基于虛擬設計性物理實驗的科學探究能力評價研究

陳雅馨　張志華　方愷

摘 要 科學探究能力是體現科學素養水平的重要指標，科學探究能力的培養已成為當前國際科學教育改革的核心理念。物理課程標準對科學探究及大學物理實驗能力作出了明確的要求。但是，目前在“設計性物理實驗”中表現出的科學探究能力的評價體系并不完整。為此，本研究構建了基于虛擬設計性物理實驗的科學探究能力評價量表及結構方程模型，該模型在有效性和合理性等方面均達到標準。同時本研究根據模型擬合結果對科學探究能力各維度設置了相應權重?；诖四Ｐ瓦M行實證研究，結果表明，不同性別的學生在科學探究能力方面存在顯著差異，而不同年級的學生則沒有顯著差異。此外，學生已有的知識水平對科學探究能力下“分析與論證”維度起到了較為顯著的調節作用。

關鍵詞 科學探究能力評價;虛擬設計性物理實驗;結構方程模型;調節效應

隨著21世紀科學技術的迅速發展，科學素養已經成為人才必備的核心素養之一?？茖W探究能力的高低是科學素養水平的直接體現，許多國家和教育組織已將科學探究能力納入他們的課程和評估之中，現今的科學教育已經從單純關注事實和概念記憶轉變為注重培養學生的高階思維技能。在實驗教學過程中，科學素養能在實驗的每一個步驟中得到很好的培養和提升[1]，作為一門大學理工科專業的公共基礎課程，物理實驗課程教學重視學生科學探究能力培養，“設計性物理實驗”是物理課程中重要的內容。

設計性物理實驗銜接了基礎教學實驗與高階科學研究實驗，其教學以學生為主體，由學生自己動手設計，在實驗過程中，思考和認識實驗現象和實驗結果所反映的物理本質，從而形成物理概念，揭示物理規律。相較于教學內容較為固定的基礎實驗，設計性物理實驗的教學目標重在培養學生科學探究能力、開放性思維和創新意識[2-3]。課程標準對科學探究及大學物理實驗能力作出了明確的要求，其中在“設計性物理實驗”中表現出的科學探究能力的評價體系需要進一步明確和研究。因此，建立一個基于設計性物理實驗的科學探究評價模型是當前大學物理教育研究中的一個重要課題。

本 研究利用結構方程模型構建了基于虛擬設計性物理實驗的科學探究評價體系，模型在有效性、合理性等方面均達到標準。同時，本研究利用此模型進行了實證研究，探索當代大學生科學探究能力現狀，并通過實驗結論得出改進科學探究教學和評價的建議以及對該評價模型的優化方向。

1 文獻綜述

1.1 設計性物理實驗

設計性實驗中，實驗方法的可拓展性和實驗結果的不確定性要求學生具備探究的意識以及掌握探究的基本原則和技巧，設計性實驗有助于激發學生的探索熱情和提高科學探究問題的能力[4]。

根據設計性物理實驗類型屬性進行層次劃分，大致可分為驗證型、研究型、應用型和高新型[2]。驗證型是指學生獨立設計出一套新穎且有效的方法來驗證某一物理現象或物理定律。研究型強調探索物理量之間的關系、物理學的內在聯系以及對物理實驗進行改革、拓展和創新的研究。應用型重在體現其設計的應用性，學生需要設計出某一產品或某一測量方法能為實際所用。高新型主要鼓勵和選拔優秀學生參與到物理學中某些熱點、前沿領域的研究和開發活動。

根據設計性物理實驗的操作類型可以分為虛擬實驗和實做實驗，相關研究表明[5]，在正確的環境中使用虛擬實驗室作為教育工具，無論是培養學生使用物理儀器方面，還是幫助學生理解知識概念方面比實做實驗室更有效。

因此，本研究采用美國科羅拉多州立大學開發的電磁學虛擬實驗室[8]（如圖1所示）作為設計性物理實驗實證研究載體。國際上基于此實驗室已經進行了多項研究，Keller， C.J.等人證實該虛擬實驗室在大學本科物理教育中有效[6];KatherinePerkins等人利用訪談法進行實證研究，發現70%的學生認為該虛擬實驗室能幫助他們理解復雜的電磁學物理知識[7]。虛擬實驗室具有多種電路元件及配套測量工具，在該線上實驗室中可以完成的設計性物理實驗類型主要為：驗證型和研究型，學生可自主選擇相關電路元件驗證某一物理現象和物理定律或者研究物理量之間的關系。

1.2 科學探究能力評價體系

科學教育的教育理念起源于國外，國際典型的科學探究能力評價的方法主要有國家層面的評價項目及三大國際著名的學業評級項目。國家層面上，主要有英國的學業評價機構（APU）、普通教育證書（GCE）以及美國的PADI科學探究能力評價模式。三大國際著名學業評級項目為經合組織OECD組織實施的國際學生評價項目PISA、1995年由國際教育成就評價協會發起的國際數學和科學評測趨勢項目TIMSS以及1969年由美國國家教育評測中心開始實行的全國性評測NAEP。

APU 認為，科學探究是一種以解決問題為目標的過程，它通過獲取有效證據和反思評價來不斷調整和改進整個科學探究過程，APU 將科學探究能力要素分為6個方面[9]：符號表征的使用、器材和測量工具的使用、觀察能力、解釋和應用、探究設計、整體探究表現。PISA2015提出了科學素養的概念，它包括科學知識和科學技術，而科學能力則是其中的核心?？茖W能力主要分為三種[10]：第一種是能夠解釋各種科學現象，對其進行認識和評價;第二種是能夠評價和設計科學探究，即提出科學問題并找到解決方法;第三種是能夠科學地解釋數據和證據，分析不同的科學數據和參數表達方式，并得出準確的結論。

馬永雙采用PTA 量表法，通過對學生科學探究能力活動及能力進行要素分析，并借鑒多位高校教師的建議和相關文獻，創建了科學探究能力的PTA 評價量表，使得科學探究能力的評價從抽象化變得具體化[11]。該評價量表在多篇碩士學位論文中得到了應用，例如郭靜的《中學化學教師及化學師范生科學探究能力發展現狀的調查研究》[12]。

從以上國內外所提到的評價體系來看，都涉及了科學探究領域的實踐內容，比如APU 將科學探究能力要素分為6個方面[9];PISA2015提出了3種能力要素[10]。由具體的評價內容來看，以上的評價體系都涉及了以下的6個維度：

（1） 提出問題：對給定情境中的現象進行觀察，從而提出可以研究的科學問題;

（2） 猜想與假設：針對自己提出的問題，作出合理的假設;

（3） 實驗設計：在情境中設計實驗方案;

（4） 數據收集：對實驗數據的收集和處理;

（5） 分析與論證：根據收集到的數據對假設進行驗證，并且下結論;

（6） 評價與反思：反思自己的實驗過程以及需要改進的地方。

所以本研究將根據以上總結出的幾個維度進行基于設計性物理實驗的科學探究能力量表設計。

1.3 科學探究能力評價形式

國際上評價學生科學探究能力主要有四種形式：觀察法、紙筆測驗、工作單和計算機模擬[13]。觀察法是老師們在一旁觀察學生的探究活動，并根據觀察結果給出定性和定量的評價。雖然這是被視為最有效的評價方式，但成本較高[13]，紙筆測驗是以測試的形式考察學生的探究能力，雖然成本較低，但題目之間關聯度不高，與真實情境表現出的探究能力有差異[14]。工作單則是讓學生實際進行探究并將結果寫在一張單子上，教師進行延時評分，其成本較低且操作方便，因此得到廣泛地應用[14]。計算機模擬是一種新的評價方式，學生在計算機模擬的探究情境中進行操作并接受評分，具有成本低、評價可觀性強和及時保存等優點，不過，其前期開發成本較高，且需要被測試者具備一定的計算機操作能力[15]。

本研究采用工作單的評價形式，根據開放程度的多少，可以將工作單分為三種：引導性、開放性和結構性工作單，國際上也有一些著名的教育評價專家對工作單的效度進行了實證研究，發現其效度是依次升高的，均達到了0.67[16]。本研究采用效度最高的結構性工作單，將工作單開發成電子工作單，嵌入物理實驗平臺，學生進行設計性實驗時填寫工作單，研究者按照構建的科學探究能力評價量表進行延時評分。

2 研究設計

2.1 研究對象

本研究以華東地區T大學203名學生作為研究對象。通過收集這203名學生在設計性物理實驗中填寫的知識水平前測問卷及結構性工作單數據，并進行整理，清除無效數據后，最終篩選出189名學生作為研究對象。其中，大一學生為80人，大二學生為109人;男性134人，女性55人。

2.2 科學探究能力評價量表設計

科學探究能力必須外顯為具體的、可測量的行為，才能進行有效地評價?？茖W探究能力是隱變量，不能直接對其評價，要將這些要素外顯為學生的行為特征，才能完成評價[17]。將科學探究能力劃分為以下6個二級維度：提出問題、猜想與假設、實驗設計、數據收集、分析與論證、評價與反思，每個二級維度需要考慮其2～3個具體的表現水平。這些水平應基于以下幾個因素：系統性、深刻性、相關性和創造性，其表現水平分別對應“孤立—聯系—系統”“局部—完整”“表象—本質”“無關—相關”“簡單情境—復雜情境”等[18]。

基于設計性物理實驗的科學探究能力評價體系中，最核心的二級維度為：實驗設計，該維度能反映學生在進行設計性物理實驗時真實的實驗設計能力;為了對學生的學習成果進行分類，本研究采用SOLO（Structure of the observed learningoutcome）分類理論，將學生的可觀察學習成果結構分為五個層次：前結構、單點結構、多點結構、關聯結構和抽象擴展結構[19]。每個層次給出不同的等級分數，這樣學生的回答質量就可以被量化，分數也可以作為評價的依據[19]。具體的評價維度和其對應的外顯水平得分如表1所示。

2.3 研究平臺搭建

本研究采用html5、JavaScript、Springboot、MySQL等編程技術，開發了PC 端物理實驗平臺，學生可以在該平臺上完成知識水平的前測及設計性物理實驗的結構性工作單[20]（如圖2、3所示）。平臺的搭建提升了數據收集的效率，可以滿足上百名學生同時進行設計性物理實驗。

3 研究結果

3.1 模型檢驗

本研究共收集了189份學生設計性物理實驗工作單數據，用擬定的科學探究能力評價量表進行評分，利用SPSS軟件與AMOS軟件分別對基于虛擬設計性物理實驗的科學探究能力測量模型的信效度以及其結構模型的擬合度進行檢驗。為了進一步確定指標權重，確保模型能夠運用到教學實踐中，利用各變量間的標準化系數來確立潛變量和觀測變量的權重。

1） 測量模型信效度檢驗

使用SPSS 27.0統計軟件分析初始測量模型所得Cronbachs α系數=0.839>0.8，說明整體量表的可靠性較好。在Bartlett球形檢驗中，KMO（Kaiser-Meyer-Olkin，檢驗統計量）系數=0.782>0.7且p=0.000<0.05，符合球形檢驗標準。結合KMO值和Bartlett球形檢驗值兩項指標綜合評估，本量表信效度良好，適合進一步分析。

2） 結構模型擬合度檢驗

用AMOS軟件對假設模型和各個因子之間的關系進行檢驗，根據檢驗結果對假設模型進行多次修訂。運行結果如表2所示，絕對適配指數、增值適配指數以及簡約適配指數均在擬合指數評價標準范圍之內，這說明結構模型的擬合度較好，可以進行結果解釋。

3） 權重設置

圖4是完整的結構方程模型，其中觀測變量、一階潛變量、二階潛變量在表1中已做定義，各變量之間用單箭頭直線連接，標準化路徑系數的數值越大則說明變量之間的影響效果越大，各個路徑之間的P 值均顯著，即一階潛變量與二階潛變量之間，二階潛變量與觀測變量之間均通過了檢驗（根據結構方程相關理論，一組觀測變量中至少一個觀測變量需預設其路徑系數為1，預設路徑系數為1的變量，無需討論其顯著性[21]）e（e1～e22）為干擾變量，它與觀測變量之間的數字代表測量誤差。

為進一步確定指標權重，確保模型能夠將學生的科學探究能力量化，需要對各類評價指標的標準化系數按照式（1）進行歸一化處理[22]。W 為模型指標權重，c 為指標標準化系數。

表3是完整的科學探究能力評價模型，將6項二級維度的評價模型歸一化處理后可以得到一階維度“科學探究能力”的評價模型為：科學探究能力=0.17×提出問題（A）+0.13×猜想與假設（B）+0.25× 實驗設計（C）+0.19× 數據收集（D）+0.12×分析與論證（E）+0.14×評價與反思（F）。利用“科學探究能力”評價模型對189名同學的科學探究能力進行評分，因數據已歸一化處理，評分范圍在0～1分之間，并應用于后續數據分析。

3.2 實驗數據分析

1） 性別、年級因素對科學探究能力影響

利用SPSS 27.0軟件，將男、女兩組同學的科學探究能力水平及其6個二級維度進行獨立樣本T檢驗，結果如表4所示。1組為男性，2組為女性。發現男性、女性在設計性物理實驗中表現出的科學探究能力有顯著性差異（P=0.014<0.05）、且具體差異表現在二級維度中的：實驗設計（C）維度（P=0.010<0.05），女生在實驗設計維度均分高于男生，其余二級維度中均沒有顯著性差異。

利用SPSS 27.0軟件，將大一、大二兩組同學的科學探究能力水平進行獨立樣本T 檢驗，結果如表5所示。1組為大學一年級本科生，2組為二年級本科生。發現兩組學生在設計性物理實驗中表現出的科學探究能力并沒有顯著性差異（P =0.793>0.05）?？梢?，不同年級的學生所具備的科學探究能力并沒有很大差別，即知識水平的增長并不一定能促進學生科學探究能力的提高。

2） 知識水平對“分析與論證”維度的調節效應

利用 Hayes（2012）編制的 SPSS 宏中的Mode1（Mode1 假設調節模型與本研究的理論模型一致），自變量為分析與論證，因變量為科學探究能力，調節變量為學生已有的知識水平（根據《大學物理》上冊[23]電磁學部分內容制定了知識水平的前測問卷，共6道題目，其中包括電磁學部分的5道客觀題，最后1題為自評題，為了了解學生自己對電磁學知識點的認知評價，學生的得分將作為學生已有知識水平維度），對假設模型的調節效應進行檢驗，結果如表6所示，分析與論證及知識水平的乘積項對科學探究能力的預測作用顯著（B=-0.38，t=-4.34，p<0.001），說明學生的知識水平能夠在分析與論證對科學探究能力的預測中起調節作用。

進一步通過簡單斜率分析（如表7、圖5所示），知識水平較低（M -1SD）的被試，分析與論證對科學探究能力具有顯著的正向預測作用（simple slope=4.20，t=6.36，p<0.001）;而對于知識水平較高（M +1SD）的被試，分析與論證對科學探究能力產生負向預測作用，且其預測作用較?。╯impleslope=-1.99，t=3.47，p<0.001）。

分析出現高分組負向預測的原因為：設計性物理實驗本身是一個非常開放的實驗，學生可以自由設定探究題目。在已有知識水平較高的學生那組，大部分高分組學生會選擇更具有挑戰性的探究題目（例如：探究為什么電容元件的交流電路中當電容和線路中電阻值較大時在開關閉合一段時間內電容器兩端電壓有效值非恒定？ 低通濾波電路中傳遞函數與角頻率關系驗證等），這些題目可能會超出他們已有的知識范圍。因此，這部分學生在其他維度表現優異，分數較高，但是在分析與論證部分可能會因為自己做出來的結果不佳，導致分數較低。在高知識水平組中，也會有部分學生選擇非常簡單的探究題目（例如：驗證疊加定理、探究小燈泡工作時的內阻等），他們對這些題目的結論已經非常了解和清晰，因此他們在實驗時并沒有認真考慮其他維度，其他維度得分較低，但分析與論證維度得分較高，這就導致了高知識水平組的斜率是負數的情況。該實驗結果同時也引出了模型的優化方向：可以將學生提出問題的難度系數融入模型中以更好地評價學生的科學探究能力。

4 討論與啟示

由研究結果可以得出，不同性別的學生所具備的科學探究能力有顯著差異，且具體差異表現在二級維度中的：實驗設計（C）維度，女生在實驗設計維度均分高于男生。顧乃景等人也曾在研究中發現，性別因素對學生的科學探究能力存在影響，且女生的科學探究能力均分高于男生[24]。不同年級的學生所具備的科學探究能力沒有顯著差異，年級越高的同學并不一定科學探究能力越強。

研究結果還發現，學生已有的知識水平對科學探究能力下的“分析與論證”維度有顯著的調節效應，知識水平較低的被試者，分析與論證對科學探究能力具有顯著的正向預測作用，知識水平較高的被試者，分析與論證對科學探究能力產生負向預測作用，且其預測作用較小。這說明在低階的科學探究能力活動中，被試者已有知識水平較低的情況下，紙筆檢驗或實驗報告（兩種形式主要考察學生分析與論證的能力）的檢驗形式，一定程度上可以反映學生的科學探究能力，但在高階的科學探究能力活動中，被試者已有知識水平較高的情況下，會削弱分析與論證對科學探究能力的預測作用。在此情境下，教師不能只依據學生的實驗報告或紙筆檢驗來評價學生的科學探究能力，要結合多維度的評價體系，例如使用本研究所構建的科學探究能力評價模型進行評價。

本研究利用結構方程模型構建了基于設計性物理實驗的科學探究能力評價模型，該模型在有效性、合理性等方面均達到標準，科學化程度較高，但其中不足之處在于，設計性物理實驗作為一個完全開放性的實驗，學生自己所設定的探究題目也應存在難易度區分。后續研究可以將學生的探究題目的難度系數融入該模型中以更好的評價學生的科學探究能力，而探究題目的難度系數如何定義則需進一步研究。

5 結語

本研究構建的科學探究能力評價模型以多維度的評價方式力求更為全面地反映學生的科學探究能力，教師可以通過評價結果及時發現學生面對設計性物理實驗中的薄弱環節并加以引導，幫助學生開拓思維，挖掘創造潛力，進一步提升科學探究能力。在今后的大學物理設計性實驗教學中，我們將進一步優化科學探究能力評價模型，同時研究評價模型對實做設計性物理實驗的實用性，從而助力物理實驗教學改革。

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