基于认知诊断理论编制“减数分裂”测试卷*

陈雁庄 李娘辉 苏科庚

（1 华南师范大学生命科学学院 广东广州 510631 2 广东广雅中学 广东广州 510145）

学生学业的诊断类似于医院的医生给病人看病。当教师用诊断性测验探测学生的“病情”时，希望能准确地找到学生的“病因”。显然，以经典测量理论为指导的传统测验卷不能达到上述目的，这是因为经典测量理论仅对学生的宏观水平进行评估，不能探查学生对每一个知识点的掌握情况。为克服以上困难，认知诊断应运而生。

1 理论基础

1.1 布卢姆教育目标分类学 以布卢姆的学生安德森为首的专家小组于2001年公布的《布卢姆教育目标分类学（修订版）》将单一维度的分类系统转变为知识和认知过程2 个维度，使用一个名词和一个动词描述教学目标，名词描述要求学习者掌握的知识，动词描述认知过程（表1），弥补了原分类方法的局限性［1］。

表1 布卢姆教育目标分类法

1.2 Q 矩阵理论 Q 矩阵理论是将测验项目不可观察的认知属性转化为可观察的项目反应模式，并通过项目上可观察的作答反应推测被试的认知状态。认知诊断测验通常需要诊断多个认知属性，根据Q 矩阵理论可计算得到所有可能符合逻辑的项目考核方式，即典型考核模式［2］。

1.3 认知诊断理论 传统的测验理论关注的焦点是分数的高低，测验结果局限在对考生宏观层面的能力评价及在此基础上对考生进行筛选。认知诊断测验则能提供详细的诊断信息，报告学生的知识结构和加工技能，探查学生对每一个知识点的掌握情况，以便教师采取针对性的补救教学［2］。

1.4 Dina 模型 认知诊断充分吸收认知心理学对人类认知加工过程内在机制研究的成果，开发出具有认知诊断功能的心理计量模型，从而实现对学生内部心理加工过程的测量。Dina 模型是认知诊断模型中的一种，模型简洁，且参数稳定［2］。此外，Dina 模型中的猜测系数和失误系数可用于修正试题，从而提高试题质量。

2 研究方法

2.1 构建认知属性模型 研究表明，基于认知属性模型编制的诊断性测试卷较传统方法编制的测试卷具有结构效度上的优势［3］。本研究以“减数分裂”内容为载体，结合普通高中生物学课程标准和高考试题等材料，依据布卢姆教育目标分类学构建认知属性模型（表2），并梳理认知属性间的逻辑关系，从而构建具层级结构的认知属性模型（图1）。

图1 认知属性间的层级关系

表2 减数分裂认知属性模型

2.2 编制预测卷 为实现对每个认知属性的精确诊断，应根据Q 矩阵理论编制测验蓝图。首先，依据属性间的层级关系（图2）构建邻接矩阵，运用R 语言编写相关程式运行得到典型考核模式。一般而言，试题对每个属性的测量次数至少为3次，因此可在典型考核模式的基础上增加对个别认知属性的考查，得到最终的测验蓝图（表3），如Q1 仅考查A1认知属性，Q2 考查A1和A22 个认知属性，余类推，表3中A1～A7各认知属性对应的具体考查内容见表2。

表3 测验蓝图

相应测试题举例如下：

Q1 下列关于减数分裂的叙述，不正确的是（ ）。

A.高等动物的减数分裂发生在睾丸（精巢）或卵巢中

B.只有进行有性生殖的生物才能进行减数分裂

C.减数分裂过程中染色体复制1 次，细胞分裂2 次

D.减数分裂的结果是染色体数减半，DNA 数不变

Q2 下列关于“同源染色体”和“四分体”的叙述，正确的是（ ）。

A.同源染色体是指一条染色体复制形成的2条染色体

B.同源染色体在减数分裂过程中会两两配对

C.四分体是指4 条配对的染色体

D.只要细胞中存在同源染色体，就存在四分体

Q3 如图2是高等动物细胞分裂的模式图，下列叙述正确的是（ ）。

A.该细胞处于减数第一次分裂前期，①与②、③与④进行联会

B.该细胞在减数第一次分裂后期时，可发生①②③④的随机组合

C.该细胞在减数第一次分裂后期时，染色体着丝点分裂，姐妹染色单体分离

D.该细胞经减数第一次分裂产生的子细胞一般不含同源染色体

图2

在测验蓝图（表3）的指导下编制试题，例如Q1 考查学生是否能识记减数分裂的相关知识，考查层面为记忆；Q2 需要学生在识记的前提下，解释同源染色体和四分体的基本概念，并要求学生在试题中对概念进行辨析，考查层面为理解；Q3考查学生是否能准确地描述图示染色体的行为变化，学生需识记减数分裂相关事实性知识和解释其概念，才能实现信息的图文转化，该题的考查层面为理解，但考查的认知属性个数比Q2 多1 个，考查的属性层级也更高。余下试题同样严格依照测验蓝图（表3）进行编制，完成编制后对一线教师和大学教师进行访谈，反复修正，形成最终的“减数分裂”测验卷。测验卷遵循认知诊断理论和Q 矩阵理论的逻辑规律，能依据学生每道试题的作答结果，快速得到每位学生或某个团体（班级、学校等）对每个认知属性的掌握概率，为教师教学和学生复习提供科学有效的建议。

2.3 开展测试 本研究采用的测试工具为自行命制的“减数分裂”测验卷，测验卷严格按照由认知属性模型和Q 矩阵理论得出的测验蓝图进行命制。研究对象选取广州市某重点高中3 个班级112 名学生进行小规模测试。

2.4 统计处理 本研究运用R 语言编写程式对认知属性模型的层级关系进行鉴定，并估计项目参数和各认知属性的掌握概率。

2.5 分析数据和修正试题

2.5.1 鉴定认知属性模型的层级关系 为了确保认知属性模型中层级关系的正确性和科学性，本研究采取层级一致性指标HCIi进行验证。一般认为当HCIi值大于0.60 时，属性层级关系较好。通过R计算得到“减数分裂”认知属性模型的层级一致性指标HCIi值为0.70，表明层级结构良好。

2.5.2 估计项目参数 Dina 模型含猜测系数（guess）和失误系数（slip）2 项参数，模型要求1-g-s＞0，用于确保掌握了项目作答所需属性的学生在项目上正确作答的概率高于未掌握的学生在该项目正确作答的概率［4］，通过R 计算得到项目参数（表4）。

表4 项目参数

由表4可知，除了第4 题和第7 题，其余试题都满足1-g-s＞0，原因是这2 个题目的猜测系数（guess）过高，可通过将选择题转化为填空题等方法降低题目的猜测系数，相应测试题的修改如下：

原第4 题：动物的卵细胞与精子形成过程的不同点是（ ）。

①一个卵原细胞只能产生一个卵细胞

②一个卵原细胞经染色体复制后成为一个初级卵母细胞

③次级卵母细胞分裂时细胞质分裂不均等

④卵细胞不需要经过变形阶段

A．①②③ B．①②④ C．①③④ D．②③④

修改为填空题：动物的卵细胞与精子形成过程的不同点包括____________________________（答出2 点即可）。

原第7 题：俗话说：“一母生九子，九子各不同”，下列属于“九子不同”的原因的是（ ）。

①原始生殖细胞减数分裂过程中同源染色体的非姐妹染色单体交叉互换

②原始生殖细胞有23 对同源染色体，减数分裂有多种非同源染色体组合的方式

③减数分裂过程中染色体复制1 次，细胞分裂2 次，使DNA 数减半

④1 个卵原细胞经过减数分裂，形成1 个卵细胞和3 个极体

⑤受精过程中卵细胞和精子结合的随机性

A.①②③ B.①②④ C.①②⑤ D.②③⑤

修改为填空题：俗话说：“一母生九子，九子各不同”，请从减数分裂和受精作用的过程分析原因________________（答出3 点即可）。

2.5.3 估计认知属性掌握概率 以一位学生在12 道题目上的作答情况 （1 代表学生在该试题上正确作答，0 代表没有正确作答）为例，运用Dina模型进行分析，估计学生对各认知属性的掌握情况（表5），具有较强的针对性。

表5 个体认知属性掌握情况

运用Dina 模型估算3 个班级112 名学生在7个认知属性上的总体掌握概率（表6），具有一定普遍性。

表6 团体认知属性掌握情况

3 研究结果

3.1 以布卢姆教育目标分类学为理论基础，并参考普通高中生物学课程标准和高考试题等材料，构建了具属性层级关系的“减数分裂”认知属性模型，该模型得到了专家和一线教师的认可。

3.2 在认知属性模型的框架下，运用Q 矩阵理论运算得到“减数分裂”测验蓝图，直接指导测验项目的开发和编制，为教师编制试题提供了依据，也为提高诊断精度和丰富诊断信息奠定基础。

3.3 运用Dina 模型可估计项目的猜测系数和失误系数，为教师修正试题提供了依据，有利于提高试题的质量；且Dina 模型可估计学生对各认知属性的掌握概率，为教师采取针对性的补救教学提供了指导。