基于Rasch模型的“化學(xué)平衡”診斷工具的開發(fā)

周莉敏 任紅艷

摘要：“化學(xué)平衡”是化學(xué)學(xué)科的核心概念，內(nèi)容微觀抽象，是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點。論文以提高學(xué)生核心素養(yǎng)為主旨，將項目反應(yīng)理論中的RasCh模型選定為測量模型，通過循環(huán)修訂的方法有效地開發(fā)了“化學(xué)平衡”診斷工具。將學(xué)科核心素養(yǎng)轉(zhuǎn)換為可觀察的外顯表現(xiàn)，從而準(zhǔn)確評價學(xué)生的“化學(xué)平衡”認(rèn)知水平，并有效推動教學(xué)實踐、課程標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)評價的一致性。

關(guān)鍵詞：化學(xué)平衡;核心素養(yǎng);Rasch模型;診斷工具

文章編號：1008-0546（ 2019） 11-0010-04

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2019.11.003

一、問題的提出

“化學(xué)平衡”核心概念微觀抽象，涉及微粒觀、能量觀、平衡觀等多種重要化學(xué)學(xué)科觀念，是促進(jìn)學(xué)生“變化觀念與平衡思想”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要教學(xué)內(nèi)容。同時，該專題概念幾乎被公認(rèn)為是教學(xué)的難點。赫德爾（Huddle，1996）[1]認(rèn)為，“化學(xué)平衡”是化學(xué)領(lǐng)域最難學(xué)的主題，大多數(shù)學(xué)生會產(chǎn)生許多偏離概念本身的相異構(gòu)想。為了評價學(xué)生的認(rèn)知水平，很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。但已有的關(guān)于“化學(xué)平衡”的診斷工具多采用訪談法與紙筆測驗法等。訪談法由于場地和時間的限制，無法進(jìn)行大規(guī)模運(yùn)用，診斷結(jié)果也不具有普遍代表性;而紙筆測驗法大多沿襲了經(jīng)典測量理論的弊端，即被試者的水平與題目的難度彼此干擾，測驗結(jié)果無“客觀等距”可言。

本研究針對經(jīng)典測量理論的弊端，結(jié)合化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)內(nèi)容和項目反應(yīng)理論，制定初始診斷工具。通過開發(fā)“化學(xué)平衡”診斷工具，將學(xué)科核心素養(yǎng)轉(zhuǎn)換為可觀察的外顯表現(xiàn)，有利于教師及時掌握學(xué)生的認(rèn)知水平，有針對性地采取教學(xué)策略，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展，實現(xiàn)學(xué)科育人。

二、診斷工具的設(shè)計

本研究依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)以及國內(nèi)外學(xué)者對“化學(xué)平衡”的相關(guān)文獻(xiàn)研究進(jìn)行相關(guān)問題的設(shè)計，測試問題多由高考題和國外典型試題改編，再交由多名學(xué)科專家檢驗，確保問題設(shè)計的合理性，并對鹽城市某重點高中不同學(xué)段的126名學(xué)生進(jìn)行了第一輪的試測。然后，以Rasch模型作為診斷工具檢驗的依據(jù)，運(yùn)用Winsteps軟件從定量角度對診斷工具進(jìn)行質(zhì)量分析，對診斷工具中的部分項目進(jìn)行修訂。修訂示例如下：

（修訂前）向密閉容器中通入3molH2和1molN2，恒溫條件下發(fā)生反應(yīng)：H2+N2-NH3。請畫出反應(yīng)前、反應(yīng)后容器內(nèi)的分子種類和數(shù)目。

結(jié)合Rasch分析結(jié)果，修訂前，該題的殘差均方小于0.7，說明學(xué)生在作答該題時受到其它問題的啟發(fā)或者干擾。通過分析學(xué)生作答情況發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生在未看清題目要求的情況下，就開始作答該題。為了準(zhǔn)確考查學(xué)生的核心素養(yǎng)水平，本研究從宏觀辨識、微觀探析、變化觀念、平衡思想等多維度對該項目進(jìn)行如下修訂。

（修訂后）（1）對于一定條件下發(fā)生的可逆反應(yīng)N2（g）+3H2（g）=2NH3（g），白圈表示1個氫原子，黑圈表示1個氮原子。達(dá)到化學(xué)平衡后，能表示出反應(yīng)物和生成物的微粒存在關(guān)系的圖示是

（ ）

（2）你選擇的理由是

（ ）

A.化學(xué)平衡狀態(tài)時，反應(yīng)物完全轉(zhuǎn)變?yōu)樯晌铩?/p>

B.化學(xué)平衡狀態(tài)時，反應(yīng)物和生成物同時存在，且各物質(zhì)的濃度比等于其系數(shù)比。

C.化學(xué)平衡狀態(tài)時，反應(yīng)物和生成物同時存在，且各成分的濃度保持不變。

D.其它

。

此外，本研究對其它難度不符合預(yù)期的項目同時進(jìn)行了修訂，并最終針對高中三個學(xué)段的學(xué)生設(shè)置了CE1、CE2、CE3三份不同的測量工具（見表1，表2）。

對于測量工具中的各項目，均采用等級計分的形式進(jìn)行賦分，每個項目均設(shè)置0、1、2三個等級。然后運(yùn)用Winsteps軟件進(jìn)行等級計分的統(tǒng)計。等級計分方式示例如下：

1-3.圖2中，最能體現(xiàn)“化學(xué)平衡”的是（ ）

該問題主要從宏觀、微觀角度考查學(xué)生對“化學(xué)平衡”模型的理解。A選項顯示的是生物中的食物鏈現(xiàn)象，體現(xiàn)了能量守恒的思想，是一種廣而泛的平衡，賦分為0。B選項顯示的是“擺鐘”模型，體現(xiàn)物理學(xué)科巾的“簡諧運(yùn)動”原理，雖然是動態(tài)的平衡，但是這種“動態(tài)”是一種周而復(fù)始的往返運(yùn)動。C選項顯示的是物理學(xué)科中的平衡現(xiàn)象，體現(xiàn)了“杠桿原理”思想，是一種靜止的平衡。B、C選項賦分均為1。D選項是向飽和食鹽水中加入氯化鈉，此時在溶液中，氯化鈉的溶解速率等于析出速率，達(dá)到了一種動態(tài)的、可逆的平衡，賦分為2。

三、診斷工具的質(zhì)量檢測

研究選取了溧陽、連云港、南京、南通四所重點中學(xué)的學(xué)生作為樣本，四所中學(xué)處于不同的地理位置，選取的樣本具有廣泛性和代表性，研究結(jié)果更能有效評價中學(xué)生“化學(xué)平衡”的認(rèn)知水平。樣本組成分布如表3所示。正式測試時間約20分鐘，在收集相關(guān)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上基于Rasch模型進(jìn)行質(zhì)量分析。

1.單維性

單維性是Rasch模型的基本假設(shè)之一，要求測驗所測量的是被試者的一種心理特質(zhì)[2]。單維性假設(shè)還包含著另外兩個假設(shè)，一是“知道-正確假設(shè)”，即受試者如果知道某一試題的正確答案，則必然答對該題;二是“非速度測驗”，即測驗的實施不是在速度限制下完成的。因此，我們在進(jìn)行施測時，事先都要與教師和學(xué)生進(jìn)行溝通、協(xié)商，保證被試學(xué)生有足夠的時間來完成測驗。Winsteps軟件提供了“維度診斷圖”，即“D診斷圖”，描述了觀察值與期望值之間的差異。經(jīng)測定，三份測量工具的D值均在可接受范圍內(nèi)，滿足Rasch模型的單維性假設(shè)。

2.工具總體質(zhì)量分析

研究發(fā)現(xiàn)，項目估計的標(biāo)準(zhǔn)誤差較小，在0.09-0.11之間，被試估計的標(biāo)準(zhǔn)誤差較大，但是仍在可接受范圍之內(nèi)。被試和項目的數(shù)據(jù)擬合指數(shù)都比較理想，殘差均方都在理想值1附近，ZSTD都在理想值0附近，說明三份測量工具與Rasch模型的期望值吻合度較高，見表4。

3.項目一被試對應(yīng)

項目與被試的對應(yīng)程度可以通過萊特圖體現(xiàn)，萊特圖能夠?qū)W(xué)生的能力參數(shù)和試題的難度參數(shù)在一張圖中顯示出來。本研究中，學(xué)生能力分布呈現(xiàn)比較好的形狀，三個測驗工具的項目分布范圍較廣，并顯示出明顯的難度層次結(jié)構(gòu)，兩者的分布大面積重疊。因此，三份測量工具具有良好的覆蓋性。（見圖3）

4.項目擬合

項目擬合表征的是測試項目與Rasch模型的期望值相互匹配的程度。如表5所示，三份測量工具的項目難度范圍在-1.77～1.76logit之間，難度估計標(biāo)準(zhǔn)誤差較小，項目殘差均方值基本都在0.7～1.3之間，項目和Rasch模型具有很好的匹配度。綜合以上分析，三份測量工具都具有很好的效度和信度，測驗結(jié)果可有效評價學(xué)生的“化學(xué)平衡”認(rèn)知水平。

四、結(jié)論與啟示

通過上述研究表明，基于Rasch模型設(shè)計的“化學(xué)平衡”診斷工具有較高信效度，同時也示范了學(xué)習(xí)評價工具的科學(xué)化設(shè)計與開發(fā)途徑。研究結(jié)合Rasch模型的數(shù)據(jù)分析結(jié)果和學(xué)生訪談內(nèi)容，進(jìn)一步構(gòu)建了可真實反映不同學(xué)段學(xué)生認(rèn)知水平的學(xué)習(xí)進(jìn)程（見圖4）[3]。

結(jié)果表明，學(xué)生在不同學(xué)段對“化學(xué)平衡”的認(rèn)知水平整體上存在著由低到高的變化：高一學(xué)生能夠列舉出常見的平衡現(xiàn)象，對“化學(xué)平衡”概念的認(rèn)知達(dá)到水平1和水平2;高二學(xué)生能從化學(xué)反應(yīng)實質(zhì)角度理解化學(xué)平衡狀態(tài)，認(rèn)知層次達(dá)到水平3，接近水平4;高三學(xué)生綜合分析的能力較強(qiáng)，能夠運(yùn)用化學(xué)平衡常數(shù)分析平衡移動問題，認(rèn)知層次達(dá)到水平5，少數(shù)學(xué)生能達(dá)到水平6與水平7。不同學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)程的結(jié)果分析可用于指導(dǎo)教師制定出更加切合學(xué)生實際的學(xué)習(xí)目標(biāo)，并且選擇與實施最為適宜的教學(xué)策略[4]。學(xué)生的學(xué)習(xí)過程亦存在從認(rèn)知矛盾與沖突到認(rèn)知同化或順應(yīng)的“平衡”過程，通過科學(xué)的診斷工具可以幫助學(xué)生更加精準(zhǔn)地定位其認(rèn)知圖式，穩(wěn)步實現(xiàn)“化學(xué)平衡”學(xué)習(xí)進(jìn)程的推進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1]

Huddle， P..An In-Depth Study of Misconceptions in Stoichi-ometry and Chemical Equilibrium at a South African Univer-sity[J].Journal of Research in Science Teaching， 1996， 33（1）：65-77

[2] Liu Xiufeng， William Boone. Applications of Rasch Mea-surement in Science Education[M].New York： JAM Press，2006：7-14

[3]周莉敏.學(xué)生“化學(xué)平衡”學(xué)習(xí)進(jìn)程的研究[D].南京：南京師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2016：44-45

[4]韋斯林，賈遠(yuǎn)娥.學(xué)習(xí)進(jìn)程：促進(jìn)課程、教學(xué)與評價的一致性[J].全球教育展望，2010（9）：24-31