高中生化学学科核心素养的测评研究

赵景方　杜斌　韩波　闫春更　周青

摘要： 基于《普通高中化学课程标准（2017年版）》对化学学科核心素养的水平划分，构建命题框架，开发针对“宏观辨识与微观探析”素养的测评工具。经过试卷编制、试测、Rasch模型质量检验等过程，表明该测评工具有良好的信度和效度。据此对陕北地区6所高中共1082名高二学生开展了“宏观辨识与微观探析”素养水平的测查，结果显示学生该素养表现整体上位于水平3。从学校化学教学改革建议、关注知识内容与素养水平之间的关系等方面探讨了化学学科核心素养测评的研究价值。

关键词： 宏观辨识与微观探析; Rasch模型; 化学学科核心素养; 素养测评

文章编号： 1005-6629（2019）5-0017-06            中图分类号： G633.8            文獻标识码： B

1  问题的提出

随着《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称2017版课标）的颁布，以学生“化学学科核心素养”的形成与发展为主要特征的化学课程改革已经拉开帷幕。相应地，化学课程内容的选择、教学目标的制定、学习评价的实施以及教育质量的监测都将因此获得新的视角和依据。为了客观反映基础教育阶段学生的化学学业质量，给区域基础教育质量监测提供有效的数据支撑，本研究试图以“素养1宏观辨识与微观探析”（以下简称为素养1）的测评为例，探索开发可以实现素养测评功能的工具，并以此了解学校或区域学生在该素养方面的具体表现与存在问题，为基于素养测评的化学课程与教学改革提供数据支撑。

2  测评对象与内容

2.1  测评对象

本研究共进行了三轮测试，第一轮、第二轮测试要用于检验试题的质量，采用分层随机抽样的方法分别抽取了陕北地区100名高中生作为试测样本。第三轮测试则在陕北地区选取6所不同层次的中学作为样本来源学校，抽取了1082名高二学生。抽样时，学生已经学完化学1、化学2、选修4（化学反应原理）以及选修5（有机化学基础）四个模块的知识内容。

2.2  测评内容

宏观与微观相联系的思考问题的方式是化学学科的特征思维方式。“宏观-微观”思维方式作为一种统摄性的、突出学科特点的整体性思维方式为人们提供了观察和分析问题的基点和视角，是参与和影响学生化学学习过程的活跃因素[1]。2017版课标给出了素养1的水平划分[2]，见表1。

从4个素养水平的内涵界定可以发现： 水平1突出了对学生宏观现象的辨识与表征能力的要求;水平2不仅重视学生的宏观表征能力，还关注对学生微观表征能力、归纳/比较分析能力的培养;水平3则在宏观、微观表征能力的基础上，进一步发展学生的符号表征能力与计算能力;水平4不仅关注学生的“宏-微-符”三重表征能力，更加重视对学生推理预测能力的培养。四个素养水平层层递进，学生在各个水平所要达到的能力均包含着前一个水平的能力要求，是在前一个水平的基础上发展而来的。

3  测评工具的开发

测评工具开发流程如图1所示。

3.1  命题框架的建构

由于样本学生已经学习了化学1、化学2、选修4以及选修5四个模块的内容，参考2017版课标对“课程内容”的划分，将上述四个模块的内容合并、重整为“常见的无机物及其应用”“物质结构基础与化学反应原理”“有机化学基础”三个主题。“常见的无机物及其应用”包括氧化还原反应、电离与离子反应、金属及其化合物、非金属及其化合物等;“物质结构基础与化学反应原理”包括原子结构与元素周期律、化学键、化学反应与能量、化学反应速率与化学平衡、电化学基础等;“有机化学基础”包括有机化合物的组成与结构、烃及其衍生物的性质与应用、生物大分子及合成高分子等。

将4个素养水平与三个知识主题相结合，建构了素养测评的二维命题框架（见表2）。命制试题时，从学生的能力出发，先确定考查学生什么样的能力，再选择具体的化学知识作为测试载体，并且尽可能使每个水平的知识点均匀分散在各个主题，一方面保证考点的覆盖面，可以对学生的学业质量做出较为整体性的评估，另一方面，突出对学生素养水平或能力水平的考查，尽可能地避免考点的偏倚对测试内容效度的影响。

3.2  试题的命制

根据命题框架，编制了第一轮的试卷（共25题），经过Rasch模型进行质量检验后，对个别题目进行了修改、删增，形成了第二轮的试卷，共20题，再次经Rasch模型检验，体现出了良好的信度和效度，说明试卷质量可靠，可将之用于大样本研究。表2是20道题（Q1～Q20）在二维命题框架中的具体呈现。

下面各举一例题作简要分析：

Q4.现有失去标签的四种无色溶液，为确定四种溶液成分，将它们随意编号为A、 B、 C、 D进行实验，产生的现象如下表所示，以下A、 B、 C、 D对应的化学式正确的是__________

A. BaCl2、 H2SO4、 NaHCO3、 MgCl2

B. Ba（OH）2、 H2SO4、 Na2CO3、 MgCl2

C. BaCl2、 H2SO4、 Na2CO3、 MgCl2

D. Ba（OH）2、 H2SO4、 Na2CO3、 Mg（OH）2

说明： 此题目考查的是水平1，旨在考查学生宏观现象的辨识与表征能力。要求学生根据实验现象识别物质及其反应，并能运用化学式正确描述物质的组成。

Q10.已知元素aA、 bB、 cC、 dD、 eE的原子结构示意图如下图所示，下列选项正确的是__________

A. bB、 dD、 eE属于同周期的元素

B. aA、 bB、 cC属于同主族的元素

C. 金属性最强的元素为cC、非金属性最强的为dD

D. 最高价氧化物对应的水化物碱性最强的是cC

说明： 此题目考查的是水平2，旨在考查学生是否能从微观视角出发来解释或描述元素以及物质的性质。要求学生能根据五种元素的微观结构示意图，归纳同周期/同主族的元素性质，说明元素性质的递变规律。

Q13.有一根粗铝条含铁和硅两种杂质。取等质量的样品分别投入到足量的稀盐酸和足量的稀氢氧化钠溶液中，放出等量的H2，则该粗铝中铁和硅的关系正确的是__________

① 物质的量之比为2∶1

② 物质的量之比为3∶1

③ 质量之比為2∶1

④ 质量之比为4∶1

A. ②④

B. ②③

C. ①④

D. 只有④

说明： 此题目考查的是水平3，旨在考查学生的符号表征能力与计算能力。要求学生能正确书写出铝、铁与盐酸反应，铝、硅与氢氧化钠反应的化学方程式，根据各反应中生成氢气的物质的量，运用定量计算的方法，求出粗铝条中铁和硅的物质的量之比、质量之比。

Q17.从中草药茵陈蒿中可提取出一种利胆有效成分——对羟基苯乙酮，其结构简式如下图，这是一种值得进一步研究应用的药物。

（1） 推测该药物不具有的化学性质是__________

A. 能跟氢氧化钾反应

B. 能跟浓溴水反应

C. 能跟碳酸氢钠反应

D. 在催化剂存在时能被还原成含醇羟基的物质

（2） 写出上述（1）中能发生反应的所有化学方程式，并说明反应类型__________

说明： 此题目考查的是水平4，旨在考查学生对物质微观结构（官能团）的辨识以及推理预测的能力。要求学生能够根据对羟基苯乙酮的结构简式，准确识别其官能团，预测羟基苯乙酮的化学性质，判断选项所描述化学反应的合理性，准确运用化学符号（化学方程式）表征化学反应。

3.3  基于Rasch模型的测评工具质量检验

作为一种潜在特质模型，Rasch模型通过个体在题目上的表现（通常表示为原始分数）来测量不可直接观察的、潜在的变量[3]。透过被试者的作答反应，得到客观等距的量尺，克服了经典测验理论（Classical Testing Theory， CTT）“工具依赖”和“样本依赖”的缺点，为社会科学领域的测量建立起了一套客观和可靠的标准[4]。

运用Rasch模型分析软件Winsteps4.10分析第三轮测试数据，表3所示是第三轮测试的整体统计结果。学生的平均能力值（0.81）高于项目的平均难度值（0分）;整份试卷的难度估计误差（0.09）较小;项目具有较高的区分度（Separation=16.75，>2）和信度（Reliability=1.00，>0.80）;项目拟合指数（MNSQ、 ZSTD）均在理想值左右（MNSQ值在0.5～1.5之间时表示拟合程度良好;ZSTD值在-2～2时表示拟合程度较好），说明测验数据与理想模型具有较好的一致性。总体而言，测评工具体现出良好的质量。

Rasch模型将学生的能力值与项目的难度值放在同一量尺上，不仅可以分别对项目的难度、学生的能力进行对比分析，还可直观地将项目难度与学生能力进行匹配检验。如图2所示，左端“#”表示8个学生，“·”表示1～7个学生，右端表示20个项目的分布情况。自下而上学生能力升高、项目难度增加。理想的试卷不同难度的项目均有与之对应的学生，量尺左边的学生密集程度应与量尺右边的项目数量成正比。学生的分布较为理想，基本呈正态分布，20个项目的分布也较均匀，整体而言，项目的难度与学生的能力基本持平。

4  测评结果与讨论

4.1  素养水平的评价标准

Rasch模型是在同一把量尺上将学生能力和项目难度进行比较的，将各个水平所有项目的难度值进行平均便可以得到各个水平的难度值，见表4。以项目难度平均值作为判断学生素养水平的依据。当学生的能力值低于-2.13时，则认为学生低于水平1;当学生的能力值为-2.23～-0.57时，则处于水平1;当学生的能力值为-0.57～0.66时，则处于水平2;当学生的能力值为0.66～1.99时，则处于水平3;当学生的能力值高于1.99时，则认为学生处于水平4。

4.2  总体分析

根据素养水平的评价标准，统计得到陕北地区的1082名学生在“宏观辨识与微观探析”素养水平的总体表现如图3所示。水平1及以下的学生占20.43%，这部分学生已具备基本的宏观表征能力;79.57%（水平2以上）的学生已具备了基本的归纳/比较的分析能力;49.36%（水平3以上）的学生具备了基本的“宏-微-符”三重表征能力与计算能力;16.27%（水平4）的学生不仅具备良好的“宏-微-符”三重表征能力，还具备了一定的推理预测能力。

从“常见的无机物及其应用”的答题情况来看，学生对“氧化还原反应”掌握的情况要好于“金属及其化合物”。多数学生能够通过化合价的升降/电子的得失判断氧化还原反应的相关概念（氧化剂/还原剂/氧化反应/还原反应），虽然氧化还原反应是在高一阶段学习的，但“电化学基础”又是建立在“氧化还原反应”基础上的，所以学生在学习“原电池、电解池”的过程中潜移默化地将“氧化还原反应”进行了巩固，而“金属及其化合物、非金属及其化合物”主要是在高一阶段学习的，由于遗忘而对这部分试题出现错误解答的可能性较大。并且两部分内容的知识点比较零碎，这就需要学生具有较好的总结与归纳能力，形成一个系统的完整的知识体系，才能在答题时做到游刃有余。

从“物质结构基础与化学反应原理”的答题情况来看，部分学生在“电化学基础”的试题中却存在较大的问题，例如没有理解并掌握原电池与电解池的工作原理，不能将原电池与电解池区别开来，设计原电池时运用了化学2所学的“单液原电池”，只有极少数的学生设计了选修4学的“双液原电池”，这可能是受到了“前摄抑制”的影响造成对“盐桥”“双液原电池”等相关知识的遗忘。学生在“化学反应速率与化学平衡”试题的解答中也存在较多问题，例如无法根据外界条件的改变，准确预测平衡移动的方向、比较离子浓度的大小，说明学生没有真正理解化学平衡移动的实质，不能将“宏观外界条件（如压强/体积）的改变”转化为“体系内部微观粒子浓度的改变”再转化为“正/逆反应速率的改变”来进行解题，可见这类题目需要学生能从宏-微结合的视角来分析，能力水平要求较高。

从“有机化学基础”的答题情况来看，多数学生能够准确判断有机化合物的官能团、能够根据官能团推测有机物的性质以及反应的类型，很可能与学生刚学完选修5《有机化学基础》有关。但部分学生在化学符号的书写上存在问题，例如不能规范书写化学方程式、结构简式，不能准确、完整书写同分异构体，可见学生的符号表征能力还有待提升。

5  结论与启示

5.1  结论

（1） 从整体来看，学生的平均能力值为0.81，学生的平均素养水平处于水平3。可见，陕北学生可以从宏-微结合的视角来分析物质及其变化，能够运用化学符号进行计算，已经初步具备了“宏-微-符”三重表征能力。

（2） 从四个水平来看，处于水平1的学生比例为20.43%;處于水平2的学生比例为30.21%;处于水平3的学生比例为33.09%;水平4的学生比例为16.27%。可见，只有少数学生达到了水平4，具备了较好的推理预测能力。

5.2  启示

（1） 基于Rasch模型的学科核心素养测评可以初步刻画出区域、学校乃至具体学生在某一学科核心素养方面的表现水平，揭示区域、学校及具体学生相关素养发展存在的问题，为学校教师实施因材施教提供有力的数据支撑。学校的化学教学改革应关注学生素养水平由低到高的进阶发展，引导学生从宏观、微观、符号三个维度对物质及其变化进行表征，同时也要重视学生归纳能力、计算能力以及推理预测能力的培养与提升。为此，学校应加强教师的校际交流与学习，组织开展针对学科核心素养培养的“同课异构”教学研讨，为教师提供面对面交流互动的平台，促进教学方式、教学策略的多样化运用;依托学校的软硬件条件开发专门学生“宏观辨识与微观探析”核心素养提升的校本课程，不仅可以针对性地提升学生学科核心素养，还可以展示学校的办学特色;加快素养测评工具的开发与改进，实施阶段化测评，及时向教师和学生反馈结果，实现以评促教、因材施教。

（2） 在日常教学中，教师应关注知识内容与素养水平之间的关系。在进行不同模块或不同专题知识教学时，以学生核心素养不同水平的要求为依据，制定具体教学目标，实施教学。例如，选修3《物质结构与性质》模块的学习有利于提升学生对物质结构的基本认识，深入认识物质的结构与性质之间的关系;选修5《有机化学基础》模块的学习有利于引导学生建立“组成、结构决定性质”的基本观念。这两个模块内容对提升学生微观表征能力（达到水平2以上）很有帮助，因而教师可以依据“直观性教学原则”，积极创新教学方式方法，如使用“模型拼插”的教具，带领学生亲自动手拼插有机化合物的模型;或利用计算机软件Chemsketch或Chem3D模拟有机化合物立体模型，让学生对有机物的空间结构有更加直观的认知;还可以利用虚拟现实技术（VR）带领学生动手尝试堆积原子模型，帮助学生理解晶体的堆积方式等。

（3） 在“宏观辨识与微观探析”核心素养的培育中，应进一步研究影响素养形成的因素或条件，并在常态化教学中做出积极应对。例如，本次素养测评发现，学生的科学观察能力不足、科学表达水平不高可能是影响学生“宏观辨识与微观探析”素养提升的两个因素。例如，学生对实验现象的观察缺乏系统性、逻辑性、严谨性、周密性，同时无法清晰明确地描述自己头脑中宏观、微观层面的认识，科学表达中缺乏条理性，不能突出重点。对于这些影响素养形成的基础性条件，需要教师在平常的教学中加以重视并积极引导学生完善自身基础能力，提升素养水平。

参考文献：

[1]张园园. 化学学科“宏观-微观”思维方式研究[D]. 济南： 山东师范大学硕士学位论文， 2007.

[2]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 89～92.

[3]李久亮. Rasch模型在中国应用研究回顾[J]. 广东外语外贸大学学报， 2016， （02）： 73～78.

[4]Bond T G， Fox C M. Applying the Rasch Model： Fundamental Measurement in the Human science（2nd） [M]. Mahwah， New Jersey： Lawrence Erlbaum Associates， 2007： 281～283.