中學(xué)生物理概念理解水平的性別差異: 影響因素及作用機(jī)制

摘 要 大量研究表明，男生在物理學(xué)科能力和學(xué)習(xí)動機(jī)方面的表現(xiàn)顯著優(yōu)于女生。為探究外界評價和物理學(xué)習(xí)動機(jī)對學(xué)生物理概念理解的作用機(jī)制，本文選取252名高中生為樣本，用結(jié)構(gòu)方程模型分析性別差異的形成機(jī)制。該模型顯示物理身份認(rèn)同能夠顯著正向預(yù)測學(xué)生物理概念理解水平，而學(xué)習(xí)興趣和自我效能感對其沒有顯著影響。外界評價是導(dǎo)致男女生物理身份認(rèn)同存在顯著差異的重要原因。女生感知到來自他人的認(rèn)可度低，破壞了其物理身份認(rèn)同的形成發(fā)展過程，從而進(jìn)一步影響了女生在物理學(xué)習(xí)中的表現(xiàn)。

關(guān)鍵詞 物理概念理解水平;物理身份認(rèn)同;性別差異;結(jié)構(gòu)方程模型

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020 年修訂）》中明確指出，要推進(jìn)教育公平，同時關(guān)注學(xué)生個性化、多樣化的學(xué)習(xí)和發(fā)展需求，促進(jìn)人才培養(yǎng)模式的轉(zhuǎn)變，著力發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)[1]。關(guān)注物理學(xué)科中的性別差異及其影響因素不僅有助于挖掘潛在的不公平因素助力教育公平，同時也能因材施教，促進(jìn)學(xué)生個性化發(fā)展。

作為科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)（STEM）領(lǐng)域的一部分，物理學(xué)科中的性別差異一直是一個備受關(guān)注的話題。物理學(xué)習(xí)動機(jī)包含自我效能感、物理學(xué)習(xí)興趣、身份認(rèn)同等。在自我效能感方面，Sonja Cwik等人發(fā)現(xiàn)，即使男女生成績相當(dāng)，女生的自我效能感顯著低于男生，成績?yōu)锳 的女生和成績?yōu)锽的男生自我效能感相當(dāng)[2]。國內(nèi)學(xué)者何秀君等人也發(fā)現(xiàn)，在高中階段，女生在物理身份認(rèn)同、物理學(xué)習(xí)興趣方面顯著低于男生[3]。Kalender等研究者開展關(guān)于女性在物理領(lǐng)域低代表性的原因的調(diào)查，通過結(jié)構(gòu)方程模型分析發(fā)現(xiàn)影響女性物理身份認(rèn)同的主要原因是外界評價，“女性天生不適合學(xué)習(xí)物理”的言論讓其喪失了學(xué)習(xí)物理的動機(jī)信念[4]。

在物理學(xué)科能力上，一些國外學(xué)者利用物理學(xué)科概念測試工具（如力學(xué)概念測試（Force conceptinventory， FCI）、電磁學(xué)概念測試（BriefElectricity and Magnetism Assessment， BEMA）等）開展研究發(fā)現(xiàn)，女性在這些概念測試工具上的表現(xiàn)普遍弱于男性。Matthew 的研究發(fā)現(xiàn)，無論身處何種層次的學(xué)習(xí)階段，女生在力學(xué)概念的理解和運(yùn)用上均顯著落后于男生[5]。Rachel Henderson等人通過使用電磁學(xué)概念測試量表發(fā)現(xiàn)，男女生在電磁學(xué)概念理解中也存在顯著的性別差異[6]。國內(nèi)也有部分學(xué)者開展了中學(xué)生物理成績的性別差異研究，如姚中華發(fā)現(xiàn)女生在高一、高二時物理成績低于男生，而到高三時，物理成績差異達(dá)到最大[7]。

現(xiàn)有研究嘗試從學(xué)生、課堂等多個角度對中學(xué)階段學(xué)生物理學(xué)科能力表現(xiàn)的影響因素做探討。一項研究表明，改變課程設(shè)置以激發(fā)學(xué)生的興趣，有助于提高所有學(xué)生對學(xué)科的理解能力[8]。同時，自我效能感能夠正向預(yù)測學(xué)生各學(xué)科的學(xué)習(xí)能力表現(xiàn)，這一結(jié)論得到縱向研究[9]和元分析文獻(xiàn)[10，11]的支持。國內(nèi)學(xué)者也從生理、心理、社會、課堂等角度分析了物理學(xué)習(xí)中性別差異的產(chǎn)生原因[12，13]。形成物理學(xué)科能力中的性別差異的因素有很多，但在物理學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生無疑是學(xué)習(xí)活動的主體，因此，學(xué)生因素在物理學(xué)習(xí)影響因素中占據(jù)理論和實踐的首要地位。目前，中學(xué)生物理學(xué)科能力性別差異的影響因素研究很少考慮外界評價、物理學(xué)習(xí)動機(jī)等因素的交互作用。

為此，本文以FCI、BEMA 量表為參考自編概念測試量表，對三個省份高二、高三學(xué)生的物理概念理解水平及相關(guān)影響因素進(jìn)行研究分析，期望通過結(jié)構(gòu)方程模型探究性別、物理學(xué)習(xí)興趣、外界評價與物理概念理解水平之間的關(guān)系。本研究在Kalender提出模型的基礎(chǔ)上，參考已有研究，建立以下理論模型（見圖1）。

1 測試工具與樣本

1.1 研究工具

1.1.1 物理概念檢測量表

FCI主要用來測量學(xué)生對經(jīng)典力學(xué)基本概念的掌握和理解情況，包含30個選擇題，是學(xué)界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)化力學(xué)概念測試工具。D.Hestens等人在20世紀(jì)90年代開發(fā)了該量表[14]。之后由IbrahimHalloun、Richard Hake和Eugene Mosca三位學(xué)者對其進(jìn)行了多次修訂，以提高量表的信度和效度[15]。BEMA 則是標(biāo)準(zhǔn)化的電磁學(xué)概念測試工具，主要用來測試學(xué)生對電磁學(xué)基本概念的掌握和理解情況。該量表是Chabay和Sherwood于1997年在Fred Reif的協(xié)助下開發(fā)的一個電磁學(xué)概念評估工具[16]。在開發(fā)后，Lin Ding、RuthChabay、S.J.Pollock等學(xué)者多次對該工具進(jìn)行評估，認(rèn)為BEMA 是一個可靠的評估工具[17， 18]。

本研究中的物理概念檢測量表是依據(jù)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》，同時參考FCI和BEMA 編制形成的。為保證學(xué)生回答量表問題的質(zhì)量，本研究中的物理概念測試量表共11題，包含運(yùn)動學(xué)、力的合成與分解、力的種類、牛頓三大定律、庫侖定律、電勢差與強(qiáng)度的關(guān)系、電容器的充電過程、電磁感應(yīng)等力學(xué)、電磁學(xué)中的重要概念。物理概念檢測量表由兩名物理教育研究生在專家的指導(dǎo)下編制完成，并邀請多位高中在職教師進(jìn)行試測。在專家指導(dǎo)和教師試測反饋的基礎(chǔ)上，物理教育研究生完善和優(yōu)化了測試題，確保測試題質(zhì)量。

在物理課程中，成績是衡量學(xué)生學(xué)業(yè)成績的常用指標(biāo)。除考試成績以外，物理概念量表是衡量學(xué)生物理學(xué)習(xí)成果的另一個常用指標(biāo)。有研究顯示，學(xué)生在物理概念測試上的表現(xiàn)與物理成績呈正相關(guān)[19]。同時，與考試相比，這些測試工具摒棄了常規(guī)考試中對技巧、方法的考查，更加注重對物理規(guī)律的本質(zhì)理解，更能體現(xiàn)被測者的物理觀念。因此，本研究利用物理概念檢測量表反映學(xué)生某一階段物理學(xué)習(xí)成效。

1.1.2 影響因素量表

影響因素量表問題題項及因子載荷系數(shù)如表1所示。四個維度Cronbachs alpha 系數(shù)均大于 0.7，因此量表具有較好的信度。同時，影響因素量表由兩位物理教育專家及多位物理教育研究生共同翻譯完成，在翻譯時不存在跨語境歧義，量表的內(nèi)容效度得到保障;對量表進(jìn)行驗證性因子分析（Confirmatory Factor Analysis， CFA），結(jié)果顯示各題項對相應(yīng)維度的因子載荷在plt;0.001水平上顯著，且因子載荷系數(shù)均大于0.5。同時模型擬合指數(shù)為Chi/DF=2.298， TLI=0.938， IFI=0.934， CFI=0.951， RMSEA=0.072，根據(jù)D.Hooper[20]關(guān)于結(jié)構(gòu)方程模型擬合指數(shù)的指南，當(dāng)Chi/DFlt;3， TLIgt;0.9， IFIgt;0.9， CFIgt;0.9，RMSEAlt;0.08時，CFA 結(jié)果良好，因此，該量表具有較好的結(jié)構(gòu)效度。量表以李克特 5 級量表的形式編制，評分值越大表示學(xué)生對該題項表示的意義積極正向認(rèn)同程度越高。

自我效能感是指個體對自己成功執(zhí)行給定任務(wù)所需行為能力的信念[21]。本研究選取由Lindstrom和Sharma編制的“物理自我效能感問卷”（PSEQ），該問卷以物理學(xué)科中的自我效能感為焦點，具有較強(qiáng)的針對性。問卷的原始問題4的表述為：“我可以通過物理考試”，我們將其改為“我足夠用功的話，就能考出好成績”，更符合中國高中教育的實際情況。

物理身份認(rèn)同即個人在學(xué)習(xí)物理或從事物理相關(guān)工作的過程中，是否認(rèn)為自己是一個“物理人”[4]。在Yangqiuting Li的研究中，物理身份認(rèn)同僅用一個題項來測量：“我把自己看成一個物理人”[22]。本研究在此基礎(chǔ)上，參考Lauren Kost-Smith關(guān)于《物理自我效能感與身份認(rèn)同問卷》[23]中關(guān)于身份認(rèn)同的題項，最后確定兩個題項作為物理身份認(rèn)同維度的測量。

外界評價指的是個體感知到的來自他人的評價。在Yangqiuting Li的研究中，外界評價主要來自家人、朋友、老師，筆者稍作修改，使題項表述符合目前高中的現(xiàn)實情況。如：將“My friendssees me as a physics person”改為“我的同學(xué)認(rèn)為我適合學(xué)物理”等。

物理學(xué)習(xí)興趣是指學(xué)生對物理學(xué)習(xí)活動產(chǎn)生的喜愛和探求的情感狀態(tài)，是推動學(xué)生學(xué)習(xí)物理的內(nèi)在力量[24]。學(xué)習(xí)興趣量表參考了由E.F.Redish等人編制的《馬里蘭物理期望問卷》[25]。

1.2 研究對象

本研究在秋季學(xué)期中將量表以問卷的形式發(fā)放，選取來自三所中學(xué)的252名高中生為樣本（表2）。為實現(xiàn)樣本多樣性，消除樣本僅來自單一地區(qū)所帶來的偶然性，筆者選取來自三個省份的高中生填寫問卷，共發(fā)放312份問卷，剔除無效問卷60份，共回收有效問卷252份，問卷回收率80.77%。樣本包括上海高二學(xué)生117人，浙江高二學(xué)生77人，安徽高三學(xué)生58人，其中，男生168人，女生84人。最新研究表明，高中生物理選科存在顯著的性別差異，男生選考物理的意向要顯著高于女生[26]。學(xué)生在高二時已經(jīng)完成選科，故樣本中的男女比例約為2∶1符合實際情況。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 性別差異檢驗

先對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行正態(tài)性檢驗。Shapiro-Wilk正態(tài)性檢驗結(jié)果表明，男女生各維度均不服從正態(tài)分布。對于不滿足正態(tài)分布的定量數(shù)據(jù)，可用Mann-Whitney U 檢驗。因此，我們使用Mann-Whitney U 檢驗來進(jìn)行性別差異檢驗，如表3所示。Mann-Whitney U 檢驗只能檢驗組間差異是否顯著，因此，本文引入Cohens d反映差異的效應(yīng)量，即差異的大小程度，Cohen 認(rèn)為，0.1、0.3、0.5分別代表小、中、大效應(yīng)量[27]。

物理概念檢測量表共11題，筆者將物理成績作歸一化處理。男女生均值分別為0.709 和0.639，男生成績在p lt;0.01水平上顯著高于女生，達(dá)到中等效應(yīng)量，說明男生對物理概念的理解水平顯著高于女生。從物理身份認(rèn)同這一變量看，男生的平均得分高于理論中值3分，說明男生整體上具有較強(qiáng)的物理身份認(rèn)同，普遍認(rèn)為自己有成為優(yōu)秀物理學(xué)者的潛能。而女生在物理身份認(rèn)同這一變量上的平均得分較低，僅為2.530分，接近理論中值，說明女生對自己在物理學(xué)科的角色定位不如男生那樣明確和堅定。男女生差異這一變量具有統(tǒng)計學(xué)意義，效應(yīng)量為0.567，屬于較大程度的差異。在自我效能感和外界評價兩個變量上，盡管男女生得分均高于理論中值，但男生的均分顯著高于女生。這說明男生對自己在物理學(xué)科表現(xiàn)出更高的信心，同時也感知到來自外界的更多正面評價。這兩個變量上男女差異均達(dá)到中等程度。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，男生在物理學(xué)習(xí)興趣這一變量上的均分顯著高于女生，且高于理論中值，而女生的得分低于理論中值，說明男生對學(xué)習(xí)物理科目具有更濃厚的興趣，與何秀君[3]等人的研究結(jié)論一致。

2.2 結(jié)構(gòu)方程模型構(gòu)建

結(jié)構(gòu)方程模型（Structural Equation Model，SEM）是一種用于建構(gòu)觀測變量與潛變量之間或多個潛變量之間因果關(guān)系的多元統(tǒng)計分析方法，該方法是驗證性因子分析和路徑分析的結(jié)合，即包含測量模型和結(jié)構(gòu)模型。如圖2所示，在SEM中，我們將變量分為兩大類，可以直接測得的變量為顯變量，用方框表示，如學(xué)生性別屬于顯變量范疇。無法直接觀測到的變量為潛變量，用橢圓表示，可以通過觀測變量之間的關(guān)系推斷出來。通過測量模型，我們可以了解潛在變量和觀測變量之間的關(guān)系，以及觀測變量之間的測量誤差。如自我效能感屬于潛變量，我們只能通過題項的分?jǐn)?shù)來估計自我效能感的高低，但是分?jǐn)?shù)無法準(zhǔn)確代表自我效能感。與多元回歸模型相比，SEM 的一大優(yōu)勢在于我們可以同時估計多個結(jié)果的所有回歸關(guān)系和項目的因子載荷，從而提高統(tǒng)計能力[28]。同時，在本研究中，各變量的相關(guān)性如表4所示，變量之間存在中度顯著相關(guān)關(guān)系。若使用簡單的回歸分析，則會導(dǎo)致多重共線性問題，結(jié)構(gòu)方程模型能夠突破傳統(tǒng)回歸分析中的多重共線性限制，靈活建模處理多個變量間的復(fù)雜關(guān)系。本文使用Amos26.0建立結(jié)構(gòu)方程模型。

結(jié)構(gòu)方程模型如圖2所示。在圖2中，箭頭表示變量間因果關(guān)系方向，其上方為標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)，數(shù)值表示影響效應(yīng)的大小，效應(yīng)大小用箭頭粗細(xì)表示。根據(jù)D. Hooper[20]的結(jié)構(gòu)方程模型擬合指數(shù)指南，本研究建立的關(guān)于物理概念理解水平影響因素結(jié)構(gòu)方程模型擬合指標(biāo)比較理想，擬合度良好。

本研究的結(jié)構(gòu)方程模型中，性別作為類別自變量，男生編碼為1，女生編碼為0，與之相連的路徑系數(shù)是男生相對于女生的水平[29]。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)方程模型建構(gòu)的過程中，筆者發(fā)現(xiàn)性別對物理概念理解水平的直接影響在統(tǒng)計學(xué)上不顯著，說明物理概念理解水平中性別差異的解釋需引入其他變量。

通過路徑分析發(fā)現(xiàn)，外界評價和物理身份認(rèn)同是關(guān)鍵的中介變量。如表5所示，性別對外界評價的直接影響的標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)為0.23，且在plt;0.001水平上顯著。物理身份認(rèn)同對物理概念理解的直接影響的標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)達(dá)到0.36，屬于中等程度影響。而外界評價、自我效能感和物理學(xué)習(xí)興趣對物理概念理解沒有顯著的直接影響。

學(xué)生性別變量主要通過以下三條途徑間接影響物理概念理解：

（1） 性別→外界評價→物理身份認(rèn)同→物理概念理解;

（2） 性別→外界評價→自我效能感→物理身份認(rèn)同→物理概念理解;

（3） 性別→外界評價→物理學(xué)習(xí)興趣→物理身份認(rèn)同→物理概念理解。

這三條途徑都涉及了外界評價和物理身份認(rèn)同這兩個核心中介變量，說明外界評價和物理身份認(rèn)同對學(xué)生學(xué)科能力表現(xiàn)具有重要影響作用。

3 討論與分析

與理論模型進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，首先，在物理學(xué)習(xí)動機(jī)與物理概念理解水平的關(guān)系中，唯有物理身份認(rèn)同對學(xué)生物理概念理解水平有顯著影響，說明學(xué)生對自身物理身份的認(rèn)同會影響其學(xué)科能力，可見物理身份認(rèn)同是個體物理學(xué)習(xí)、成就的關(guān)鍵，也是個體獲得物理知識和能力不可缺失的一部分。其次，在物理學(xué)習(xí)動機(jī)內(nèi)部，自我效能感和物理學(xué)習(xí)興趣均顯著正向影響物理身份認(rèn)同，而與Kalender得到的模型不一致的是，本研究中，中國學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣對自我效能感并沒有顯著影響。

外界評價是本研究中的關(guān)鍵變量，一方面，性別對學(xué)生的自我效能感沒有顯著影響，而是通過外界評價影響自我效能感，標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)高達(dá)0.75，說明自我效能感發(fā)展中的性別差異是來自男女生感知到的他人對自我評價的差異，這一結(jié)論與外界評價在個體的自我效能感發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用的理論是一致的。同樣地，性別對學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣沒有顯著的直接影響，而是通過外界評價影響物理學(xué)習(xí)興趣，這與Kalender的模型不一致，說明外界評價在中國高中生物理學(xué)習(xí)興趣形成與發(fā)展中起到關(guān)鍵作用。另一方面，男女生感知到的外界評價直接或間接顯著影響物理身份認(rèn)同，從而影響學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中的表現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，男女生感知到的外界評價存在顯著差異。從結(jié)構(gòu)方程模型分析結(jié)果看，性別對外界評價的直接影響路徑系數(shù)為正值且達(dá)到了顯著水平。這意味著女生整體上感知到的外界負(fù)面評價更多。外界的消極評價會降低女生的物理學(xué)科自信心和學(xué)習(xí)動機(jī)，這繼而對她們的學(xué)習(xí)行為和效果造成不利影響。該結(jié)論與國外一些研究關(guān)于性別差異生成機(jī)制的類似發(fā)現(xiàn)一致[4]。

4 建議

本研究表明，物理身份認(rèn)同能夠正向顯著預(yù)測學(xué)生的物理概念理解水平。同時，外界評價是影響物理身份認(rèn)同的最主要因素。因此，筆者呼吁中學(xué)教師努力為學(xué)生建立平等包容的學(xué)習(xí)環(huán)境，消除外界評價中的刻板印象，從而提高物理身份認(rèn)同，提升學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中的表現(xiàn)。

學(xué)生在進(jìn)入物理課堂之前可能就受到社會刻板印象的影響，在物理中常見的刻板印象是人們通常認(rèn)為天賦是學(xué)好物理的重要因素，而天才往往和男性聯(lián)系在一起，女性從小就傾向于回避與先天才華有關(guān)的領(lǐng)域[30]。因此，教師作為學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，應(yīng)該幫助學(xué)生減小外界刻板印象帶來的負(fù)面影響。在教學(xué)中，教師應(yīng)謹(jǐn)慎用語，盡量避免使用“顯然的”“有天賦”等詞語，因為這些語言會潛在加重女性認(rèn)為自己不適合物理學(xué)科的刻板印象。在物理課堂中，教師應(yīng)當(dāng)采取公平包容的教學(xué)策略，鼓勵男女生一起參與課堂環(huán)節(jié)，為每個同學(xué)提供平等的機(jī)會來表達(dá)他們的觀點。當(dāng)女生在課堂上表現(xiàn)良好或進(jìn)步時，教師應(yīng)給予肯定，這可以潛在地減少學(xué)生感知到來自他人評價中的性別差異，從而建立其物理學(xué)習(xí)的自信心。同時，教師也可以采取多樣化的教學(xué)方式，比如，胡禔臻等人在高中物理課堂中實施同伴教學(xué)法，發(fā)現(xiàn)該方法對提高女生的物理學(xué)習(xí)動機(jī)有輕微的成效[31]。教師作為最直接影響學(xué)生的群體，應(yīng)對每一位學(xué)生表達(dá)對他們的期待，但是這還不夠，還需要引導(dǎo)學(xué)生為達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)而付出努力，同時改善其學(xué)習(xí)方法，促進(jìn)同伴間的交流互動，真正營造一個讓學(xué)生具有“物理歸屬感”的學(xué)習(xí)空間。

參 考 文 獻(xiàn)

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