能量概念學(xué)習(xí)進階的建構(gòu)及其測評項目開發(fā)研究

弭樂

（鹽城師范學(xué)院教育科學(xué)學(xué)院，江蘇 鹽城 224002）

我國高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中的大概念包括物質(zhì)觀念、運動與相互作用觀念和能量觀念。1 這些大概念由若干重要概念構(gòu)成，其中包括重要概念、原理、理論等的基本理解和解釋，這些內(nèi)容能夠展現(xiàn)當(dāng)代學(xué)科圖景，是學(xué)科結(jié)構(gòu)的主干部分。2 能量是K-12科學(xué)課程的中心主題，在地球、物理、生命科學(xué)、工程和技術(shù)等領(lǐng)域有諸多應(yīng)用。3 學(xué)習(xí)進階從四種能量類型描述能量概念，期望學(xué)生以逐漸復(fù)雜的思維方式學(xué)習(xí)這些概念，對能量、能量統(tǒng)一性和能量守恒有一個連貫、綜合的理解。為此，美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（NGSS）為學(xué)生學(xué)習(xí)能量概念構(gòu)建了各學(xué)段表現(xiàn)期望（PES）。下面介紹國外能量概念學(xué)習(xí)進階的建構(gòu)及其測評項目開發(fā)研究，供我國開展學(xué)習(xí)進階教學(xué)與評價參考。

一、能量概念學(xué)習(xí)進階的構(gòu)建

為測試學(xué)習(xí)進階與NGSS 內(nèi)容的匹配程度，核查NGSS 表現(xiàn)期望（PES）描述的每個年級的基礎(chǔ)學(xué)科核心概念。為明確能量概念學(xué)習(xí)進階與NGSS 的緊密聯(lián)系，研究了每個年級的表現(xiàn)期望（PES）和相應(yīng)的學(xué)科核心概念。針對NGSS 能量核心概念的研究，發(fā)現(xiàn)有七個小學(xué)PEs、五個初中PEs 和五個高中PEs。將每個表現(xiàn)期望與學(xué)習(xí)進階相匹配。

研究發(fā)現(xiàn)，NGSS 的表現(xiàn)期望和能量學(xué)習(xí)進階之間有很好的一致性。14 個具體能量概念都可以與至少一個PEs 相匹配。當(dāng)從認(rèn)知復(fù)雜度的角度來看待這一排列時，在大多數(shù)情況下，概念復(fù)雜度的基本水平與NGSS 小學(xué)PEs 相匹配；中級水平與初中PEs 相對應(yīng)；高級水平與高中PEs 相對應(yīng)。但也有某些概念，我們無法找到PEs 匹配的每一個層次的進階。例如，有一個小學(xué)表現(xiàn)期望“能量是由聲音傳遞”，但沒有初中或高中的表現(xiàn)期望。

雖然在高中階段有彈性勢能、對流和耗散的概念，但在小學(xué)和初中階段卻沒有。此外，在小學(xué)階段，有關(guān)熱能、重力勢能或能量守恒的資料很少。在進階中，我們包括了每個能量概念的各個層次的描述，以便呈現(xiàn)能量本質(zhì)的更完整的畫面。在基本的層面上介紹每一個概念都有助于學(xué)生朝著高中表現(xiàn)期望中所期望的復(fù)雜理解方向進階。萊西及其同事（2014 年）在《小學(xué)生能量學(xué)習(xí)進階》中介紹了有關(guān)重力勢能、熱能、耗散和守恒的基本概念，并證明在適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)支持下，小學(xué)生可以獲得這些概念。

研究構(gòu)建了每個具體能量概念理解的進階。其中對于電能轉(zhuǎn)移的概念，創(chuàng)建了兩個進階層級，而對于能量轉(zhuǎn)換的概念，創(chuàng)建了一個層級。以能量轉(zhuǎn)移為例，所構(gòu)建的六個具體能量概念的進階，如表1 所示。

表1 能量概念理解進階（能量轉(zhuǎn)移）

二、能量概念進階測評項目的開發(fā)

為驗證學(xué)生對能量概念理解的進階，開發(fā)了多項選擇題。按照概念復(fù)雜度設(shè)計與每個能量概念層級相一致的項目。每個項目設(shè)計成與單一的概念復(fù)雜性水平和單一的能量概念相一致。項目構(gòu)建遵循嚴(yán)格的迭代開發(fā)程序，包括（1）識別迷思概念，將其作為干擾因素；（2）仔細(xì)評估項目與能量和認(rèn)知復(fù)雜度水平的一致性；（3）檢查項目心理測量的有效性。Rasch 分析在整個項目開發(fā)過程中用于監(jiān)測項目的心理測量學(xué)特性。以能量轉(zhuǎn)移中通過傳導(dǎo)傳遞能量為例（表2），展示項目如何與學(xué)習(xí)進階的各級水平相一致。

表2 示例：評價項目（試題）與學(xué)習(xí)進階相一致

按照如上命題方式，總共設(shè)計359 道多項選擇題，組成兩套試卷。測評項目與能量結(jié)構(gòu)的一致性通過兩個標(biāo)準(zhǔn)確定：必要性是確保目標(biāo)能量概念評估答案選項；充分性是確保目標(biāo)能量概念本身的正確性。一致性可以提高學(xué)生推論的有效性。為進一步確保構(gòu)造效度，科學(xué)家和科學(xué)教育專家小組對項目和能量構(gòu)造進行了審查，以確保構(gòu)造和項目的科學(xué)準(zhǔn)確性，并消除構(gòu)造無關(guān)的特征，如可理解性問題、智力問題或不適當(dāng)?shù)娜蝿?wù)情境。

為獲得反饋，對4 至12 年級的學(xué)生進行了初步測試，以獲得他們對這些項目是否有效地衡量了他們對目標(biāo)能量概念的理解。在預(yù)測試中，要求學(xué)生選擇他們認(rèn)為正確的答案，并回答后續(xù)問題。這些后續(xù)問題提供了有關(guān)項目對目標(biāo)受眾的表現(xiàn)如何，以及學(xué)生是否使用預(yù)期知識回答項目的信息。學(xué)生被要求解釋為什么選擇或拒絕某個答案；描述任何他們發(fā)現(xiàn)混淆的東西；識別不熟悉的詞；評論圖表、圖片和表格的有用性。隨后根據(jù)學(xué)生和小組成員的反饋修改或刪除項目，以便確定最終的項目是學(xué)生對能量概念理解有效性和可靠性的度量。

三、研究結(jié)果與啟示

本研究目的是驗證能量學(xué)習(xí)進階。研究從構(gòu)成能量結(jié)構(gòu)的四種能量類型開始，將它們細(xì)化為14 個更具體的概念，為其中13 個概念確定了三個層級的概念復(fù)雜度。使用多項選擇評估項目測試進階，這些項目對應(yīng)能量的每個層級。

為獲得參與這項研究的學(xué)生對能量的理解與學(xué)習(xí)進階中描述的期望之間的關(guān)系，對三個學(xué)段的平均Rasch 測量值與基礎(chǔ)、中級和高級項目的平均難度進行了比較研究。首先，關(guān)于基礎(chǔ)水平項目，研究發(fā)現(xiàn)各學(xué)段基礎(chǔ)水平項目的平均難度為-0.81 logits，即低于各學(xué)段的學(xué)生均值，即使是小學(xué)生，學(xué)生均值為-0.54 logits。（當(dāng)項目難度小于學(xué)生測量值時，學(xué)生對項目的正確回答率大于50%）。這表明三個學(xué)段的學(xué)生都對基礎(chǔ)能量概念有很好的理解。但當(dāng)我們觀察學(xué)生在中級項目上的表現(xiàn)時，發(fā)現(xiàn)中級項目的平均難度為-0.05 logits，高于所有學(xué)段學(xué)生的平均水平（高中生為-0.16 logits，初中生為-0.46 logits，小學(xué)生為-0.54 logits）。

小學(xué)生沒有達(dá)到中級水平的期望可以理解。令人驚訝的是，無論是初中生還是高中生都沒有達(dá)到中級水平。對于高級水平項目，平均難度為0.45 logits，難度水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高中生（還有中小學(xué)生）的平均水平。在小學(xué)階段，研究結(jié)果令人欣慰，因為小學(xué)生總體上具有與年級相適宜的能量理解。但是,對初、高中生的調(diào)查結(jié)果表明，學(xué)生的表現(xiàn)低于預(yù)期，這表明在這些學(xué)段教師需要提供更多的能量教學(xué)支持。