关联整合知识、建构物理观念，在科学实践中培养能力，并基于系统评价改进教学。

　　关键词：核心素养；物理学科能力；能力表现测评；

　　作者简介：郭玉英(1957—)，女，山东人，北京师范大学物理学系教授，主要从事科学教育、物理教育研究；；张玉峰(1973—)，男，山东人，北京市教育科学研究院基础教育教学研究中心物理教研员，中学高级教师，主要从事物理课程与教学论研究；；姚建欣(1989—)，男，山东人，教育部基础教育课程教材发展中心工作人员，主要从事科学教育和课程教材研究。

　　新时代的人才需求确立了当代教育改革的主题———促进学生核心素养的发展。核心素养是学生在接受相应学段的教育过程中，逐步形成的适应个人终生发展和社会发展需要的必备品格与关键能力。[1]必备品格和关键能力的培养，均需以具体的学科课程为载体，通过有针对性的测评来诊断，通过精心设计的教学来促进学生发展。

　　从文明早期的朴素理论，到经典物理体系的确立，再到相对论、量子论等的不断革新，物理学代表着人类智慧对自然奥秘的不懈探索。在基础教育阶段，物理课程有着独特的育人价值，物理学科能力是学生的物理观念、科学思维、探究能力和创新精神的统一体，是物理核心素养的重要组成部分。本文基于国内外已有的相关研究，探索物理学科能力的内涵、结构和表现测评，为后续物理核心素养的研究提供基础和实证依据。

　　一、研究基础

　　物理学科能力是指学生顺利进行物理学科的认识活动和问题解决活动所必需的、稳定的心理调节机制。其内涵是系统化、结构化的物理学科知识技能及核心活动经验图式(稳定的学科经验结构)对学习行为的定向调节和执行调节。对物理学科能力的构成和表现，国内外学者共同积累了丰富的理论预设和实践经验，以下对这些成果进行梳理和讨论。

　　(一)我国物理学科能力的相关研究基础

　　通过对百年来物理教育纲领文件的梳理发现，我国物理教育界一直有着重视能力培养的传统。[2]1929年，《初级中学自然科暂行课程标准》中对学生提出“养成观察、考查及实验的能力与习惯”的要求，这是我国物理课程纲领文件中第一次出现“能力”这一术语。在随后的文件中，对各类具体能力(如观察能力、实验能力等)的要求陆续被增添进课程标准和教学大纲中，使得物理教育过程中的能力培养目标越发清晰，物理学科能力体系也初现其形。

　　与课程发展同步，我国物理教育研究者也长期关注如何在物理教学过程中培养学生能力，特别是与物理学科的思维方法、探究精神相契合的物理学科能力。通过物理教学与心理学相关理论的结合，对物理学科能力的研讨在20世纪80、90年代起逐渐系统化。例如，段金梅和武建时主编的《物理教学心理学》，从知识、技能和能力三者的关系出发，结合中学物理教学的目标和特点，提出中学物理教学中需注重培养的五方面能力：观察实验能力、思维能力、分析问题解决问题的能力、自学能力和创造性思维能力。[3]续佩君教授从教育测量的视角，界定物理能力为物理学习中获得发展的、影响个体完成相应物理学习任务的心理特征，并给出各子能力的评价方案和分析案例。[4]进入21世纪后，研究者们沿着多元的视角继续着对物理学科能力的解构，探讨物理学科能力的关键要素和要素间的复杂联系。[5]

　　(二)西方物理学科能力的相关研究基础

　　虽然东西方物理教育研究的话语体系存在差异，但是对能力培养的重视是共通的。然而，与我国以学科为中心划分课程教学研究体系不同，西方国家特别是英美的基础教育阶段，物理教学和研究常从统整的科学教育的视角来进行。[6]在此背景下，我们从整个科学教育的视角对西方与物理学科能力相关的表征、思维、建模以及探究等能力要素进行综述。此外，与我国学者优先关注物理学科能力的整体框架不同，西方的相关研究往往重点聚焦某一能力要素。在西方学者关注的能力要素中，科学探究和科学思维是研究者们关注的焦点。

　　实验与探究奠定了物理学的实证基础，同时也是当代物理教育的核心实践活动。早期，实验探究被视为过程技能的集合，持这种观点的研究者假设观察、假设、推理、预测等是独立的技能，通过训练学生的这些独立的要素能力，学生的科学探究能力就能得到发展。随着研究的深化，把探究视为基本科学过程技能的集合的这类观点受到了质疑和批评。[7]当前，学术界普遍将科学探究视为以科学思维为核心、包含若干关键要素的问题解决过程，此过程包含提出物理问题，形成猜想和假设，设计探究活动，获取和处理信息，基于证据得出结论并做出解释，以及对实验探究过程和结果进行交流、评估、反思等要素，并依据问题情境的不同而具有一定的灵活性。[8]

　　科学思维和科学推理联系紧密，更有学者将两者视作同义。[9]对科学思维和科学推理的研究起源于20世纪中叶，韦特海默(Wertheimer)、布鲁纳(Bruner)和皮亚杰(Piaget)等从不同的角度奠定了当今对科学思维和科学推理研究的理论基础。沿袭不同的理论范式，学者们对科学推理和科学思维的定义进行了讨论。柯拉(Klahr)认为科学推理是科学活动中涉及的高级思维过程，包括在产生理论、实验设计、假设检验、数据解释和做出科学发现等过程中的思维活动。[10]另有学者按推理的形式将科学推理分为归纳推理、演绎推理等若干方面。[11]综合这些研究，无论哪种范式沿革，情境表征、问题解决、因果思维、假设检验、以及归纳、演绎和类比等的研究长期以来一直是科学思维研究的主体内容。

　　(三)物理学科能力表现的研究方法

　　在注重理论研讨的同时，中外学者还对物理学科能力表现进行了长期的实证检验。在研究早期，以小规模的观察、访谈和实验干预为主，通过对学生表现的质性分析，形成并检验理论假设。随着理论假设的结构化和系统化，量化分析手段在物理学科能力的研究中得到了越来越多的应用。

　　因子分析(factoranalysis)是探索和检验能力的内在结构的重要方法之一。例如郭玉英和阎金铎使用探索性因子分析，发现了物理思维能力的三个主因子[12]，美国学者劳森(Lawson)检验了科学推理能力的六个维度[13]。在项目反应理论(itemresponsetheory，IRT)逐渐为教育学研究者所熟悉后，跨年级测试、追踪测试成为最重要的研究方法。结合安可夫法(Angoffmethod)、书签法(bookmarkingmethod)等水平划分方法，通过对不同学生群体的能力表现发展水平的比较和描述，既拓展了对能力发展区间的认识，初步探索了能力发展脉络，还能对区域、学校及个体的能力发展状况进行分析，为课程设计和教学设计提供参照。

　　二、物理学科能力表现的理论框架

　　以“中小学生学科能力表现研究”总项目组提出的学习理解、应用实践、迁移创新的学科能力及其表现的总模型为基础[14]，结合物理学科的自身特色，提出物理学科能力表现的理论框架。

　　(一)物理学科能力表现的整体架构

　　从前面的文献回顾可以看到，物理学科能力一直是物理教育研究与实践的核心议题，中外几代学者围绕其内涵、培养和评价等问题从不同的视角、沿袭不同的范式展开了深入的理论探讨和实证研究。综合分析已有研究成果，比较一致的观点有：第一，物理学科能力是一种综合性的能力，包括多个方面或多个维度，其中科学思维、解释论证、实验探究等是不同解构视角中的共性要素。这些维度有的是基础性的子能力(如观察、记忆、概括等)，有些是较高级的子能力(如迁移、整合、创新等)。第二，物理学科能力既有一定程度的迁移性，又与对物理学科具体内容的认识紧密关联。故物理学科能力的测评需在具体的物理问题情境中进行。第三，物理学科能力可以通过学生的物理学科活动表现进行测评和推断。

　　在基础教育阶段，学生的物理学科能力是通过学习理解、应用实践、迁移创新三类活动表现出来的，这三类活动也涵盖了学生当下学习生活和应对未来社会挑战的基本内容。因此，物理学科能力表现框架由三个能力维度构成：学习理解能力、应用实践能力、迁移创新能力。三个维度的能力既相对独立又相互影响，其中学习理解能力和应用实践能力相对基础，迁移创新能力则对学生提出了更高要求。

　　(二)物理学科能力表现的具体指标体系

　　学习理解是指学生顺利进行物理知识的输入和加工活动的能力。具体表现为能否完成回忆和提取、辨识和确认、概括和关联、说明和论证等物理学习理解活动。因此，学习理解进一步具体分解为观察记忆、概括论证、关联整合三类任务，并作为学习理解表现测评的一级指标。

　　应用实践是指学生能够应用物理学科核心知识和科学思维分析和解释物理现象、解决实际问题的能力。具体表现为学生能否完成分析和解释与物理有关的实际情景问题、进行预测与推论、选择并设计问题解决方案等应用实践活动。因此，实践应用进一步具体分解为分析解释、推论预测、综合应用三类任务，并作为实践应用表现测评的一级指标。

　　迁移创新是指学生能否利用物理核心知识和科学方法等，解决陌生和不确定性问题以及发现新知识和新方法的能力。具体表现为能否进行复杂推理、系统探究、发散思维、想象、创意设计、批判思考、在新颖物理情境下建构新模型等基于学科的创造性活动。因此，迁移创新进一步具体分解为直觉联想、迁移与质疑、建构新模型三类任务，并作为迁移创新的一级指标。

　　为了实现精准的命题测试和评价，研究团队分别对不同活动类型的一级指标进行细化，拟定了二级指标。概括上述对每一类活动类型的指标，并经过三轮命题和大样本测试的检验与修正，最终得出了物理学科能力表现的指标体系，如表1所示。

　　三、物理学科能力表现的实证研究

　　基于物理学科能力表现框架设计评价工具，对北京、广东、山东等省市的部分辖区进行了跨年级抽样测试，以探查在目前的教学情况下，学生的物理学科能力表现。结合理论框架和测查结果，划分表现水平，描述样本学生能力表现的现状。

　　(一)物理学科能力表现的测评设计

　　依据合理流程开发评价工具并施测是保证评价效度的必要前提。本研究依据如下流程开发评价工具。

　　第一，拟定测试蓝图。根据物理学科能力表现评价指标体系(表1)，以核心概念的理解和应用作为能力考查载体，拟定测试蓝图。蓝图详细说明内容载体、问题情境、相应任务类型的二级指标等内容。随后整体讨论测试蓝图，以使测试内容清晰，且在能力分布、知识分布和情境类型等方面力求平衡。

　　第二，编制与审校试题，制订评分标准。依据测试蓝图，改编或新编测试题，对应每个试题考察的能力要素，制订能区分学生不同水平的评分标准。在此过程中，核心关注点是试题考查的能力指标，基础是试题的科学性，同时要兼顾试题难度的适宜。随后团队进行内部磨题并外请专家审校，提升试题质量。

　　第三，组卷与试测。测试题编制完成后，按测试对象进行组卷。组卷时既要考虑每个试题的难度、试题类型、情境等指标，还需考虑整份试卷的整体难度、与学习进度的匹配、能力和知识分布等因素。为实现考查不同年级学生物理学科能力发展的目的，在相邻年级测试卷中设置不少于三分之一的链接题(linkingitem)。最后进行预测试。分层选取样本，试测试卷，并进行有针对性的访谈。基于项目反应理论对测试工具的信度、试题的难度以及与模型匹配度(MNSQ)等指标进行考察。综合统计和访谈的结果，由专家组修订试题，确定正式的测试卷。

　　最后是正式测试。在地区考务系统的协助下，对目标群体进行分层抽样测试。测试后利用计算机辅助阅卷系统进行评阅，以保证评分者一致性在90%以上。

　　(二)物理学科能力表现的水平划分

　　对学生样本的行为表现进行观测后，对表现水平进行划分是包括教育研究在内的各类行为表现研究的关键步骤。在一些早期的研究中，水平划分主要是基于专家的经验判断，随后安可夫法(1971)、伊博尔法(1972)等的提出使得水平划分工作逐渐流程化，系统化。随着教育测量研究的发展，里维斯(Lewis)等研究者在传统的水平划分基础上提出了书签法。[15]与传统划分方法的最大不同在于，书签法结合项目反应理论拟合出的实测指标和专家的经验判断。其主要步骤为：(1)基于测试目的和理论探讨，确定水平的大致描述；(2)基于Rasch模型对实测数据分析处理得到各试题的难度值，将试题由易到难排序，装订成册；(3)学科专家分别在处于水平分界线的学生处(此学生答对试题的概率达到某一标定值，例如50%或66%)放置“书签”；(4)所有学科专家展示各自的“书签”放置结果，并交流讨论；(5)重复进行第二轮和第三轮；(5)综合三轮过后各专家水平划分结果，得到最终的水平分界线。

　　虽然在书签法中对前期测量工作和专家讨论环节有较严格的要求，但是基于对实测结果的统计分析，能使得在专家讨论前对试题难度有较为准确的量度，通过规范的任务流程来汇总实证结果和专家经验，使对水平的判断更加准确、客观，故书签法已经成为了当前国际大型测试最常用的水平划分方法。本研究基于在北京市部分地区的跨年级测试所获得的数据，遵循书签法的主要步骤流程进行水平划分，将物理学科能力的表现水平分成了七个层级。(见表2)

　　(三)样本群体的能力发展现状

　　前面划分的七个能力表现水平初步描述了学生物理学科能力的进阶脉络。以在某次测试中的结果为例，学生在各表现水平上的分布如图1所示。综合考察历次测试的结果，学生能力表现的分布趋势大体上与此一致。经过物理课程的学习，各年级学生的物理学科能力都得到了一定程度的发展。学生能了解所学的物理概念和规律，并基于对这些物理概念和规律的认识，初步描述和分析常见的物理现象，解决一些物理问题。

　　同时研究还发现，能达到较高水平(水平6、水平7)的学生仍较少，即建立概念、规律间的关联，形成整合的物理观念，根据问题情境建构模型等能力要求在当下仍对物理教与学提出了挑战。

　　跨年级施测和链接题的设计，使得描述学生随年级的“发展”成为可能。图2表征了某地区参与测试的五个年级(8—12年级)的学生能力表现。从中可以看到，在刚开始物理课程学习时，学生物理学科能力多处于较低水平。随着物理课程的学习，学生的表现水平分布在发生变化，处于低水平的学生比例越来越小，处于中间水平的学生比例在增加，高水平的学生的数量在高中阶段有明显增长。

　　在对物理学科能力表现的整体分析的基础上，本研究重点聚焦了与核心概念和科学实践相关的能力表现，并进行了专题研究。分析描述了学生在能量、力与运动、电与磁等核心主题上的能力进阶水平，发现同一样本在不同主题上的能力表现存在一定差异。在能力测查的同时，还调查了学生能力发展的影响因素，比较了城乡差异、学校类型差异对学生表现的影响。[16]研究还对科学解释、科学论证和建模等能力进行了具体分析。[17，18，19]限于篇幅，这里不再一一展开。

　　四、结论与建议

　　本研究通过对学生物理学科能力表现的系统研究，为绘制物理核心素养的进阶蓝图提供了实证参照。总结研究结论，针对研究发现的物理学科能力发展中存在的问题，对发展学生物理核心素养的教学和评价提出几点建议。

　　(一)主要结论

　　通过系统的理论研讨和多轮实证测评，确定了物理学科能力表现框架并检验了其有效性。该框架确立了物理学科能力测评的具体维度和相应的指标体系，进而确定了对应的任务类型，为开发学科能力评价测试工具，有针对性的诊断学生的物理学科能力发展提供了参考框架。

　　基于跨年级、大样本测试结果划分出的学生物理学科能力发展的七个水平，能较客观地描述中学生在物理课程学习过程中学科能力的发展现状。七个水平呈现了在现有课程教学情况下学生物理学科能力的进阶，为有效诊断学生能力发展的状况，进而推断学生核心素养的发展水平提供了标尺。可以作为形成性测试的常模参照，据此进行能力发展诊断，进而描述学生的进阶脉络，为后续研究和学校教学改进提供参考性依据。

　　研究还初步揭示了学生的能力发展现状。整体分析学生在三个能力维度上的表现，学生在学习理解维度上表现较好，在应用实践维度上表现尚可，但在创新迁移维度上的表现不甚理想。具体到每个维度来探讨，在学习理解维度上，学生在观察记忆与概括论证上表现较好，但在关联整合上表现欠佳；应用实践维度上，随着年级的升高，学生的应用实践表现有发展，但学生的分析解释、推论预测和综合应用能力并不是随着所学知识的增多而自行增强，还有待于教师有意识地培养；迁移创新维度是学生能力发展的薄弱点，与我国当前注重创新型人才的培养目标还存在较大差距。

　　(二)对教学和评价的建议

　　第一，引导学生关联整合所学知识，建构相应的物理观念。测评结果显示，大多数学生对知识的认知比较零散、孤立，呈现出碎片化倾向，这与“应试教育”环境下的一些教学过度强化知识点和解题策略有关。教师应围绕物理学科的物质观念、运动和相互作用观念、能量观念，引导学生建构知识之间的内在联系，打破各个重要概念间的孤立情况，促进学生围绕核心概念的知识整合与发展。

　　第二，让学生在科学实践活动中发展物理学科能力。物理学科能力不是在“告知”和“机械训练”中发展出来的，而是在应用物理观念分析实际问题，进行预测、解释、推论等实践活动的过程中逐渐养成的。这提示我们要转变课堂教学观念、尝试能促进学生参与实践的新课堂形式。以科学解释为例，在具体教学实践中，教师应多创设真实的问题情境，让学生应用所学物理模型、概念和规律进行解释实践，培养其科学推理的严谨性、连贯性以及表述的准确性。在此基础上，基于证据对现有解释进行评估和质疑，提出新模型，尝试更好的解释。在课堂中参与探究、建模、解释和论证等科学实践活动，不仅能有效促进应用实践和创新迁移能力的发展，还有助于学生的科学态度与责任的培养。本研究发现，学生的情感态度与物理学科能力相关性最为显著，应使学生产生学习物理的内驱力，养成探索自然世界的兴趣。教师应根据学生的发展水平循序渐进，从最基础的问题逐渐深化，在有挑战性的探究活动中，适当提供“脚手架”，提升学生的自我效能感，引导学生在自己突破问题的成就感中成长。

　　第三，以系统评价促进学生能力发展。设计良好的评价，有助于诊断能力发展现状，引导并促进物理学科能力的发展。促进学生物理学科能力发展的评价应首先要实现精准评价，即在设计过程中需明确评价目标、选择合适的情境和知识载体、同时要控制干扰因素。依据本研究提出的物理学科能力表现框架，预设具备了某一能力能完成的任务类型和相应的表现，通过测评结果分析诊断学生的能力达到了哪一发展水平，能力发展是否均衡，存在哪些问题，从而有针对性地调整教学的设计和实施，进行课堂教学改进。了解能力发展现状的手段有很多，除了本研究采用的大规模测试之外，对于教师而言，对学生的访谈和观察是了解能力发展现状的最直接、最有效的手段。除了了解学生能力发展现状外，还应该具体了解影响学生能力发展的其他因素，从整体上判断学生物理核心素养的发展状况。