基于Rasch模型的“化学平衡”诊断工具的开发

周莉敏 任红艳

摘要：“化学平衡”是化学学科的核心概念，内容微观抽象，是学生学习的难点。论文以提高学生核心素养为主旨，将项目反应理论中的RasCh模型选定为测量模型，通过循环修订的方法有效地开发了“化学平衡”诊断工具。将学科核心素养转换为可观察的外显表现，从而准确评价学生的“化学平衡”认知水平，并有效推动教学实践、课程标准和教学评价的一致性。

关键词：化学平衡;核心素养;Rasch模型;诊断工具

文章编号：1008-0546（ 2019） 11-0010-04

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2019.11.003

一、問题的提出

“化学平衡”核心概念微观抽象，涉及微粒观、能量观、平衡观等多种重要化学学科观念，是促进学生“变化观念与平衡思想”等化学学科核心素养的重要教学内容。同时，该专题概念几乎被公认为是教学的难点。赫德尔（Huddle，1996）[1]认为，“化学平衡”是化学领域最难学的主题，大多数学生会产生许多偏离概念本身的相异构想。为了评价学生的认知水平，很多学者进行了相关研究。但已有的关于“化学平衡”的诊断工具多采用访谈法与纸笔测验法等。访谈法由于场地和时间的限制，无法进行大规模运用，诊断结果也不具有普遍代表性;而纸笔测验法大多沿袭了经典测量理论的弊端，即被试者的水平与题目的难度彼此干扰，测验结果无“客观等距”可言。

本研究针对经典测量理论的弊端，结合化学学科核心素养内容和项目反应理论，制定初始诊断工具。通过开发“化学平衡”诊断工具，将学科核心素养转换为可观察的外显表现，有利于教师及时掌握学生的认知水平，有针对性地采取教学策略，促进学生科学素养的发展，实现学科育人。

二、诊断工具的设计

本研究依据课程标准以及国内外学者对“化学平衡”的相关文献研究进行相关问题的设计，测试问题多由高考题和国外典型试题改编，再交由多名学科专家检验，确保问题设计的合理性，并对盐城市某重点高中不同学段的126名学生进行了第一轮的试测。然后，以Rasch模型作为诊断工具检验的依据，运用Winsteps软件从定量角度对诊断工具进行质量分析，对诊断工具中的部分项目进行修订。修订示例如下：

（修订前）向密闭容器中通入3molH2和1molN2，恒温条件下发生反应：H2+N2-NH3。请画出反应前、反应后容器内的分子种类和数目。

结合Rasch分析结果，修订前，该题的残差均方小于0.7，说明学生在作答该题时受到其它问题的启发或者干扰。通过分析学生作答情况发现，大部分学生在未看清题目要求的情况下，就开始作答该题。为了准确考查学生的核心素养水平，本研究从宏观辨识、微观探析、变化观念、平衡思想等多维度对该项目进行如下修订。

（修订后）（1）对于一定条件下发生的可逆反应N2（g）+3H2（g）=2NH3（g），白圈表示1个氢原子，黑圈表示1个氮原子。达到化学平衡后，能表示出反应物和生成物的微粒存在关系的图示是

（ ）

（2）你选择的理由是

（ ）

A.化学平衡状态时，反应物完全转变为生成物。

B.化学平衡状态时，反应物和生成物同时存在，且各物质的浓度比等于其系数比。

C.化学平衡状态时，反应物和生成物同时存在，且各成分的浓度保持不变。

D.其它

。

此外，本研究对其它难度不符合预期的项目同时进行了修订，并最终针对高中三个学段的学生设置了CE1、CE2、CE3三份不同的测量工具（见表1，表2）。

对于测量工具中的各项目，均采用等级计分的形式进行赋分，每个项目均设置0、1、2三个等级。然后运用Winsteps软件进行等级计分的统计。等级计分方式示例如下：

1-3.图2中，最能体现“化学平衡”的是（ ）

该问题主要从宏观、微观角度考查学生对“化学平衡”模型的理解。A选项显示的是生物中的食物链现象，体现了能量守恒的思想，是一种广而泛的平衡，赋分为0。B选项显示的是“摆钟”模型，体现物理学科巾的“简谐运动”原理，虽然是动态的平衡，但是这种“动态”是一种周而复始的往返运动。C选项显示的是物理学科中的平衡现象，体现了“杠杆原理”思想，是一种静止的平衡。B、C选项赋分均为1。D选项是向饱和食盐水中加入氯化钠，此时在溶液中，氯化钠的溶解速率等于析出速率，达到了一种动态的、可逆的平衡，赋分为2。

三、诊断工具的质量检测

研究选取了溧阳、连云港、南京、南通四所重点中学的学生作为样本，四所中学处于不同的地理位置，选取的样本具有广泛性和代表性，研究结果更能有效评价中学生“化学平衡”的认知水平。样本组成分布如表3所示。正式测试时间约20分钟，在收集相关数据基础上基于Rasch模型进行质量分析。

1.单维性

单维性是Rasch模型的基本假设之一，要求测验所测量的是被试者的一种心理特质[2]。单维性假设还包含着另外两个假设，一是“知道-正确假设”，即受试者如果知道某一试题的正确答案，则必然答对该题;二是“非速度测验”，即测验的实施不是在速度限制下完成的。因此，我们在进行施测时，事先都要与教师和学生进行沟通、协商，保证被试学生有足够的时间来完成测验。Winsteps软件提供了“维度诊断图”，即“D诊断图”，描述了观察值与期望值之间的差异。经测定，三份测量工具的D值均在可接受范围内，满足Rasch模型的单维性假设。

2.工具总体质量分析

研究发现，项目估计的标准误差较小，在0.09-0.11之间，被试估计的标准误差较大，但是仍在可接受范围之内。被试和项目的数据拟合指数都比较理想，残差均方都在理想值1附近，ZSTD都在理想值0附近，说明三份测量工具与Rasch模型的期望值吻合度较高，见表4。

3.项目一被试对应

项目与被试的对应程度可以通过莱特图体现，莱特图能够将学生的能力参数和试题的难度参数在一张图中显示出来。本研究中，学生能力分布呈现比较好的形状，三个测验工具的项目分布范围较广，并显示出明显的难度层次结构，两者的分布大面积重叠。因此，三份测量工具具有良好的覆盖性。（见图3）

4.项目拟合

项目拟合表征的是测试项目与Rasch模型的期望值相互匹配的程度。如表5所示，三份测量工具的项目难度范围在-1.77～1.76logit之间，难度估计标准误差较小，项目残差均方值基本都在0.7～1.3之间，项目和Rasch模型具有很好的匹配度。综合以上分析，三份测量工具都具有很好的效度和信度，测验结果可有效评价学生的“化学平衡”认知水平。

四、結论与启示

通过上述研究表明，基于Rasch模型设计的“化学平衡”诊断工具有较高信效度，同时也示范了学习评价工具的科学化设计与开发途径。研究结合Rasch模型的数据分析结果和学生访谈内容，进一步构建了可真实反映不同学段学生认知水平的学习进程（见图4）[3]。

结果表明，学生在不同学段对“化学平衡”的认知水平整体上存在着由低到高的变化：高一学生能够列举出常见的平衡现象，对“化学平衡”概念的认知达到水平1和水平2;高二学生能从化学反应实质角度理解化学平衡状态，认知层次达到水平3，接近水平4;高三学生综合分析的能力较强，能够运用化学平衡常数分析平衡移动问题，认知层次达到水平5，少数学生能达到水平6与水平7。不同学生学习进程的结果分析可用于指导教师制定出更加切合学生实际的学习目标，并且选择与实施最为适宜的教学策略[4]。学生的学习过程亦存在从认知矛盾与冲突到认知同化或顺应的“平衡”过程，通过科学的诊断工具可以帮助学生更加精准地定位其认知图式，稳步实现“化学平衡”学习进程的推进。

参考文献

[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.学生“化学平衡”学习进程的研究[D].南京：南京师范大学硕士学位论文，2016：44-45

[4]韦斯林，贾远娥.学习进程：促进课程、教学与评价的一致性[J].全球教育展望，2010（9）：24-31