NAEP高中物理科學(xué)試題及評分方式的分析和啟示

吳俊生　詹偉琴

(華南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院　廣東 廣州　511400)

1　引言

NAEP(The National Assessment of Educa-tional Progress)即國家教育進步評價是美國最大的全國性長期評價，這也是由國家教育統(tǒng)計中心(NCES)管理的國會授權(quán)項目[1]．NAEP測試的對象是四年級、八年級和十二年級的學(xué)生．?dāng)?shù)學(xué)和閱讀每兩年進行一次評價，科學(xué)和寫作每4年評價一次．其他科目也定期進行評價，包括藝術(shù)、公民學(xué)、經(jīng)濟、地理、技術(shù)工程素養(yǎng)以及美國歷史．

NAEP認(rèn)為在快速變化的世界中，科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)是全國學(xué)生的重要目標(biāo)．通過科學(xué)教育，學(xué)生可以了解他們所居住的世界，并學(xué)習(xí)在生活的各個方面運用科學(xué)原理．科學(xué)旨在通過實證證據(jù)增加對自然世界的了解，并且通過觀察和判斷這些證據(jù)可以解釋和預(yù)測自然現(xiàn)象．因此，一個具有科學(xué)素養(yǎng)的人應(yīng)該熟悉自然界，了解科學(xué)事實、科學(xué)概念、科學(xué)原理、科學(xué)定律以及科學(xué)理論，如物體運動，活體器官中的細(xì)胞功能和地球的物質(zhì)屬性等．科學(xué)素養(yǎng)還包括運用科學(xué)原理和科學(xué)思維方式來推進我們對自然世界的了解以及利用科學(xué)來解決現(xiàn)實世界中的問題．

2　NAEP高中物理科學(xué)框架的內(nèi)容

NAEP科學(xué)框架主要圍繞兩個維度展開：“科學(xué)內(nèi)容”和“科學(xué)實踐”．

(1)科學(xué)內(nèi)容

“科學(xué)內(nèi)容”分為3個部分：“物理科學(xué)”、“生命科學(xué)”和“地球科學(xué)”．以十二年級為例，所占比例分別是37.5%，37.5%，25%．每部分又細(xì)分為多個領(lǐng)域．高中“物理科學(xué)”部分分為3個領(lǐng)域：“物質(zhì)”、“能量”和“運動”．每個領(lǐng)域的內(nèi)容有各自的主題，“物質(zhì)”分為“物質(zhì)的特性”和“物質(zhì)變化”；“能量”分為“能量的形式”和“能量的轉(zhuǎn)化和守恒”；“運動”分為“宏觀運動”和“力影響運動”，每個主題都有其具體的說明．

(2)科學(xué)實踐

NAEP不僅評價學(xué)生學(xué)習(xí)的科學(xué)內(nèi)容，還將評估學(xué)生使用知識的能力．NAEP將通過“識別科學(xué)原理”、“運用科學(xué)原理”、“科學(xué)探究”與“技術(shù)設(shè)計”4個方面來評價學(xué)生運用科學(xué)內(nèi)容的能力．“識別科學(xué)原理”主要是評價學(xué)生識別、回憶、定義、聯(lián)系和陳述基本科學(xué)原理的能力[1]．“運用科學(xué)原理”評價的是學(xué)生闡明、解釋、分析、運用科學(xué)原理的能力．“科學(xué)探究”涉及到收集相關(guān)數(shù)據(jù)，使用邏輯推理以及運用想象和證據(jù)來設(shè)計假設(shè)去解釋數(shù)據(jù)模式．“技術(shù)設(shè)計”方面，NAEP主要評價學(xué)生運用科學(xué)原理進行技術(shù)設(shè)計的能力．

3　NAEP的題目類型設(shè)計

NAEP的試題類型包括：

(1)單項選擇題；

(2)建構(gòu)反應(yīng)題，包括簡短型建構(gòu)反應(yīng)題，擴展型建構(gòu)反應(yīng)題和概念圖任務(wù)；

(3)組合題，包括試題串、POE項目集、動手表現(xiàn)任務(wù)和交互式計算機任務(wù)[2]．

3.1　單項選擇題

單項選擇題一般有4個選項，4個選項中包含一個正確答案和其他3個具有迷惑性的選項，3個看起來正確的選項應(yīng)該是根據(jù)學(xué)生對已學(xué)知識可能產(chǎn)生的錯誤性理解進行制定的，包括錯誤的概念理解、解釋、預(yù)測等等．如例1所示．

【例1】(十二年級) 如圖1所示，兩只狗按照下面箭頭所示方向?qū)ρ┣潦┘酉嗤牧?，點代表雪橇．試問圖2中哪個箭頭最好地表示了雪橇的運動方向？

圖1　例1題圖

圖2　例題中的設(shè)問

這道題考查的是學(xué)生受力分析的相關(guān)知識，在科學(xué)實踐維度方面屬于考查學(xué)生“運用科學(xué)原理”的能力，需要學(xué)生運用所學(xué)的物理科學(xué)知識預(yù)測將會觀察到的現(xiàn)象．題目中錯誤選項和正確選項的受力方向比較相近，具有一定的迷惑性，學(xué)生需要熟練掌握相關(guān)知識才能做出正確的解答．

3.2　建構(gòu)反應(yīng)題

建構(gòu)反應(yīng)題包括簡短型建構(gòu)反應(yīng)題，擴展型建構(gòu)反應(yīng)題和概念圖任務(wù)．其中簡短型建構(gòu)反應(yīng)題需要在題目給定的情境中寫一個簡明的解釋．學(xué)生必須運用相關(guān)的信息和知識進行思考，而不是從給定的選項中選擇正確答案．而擴展型建構(gòu)反應(yīng)題呈現(xiàn)的是比較復(fù)雜的問題情境，要求學(xué)生分析情境，選擇并執(zhí)行解決方案，并且解釋運用此方案后會出現(xiàn)的情況．概念圖是一種可靠且有效的評價方式來測試學(xué)生對于科學(xué)原理的理解．在該任務(wù)中一般是給出6～8個概念，學(xué)生需要用箭頭來鏈接這些概念，并且用一個單詞或短語來標(biāo)記每個箭頭來解釋一對概念之間的關(guān)系．以擴展型建構(gòu)反應(yīng)題進行舉例如例2所示．

【例2】(十二年級)學(xué)生將兩只相同的燒杯放在窗臺上．一只燒杯有液體A為80 ml．另一只燒杯有液體B為80 ml．經(jīng)3天后，兩只燒杯的液體都減少了．而且，剩下的液體B比液體A少．圖3顯示了實驗開始時和3天后每只燒杯中的液體體積．

圖3　例2題圖

請問為什么3天后兩只燒杯的液體都減少？

哪種液體沸點較低？

液體A

液體B

通過參考實驗結(jié)果和比較液體A中的分子間吸引力與液體B中分子間吸引力來解釋你的答案．

這道題是對物質(zhì)氣態(tài)變化以及分子力等相關(guān)知識的考查．學(xué)生做出合理的解釋需要對題目的情境作出分析，考查的是學(xué)生運用科學(xué)原理解決問題的能力．學(xué)生首先需要進行簡單地思考回答第一個問題，然后運用相關(guān)的科學(xué)知識對題目的現(xiàn)象進行解釋說明．

3.3　POE項目集

POE項目集主要是讓學(xué)生進行預(yù)測、觀察和解釋．學(xué)生的任務(wù)是先提供一個預(yù)測的結(jié)果并對其進行解釋．主要考查學(xué)生的程序性知識和運用科學(xué)原理的能力．POE項目集可能是選擇題或者是建構(gòu)反應(yīng)題的形式，也可能是二者的組合．如例3所示則是二者的結(jié)合．

【例3】(十二年級)如圖4所示，兩只相同的燒杯中有30 ℃的水，燒杯A中有20 g的水，燒杯B中有40 g的水．

試問當(dāng)室溫達到25℃時，哪杯水會釋放更多的熱量？

燒杯A

燒杯B

兩燒杯將釋放相同的熱量

解釋你的推理

圖4　例3題圖

首先這道題考查的是熱量方面的運算知識．需要學(xué)生運用科學(xué)原理對題設(shè)的問題作出預(yù)測，預(yù)測哪只燒杯的水會釋放更多熱量．然后結(jié)合科學(xué)知識對自己的預(yù)測作出解釋，這是POE試題常見的模式．

3.4　動手表現(xiàn)任務(wù)

在動手表現(xiàn)任務(wù)中，學(xué)生通過運用物理知識嘗試解決涉及該物理知識的科學(xué)問題，NAEP在動手表現(xiàn)任務(wù)中為學(xué)生提供了具體的問題、設(shè)備和材料．學(xué)生通過合理的科學(xué)程序解決相關(guān)問題，學(xué)生的成績評定應(yīng)以解決方案和調(diào)查的設(shè)計程序為基礎(chǔ)．動手表現(xiàn)任務(wù)測試的是學(xué)生在解決復(fù)雜問題時展現(xiàn)出來的運用科學(xué)知識進行調(diào)查、探究以及解決問題的能力．

【例4】(十二年級) 第一部分：

問題1：在測試水樣之前，預(yù)測哪個城鎮(zhèn)(A或者B)會有更好的水質(zhì)．由于您還沒有測試城鎮(zhèn)A和B的水樣，所以您的預(yù)測將基于“水系統(tǒng)地圖”(圖5)和“參考圖1”(圖6)提供的信息支持你的觀點．

圖5　水系統(tǒng)圖

圖6　參考圖

第二部分：

問題2：測試城鎮(zhèn)A和B的水樣，

使用您所有的設(shè)備對水樣進行水質(zhì)測試．

將測試A水樣的污染物填寫在1A表格的第一列，對應(yīng)的污染物水平寫在第二列．

使用參考材料完成表格1A中的第3和4列．

同樣的，城鎮(zhèn)B的水樣按以上兩個步驟完成表格．

問題3：根據(jù)表格1A，表格1B和圖7的數(shù)據(jù)選擇合適的位置建新城鎮(zhèn)．

A.城鎮(zhèn)A

B.城鎮(zhèn)B

C.城鎮(zhèn)A和城鎮(zhèn)B都不合適

解釋你作出選擇的原因．

圖7　表格2

第三部分：

問題4：圖8中列出了水處理過程的主要步驟，使用表1A,1B的信息，以及你的物理化學(xué)生物知識，確定每個處理過程步驟中可去除或減少的污染物，在圖8的最后一列填寫污染物超標(biāo)的場所．

問題5：描述您選擇的場所的水污染處理所需要的物理化學(xué)生物過程，參考圖7進行回答．

圖8　表格3

如例4所示，題目要求學(xué)生在40 min內(nèi)完成題目的操作任務(wù)和數(shù)據(jù)記錄，以及結(jié)果解釋等．試題首先需要學(xué)生根據(jù)所給材料選擇新城鎮(zhèn)的合適地點并進行解釋．然后還需要學(xué)生利用所提供的材料進行實驗分析和水處理的工藝評估．該題在科學(xué)內(nèi)容維度考查的是學(xué)生“物質(zhì)特性”方面的知識以及化學(xué)和生物方面的綜合知識，科學(xué)實踐維度方面則綜合考查了學(xué)生運用科學(xué)原理和科學(xué)探究的能力．

3.5　交互式計算機任務(wù)

交互式計算機任務(wù)是動手表現(xiàn)任務(wù)的一種補充，通過模擬自然或者實驗室的環(huán)境讓學(xué)生基于計算機的環(huán)境進行解決問題，這種任務(wù)通常是現(xiàn)實生活難以短時間觀察到的，不受現(xiàn)實條件約束．下文以十二年級交互式計算機任務(wù)為例，對題目進行分析．

該任務(wù)要求學(xué)生調(diào)查兩種金屬銅和鋁哪種材料可以更好地制作烹飪盤的底部．在設(shè)計和調(diào)查時，學(xué)生們使用虛擬熱量計來測試兩種金屬的比熱容．給定時間為20 min，圖9是該任務(wù)的操作頁面：圖中是一個虛擬的熱量計，當(dāng)兩種物質(zhì)彼此接觸時，熱量計可以確定一種物質(zhì)傳遞到另一種物質(zhì)的熱能．學(xué)生可以使用虛擬熱量計來研究當(dāng)不同溫度時金屬放在其中水溫的變化．

圖9　操作頁面

題目的任務(wù)主要分為3個部分展開：

(1)先將60 ℃，250 g的銅放入20 ℃，250 g水中，點擊“運行”按鈕即可以得出結(jié)束時的溫度，學(xué)生得出數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)結(jié)果進行原理解釋．

(2)調(diào)整設(shè)定的數(shù)據(jù)，將20 ℃，250 g的銅放入60 ℃，250 g的水中，點擊“運行”按鈕，得出數(shù)據(jù)．并且對結(jié)果進行解釋．

(3)設(shè)計方案對鋁材料進行分析實驗，比較確定合適的材料作為烹飪盤的鍋底．

整體看來交互式計算機的題目可以突破現(xiàn)實的限制進行實驗?zāi)M驗證，該題考查了學(xué)生比熱容的相關(guān)知識，科學(xué)實踐方面則考查了學(xué)生“運用科學(xué)原理”和“科學(xué)探究”方面的能力，通過題設(shè)的引導(dǎo)，學(xué)生進行實驗方案的設(shè)計、運行和分析，最終得出問題的答案．

4　NAEP試題的評分方式

NAEP試題采用的是SOLO分類評分方法，使用評分量規(guī)對學(xué)生的答案進行評分．一般分為3個層次：完全正確、部分正確、錯誤．對應(yīng)的給出滿分、部分分和零分．滿分是指學(xué)生能聯(lián)系多個方面進行系統(tǒng)地回答；部分分是指學(xué)生只能給出單一答案或雖聯(lián)系多個方面卻未能形成相關(guān)知識的網(wǎng)絡(luò)；零分是指學(xué)生沒有理解問題．再根據(jù)具體題目答案的要素分為2～5個評分等級[2]．每個等級都有進行文字描述的答案，這些答案呈現(xiàn)出學(xué)生可能出現(xiàn)的思維過程，并且由專業(yè)的評價人員根據(jù)學(xué)生回答的答案按細(xì)化的評分量規(guī)進行給分．這些評價人員都是經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)且在資深的專家監(jiān)控下進行評分[3]．具體如例2的評分量規(guī)所示．

令人滿意的答案：

(1)學(xué)生能回答每只燒杯的液體部分蒸發(fā)；

(2)學(xué)生選擇液體B有較低沸點，能解釋液體B的沸點較低導(dǎo)致有更多的液體蒸發(fā)；

(3)學(xué)生能解釋較低沸點是因為液體B變?yōu)闅怏w需要的熱量較少；

(4)學(xué)生能解釋較低的沸點是因為液體B的分子間作用力較弱．

或者:

(1)學(xué)生能回答每只燒杯的液體部分蒸發(fā)；

(2)雖然錯誤地選擇A，但是學(xué)生解釋了液體B的沸點較低導(dǎo)致有更多的液體蒸發(fā)；

(3)學(xué)生能解釋較低沸點是因為液體B變?yōu)闅怏w需要的熱量較少；

(4)學(xué)生能解釋較低的沸點是因為液體B的分子間作用力較弱．

必要的答案:

(1)學(xué)生能回答每只燒杯的液體部分蒸發(fā)；

(2)雖然錯誤地選擇A，但是學(xué)生能解釋較低的沸騰溫度與液體B的較大蒸發(fā)有關(guān)；

(3)學(xué)生能解釋較低沸騰溫度是因為液體B變?yōu)闅怏w需要的熱量較少；

(4)學(xué)生能解釋較低的沸騰溫度是因為液體B的分子間作用力較弱．

或者:

(1)學(xué)生能回答液體B有較低的沸點；

(2)學(xué)生能解釋低沸點與更多的體積減少有關(guān)；

(3)學(xué)生能解釋低沸點是因為液體B變?yōu)闅怏w需要的熱量較少；

(4)學(xué)生能解釋較低的沸點是因為液體B的分子間作用力較弱．

部分正確的答案:

(1)學(xué)生回答每只燒杯中的液體部分蒸發(fā).

或者:

(1)學(xué)生能解釋液體B的沸點較低導(dǎo)致有更多的液體蒸發(fā).

(2)學(xué)生能解釋較低沸點是因為液體B變?yōu)闅怏w需要的熱量較少．

(3)學(xué)生能解釋較低的沸點是因為液體B的分子間作用力較弱．

令人不滿意的答案：學(xué)生回答完全錯誤．

5　NAEP評價的啟示

(1)豐富試題的種類，重視學(xué)生的科學(xué)實踐能力

NAEP的試題按照“科學(xué)內(nèi)容”和“科學(xué)實踐”進行綜合設(shè)計，能較好地考查學(xué)生的知識水平和實踐能力．其中單項選擇題和建構(gòu)反應(yīng)題能檢查學(xué)生的知識掌握情況，而動手表現(xiàn)任務(wù)和交互式計算機任務(wù)則能對學(xué)生進行表現(xiàn)性評價．單一的紙筆測驗并不能充分地檢測學(xué)生各方面的能力，采用紙筆測驗加操作實驗的方式可以更好地達到評價的目的．國內(nèi)考試可以考慮逐漸加入一些動手操作試題或者計算機模擬操作試題，加強學(xué)生的科學(xué)實踐的能力，這對于學(xué)生將來在大學(xué)乃至工作生活中都是不可或缺的．在編制操作性試題的過程中，要先定義好要評價的科學(xué)內(nèi)容以及實踐能力，然后進行任務(wù)的設(shè)計和任務(wù)指導(dǎo)語的編寫，讓學(xué)生知道應(yīng)該做什么．最后再制定評分的細(xì)則，教師根據(jù)評分細(xì)則對學(xué)生的表現(xiàn)進行評定．

(2)豐富評價的功能

目前，我們國內(nèi)的考試比較注重評價的選拔功能，而忽視了評價的診斷反饋功能，評價的另一個目的是為了診斷學(xué)生的學(xué)習(xí)障礙和反饋教學(xué)建議．我國的考試評價要豐富評價功能的多樣性，首先對于每個評價我們要制定合適的評分指南，如NAEP中所用的SOLO分類評分方法，每個評分等級列舉了學(xué)生可能出現(xiàn)的思維分析過程，按照評分指南對學(xué)生的答案進行賦分，了解學(xué)生的解題情況，并進而分析學(xué)生的學(xué)習(xí)障礙，為教師的課堂教學(xué)提供建議，實現(xiàn)評價的診斷和反饋的功能．診斷學(xué)生的學(xué)習(xí)障礙是一件復(fù)雜的工作，我們要培養(yǎng)專業(yè)的評價分析人員，對評價的結(jié)果進行分析，這樣才能更有效地發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)困難．

(3)注重真實情境下的教學(xué)

從NAEP的試題中可以看出，NAEP注重學(xué)生在真實情境中運用知識解決問題的能力，不能孤立地去評價學(xué)生的知識水平和科學(xué)實踐能力．我們在物理科學(xué)的教育方面要更加注重融合真實的情境，這樣能更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲．通過自己已有的知識對出現(xiàn)的問題進行預(yù)測、調(diào)查、收集數(shù)據(jù)，進而提出解決問題的方案，解釋選擇方案的理由，由此來培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力．