基于数据的抗逆学生物理探究能力的研究
沈启正
摘 要：物理探究能力是物理学科核心素养中的核心，2019年浙江省教育质量监测就重点考查了八年级学生在科学学科中的探究能力.深度挖掘并多角度分析监测数据可以发现，在物理探究“信息收集与理解”和“计划探索与制定”维度的能力强，是抗逆学生从弱势学生中脱颖而出的重要因素等.这一系列研究启示我们应以崭新的视角探索物理教育新的增长点，拓宽基于核心素养的物理深度学习的探究式学教模式新思路、新方法.
关键词：物理探究能力;抗逆学生;教育质量监测数据
家庭社会经济地位是影响学生学业成就的重要因素，美国社会学家科尔曼在20世纪60年代就发现了学生家庭背景与学业成就的正相关性.整体来说，家庭的社会经济地位越高，学生的学业成绩越好.但是，也发现一部分家庭社会经济地位较低的学生可以克服由此带来的不利影响，取得优异的学业成绩，成为抗逆学生.
本研究基于2019年浙江省教育质量监测数据.主要方法是把学生和家长问卷中的家庭社会经济地位信息与学生监测中的各科学业成绩建立相关，界定出抗逆学生与非抗逆学生，再比较分析各类型学生在物理探究能力上的表现.
一、研究设计的依据与方法
（一）抗逆界定
参考PISA报告对“抗逆学生”和“弱势学生”的划分方式[1]，本研究将学生分为以下几种类型：将社会经济地位处于全省样本后四分之一，但监测的语、数、科三门学科的学业量尺分均分表现在本省前四分之一的学生称为“抗逆学生”;将社会经济地位处于全省后四分之一，量尺分均分表现在本省后四分之一的学生称为“弱势学生”;将社会经济地位处于全省前四分之一，量尺分均分表现在本省后四分之一的学生称为“落后学生”（因样本数过少，本文中不予研究）;将社会经济地位处于全省前四分之一，量尺分均分表现在全省前四分之一的学生称为“双高学生”.
（二）研究对象
参加2019年浙江省教育质量监测的八年级学生共41590名，本研究剔除变量缺失值样本，最终有效人数38600人.其中，抗逆学生2951名，弱势学生2849名，双高学生2027名.
（三）研究工具
2019年浙江省教育质量监测数据，包括全省八年级抽测学生语文、数学、科学三门学科的监测成绩，以及学生、教师和家长的问卷结果.
语文考查阅读能力，数学考查问题解决能力，科学（主要是物理、化学）考查探究能力.基于分类合理和分值平衡考虑，把科学探究能力分为信息收集与提问、计划探索与制定、方案实施与改进（含获取和解释证据、科学解释现象）、结果反思与评价四个维度.
测试研究团队特别注重编制密切联系实际、聚焦真实问题解决的情境化试题，设计开放性分级计分试题，为测评学生的物理探究能力提供了丰富、准确和有效的信息.
为增加一线物理教师的可读性，本文不采用教育测量统计中引用大量专业术语的写法，尽量用直观的图表呈现.为避免繁杂及冲淡主题，一概不呈现数据检验表，特在此统一声明：本文所有数据都另进行了统计T检验，除特别说明外，分类群组之间均有显著性差异.
二、研究的主要结果与分析
（一）不同类型学生各学科的得分率情况
图1表示双高、抗逆和弱势学生在各学科中的得分率情况，除了可以看出本次監测各学科常模参照下，从易到难分别为数学、语文、物理、化学，还发现抗逆学生与双高学生相比，各科成绩均存在一定的差距，但与弱势学生相比优势明显.
由图1数据稍加计算，便可得到抗逆学生与其他两类学生各科得分率的相对百分比，如图2所示.由图2明显可知，数学与物理学科是抗逆学生与弱势学生相比取得优势之所在，与学科试题的难度无关.但同时也发现抗逆学生与双高学生的差距也是数、理学科最明显.
（二）物理探究各维度的学生得分率情况
从图3可见，物理探究的四个维度中，抗逆学生与双高学生均存在着一定的差距，但抗逆学生与弱势学生相比各维度的优势都很明显.
由图3还可得到物理探究各维度中，抗逆学生与双高学生、弱势学生之间得分率的相对百分比，如图4所示.从中可见抗逆学生与弱势学生相比在物理探究能力中的“计划探索与制定”维度优势最明显，其次是“信息收集与理解”维度;在“结果反思与评价”维度优势最不明显.抗逆学生在“方案实施与改进”维度中与双高学生相比差距最大;在“信息收集与理解”和“结果反思与评价”两个维度中与双高学生相比差距最小.结合两者数据，可得抗逆学生在“信息收集与理解”和“计划探索与制定”两个维度的能力强是其之所以抗逆的重要原因.
（三）抗逆学生与弱势学生在探究各维度中的能力表现对比
图5是抗逆学生与弱势学生在三门学科的探究各维度中的得分率差值对比.由图可见，数学学科各维度的差异均较大且比较稳定;化学学科中“信息收集与理解”维度差异很小，其他维度差异中等;而物理学科“信息收集与理解”和“计划探索与制定”维度差异较大，“方案实施与改进”和“结果反思与评价”维度差异迅速减少.可见物理与化学虽然同属于科学，却表现出不同的规律，物理对学生抗逆的贡献超过了化学对学生抗逆的贡献.此外，结合图2中各科得分率的相对百分比，可得到物理学科中的“信息收集与理解”和“计划探索与制定”维度的探究能力强是抗逆学生从弱势学生中脱颖而出的重要因素.
（四）双高学生与抗逆学生在探究各维度中的能力表现对比
图6是双高学生与抗逆学生在三门学科的探究各维度中的得分率差值对比.由图可见，物理与数学学科的趋势比较接近，抗逆学生在“方案实施与改进”维度与双高学生差距大一些，在“结果反思与评价”维度最接近;化学学科是“信息收集与理解”维度最接近，“结果反思与评价”维度差距大一些.也就是说，物理与化学中，抗逆学生与双高学生的差异情况趋势有所不同.相比双高学生，抗逆学生中物理的“结果反思与评价”能力较化学强，而化学中的“信息收集与理解”能力则较物理强.
（五）抗逆学生性别对各学科及物理探究各维度的影响
在2019年浙江省初中（八年级）教育质量监测的2951名抗逆学生中，女生为1501名，男生为1450名.从图7中不同性别抗逆学生各学科得分率情况看，性别对抗逆学生的影响不大，经T检验，仅化学学科得分率女生略好于男生有统计意义上的显著性，也就是说，抗逆学生的性别与物理探究能力的差异无关.
图8是男女抗逆学生物理探究各维度的得分率情况，虽然看似男生略有优势，但经过T检验，物理探究四个维度的得分率均无显著性差异.
三、典型题示例及难度值的影响
以下是综合考查学生物理探究能力的典型题示例.在项目反应理论（IRT）得到的不同难度值下，我们来分析抗逆学生及其他各类学生得分的表现情况.
典型题：为观测水结冰的过程，某同学进行实验：在小试管中倒入适量的水，在水中插入并固定温度计，再将此小试管放入加有食盐的碎冰中冷却，每隔1分钟记录温度计的示数及小试管内水的状态，结果如下表.
（1）请根据表中数据在下面方格中（略）画出小试管内水的温度随时间变化的关系图像.
（2）根据表中数据，某同学认为冰是晶体，你是否赞同？
（3）针对上小题的回答，说明理由.
分析：本题全面考查了物理探究中的“信息收集与提问、计划探索与制定、方案实施与改进、結果反思与评价”这四个维度.按照SOLO理论，第（1）小题采用4级评分，第（2）小题采用2级评分，第（3）小题采用4级评分.
根据项目反应理论（IRT）得到的难度值，本题的第（1）小题得1分难度值为-1.34;得2分的难度值为-1.26;得3分的难度值为0.48;难度值区间范围为[-3，3].由图9可知，双高学生得3分的人数比例为60.5%，抗逆学生则为51.4%，均为各自的最多人数，而弱势学生得3分的比例仅为8.1%.弱势学生最多人数比例出现在2分处，为36.7%，另一个高峰位于0分处，达35.4%.可见本小题由于得满分的难度不大，抗逆学生与双高学生的差距不明显，但抗逆学生与弱势学生相比，得满分的人数百分比几乎是弱势学生得0分和1分的总和.
第（2）小题得2分的难度值为0.38，主要考查问题解决中的“结果反思与评价”维度，答案唯一.由图10可知，双高学生有59.9%得满分，有45.7%的抗逆学生与37.9%的弱势学生得满分.这是二选一的判断填空题，这样的比例分布也说明了三类学生的差异十分明显.
第（3）小题得1分的难度值为2.37;得2分的难度值为2.89;得3分的难度值为3.38.得满分的难度值居然超过了3，可见这是难度相当大的问题，三类学生的错误率均极高.本小题4级评分.由于要得满分需要三段论严谨推理，故只有17.5%的双高学生、8.3%的抗逆学生和0.9%的弱势学生得1分，得2或3分的学生就更少了.不过值得注意的是，在难度值达到2.37的情况下，双高学生的人数百分比超过了抗逆学生的1倍，说明双高学生中的顶尖学生比例大幅超过抗逆学生中的顶尖学生比例，如图11.
四、抗逆学生物理探究能力影响的启示
（一）物理探究能力强是抗逆生展示学业水平的重要因素
实证表明，抗逆学生的物理探究能力明显强于弱势学生.数学的得分率差值最大，其次是物理，这两者都远高于语文和化学等学科.这现象有一定的合理性，由于社会经济地位的不足，学习的客观条件受到制约，但逻辑思维能力强、数理推理能力佳的学生仍有可能摆脱自身社会经济地位弱势的影响，在数学和物理这两门需要较强逻辑思维推理却不需要太多外部资源支撑学习的学科中展示较好水平.
（二）抗逆生在物理探究的“计划探索与制定”维度能力更强
“计划探索与制定”维度是抗逆学生超过弱势学生的最大优势，其次是“信息收集与理解”维度.这两个维度是物理探究的核心能力，是分析建模的关键突破点.数据还显示“结果反思与评价”是抗逆学生与弱势学生相对优势收敛的维度.这些现象有一定的道理，因为物理探究的突破口就在“计划探索与制定”这个维度上，而这个维度的前提是“信息收集与理解”，然后才是“方案实施与改进”.因此，抗逆学生擅长于“计划探索与制定”也是自然而然之事.
（三）抗逆生与双高学生在物理探究能力上总体存在一定差距
虽然抗逆学生在物理探究的“方案实施与改进”维度与双高学生差距更大一些，在“结果反思与评价”维度与双高学生最接近，但不管是从物理探究四个维度的分项得分率图线总体来看，还是从各学科的得分率来看，抗逆学生与双高学生的图线都近于平行折线，与双高学生之间存在着较稳定的基础背景式“能级差”.这说明抗逆学生与双高学生在物理探究能力上差距的本质不仅仅是某学科某能力的差距，更是受社会经济地位的制约，存在着学习背景、教育资源、思维品质等差异.相信随着学生学习的深入和阅历的增加，抗逆学生与双高学生存在的“能级差”在成长路上会有所收窄.
（四）在物理探究能力上，双高学生比抗逆学生拥有更多尖子生
从示例的典型题答题情况分析，基于IRT模型的难度值小于零或约等于零时，抗逆学生与双高学生得分的人数百分比相近;当基于IRT模型的难度值位于1附近时，抗逆学生与双高学生得分率均下降明显，抗逆学生与双高学生存在着一定差距;当基于IRT模型的难度值大于2时，两者的得分率均显著下降，抗逆学生的得分率甚至只有双高学生的一半.究其原因，当试题难度在中等或以下时，无论是抗逆学生还是双高学生，学业成绩均处于群体中的前1/4，故差距不大.但当难度过大，处于群体中前1/4的学生也大部分无法应对，只有少数尖子生才能答对时，由于双高学生中尖子生比例高，就与抗逆学生拉开了差距.
（五）抗逆学生总体在物理探究能力上无明显性别差异
抗逆学生性别比例女生略多于男生，占比分别为50.9%和49.1%，基本平衡.在各学科中，男女抗逆学生的得分率十分接近，仅化学学科中女生得分率略高于男生;在物理探究各维度中的表现，男女抗逆学生均无显著性差异.可见总体上，物理探究能力强弱与抗逆学生的性别无关.
物理探究能力的培养是个渐进的过程，它既与学生物理思维的敏捷性、灵活性、深刻性、批判性和严谨性等思维品质有关，又与学生的学习习惯以及学习策略的形成有关，需要学生在较长时间的学习中多次领悟、反复应用，逐渐内化为思考习惯，外化为思维品质，因此，学生的成长环境对它的影响十分巨大.研究抗逆学生在物理探究能力上的表现，有利于我们进一步了解物理探究各维度中学生的学习特点，有助于我们进一步探究抗逆学生的成功机制，也有益于我们减少不必要的教育成本，以崭新的视角探索物理教育新的增长点，拓宽基于核心素养的物理深度学习的探究式学教模式新思路、新方法.[□][◢]
参考文献：
[1]张娜，王玥，范文凤.“抗逆学生”何以实现学业“逆袭”——基于PISA2015中国四省（市）学生科学素养表现及其影响因素的分析[J].中小学管理，2018（10）：52-55.
（本文在数据分析方面得到浙江工业大学教育科学与技术学院2020级硕士生夏晶的大力支持，特此致谢！）