Диагностика качества результатов обучения на основе тестирования

Статья посвящена проблеме применения тестовых технологий в диагностике качества образования. Автором приводятся результаты диагностического исследования качества предметной подготовки учащихся, проведенного на основе анализа данных предварительного тестирования абитуриентов по физике. Показано, что при соответствующем подборе тестового материала технология тестирования позволяет диагностировать уровень академической подготовленности учащихся, их способность к будущей самостоятельной познавательной деятельности в вузе. По результатам диагностического анализа даны практические рекомендации в плане совершенствования учебного процесса.

The article is devoted to implementation of test technologies in diagnosing the quality of education. The results of a subject knowledge evaluation performed on the basis of an analyses of a preliminary entrants testing in physics are given. The effectiveness of the test system is demonstrated, practical recommendations given.

Последнее десятилетие в российской системе образования отмечено резким ростом популярности тестовых технологий контроля качества знаний. Этому способствовал широкомасштабный эксперимент по введению в школах России единого государственного экзамена, а также объективный процесс вхождения России в мировое образовательное пространство, предполагающий сближение как содержания образования, так и образовательных технологий. Значительную работу по практическому внедрению дидактического тестирования в России в этот период выполнил Центр тестирования при Министерстве образования РФ, организовав через сеть своих региональных представительств ежегодное централизованное тестирование школьников. Широкому применению данного метода в настоящее время способствует также интенсивный процесс компьютеризации системы образования. Высокая технологичность тестовых методик позволяет в значительной мере автоматизировать процесс контроля качества учебного процесса и математической обработки его результатов.

Наиболее важными функциями тестирования, как известно, являются диагностирующая, контролирующая и обучающая. Диагностирующую функцию тестирования следует, на наш взгляд, считать приоритетной, поскольку правильно организованное тестирование дает возможность получать объективную информацию о качестве результатов обучения, прямо зависящем от состояния учебного процесса (качества его кадрового, организационного, материальнотехнического и информационного обеспечения). Важность диагностики результатов обучения обусловлена тем, что на основе результатов диагностических исследований может быть построена система коррекции и оптимального планирования учебного процесса1.

Такая система может быть построена на уровнях:

• —    отдельного преподавателя, осуществляющего мониторинг и диагностику учебных достижений своих учащихся;

• —    администрации отдельного учебного заведения, заинтересованной в получении объективной информации о качестве учебного процесса по дисциплинам;

• —    муниципальных или региональных органов управления образованием.

Диагностика в широком смысле (как вид деятельности) предполагает сравнение состояния реальных систем с их идеальными проектами или моделями, определение возможных отклонений от нормы или стандарта. В соответствии с приведенным определением начальным этапом любой диагностической процедуры является точное установление системы критериев (требований), которым должна удовлетворять диагностируемая система. В случае диагностики качества

результатов обучения — это требования, предъявляемые к знаниям, умениям и навыкам учащихся. Очевидно, что результаты педагогических диагностических исследований будут тем более объективны, чем более четко (диагнос-тично) сформулированы эти требования. Вторым по значению фактором, определяющим точность диагностических исследований, является качество используемых измерительных средств (контрольных измерительных материалов, тестов и т.д.). Разработка стандартного (для данной дисциплины) набора требований, предъявляемых к знаниям, умениям и навыкам обучаемых, и создание контрольно-измерительных материалов, позволяющих количественно определить (измерить) степень соответствия реальных знаний, умений и навыков этим требованиям, представляют собой две взаимосвязанные задачи, решив которые можно создать действительно эффективную систему диагностики качества учебного процесса.

Решение данных задач предполагает: — глубокий научно-методический анализ содержания образовательного процесса;

• —    структурирование содержания учебных дисциплин с выделением в нем обязательного (стандартного) ядра в пределах каждой темы, раздела, модуля дисциплины (системы обязательных элементов содержания);

• —    разработку конкретных требований (критериев), предъявляемых к обучаемому на этапе освоения каждого элемента содержания;

— разработку измерительных средств, определяющих уровень усвоения обучаемым каждого обязательного элемента содержания.

В российской системе образования названные выше задачи в данной постановке еще не решены. В системе высшего профессионального образования действуют государственные образовательные стандарты, устанавливающие требования к минимуму содержания образовательных программ и уровню подготовки выпускников. Однако, насколько нам известно, пока ни один из них не сопровождается полным набором контрольно-измерительных материалов, позволяющих объективно оценить уровень соответствия подготовки студентов (выпускников) требованиям стандарта. В общеобразовательной школе действуют нормативные документы, регламентирующие обязательные минимумы содержания учебных дисциплин и их структуру (например, «Обязательный минимум содержания школьного физического образования»), однако и эти документы не обеспечены в полной мере контрольноизмерительными материалами.

В настоящее время необходимость совершенствования методов и средств педагогической диагностики становится особенно актуальной в связи с созданием в России разноуровневых систем управления качеством образования. Важнейшим элементом любой системы управления качеством является входной контроль. Если в сфере материального производства ему подвергаются исходные материалы и компоненты, от качества которых зависит качество создаваемого продукта, то в сфере образования — базовая подготовка лиц, приступающих к освоению новой образовательной программы. При этом диагностируются базовые знания, умения и навыки обучаемых, оценивается степень их соответствия предъявляемым требованиям.

В течение ряда лет в Институте физики и химии МГУ им. Н.П. Огарева проводится входное диагностическое тестирование абитуриентов по физике, химии и математике. Обычно оно проходит за несколько месяцев до выпускных и вступительных экзаменов, что позволяет абитуриентам учитывать его результаты при подготовке к поступлению в вуз. Наряду с диагностическими тестирование преследует и практическую цель: предварительный отбор абитуриентов, наиболее подготовленных к освоению образовательно-профессиональных программ, реализуемых институтом.

С целью диагностики качества подготовки абитуриентов по физике нами был проведен содержательный анализ работ, выполненных в ходе сеансов входного тестирования в 2002 и 2003 гг. Ос- новной задачей диагностических исследований являлась оценка уровня академической подготовленности абитуриентов, т.е. уровня их готовности к самостоятельной познавательной деятельности в вузе.

Понимая, что достоверность результатов диагностики прежде всего зависит от качества применяемого тестового материала, при организации сеансов тестирования мы уделяли значительное внимание научно-методическому анализу содержания тестов. Предпочтение отдавалось заданиям, выполнение которых требовало от учащихся четкого понимания физического смысла явлений и процессов, способности не только репродуцировать знания, но и применять их в процессе решения физических задач. При анализе результатов тестирования особое внимание обращалось на выполнение заданий, требующих от учащихся способности к самостоятельной аналитической и синтетической деятельности. Наличие этих способностей является, на наш взгляд, необходимым условием успешного освоения программ высшего профессионального физического образования.

Поскольку в диагностических исследованиях допустимо применять лишь надежные контрольно-измерительные материалы, прошедшие тестологическую экспертизу и практическую апробацию, нами использовались задания, опубликованные Центром тестирования Минобразования РФ в открытой печати2.

В тестировании участвовали 170 учащихся 11-х классов школ Республики Мордовия. Им были предложены тесты одинаковой структуры, содержащие 31 задание закрытой формы и 5 открытой, рассчитанные на выполнение в течение 3 астрономических часов.

Структура диагностических тестов по физике

• 3.    Равноускоренное движение

• 4.    Основные понятия динамики

• 5.    Законы Ньютона

• 6.    Силы трения, упругости, гравитации

• 7.    Динамика движения материальной точки по окружности

• 8.    Импульс тела. Работа и энергия

• 9.    Законы сохранения импульса и энергии в механике

• 10.    Статика. Условия равновесия тел

• 11.    Гидростатика. Закон Архимеда

• 12.    Основные понятия молекулярнокинетической теории и термодинамики

• 13.    Основное уравнение молекулярно-кинетической теории

• 14.    Газовые законы. Изопроцессы

• 15.    Уравнение Клапейрона — Менделеева

• 16.    Первое начало термодинамики

• 17.    Теплоемкость. Удельная теплота плавления, парообразования

• 18.    Тепловые двигатели. КПД

• 19.    Основные понятия электростатики. Энергия взаимодействия электрических зарядов

• 20.    Потенциал. Электроемкость

• 21.    ЭДС. Закон Ома для полной цепи

• 22.    Закон Джоуля — Ленца. Работа и мощность тока

• 23.    Магнитное поле. Сила Ампера

• 24.    Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях

• 25.    Явление электромагнитной индукции

• 26.    Основные понятия теории колебаний

• 27.    Механические колебания. Математический и пружинный маятник

• 28.    Механические волны в упругой среде

• 29.    Электромагнитные колебания. Колебательный контур

• 30.    Законы геометрической оптики

• 31.    Тонкие линзы

Первичные результаты тестирования представлены ниже в виде диаграммы. Она показывает, что наиболее трудными для учащихся оказались задания № 6, 19, 24, 29, 31.

Результаты диагностического тестирования абитуриентов по физике

Нами проведен анализ типичных ошибок, допущенных абитуриентами при выполнении указанных тестовых заданий. Ниже приводятся его наиболее значимые результаты.

Задание № 19 требовало от учащихся знания законов электростатики, понимания физического смысла электростатических величин (напряженности, потенциала, разности потенциалов, электроемкости), умения определять потенциальную энергию взаимодействия точечных зарядов, находить значения напряженности и потенциала электростатического поля в заданных точках. Между тем статистика результатов выполнения данного задания показывает, что в целом с ним справились менее 30 % учащихся.

Отдельные задачи из данного раздела физики вызвали затруднения у еще большего количества тестируемых. Так, всего лишь 1 из 10 учащихся справился со следующей задачей.

Какую работу необходимо совершить, чтобы три одинаковых заряда q , находящихся в вакууме на одной прямой на расстоянии а друг от друга, расположить в вершинах равностороннего треугольника со стороной а/2 ?

Анализ работ показал, что абитуриенты испытывали затруднение при определении энергии взаимодействия систе мы точечных зарядов. Учащиеся не знали, что работа внешних сил по изменению конфигурации системы точечных зарядов равна разности потенциальных энергий взаимодействия зарядов в конечном и начальном состояниях, т.е. А = U2 - U1. Они не смогли правильно определить сами значения энергий U1 и U2. Зная формулу для энергии взаимодействия двух точечных зарядов, не сумели применить ее для систем, состоящих из большего количества точечных зарядов.

Между тем следовало показать, что U1 = U12 + U23 + U13, qq где u12=     — потенциальная энергия

α r 12

зарядов q1 и q2, находящихся на расстоя- qq нии r = а , а = 4пе0, U =       — по- а r23

тенциальная энергия взаимодействия за- qq рядов q2 и q3, r = a; U = ^3--по- a r13

тенциальная энергия взаимодействия за рядов q1 и q3, находящихся на расстоянии r13 = 2a друг от друга. Тогда потенциальная энергия взаимодействия трех одинаковых зарядов q, расположенных вдоль одной прямой,

2 q ²

U =    +

1 a a q2

2 a a

5 q ²

2 a a '

Аналогично определяется потенциальная энергия трех одинаковых зарядов q, расположенных в вершинах равно- a стороннего треугольника со стороной 2 . Расчет показывает, что в этом случае потенциальная энергия взаимодействия зарядов

U₂ = 6 q²- .

a a

Отсюда работа по изменению конфигурации системы л = 7 q2_ = 7     .

2 a a 8 ne 0 a

Лишь 1 ученик из 10 справился со следующей задачей.

Тонкое закрепленное кольцо радиусом R равномерно заряжено так, что на единицу длины кольца приходится заряд +у. В вакууме на оси кольца на расстоянии l от его центра помещен маленький шарик, имеющий заряд +q. Какую максимальную кинетическую энергию приобретет шарик, если его освободить?

Главной проблемой абитуриентов при решении данной задачи оказалось неумение определить потенциальную энергию электростатического взаимодействия системы «шарик — кольцо». Учащиеся не смогли понять, что эту энергию можно представить в виде суммы энергий взаимодействия единичных элементов кольца A l_t = 1, имеющих заряд +у, с шариком, имеющим заряд +q:

n

U = I i = 1

q г A l_t б V R ² + l²

.qг I a ii=    , qг     2P r , a V R 2 + l2 i=i       б 7 R2 +l2

где б = 4pe 0 .

Только 1 из 4 учащихся смог правильно решить следующую задачу.

По тонкому проволочному кольцу радиусом 3 см равномерно распределен заряд q = 10 '9 Кл. Определите разность потенциалов между центром кольца и точкой А , находящейся на оси кольца на расстоянии 4 см от его центра.

Анализ решений показал, что учащиеся, формально зная определение потенциала электрического поля, не смогли представить потенциал поля, создаваемого заряженным кольцом в данной точке пространства, как алгебраическую сумму потенциалов полей, создаваемых в этой точке единичными элементами кольца A l i = 1, т.е.

nn

Ф а = 1 Фi = I i=1 i = 1

qi б V R 2 + l2

= q б V R 2 + l2 ’ где q. — заряд единичного элемента кольца, б = 4pe0, R — радиус кольца; l — расстояние от центра кольца до точки Л. Соответственно результирующий потенциал поля в центре кольца

Ф о =

n qi

¹ б R ■

Тогда

А

Г

Ф а ^- Ф о =

^^^^^^^в

1 R

= 120 В.

В число наиболее трудных заданий для данного контингента испытуемых вошло также тестовое задание № 24, содержащее задачи на анализ движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях. Например, большинство абитуриентов (10 из 13) не смогли справиться с задачей следующего содержания.

Электрон, пройдя в электрическом поле ускоряющую разность потенциалов U, попадает в однородное магнитное поле, линии магнитной индукции которого перпендикулярны на- правлению движения, электрона, и начинает двигаться по окружности. Как изменится радиус этой окружности, если ускоряющая разность потенциалов увеличится в 2 раза?

Основной причиной неудачи учащихся стало неумение провести физический анализ условия задачи, определить физический механизм влияния на характер движения заряженной частицы вначале электрического поля, а затем — магнитного. Абитуриенты не смогли показать, что электрическое поле увеличивает кинетическую энергию электрона так, что, пройдя ускоряющую разность потенциалов U, он приобретает кинетическую энер- mv2                   2eU гию ---— eU . Отсюда V — J--- —

2m скорость электрона при его вхождении в магнитное поле.

Магнитное поле за счет действия силы Лоренца, направление которой перпендикулярно вектору скорости электрона, искривляет траекторию его движения. Учащиеся не смогли показать, что сила Лоренца (для условий задачи она определяется как F k — eVB ) создает центро-

V ² стремительное ускорение a_w — — , где R

R — радиус кривизны траектории движения электрона. Тогда по 2-му закону Нью- mV 2

тона F k — ma w , т.е. eVB — —-—. Отсю-

2eU mV m 1 2U да R —--— —*—m— — — --. Из eB eB B e m последнего выражения видно, что если ускоряющая разность потенциалов увеличится в 2 раза, то радиус окружности, по которой будет двигаться электрон в магнитном поле, увеличится в V2 раз.

Следует констатировать, что при решении данной задачи учащиеся, зная необходимые формулы, не смогли в полном объеме выполнить требуемые аналити ческие и синтетические действия. Они не сумели связать (синтезировать) две физические величины: скорость, полученную электроном вследствие действия на него электрического поля, с силой Лоренца, создающей центростремительное ускорениечастицы в магнитном поле с индукцией В.

Лишь 1 из 3 учащихся правильно решил следующую задачу.

В двух скрещенных под прямым углом однородных электрическом и магнитном полях в направлении, перпен- r дикулярном векторам Е и В, движется частица с зарядом q. Каким должен быть модуль скорости частицы, чтобы ее движение было равномерным и прямолинейным?

Как и в предыдущем случае, учащиеся испытывали затруднения при анализе условия задачи. Они не смогли отдельно рассмотреть влияние электрического поля на движущуюся частицу и влияние на нее магнитного поля. Между тем из условия задачи следует, что со стороны электрического поля с напряженностью Е на частицу действует кулоновская сила F — qE , направленная вдоль

Е. Со стороны магнитного поля на заряженную частицу, движущуюся со ско-rrr ростью V Т E Т B, действует сила Лоренца Fё — eVB, направление которой (в случае положительного заряда частицы) противоположно направлению кулоновской силы. Тогда по 2-му закону Ньютона qVB - qE = ma = 0. Отсюда искомая E скорость частицы V — ~ B

Легко видеть, что при решении данной задачи учащимся необходимо было синтезировать знания из разных разделов физики: электростатики (сила Кулона), электродинамики (сила Лоренца), механики (условие равномерного и прямолинейного движения тел).

Существенные затруднения вызвали также задачи тестового задания № 29, в которых рассматривались процессы, происходящие в колебательном контуре.

Анализ решений показал, что, зная необходимые формулы, многие учащиеся не смогли их применить. Это наблюдалось в тех ситуациях, когда правильное решение задачи можно было найти лишь при условии четкого понимания физической сущности процессов, происходящих в колебательном контуре. Например, лишь 2 из 5 тестируемых справились с задачей следующего содержания.

В электрическом колебательном контуре емкость конденсатора С = 2 мкФ, а максимальное напряжение на нем равно 5 В. Какова энергия магнитного поля катушки индуктивности в тот момент времени, когда напряжение на конденсаторе равно 3В?

Типичная ошибка абитуриентов состояла в том, что они пытались искать решение «в лоб», записав, что

LI ²

WMarH = ""2"". Но при этом нам неизвест ны ни L — индуктивность контура, ни I — сила тока в нем! Правильно для решения задачи применить закон сохранения энергии. По закону сохранения энергии в отсутствии диссипации (рассеяния) энергии Wx = W2, где W1 — полная энергия контура в момент времени t1, W2 — полная энергия контура в момент времени t2. Учащиеся должны знать, что в момент времени t1, когда напряжение на конденсаторе максимально, вся энергия контура сосредоточена в электрическом поле между обкладками конденсатора:

W 1 = W»

CU max²

. Когда напряжение

на конденсаторе меньше максимального U = U 1 , через катушку идет ток силой I = I 1 . В этот момент времени полная энергия контура складывается из энергии электрического поля конденсатора W_m и энергии магнитного поля ка-

CU 1 ²

тушки W , т.е. W-) =--+ магн’         2       2

W магн.

Тог-

да по закону сохранения энергии

CU ² max

CU ₁ ²

+ W—’ ^отк у ^{да иско-}

мая энергия магнитного поля

W„ = C ( и mJ - U 1 ) = 1,610-⁵ Дж.

Анализ работ абитуриентов показал, что основной причиной низких результатов при выполнении тестовых заданий является формализм знаний учащихся. Он выражается:

— в неумении анализировать условия задач с целью выявления действующих физических явлений или процессов;

— непонимании физического смысла явлений и процессов, рассматриваемых в задаче;

— неумении синтезировать в процессе решения задачи знания из различных разделов школьной программы по физике.

Приведенные выше примеры указывают на необходимость существенной корректировки школьного учебного процесса по физике. Наиболее значительных коррективов требует система обучения учащихся решению физических задач. В условиях минимума времени, отводимого в общеобразовательной школе на этот важнейший элемент учебного процесса, целесообразно организовать самостоятельную работу учащихся по решению задач, используя для данной цели специально подобранные (с учетом базовой подготовки каждого учащегося) индивидуальные задания. Применение при составлении индивидуальных заданий компьютерных технологий существенно снижает трудоемкость данного вида деятельности учителя. В качестве инструментального средства для подготовки адаптивных индивидуальных заданий могут использоваться электронные сборники дидактических материалов (электронные задачники). Например, разработанный нами электронный задачник по физике3 позволяет преподавателю формировать индивидуальные задания из заранее созданных электронных баз задач, структурированных по разделам (темам) дисциплины и уровню их сложности. Он представляет собой комплекс компью- терных программ, реализующий следующие возможности:

• —    создание и сопровождение электронных баз задач (заданий) по определенным блокам (модулям) дисциплины, структурированных по уровню сложности;

• —    автоматический поиск задач по определенным пользователем признакам (разделу, теме, уровню сложности, наличию или отсутствию ответа);

• —    просмотр задач с возможностью (или без) их редактирования;

• —    автоматическое формирование индивидуальных заданий из выбранных преподавателем задач, удовлетворяющих заданным признакам;

• —    представление индивидуальных заданий в электронном виде;

• —    печать индивидуальных заданий в выбранной преподавателем форме.

Практика применения данного инструментального средства в учебном процессе по физике подтверждает его эффективность.