高中化学模型认知素养测评的实践研究

2023-06-04李宇风余方喜

化学教学 2023年5期

李宇风余方喜

摘要：根据课程标准将模型认知素养划分为理解模型、应用模型、建构模型三个维度，并结合学生的学习和教学的实际，构建模型认知素养维度水平表。结合具体教学内容，编制模型认知素养测评框架，开发测试项目对学生模型认知素养进行测评与分析，探索日常学习中学生模型认知素养发展水平的评价方法。

关键词：高中化学；模型认知；测评研究

文章编号： 10056629（2023）05000906

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》对核心素养的水平描述是终结性评价，是对学生学习完必修课程或选择性必修课程后的总体性要求。但是基于学科核心素养的教学，必须要检测学生学习过程中学科素养的阶段性达成水平，那么如何细化课程标准中核心素养的四水平及具体要求就很关键。另外，素养可以通过观察学生在完成活动和解决问题的行为表现做出判断评价，可以通过纸笔测验的方式达成［1］。那么如何编制具体的化学活动或任务衡量学生的表现，如何评价学生模型认知素养的水平，这样的评价是否有效等也是必须解决的问题。

1 模型认知素养水平体系构建

1.1 对课标中模型及主要分类的认识

化学是在原子、分子水平上研究物质性质及其变化的自然科学，化学客观规律、物质性质及其变化的解释亦十分抽象。通过模型，化学家可以“看到”他们所试图研究的实体或过程，据此进行实验设计和探索活动，有力支持他们的思维推理和知识建构。化学中的模型是人们认识物质、改造物质和应用物质过程中所体现出的具有化学学科特征的具体或抽象的表征。

近年来，研究者对于模型分类的方法各有倾向。目前较为主流的观点是按照代表和反映原型的方式作为模型的分类依据，将模型分为两大类，一类被称为物质模型。另一类没有实物的模型被不同学者命名为“形式模型”［2～3］“思想模型”［4］“反应原理模型”［5］等。还有学者按照模型与原型的相似程度和直观性，将教科书中出现的模型分为三类。其中，数学模型、符号模型、思维模型、物理模型出现次数较多［6～10］。此外，也有学者根据模型的定义、核心要素及化学学科的研究特点［11］，或是以研究对象作为分类依据［12］，对模型做出分类。可见，虽然研究者对于模型分类的观点尚未统一，但都较为认同从模型原型的角度对模型做出的命名。

本文首先依据课程标准［13］中出现的三类模型分类——物质模型、理论模型和认知模型，以此作为模型的一级分类。再结合上述文献提出的各类具体模型概念，进行界定和细化，根据其共有特点作二级分类。如缩尺模型、结构模型在一定程度上是根据原型特征制成的、能体现出要素間相互位置、大小等比例关系的，看得见、摸得着的模型；表征模型、符号模型、数学模型，都具有抽象性，或以数字、符号、字母等抽象的标志、标记来描述、呈现原型的特征以及要素间的定量关系；方法模型、思维模型则是对一定要素间关系联结形式的呈现，具有一定的逻辑性、抽象性、程序性。具体分类见表1。

1.2 模型认知素养的概念与维度

研究者对“模型认知”内涵的理解各有侧重。如冯

品钰、何彩霞［14］认为其包含两个基本层次：先对科学模型进行认知，再建构认知模型，为解决复杂问题提供思考框架，形成解决问题的思路与方法。王兆允［15］认为模型认知能力主要包括“建模”和“用模”两个方面，建模是用模的前提，用模是建模的目标和归宿。李鹏鸽［16］将模型认知素养落实分为三个层次：依次是初步理解模型、模型应用、模型建构。杨玉琴［17］认为化学的“模型认知”可理解为“利用模型进行思维的一种方法”，学生能够运用模型描述化学研究对象、解释化学现象和规律、预测可能的结果，并能够建构模型展示自己对化学事实的理解和解释的能力。易蕊［18］认为模型认知是人们对于物质及其变化的思维方式，在于对化学事实模型化，揭示其本质和规律。

课程标准［19］在学科核心素养以及课程目标中这样描述模型认知：“知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律”“能认识化学现象与模型之间的联系；能运用认知模型描述和解释物质的结构、性质和变化，预测物质及其变化的结果；能依据物质及其变化的信息建构模型，建立解决复杂化学问题的思维框架”。

通过综合归纳，不难发现模型认知是“基于化学模型的认知”，应包含理解模型、应用模型、建构模型等要素。

1.3 模型认知素养的水平

为实现对核心素养的科学评价，课程标准提出了以素养、情境、问题、知识为构成要素的四要素命题框架，并指出素养导向的测评应以情境为载体、问题为任务、知识为工具［20］。高考评价体系下的命题研究与内容改革，也同样坚持以核心素养为导向［21，22］。

不少研究者随之开展了相应研究。易蕊［23］制定了模型认知能力的评价指标，分为认识、运用、分析、建构四个一级指标，以此为评价标准的四水平并编制调查及访谈问卷。杨玉琴［24］将“模型认知”能力水平由低到高划分为认识模型、理解模型、运用模型、建构模型的4个水平，对中学生能力现状进行了测评，并从不同角度进行分析。李艳灵［25］在高中生原电池模型认知能力测评中，将模型认知划分为认识模型、理解模型、运用模型、迁移模型四个逐层进阶的水平。娄珀瑜［26］同样将模型认知划分为模型形成、模型发展、模型迁移、模型重构四个进阶的水平。从当前研究看，多数研究者对模型认知视为单一维度，对其水平划分的结果，更接近于学生对认知方式的反映类型，不宜直接作为水平。因此需要对模型认知进行维度划分，进而建构水平体系。

上述研究主要依靠问卷调查和比较研究，其结果也反映模型认知素养水平是可以通过建构合适的测评模式进行测评的。参考课程标准对于化学学科核心素养的水平划分，围绕理解模型、应用模型与建构模型三维度，将课程标准中模型认知素养水平描述内容进行了解构。教学实践中，我们发现课程标准描述模型认知素养水平时，水平一未提及建构模型。像电子式、原子结构示意图等作为符号模型的一种表示形式，仅是学业水平合格考要求。学生通过课堂学习以及作业，能表示不同原子或离子的电子式与结构示意图，这也是建构模型。因此，在实际评价学生在模型构建维度中的低层级水平表现时，增加描述用语“能够根据有关模型的描述，将其通过适切的方式展示出来”。据此构建的模型认知素养测评的维度水平表见表2。

2 模型认知素养的测评工具开发

2.1 工具的开发路径

本研究构建的素养测评开发路径时，测评内容经过中学正高级教师、特级教师等专家的反复审阅和评议，根据数位专家意见进行修改，确保测评工具的科学性。在上述模型认知素养维度—水平表的基础上，确立如下测评路径（见图1）。

2.2 工具内容的确定

以模型分类（见表1）为基础，通过对上海科技出版社出版的高一化学教材第一学期内容的梳理，整理出该教材中与模型认知相关的内容，明确每类模型的内容及测评中涉及的维度，并按类别进行归类。以考察“原电池模型”为例，确定三个维度及相应水平，具体见表3。

2.3 评价任务的开发

将具体模型与模型认知素养测评水平表现相结合后，确立该模型的各维度及各水平表现的描述，形成细化的条目，编制试题，确定评价指标。下面是以原电池模型为例，通过对应维度水平表编制试题的设计方法。

首先，关注模型认知素养维度水平表的三维度（见表2），根据原电池模型的教学要求，确定考察学生在理解模型与应用模型维度上的表现（见表4）。

随后，通过专家咨询，选择贴近生活的水果电池情境，通过辨装置、画模型、讲原理等问题形式，绘图、论述的回答方式考察学生理解模型、应用模型和建构模型的水平，进而设计了试题（见图2）。

表5建构了对学生评价的标准，说明考察内容所对应的维度，以及根据学生的实际作答结果进行的修正，对每个水平给出作答描述示例，并提供学生作答样例。最后根据评价标准，对学生的回答表现进行分类评价，例如学生能在分析水果电池的工作原理中，初步判断出这是原电池装置，即能按照原电池的模型初步描述部分内容，可视为达到理解模型的水平1。

3. 模型认知素养测评

3.1 施测及分析

按照该测评工具开发模式编制试题，在上海市某重点高中高一年级9个平行班内开展测试，共收到265份有效答卷。使用SPSS 23对后测的数据进行可靠性分析后，统计数据表明：由16道题组成的问卷，其Cronbachs Alpha值为0.753，介于0.60～0.80之间，信度系数较好，说明统计结果具有较好的可信度，统计结果可用。

3.2 结果分析

以被试群体的期末考试分数为准进行降序排名，前27%的学生记为高分段；后27%学生记为低分段。通过单因素方差分析，比较各群组在素养及维度测评的得分率，发现具有学业水平差异的学生在模型认知素养及不同维度得分上，具有显著性差异（见表6、表7）。

进一步分析三维度上组与组之间是否有显著性差异，发现在理解模型与应用模型上，中分段的得分率分别与高分段、低分段之间无显著性差异，只有高分段与低分段之间有显著性差异。但是在建构模型维度上，三组之间均有显著性差异。此处根据各维度内部差异并结合得分率，对学生群体水平作划分。得分率＞75%视为该群体中多数学生达到水平2，50%～70%为多数学生达到水平1，小于50%为未到水平1（见表7）。

该数据结果说明不同水平段的学生在模型认知的发展上并不均衡。首先从维度上看，学生普遍的表现是理解模型优于应用模型，也优于建构模型。结合上述对三类学生群体在各维度水平的判断，高分段群体中的多数学生在理解模型维度上达到水平2，在应用模型维度上也较为接近水平2；中分段群体在理解模型与建构模型两个维度上，均有较高水平，多数学生向水平2接近，但还有一段距离，依旧有待提升。高分段学生在三个维度上处于领先；中分段的学生整体水平处于前后两段学生的中间；低分段在三个维度的发展上均落后，尤其是建构模型上更处在一个较低的位置。特别值得关注的是，在建构模型上，则出现了“断层”现象，学生群体所处水平普遍偏低，就群体间而言，发展水平也存在显著差距。

以上述测评工具中的试题为例，学生能较好地解释原电池的工作原理，但是对串联电路模型的建构出现问题。普遍存在的情况是：能将单液铜锌原电池的结构模型与水果电池做匹配，能够详细分析水果电池的工作原理，仅从（1）小问来看，学生理解原电池结构中各要素间的关联，在理解模型维度上达到了水平2。但是在画出串联水果电池的模型时，则普遍发生类似的错误（见图3）。这说明学生对原电池结构的理解都是建立在铜锌原电池这一固定模型，通过课堂学习和作业练习记住其工作原理，作出回答。第（3）小问作图回答的方式，暴露出学生对于原电池的建构还是存在问题，对于原电池模型的理解还是较为刻板。深层原因是目前习题大都以考察理解模型为主，学生仅需简单理解课堂知识后再照搬应用，而面对需要应用模型或者建构模型来解决问题时，会由于情境陌生、不熟练而生搬硬套。

与任课教师交流学生作答情况，测评结果后，教师认同该测评表现是有一定代表性，反映学生模型建构普遍水平较低。有教师认为这是由于学生没有理解模型各要素间的联系所导致，因此在面对变化时对如何修改模型产生困难。此外，也有教师认为学生是在这方面的训练太少才会表现不佳。这也折射出当前试题侧重方向的问题，即注重学生理解模型与应用模型，对学生在建构模型的训练较为少见。

4 总结与启示

基于教学实践与文献研究，本研究首先提出一種新的模型分类方法。同时，与以往研究中认为模型认知素养仅只有四水平不同的是，提出该素养有着不同的维度，学生存在着不同维度上的水平差异，构建了模型认知素养的三维度四水平框架。随后基于该认识，确立一种可用于模型认知素养测评的路径。通过评价任务的研发，即选择内容，确定素养水平，编制试题并确定水平表现，达成评价学生素养水平的目标。

测评实践表明，开发的测量工具可以证实学生模型认知水平与学生的学业水平呈现正相关。对得分率等数据进一步分析发现，多数学生经过高一一学期的学习后，处在模型认知素养水平中水平1与水平2之间，呈现向水平2靠近的特点。这也符合学生在这一阶段的认知水平。同时不容忽视的是，学生之间的模型认知素养已显现差距，如高分段学生与低分段学生之间已存在较大水平差异。

从学生各维度的水平来看，不难发现：高分段与低分段学生的差距在于对模型的理解，更在于对模型的应用和建构。同样，教师想要提高中分段学生的模型认知素养，不仅要关注其理解模型、应用模型的能力，更要重点发展他们的建构模型能力。对学生而言，建构模型是不容忽视的关键维度。而进一步探究水平差异产生的成因，主要在于学生更多的是停留在课堂上教师讲的知识，并未内化吸收为自己对模型的认识，致使应用模型和建构模型的水平一般或较低。这启示教师在今后的教学实践中，要强化真实情境中对模型的应用，更要关注学生在陌生情境下建构模型的表现。这对现行新教材背景下的试题设计和评价更有启示和借鉴作用，对于其他的化学学科素养测评方式的构建也起到借鉴参考作用。

最后由于本次研究的被试群体是上海市重点高中高一学生，测评标准仅以学业水平合格性考试为准绳，开发的测评工具仅判断学生的素养表现是否达到水平1或水平2。因此在今后的教学实践中，一方面考虑扩大被试的学校范围及学生层次。另一方面，以即将使用新教材的学生为研究对象，进行长期的跟踪调查。在模型认知素养维度水平表的基础上，结合新教材内容，开发对应的测评工具，刻画学生在高中三年学习中模型认知素养三维度上的水平变化。

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