层次物理实验评价体系的分析与启示_测量不确定度论文

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      英国剑桥课程（General Certificate of Education）简称GCE，英国本土之外的国际学校采用的课程则为International General Certificate of Education，即IGCE课程。学生须在高中阶段参加Advanced Subsidiary Level and Advanced Level考试，即一般所说的A level。IGCE对学生科学探究能力的重视和要求从物理课程的考试结构中物理实验所占的比例就可以看出来。物理课程的A level考试分为两部分，AS和A2。学生高二时参加物理AS考试，包括选择题、结构性问答题和实验技能3场，称为卷1，2，3，考试时间分别为1h，1h和2h，总分分别为40分，60分和40分；高三学生参加A2考试，包括扩展理论和实验，称为卷4和卷5，考试时间分别为120 min和75 min，总分分别为100分和30分。AS和A2考试时间都在每年的5月到6月进行，大约每隔一周进行一场。特别的是，每年的11月还有一次补考的机会。在英国，科学属于三门核心课程之一，在科学教学中以“科学探究”为其首要特色。在英国国家课程中，学生探究的过程大致是：确定研究课题—拟定初步计划—查找文献资料—修改研究课题—制定研究方案—选择实验设备—观察实验现象—读取实验数据—分析实验结果—写出实验报告—反思研究过程[1]。本文将介绍在英国是如何评价学生的物理实验能力的，作为科学探究的核心，如何通过实验评价加深学生对科学知识的理解，让学生经历科学发现的过程，培养学生的科学素养。

      一、A level物理实验评价体系概述

      A level物理实验评价体系包括：试前准备、考试以及评分3部分。

      试前准备主要指的是剑桥课程中心编制试题、发放实验仪器清单和教师学生须知，学校根据这些内容准备考试的过程。

      考试分为笔试（Planning，analysis and evaluation）和操作技能考试（Advanced practical skills）2个部分，其中笔试部分主要考查学生实验设计、分析与评估的能力，操作部分主要考查实验操作能力和数据处理能力。考试期间，学生和监考教师的活动都有相应的规则和记录。

      评分部分指的是评分人根据学生的答卷、监考教师的报告和考试中心编制的评分细则，对学生的实验能力进行评价的过程。

      二、A level物理实验评价体系分析

      （一）笔试部分

      笔试部分主要考察学生实验设计、分析与评估的能力。试卷由2道题组成，第一道侧重实验设计，第二道侧重实验数据处理和分析，考试时间为75 min，每题15分，总分30分。

      1.实验设计

      （1）题目（2012年卷51第1题）

      磁棒穿过线圈，线圈中产生感应电动势。磁棒以速度v离开线圈时感应电动势为最大值E，说明感应电动势与v成正比。设计实验室实验来检验E和v间的关系。用图示表示出实验仪器的使用和安排。注意讲明实验步骤、测量方法、变量控制、数据分析和安全措施。（15分）

      表1出现在学生试卷的末尾。

      （2）评分细则

      ①定义问题（3分）：指出速度v是自变量，电动势E是因变量，保持线圈数不变。

      

      ②数据收集方法（5分）：图示出磁棒竖直通过线圈；线圈两端连接电压表；改变速度的方法，如改变释放高度；测量速度的方法。

      ③分析方法（2分）：做E-v图；指出得到的是过原点的直线图，说明成正比。

      ④安全考虑（1分）：用棉垫等材料接住下落的磁棒。

      ⑤其他细节（4分）：细节描述，比如线圈和磁棒长度尽量小使速度接近瞬时速度，每个高度重复多次取平均值，使用非金属的导管保证磁棒的竖直运动等。

      （3）实验设计题的特点

      ①给出物理量之间的数量关系，要求设计实验验证。

      ②给出评分人的评分表格（表1），为考生提供答题思路。

      ③数据处理重视“作图法”。

      ④评分时不要求写出具体的实验步骤，只需说明获得数据的方法。

      ⑤重视对实验细节的考虑，如安全问题等，鼓励学生全面思维。

      2.实验数据处理

      （1）题目（2012年卷53第2题）：如图1所示，一小车与弹簧连接。移动小车然后释放，小车开始往复振荡。

      探究小车速度v的最大值如何随小车的总质量M变化。速度的极大值由小车上的卡纸经过光电门的时间t计算得到。卡纸的长度为（5.0±0.1）cm。v和M之间的关系可用

，其中A是初始位移，k为弹簧弹力系数。（15分）

      

      

      b.M和t的值如表2所示。

      

      

      （ii）做匹配度最高的一条直线和可接受直线中匹配度最差的一条直线，并分别标明。（2分）

      （iii）得出最匹配直线的斜率，包括不确定度。（2分）

      d.（i）A的值在（0.200±0.005）m。使用c（iii）中的答案，决定k的值。答案中注意使用正确的单位。（2分）

      （ii）以百分比的形式得出k的不确定度。（1分）

      e.使用总质量为0.75 kg的小车重复实验，初始位移为（0.100±0.005）m。计算该小车速度的最大值，答案中需包括其绝对不确定度。（2分）

      （2）数据处理题的特点

      ①物理量的数量关系同样已知。

      ②由易入难，给出原始数据和表格，从简单的计算开始，比如给出质量M要求填写

的值。

      ③描点作图法处理数据。

      ④重视测量得到的数据的有效数字和不确定度的计算。

      （二）操作考试

      实验操作要求学生在2 h内完成2个实验，每个实验可用时间均为1h。每个实验满分20分，总分40分。实验操作的评价分为考前准备、考试及评分3部分。

      1.测试前准备工作

      剑桥考试中心提前一个月左右下发一份考试材料清单（清单中包括很多干扰材料，实考中根本用不到）[2]，专人负责准备。这部分准备工作适用于所有A level物理实验操作考试。

      （1）监考人员准备

      根据剑桥考试中心发放给相关教师的考试须知内容，监考人员需做好以下几个方面的工作。

      ①准备实验仪器。每个实验需准备

套实验仪器，N为参加考试的考生数，同时需准备额外几套以备意外情况。

      ②监考人员需告知考生的事项。考生可以操作每套实验仪器的时长为1h。1h后，考生开始下一个实验；考生完成2个实验的顺序不作要求；如果在考试中遇到困难，可以向监考人员寻求操作上的帮助，但所提供的帮助应向评分人汇报，评分人按程度减分。

      ③监考人员提供的帮助。只有考生有要求、注意事项中有说明、实验仪器有问题时监考人员才能向考生提供帮助；监考人员的帮助仅限于使考生可以完成观察和测量的程度，不能代替考生进行观察和测量，不能帮助学生进行数据分析和评估；所有提供给考生的帮助都应记录在监考报告中。

      监考人员报告需记录：任何向考生提供的帮助，包括帮助的性质和内容、考生的名字和考号；任何实验仪器出现的问题，包括问题的情况、修正问题进行的活动、是否允许了额外时间、考生的姓名考号；考生遇到的其他困难，或其他可能影响评分的问题，尤其是不能通过卷面发现的信息。

      ④实验仪器问题。为防止有问题的仪器（不是由考生的操作失误造成）妨碍实验测量的进行，监考教师可以给考生一些时间检查使用仪器来发现之前没出现的问题；仪器矫正后或是使用第二套设备时，考生需使用新的空白问卷。

      （2）考生准备

      每一份考卷的封面内容都是向学生声明的考试须知，即2个问题都要回答；使用一套仪器的时间最多1 h；观察进行后尽快写下记录，并计划展示自己的记录方式，不必注意卷面美观；可以使用电子计算器；不体现自己的操作过程或是单位错误可能会导致扣分。

      2.测试过程与评分

      以2012年A level卷34中的试题为例分析A level实验操作能力评价，题为“探究小球从斜面上下滑固定距离所需的时间”。（20分）

      （1）考前实验仪器准备

      直径为1.5～2.5 cm的硬制小球（如玻璃珠、钢珠等）；100 cm长的光滑轨道，方便小球沿着轨道下滑（如窗帘轨道）；100 cm长的直木条，一端带有3 cm×2 cm的十字部分；10 cm×6 cm×6 cm的木块；分度值为1°的量角器；支架，夹板；金属或塑料小托盘，用来接住小球；毫米刻度的米尺；精度在0.1 s或以上的秒表。

      注意事项：①塑料或金属轨道需固定在木条上，一端10 cm处做记号A，另一端20 cm处做记号B；②轨道水平摆放如图2所示；小托盘中可加入其他材料防止小球弹出。

      

      （2）题目与相应的评分细则

      具体的评分细则见表3，提高轨道的一端，释放小球的示意图见图3。

      

      3.A level实验操作部分的特点

      （1）考前准备工作

      ①明确监考人员（或专职人员）的职责，如准备（包括自制）实验仪器、明确可以向学生提供的帮助的范围。

      ②明确告知学生不需要重视卷面的美观，以及可能会导致失分的情况，如单位不正确以及没有重复实验的记录等。

      （2）测试过程及评分

      ①给出明确的实验步骤及需测量的物理量。

      

      

      ②不要求答题卷面整洁，但要求详细的测量记录，包括重复测量某物理量的记录。

      ③重视不确定度的计算并要求分析不确定度的来源；数据处理强调描点做图，虽然这个例子中并没有直接要求学生用描点法处理数据，但这正是本实验存在的缺陷，要求学生自觉提出实验中数据过少需要更多次测量后描点做图发现关系。

      ④要求提出实验限制与改进的办法；为评分人提供多种可能的答案（包括不同表述方法），以及不给分的情况，方便评分人的工作。

      三、A level实验评价体系的特点与启示

      （一）A level实验评价体系的特点

      （1）总体上，突出理论与实践结合。不同考卷中实验设计能力、数据处理能力、实验操作能力等多项实验能力兼顾且各有侧重。卷5集中考察实验设计能力和数据处理能力，卷3则更强调实验操作能力，同时也需要一定的数据处理能力。

      （2）实验设计能力的评价，突出实验思路的设计。同时，告知学生评分人的给分思路，为学生提供答题思路。

      （3）数据处理能力的评价，有比较固定的步骤：列表格—做图—求直线的斜率和截距。强调描点做图的数据处理方法，不论是理论考试还是操作考试，都明确要求学生利用描点做图法来处理数据，制定了非常细致的描点做图的规则。

      （4）实验操作能力的评价，重视获得数据的方法而不过度关注学生的实验步骤。笔试中不要求学生写出具体步骤，在操作考试中甚至给出具体的实验步骤，足见在A level评价体系中，步骤的描述并不重要，掌握并表达分析问题、获得数据、处理数据的方法才是重点。

      （二）A level实验评价体系的启示

      （1）分开考

      物理实验能力结构层次丰富，包括设计能力、操作能力、实验数据处理能力等多个方面。A level物理实验评价将“理论分为设计和数据处理、实践操作单独考查”的模式，每一道题都有明确的目的，兼顾物理能力层次的同时又各有侧重。如果仅仅通过一次实验来考查学生多方位的实验能力，对学生来说，时间有限，难免有发挥不好的情况，对教师来说，首先设计这样的实验项目难度很大，监考时要顾及学生各个能力层次的表现，教师的认知负担也很重，可以说是不现实的。A level“分而治之”的方法同时减轻了教师和学生的负担，提高了评价的效度。

      （2）考方法

      A level没有必做实验目录，反复做某几个实验集中突破是行不通的。在考试之前，甚至是准备考试材料的教师都不知道考试的内容，因为不会是课本中的实验，也不会是学生们已经做过的实验。但实验的设计与操作、数据的处理都有其共同的规律。评价方式决定教学方式，灵活的评价体系决定了教师在日常教学向学生传达的是探究的方法，学生经历的是丰富多样的探究过程。

      （3）考日常

      A level实验操作考试中的实验仪器与国内也有很大区别。剑桥考试中心为教师提供详细的图纸和说明帮助教师提前准备考试所需的实验仪器，同时这些材料都是日常生活中十分常见的，往往需要教师自行组装。比如2010年卷33建议教师利用A4纸的外包装纸来制作T型卡纸，用光纤插针穿过不同位置来测量摆动周期的变化。高中物理新课标中也有提到“倡导利用日常器具做实验”，鼓励自制教具，A level中的做法是这一理念的深化，从教学到评价，从“自制教具”到“自制考具”，发掘教师开发教学资源的能力。

      （4）不确定度

      A level物理实验考试重视“不确定度”的概念，要求学生指出不确定度的来源，只要求B类不确定度的简化计算。国内中学物理的做法是多次测量求平均值，实验数据由测量值+一位估计值+单位组成，到大学物理实验学习时才开始接触不确定度。但实验误差实际上是不可以测量的，具有不可操作性；不确定度是可用数学方法定量计算得出的，可操作，在高中阶段引入不确定度并简化其计算，有利于高中大学物理学习的衔接。并且，不确定度理论可用于评估分析实验结果、确定置信区间、指导选择实验仪器、指导确定实验方案和方法等[2]，为物理实验的评价提供了更大的空间。

      总之，A level物理课程单独考查物理实验，保证了平时学生物理实验的有序开展，把物理实验融入物理教学，保证物理学科的探究性和物理实验的核心位置。国内物理教学可以参考这样的评价模式，完善物理实验评价体系，提升物理实验在评价中的地位，以评价改革教学，发挥出物理实验的教学功能。

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