高中化学“证据推理”素养水平测评研究

孙妍 王后雄

关键词：学科核心素养;证据推理;素养水平;Rasch模型;素养测评

1研究背景

“证据推理”素养作为化学学科核心素养的重要组成部分之一，是化学学科思维方式的外在体现，是化学科高考评价体系中的重要考察内容。

随着“证据推理”在科学教育中地位的提高，其质量评价也得到众多研究者的青睐。现有的评价工具中最典型的便是基于图尔敏（Toulmin）论证模式所构建的评价标准，通常从单角度或多个角度对“证据推理”进行水平划分，反映出图尔敏论证模式六要素（资料、主张、根据、限定、支持、反驳）之间的关系。如Erduran认为，不同论证能力水平的差异性主要依据要素的组成方式，并建构包含五个水平的评价标准;Sandoval在建构评价标准时将维度增加为四个（因果结构、因果一致性、引用证据、明确辩护），并设计四个水平的评价量表进行测评。多维度评价标准虽较为全面，使得原先标准中一些含糊的、有歧义的概念得到解释，但大大增加了研究者评价的难度，致使评价量表的效度下降。

国内有关“证据推理”的研究通常是结合我国教育背景和课程发展现状对现有框架经过本土化改造后探查学生能力发展的现状、影响因素等。本研究以2017年版课标为依托，试图通过测评研究揭示当前高中生“证据推理”素养的发展现状，为化学教育研究者和一线教师提供数据支撑。

2研究基础

2.1“证据推理”素养水平构建

2017年版课标中指出“证据推理”素养有4级水平，如表1所示。

从4个素养水平的内涵界定可以发现：水平1突出对学生宏观证据提取与推理能力的要求;水平2不仅重视微观证据，还重视推理视角的多样化;水平3则进一步要求发展学生的定性分析与定量计算能力;水平4不仅关注证据的充分性，更重视学生对证据与结论之间关系的解释。四个素养水平层层递进，均是在前一个水平基础上发展而来。

2.2“证据推理”素养测评的原理

“证据推理”素养作为一种个性心理特征无法直接考察，需要通过学生一定的外显行为表现进行间接测量。项目反应理论通过数学建模解释被试（对象）对项目的反应和其潜在特质之间的关系，其中最常用的函数形式是累计正态分布函数和累计逻辑斯蒂（Logistic）分布函数。Rasch模型是仅有一个参数的逻辑斯蒂（Logistic）分布函数，其将原始分采用自然对数的方式转化成logit分，具有客观等距的特性。以Rasch模型为基础衍生出众多测量模型，Wilson的“四基石”模型（见图1）便是其中一种，主要包括结构图、项目设计、结果空间、测量模型四个维度，四者共同作用揭示个

3研究方法

研究选定“常见的无机物及其应用”为主题，依据“证据推理”素养4个水平划分开发测评工具，基于Winsteps3. 73.3软件对工具的信度、效度的分析对测评工具进行修改和优化，直至工具符合Rasch模型要求，再进行大样本测试。其具体流程如图2所示。

3.1命題框架的制定

研究选择主题“常见的无机物及其应用”为测评工具的主要内容，各项目包括该主题下“元素与物质”、“氧化还原反应”等五个核心概念。将“证据推理”素养四个水平与五个核心概念相结合，建构出素养测评的二维命题框架（如表2所示）。对近5年高考化学真题进行筛选及整理，一方面保证考点的全面性，更重要的是保证试题能够均匀分散在各个水平上。

该题考查“水平2”，学生需要在宏观与微观结合的基础上多角度分析问题。A、B、D的选项中，除所给条件外，仍有其他情况符合描述，如“COi同样与Ba2+生成白色沉淀”“FeCI，和Fe的混合物滴加KSCN溶液不出现血红色”“固体中有AlO：滴加盐酸生成白色沉淀，再加NaOH溶液沉淀溶解”。C选项的证据为NH4的检验方式“滴加NaOH溶液，加热，判断是否有使湿润红色石蕊试纸变蓝的气体”生成进行推理，由于选项中没有“加热”一词，故C正确。

oio将晶体X加热分解，可得六种产物，由各分解产物的物质的量之比推测X的组成类似于明矾，若向一定量的X的浓溶液中逐滴加入浓NaOH溶液至过量，则产生沉淀的质量随加入NaOH溶液体积的变化的正确图像是（填字母）。

该题考查“水平3”，学生需要定性分析题干中所给信息（即X的组成），推理出何种成分（ Al、NH4）与NaOH溶液反应，再进一步从三者反应的定量关系[ NaOH先与Al3+反应后与NH4反应，最后与生成的Al（ OH），作用生成A102]推出结论。

Q19化学小组进行实验后得到沉淀，对物质性质分析得出：沉淀B可能为Ag2SO，.Ag2S04或二者混合物。（资料：Ag2S04微溶于水;Ag2S03难溶于水）

实验二：验证B的成分

取上层清液继续滴加BaCl，溶液，未出现白色沉淀，根据此现象判断B不合哪种物质，并说出理由

该题考察“水平2”和“水平4”，要求学生从微观角度根据物质性质（Ba2+遇S04生成白色沉淀）提取证据，以此推理出B中不含Ag2S04，并要说明该结论与证据之间的关系。

3.3研究样本

本研究共进行了三轮测试（被试组成如表3所示），前两轮测试的样本来源于武汉市某重点高中高二某班，目的在于检验测评工具的质量。大样本测试采取分层抽样的形式，在同一所高中的高二、高三年级随机抽取被试。

3.4数据分析

将所有被试数据录入Excel 2019，进一步将数据导入Winsteps3. 72.3进行工具质量检验，随后从Winsteps3. 72.3导出数据，此时项目难度与被试能力水平已被转化成具有等距意义的logits值，将转化后的数据导人SPSS 25.0作进一步分析。

4结果分析

4.1测评工具的质量检验

将整理后的数据导人Winsteps3. 72.3进行总体质量分析，结果如表4所示。

数据显示，被试的平均能力水平（0.05）略高于项目平均难度值（0.00）;测评工具的误差为0. 07，说明本次测试的精确度较高;项目与被试的区分度与信度均高出要求值（一般要求区分度≥2，信度≥0.8）;項目拟合指数（ MNSQ、ZSTD）均在理想值左右（MNSQ理想值为1，ZSTD理想值为0）。

绘制标准残差对比图（略），大部分的项目处于[-0.4，0.4]的区间范围之内，基本满足单维性检验要求。绘制怀特图（略）将被试的能力水平与项目难度放置于同一量尺中进行比较，各个项目难度水平基本与预设水平一致，符合Rasch模型的基本要求。

综上可知，测评工具的总体质量良好，具有良好的信度和效度。

4.2学生的高中化学“证据推理”素养分析

4.2.1“证据推理”素养水平划分

将试卷中各个项目的难度估计进行平均可得到每个水平的难度平均值。当学生能力水平低于-1. 24时，则认为学生尚未达到水平1;当学生的能力水平处于-1. 24- -0. 24时，则认为处于水平1;当学生的能力水平处于-0. 24 -0. 24时，则认为其处于水平2;当学生的能力水平处于0. 24 -0.90时，则认为其处于水平3;当学生的能力水平高于0. 90时，则可视为已达到水平4的基本要求。

4.2.2“证据推理”素养水平整体发展情况

为探知被试在各个素养水平上的分布情况，绘制被试“证据推理”素养各水平人数百分比分布表。由表5可知，处于水平2的学生人数最多;仅有5%的学生达到水平4。

4.2.3“证据推理”素养水平的年级差异性分析

表6显示了两个年级高中化学“证据推理”素养水平的描述性统计结果。由表可知，极大值出现在高三年级，为2. 07;极小值为高二年级某被试，为-1. 99。高二、高三年级被试的均分分别为-0. 2058、0.0768，高三年级的均分显著高于高二年级。

对两个年级“证据推理”素养均分进行独立样本T检验（见表7）。数据显示莱文统计中显著性值为0. 085>0.05，因此认为方差具有齐性，T检验的结果具有参考价值。在独立样本T检验中，显著性为0. 000，说明高二、高三年级在“证据推理”素养得分上存在显著的差异。

绘制不同年级被试“证据推理”素养水平百分比分布表（如表8所示），高三年级与高二年级相比，处于水平1的被试占比明显减少，处于水平3及水平4的被试人数占比略有上升，高三年级的“证据推理”素养水平高于高二年级。

从具体核心概念分析（如图3所示），两个年级的素养水平表现差距主要来源于“氧化还原反应…‘电离与离子反应”这两大核心概念，相较于其他核心概念，这两类知识抽象性、逻辑性更强，对学生的抽象思维能力要求更高，差距可能源自高三年级总体平均抽象思维能力高于高二年级。除此之外，选修课程的学习和已经开始的一轮复习发展了高三年级学生的思维方式，加深了其对相关知识的记忆，这也是使得高三年级各主题“证据推理”素养水平均高于高二年级的原因。

4.2.4“证据推理”素养水平的学业表现差异性分析

以该区11月的期中统考的学科总成绩为依据，按照总成绩得分排名将被试进行学业表现分类，将年级总分排名前27%的被试划为学优生;总分排名后27%的被试划分为学困生;剩余的中间排名的被试则为学中生（如表9所示）。

对三类被试的结果进行描述性统计，如表10所示，极大值出现在学优生被试当中，为2. 07;极小值出现在学困生当中，为-1. 99，从Rasch得分均值来看，被试均值得分：学优生>学中生>学困生。

通过方差分析（如表11所示）对比三组平均数差异的显著性，显著性为0. 000，说明学优生、学中生、学困生三个类别之间存在显著性差异。

采用LSD法对样本进行事后多重比较。由表12可知，学优生、学中生与学困生三组两两之间均存在着显著差异。

由表13可知，學优生中处于高水平（水平3、水平4）的被试占比为三类被试中最多;学中生中水平1、2、3人数分布平均;学困生中90%的被试处于低水平。总体上说，学业表现水平与“证据推理”素养水平基本呈正相关关系。

从具体核心概念分析，三类被试的水平差异再次反映出抽象思维方式对学生“证据推理”素养水平的影响。值得一提的是，学优生与学中生之间的差距显著大于学中生与学困生之间的差距，这一现象在“氧化还原反应”与“电离与离子反应”核心概念上尤为明显，表明“证据推理”素养水平的发展在学中生到学优生有一个跨越，说明“证据推理”素养水平与学业表现并不是简单呈正比例相关，而是随着成绩上升其上升幅度越大（见图4）。

5研究结论与启示

5.1研究结论

（1）从整体上看，在“常见的无机物及其应用”模块，学生“证据推理”素养水平主要处于水平2。其中，学生在“元素与物质”“金属及其化合物”“非金属及其化合物”等核心概念的素养水平较高，在“氧化还原反应”“电离与离子反应”等核心概念的表现不佳。

（2）从年级差异上看，学生化学“证据推理”素养水平随年级升高而呈上升趋势。高三年级在“氧化还原反应”“非金属及其化合物”等核心概念的素养水平显著高于高二年级。

（3）从学业表现上看，学生化学“证据推理”素养水平随学业成绩而呈上升趋势，其中学优生与学中生之间差距大于学中生与学困生之间的差距。

5.2研究启示

5.2.1关注知识内容与素养水平之间的关系

研究发现，学生在不同核心概念下所表现出的“证据推理”素养水平不同，因此在日常教学中，教师应依据模块特征，以学生素养水平发展要求为依据，制定具体的教学目标实施教学。如对于“元素化合物及性质”，学生已经能从宏微结合的角度提取证据，进行推理，教师在教学时可加大证据的复杂程度，要求学生从多个现象中推理出多个结论。而对于“氧化还原反应”，学生素养水平较低，教师不宜设置过于复杂的推此知识点的教学深入探究如何适度处理是非常重要的。