初中学业水平考试物理能力的内涵、要求和结构
朱行健1 卢建龙2
（1. 天津经济技术开发区教育促进中心，天津；2. 南京师范大学教师教育学院，江苏南京）
摘要：通过对某中考物理模拟试卷的大数据分析，采用探索性因素分析法建立物理因素模型。 通过验证性因素分析验证了模型的可接受性。 将回答特定测试问题时的思维表现与测试结果进行比较。 各要素相互对应，概括了体能要素的内涵、要求和结构。
关键词：体能内涵结构
提出 1 个问题
物理学科能力是指学生顺利完成物理知识学习活动和相关物理问题解决活动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前置工作的意见》（教机[2019]15号）指出，“试题的准备不能只注重考基础”知识和基本技能，还重点考察思维过程、创新意识和分析问题、解决问题的能力”[2]。 为此，南京师范大学陆建龙教授领衔的全国初中学业水平考试物理能力研究小组在思辨和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组成[3]。 然而，该文献并没有回答以下问题：第一，这样建立的身体能力要素不依赖大数据数学建模的经验支持是否正确？ 二、上述能力的含义、具体要求和表现水平是什么？ 第三，试卷中各个能力级别的分数比例多少合适？ 一旦明确了这些问题，就可以根据具体试题来确定所测的能力属性，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进行了研究。
2、研究过程
2.1 研究思路
由于回答一个测试问题可能会使用多种能力，那么哪种潜在能力是主要的呢？ 如果这个问题不明确，不同的老师对同一道题就会有不同的理解，从而在能力判定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课题组以某省2020年中考试题为例，邀请了两名具有20年以上教学经验的省级初中物理骨干教师对每项考试进行分类本套试卷中的问题。 他们的分类结果表明，实验能力和探究能力的分类基本一致，而理解能力和应用能力的分类几乎相差一半。 基于这样的不同理解，我们以2020年5月在某城市举行的中考模拟试题为研究对象。 我们针对本套试卷建立了全市4718名学生的答题数据库，并利用SPSS统计软件采用探索性因素聚合。 采用类分析方法对数据进行处理。 基于聚类分析数据处理的因素分类结果，找到因素分类对应的试题，建立体能要素的数据经验模型。 然后使用MPLUS软件进行验证性因素分析。 检查建立的体能要素模型是否正确。 最后，通过对试题答题过程中行为表现的具体分析，总结了试题的主要能力因素和层次，进一步总结了能力的内涵、具体要求和结构。
2.2 试卷概述
试卷满分为100分，考试时间为90分钟。 总共有 28 个问题。 题型共三类，其中选择题12道、填空题8道、回答题8道。 答案题又分为1道绘图题。 （分为3道小题）、5道实验与探究题、2道计算题。 具体题型及题数如表1所示：
表 1：问题类型和问题编号
项目
多项选择题
填空
回答提问
绘画
实验与探究
计算
问题数量
12
问题编号
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
采用SPSS统计软件对学生的答案进行数据处理。 试卷难度为0.67，基本符合初中学业水平考试的要求。 试纸的内部一致性α系数为0.925，表明试纸的信度很好。 KMO 检验和 球形度检验结果如表 2 所示，KMO 检验系数为 0.983， 球形度检验对应的概率 Sig.=0.00，表明试卷具有较高的效度，且数据本试卷可用于因子分析。 。
表 2：纸质 KMO 和 球测试
KMO 和 测试
KMO 抽样适宜数量。
.983
巴特利特球形度检验
近似卡方
58887.432
自由程度
第378章
意义
.000
使用 SPSS 统计软件通过探索性因子聚类处理数据。 所得的碎石图如图 1 所示，系谱图如图 2 所示。
图1 探索性因子聚类分析斜线图
图2 探索性因子聚类分析谱系图（使用平均连接）
碎石图显示试卷考察了 5 个主要因素。 因素6考察的因素较弱，数据解释力不强。 谱系图显示了哪些试题测试了相同的因素，并且这些因素可以从低到高分为不同的级别。 具体题号和水平因子从低到高见表3。
表3 因子分析由低到高水平
因素
问题编号
数字
问题类型
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
1 填空，5 个选项
因素3
20, 25, 22, 24, 19, 14
3 次填空，3 次实验探索
因素4
13, 23, 21, 27
填空1次、绘图1次、实验研究1次、计算1次
因素5
26
1 实验研究
因素6
28
1 计算
进一步分析谱系图可知，因子2包含因子1，可以认为是某个因子的两个不同级别，记为因子1。从传统题型来看，主要由选择题和填空题组成- 空白问题； 因为因素5只有一个试题，是一个独立因素，比较容易分析。 因此，首先分析因素5。 因素5的问题26是一个实验探索性问题，这表明实验探索性问题指向了一个潜在因素。 因子5包含因子3和因子4中的某些因子可以被认为是某个因子的三个不同级别。 因子 3 有 3 个实验探究问题，因子 4 有 1 个实验探究问题，因子 5 是全卷实验探究问题。 性别试题因子中测试的试题级别最高，因此因子3、因子4中的实验探究题和因子5中的实验探究题记为元素3； 因子4包含因子3，除实验和探究题（已包含在要素3中）外，共6题（包括4道填空、1道绘图和1道计算）。 因素 6 是整篇论文的最后一个问题。 由于其解释力较弱，不能单独作为潜在因素使用。 同时考虑到本题是一道计算题。 这个问题被整合到因素 3 和因素 4 中进行更高层次的分析。 除了实验探索性问题外，其他潜在因素3、4、6也可以认为是另一个因素。 将这三个不同水平记为要素2。此时，利用探索性因素分析建立的物理检查因素模型如表4所示。
表4 物理试卷考试因素模型分析
元素
因素
问题编号
数字
问题类型
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
1 填空，5 个选择
因素3
20、19、14
3 填空，
因素4
13、21、27
填空1次、绘图1次、计算1次
因素6
28
1 计算
因素3
22, 24, 25
3 实验研究
因素4
23
1 实验研究，
因素5
26
1 实验研究
2.3.2 验证性因素分析
上表在探索性因素分析的六因素结合传统题型的基础上，建立了初中学业水平考试物理试卷的三因素分析模型。 那么，这样的三因素模型合理吗？ 为此，采用结构方程模型分析软件MPLUS进行验证性因子分析。 具体模型拟合指标如表5所示。
表5 模型拟合指标
X2
df
TLI
CFI
航空工业协会
商业银行
SRMR
均方根误差分析
2661.873*
第347章
0.957
0.961
.588
.533
0.023
0.038
使用 MPLUS 构建一阶模型。 模型拟合指标及评价标准如下：近似均方根误差RMSEA<0.050，越小越好； 标准化残差平方和SRMR的平方根<0.08，越小越好； -刘易斯指数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]。 从表5可以看出，模型拟合指标良好，即物理试卷由三要素组成，表4的模型可以接受。
3 中考物理试题能力因素及行为表现水平分析
为了确定中考试题的能力要素和表现水平，我们将根据具体的试题答案，对答题时的行为表现进行分析，将试题与表4建立的模型因子类别进行对应，探究试题所测试的能力要素和表现水平。 表4建立的模型中，可以初步确定第三个要素为实验探究题型，考验实验探究能力。 至于要素1和要素2测试什么，还需要进一步分析。 试题的能力要素和表现水平的确定基于新修订的布鲁姆教育目标分类法[5]。 同时，实验探究能力是指科学探究的主要程序。 选择样题时，尽量选择初中物理中常见的不同风格、有代表性的试题类型进行分析。
3.1 因素1问答行为分析
1涉及的题型为7道选择题和3道填空题。 选择一种常见问题类型进行分析。
例1.（试卷第2题）中国古代诗词谚语蕴含着丰富的声学知识。 以下哪项理解是正确的？
A、“大鼓仍需重锤敲击”是指声音的大小与频率有关。
B、《谁家玉笛暗飞》中的笛声是由笛管振动产生的
C、“闻声识人”的依据是不同的人的声音有不同的音色。
D、“不敢大声说话，恐吓天人”中的“高”是指声音的高音。
本题通过古诗词考查学生的物理知识。 这是一种基本上在高中入学考试中使用的题型。 本题考查乐音的特征，要求学生根据其特征进行识别，并达到识别的程度。 这个因素可以被视为较低理解水平的测试目标。
3.2 因素2问答行为分析
2涉及的题型为5道选择题和1道填空题。 选择常见问题类型进行分析。
例2.（试卷第15题）如图所示，用滑轮组提升100N重的物体时，绳索自由端在10s内匀速向下拉6m。 已知拉动绳索的力F为70N，则滑轮组在此过程中所做的有用功为J，拉力F的功率为W，滑轮组的机械效率为%（保留小数点后一位）。
本题是填空题中一道简单的计算题。 试题是根据课本上的情景进行的。 是中考中常见的试题类型。 它测试学生对功、功率和机械效率等物理概念和定律的计算。 这道题是一道计算题。 由于该情况是学生在课本上熟悉的模型，因此可以通过回忆直接提取相关公式，然后带入公式进行简单计算即可得出答案。 其本质特征是公式的正确回忆和提取。 不过，由于涉及到计算能力，所以这个因素可以看作是理解能力上的一个更高层次的测试目标。
3.3 因素3问答行为分析
因子3涉及的题型为三道填空题，其中两道涉及计算，以及一道填空题，其中有两道小题。 选择一种常见的填空题类型进行分析。
例3.（试卷第14题第1题）如图A所示，小红将一个硬塑料瓶装满水，将乒乓球放在瓶口处，按住并翻转过来。 放手后，乒乓球在瓶子的作用下不会下落； 如图B所示，将硬塑料瓶底部取下，将乒乓球放入瓶中。 如果从瓶口向上吹气，气体流量越大，压力就越高。 所以乒乓球不会上升。
本题测试特定情况下对大气压的了解。 这也是中考中常见的题型。 测试问题要求学生回答乒乓球的运动。 要求学生运用压力的知识来分析乒乓球的受力情况，受力情况与大气压力有关。 虽然填后一个空格的学生可以通过回忆来回答，但填前一个空格的学生需要通过分析和推理乒乓球不会落下的原因。 这个因素可以看作是应用能力中的一个较低级别的测试目标。
3.4 因素4问答行为分析
4 涉及 3 种题型，包括 1 道填空题、1 道计算题和 1 道绘图题。 绘图分为3个小题，选取其中一个绘图题进行分析。
例4.（试卷第21题第1题）如图A所示，小花春游时看到了水边的美丽景色。 请完成他在水中看到的“树”的光路图。
绘图题是中考中常用的题型。 本题不仅要求学生了解光的折射现象、搞清楚物体与图像的位置关系，还要会画图。 像这道题一样，绘图题要求学生运用所学的物理知识。 将知识运用到具体的图画上，用物理知识来解释生活现象，需要对问题进行分析、推理、综合论证。 该因素可视为应用能力中较高层次的考核指标。
3.5 因素6问答行为分析
因子6属于因子2，只有一道计算题，是整篇论文的最后一题。
例5（试卷第28题）是如图A所示的加热杯，通过控制开关S可实现高、中、低加热程度。其简化电路图如图B所示。R1、R2、 R3均为电热丝(R1>R2)。 已知R1=77Ω。 加热杯部分参数如表所示。 求：
额定电压
220V
高功率范围
2200W
中温功率
880W
低温齿轮功率
第二
第一的
R2的阻值是多少？
（2）加热杯的低温功率是多少？ （结果四舍五入到小数点后一位）
(3) 如果只需要增加中温功率10%，请通过计算说明具体措施。
本题是考验学生在新情境下解决问题能力的题型。 然而，这道题不仅要求学生从图标中提取有用的信息，还要求学生能够利用电路图来区分保温档位和加热档位。 测试学生在复杂物理情况下构建物理模型的能力。 最后一道题需要分析、推理、计算、论证等才能得出正确答案。 它考验学生的创新能力。 这个因素可以算是应用能力的最高级别的测试目标。 。
3.6 回答实验探索性问题的行为表现分析
实验探索性问题属于因素3，涉及因素3、4、5，共有5个问题。 其中，选取有代表性的常见问题进行分析。
例六（试卷第22题）图A是小强在标准大气压下用50克冰“探究冰融化时温度变化规律”的实验装置。 图B是他根据记录的数据绘制的温度随时间的变化规律。 图像。 [c水=4.2×103J/(kg·℃)]
(1) 实验中，冰融化的时间为min。
(2)从图B可以看出，冰在融化过程中吸收热量。 温度不变，内能不变（可选“增加”、“减少”或“不变”），冰在融化过程中吸收的热量为 J ．
(3)试管中的冰完全融化后，如果继续加热，当烧杯中的水沸腾时，试管中的液体（可选“会”或“不会”）也会沸腾。
第二
第一的
小组实验是中考中常用的试题类型。 测试问题考察晶体熔化时温度的变化规律。 它不仅要求考生掌握熔化过程中的温度、时间、内能等物理量知识，还要求学生能够应用具体的数学知识。 这些图像与物理意义相关。 由于试题对学生来说非常熟悉，学生只需回忆一下做实验的过程，通过简单的分析就可以回答问题。 本题测试的因素相当于原来属于因素3的应用能力下级的测试目标，属于因素3，可以视为实验探究能力下级。
例7.（试卷第23题）在“探索凸透镜的成像特性”实验中，小方将凸透镜固定在光具座上50cm标记处，并将蜡烛和光幕移动到如下位置：如图所示。 在屏幕上获得清晰的图像。
（1）在如图所示的位置，蜡烛在光幕上变成倒立的（可选“放大”、“缩小”或“等尺寸”）实像。
(2)小芳将远视眼镜的镜片放置在蜡烛与镜片之间的适当位置。 此时，应将蜡烛移至（可选“左”或“右”），以便光幕上再次接收到清晰的图像。 ．
(3)取下镜头，小芳将蜡烛放在灯凳上20cm处，然后向左移动一定距离。 光幕应移动到（可选数字）范围才能接收清晰的图像。 此时，与灯凳上距离20cm处的蜡烛图像进行比较，是吗（可选“更大”、“更小”或“等尺寸”）。
A．50～65cm B． 65～80cm C． 80～95厘米
（4）小芳想用一块合适尺寸的玻璃板代替凸透镜，探索平面镜的成像规律。 她拿了两根一模一样的蜡烛来比较图像与物体的关系； 光具座上的刻度可以方便比较图像和物体与玻璃板的关系。
这道题也是一个重要的小组实验，也是中考常见的题型。 试题是根据课本上的实验改编的。 在蜡烛和镜片之间添加远视眼镜镜片。 学生需要猜测蜡烛的运动，并针对提出的问题进行设计演示。 在光具座上检验平面镜的成像规律，考验学生的比较、推理等综合论证能力。 本题测试的因素相当于原本属于因素4的应用能力中的更高层次的测试目标，属于因素3，可以看作是实验和探究能力的更高层次。
例8.（试卷第26题）在“探究电流与电阻的关系”实验中物理资源网，小丁选择了以下设备：恒压5V的电源、阻值5Ω的定值电阻、10Ω、20Ω，规格为“30Ω 1A”滑动变阻器、电流表、电压表、开关及部分电线。
(1)如图A所示，找到小丁所连接的实验电路。 合上开关前，发现电路中有一根导线接错了。 请在错误连接的电线上打上“×”，并用划线代替电线来正确连接电路。
第23题图片（1）
(2)修正错误后，我用开关测试，发现电压表指针很快移到表盘右端，电流表指针几乎不动。 小丁分析，可能是定值电阻失效（可选“开路”或“短路”）。
(3)故障排除后，调整滑动变阻器的滑片。 电压指示如图B所示，指示为V。
关闭开关，保持滑动变阻器滑块静止，将10Ω电阻换成5Ω电阻，合上开关，移动滑块至（填“左”或“右”），使电压指示等于第一个实验。 指示是相同的。 此时，电流指示应为A。
(4)在探索过程中，小丁发现，要保持定值电阻两端的电压不变，只要将连接到电路中的滑动变阻器的阻值与定值电阻的阻值之比电路中的电阻为 。
(5)经过多次实验，根据数据可以得出：当电压一定时，通过导体的电流和导体的电阻
变得。 （可选“正比例”或“反比例”）
（6）实验完成后，小丁设计了如图C所示的电路图，仅用电压表测量了额定电压为U的小灯泡的额定功率。 已知电源电压始终为U，定值电阻的阻值为R0。 请完成实验步骤。
①（填写三个开关的闭合和断开条件），调节滑动变阻器的滑片，使电压指示
，小灯泡正常发光。
②保持滑动变阻器的滑动位置不动，（填写三个开关的闭合和断开条件），并将电压表示记录为U滑动。
③小灯泡额定功率的表达式P=（用已知量和实测物理量的符号表示）。
这个问题问得很长。 它包括仪器读数、电路连接和实验步骤的操作检查，以及故障分析、理论计算、勘探过程中的变量、数据记录和得出结论。 要求学生理解实验内容。 原理和方法，能够控制实验条件，使用仪器，观察和分析实验现象，记录、获取和处理实验数据，并根据证据得出结论，特别是问题（6），这是一个新的情况，要求学生建立一种新的实验计划模型来完成实验步骤，属于实验设计。 学生必须能够运用相关知识来解决问题。 这道题考的是因素5，属于因素3，可以算是实验和探究能力的最高级别。
上述能力和水平是根据回答试题的外在行为表现来划分的。 但题型会对回答试题的外在行为表现产生一定的影响。 选择题对于解题线索有一定的提示作用。 或者猜测的可能性会降低题目的能力要求，比如下面的例9。
例9.（试卷第12题）如图所示电路中，电源电压保持不变，小灯泡的额定电压为8V（小灯泡的电阻不随温度变化）。 闭合开关S1并打开开关S2。 当滑动变阻器的滑块在a、b端子之间移动时，电压指示在0-8V范围内变化，电流指示在0.8A-2.4A范围内变化； 闭合 打开开关S2，关闭开关S1。 当滑动变阻器的滑块处于中点时，小灯泡会正常点亮。 在保证电路安全的前提下，下列哪种说法是正确的？
A、R2阻值为10Ω
B、当开关S1闭合、开关S2断开时，滑动变阻器R1消耗的最大电功率为6.4W。
C.闭合开关S2并打开开关S1。 灯泡两端的电压在 4V 至 8V 范围内变化。
D、当开关S2闭合，开关S1断开时，整个电路消耗的电功率为7.2W至9.6W。
本题考察电路图的动态变化，涉及滑动变阻器的连接，电阻、电压、电流、电功率的概念。 要求学生在理解电路图后，应用相关的物理概念和欧姆定律计算出正确的结果。 应该是电路知识的应用，但如表4所示，它测试的是因子2，属于理解能力。 究其原因，主要是受到选择题题型的影响。 选项C对选项D有提示作用，从而引出测试的能力要求。 因此，减少了，考验的是理解能力。
根据上述试题答案和模型分析结果显示的水平，因子1可视为理解能力，分为回忆与识别、区分与解释两个级别； 因素2可视为应用能力，分为分析与推理，分为综合与论证、建模与创新三个层次； 因素3可视为实验与探究能力，分为分析与体验、设计与综合、迁移与创新三个层次。 试卷中测试的潜在身体能力要素与全国初中学业水平考试物理能力研究组建立的能力要素框架完全一致。 构建的体能要素及表现等级如表6所示。
表6 试题能力要素及表现等级
能力要素
性能水平
描述能力绩效水平的关键词
理解
第一级：回忆和识别
记住，记住，记住，理解，认识，知道，简单的计算。
第二级：区分和解释
识别，姓名，枚举，分类初中物理五三，解释，比较，判断，总结
申请能力
1级：分析和推理
方法，转换，预测，应用。
级别2：综合和论证
集成，图形，复杂的计算和论证。
第三级：建模和创新
转移，询问，模型应用，评估。
实验查询能力
1级：分析和经验
重述您完成的实验和您已经完成的分析过程
级别2：设计和合成
获取和处理信息，设计解决方案，获得证据并评估。
第三级：迁移与创新
转移，模型应用，解释，评估，交流
4结合物理能力的要求和结构
4.1能力要素的内涵和特定要求
4.1.1理解能力：理解能力是指正确理解物理概念，法律和基本方法，在概念之间建立联系，掌握内部逻辑关系，并能够解释从许多方面的物理概念的内涵和扩展。 具体要求如下：
回忆和认可：召回，识别和识别相关的科学概念，事实或证据； 举个例子； 描述对象的基本特征。
区分和解释：区分相似的概念； 与现有知识建立联系，以解释，判断和扩展。
4.1.2应用程序能力：应用能力是指应用物理概念和法律以解决实际问题，在不同情况下建立合理联系的能力。具体要求如下：
分析和推理：指根据给定情况使用现有知识和方法来分析问题，将更复杂的问题分解为几个简单的问题，并找到它们之间的联系以进行逻辑推断，以及得出正确结论的能力。
综合和演示：能够全面使用数学手段和物理定律来确定物理数量，通过操作进行演示并得出结论之间的定量关系。
建模和创新：能够将知识方法转移到新情况下，建立新模型并应用模型以简化问题，找出分析和解决方案的物理数量之间的关系，并评估结论。
4.1.3实验查询能力：能够独立完成实验，从物理场景中发现物理问题，建立模型，设计解决方案并应用适当的研究方法来得出结论的能力。 具体要求如下：
分析和经验：能够在您所学的教科书中重述实验，或通过简单地分析教科书中的实验来回答问题。
设计和综合：能够扩展和适应已学习的实验和询问问题，使用知识和技能来设计实验，组合设备，获取信息并展示计划和评估。
迁移和创新：能够将模型构建和应用于新的实验和询问情况，解释询问过程，方法和结论，并为修改和改进提出建议。
4.2功能结构
根据表6初中物理五三，表4中的元素被能力取代，并且获得了测试纸中每个能力水平的得分比例，如表6所示。
表6物理能力结构
元素
性能水平
问题编号
积分
部分
理解
1级：回忆和认可
2、18、1、11、7、3、6、16、17、5
20
33%
2级：差异化和解释
8、10、4、15、9、12
13
申请能力
1级：分析和推理
20、19、14
12
37%
级别2：综合和论证
13、21、27
17 号
第三级：建模和创新
28
实验查询能力
1级：分析和经验
22, 24, 25
12
30%
级别2：设计和合成
23
第三级：迁移与创新
26
12
从表6可以看出，测试论文中测试的物理能力包括理解能力，应用能力以及实验和查询能力。 测试纸中三个的比例约为30％，40％和30％。
基于大数据建立的物理能力模型使用教育测量和统计数据具有一定的应用值。 一线教师可以根据能力不同的学生实施个性化教学的物理能力的含义，特定要求和表现水平来指导教学。 初中学者考试计划者可以使用这种能力结构模型来确定能力测试的比例以实现预期的测试目标。
致谢：在本文的写作过程中，首都师范大学的Zhao 博士和Zhai 博士进行了数据处理。 我们要表示感谢！
参考：
[1] Guo ，Zhang ，Yao 。 物理学科能力和性能的研究[J]。 教育杂志，2016年（4）：57-63。
[2]教育部基础教育部。 “教育部关于加强对初中学术层面考试的建议的工作的看法” [Z]。[EB/OL]。
[3] Zhu ，Lu ，Chu 。 初级中学学术级考试中的身体能力要素的构建初步研究[J]
考试研究，2020（5）：39-45。
[4] Zhai ，Xing 。 高中入学考试物理测试问题的因素结构分析和启蒙[J]。 资本师范大学杂志（自然科学版），2020年（5）：79
[5]由等人编辑，由Pi 翻译。 学校分类学，教学和评估[M]。 上海：东中国师范大学出版社，2018.6：57-77。