規則空間模型在中學化學核心概念學習進階建構中的應用研究

嚴文法　宋丹丹

一、問題的提出

近年來，學習進階已成為國內外科學教育的熱點研究領域。我國學者郭玉英認為學習進階必備四個基本要素：大概念或核心概念學習進階的變量和層級、學生的表現以及追蹤學生表現的測量模型。心理測量學模型能夠使學習進階與評價結合起來，既為驗證學習進階的有效性提供證據，又能對學生做出診斷，當前應用到學習進階中的心理測量學模型有單維項目反應模型、多維項目反應模型和認知診斷模型。其中，規則空間模型（Rule Space Model，RSM）作為認知診斷模型最具代表性的工具在學習進階研究中的應用越來越多。

規則空間模型是美籍日本教育家Tasuoka提出的一種認知診斷理論，該模型將認知心理學、項目反應理論與多元統計結合為一體，基于統計方法將學生對題目的作答反應劃歸為與認知技能相聯系的屬性掌握模式。它的基本原理是將學生在解題時要使用的知識、認知加工技能或策略定義為屬性，這些不同屬性的組合產生不同的屬性模式，根據學生在測試項目的作答情況可以找到學生的屬性掌握模式，這些屬性掌握模式即為學生的知識結構，也就是學生對屬性掌握的組合情況。規則空間模型是將傳統的單一分數轉化為學生在解題中所涉及的認知過程與技能的掌握概率，然后根據學生的屬性掌握模式和能力估計將學生劃分為不同的學習進階水平，并描繪了學習進階中的多個學習路徑圖，為教育者提供清晰地學習情況。

學習進階是描述學生思維發展的有效方式。原電池是高中化學知識的重點和難點，為突破該重難點內容，本文基于規則空間模型建構了“原電池”的學習進階，為學生的思維發展外顯化提供了一條有效的路徑，從而更好地指導教師的教和學生的學。

二、原電池認知屬性和層級關系的界定

認知屬性的界定是規則空間模型應用中最重要的部分，直接影響認知診斷結果的準確性和可靠性，所以界定合理的認知屬性是實施學習進階研究的關鍵步驟。一般屬性界定主要分為兩部分：第一部分是確定認知屬性的個數，第二部分是構建屬性層級結構即確定認知屬性之間的相互關系。

1.認知屬性的梳理

認知屬性是學生在解題過程中所需要的知識、技能或策略，確定原電池的認知屬性是基于規則空間模型構建學習進階的基礎。本研究對原電池認知屬性的確定主要采用了文本分析法，通過對2003年和2017年兩版高中化學課程標準、考試大綱、人教版高中化學教材、近幾年高考理綜化學試題及原電池相關概念的研究進行分析梳理，共歸納出氧化還原反應、原電池與能量轉換、電極反應、原電池形成條件、鹽橋、原電池工作原理、原電池的應用等7個一級屬性以及氧化還原反應的概念、本質等23個二級屬性。

2.原電池認知屬性和層級關系的確定

為了確定原電池認知屬性及其層級關系，采用了專家評定法，向2位正高級5位特級、8位高級中學化學教師和4位高師化學教學論專家發放原電池認知屬性認同度調查問卷并進行訪談，要求他們羅列原電池內容的知識點并構建層級關系，最后討論確定了5個一級屬性和14個二級屬性（見表1），并構建出認知屬性層級關系圖（如圖1所示）。

通過圖1所示的認知屬性層級關系圖，可以知道學生在掌握原電池時所要具備的屬性及屬性之間的邏輯關系。從圖中可以看到定義（A）是掌握原電池形成條件（B）、電極與電極反應（C）、內外電路（D）和原理及應用（E）的基礎條件，只有當學生掌握了以上4個屬性（A、B、C、D）后，才能完全掌握原理及應用（E）。

三、原電池核心概念的學習進階建構

本研究的學習進階建構采用了心理學家比格斯（Biggs，J.B）在1982年提出的SOLO（Structure of the Observed Learning Outcome）分類理論，這一理論繼承和發展了皮亞杰的認知發展階段理論，是以等級劃分為基礎來描述學生思維能力目標，是一種質性評價方法。SOLO理論將學生的思維、認知水平由低到高分為五個層次：（1）前結構水平，就是學習前的水平，表示學生一無所知;（2）單一結構水平，只有一條線索來解決問題;（3）多元結構水平，有多條線索來解決問題但不能將這些思路整合歸納;（4）關聯水平，能將多種思路整合在一起來解決問題;（5）拓展抽象水平，能夠超越問題本身，對各種線索歸納并進行更抽象的概括，在理論高度解決問題。由于前結構水平表現為一無所知，所以本研究未涉及該水平，結合基于規則空間模型構建的認知屬性及其層級關系和SOLO分類理論各層級水平的表現特點，筆者建構了“原電池”的學習進階水平，如表2所示。

四、小結

近年來使用規則空間模型對學生進行認知診斷較為普遍，現在正逐漸應用于學習進階的研究中。本研究將“原電池”作為研究對象，通過文本分析法、文獻研究法、問卷調查法和訪談法界定了高中化學“原電池”的認知屬性和層級關系，根據認知屬性掌握數目并結合“SOLO分類理論”建構了其學習進階。界定合理的認知屬性并建構適當的學習進階有利于教師的教和學生的學，根據認知屬性的層級關系能夠給教師提供教學思路，并能清楚知道學生的思維路徑。