基于Rasch模型的中學化學守恒觀測評研究

王禹超 陶勇 陜光 王后雄

摘要： 化學守恒觀是中學化學基本觀念的重要部分，對其發展進行了水平構建，基于Rasch模型開發和優化了測評工具，實施了測驗并進行了數據分析。研究顯示工具具有良好的信效度。大樣本測試數據表明： 性別不會帶來化學守恒觀發展的顯著差異;高一高二高三年級學生的化學守恒觀發展水平具有顯著性差異，且在具體水平表現上各具特點。

關鍵詞： 化學守恒觀; Rasch模型; 測評

文章編號： 10056629（2020）06002607? 中圖分類號： G633.8? 文獻標識碼： B

守恒觀是《普通高中化學課程標準（2017年版）》中明確提出的化學基本觀念之一[1]，近年來相關研究的熱度增加，其中較受關注的是測評研究[2]。但是，已有的測評研究方法單一，共同點是： 以經典測量理論為依據進行測量建構、以橫向指標為依據搭建內容框架[3]。項目反應理論克服了傳統經典測量理論的“樣本依賴性”和“工具依賴性”，逐漸成為心理與教育測量的主流理論[4]，其中更是以Rasch模型最受歡迎。因此，有必要探索基于Rasch模型構建的、縱向發展性指標下的化學守恒觀測評研究。

1 理論基礎

1.1 基于Rasch模型的測量建構

項目反應理論的深層理論基點是潛在特質理論和項目特征曲線，用于擬合項目特征曲線，最常用的函數形式就是累計正態分布函數和累計邏輯斯蒂（Logistic）分布函數[5]。當只有一個參數時，便是Rasch模型[6]，將其數學表達式經過一系列數學變化[7]，可將被試的能力水平和項目難度都放在logit這個相同的度量尺當中。且被試能力的高低與項目難度無關，項目難度的判斷也不依賴于被試的水平。

1.2 威爾森四基石測量框架

為了能夠設計出符合Rasch模型測評工具的開發方法，威爾森提出了“四基石”模型（如圖1）[8]

結構圖是指心理結構，其存在的意義是揭示該特質（化學守恒觀）由低到高的發展水平[9]。項目設計即試題設計，目的是測量無法直接觀察的心理特質。結果空間是被試對項目所作反應在結構圖中的對應。根據被試在各項目中的反應可推斷被試心理特質即化學守恒觀所處的發展水平，同時也能反饋各項目在設計時對應的水平和評分方式是否合理。測量模型是結果空間和心理結構的具體聯系，此處即Rasch模型。

1.3 中學化學守恒觀發展水平的理論構建

1.3.1 中學化學守恒觀的定義

中學化學守恒觀的內涵是學生在學習化學的過程中、對化學守恒知識有了一定理解后所樹立的有關“化學守恒”的思想，具體表現為將“化學守恒關系”運用在進一步的化學學習與實際問題解決過程中的觀念意識和能力。其研究的具體范圍包括中學化學涉及守恒的相關知識[10]?！坝^念”的特點在于對實踐的指導作用，對中學生來說最大的實踐就是利用所學知識進行問題解決，因此化學守恒觀的異同和發展水平的高低最終會體現在利用守恒觀解決問題的能力上。這是將化學守恒觀像能力一樣劃分為由低到高的縱向發展水平（而不只是橫向區分）的依據。

1.3.2 中學化學守恒觀的學習進階

化學守恒觀具有自身的獨特性，它是基于個體對“化學守恒”在頭腦中的認知建構特點作為基礎來指導問題解決的，也就是說學生體現出的化學守恒觀水平，取決于學生對化學守恒的認識深度和問題情境的難度。對應地，學習進階及測評中的各測試項目應當綜合體現化學守恒知識深度和問題情境難度的不同，作為不同發展水平的參考依據。例如“質量守恒定律”這一知識，從淺到深可分為： 對化學反應前后物質質量變化的感性認識→對化學反應前后物質質量變化的定量認識→對化學反應前后物質質量變化的微觀認識（原子守恒）;再如，“電荷守恒”： 原子結構內部正負電荷相等→溶液中離子所帶正負電荷總量相等，后者在綜合了對“化學平衡”即“弱電解質電離”和“鹽類水解”后認識深度又有增加;而問題情境中的守恒類型和數量的不同也影響著問題解決的難度——個體化學守恒觀的水平體現。因此中學化學守恒觀的學習進階構建需要綜合考慮守恒知識的認識深度、問題情境難度等因素。

在充分分析中學化學守恒知識發展的基礎上，參考了修訂的布魯姆教育目標分類學[11]和高中化學課程標準中核心素養發展的內在邏輯，并且考慮了上述分析的因素，構建了如圖2所示的中學化學守恒觀學習進階。

（1） 認識化學守恒關系。這一水平指學生要知道較為基本的守恒知識，主要涉及宏觀層面。如質量守恒、元素守恒、能量守恒（能量守恒定律、化學反應吸收或放出能量）、化合價守恒等。處在這一水平的學生應當知道這些守恒關系的存在，并能在特定化學問題情境中進行分辨和判斷。

（2） 理解化學守恒原理。處在此水平的學生對化學守恒要由直觀、形象的認識深入到較為本質的理解。如化學反應的質量守恒，在上一水平時只是知道化學反應前后總質量沒有變，這一水平就要理解其實質是原子守恒，是因為在化學反應中原子重新組合，本身沒有發生變化，所以才使得前后的質量沒有變、元素種類沒有變。再如能量守恒，不只明白“化學反應會吸收或放出能量”，而且知道其原因是化學鍵斷裂吸收能量和生成新化學鍵放出能量。另外，這一水平關鍵在于能夠自主地對明確的認識對象有自發的“守恒”認識意識。如，面對一個化學反應，即使沒有任何說明，不管該反應陌生還是熟悉，都能認識到應當滿足原子守恒、質量守恒、電荷守恒等，如果是氧化還原反應就要滿足電子轉移和化合價升降守恒，如果是離子方程式還要滿足電荷守恒等。

（3） 運用化學守恒關系解決簡單化學問題。在理解各種化學守恒關系的基礎上，能夠在實際化學問題中綜合使用各種關系，如利用原子守恒、電荷守恒和電子轉移守恒的相互關系書寫陌生的氧化還原反應的化學方程式;能在實際的化學問題情境中靈活地判斷和應用守恒關系，在復雜的物質轉化、數量關系中抓住關鍵的不變量，解決現實問題。與上一水平相比，不但能自發認識到問題情境中存在的守恒關系，還要能利用相應關系來解決問題。

（4） 在復雜化學問題中綜合運用化學守恒。這一水平守恒觀最大的突破是結合了溶液中的各種離子平衡問題，即要解決圍繞或涉及“質子守恒”“物料守恒”和“電荷守恒”等的各種化學問題。之所以是“突破”，是因為納入化學平衡移動原理后，很多問題的思考都存在更大的“相對性”。如，可逆反應不會進行徹底，反應物總會有“相對地”剩余;水溶液中的氫離子和氫氧根離子有不同的“來源”和“去路”，各種來源和去路的綜合決定了最終兩者在溶液中的存在狀態和量的多少。當處于水平四時，應當在面對化學問題時有以下表現： 固有的化學守恒知識的掌握、各種化學守恒知識在復雜情境中的綜合運用，運用多種守恒對問題或現象進行解釋，能夠在復雜情境中靈活地選擇不同守恒原理綜合地、適時地進行應用。

2 中學化學守恒觀測評工具的開發

2.1 開發程序

工具開發的整體流程如圖3所示。“心理結構模型”即“中學化學守恒觀學習進階的構建”，工具質量分析是以Rasch模型各數據要求為根據進行的;在試測前請了幾位中學化學老師、化學教育專業研究生和來自被試總體的中學生進行試做，根據其對試題的反饋進行調整后才進行一輪試測。一輪試測后對工具進行了改進，包括剔除部分項目、改變題型、改善測試項目的難度分布等。二輪試測所得的工具各項指標良好，大樣本測試與二輪試測的工具相同。

2.2 項目設計

根據中學化學守恒觀由低到高的四個發展水平，最初設計了包括選擇題、填空題和解答題在內的不同難度題目共28道。因為要考察不同年級學生守恒觀的發展狀況，所以三個年級采用了相同試題;考慮到知識水平的不同（主要區別在于高二學習化學平衡后，對電荷守恒、物料守恒、質子守恒等的探討），在編制題目時各題目盡可能地建立在三個年級相同的知識基礎之上;同時考慮到知識與能力的相互關系、守恒知識深度對守恒觀水平的巨大影響，不回避因年級不同造成的知識差別。

結合兩輪試測（試測樣本選擇見表2）的數據表現，對部分項目進行了刪改，最終得到如表1所示的項目構成，共15道題目，例析如下。

例1 若（NH4）2SO4在強熱時分解的產物是SO2、 N2、 NH3和H2O，則該反應中化合價發生變化和未發生變化的N原子數之比為（? ）

A. 1∶4B. 1∶2C. 2∶1D. 4∶1

該題屬水平2，“理解化學守恒關系”。題目涉及的是一個陌生反應，唯一的信息就是題目所給的生成物、反應物和反應條件，解決此題需要根據各元素化合價判斷各微粒電子轉移數目，再根據電子轉移守恒得到的電子的S與失電子的N的數量關系。解決過程中應用的是微觀層面的化學守恒關系。

例2 加熱條件下，NH4NO3完全分解產生氣態混合物（1mol硝酸銨產生3mol氣體分子），其密度是相同條件下氫氣密度的（? ）倍。

A. 96B. 40

C. 13.3D. 無法確定

該題屬水平3，“運用化學守恒關系解決簡單化學問題”。硝酸銨分解較為復雜，對學生來說難以自行寫出方程式，不得不通過“守恒”進行解決。此處運用的守恒關系應當涉及包括原子、電子等多個對象在內的守恒關系，但由于寫不出具體方程式，則需利用質量守恒結合題目括號中的信息直接判斷生成氣體的摩爾質量;同時，由于問題指向在相同條件下的密度，因此需要理解氣體平均摩爾質量與密度的關系，屬于簡單化學問題，因此該題處在水平三——既有對守恒關系的自主判斷和綜合運用，又有對化學問題的解決。

3 研究過程與結果

3.1 樣本選擇

兩輪試測及大樣本終測的樣本構成如表2，抽樣過程采用了整群抽樣與隨機抽樣結合的方式。試測是在湖北省某重點高中進行的，一輪試測隨機抽取了高二年級一個班級，二輪試測隨機抽取了三個年級各一個班的所有學生;大樣本測試在湖北省某重點高中及山西省某重點高中，抽取了兩所學校的高一、高二、高三分別一個實驗班和一個平行班，共計12個班的學生。最終實發試題600份，回收有效試題543份。

3.2 數據分析

采用Winsteps3.72.3進行數據分析，以檢驗工具質量（是否符合Rasch模型預期）;之后采用SPSS 22.0分析測試結果，以探求高中生化學守恒觀發展規律。

3.3 工具質量檢驗

工具已經經過了兩輪的試測，其中既包括廣泛的數據考察也包括深入的具體分析，并根據出現的不同問題做出了相應調整，本身是基本符合Rasch模型的質量要求的。當把樣本量進一步擴大，工具是否依然能穩定地保持良好質量，需要進一步檢驗。因此大規模測試依然要根據獲得的數據進行信、效度等的檢驗，以此來確保研究的可靠性。

3.3.1 總體統計

如表3所示是通過軟件分析所得到的相關數據。將項目平均難度設置為0.00，得到的被試能力估計值為0.65，說明被試能力略高于整個測試的難度。但相比前兩輪試測可知被試能力的估計略有下降，這是符合期待的——大規模測試的樣本不再局限于各年級的實驗班，而是下至高一普通班上至高三實驗班（一般可認為前者水平最低后者水平最高），因此被試整體的化學守恒觀水平一定會有所下降。被試的誤差和項目誤差分別為0.65和0.12，項目誤差非常低，被試的誤差雖然相比來說稍大但還是在可接受范圍之內，也即整個數據的誤差較小，由此得出的結論將比較可靠。被試和項目的Infit及Outfit的MNSQ值分別為0.99，1.00，1.07和1.07，四個數字均非常接近理想值1.00;被試的ZSTD值（無論Infit還是Outfit）都非常接近理想值0，而項目的相應值則與理想值稍有偏差，但都還處于比較合理的范圍之內。被試的分離度為2.05，指的是最低水平和最高水平被試之間的差距，與前兩輪試測相比（分別為1.29和1.78）有進一步的擴大;項目的分離度也有所擴大，考慮到此次的樣本更具代表性，如此的分離度更加接近真實值。被試數據估計的信度為0.81，比較接近理想值，且與前兩輪試測相比（分別為0.63和0.76）有進一步的提高;項目的信度為0.99，非常接近理想值1。經上述分析可知，工具的總體質量指標表現較好。

3.3.2 其他指標

其他指標指單維性、項目

被試對應（懷特圖）、項目擬合等。單維性是整個測試非常重要的效度指標，它能夠證明工具真的在測試該能力，而不是更多地受其他因素影響。測試的15個項目全部在單維性許可范圍之內，證明測試的單維性良好。項目被試對應是將項目難度與被試能力放在同一標尺中進行比較，從結果來看，各項目的難度和分布均勻分散、沒有扎堆，被試的水平分布基本符合“中間多兩邊少”的普遍規律。具體的項目擬合度上，除了極少數項目（S3和S6）外，大部分項目的ZSTD值都在許可范圍之內，項目的誤差較小、點測量相關較高。總之，通過Rasch模型的數據分析軟件檢驗，根據化學守恒觀水平編制的工具在各信效度指標上表現良好，符合Rasch模型要求，研究工具可靠，測得的結果可用于進一步的分析。

3.4 研究結果

3.4.1 年級差異整體分析

表4為三個年級化學守恒觀水平（Rasch模型定義下的，單位為logit分）的描述性統計結果。高一、高二、高三三個年級的均值分別為-0.64， 1.00和2.22，化學守恒觀水平有較明顯的隨著年級上升而上升的趨勢;整體的極小值出現在高一年級，為-4.97，極大值出現在高二和高三年級，為4.69，符合常規的認知： 高一水平最低，高三水平最高，高二可能有部分學生接近或達到高三水平;整體的全距為9.66，說明能力分布比較廣，最大的全距出現在高二年級，也比較符合常理（高二屬三個年級的中間水平，上限可及高三的水平，下限可至高一水平）。

通過方差分析對比三組平均數差異的顯著性，以確定化學守恒觀水平是否與年級有關。表5的方差齊性分析結果顯示，Levene統計值的相伴概率（sig.）為0.32，大于顯著性水平0.05，因此可以認為三個年級的方差具有齊性;F值為346.963，相伴概率0.032小于顯著性水平0.05，說明三個年級至少其中一個與其他有統計上的明顯差別，也有可能3個年級都有顯著差別。因為各組方差具有齊性，所以采用LSD檢驗。

表6顯示，高一、高二和高三之間的兩兩比較的相伴概率均為0.000，說明具有顯著差別，即三個年級在化學守恒觀發展上具有顯著差異，有明顯的發展水平變化。

*均方差的顯著性水平為0.05

3.4.2 各水平的具體比較

通過計算各項目所對應的難度值，可得到相同水平項目的平均logit分（水平1至水平4分別為-2.29、 -0.543、 0.815、 1.44），進一步分析和劃分可得到各水平范圍對應的logit分數范圍，如表7。

根據不同化學守恒觀水平的分數范圍，統計每個年級的水平分布，如表8。其中顯得“不合常理”的數據是合計的水平3比例過低。具體來看，主要是由于高二的分化現象突出造成的，其中既有學習程度比較好的達到水平4的學生，也有很多尚處在水平2的學生，反而水平3的人數相對較少;而高三學生已經大部分都達到了水平4，水平3人數較少;高一學生中處在水平2的人數最多，只有約2%處在水平3，因此合計的總數據中水平3的人數明顯少于水平2和4。

4 研究結論與啟示

4.1 關于化學守恒觀測評的工具

以IRT的數據模型之一——Rasch模型為理論基礎，基于Wilson四基石測量框架、按照建立心理結構模型→設計測試工具→試測→工具質量檢驗與調整→再試測的流程，進行了測驗工具的開發和完善。經過兩輪試測和一次大樣本測試的考驗，最終得到了在項目和被試信度、誤差、分離度、單維性檢驗、項目被試對應、數據模型擬合、點測量相關等多種數據指標上符合模型預期的質量良好的工具。

4.2 關于高中生化學守恒觀的發展特征

中學生化學守恒觀的發展水平隨年級發展有顯著差異。從研究結果看，高一至高三的發展水平變化并非勻速： 高一處在水平1向水平2的過渡階段（或者說平均水平大致介于水平1和水平2之間）;高二學生的分化比較明顯，一部分正在由水平3向水平4發展，但還有相當于一部分可能由于微觀部分的知識遺忘、化學平衡的理解不足等原因導致守恒觀的穩定性受到影響而處在水平2;高三學生已經大部分達到了水平4。結合不同年級的教學方式進行分析： 高一高二是新授課階段，往往以新知識的落實為重點，因此觀念的水平很大程度上受到知識多寡的影響，體現出不穩定而在曲折中發展的特點;高三是復習階段，學生通過鞏固和練習、知識的綜合應用等提高了解決守恒問題的能力——發展了化學守恒觀。

4.3 關于化學守恒觀的教學思考

測試結果中有趣的一點是，在“電子轉移守恒”的考察中，高一學生的測試結果明顯優于高二學生，此現象可以解釋為高一剛剛學過這部分內容，而高二學生因長久不接觸而產生了遺忘。但是，根據對化學守恒觀的剖析，其是一種基于事實而發展的抽象思維，是“不會遺忘的”、在腦中根深蒂固的存在，這樣的遺忘意味著知識對守恒觀水平的影響巨大。

對于化學守恒觀來說，隨著研究對象和守恒認識過程的不斷變化，守恒思維隨之發展，其本質是觀念在不同的情境中能夠得到應用、應用觀念解決不同情境下的守恒問題。從中應當獲得啟發： 學校教育要重視學生素養、觀念、能力的發展，教師教學時要把注意力放在真實、復雜情境中的問題解決，在問題解決的過程中發展思維、養成觀念，同時鞏固知識，這樣才能讓學生形成超越具體事實的、逐漸在頭腦中穩定的守恒“觀念”。

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