基于层次分析法的普通高中物理探究性实验评价量表的构建

余春悦,伏振兴

(宁夏师范学院 物理与电子信息工程学院，宁夏 固原 756099)

2018年,教育部颁布《普通高中物理课程标准(2017年版)》(以下简称“新课标”),“新课标”以核心素养为出发点提出整个课程的全部要求；以人为本,注重学生的差异性,关注学生的多元发展,体现物理课程的育人功能[1],旨在培养能应对未来挑战的新时代有志青年.

物理学作为自然学科的基础之一,在学科知识学习中具有重要地位.物理学的发展离不开物理实验,通过实验学生能够清晰地了解物理学家的研究历程,体会知识探究的艰辛和物理世界的奇妙,进而加深对知识的理解和掌握.物理实验在培养学生良好的动手操作能力的同时,还能够培养学生科学的实验态度和严谨的思维方式,有助于学生物理学科核心素养的达成.

随着素质教育的发展和“新课改”的不断深入,如何合理地评价学生的实验素养已越来越受到广大教师的关注.但现阶段对于物理实验的评价还不能很好地适应“新课改”和素质教育的要求,存在着以考试成绩为主的片面评价学生对物理知识掌握程度的情况,对于学生的动手能力、思维能力和合作交流能力的培养较难做出有效的判断[2].本文基于建构主义和人本主义理论,结合“新课改”的要求,构建普通高中物理探究性实验评价量表,在新教育教学理念下探索新的物理实验评价方式,以期客观科学有效地评价学生的实验能力.

1 层次分析法

层次分析法(Analytic Hierarchy Process,简称AHP)作为一种决策分析方法,具体操作流程如下[3].首先分析要研究的问题,整理各要素之间的因果联系,一般将问题分为三层,建立层次关系结构.层次关系构建完成后,对同一层级的各个元素进行两两比较,一般采用Saaty提出的标度赋值[4],具体规定见表1.

表1 标度赋值含义表

计算指标权重的方法有很多[5],本论文选择容易笔算和适合阶数不高的判断矩阵的和法和根法.其中,和法的计算公式为

(1)

根法的计算公式为

(2)

上式中的wi均表示第i个指标的指标权重,n表示判断矩阵的阶数,aij表示判断矩阵A中第i行第j列元素,akj同理.

在计算得出单层指标权重后,为了确保数值可用,需对判断矩阵进行一致性检验.首先，根据下列公式(3)计算该矩阵的最大特征值λmax.

(3)

根据公式(4)计算出一致性指标CI(consistency index),再根据下列公式(5)计算出一致性比例CR.

(4)

(5)

其中RI(random index)的取值如表2所示[6].

表2 平均随机一致性指标

当CR<0.1时,认为该矩阵具有一致性,若CR≥0.1,则需要对该矩阵进行修正再重新计算.

计算完单层指标权重后,再计算合成指标权重,最后对整体进行综合一致性检验,仍然用公式(5)计算,其中

(6)

(7)

2 评价指标和权重的确定

以建构主义和人本主义理论为指导,结合高中物理新课标的要求,采用访谈法听取教育学专家和一线物理教师的意见,拟定普通高中物理探究性实验评价量表的一级指标4个、二级指标13个、三级指标51个.

采用层次分析法计算指标权重.访谈高中的一线物理教师和高校教育学专家,采用问卷调查的方式,综合得到了各层级指标两两对比的优先系数.为了提高数据的准确性,减小计算误差,将采用三种不同的方法来计算各指标权重.

2.1 一级指标权重的确定

通过上述方法对一级指标构造出的判断矩阵A如下.

2.1.1 和法计算一级指标权重

采用和法计算时，首先将矩阵A按列归一化,得到矩阵A′.

将归一化后的各行相加求平均,得到矩阵ωA

ωA对应的就是一级指标的指标权重.算出指标权重后,再对该矩阵进行一致性检验,利用公式(3)计算可得

λmax=4.0609.

2.1.2 根法计算一级指标权重

当采用根法计算时，首先将矩阵A的元素按行相乘,得到的新矩阵为

再将新矩阵中的元素开n次方,得到

最后将其归一化,得到

ωA对应的就是一级指标的指标权重.同样地,对该矩阵进行一致性检验,具体结果见表3.

2.1.3 MATLAB计算一级指标权重

采用MATLAB计算矩阵的最大特征为4.0606[7],对应的特征向量为(0.3174,0.7460,0.4512,0.3730),将这个特征向量进行归一化处理,得

ωA对应的就是一级指标的指标权重.一致性检验结果见表3.

表3 一级指标各项数值统计

从上表可以看出,三种方法计算出的CR<0.1,说明对一级指标的排序均有效.采用不同的方法对一级指标的排序均为ωA2>ωA3>ωA1>ωA4,即实验探究>实验总结>实验态度>实验准备.为减小误差,取根法和MATLAB软件计算的算术平均值作为最终指标权重,即

2.2 二级指标权重的确定

同样采用计算一级指标权重的三种方法计算出二级指标的指标权重,汇总如表4～表7所示.

表4 实验准备的二级指各项标数值统计

由上表可得,实验准备下的二级指标权重为

表5 实验探究的二级指标各项数值统计

从上表可以看出,采用和法的指标排序为ωB24>ωB23>ωB21=ωB22,采用根法和MATLAB软件计算的指标排序为ωB23>ωB24>ωB21=ωB22,针对这个问题咨询了多位一线物理教师的意见,一致认为设计实验比实施实验更重要,故将和法的计算结果排除.为减小误差,取根法和MATLAB软件计算的算数平均值作为最终指标权重,即

表6 实验总结的二级指标各项数值统计

表7 实验态度的二级指标各项数值统计

从上表可以看出,对实验总结的二级指标的排序均为ωB31>ωB32>ωB33>ωB34,即数据处理>误差分析>交流讨论>实验报告.为减小误差,取根法和MATLAB软件计算的算数平均值作为最终指标权重,即

从上表可以看出,实验态度的二级指标权重为

单层次排序结束后,还要进行综合层次排序,计算出合成指标权重,如表8所示.

表8 层次总排序

最后对整体进行一致性检验,计算可得CR<0.1,层次总排序有效.

2.3 评价主体权重的确定

将评价主体分为学生自评、小组互评和教师评价,针对评价主体的赋值也参照上述方法,最终数值统计如表9所示.

表9 评价主体的指标各项数值统计

从上表可以看出,采用不同的方法对评价主体指标的排序均为ωC3>ωC2>ωC1,即教师评价>小组互评>学生自评.为减小误差,取以上三种方法的算术平均值作为最终指标权重

3 普通高中物理探究性实验评价量表

由于三级指标的数量较多,而且难以明显区分它们之间的重要程度,所以认为它们的重要程度相同.另外,将定量评价和定性评价相结合，在评价量表的最后加上评语,一方面可以因人而异地指出学生存在的问题,另一方面也可以用来鼓励学生,促进师生良好交流.最终得出的学生探究性实验评价量表如表10所示.

表10 探究性实验评价量表

一级指标内容权重二级指标内容权重三级指标内容评价指标得分自评0.16他评0.25师评0.59实验报告0.03能够按时完成实验报告每个指标最多1分,满分3分内容正确完整书写规范,字迹工整实验态度0.20情感0.05学生的实验兴趣高每个指标最多1.25分,满分5分实验过程中十分投入有克服困难的决心有做好实验的意识表现0.10遵守实验纪律每个指标最多2.5分,满分10分团队分工明确能够进行自我反思能够客观评价自己和他人责任0.05实验操作安全、规范每个指标最多1.25分,满分5分实验过程中能够实事求是能够冷静处理实验中的突发情况实验结束后整理仪器归位总分最终得分:综合评语:

4 信效度检验

4.1 信度检验

信度是衡量一个量表的评价结果是否可信的重要标准,通常分为内部信度和外部信度.本文选择“探究加速度与力、质量的关系”的实验,邀请5名教师对上课的两名同学进行评价,只统计教师评价部分的结果.利用SPSS软件检测Cronbach′s Alpha系数作为内部信度的评判依据,分析结果见表11.

表11 可靠性统计

由上表可知,α>0.8,说明该量表的内在一致性良好.

外部信度即多位评价者采用同一量表对同一被试者进行评价的一致性程度,又称评分者一致性.利用SPSS软件计算Kendall的tau_b相关系数和Spearman相关系数作为判断依据,对同学甲和同学乙的分析结果分别如下表12和表13.

表12 对同学甲进行评价时的评分者相关系数

表13 对同学甲进行评价时的评分者相关系数

由上表可知,对5位评价者的打分情况进行两两比较,当被评价者是同学甲时,Kendall的tau_b相关系数为0.898～0.959,Spearman的rho相关系数为0.954～0.982;当被评价者是同学乙时,Kendall的tau_b相关系数为0.924～1,Spearman的rho相关系数为0.969～1,均大于0.8,说明评分者信度良好.

4.2 效度检验

效度衡量的是一个评价量表能否客观真实地反应被评价者的实际状况,本文主要探究内容效度和结构效度.在内容效度上,本文查阅了大量评价相关文献,同时,紧密联系新课标的要求,将教育学原理融入其中,为量表的构建提供了理论基础.在评价指标的选取上,充分考虑了学生和教师的各方面需求,咨询了多位一线物理教师和教育学专家学者的意见.因此,构建的量表应具有良好的内容效度.

结构效度是指评价指标的结构层次与量表构建之初的理论的符合程度,利用SPSS软件进行因子分析,将4个一级指标定为4个因子,用各一级指标的总分进行分析,具体结果见表14.其中KMO>0.7,Sig.<0.05.

表14 KMO和Bartlett的检验

再进行各一级指标得分与总分之间的相关性分析,采用Pearson相关性检验,具体分析结果见表15.

表15 各一级指标得分与总分的Pearson相关性分析

由上表15可知,各一级指标得分与总分之间的Pearson相关系数为0.741～0.942,相关系数越高,量表的整体结构越好.综合以上分析,说明该量表具有良好的结构效度.

5 结束语

以建构主义和人本主义理论为指导,结合高中物理新课标的要求,采用层次分析法构建了普通高中物理探究性实验评价量表.为避免用单一方法计算指标权重产生误差,利用三种不同的计算方法分别确定了一级指标和二级指标的权重,并对其信效度进行检验.量表保留实验综合评语,采用定量评价为主，辅助定性评价以及将学生和小组成员也纳入评价主体当中的自评、他评和师评的多元评价方式,既可以促进学生自我约束,又可以使同组成员之间相互监督.新构建的评价量表,适应素质教育和“新课改”的要求,能够较为科学有效地评价普通高中物理探究性实验效果.