初中学业水平考试物理能力内涵、要求与结构
朱行建1 陆建隆2
（1.天津经济技术开发区教育促进中心，天津 300457；2.南京师范大学教师教育学院 江苏南京 210024）
摘 要：通过某地中考物理模拟试卷的大数据分析，采用探索性因素分析建立了物理因素模型，通过验证性因素分析验证了模型的可接受性，以具体的试题解答时的思维表现与考查的因素相互对应归纳得出了物理能力要素的内涵、要求与结构。
关键词：物理能力 内涵 结构
1问题的提出
物理学科能力是指学生在在顺利的完成物理知识学习活动和相关物理问题解决活动中所必须具备的、稳定的心理特征[1]。2019年11月，《教育部关于加强初中学业水平考试命题工作的意见》（教基〔2019〕15号）指出，“试题命制既要注重考查基础知识、基本技能，还要注重考查思维过程、创新意识和分析问题、解决问题的能力”[2]，为此，南京师范大学陆建隆教授领衔的全国初中学业水平考试物理能力研究课题组在思辨与命题实践的基础上构建了我国初中学业水平考试物理能力要素的框架，即初中物理能力由理解能力、应用能力和实验探究能力构成[3]。但是，该文献没有回答以下几个问题：一是这样建立的物理能力要素没有依托大数据的数学建模实证支持是否正确？二是上述能力的含义、具体要求及表现水平到底是怎样的？三是试卷中各个能力层次的分值占比应该大致为多少是比较合适的？弄清这些问题就可以根据具体的试题确定其考查的能力属性，从而进一步确定试卷的能力结构。为此，全国初中学业水平考试物理能力研究课题组针对这些问题开展了研究。
2研究的过程
2.1研究的思路
由于解答一道试题时可能要使用多种能力，但是到底以哪种潜在的能力为主？这一问题不弄清楚，对同一道试题不同的教师就会有不同的理解，从而在确定能力时会出现不同的主观答案。全国初中学业水平考试物理能力研究课题组以2020年某省的中考试题为例，邀请两位具有20年以上教龄的初中物理省级骨干教师给本套试卷中的每一道试题进行能力划分，从他们划分的结果看，实验与探究能力的划分基本一致，而在理解能力和应用能力的划分上几乎有一半的不同。基于这样的不同认识，我们以某城市的2020年5月进行的中考模拟试题为研究对象，对本套试卷建立了该城市的4718名学生的答题反应数据库，运用SPSS统计软件采用探索性因素的聚类分析方法对数据进行处理，根据聚类分析数据处理的因素分类结果，找出与因素分类相对应的试题，建立物理能力要素的数据实证模型，再运用MPLUS软件，通过验证性因素分析的方法检验建立的物理能力要素模型是否正确，最后，通过具体的分析试题解答过程中的行为表现，归纳出试题的主要能力因素及水平高低，进一步概况出能力的内涵、具体要求和结构。
2．2试卷概况
试卷满分100分，考试时间90分钟，共有试题28道，共有题型三种类，其中单项选择题12道，填空题8道，解答题8道，在解答题中进一步分为作图题1道（分为3个小题）、实验与探究题5道，计算2道，具体的试题的题型与题号如表1：
表1：试题的题型与题号
|
项目 |
单项选择题 |
填空题 |
解答题 | ||
|
作图 |
实验与探究 |
计算 | |||
|
题目个数 |
12 |
8 |
1 |
5 |
2 |
|
题号 |
1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12. |
13，14，15，16，17，18，19，20． |
21. |
22，23，24，25，26. |
27，28 |
2.3数据处理
2.3.1探索性因素分析
对学生的答题运用SPSS统计软件进行数据处理，试卷的难度为0.67，与初中学业水平考试的要求基本一致，试卷的内部一致性α系数为0.925，说明试卷的信度很好，KMO检验和巴特利特球形度检验，结果如表2，KMO检验系数为0.983，巴特利特球形度检验相应的概率Sig.=0.00，表明试卷有较高的效度，说明本试卷的数据可以用作因素分析。
表2：试卷KMO和巴特利特球体检验
|
KMO和巴特利特检验 | ||
|
KMO取样适切性量数。 |
.983 | |
|
巴特利特球形度检验 |
近似卡方 |
58887.432 |
|
自由度 |
378 | |
|
显著性 |
.000 | |
对数据用SPSS统计软件进行探索性因素聚类处理，得出的碎石图如图1，谱系图如图2。
图1 探索性因素聚类分析碎石图
图2 探索性因素聚类分析谱系图（使用平均联接）
碎石图表明，试卷考查了5个主要的因素，因素6考查的因素较弱，数据解释力不强。谱系图表明了哪些试题考查了同一因素，并且这些因素可以划分为由低到高的不同水平，具体题号和由低到高的水平因素如表3。
表3 由低到高水平因素分析
|
因素 |
题号 |
个数 |
题型 |
|
因素1 |
2，18，1，11，7，3，6，16，17，5 |
10 |
3个填空，7个选择 |
|
因素2 |
8，10，4，15，9，12 |
6 |
1个填空，5个选择 |
|
因素3 |
20，25，22，24，19，14 |
6 |
3个填空，3个实验探究 |
|
因素4 |
13，23，21，27 |
4 |
1个填空，1个作图，1个实验探究，1个计算 |
|
因素5 |
26 |
1 |
1个实验探究 |
|
因素6 |
28 |
1 |
1个计算 |
进一步分析谱系图可知，因素2包含因素1，可以认为这是某个要素的2个不同水平，记为要素1，从传统题型上看主要是选择题和填空题；由于因素5只有一道试题，是一个独立存在的因素，比较容易分析，故，先分析因素5，因素5的第26题是一道实验探究性试题，说明实验探究性试题考查指向了某个潜在的因素，因素5包含因素3和因素4中的某些因子，可以认为这是某个要素的3个不同水平，因素3有3题实验探究题，因素4有1题实验探究题，且，因素5是全卷实验探究性试题因素中考查的最高水平的试题，故，因素3、因素4中的实验探究题与因素5的实验探究题记为要素3；因素4包含因素3，除了实验与探究题（已纳入要素3），共有6道试题（包括4道填空，1道作图和1道计算），因素6是全卷的最后一题，因其解释力不强，不能独立作为一个潜在因素，同时，考虑到该题是一道计算题，将该题并入因素3与因素4中较高水平上进行分析，除了实验探究性试题的其他试题潜在因素3、因素4与因素6可以认为这是另外某个因子的3个不同水平，记为要素2。至此，运用探索性因素分析建立的物理试卷考查要素模型如表4。
表4 物理试卷考查要素模型分析
|
要素 |
因素 |
题号 |
个数 |
题型 |
|
1 |
因素1 |
2，18，1，11，7，3，6，16，17，5 |
10 |
3个填空，7个选择 |
|
因素2 |
8，10，4，15，9，12 |
6 |
1个填空，5个选择 | |
|
2 |
因素3 |
20，19，14 |
3 |
3个填空， |
|
因素4 |
13，21，27 |
3 |
1个填空，1个作图， 1个计算 | |
|
因素6 |
28 |
1 |
1个计算 | |
|
3 |
因素3 |
22，24，25 |
3 |
3个实验探究 |
|
因素4 |
23 |
1 |
1个实验探究， | |
|
因素5 |
26 |
1 |
1个实验探究 |
2.3.2验证性因素分析
上表根据探索性因素分析的6个因素结合传统的题型建立了初中学业水平考试物理试卷考查的3要素分析模型。那么，这样的三要素模型是否合理？为此，用结构方程模型分析软件MPLUS进行验证性因素分析，具体模型拟合指数如表5.
表5 模型拟合指数
|
X2 |
df |
TLI |
CFI |
AIC |
BIC |
SRMR |
RMSEA |
|
2661.873* |
347 |
0.957 |
0.961 |
320775.588 |
321337.533 |
0.023 |
0.038 |
用MPLUS构建一阶模型，模型拟合指标与评价标准如下，近似误差均方根ＲMSEA＜0.050，越小越好；标准化残差平方和的平方根SRMR＜0.08，越小越好；Tucker-Lewis指数TLI＞0.900越接近1越好；比较拟合指数CFI＞0.900，越接近1越好[4]。由表5可知，模型拟合指数较好，，即物理试卷是由3个要素构成的，表4的模型是可以接受的。
3中考物理试题的能力要素与行为表现水平分析
为了确定中考试题的能力要素和表现水平，下面结合具体的试题解答，分析答题时的行为表现，将试题与表4建立的模型因素类别相对应，探讨试题考查的能力要素和表现水平。在表4建立的模型中，第3个要素可以初步确定是实验探究题型，考查的是实验探究能力，至于要素1和2考查的是什么需要再做进一步的分析。试题的能力要素与表现水平的确定以新修订的布鲁姆教育目标分类学为基础[5]，同时，对实验探究能力则参考科学探究的主要程序。在例题选择时，尽可能的选择初中物理常见的、不同风格的既有一定代表性的试题类型进行分析。
3.1因素1试题答题行为表现分析
因素1涉及的题型为7个选择题和3个填空题，选择1个常见的试题类型进行分析。
例1.（试卷第2题）中华古诗词、俗语蕴含着丰富的声学知识，下列有关理解正确的是
A．“响鼓还需重锤敲”说明声音的响度与频率有关
B．“谁家玉笛暗飞声”中笛声由笛管的振动产生
C．“闻其声知其人”的依据是不同人的声音，其音色不同
D．“不敢高声语，恐惊天上人”中的“高”指的是声音的音调高
本题通过古诗词考查学生的物理知识是中考试题中基础采用的一类试题，该题是对乐音的特性进行考查，要求学生能够根据其特性进行识别，达到再认水平，这一因素可以看作理解能力中较低层次的考查目标。
3.2因素2试题答题行为表现分析
因素2涉及的题型为5个选择题和1个填空题，选择1个常见的试题类型进行分析。
例2.（试卷第15题）如图所示，用滑轮组提升重100N的物体时，在10s内绳子自由端被匀速拉下6m．已知拉绳子的力F为70N，则在此过程中滑轮组所做的有用功是 J，拉力F的功率是 W，该滑轮组机械效率为 %（保留一位小数）．
本题是填空题中的简单计算题，试题取材于教科书中的情境，是中考中常见的一类试题，考查学生对功、功率、机械效率等物理概念和规律的计算。本题属于计算题，由于是情境是教科书上学生熟悉的模型，他们能够通过回忆，直接提取相关公式，带入公式进行简单的计算就可以得出答案，其本质特征还是对公式的正确回忆与提取，但是，由于涉及到计算的能力，这一因素可以看作理解能力中较高层次的考查目标。
3.3因素3试题答题行为表现分析
因素3涉及的题型为3个填空题，填空题有2个涉及计算，另外1道填空有2个小题，选择1个常见的填空试题类型进行分析。
例3.（试卷第14题第1小题）如图甲所示，小红将一个硬质塑料瓶装满水，把乒乓球放在瓶口处按住并倒置，松手后，乒乓球在 的作用下不会下落；如图乙所示，将硬质塑料瓶去掉瓶底，把乒乓球放入瓶内，若从瓶口处用力向上吹气，由于气体流速越大的位置，压强越 ，所以乒乓球不会上升．
本题在具体的情境下考查大气压强的知识，也是中考常见的一类的试题。试题要求学生回答乒乓球的运动情况，需要学生应用压强的知识对乒乓球进行受力分析，而受力情况又和大气压有关，尽管后一填空学生通过回忆就可以作答，但是前一空学生需要通过分析与推理乒乓球不会下落的原因，这一因素可以看作应用能力中较低层次的考查目标。
3.4因素4试题答题行为表现分析
因素4涉及3种题型，为1个填空题、1个计算、1个作图，其中作图分为3个小题，选择作图题中的1个小题进行分析。
例4.（试卷第21题第1小题）如图甲所示是小华春游时在水边看到的美景，请将他看到水中“树木”的光路图补充完整。
作图题是中考中常用的试题类型，本题不仅要求学生理解光的折射现象，弄清楚物与像的位置关系，还要动手操作画图，像本题这样，作图题需要学生把学到的物理知识应用到具体的作图中去，用物理知识解释生活现象，需要对问题进行分析、推理等进行综合论证。这一因素可以看作应用能力中较高层次的考查目标。
3.5因素6试题答题行为表现分析
因素6属于要素2，只有一道计算题，并是全卷最后一道试题。
例5（试卷第28题）如图甲所示是一款加热杯，可以通过控制开关S实现高、中、低三档加热，其简化电路图如图乙所示．R1、R2、R3均为电热丝（R1>R2），已知R1＝77Ω，加热杯的部分参数如表．求：
|
额定电压 |
220V |
|
高温档功率 |
2200W |
|
中温档功率 |
880W |
|
低温档功率 |
乙
甲
- R2的阻值是多少？（2）加热杯的低温档功率是多少？（结果保留一位小数）
（3）若只要求将中温档功率提升10%，请通过计算说明具体措施．
本题是在新的情境中考查学生解决问题能力的一类题型，但是本题不仅仅要求学生从图标中提取有用的信息，还要求学能够用电路图对保温档和加热档进行区分，考查学生从复杂的物理情境中构建物理模型的能力，最后一问还需要通过分析、推理、计算、论证等才能得出正确答案，考查学生创新能力，这一因素可以看作应用能力中最高层次的考查目标。
3.6实验探究性试题答题行为表现分析
实验探究性试题属于要素3，涉及因素有3、4和5，共有5题，选择其中有代表性的常见试题进行分析。
例6.（试卷第22题）图甲是小强在标准大气压下用50g冰做“探究冰熔化时温度的变化规律”的实验装置，图乙是他根据记录的数据绘制的温度随时间变化规律的图象．［c水=4.2×103J/（kg·℃）］
（1）实验中，冰熔化的时间为 min．
（2）由图乙可知，冰在熔化过程中吸收热量，温度不变，内能 （选填“增大”、“减小”或“不变”），冰在熔化过程吸收的热量为 J．
（3）试管中的冰完全熔化后，若持续加热，当烧杯中的水沸腾时，试管中的液体 （选填“会”或“不会”）沸腾．
乙
甲
分组实验是中考中常用的试题类型，试题考查了晶体熔化时的温度的变化规律，要求考生不仅要掌握具体熔化时的温度、时间、内能等物理量的知识，还要求学生能够将具体的数学图像和物理意义联系起来，由于试题的情境学生非常熟悉，学生只需回忆做过该实验的过程，经过简单分析就可以解答。本题考查的因素与原属于因素3的应用能力中较低层次的考查目标相当,属于要素3，可以看为实验与探究能力的较低水平层次。
例7.（试卷第23题）小方在“探究凸透镜成像特点”的实验中，将凸透镜固定在光具座上50cm刻度线处不动，移动蜡烛和光屏至如图所示位置时，光屏上承接到清晰的像．
（1）如图所示位置，此时蜡烛在光屏上成倒立、 （选填“放大”、“缩小”或“等大”）的实像．
（2）小方将远视眼镜的镜片放在蜡烛和透镜之间的适当位置，此时应将蜡烛向 （选填“左”或“右”）移动，光屏上才能再次承接到清晰的像．
（3）取走镜片，小方将蜡烛放到光具座上20cm处然后向左移动一段距离后，应将光屏移至 （选填序号）范围内才能承接到清晰的像，此时成的像和蜡烛在光具座上20cm处成的像相比是 （选填“变大”、“变小”或“等大”）的．
A．50～65cm B．65～80cm C．80～95cm
（4）小方想用大小合适的玻璃板替换凸透镜探究平面镜成像规律，她取两支相同的蜡烛是为了比较像与物的 关系；光具座上的刻度可以方便比较像与物到玻璃板的 关系．
本题也是重要的分组实验，也是一中考常见的试题类型。试题在教材的实验的基础上进行了改编，在蜡烛和透镜之间加上了远视眼镜的镜片，要求学生对提出的问题进行蜡烛移动的猜想，并进行设计论证。在光具座上考查平面镜成像规律，考查学生的比较、推理等综合论证能力。本题考查的因素与原属于因素4的应用能力中较高层次的考查目标相当，属于要素3，可以看为实验与探究能力的较高水平层次。
例8.（试卷第26题）在“探究电流与电阻的关系”实验中，小丁选用如下器材：电压恒为5V的电源、阻值为5Ω、10Ω、20Ω的定值电阻，规格为“30Ω 1A”的滑动变阻器，电流表，电压表，开关和若干导线．
（1）如图甲所示为小丁连接的实验电路，闭合开关前发现电路中有一根导线连接错误，请在连接错的导线上打上“×”，并用笔画线代替导线将电路连接正确．
第23题图（1）
（2）改正错误后，用开关试触，发现电压表指针迅速摆到表盘最右端，电流表指针几乎未动．小丁分析可能是定值电阻发生了 （选填“断路”或“短路”）故障．
（3）排除故障后，调节滑动变阻器的滑片，电压表示数如图乙所示，其示数为 V．
断开开关，保持滑动变阻器滑片位置不动，将10Ω电阻换成5Ω电阻，闭合开关，应将滑片向 (填“左”或“右”) 移动，使电压表示数与第一次实验示数相同，此时电流表示数应为 A．
（4）在探究过程中，小丁发现，为了保持定值电阻两端电压不变，只要滑动变阻器接入电路的阻值与电路中定值电阻的阻值之比为 即可．
（5）多次实验后，根据数据可以得出结论：电压一定时，通过导体的电流与导体的电阻
成 ．（选填“正比”或“反比”）
（6）完成实验后，小丁又设计了如图丙所示的电路图，只用电压表就测出了额定电压为U额的小灯泡的额定功率．已知电源电压恒为U，定值电阻的阻值为R0．请将实验步骤补充完整．
① （填三个开关的闭合与断开情况），调节滑动变阻器的滑片，使电压表示数为
，小灯泡正常发光．
②保持滑动变阻器滑片位置不动， （填三个开关的闭合与断开情况），记录电压表示数为U滑．
③小灯泡额定功率的表达式P额= （用已知量和所测物理量符号表示）．
本题题干较长，既有仪器读数、电路连线、实验步骤的操作性考查，也有故障的分析、理论计算，还有探究过程的开展变量、数据记录、得出结论等，要求学生理解实验原理和方法，能控制实验条件，会使用仪器，会观察、分析实验现象，会记录、获取和处理实验数据，基于证据得出结论，特别是第（6）小题，属于新的情境，要求学生构建一个新的实验方案模型将实验步骤补充完整，属于实验设计，学生必须能够迁移相关知识解决问题。本题考查的是因素5，属于要素3，可以看为实验与探究能力的最高水平层次。
上述能力与水平是按照解答试题的外在行为表现来划分的，但是，题型会对试题解答的外在行为表现带来一定的影响，选择题由于选项对解题线索有一定的提示作用，或者具有猜测的可能性，会降低题目的能力要求，如下面的例9.
例9.（试卷第12题）如图所示的电路，电源电压保持不变，小灯泡额定电压为8V（小灯泡电阻不随温度变化）．闭合开关Sl，断开开关S2，当滑动变阻器的滑片在a、b端之间移动的过程中，电压表示数变化范围是0﹣8V，电流表示数变化范围是0.8A﹣2.4A；闭合开关S2，断开开关S1，当滑动变阻器的滑片在中点时小灯泡正常发光．在保证电路安全的前提下，下列说法正确的是
A．R2的阻值为10Ω
B．闭合开关S1，断开开关S2，滑动变阻器R1消耗的最大电功率为6.4W
C．闭合开关S2，断开开关S1，灯泡两端电压变化范围为4V～8V
D．闭合开关S2，断开开关S1，整个电路消耗的电功率范围为7.2W～9.6W
本题考查了电路图的动态变化问题，涉及滑动变阻器的连接，电阻、电压、电流、电功率的概念，要求学生在看懂电路图后应用相关物理概念和欧姆定律等规律计算得出正确的结果，按理应该是电路知识的应用，但是由表4知，其考查的是因素2，属于理解能力，究其原因，主要是由于选择题型的影响，选项C对选项D具有提示作用，导致考查的能力要求降低，故，考查的是理解能力。
根据以上试题解答表现出来的水平与模型分析的结果，要素1可以看作理解能力，分为回忆与再认、区分与解释两个水平；要素2可以看作应用能力，分为分析与推理、综合与论证、建模与创新三个水平；要素3可以看作实验与探究能力，分为分析与经历、设计与综合、迁移与创新三个水平。试卷考查的潜在物理能力要素与全国初中学业水平考试物理能力研究课题组建立的能力要素框架完全一致，构建的物理能力要素及表现水平如表6。
表6 试题能力要素及表现水平
|
能力要素 |
表现水平 |
描述能力表现水平的关键词 |
|
理解能力 |
水平一：回忆与再认 |
记忆、记住、识记、了解、认识、知道、简单计算。 |
|
水平二：区分与解释 |
识别、说出、列举、分类，说明、比较、判断、概括 | |
|
应用能力 |
水平一：分析与推理 |
方法、转换、预测、运用。 |
|
水平二：综合与论证 |
整合、作图、复杂计算、论证。 | |
|
水平三：建模与创新 |
迁移、质疑、模型应用、评价。 | |
|
实验探究能力 |
水平一：分析与经历 |
复述做过的实验、经历过的分析过程 |
|
水平二：设计与综合 |
获得与处理信息、设计方案、获得证据，评估。 | |
|
水平三：迁移与创新 |
迁移、模型应用、做出解释、评估、交流 |
4物理能力内涵、要求与结构
4.1能力要素的内涵与具体要求
4.1.1理解能力：理解能力是指对物理概念、规律和基本方法有正确的认识，建立概念间的联系，把握内在逻辑关系，能从多方面释物理概念的内涵和外延。具体要求如下：
回忆与再认：回忆、识别、辨认相关科学概念、事实或证据；举出例子；描述对象的基本特征。
区分与解释：区分相似概念；与已有知识建立联系，进行解释、判断、扩展。
4.1.2应用能力：应用能力是指应用物理概念与规律解决实际问题的能力，建立不同情境下的合理联系等。具体要求如下：
分析与推理：是指根据给定的情景，利用已有的知识、方法，针对问题进行分析，将较复杂的问题分解为几个较简单的问题，并找出它们之间的联系进行逻辑推断，并得出正确结论的能力。
综合与论证：能综合运用数学手段和物理规律确定物理量之间的定量关系，通过运算进行论证，得出结论。
建模与创新：能够将知识方法迁移到新的情境中，建立新的模型并应用模型对问题进行合理的简化，找出物理量之间的关系进行分析、求解，能对对结论进行评价。
4.1.3实验探究能力：能够独立完成所学过的实验，能从物理情景中发现物理问题、建立模型、设计方案，并应用恰当的研究方法得出结论。具体要求如下：
分析与经历：能够复述所学过的教材中的实验，或者通过对教材实验进行简单的分析即可解答。
设计与综合：能对已学过的实验与探究问题进行拓展、变通，运用知识与技能设计实验，组合器材，获得信息，并论证方案和评估。
迁移与创新：能对新的实验与探究情境建立模型并运用模型，对探究的过程、方法和结论做出解释，提出修改和完善的建议。
4.2能力结构
根据表6，用能力代替表4中的要素，得出试卷中各个能力层次考查的分值占比结果如表6所示。
表6 物理能力结构
|
要素 |
表现水平 |
题号 |
分值 |
占比 |
|
理解能力 |
水平一：回忆与再认 |
2，18，1，11，7，3，6，16，17，5 |
20 |
33% |
|
水平二：区分与解释 |
8，10，4，15，9，12 |
13 | ||
|
应用能力 |
水平一：分析与推理 |
20，19，14 |
12 |
37% |
|
水平二：综合与论证 |
13， 21，27 |
17 | ||
|
水平三：建模与创新 |
28 |
8 | ||
|
实验探究能力 |
水平一：分析与经历 |
22，24，25 |
12 |
30% |
|
水平二：设计与综合 |
23 |
6 | ||
|
水平三：迁移与创新 |
26 |
12 |
由表6可知道，试卷考查的物理能力由理解能力、应用能力和实验与探究能力构成，三者在试卷中的占分比例大致为30%、40%和30%。
依据大数据运用教育测量与统计学建立的物理能力模型具有一定的应用价值，一线教师可以根据物理能力的内涵、具体要求和表现水平指导教学，以落实对不同能力水平的学生实施因材施教，初中学业考试命题人员可以以此能力结构模型确定能力考查的比例，以实现能力立意的测试目标。
致谢：本文写作过程中，首都师范大学赵玉萍博士、翟彦芳博士进行了数据处理，特此致谢！
参考文献：
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[4]翟彦芳,邢红军.中考物理试题的因子结构分析及其启示[J].首都师范大学学报(自然科学版),2020（5）：79
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