原始物理问题测量工具：编制与研究，本文主要内容关键词为：测量论文,原始论文,物理论文,工具论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在物理教育中对中学生进行物理能力测量，是物理教育评价的重要组成部分。由于“现象是物理学的根源”，因此，物理能力测量就需要与物理现象密切结合起来，测量工具也就不能局限于被抽象的物理情境——习题，而必须上升到物理问题的层面，我们认为这是物理能力测量中非常值得重视的问题。基于此，我们编制了原始物理问题测量工具并进行了抽样测量。结果表明，这一工具不仅具有很好的信度与效度，而且能有效测量中学生解决物理问题的能力。
一、原始物理问题测量工具编制的思想
原始物理问题测量工具的编制主要从以下四个方面展开。
（一）将实际生活中的现象与物理知识有机结合编制而成
电风扇阴影是日常生活中司空见惯的现象，很多学生都观察过。这个问题与物理学中的交流电、圆周运动等知识巧妙联系在一起，可以有效考查学生解决实际问题的分析与综合能力，是一道很好的原始物理问题。
（二）根据新闻报道中的真实事件加以编制
轮船减摇是把一则新闻报道加以改编而成的。《中国青年报》1990年12月25日报道了我国前往南极的科学考察船“极地号”上发来的专电——“极地号启动减摇装置慢速航行”。报道称：“随着西风带的离去，船体摆动愈发剧烈，躺在床内的队员已可以清楚地感觉到，船体在向前后左右不同方向地摆动，在启动减摇装置的情况下，船体横摇平均已达15°，最高达27°……为了减小船体摇动，船上已采取了新的减摇措施，为此航速已减至10节并且改变了航向。”轮船减摇的解决首先需要把轮船抽象为质点，然后运用波长、波速、频率关系公式进行解答。因此，这是一道非常好的原始物理问题。
（三）根据历史上真实发生的事件改编而成
“瓦萨”舰翻倒是根据《新概念英语》的真实故事而改编。《新概念英语》写道：“1682年8月10日，瑞典的斯德哥尔摩，有一艘当时最大的主力舰‘瓦萨’号，正在举行首航仪式，一阵微风吹来，船身奇怪地晃动了一下，向左倾斜过来，炮长命令把所有的左舷上的大炮移到右舷以抵消船的倾斜，但甲板的倾斜度在增加。灌进船的水决定了船的命运。在辉煌历程的最初时刻，这艘为统治波罗的海而造的强大的‘瓦萨’号，飘着舰旗沉入她诞生的海港。”“瓦萨”舰翻倒灵活考察了力的三要素、重心和浮心的位置关系、力矩平衡原理等知识，对于学生的物理能力提出了很高的要求。
（四）根据高中物理教材的相关内容编制而成
飞机的感应电动势是根据高中物理教材法拉第电磁感应定律的推导而改编。[1]它灵活地考查了洛伦兹力公式、场强与电势关系公式、二力平衡等知识，要求学生把飞机抽象成一段导体。高中物理教材中一段导体做切割磁感应线运动时感应电动势的表达式是根据磁通量的变化推导的，而飞机的感应电动势原始物理问题则是一段导体切割磁感应线产生感应电动势，没有磁通的变化，可以很好地考察中学生的迁移能力。尤其是这个问题远离了学生熟悉的教材，可以有效测量学生的创造性思维能力。
按照上述方法，我们进行了原始物理问题测量工具的编制，经过多次测试，反复修改，最终形成正式原始物理问题测量工具。
二、原始物理问题测量工具
［指导语］：今天，我们将考查你一种重要的能力——解决原始物理问题的能力。本测量工具共有5个题目，每个问题从不同方面考查你解决原始物理问题的能力。本次测量的题目不是通常考试采用的习题，而是原始物理问题。由于它是对物理现象的描述，因此问题中通常不出现物理量，解答问题所需要的物理量由你自己来设置。当然，所设置的物理量要能够测量并且合理。
注意事项：1.在答题之前，请将自己的姓名、性别、年级、学校写在答题纸上；2.请自行作答，不要讨论，保持教室安静；3.如有看不懂的地方，请提出，在场的老师会及时解答。
（以上由监考教师在考试开始之前通读。）
全卷满分为100分，测试时间为120分钟。
姓名： 性别：班级：
学校：
得分
1.“瓦萨”舰翻倒（20分）
1682年8月10日，瑞典的斯德哥尔摩，有一艘当时最大的主力舰“瓦萨”号，正在举行首航仪式，只因一阵微风吹来，就使它翻倒沉没了！这是为什么呢？几百年来一直是个谜。1961年4月24日，这艘在海底沉睡了几百年的古战舰终于被打捞起来了，沉船之谜被揭开。请你利用所学的物理知识定量地解释“瓦萨”号翻倒之谜。
2.篮球落地（20分）
一篮球自某一高度自由下落，撞到地面后又弹起，上升到一高度后又自由下落，以后又弹起，下落，一次又一次直至篮球静止。请画出在整个过程中篮球的加速度随时间的变化图线，并定量地解释每一段图线为什么是这样画的。
3.电风扇阴影（20分）
一台双叶电扇顺时针转动，在日光灯的照射下，出现了稳定的四个扇叶互相垂直的阴影，则这时电扇的转速是多少？若出现了双叶片阴影缓慢地逆时针转动，这时电扇的转速略大（小）于多少？
4.飞机的感应电动势（20分）
一架飞机由东向西飞行，请根据所学的物理知识导出这架飞机上的感应电动势的表达式。要注明每个字母所代表的物理意义。
5.轮船减摇（20分）
轮船航行的时候，会受到周期性的波浪的冲击而向各个方向摆动，如果这个冲击力的频率与船体摆动的固有频率接近，就会使轮船的摆动加剧，一旦达到共振状态就有使轮船倾覆的危险，这时候可以改变轮船的航行方向和航行速率，使波浪冲击的频率远离轮船摇摆的固有频率，避免共振的发生。
请推导出一个表达式，说明改变轮船的航向和航速，就能使波浪冲击的频率远离轮船摇摆的固有频率，最终达到使轮船摇摆减轻的目的。
三、测量工具的认知作业分析与统计分析
我们采用随机抽样方法，选取了高三学生320人，应用原始物理问题测量工具进行了测试。以下为测量工具的认知作业分析与统计分析。
1.“瓦萨”舰翻倒
“瓦萨”舰翻倒是一个力学的稳定平衡问题。在问题解决中，要求学生能正确忽略“微风吹来”这个因素，分析出轮船只受重力、浮力，每个力各有一个作用点——重心、浮心。两个作用点的位置有三种情况：重心在上浮心在下；重心在下浮心在上；重心与浮心重合。通过分析两个力产生的力矩，得出结论：“瓦萨”舰翻倒的原因是重心在浮心之上。试卷分析发现，中学生解决问题中的类型如下：
解决问题中的类型
比例
1.完全不能解决问题 31%
2.因重心升高而导致不稳定平衡
30%
3.考虑到了重力，但同时考虑了风力 17.5%
4.只考虑了风力 8.5%
5.既考虑到重力和浮力，又考虑了风力 10%
6.正确解决问题 3%
研究表明，31%的学生不能对问题形成认识，36%的学生不能忽略风力，也就是不能正确地抽象。不能正确进行受力分析的学生占66%。说明中学生解决原始物理问题的能力是非常薄弱的。仅有3%的学生得出正确答案，这在一定程度上说明，培养中学生物理能力的工作任重而道远。
2.篮球落地
这是一个关于自由落体、篮球与地面碰撞时受力变化的问题。在问题解决中，要求学生忽略“空气阻力”，抓住篮球与地面碰撞时受力变化的关键因素。篮球在自由下落过程中，只受重力，与地面碰撞过程中有压缩与恢复两个阶段，除仍受重力外，所受地面向上的支持力先由零变到最大，然后再由最大变到零。接下来篮球又弹起离开地面，如此循环直至最后静止在地面。试卷分析发现，中学生解决问题中的类型如下：
解决问题中的类型 比例
1.考虑空气阻力，没有考虑篮球碰撞地面过程
中力的变化 37.5%
2.既考虑空气阻力，又考虑篮球碰撞地面过程
中力的变化 18.75%
3.忽略空气阻力，但没有考虑篮球碰撞地面过
程中力的变化8.75%
4.完全不能解决问题 3.75%
5.忽略空气阻力，考虑篮球碰撞地面过程压缩
阶段力的变化，但没有考虑篮球碰撞过程恢复 2.5%
阶段力的变化
6.正确解决问题 28.75%
这个问题的解决需要综合考虑篮球碰撞地面过程中力的变化，进而找出篮球的加速度随时间变化的规律。研究发现，超过一半的学生不能正确地抽象，他们把应当忽略的空气阻力考虑进来了，这在相当程度上说明了中学生抽象能力的薄弱。同样，超过一半的学生不能正确地进行受力分析，这显示出中学物理教育中的科学方法教育也存在很大的问题。
3.电风扇阴影
这是一个日光灯作为频闪光源与电风扇匀速转动相结合的问题。所涉及的物理知识仅仅是日光灯的发光情况与角速度、角位移和时间三者之间的关系以及周期与频率的简单关系。如果日光灯在第一次亮到下一次亮的时间内电扇的叶片正好转过π/2，则在日光灯的照射下，就出现了稳定的四个扇叶互相垂直的样子。试卷分析发现，中学生解决问题中的类型如下：
解决问题中的类型 比例
1.认为这个问题是视觉暂留问题 50%
2.虽然正确地认识到问题属于频闪光源问题，
但对交流电频率与日光灯闪频关系的理解 28.75%
3.虽然正确地认识了频闪光源和日光灯的闪10%
频，但运算错误
4.完全不能解决问题
8.75%
5.正确解决问题
2.5%
统计显示，有一半学生不能正确地进行分析，他们认为这个问题是视觉暂留现象，从而导致对问题的错误理解。由此可以看出，在原始问题解决中，分析占有很重要的地位，如果不能正确地分析，那么整个问题的解决都走到错误的道路上了。有28.75%的学生虽然正确地认识了频闪光源问题，但对于交流电频率与日光灯闪频的关系理解错误。交流电频率为50赫兹，而日光灯的闪频则为100赫兹。这些学生认为两者相等，反映出物理知识的掌握还存在着较大的问题。考虑到有8.75%的学生完全不能解决问题，这三部分学生大约占全体被试的90%，与第一题的情况非常相似。仅有2.5%的学生得出正确答案，说明我们目前的物理能力培养还存在着很大的问题。
4.飞机的感应电动势
飞机的感应电动势本质上是导体切割磁感应线产生电动势的问题。由于飞机机身在飞行中切割地磁场的磁感应线而造成了在飞机上各点电势的高低不同。因此，这一问题事实上可以应用洛伦兹力的知识加以解决。其关键之处在于能否想到产生电动势的微观本质以及与此相关的电子受力的动态平衡。试卷分析发现，中学生解决问题中的类型如下：
解决问题中的类型
比例
1.采用闭合电路的磁通量改变来求解但得
不出结果 21.25%
2.直接采用感生电动势的表达式来解释 10%
3.完全不能解决问题 30%
4.其他错误 10%
5.正确解决问题28.75%
有30%的学生没有任何思路，完全不能解决问题。还有一些同学试图采用闭合电路的磁通量改变来求解，但由于不能构造出闭合电路而失败，甚至有10%的学生认为可以直接采用感生电动势的表达式来解释。只有28.75%的同学能正确地解决问题，这说明了原始问题测量中学生物理能力的有效性。
5.轮船减摇
轮船减摇实际上是一个多普勒效应问题。通过改变轮船的航向和速度，来改变轮船接收到的波浪冲击的频率。当然，这个问题也可以不用多普勒效应，而采用机械波的频率、波长、波速关系公式来解决。由于轮船的速度与波浪的速度有一定夹角，因此，需要把波浪速度向船速投影，再应用f=γ/λ就使问题得到解决。试卷分析发现，中学生解决问题的类型如下：
解决问题中的类型
比例
1.完全不能解决问题 41.25%
2.未能正确使用公式 15%
3.不能正确进行速度分解 15%
4.其他错误 8.75%
5.正确解决问题 20%
统计表明，41.25%的学生不能正确的认识问题，他们认为这是一个共振问题或机械振动问题。15%的学生虽然正确地认识了该问题，但不能正确地运用公式。15%的学生虽然正确地运用了公式，但不能进行速度分解，说明科学方法的运用存在着很大的问题。事实上，分解法是最简单的科学方法，但有相当多的学生却不能有效地加以运用。研究发现，当把学生置于一个生态化物理情境中，他们所学的物理知识和科学方法往往不能有效地加以运用，解决问题的能力就真实地显现出来。因此，通过原始物理问题这个“窗口”，我们才能真正“看”到中学生解决物理问题的实际水平。
为了考察原始物理问题测量工具的有效性，我们运用SPSS10.0软件，首先计算了原始物理问题测量工具的难度。难度H=0.68。一般认为，难度在0.3～0.7之间为适中，本测量工具的难度为0.68，说明题目的难度适度。
其次，计算原始物理问题测量工具的区分度，区分度D=0.52。美国伊贝尔提出对试题评价的区分度指标，认为区分度达到0.4以上即为优秀。本原始物理问题测量工具的区分度D=0.52，说明是一个优秀的测量工具。
第三，计算原始物理问题测量工具的信度。克劳伯克α系数为0.882，表明原始物理问题测量工具具有较高的内部一致性。
最后，计算原始物理问题测量工具的结构效度。我们在学生的物理想象、物理思维、物理运算、物理知识运用和科学方法运用5个项目上的得分进行了探索性因素分析，结果仅获得一个因素而且不能旋转，因素负荷从0.582到0.850。一般认为，对于一种单一因素能力的测验项目进行因素分析，各测验项目应落在一个因素上，且因素负荷应大于0.3。由此可见，原始物理问题测量工具具有较好的结构效度。
四、原始物理问题测量工具编制的意义
物理能力测量在一定意义上属于心理测量的范畴，具有较强的物理学专业性与心理学专业性。心理学家陈立教授曾经在“我对测验的看法”一文中，论述了心理测验中许多值得重视的问题，提醒人们注意测量的专业性与复杂性，防止误用和滥用心理测量。[2]正如陈立教授所言，目前有些物理能力测量研究，在理论上把知识与能力相对立，在实践上把现象与抽象相混淆，已经在物理能力测量的理论与实践两方面都产生了复杂的不良影响。因此，在物理能力测量理论上澄清真伪，在测量实践上辨明良莠，不仅对物理教育评价的研究具有重要启示，而且对物理能力测量的发展具有重要意义。
我们认为，物理能力测量的重要取向是生态化取向。其中，最为重要的是，测量工具应当是生态化的。对此，心理学家舍米德特(Schmidt,F.L.1992)指出：“心理学家潜心于数据的统计与结果分析，而对课题的提出及问卷本身是否有意义以及在现实生活中的作用如何似乎不太关心，那么这些数据究竟想表达什么意思，究竟又能表达什么意思，不免令人生疑”。[3]这里，舍米德特表达了一个极其重要的思想，那就是：如果测量工具在现实生活中的作用及其意义不大，由此而得到的数据及结论也意义不大。把舍米德特的思想引申到物理能力测量的研究上，我们认为，物理能力测量工具中的问题应当是对现象的描述而不是对现象的抽象。因为只要给出了已知条件，就表明已经对现象进行了抽象，这样的问题就已经不是生态化的问题了。
长期以来，在物理能力测量研究中，人们一直致力于寻找一种能够真实测量中学生物理能力的工具，但测量工具往往囿于习题的范畴。比如，全国高考物理命题委员会曾进行过“高考物理能力要求研究测试”，题目之一为：
已知长为L的直导线通有电流I时，在方向垂直于导线的磁场中受到的安培力为F=IBL，其中B为磁感应强度，试由此公式导出单个运动电荷在磁场中受到的洛伦兹力f的表达式。要注明每个字母所代表的物理量。[4]
显然，上题虽然在形式上联系了现象，但却提供了完美而详细的数据，实际上并没有给学生提供真实的问题情境，因此使得物理能力测量的效度不高。而我们编制的原始物理问题“飞机的感应电动势”虽然在考察的知识内容上与上题基本一致，但在形式上则是把每个物理量镶嵌在真实的现象中而不直接给出，需要学生根据面临的情境，通过假设、抽象等手段获得，再构造出理想的模型，经过一层层的“剥开”过程，最终使结论“破茧而出”。这就使得原始物理问题测量工具对于中学生的物理能力测量具有较高的生态效度。
尽管如此，全国高考物理命题委员会进行的物理能力测试研究仍然应当肯定。在1994年和1995年的两次“高考物理能力要求研究测试”试题中，就包括了少部分论证题，要求学生对某些物理现象、物理原理的实际应用、某些熟知的结论进行解释或证明，这在一定意义上体现了物理能力测量研究的生态化思想。
在物理能力测量研究中，我们致力于物理能力测量的“生态学”研究，尝试在“生态学”取向的方法论基础上形成对物理能力测量的新认识，以回到“物理现象”、关注“原始问题”、回归“真实世界”的方式重新思考和理解物理能力测量，形成了运用生态学理论与原始物理问题测量中学生物理能力的思想，编制了原始物理问题测量工具，对于物理能力测量进行了生态化研究，希望对物理能力测量研究以有益的启示。
本文编制的原始物理问题测量工具只是物理能力测量研究中的“一小步”，但在物理能力测量的观念上却是“一大步”。其意义在于，不仅把物理能力测量工具的编制从习题拓展到原始问题，体现了生态化的研究取向，而且为改变我国基础物理教育领域长期存在的“题海战术”现象，提供了一种新的思路和有益的启示。