基于学习进阶的化学核心概念理解水平测评研究
2019-11-18梁弘文武衍杰黄丹青
梁弘文 武衍杰 黄丹青
[摘 要]
学习进阶理论可以架构起课程设置、教学实施以及教学评价之间相互沟通的桥梁。以化学课程为例,基于学习进阶理论对“酸碱盐”概念分学段进行了水平构建,并开发了“酸碱盐”概念的测评工具进行施测,经检验测评工具具有良好的信、效度。基于测评结果为教师改进教学,促进学生对“酸碱盐”概念的理解提供了参考和建议。
[关键词]
高中化学;学习进阶;核心概念;测评分析
美国《新一代科学教育标准》中强调科学教育要聚焦“少而精”的核心概念,以核心概念统整课程内容,并在纵向上借助“学习进阶”(Learning Progression)来连贯课程设置,帮助学生实现对科学概念的真正理解。[1]因此借助学习进阶理论,分析某核心概念在科学课程中的呈现特点和要求,并评价学生对核心概念的实际理解水平,进而基于测评结果有计划、有目的地优化后续教学,促进学生对核心概念的理解,值得教师关注。
一、学习进阶理论研究概述
在科学教育领域较早提出学习进阶理论的是史密斯(Smith)[2],认为学习进阶是学生在概念学习中,思维方式连续且逐渐复杂的发展过程。我国学者在引介学习进阶理论的过程中,结合我国课程实际,认为学习进阶是指学生学习过程中,对于核心知识、技能、能力、实践活动等进步、发展的历程。[3]直到目前关于“学习进阶”理解得也未统一,但研究者对学习进阶的构成要素的观点基本相同,认为学习进阶包括进阶终点、进阶维度、成就水平、各水平的学业表现、测评工具等要素,[4]这就为学习进阶的应用奠定了基础。学习进阶理论自传入我国,在我国科学课程(物理、化学、生物、地理等课程)中得到了广泛应用,以化学课程为例,集中在以下几个方面:基于学习进阶理论开发相关概念的进阶路径[5]、基于学习进阶理论设计教学促进概念理解[6]、基于学习进阶理论开展评价分析学生概念理解情况等,可见学习进阶理论可以架构起课程设置、教学实施以及教学评价相互沟通的桥梁。通过分析已有研究,大致可以总结学习进阶在我国的研究流程如图1所示,循环过程中特别是实证测评环节,教师借助测评结果可以确定学生对核心概念的实际理解水平,从而指导教师基于学生理解现状,在教学中有目的、有计划地优化教学,使学生跨越学习难点,最终达到预设标准。
二、基于学习进阶的“酸碱盐”概念理解水平的测评
“酸碱盐”概念的学习贯穿初高中化学学习,从初中段对“酸碱盐”性质的宏观描述,到高中段基于微粒视角认识其在溶液中的存在状态和转化规律等,都反映了“酸碱盐”内容是学生认识物质的重要载体,蕴含着培养学生“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”等最具化学学科特质的学科核心素养的价值,因此我们有必要搞清楚学生对“酸碱盐”概念的认知现状。本案例主要基于学习进阶理论,根据预期设计的“酸碱盐”概念理解水平框架,開发对应各级水平的题目,测评学生对“酸碱盐”概念的实际理解水平,从而为教师教学提供建议。
(一)中学生“酸碱盐”概念理解水平的测评框架
从化学学科的发展来看,“酸碱盐”概念的形成一直伴随着人类认识物质的进程,对“酸碱盐”概念的发展历程作粗线条梳理,可以发现人类对“酸碱盐”的认识是对“什么是酸碱盐?”这一问题的不断追问,最初从物理性质和元素组成等宏观视角描述“酸碱盐”,随着认识的加深,从微粒层面基于电离理论认识“酸碱盐”的本质及其在溶液中的行为,伴随着人类对原子认识的加深,开始从微观结构的角度研究酸和碱,可见“酸碱盐”概念的发展,大致经历了从宏观到微观、从组成到结构的认识脉络。从初高中学生对“酸碱盐”核心概念学习进阶的角度分析,依据初高中化学课程标准和教科书对“酸碱盐”概念的组织呈现可以发现,初三阶段主要是从物质类别的角度接触“酸碱盐”,并初步了解“酸碱盐”的相关化学性质,如“溶液酸碱性”“物质间的复分解反应”等;高中必修阶段引入电离理论,从初中段依赖物质认识“酸碱盐”,转向基于微粒认识“酸碱盐”在溶液中的存在形式及不同种类微粒间发生的离子反应;高中选修阶段主要是从离子平衡的角度,进一步认识“酸碱盐”在溶液中的行为,相比于高中必修段这一阶段学生的关键转变,在于能够基于微粒间各类平衡关系全面认识微粒的来源和种类,并能对微粒数量作定量表征(如pH值的计算、平衡常数、粒子间的守恒关系等),可见我国化学课程对“酸碱盐”概念的要求,是从宏观到微观、从定性到定量的进阶过程。通过课标、教科书分析和大量教学实践的经验,结合学段,笔者初步认为“酸碱盐”概念存在如下表1所示的重要进阶。三个水平,遵循从宏观到微观,从定性了解再到数学符号定量推理和计算的上升过程,对学生抽象思维水平的要求不断提升,符合化学学习的一般特点。
(二)中学生“酸碱盐”概念理解水平的测评工具开发和样本选择
1.工具开发
根据表1所示的“酸碱盐”概念的学习进阶假设,我们开发了测查学生“酸碱盐”概念实际理解水平的工具,共计14个项目。其中1-2为填空题,3-14为单项选择题,分别对应学生对“酸碱盐”概念理解的不同水平,不同水平下的项目对应情况如下表2所示,测评工具中的项目基本都改编于历年中考题或者高考题,在一定程度上保证了测试的效度。
下面以项目8为例来对测评意义和对应水平作简要说明,项目8∶0.1mol/L的盐酸中存在哪些粒子( )
A.H2O、HCl、OH- B.H2O、HCl、H+、Cl-、OH-
C.H2O、H+、Cl-、OH- D.H+、Cl-、OH-
说明:该题属于水平2微粒和微粒间作用水平,以“酸碱盐”在溶液中发生电离为测试载体。主要测查学生能否基于电离认识“酸碱盐”溶液中微粒的来源和种类。该题若学生选择A说明学生还是依赖物质认识溶液,没有形成“微粒”这一认识视角;若学生选择B,说明学生对电离概念的理解还存在偏差;选择D选项则属于把H2O从体系中孤立开来,不具备系统思维。
2.项目修正
利用所开发的测验工具,首先进行了小范围施测,根据测试结果对相关项目进行了修改和删/增。例如,项目9,盐酸和氢氧化钠溶液充分混合反应后,混合体系中微粒的数目与原溶液相比叙述正确的是( )
A.Na+和OH-数目都减少 B.H+和Cl-数目都减少
C.Na+和Cl-数目都减少 D.H+和OH-数目都减少
本题测查水平预期为水平2微粒和微粒间作用水平,但在测查中发现许多学生在作答时仍然基于物质书写氢氧化钠和氯化氢的化学反应方程式,依据化学方程式判断溶液粒子数目的变化,这说明处于水平1的学生从宏观角度也能答对此题,故需对此题进行修正。修正后项目为9,将NaHSO4和NaHCO3的溶液充分混合待反应完全,那么该过程实际参加反应的粒子是( )
A.H+和CO32-B.HCO3-和HSO4- C.Na+、HCO3-和H+ D.H+和HCO3-
修改后,测试题目直接指向反应过程而非结果,作答时学生要先考虑溶液中微粒的来源,再基于微粒间的作用分析反应实质,符合测试目的。
3.样本选择
将修改后的测试工具进行正式测试,测评工具中的项目与水平的对应情况不变。选择本省某重点中学高二和高三年级的学生进行测试,样本情况见下表3所示。测试时间是在高二学生完成选修4“物质在水溶液中的行为”的学习后进行的,保证测试学生学完全部“酸碱盐”课程内容。测试时间30分钟。实发问卷306份,回收问卷306份。有效问卷298份,有效率为97.4%。
(三)中学生“酸碱盐”概念理解水平测评工具的信、效度分析
本研究的数据处理采用项目反应理论中的单参数Rasch模型对所得数据进行分析,采用的分析软件为Winsteps3.72.0,采取0,1计分法,学生答对计为1,答错计为0,并辅以spss22.0对所得数据进一步作差异分析。
1.测评的总体质量分析
通过对测试所得数据进行统计分析,根据分析结果获得信度、分离度、误差、单维性、数据模型拟合、点—测量相关、项目被试对应等指标,用来检验研究工具的信度和效度。
表4是本次测评的总体统计结果。从表4可以获得学生和项目信度、分离度等信息,学生信度(PERSON RELIABILITY=0.66)、项目信度(ITEM RELIABILITY=0.99),基本符合诊断性测试的要求,但学生信度相对项目信度较低,可能与测试学生样本的数量少有关,后续应继续扩大样本测试数量。项目拟合指数Infit和Outfit的数值均在可接受范围内(即MNSQ越接近1越好,ZSTD越接近0越好),说明测试结果与模型拟合情况良好。Separation代表被試和项目的分离度,本次测试中项目分离度为8.25,说明工具中的项目较好地锚定了不同水平,而学生分离度相对较小为1.50,说明被试群体的潜质差别不够大,分析原因在于本次测试中选择的样本较为单一。
2.单维性
进行单维性检验的目的是为了检验测试中学生在作答各个项目时除了要测量的潜质外,是否还有其他成分影响学生的作答。在Rasch分析中,这种单维性或局部独立性是通过标准残差图反映出来的。本次测试的残差分析结果如下图3所示,横坐标代表本次测试中各项目的难度值,纵坐标代表了各项目与除测量特质以外的其他成分的相关系数。当项目落在阴影区域时是合理的,图3中除A(代表项目10)、a(代表项目12)、B(代表项目3)外,大部分项目处于阴影区域中,这样的结果是可以接受的。即该测试主要测量了一种结构——“酸碱盐”概念的理解。
3.项目拟合情况
项目拟合度主要用来判断具体每个项目的质量如何。包括标准误差、数据模型拟合(包括Infit和outfit两种)、点—测量相关等。本次测试的结果显示整套测试题目难度范围在[-3.21,1.73]之间,各项目与Rasch模型估计误差在[0.13,0.22]之间;各项目的拟合度结果表明,除了项目4,6,9与模型的拟合度稍超出了可接受范围,大多数项目拟合指数符号Rasch模型的处理要求;PT—MEASURE-CORR(点—测量相关)代表的是项目与测验总分的相关性,反映各项目的区分效果,各项目得分与总得分的相关系数在[0.1,0.55]之间,说明各项目的区分度较好。
4.项目—被试对应情况
Rasch模型通过将学生在测试中获得的原始分转换为logit分,使得被试能力估计值和项目难度估计值可直接进行比较。通过获得项目—被试对应情况,可以帮助研究者直观了解学生的理解水平。本次测试中获得的项目—被试对应情况如下图4所示,左侧代表学生样本,共计298人,右侧代表测试项目,共计14个项目,中间为logit量尺,从下至上代表学生能力水平越来越高,项目难度越来越大。图4中学生的整体分布呈现两头少,中间多的形式,14个项目基本分散开来的,没有重叠现象,基本可以对应大部分被试的能力,各项目所处的位置基本符合预期的水平划分,说明测试项目和学生能力整体匹配较好。
综上所述,通过对测验工具的检验,可以发现项目和被试信度、分离度等信度指标和单维性、项目拟合、项目—被试对应情况、点—测量相关等效度指标基本符合Rasch模型的测量要求,说明本工具后续分析的结果是有效可信的。
(四)中学生“酸碱盐”概念理解水平的测评结果分析
1.中学生“酸碱盐”概念理解水平的整体分析
下表5是高二和高三年级学生“酸碱盐”概念理解水平测验的描述性统计,将学生原始分转换成logit分,其中极大值出现在高三年级,极小值出现在高二年级,符合预期假设,全距的最大值出现在高三年级,初步说明了高三年级学生对“酸碱盐”概念的理解水平存在两极分化现象,两个年级的均值分别为-0.9558logit分、0.6138logit分,其中高三年级学生的能力平均值比高二年级学生高出1.5696logit分。
为便于比较,我们将测试中各个水平上不同项目的难度估计值进行平均,可得到每个水平的难度平均值,如下表6所示,以此平均值作为与各年级学生能力的估计值进行匹配来判断学生“酸碱盐”概念的理解现状。当学生的能力值低于-1.69时,则认为学生对“酸碱盐”的理解水平低于水平1;当学生能力值为[-1.69,-0.1]时,处于水平1,当学生能力值处于[-0.1,1.15]时,处于水平2,当学生能力值高于1.15时处于水平3。与表5所得的数据进行比较,两个年级学生的理解水平都能达到水平1,但略低于水平2;说明现阶段两个年级的学生“酸碱盐”概念的认识水平都较低,说明学生即使学完全部“酸碱盐”课程内容,也很难在微观、定量、动态系统水平上理解“酸碱盐”概念。
2.不同年级中学生“酸碱盐”概念理解水平的比较分析
表7是對两个年级“酸碱盐”概念理解水平的T检验结果,双测检验Sig<0.001,说明两个年级的学生对“酸碱盐”概念的理解水平存在显著差异,这与我们的预想是一致的,由于在测试时,高二年级的学生刚刚学习了有关“物质在水溶液中行为”的知识,加上这部分内容难度较大,学生来不及消化,而高三年级的学生已经开始复习,经过了大量训练,故理解水平自然较高,即中学生对“酸碱盐”概念的理解水平随着年级的升高而提升。
3.不同年级中学生在各项目上的得分比较分析
表8是两个年级学生在不同项目上得分的T检验结果,项目1、3、4、6、10的得分不存在显著差异外,其余9个项目在平均得分上高三学生均高于高二学生。这是因为项目1、3、4、6、10难度均处于水平1在物质层面理解“酸碱盐”,学生在初中就已学过,经过高中段的学习,理解水平都得到显著提高;而其余几个项目,都是在微观或定量水平上认识“酸碱盐”,对学生的抽象思维提出了较高要求,而高三年级学生已经练习了很多这方面的问题,理解水平要高于高二学生,可以推测,随着高二学生对概念理解的不断深化,其对“酸碱盐”的理解水平也会逐步提升。另外结合图4还可以发现在相关项目上的作答特点,例如学生对“电离”概念中离子产生的两种条件的理解存在差异,项目7和8分别测查在“酸碱盐”等物质熔融态或水溶液条件下离子的生成,但在图4中显示学生对项目8水溶液这一条件的理解要优于项目7熔融状态条件的理解,这与教师在教学中常以水溶液中的电离作为讲解重点,而忽视熔融状态这一条件是有关的,造成了学生理解上的偏差。作为产生离子的两种条件,其地位应是相同的,建议教师重视学生对电解质在熔融状态下产生离子这一条件的理解。
4.不同理解水平中学生在不同年级的样本数量比较分析
通过前文(2.4.1)对学生“酸碱盐”概念实际理解水平的划分,我们将各个水平上的学生人数比例按照年级进行统计,如下图5所示,可以帮助我们进一步了解不同年级学生对“酸碱盐”概念的理解现状。从图中可以看出,目前高中生对“酸碱盐”概念的理解水平停留在水平1和2,即使是高三年级,也只有少数学生能达到水平3,即从微观、定量角度和各类平衡关系角度,理解“酸碱盐”概念属于学生的认知难点,需要教师采取适当教学策略,提升学生理解水平。
三、结论与启示
通过对学生“酸碱盐”概念理解水平构建并设计测查工具,经检验,测评工具具有良好的信、效度,可以用来测查学生对“酸碱盐”概念的实际理解水平。
根据测查结果,可以得出以下结论和启示:
(1)中学生对“酸碱盐”概念的理解存在不同水平。从测试结果来看,中学生在理解“酸碱盐”概念时,有的学生只关注物质,有的学生还能关注微粒和微粒间作用,还有的学生可以关注到微粒间各类平衡关系和微粒数量。为促进学生理解水平的提升,教师在教学中应把握“酸碱盐”概念教学的深广度,例如以“酸碱盐”间的化学反应来说,初中段主要从物质层面认识“酸碱盐”间的复分解反应;高中必修段则是基于电离理论从微粒的视角认识“酸碱盐”溶液中微粒间相互作用;相比于初中段,此阶段学生的关键转变是从依赖宏观物质认识化学反应,到基于微粒形成离子间相互作用模型;高中选修段主要是基于各类平衡关系进一步认识“酸碱盐”溶液中微粒的行为,相比于高中必修段,此阶段学生的关键转变在于全面系统分析溶液中微粒种类,能够从电离(包括电离平衡)、水解等多个角度分析微粒来源及多类相互作用。
(2)中学生对“酸碱盐”概念的理解水平较低。通过项目难度值和学生能力值的比较,两个年级学生对“酸碱盐”概念的理解水平基本都能达成水平1宏观物质水平,但略低于水平2微粒和微粒间作用水平,即使是高三年级的学生,也仅有少数学生能达到水平3微粒间各类平衡关系和微粒数量水平。这说明不同阶段的学生都倾向于在宏观、定性水平上理解“酸碱盐”概念。因此考虑到“酸碱盐”概念发展的阶段性和整体性,建议教师在高三复习中采取主题式复习形式,在复习中选择不同复杂和陌生程度的典型“酸碱盐”溶液体系,引导学生系统分析溶液中微粒的来源、相互作用及作用后微粒种类和数量的变化,促进学生在微观、定量水平上对“酸碱盐”概念的理解能力。
(3)不同年级中学生对“酸碱盐”概念的理解水平存在差异。通过对高二和高三年级学生理解水平的T检验,显示高三年级学生对“酸碱盐”概念的理解水平显著高于高二年级学生,通过不同理解水平学生在相应年级的样本数量分析也可以发现,低于水平1和处于水平1的学生人数占比,高二年级学生多于高三年级学生,而在水平2和水平3上,高三年级人数占比多于高二年级,特别是在水平3上,高三年级人数比例远高于高二年级,说明学生对“酸碱盐”概念的理解具有进阶性。但即使是高三学生对“酸碱盐”概念的理解水平也远低于预期水平,这提示我们应该重新审视“酸碱盐”概念的相关教学,特别是高一“电解质”概念的学习中,要求学生对物质的认识要从宏观物质水平转向微观粒子水平,对学生提出了较高的抽象思维要求,建议教师在教学中以“酸碱盐”为物质载体,聚焦于引导学生分析溶液中微粒的形成过程及变化,建立起物质与离子的联系,从而促进学生微粒视角的建立和形成,而不是聚焦于电解质概念的辨析和离子方程式书写的技巧训练。
值得指出的是本研究只选择了一所学校的学生进行调查,样本较为单一,故学生分离度较小,因此结论并不能代表高中生的整体水平,后续研究应扩大研究样本,对不同层次学校、不同地区的学生进行测试。
[参 考 文 献]
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(责任编辑:张华伟)