基于層次分析法的普通高中物理探究性實驗評價量表的構(gòu)建

余春悅,伏振興

(寧夏師范學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，寧夏 固原 756099)

2018年,教育部頒布《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》(以下簡稱“新課標(biāo)”),“新課標(biāo)”以核心素養(yǎng)為出發(fā)點提出整個課程的全部要求；以人為本,注重學(xué)生的差異性,關(guān)注學(xué)生的多元發(fā)展,體現(xiàn)物理課程的育人功能[1],旨在培養(yǎng)能應(yīng)對未來挑戰(zhàn)的新時代有志青年.

物理學(xué)作為自然學(xué)科的基礎(chǔ)之一,在學(xué)科知識學(xué)習(xí)中具有重要地位.物理學(xué)的發(fā)展離不開物理實驗,通過實驗學(xué)生能夠清晰地了解物理學(xué)家的研究歷程,體會知識探究的艱辛和物理世界的奇妙,進而加深對知識的理解和掌握.物理實驗在培養(yǎng)學(xué)生良好的動手操作能力的同時,還能夠培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的實驗態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式,有助于學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的達成.

隨著素質(zhì)教育的發(fā)展和“新課改”的不斷深入,如何合理地評價學(xué)生的實驗素養(yǎng)已越來越受到廣大教師的關(guān)注.但現(xiàn)階段對于物理實驗的評價還不能很好地適應(yīng)“新課改”和素質(zhì)教育的要求,存在著以考試成績?yōu)橹鞯钠嬖u價學(xué)生對物理知識掌握程度的情況,對于學(xué)生的動手能力、思維能力和合作交流能力的培養(yǎng)較難做出有效的判斷[2].本文基于建構(gòu)主義和人本主義理論,結(jié)合“新課改”的要求,構(gòu)建普通高中物理探究性實驗評價量表,在新教育教學(xué)理念下探索新的物理實驗評價方式,以期客觀科學(xué)有效地評價學(xué)生的實驗?zāi)芰?

1 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process,簡稱AHP)作為一種決策分析方法,具體操作流程如下[3].首先分析要研究的問題,整理各要素之間的因果聯(lián)系,一般將問題分為三層,建立層次關(guān)系結(jié)構(gòu).層次關(guān)系構(gòu)建完成后,對同一層級的各個元素進行兩兩比較,一般采用Saaty提出的標(biāo)度賦值[4],具體規(guī)定見表1.

表1 標(biāo)度賦值含義表

計算指標(biāo)權(quán)重的方法有很多[5],本論文選擇容易筆算和適合階數(shù)不高的判斷矩陣的和法和根法.其中,和法的計算公式為

(1)

根法的計算公式為

(2)

上式中的wi均表示第i個指標(biāo)的指標(biāo)權(quán)重,n表示判斷矩陣的階數(shù),aij表示判斷矩陣A中第i行第j列元素,akj同理.

在計算得出單層指標(biāo)權(quán)重后,為了確保數(shù)值可用,需對判斷矩陣進行一致性檢驗.首先，根據(jù)下列公式(3)計算該矩陣的最大特征值λmax.

(3)

根據(jù)公式(4)計算出一致性指標(biāo)CI(consistency index),再根據(jù)下列公式(5)計算出一致性比例CR.

(4)

(5)

其中RI(random index)的取值如表2所示[6].

表2 平均隨機一致性指標(biāo)

當(dāng)CR<0.1時,認(rèn)為該矩陣具有一致性,若CR≥0.1,則需要對該矩陣進行修正再重新計算.

計算完單層指標(biāo)權(quán)重后,再計算合成指標(biāo)權(quán)重,最后對整體進行綜合一致性檢驗,仍然用公式(5)計算,其中

(6)

(7)

2 評價指標(biāo)和權(quán)重的確定

以建構(gòu)主義和人本主義理論為指導(dǎo),結(jié)合高中物理新課標(biāo)的要求,采用訪談法聽取教育學(xué)專家和一線物理教師的意見,擬定普通高中物理探究性實驗評價量表的一級指標(biāo)4個、二級指標(biāo)13個、三級指標(biāo)51個.

采用層次分析法計算指標(biāo)權(quán)重.訪談高中的一線物理教師和高校教育學(xué)專家,采用問卷調(diào)查的方式,綜合得到了各層級指標(biāo)兩兩對比的優(yōu)先系數(shù).為了提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,減小計算誤差,將采用三種不同的方法來計算各指標(biāo)權(quán)重.

2.1 一級指標(biāo)權(quán)重的確定

通過上述方法對一級指標(biāo)構(gòu)造出的判斷矩陣A如下.

2.1.1 和法計算一級指標(biāo)權(quán)重

采用和法計算時，首先將矩陣A按列歸一化,得到矩陣A′.

將歸一化后的各行相加求平均,得到矩陣ωA

ωA對應(yīng)的就是一級指標(biāo)的指標(biāo)權(quán)重.算出指標(biāo)權(quán)重后,再對該矩陣進行一致性檢驗,利用公式(3)計算可得

λmax=4.0609.

2.1.2 根法計算一級指標(biāo)權(quán)重

當(dāng)采用根法計算時，首先將矩陣A的元素按行相乘,得到的新矩陣為

再將新矩陣中的元素開n次方,得到

最后將其歸一化,得到

ωA對應(yīng)的就是一級指標(biāo)的指標(biāo)權(quán)重.同樣地,對該矩陣進行一致性檢驗,具體結(jié)果見表3.

2.1.3 MATLAB計算一級指標(biāo)權(quán)重

采用MATLAB計算矩陣的最大特征為4.0606[7],對應(yīng)的特征向量為(0.3174,0.7460,0.4512,0.3730),將這個特征向量進行歸一化處理,得

ωA對應(yīng)的就是一級指標(biāo)的指標(biāo)權(quán)重.一致性檢驗結(jié)果見表3.

表3 一級指標(biāo)各項數(shù)值統(tǒng)計

從上表可以看出,三種方法計算出的CR<0.1,說明對一級指標(biāo)的排序均有效.采用不同的方法對一級指標(biāo)的排序均為ωA2>ωA3>ωA1>ωA4,即實驗探究>實驗總結(jié)>實驗態(tài)度>實驗準(zhǔn)備.為減小誤差,取根法和MATLAB軟件計算的算術(shù)平均值作為最終指標(biāo)權(quán)重,即

2.2 二級指標(biāo)權(quán)重的確定

同樣采用計算一級指標(biāo)權(quán)重的三種方法計算出二級指標(biāo)的指標(biāo)權(quán)重,匯總?cè)绫?～表7所示.

表4 實驗準(zhǔn)備的二級指各項標(biāo)數(shù)值統(tǒng)計

由上表可得,實驗準(zhǔn)備下的二級指標(biāo)權(quán)重為

表5 實驗探究的二級指標(biāo)各項數(shù)值統(tǒng)計

從上表可以看出,采用和法的指標(biāo)排序為ωB24>ωB23>ωB21=ωB22,采用根法和MATLAB軟件計算的指標(biāo)排序為ωB23>ωB24>ωB21=ωB22,針對這個問題咨詢了多位一線物理教師的意見,一致認(rèn)為設(shè)計實驗比實施實驗更重要,故將和法的計算結(jié)果排除.為減小誤差,取根法和MATLAB軟件計算的算數(shù)平均值作為最終指標(biāo)權(quán)重,即

表6 實驗總結(jié)的二級指標(biāo)各項數(shù)值統(tǒng)計

表7 實驗態(tài)度的二級指標(biāo)各項數(shù)值統(tǒng)計

從上表可以看出,對實驗總結(jié)的二級指標(biāo)的排序均為ωB31>ωB32>ωB33>ωB34,即數(shù)據(jù)處理>誤差分析>交流討論>實驗報告.為減小誤差,取根法和MATLAB軟件計算的算數(shù)平均值作為最終指標(biāo)權(quán)重,即

從上表可以看出,實驗態(tài)度的二級指標(biāo)權(quán)重為

單層次排序結(jié)束后,還要進行綜合層次排序,計算出合成指標(biāo)權(quán)重,如表8所示.

表8 層次總排序

最后對整體進行一致性檢驗,計算可得CR<0.1,層次總排序有效.

2.3 評價主體權(quán)重的確定

將評價主體分為學(xué)生自評、小組互評和教師評價,針對評價主體的賦值也參照上述方法,最終數(shù)值統(tǒng)計如表9所示.

表9 評價主體的指標(biāo)各項數(shù)值統(tǒng)計

從上表可以看出,采用不同的方法對評價主體指標(biāo)的排序均為ωC3>ωC2>ωC1,即教師評價>小組互評>學(xué)生自評.為減小誤差,取以上三種方法的算術(shù)平均值作為最終指標(biāo)權(quán)重

3 普通高中物理探究性實驗評價量表

由于三級指標(biāo)的數(shù)量較多,而且難以明顯區(qū)分它們之間的重要程度,所以認(rèn)為它們的重要程度相同.另外,將定量評價和定性評價相結(jié)合，在評價量表的最后加上評語,一方面可以因人而異地指出學(xué)生存在的問題,另一方面也可以用來鼓勵學(xué)生,促進師生良好交流.最終得出的學(xué)生探究性實驗評價量表如表10所示.

表10 探究性實驗評價量表

一級指標(biāo)內(nèi)容權(quán)重二級指標(biāo)內(nèi)容權(quán)重三級指標(biāo)內(nèi)容評價指標(biāo)得分自評0.16他評0.25師評0.59實驗報告0.03能夠按時完成實驗報告每個指標(biāo)最多1分,滿分3分內(nèi)容正確完整書寫規(guī)范,字跡工整實驗態(tài)度0.20情感0.05學(xué)生的實驗興趣高每個指標(biāo)最多1.25分,滿分5分實驗過程中十分投入有克服困難的決心有做好實驗的意識表現(xiàn)0.10遵守實驗紀(jì)律每個指標(biāo)最多2.5分,滿分10分團隊分工明確能夠進行自我反思能夠客觀評價自己和他人責(zé)任0.05實驗操作安全、規(guī)范每個指標(biāo)最多1.25分,滿分5分實驗過程中能夠?qū)嵤虑笫悄軌蚶潇o處理實驗中的突發(fā)情況實驗結(jié)束后整理儀器歸位總分最終得分:綜合評語:

4 信效度檢驗

4.1 信度檢驗

信度是衡量一個量表的評價結(jié)果是否可信的重要標(biāo)準(zhǔn),通常分為內(nèi)部信度和外部信度.本文選擇“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗,邀請5名教師對上課的兩名同學(xué)進行評價,只統(tǒng)計教師評價部分的結(jié)果.利用SPSS軟件檢測Cronbach′s Alpha系數(shù)作為內(nèi)部信度的評判依據(jù),分析結(jié)果見表11.

表11 可靠性統(tǒng)計

由上表可知,α>0.8,說明該量表的內(nèi)在一致性良好.

外部信度即多位評價者采用同一量表對同一被試者進行評價的一致性程度,又稱評分者一致性.利用SPSS軟件計算Kendall的tau_b相關(guān)系數(shù)和Spearman相關(guān)系數(shù)作為判斷依據(jù),對同學(xué)甲和同學(xué)乙的分析結(jié)果分別如下表12和表13.

表12 對同學(xué)甲進行評價時的評分者相關(guān)系數(shù)

表13 對同學(xué)甲進行評價時的評分者相關(guān)系數(shù)

由上表可知,對5位評價者的打分情況進行兩兩比較,當(dāng)被評價者是同學(xué)甲時,Kendall的tau_b相關(guān)系數(shù)為0.898～0.959,Spearman的rho相關(guān)系數(shù)為0.954～0.982;當(dāng)被評價者是同學(xué)乙時,Kendall的tau_b相關(guān)系數(shù)為0.924～1,Spearman的rho相關(guān)系數(shù)為0.969～1,均大于0.8,說明評分者信度良好.

4.2 效度檢驗

效度衡量的是一個評價量表能否客觀真實地反應(yīng)被評價者的實際狀況,本文主要探究內(nèi)容效度和結(jié)構(gòu)效度.在內(nèi)容效度上,本文查閱了大量評價相關(guān)文獻,同時,緊密聯(lián)系新課標(biāo)的要求,將教育學(xué)原理融入其中,為量表的構(gòu)建提供了理論基礎(chǔ).在評價指標(biāo)的選取上,充分考慮了學(xué)生和教師的各方面需求,咨詢了多位一線物理教師和教育學(xué)專家學(xué)者的意見.因此,構(gòu)建的量表應(yīng)具有良好的內(nèi)容效度.

結(jié)構(gòu)效度是指評價指標(biāo)的結(jié)構(gòu)層次與量表構(gòu)建之初的理論的符合程度,利用SPSS軟件進行因子分析,將4個一級指標(biāo)定為4個因子,用各一級指標(biāo)的總分進行分析,具體結(jié)果見表14.其中KMO>0.7,Sig.<0.05.

表14 KMO和Bartlett的檢驗

再進行各一級指標(biāo)得分與總分之間的相關(guān)性分析,采用Pearson相關(guān)性檢驗,具體分析結(jié)果見表15.

表15 各一級指標(biāo)得分與總分的Pearson相關(guān)性分析

由上表15可知,各一級指標(biāo)得分與總分之間的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.741～0.942,相關(guān)系數(shù)越高,量表的整體結(jié)構(gòu)越好.綜合以上分析,說明該量表具有良好的結(jié)構(gòu)效度.

5 結(jié)束語

以建構(gòu)主義和人本主義理論為指導(dǎo),結(jié)合高中物理新課標(biāo)的要求,采用層次分析法構(gòu)建了普通高中物理探究性實驗評價量表.為避免用單一方法計算指標(biāo)權(quán)重產(chǎn)生誤差,利用三種不同的計算方法分別確定了一級指標(biāo)和二級指標(biāo)的權(quán)重,并對其信效度進行檢驗.量表保留實驗綜合評語,采用定量評價為主，輔助定性評價以及將學(xué)生和小組成員也納入評價主體當(dāng)中的自評、他評和師評的多元評價方式,既可以促進學(xué)生自我約束,又可以使同組成員之間相互監(jiān)督.新構(gòu)建的評價量表,適應(yīng)素質(zhì)教育和“新課改”的要求,能夠較為科學(xué)有效地評價普通高中物理探究性實驗效果.