中學生化學定量化能力的測評問題和方式教育論文

　　從“定性”到“定量”是化學學科發展的里程碑,是人們對化學物質及其變化的認識向縱深發展的結果。在化學學習中,隨著學習進程的展開,必然要求學生從量的角度來描述和探究物質的結構、組成和變化。傳統化學課程將“化學計算”作為一項基本技能,但從量的角度解決化學問題并非單純的數學運算,也并非簡單的方法、技巧等技能的操練,而是“有意識、有意義、有目的、有方法的認知和操作的共同體”[1]。學生依據化學基礎知識,運用數學方法解決物質組成、結構、變化中“量”的問題的能力稱為“定量化”能力。具備“定量化”能力,能使學生從量的方面認識物質及其變化的規律,體驗定量研究方法在化學科學研究和工農業生產中的重要作用。

　　1 “定量化”能力水平的構建

　　中學化學的“定量化”學習內容主要是以2個基本物理量——物質的量和質量為核心,結合基本概念原理和元素化合物知識而展開。從初中階段以質量為核心到高中階段以物質的量為核心,從核心概念到基礎計算再到綜合計算,遵循了從宏觀到微觀、從簡單到復雜的認知過程,構建了從核心概念到基礎計算再到綜合計算的遞進式體系。

　　理解化學概念的含義及化學原理、符號中所蘊含的量的關系是解決定量化學問題的基礎。Nakleh和Silberma(1993)的研究表明如果學生想要恰當地處理定量化學問題,那么他們必須理解摩爾的含義[2]。Koch(1995)指出學生初學化學時在尋找抽象化學符號和描述化學過程之間的聯系、分子式所提供的定量信息(比如計量關系)方面會遇到困難。學生首先必須徹底掌握知識和方法,學會將化學符號轉換成有意義信息,才能解決定量化學問題[3]。Dori(2003)認為有關物質的量的化學計算問題可以從復雜性和轉換水平兩個維度來進行分類。轉換次數越多,復雜性越大,學生解決化學計算問題時遇到的障礙就越多[4]。“思想”是認識的高級階段,是對事物本質的、高級抽象和概括的認識。化學學科思想方法是對化學事實、化學理論以及化學方法的本質認識,思想方法往往使得化學定量化問題的解決事半功倍。

　　因此,根據“由簡單到復雜、由基礎到綜合、由具體到抽象”的“定量化”能力發展的規律,構建如下由低到高的4個水平:

　　水平1:認識概念或符號中所蘊含的數量關系。如,認識化學方程式等符號中所蘊含的質量關系;知道溶解度等概念中蘊含的數量關系;知道物質的量等概念的計量含義等。

　　水平2:直接運用數量關系進行簡單運算。如,根據化學式、化學方程式進行簡單的運算;利用物質的量等概念間的相互關系進行換算等。

　　水平3:整合或轉換數量關系進行綜合運算。如,分析和處理圖表數據或實驗數據進行運算;對溶液中發生的化學反應進行運算等。

　　水平4:運用化學思想方法進行運算。如,運用守恒法、差量法、關系式法等思想方法進行一些較為復雜的運算。

　　以上4個水平從認識數量關系到直接運用再到綜合運用,最高水平為運用化學思想方法,復雜性及轉換水平逐漸增加,思維及定量化要求逐步提高,水平的劃分體現了化學學科學習的規律。

　　2 “定量化”能力測評研究

　　依上述“定量化”能力的4個水平編制測量工具,運用Rasch模型分析測驗結果[5],修訂和優化測量工具,并根據大樣本測試結果分析學高中生化學“定量化”能力現狀以及發展規律等。

　　2.1 研究工具

　　以“定量化”能力的4個水平層次為理論依據,編制了相應的測量工具。第一輪試測結果經過Rasch模型檢驗之后,對某些項目進行了修改,項目總數未變,形成了第二輪試測的測驗卷,其中Q1~Q8是選擇題,Q9~Q13是建構反應題(建構反應題要求被試組織或建構一份答案,在考查學生的高層次能力上具有優勢,建構反應題的答案有封閉性答案和開放性答案兩種)。第二輪試測后再經Rasch模型檢驗修正后的測驗卷可用于大樣本測試。具體項目與能力水平的對應如表1所示。

　　對于選擇題而言,每一道題中均包含4個選項,僅有一個正確選項。對于建構反應題而言,則采用等級評分。以下幾例是對“定量化”能力測驗卷中項目的簡要分析說明:

　　例1 在10℃時,KNO3 的溶解度是20 g,則此溫度下的飽和溶液中,下列關系正確的是( )

　　A.m(溶液): m(溶質)=4:1

　　B.m(溶質): m(溶劑)=1:4

　　C.m(溶液): m(溶劑)=6:5

　　D.m(溶劑): m(溶液)=4:5

　　說明:該題屬于“水平1:認識化學概念或化學符號中所蘊含的數量關系”的考查內容,旨在考查學生是否知道溶解度概念中所蘊含的溶質、溶劑以及飽和溶液三者之間的質量關系。

　　例2 目前國際上通用“測氮法”標定牛奶中蛋白質含量,蛋白質中含氮量平均為16%,若不法分子在 1袋某品牌奶粉中加了1 g三聚氰胺(C3 H6N6 ),相當于增加蛋白質約( )

　　A.4.2 g B.3.2 g C.0.7 g D.1.6 g

　　說明:該題屬于“水平2:直接運用數量關系進行簡單的計算”能力的考查內容,旨在考查學生能否根據化學式進行化合物質量與其中所含元素質量的換算。

　　例3 在標準狀況下,取甲、乙、丙各30.0 mL相同濃度的鹽酸,然后分別慢慢加入組成相同的鎂鋁合金粉末,得到下表中有關數據(假設反應前后溶液體積不發生變化)。

　　請計算合金中Mg、Al的物質的量之比。

　　說明:該題屬于“水平3:整合或轉換數量關系進行綜合運算”能力的考查內容,旨在考查學生能否根據圖表所提供的實驗數據、正確選擇實驗數據并根據化學化學方程式進行運算。

　　例4 硫代硫酸鈉是一種用途廣泛的化工產品,某廠技術人員設計了以下生產流程:

　　若由原料制S的轉化率為75%,制SO2 的轉化率為90%,SO2 制Na2 SO3 的轉化率為95%,則用于制S和Na2SO3的原料的質量比為多少時,才能制得最多Na2 S2 O3 (其他消耗不計)?

　　說明:該題屬于“水平4:運用化學思想方法進行復雜運算”:請記住我站域名能力的考查內容。題給信息中從原料到產品經歷了多步化學反應,若分步計算,則很煩瑣。若運用關系式思想方法,根據多步反應中最初反應物和最終生成物之間量的關系,列出關系式進行相關運算,則將大大簡化運算過程。

　　2.2 研究樣本

　　本研究共進行了三輪測驗,被試組成如表2。第一輪測試用于初步考察測驗工具的質量,經Rasch模型檢驗分析后,對測驗工具進行修改,再進行第二輪試測,根據第二輪試測結果的數據分析決定修改后的測驗卷可用于大樣本測試(第三輪)。因第一輪、第二輪試測主要用于考察、優化測驗工具的質量,所用樣本較小,沒有選擇高三年級被試。第三輪測試樣本較大,采取分層抽樣形式,選取了某省三所不同層次的高級中學作為樣本來源學校,分別在高一、高二、高三年級隨機抽取被試。

　　2.3 數據處理

　　運用Bond&Foxsteps1.0.0分析測驗工具的信、效度,將項目難度與學生能力轉換成具有等距意義的logit分,再運用SPSS18.0軟件進行統計分析。因篇幅有限,結果分析部分只采用第三輪測試的數據。

　　3 結果分析

　　3.1 測量工具信、效度分析

　　3.1.1 總體統計

　　表3是定量化能力測驗(以下簡稱Q測驗)的總體統計結果。在Rasch模型中,一般將測驗難度平均水平設置為0,被試能力平均水平則隨不同測試有所不同。由表3可知,被試能力平均分估計為1.34(Rasch分);整份試卷的難度估計誤差僅為0.11,相比較而言被試的估計誤差較大,但在許可范圍內;項目擬合指數皆在理想值左右(即MNSQ接近1,ZSTD接近0),說明測驗數據與理想模型具有較好的一致性;根據分離度數值(一般認為大于2較好),說明測量工具能夠區分不同能力水平的被試;被試和項目都具有較高的信度。因此,總體而言,該測驗工具體現出良好的性能。

　　3.1.2 其他指標

　　單維性是Rasch模型的基本假設之一,即測驗所測量到的是被試的單一主要能力或單一主要潛在特質。根據Bond&Foxsteps1.0.0軟件的分析,本測驗卷的13個項目中,有2個項目(A-Q7、A-Q13)稍超出許可范圍,但絕大部分項目符合要求,可以認為該卷所測量的主要是一種結構——“定量化”能力,具有單維性;從項目-被試對應情況上看,本測驗卷13個項目難度范圍較廣,且基本均勻分散,項目所對應的水平層次與預設的水平層次基本一致,學生能力分布也較為理想,中間多,兩端少;具體項目的擬合度除Q9,Q10的ZSTD值稍超出取值范圍(-2~+2),其他項目的數據-模型擬合指數都在許可值范圍之內,項目的誤差都較小,點測量相關都較高。

　　總之,根據“定量化”能力水平所編制的測量工具經Rasch模型檢驗,在項目和被試信度、誤差、分離度等信度指標上,在單維性、項目-被試對應、數據-模型擬合、點-測量相關等效度指標上皆符合Rasch模型的基本要求,本研究測量工具可靠、可信。測驗結果可用于后續對學生定量化能力特征的分析。

　　3.2 “定量化”能力數據分析

　　3.2.1 “定量化”能力的年級差異分析

　　(1)總體描述

　　表4是高中三個年級Q測驗的描述性統計結果。高一、高二兩個年級的極大值都是4.48,高一年級的全距最大,高三年級的全距最小。三個年級的平均分隨年級的升高而上升。

　　表5的方差齊性檢驗結果顯示,三個年級的方差不齊性;F檢驗表明三個組中至少有一個組和其他兩個組有明顯的差別,也有可能3個組之間都存在顯著的差別。因為各組方差不齊性,表6采用Tamhane檢驗三組均數差異的顯著性,結果顯示,三個年級之間的相伴概率皆小于顯著性水平0.05,具有顯著差異。

　　由以上統計分析可知,對于“定量化”能力而言,高一、高二、高三三個年級的水平依次升高,且有著顯著性差異。

　　(2)在各個水平層次上的比較

　　將Q卷中每個水平所對應的各個項目的難度估計進行平均可得到每個水平的難度平均值,如表7所示,以此平均值作為判斷學生“定量化”能力水平的依據。當學生的能力值低于-1.41時,則認為學生的“定量化”能力水平低于水平1;當學生的能力值為-1.41~-0.05時,則位于水平1;當學生的能力值為-0.05~0.82時,則位于水平2;當學生的能力值為0.82~1.67時,則位于水平3;當學生的能力值大于1.67時,則位于水平4。

　　本研究被試樣本中高一、高二、高三三個年級學生Q卷的平均分分別為1.08、1.33、1.63(見表4),結合表8,可以認為高一、高二、高三三個年級學生的“定量化”能力的平均水平皆已達到層次3(整合或轉換數量關系進行綜合運算)。三個年級在不同能力水平層次上的人數及比例如表8所示。

　　由表8可見,高一、高二年級中有極少數學生的“定量化”能力水平低于水平1(認識概念或符號中所蘊含的數量關系),每個年級中皆有位于水平1的學生,但所占比例很小,分別為7.4%、1.2%、0.4%;高一、高二分別有31.9%、22.8%的學生位于水平2(直接運用數量關系進行簡單運算),高三學生中處于水平2的較少,為7.3%;在水平3和水平4上高一、高二、高三三個年級所占的人數比例隨年級升高逐步增加。

　　3.2.2 “定量化”能力的性別差異分析

　　表9是中學生化學“定量化”能力性別差異的T檢驗結果。可知,在“定量化”能力上,男生的成績稍高于女生。T檢驗的結果表明,在4個測驗上,男女兩組的方差齊性,Q測驗的相伴概率為0.069,略大于顯著性水平0.05,也就是說,男女生在化學“定量化”能力上略有差異,但差異性并不顯著。

　　4 研究結論

　　本研究對化學“定量化”能力進行了水平構建,基于 Rasch 模型開發和優化了測量工具,在三個年級實施了能力測量。結果表明,修訂后的測量工具在多種數據指標上符合Rasch模型所規定的標準和結構,測量工具具有良好的信度和效度。根據大樣本測試結果的數據分析,我們發現,測量樣本中的高中生表現出了較高的“定量化”能力,三個年級的學生都達到了水平3,特別是高三年級學生已接近水平4。隨著年級的增加,學生的定量化能力逐步提高,且三個年級間存在顯著性差異。每個年級在從低到高的4個水平上,都分布著一定的人數。男、女生之間的“定量化“能力略有差異,但差異性不顯著。

　　值得思考的是,三個年級的學生在”定量化“能力上的差異主要表現在同一水平(水平3)上,這說明在該水平上還存在著不同的亞層能力,應設計更多的項目深入、細致地考察不同的能力水平,以建立起更為精確的“定量化”能力評價的框架;另一方面,所開發的測量工具,總體上表現出良好的性能,但仍存在不足。如,有少數幾個項目的單維性檢驗負荷值較大,項目水平與能力水平還不能完全對應;測量樣本的來源還需更廣泛等等。這些方面的進一步改進將有助于“定量化”能力測評質量的提高

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