基于數(shù)據(jù)的抗逆學生物理探究能力的研究

□沈啟正

（浙江省教育廳教研室，浙江杭州310012）

家庭社會經(jīng)濟地位是影響學生學業(yè)成就的重要因素，美國社會學家科爾曼在20世紀60年代就發(fā)現(xiàn)了學生家庭背景與學業(yè)成就的正相關(guān)性.整體來說，家庭的社會經(jīng)濟地位越高，學生的學業(yè)成績越好.但是，也發(fā)現(xiàn)一部分家庭社會經(jīng)濟地位較低的學生可以克服由此帶來的不利影響，取得優(yōu)異的學業(yè)成績，成為抗逆學生.

本研究基于2019年浙江省教育質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù).主要方法是把學生和家長問卷中的家庭社會經(jīng)濟地位信息與學生監(jiān)測中的各科學業(yè)成績建立相關(guān)，界定出抗逆學生與非抗逆學生，再比較分析各類型學生在物理探究能力上的表現(xiàn).

一、研究設(shè)計的依據(jù)與方法

（一）抗逆界定

參考PISA報告對“抗逆學生”和“弱勢學生”的劃分方式[1]，本研究將學生分為以下幾種類型：將社會經(jīng)濟地位處于全省樣本后四分之一，但監(jiān)測的語、數(shù)、科三門學科的學業(yè)量尺分均分表現(xiàn)在本省前四分之一的學生稱為“抗逆學生”；將社會經(jīng)濟地位處于全省后四分之一，量尺分均分表現(xiàn)在本省后四分之一的學生稱為“弱勢學生”；將社會經(jīng)濟地位處于全省前四分之一，量尺分均分表現(xiàn)在本省后四分之一的學生稱為“落后學生”（因樣本數(shù)過少，本文中不予研究）；將社會經(jīng)濟地位處于全省前四分之一，量尺分均分表現(xiàn)在全省前四分之一的學生稱為“雙高學生”.

（二）研究對象

參加2019年浙江省教育質(zhì)量監(jiān)測的八年級學生共41590名，本研究剔除變量缺失值樣本，最終有效人數(shù)38600人.其中，抗逆學生2951名，弱勢學生2849名，雙高學生2027名.

（三）研究工具

2019年浙江省教育質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括全省八年級抽測學生語文、數(shù)學、科學三門學科的監(jiān)測成績，以及學生、教師和家長的問卷結(jié)果.

語文考查閱讀能力，數(shù)學考查問題解決能力，科學（主要是物理、化學）考查探究能力.基于分類合理和分值平衡考慮，把科學探究能力分為信息收集與提問、計劃探索與制定、方案實施與改進（含獲取和解釋證據(jù)、科學解釋現(xiàn)象）、結(jié)果反思與評價四個維度.

測試研究團隊特別注重編制密切聯(lián)系實際、聚焦真實問題解決的情境化試題，設(shè)計開放性分級計分試題，為測評學生的物理探究能力提供了豐富、準確和有效的信息.

為增加一線物理教師的可讀性，本文不采用教育測量統(tǒng)計中引用大量專業(yè)術(shù)語的寫法，盡量用直觀的圖表呈現(xiàn).為避免繁雜及沖淡主題，一概不呈現(xiàn)數(shù)據(jù)檢驗表，特在此統(tǒng)一聲明：本文所有數(shù)據(jù)都另進行了統(tǒng)計T檢驗，除特別說明外，分類群組之間均有顯著性差異.

二、研究的主要結(jié)果與分析

（一）不同類型學生各學科的得分率情況

圖1表示雙高、抗逆和弱勢學生在各學科中的得分率情況，除了可以看出本次監(jiān)測各學科常模參照下，從易到難分別為數(shù)學、語文、物理、化學，還發(fā)現(xiàn)抗逆學生與雙高學生相比，各科成績均存在一定的差距，但與弱勢學生相比優(yōu)勢明顯.

圖1

由圖1數(shù)據(jù)稍加計算，便可得到抗逆學生與其他兩類學生各科得分率的相對百分比，如圖2所示.由圖2明顯可知，數(shù)學與物理學科是抗逆學生與弱勢學生相比取得優(yōu)勢之所在，與學科試題的難度無關(guān).但同時也發(fā)現(xiàn)抗逆學生與雙高學生的差距也是數(shù)、理學科最明顯.

圖2

（二）物理探究各維度的學生得分率情況

從圖3可見，物理探究的四個維度中，抗逆學生與雙高學生均存在著一定的差距，但抗逆學生與弱勢學生相比各維度的優(yōu)勢都很明顯.

圖3

由圖3還可得到物理探究各維度中，抗逆學生與雙高學生、弱勢學生之間得分率的相對百分比，如圖4所示.從中可見抗逆學生與弱勢學生相比在物理探究能力中的“計劃探索與制定”維度優(yōu)勢最明顯，其次是“信息收集與理解”維度；在“結(jié)果反思與評價”維度優(yōu)勢最不明顯.抗逆學生在“方案實施與改進”維度中與雙高學生相比差距最大；在“信息收集與理解”和“結(jié)果反思與評價”兩個維度中與雙高學生相比差距最小.結(jié)合兩者數(shù)據(jù)，可得抗逆學生在“信息收集與理解”和“計劃探索與制定”兩個維度的能力強是其之所以抗逆的重要原因.

圖4

（三）抗逆學生與弱勢學生在探究各維度中的能力表現(xiàn)對比

圖5是抗逆學生與弱勢學生在三門學科的探究各維度中的得分率差值對比.由圖可見，數(shù)學學科各維度的差異均較大且比較穩(wěn)定；化學學科中“信息收集與理解”維度差異很小，其他維度差異中等；而物理學科“信息收集與理解”和“計劃探索與制定”維度差異較大，“方案實施與改進”和“結(jié)果反思與評價”維度差異迅速減少.可見物理與化學雖然同屬于科學，卻表現(xiàn)出不同的規(guī)律，物理對學生抗逆的貢獻超過了化學對學生抗逆的貢獻.此外，結(jié)合圖2中各科得分率的相對百分比，可得到物理學科中的“信息收集與理解”和“計劃探索與制定”維度的探究能力強是抗逆學生從弱勢學生中脫穎而出的重要因素.

圖5

（四）雙高學生與抗逆學生在探究各維度中的能力表現(xiàn)對比

圖6是雙高學生與抗逆學生在三門學科的探究各維度中的得分率差值對比.由圖可見，物理與數(shù)學學科的趨勢比較接近，抗逆學生在“方案實施與改進”維度與雙高學生差距大一些，在“結(jié)果反思與評價”維度最接近；化學學科是“信息收集與理解”維度最接近，“結(jié)果反思與評價”維度差距大一些.也就是說，物理與化學中，抗逆學生與雙高學生的差異情況趨勢有所不同.相比雙高學生，抗逆學生中物理的“結(jié)果反思與評價”能力較化學強，而化學中的“信息收集與理解”能力則較物理強.

圖6

（五）抗逆學生性別對各學科及物理探究各維度的影響

在2019年浙江省初中（八年級）教育質(zhì)量監(jiān)測的2951名抗逆學生中，女生為1501名，男生為1450名.從圖7中不同性別抗逆學生各學科得分率情況看，性別對抗逆學生的影響不大，經(jīng)T檢驗，僅化學學科得分率女生略好于男生有統(tǒng)計意義上的顯著性，也就是說，抗逆學生的性別與物理探究能力的差異無關(guān).

圖7

圖8是男女抗逆學生物理探究各維度的得分率情況，雖然看似男生略有優(yōu)勢，但經(jīng)過T檢驗，物理探究四個維度的得分率均無顯著性差異.

圖8

三、典型題示例及難度值的影響

以下是綜合考查學生物理探究能力的典型題示例.在項目反應(yīng)理論（IRT）得到的不同難度值下，我們來分析抗逆學生及其他各類學生得分的表現(xiàn)情況.

典型題：為觀測水結(jié)冰的過程，某同學進行實驗:在小試管中倒入適量的水，在水中插入并固定溫度計，再將此小試管放入加有食鹽的碎冰中冷卻，每隔1分鐘記錄溫度計的示數(shù)及小試管內(nèi)水的狀態(tài)，結(jié)果如下表.

?

（1）請根據(jù)表中數(shù)據(jù)在下面方格中（略）畫出小試管內(nèi)水的溫度隨時間變化的關(guān)系圖像.

（2）根據(jù)表中數(shù)據(jù)，某同學認為冰是晶體,你是否贊同？

（3）針對上小題的回答，說明理由.

分析：本題全面考查了物理探究中的“信息收集與提問、計劃探索與制定、方案實施與改進、結(jié)果反思與評價”這四個維度.按照SOLO理論，第（1）小題采用4級評分，第（2）小題采用2級評分，第（3）小題采用4級評分.

根據(jù)項目反應(yīng)理論（IRT）得到的難度值，本題的第（1）小題得1分難度值為-1.34；得2分的難度值為-1.26；得3分的難度值為0.48；難度值區(qū)間范圍為［-3，3］.由圖9可知，雙高學生得3分的人數(shù)比例為60.5%，抗逆學生則為51.4%，均為各自的最多人數(shù)，而弱勢學生得3分的比例僅為8.1%.弱勢學生最多人數(shù)比例出現(xiàn)在2分處，為36.7%，另一個高峰位于0分處，達35.4%.可見本小題由于得滿分的難度不大，抗逆學生與雙高學生的差距不明顯，但抗逆學生與弱勢學生相比，得滿分的人數(shù)百分比幾乎是弱勢學生得0分和1分的總和.

圖9

第（2）小題得2分的難度值為0.38，主要考查問題解決中的“結(jié)果反思與評價”維度，答案唯一.由圖10可知，雙高學生有59.9%得滿分，有45.7%的抗逆學生與37.9%的弱勢學生得滿分.這是二選一的判斷填空題，這樣的比例分布也說明了三類學生的差異十分明顯.

圖10

第（3）小題得1分的難度值為2.37；得2分的難度值為2.89；得3分的難度值為3.38.得滿分的難度值居然超過了3，可見這是難度相當大的問題，三類學生的錯誤率均極高.本小題4級評分.由于要得滿分需要三段論嚴謹推理，故只有17.5%的雙高學生、8.3%的抗逆學生和0.9%的弱勢學生得1分，得2或3分的學生就更少了.不過值得注意的是，在難度值達到2.37的情況下，雙高學生的人數(shù)百分比超過了抗逆學生的1倍，說明雙高學生中的頂尖學生比例大幅超過抗逆學生中的頂尖學生比例，如圖11.

圖11

四、抗逆學生物理探究能力影響的啟示

（一）物理探究能力強是抗逆生展示學業(yè)水平的重要因素

實證表明，抗逆學生的物理探究能力明顯強于弱勢學生.數(shù)學的得分率差值最大，其次是物理，這兩者都遠高于語文和化學等學科.這現(xiàn)象有一定的合理性，由于社會經(jīng)濟地位的不足，學習的客觀條件受到制約，但邏輯思維能力強、數(shù)理推理能力佳的學生仍有可能擺脫自身社會經(jīng)濟地位弱勢的影響，在數(shù)學和物理這兩門需要較強邏輯思維推理卻不需要太多外部資源支撐學習的學科中展示較好水平.

（二）抗逆生在物理探究的“計劃探索與制定”維度能力更強

“計劃探索與制定”維度是抗逆學生超過弱勢學生的最大優(yōu)勢，其次是“信息收集與理解”維度.這兩個維度是物理探究的核心能力，是分析建模的關(guān)鍵突破點.數(shù)據(jù)還顯示“結(jié)果反思與評價”是抗逆學生與弱勢學生相對優(yōu)勢收斂的維度.這些現(xiàn)象有一定的道理，因為物理探究的突破口就在“計劃探索與制定”這個維度上，而這個維度的前提是“信息收集與理解”，然后才是“方案實施與改進”.因此，抗逆學生擅長于“計劃探索與制定”也是自然而然之事.

（三）抗逆生與雙高學生在物理探究能力上總體存在一定差距

雖然抗逆學生在物理探究的“方案實施與改進”維度與雙高學生差距更大一些，在“結(jié)果反思與評價”維度與雙高學生最接近，但不管是從物理探究四個維度的分項得分率圖線總體來看，還是從各學科的得分率來看，抗逆學生與雙高學生的圖線都近于平行折線，與雙高學生之間存在著較穩(wěn)定的基礎(chǔ)背景式“能級差”.這說明抗逆學生與雙高學生在物理探究能力上差距的本質(zhì)不僅僅是某學科某能力的差距，更是受社會經(jīng)濟地位的制約，存在著學習背景、教育資源、思維品質(zhì)等差異.相信隨著學生學習的深入和閱歷的增加，抗逆學生與雙高學生存在的“能級差”在成長路上會有所收窄.

（四）在物理探究能力上，雙高學生比抗逆學生擁有更多尖子生

從示例的典型題答題情況分析，基于IRT模型的難度值小于零或約等于零時，抗逆學生與雙高學生得分的人數(shù)百分比相近；當基于IRT模型的難度值位于1附近時，抗逆學生與雙高學生得分率均下降明顯，抗逆學生與雙高學生存在著一定差距；當基于IRT模型的難度值大于2時，兩者的得分率均顯著下降，抗逆學生的得分率甚至只有雙高學生的一半.究其原因，當試題難度在中等或以下時，無論是抗逆學生還是雙高學生，學業(yè)成績均處于群體中的前1/4，故差距不大.但當難度過大，處于群體中前1/4的學生也大部分無法應(yīng)對，只有少數(shù)尖子生才能答對時，由于雙高學生中尖子生比例高，就與抗逆學生拉開了差距.

（五）抗逆學生總體在物理探究能力上無明顯性別差異

抗逆學生性別比例女生略多于男生，占比分別為50.9%和49.1%，基本平衡.在各學科中，男女抗逆學生的得分率十分接近，僅化學學科中女生得分率略高于男生；在物理探究各維度中的表現(xiàn)，男女抗逆學生均無顯著性差異.可見總體上，物理探究能力強弱與抗逆學生的性別無關(guān).

物理探究能力的培養(yǎng)是個漸進的過程，它既與學生物理思維的敏捷性、靈活性、深刻性、批判性和嚴謹性等思維品質(zhì)有關(guān)，又與學生的學習習慣以及學習策略的形成有關(guān)，需要學生在較長時間的學習中多次領(lǐng)悟、反復(fù)應(yīng)用，逐漸內(nèi)化為思考習慣，外化為思維品質(zhì)，因此，學生的成長環(huán)境對它的影響十分巨大.研究抗逆學生在物理探究能力上的表現(xiàn)，有利于我們進一步了解物理探究各維度中學生的學習特點，有助于我們進一步探究抗逆學生的成功機制，也有益于我們減少不必要的教育成本，以嶄新的視角探索物理教育新的增長點，拓寬基于核心素養(yǎng)的物理深度學習的探究式學教模式新思路、新方法.