规则空间模型在中学化学核心概念学习进阶建构中的应用研究

严文法　宋丹丹

一、问题的提出

近年来，学习进阶已成为国内外科学教育的热点研究领域。我国学者郭玉英认为学习进阶必备四个基本要素：大概念或核心概念学习进阶的变量和层级、学生的表现以及追踪学生表现的测量模型。心理测量学模型能够使学习进阶与评价结合起来，既为验证学习进阶的有效性提供证据，又能对学生做出诊断，当前应用到学习进阶中的心理测量学模型有单维项目反应模型、多维项目反应模型和认知诊断模型。其中，规则空间模型（Rule Space Model，RSM）作为认知诊断模型最具代表性的工具在学习进阶研究中的应用越来越多。

规则空间模型是美籍日本教育家Tasuoka提出的一种认知诊断理论，该模型将认知心理学、项目反应理论与多元统计结合为一体，基于统计方法将学生对题目的作答反应划归为与认知技能相联系的属性掌握模式。它的基本原理是将学生在解题时要使用的知识、认知加工技能或策略定义为属性，这些不同属性的组合产生不同的属性模式，根据学生在测试项目的作答情况可以找到学生的属性掌握模式，这些属性掌握模式即为学生的知识结构，也就是学生对属性掌握的组合情况。规则空间模型是将传统的单一分数转化为学生在解题中所涉及的认知过程与技能的掌握概率，然后根据学生的属性掌握模式和能力估计将学生划分为不同的学习进阶水平，并描绘了学习进阶中的多个学习路径图，为教育者提供清晰地学习情况。

学习进阶是描述学生思维发展的有效方式。原电池是高中化学知识的重点和难点，为突破该重难点内容，本文基于规则空间模型建构了“原电池”的学习进阶，为学生的思维发展外显化提供了一条有效的路径，从而更好地指导教师的教和学生的学。

二、原电池认知属性和层级关系的界定

认知属性的界定是规则空间模型应用中最重要的部分，直接影响认知诊断结果的准确性和可靠性，所以界定合理的认知属性是实施学习进阶研究的关键步骤。一般属性界定主要分为两部分：第一部分是确定认知属性的个数，第二部分是构建属性层级结构即确定认知属性之间的相互关系。

1.认知属性的梳理

认知属性是学生在解题过程中所需要的知识、技能或策略，确定原电池的认知属性是基于规则空间模型构建学习进阶的基础。本研究对原电池认知属性的确定主要采用了文本分析法，通过对2003年和2017年两版高中化学课程标准、考试大纲、人教版高中化学教材、近几年高考理综化学试题及原电池相关概念的研究进行分析梳理，共归纳出氧化还原反应、原电池与能量转换、电极反应、原电池形成条件、盐桥、原电池工作原理、原电池的应用等7个一级属性以及氧化还原反应的概念、本质等23个二级属性。

2.原电池认知属性和层级关系的确定

为了确定原电池认知属性及其层级关系，采用了专家评定法，向2位正高级5位特级、8位高级中学化学教师和4位高师化学教学论专家发放原电池认知属性认同度调查问卷并进行访谈，要求他们罗列原电池内容的知识点并构建层级关系，最后讨论确定了5个一级属性和14个二级属性（见表1），并构建出认知属性层级关系图（如图1所示）。

通過图1所示的认知属性层级关系图，可以知道学生在掌握原电池时所要具备的属性及属性之间的逻辑关系。从图中可以看到定义（A）是掌握原电池形成条件（B）、电极与电极反应（C）、内外电路（D）和原理及应用（E）的基础条件，只有当学生掌握了以上4个属性（A、B、C、D）后，才能完全掌握原理及应用（E）。

三、原电池核心概念的学习进阶建构

本研究的学习进阶建构采用了心理学家比格斯（Biggs，J.B）在1982年提出的SOLO（Structure of the Observed Learning Outcome）分类理论，这一理论继承和发展了皮亚杰的认知发展阶段理论，是以等级划分为基础来描述学生思维能力目标，是一种质性评价方法。SOLO理论将学生的思维、认知水平由低到高分为五个层次：（1）前结构水平，就是学习前的水平，表示学生一无所知;（2）单一结构水平，只有一条线索来解决问题;（3）多元结构水平，有多条线索来解决问题但不能将这些思路整合归纳;（4）关联水平，能将多种思路整合在一起来解决问题;（5）拓展抽象水平，能够超越问题本身，对各种线索归纳并进行更抽象的概括，在理论高度解决问题。由于前结构水平表现为一无所知，所以本研究未涉及该水平，结合基于规则空间模型构建的认知属性及其层级关系和SOLO分类理论各层级水平的表现特点，笔者建构了“原电池”的学习进阶水平，如表2所示。

四、小结

近年来使用规则空间模型对学生进行认知诊断较为普遍，现在正逐渐应用于学习进阶的研究中。本研究将“原电池”作为研究对象，通过文本分析法、文献研究法、问卷调查法和访谈法界定了高中化学“原电池”的认知属性和层级关系，根据认知属性掌握数目并结合“SOLO分类理论”建构了其学习进阶。界定合理的认知属性并建构适当的学习进阶有利于教师的教和学生的学，根据认知属性的层级关系能够给教师提供教学思路，并能清楚知道学生的思维路径。