基于Rasch模型的中學化學守恒觀測評研究

王禹超 陶勇 陜光 王后雄

摘要： 化學守恒觀是中學化學基本觀念的重要部分，對其發(fā)展進行了水平構(gòu)建，基于Rasch模型開發(fā)和優(yōu)化了測評工具，實施了測驗并進行了數(shù)據(jù)分析。研究顯示工具具有良好的信效度。大樣本測試數(shù)據(jù)表明： 性別不會帶來化學守恒觀發(fā)展的顯著差異;高一高二高三年級學生的化學守恒觀發(fā)展水平具有顯著性差異，且在具體水平表現(xiàn)上各具特點。

關(guān)鍵詞： 化學守恒觀; Rasch模型; 測評

文章編號： 10056629（2020）06002607? 中圖分類號： G633.8? 文獻標識碼： B

守恒觀是《普通高中化學課程標準（2017年版）》中明確提出的化學基本觀念之一[1]，近年來相關(guān)研究的熱度增加，其中較受關(guān)注的是測評研究[2]。但是，已有的測評研究方法單一，共同點是： 以經(jīng)典測量理論為依據(jù)進行測量建構(gòu)、以橫向指標為依據(jù)搭建內(nèi)容框架[3]。項目反應(yīng)理論克服了傳統(tǒng)經(jīng)典測量理論的“樣本依賴性”和“工具依賴性”，逐漸成為心理與教育測量的主流理論[4]，其中更是以Rasch模型最受歡迎。因此，有必要探索基于Rasch模型構(gòu)建的、縱向發(fā)展性指標下的化學守恒觀測評研究。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 基于Rasch模型的測量建構(gòu)

項目反應(yīng)理論的深層理論基點是潛在特質(zhì)理論和項目特征曲線，用于擬合項目特征曲線，最常用的函數(shù)形式就是累計正態(tài)分布函數(shù)和累計邏輯斯蒂（Logistic）分布函數(shù)[5]。當只有一個參數(shù)時，便是Rasch模型[6]，將其數(shù)學表達式經(jīng)過一系列數(shù)學變化[7]，可將被試的能力水平和項目難度都放在logit這個相同的度量尺當中。且被試能力的高低與項目難度無關(guān)，項目難度的判斷也不依賴于被試的水平。

1.2 威爾森四基石測量框架

為了能夠設(shè)計出符合Rasch模型測評工具的開發(fā)方法，威爾森提出了“四基石”模型（如圖1）[8]

結(jié)構(gòu)圖是指心理結(jié)構(gòu)，其存在的意義是揭示該特質(zhì)（化學守恒觀）由低到高的發(fā)展水平[9]。項目設(shè)計即試題設(shè)計，目的是測量無法直接觀察的心理特質(zhì)。結(jié)果空間是被試對項目所作反應(yīng)在結(jié)構(gòu)圖中的對應(yīng)。根據(jù)被試在各項目中的反應(yīng)可推斷被試心理特質(zhì)即化學守恒觀所處的發(fā)展水平，同時也能反饋各項目在設(shè)計時對應(yīng)的水平和評分方式是否合理。測量模型是結(jié)果空間和心理結(jié)構(gòu)的具體聯(lián)系，此處即Rasch模型。

1.3 中學化學守恒觀發(fā)展水平的理論構(gòu)建

1.3.1 中學化學守恒觀的定義

中學化學守恒觀的內(nèi)涵是學生在學習化學的過程中、對化學守恒知識有了一定理解后所樹立的有關(guān)“化學守恒”的思想，具體表現(xiàn)為將“化學守恒關(guān)系”運用在進一步的化學學習與實際問題解決過程中的觀念意識和能力。其研究的具體范圍包括中學化學涉及守恒的相關(guān)知識[10]?！坝^念”的特點在于對實踐的指導作用，對中學生來說最大的實踐就是利用所學知識進行問題解決，因此化學守恒觀的異同和發(fā)展水平的高低最終會體現(xiàn)在利用守恒觀解決問題的能力上。這是將化學守恒觀像能力一樣劃分為由低到高的縱向發(fā)展水平（而不只是橫向區(qū)分）的依據(jù)。

1.3.2 中學化學守恒觀的學習進階

化學守恒觀具有自身的獨特性，它是基于個體對“化學守恒”在頭腦中的認知建構(gòu)特點作為基礎(chǔ)來指導問題解決的，也就是說學生體現(xiàn)出的化學守恒觀水平，取決于學生對化學守恒的認識深度和問題情境的難度。對應(yīng)地，學習進階及測評中的各測試項目應(yīng)當綜合體現(xiàn)化學守恒知識深度和問題情境難度的不同，作為不同發(fā)展水平的參考依據(jù)。例如“質(zhì)量守恒定律”這一知識，從淺到深可分為： 對化學反應(yīng)前后物質(zhì)質(zhì)量變化的感性認識→對化學反應(yīng)前后物質(zhì)質(zhì)量變化的定量認識→對化學反應(yīng)前后物質(zhì)質(zhì)量變化的微觀認識（原子守恒）;再如，“電荷守恒”： 原子結(jié)構(gòu)內(nèi)部正負電荷相等→溶液中離子所帶正負電荷總量相等，后者在綜合了對“化學平衡”即“弱電解質(zhì)電離”和“鹽類水解”后認識深度又有增加;而問題情境中的守恒類型和數(shù)量的不同也影響著問題解決的難度——個體化學守恒觀的水平體現(xiàn)。因此中學化學守恒觀的學習進階構(gòu)建需要綜合考慮守恒知識的認識深度、問題情境難度等因素。

在充分分析中學化學守恒知識發(fā)展的基礎(chǔ)上，參考了修訂的布魯姆教育目標分類學[11]和高中化學課程標準中核心素養(yǎng)發(fā)展的內(nèi)在邏輯，并且考慮了上述分析的因素，構(gòu)建了如圖2所示的中學化學守恒觀學習進階。

（1） 認識化學守恒關(guān)系。這一水平指學生要知道較為基本的守恒知識，主要涉及宏觀層面。如質(zhì)量守恒、元素守恒、能量守恒（能量守恒定律、化學反應(yīng)吸收或放出能量）、化合價守恒等。處在這一水平的學生應(yīng)當知道這些守恒關(guān)系的存在，并能在特定化學問題情境中進行分辨和判斷。

（2） 理解化學守恒原理。處在此水平的學生對化學守恒要由直觀、形象的認識深入到較為本質(zhì)的理解。如化學反應(yīng)的質(zhì)量守恒，在上一水平時只是知道化學反應(yīng)前后總質(zhì)量沒有變，這一水平就要理解其實質(zhì)是原子守恒，是因為在化學反應(yīng)中原子重新組合，本身沒有發(fā)生變化，所以才使得前后的質(zhì)量沒有變、元素種類沒有變。再如能量守恒，不只明白“化學反應(yīng)會吸收或放出能量”，而且知道其原因是化學鍵斷裂吸收能量和生成新化學鍵放出能量。另外，這一水平關(guān)鍵在于能夠自主地對明確的認識對象有自發(fā)的“守恒”認識意識。如，面對一個化學反應(yīng)，即使沒有任何說明，不管該反應(yīng)陌生還是熟悉，都能認識到應(yīng)當滿足原子守恒、質(zhì)量守恒、電荷守恒等，如果是氧化還原反應(yīng)就要滿足電子轉(zhuǎn)移和化合價升降守恒，如果是離子方程式還要滿足電荷守恒等。

（3） 運用化學守恒關(guān)系解決簡單化學問題。在理解各種化學守恒關(guān)系的基礎(chǔ)上，能夠在實際化學問題中綜合使用各種關(guān)系，如利用原子守恒、電荷守恒和電子轉(zhuǎn)移守恒的相互關(guān)系書寫陌生的氧化還原反應(yīng)的化學方程式;能在實際的化學問題情境中靈活地判斷和應(yīng)用守恒關(guān)系，在復(fù)雜的物質(zhì)轉(zhuǎn)化、數(shù)量關(guān)系中抓住關(guān)鍵的不變量，解決現(xiàn)實問題。與上一水平相比，不但能自發(fā)認識到問題情境中存在的守恒關(guān)系，還要能利用相應(yīng)關(guān)系來解決問題。

（4） 在復(fù)雜化學問題中綜合運用化學守恒。這一水平守恒觀最大的突破是結(jié)合了溶液中的各種離子平衡問題，即要解決圍繞或涉及“質(zhì)子守恒”“物料守恒”和“電荷守恒”等的各種化學問題。之所以是“突破”，是因為納入化學平衡移動原理后，很多問題的思考都存在更大的“相對性”。如，可逆反應(yīng)不會進行徹底，反應(yīng)物總會有“相對地”剩余;水溶液中的氫離子和氫氧根離子有不同的“來源”和“去路”，各種來源和去路的綜合決定了最終兩者在溶液中的存在狀態(tài)和量的多少。當處于水平四時，應(yīng)當在面對化學問題時有以下表現(xiàn)： 固有的化學守恒知識的掌握、各種化學守恒知識在復(fù)雜情境中的綜合運用，運用多種守恒對問題或現(xiàn)象進行解釋，能夠在復(fù)雜情境中靈活地選擇不同守恒原理綜合地、適時地進行應(yīng)用。

2 中學化學守恒觀測評工具的開發(fā)

2.1 開發(fā)程序

工具開發(fā)的整體流程如圖3所示?！靶睦斫Y(jié)構(gòu)模型”即“中學化學守恒觀學習進階的構(gòu)建”，工具質(zhì)量分析是以Rasch模型各數(shù)據(jù)要求為根據(jù)進行的;在試測前請了幾位中學化學老師、化學教育專業(yè)研究生和來自被試總體的中學生進行試做，根據(jù)其對試題的反饋進行調(diào)整后才進行一輪試測。一輪試測后對工具進行了改進，包括剔除部分項目、改變題型、改善測試項目的難度分布等。二輪試測所得的工具各項指標良好，大樣本測試與二輪試測的工具相同。

2.2 項目設(shè)計

根據(jù)中學化學守恒觀由低到高的四個發(fā)展水平，最初設(shè)計了包括選擇題、填空題和解答題在內(nèi)的不同難度題目共28道。因為要考察不同年級學生守恒觀的發(fā)展狀況，所以三個年級采用了相同試題;考慮到知識水平的不同（主要區(qū)別在于高二學習化學平衡后，對電荷守恒、物料守恒、質(zhì)子守恒等的探討），在編制題目時各題目盡可能地建立在三個年級相同的知識基礎(chǔ)之上;同時考慮到知識與能力的相互關(guān)系、守恒知識深度對守恒觀水平的巨大影響，不回避因年級不同造成的知識差別。

結(jié)合兩輪試測（試測樣本選擇見表2）的數(shù)據(jù)表現(xiàn)，對部分項目進行了刪改，最終得到如表1所示的項目構(gòu)成，共15道題目，例析如下。

例1 若（NH4）2SO4在強熱時分解的產(chǎn)物是SO2、 N2、 NH3和H2O，則該反應(yīng)中化合價發(fā)生變化和未發(fā)生變化的N原子數(shù)之比為（? ）

A. 1∶4B. 1∶2C. 2∶1D. 4∶1

該題屬水平2，“理解化學守恒關(guān)系”。題目涉及的是一個陌生反應(yīng)，唯一的信息就是題目所給的生成物、反應(yīng)物和反應(yīng)條件，解決此題需要根據(jù)各元素化合價判斷各微粒電子轉(zhuǎn)移數(shù)目，再根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒得到的電子的S與失電子的N的數(shù)量關(guān)系。解決過程中應(yīng)用的是微觀層面的化學守恒關(guān)系。

例2 加熱條件下，NH4NO3完全分解產(chǎn)生氣態(tài)混合物（1mol硝酸銨產(chǎn)生3mol氣體分子），其密度是相同條件下氫氣密度的（? ）倍。

A. 96B. 40

C. 13.3D. 無法確定

該題屬水平3，“運用化學守恒關(guān)系解決簡單化學問題”。硝酸銨分解較為復(fù)雜，對學生來說難以自行寫出方程式，不得不通過“守恒”進行解決。此處運用的守恒關(guān)系應(yīng)當涉及包括原子、電子等多個對象在內(nèi)的守恒關(guān)系，但由于寫不出具體方程式，則需利用質(zhì)量守恒結(jié)合題目括號中的信息直接判斷生成氣體的摩爾質(zhì)量;同時，由于問題指向在相同條件下的密度，因此需要理解氣體平均摩爾質(zhì)量與密度的關(guān)系，屬于簡單化學問題，因此該題處在水平三——既有對守恒關(guān)系的自主判斷和綜合運用，又有對化學問題的解決。

3 研究過程與結(jié)果

3.1 樣本選擇

兩輪試測及大樣本終測的樣本構(gòu)成如表2，抽樣過程采用了整群抽樣與隨機抽樣結(jié)合的方式。試測是在湖北省某重點高中進行的，一輪試測隨機抽取了高二年級一個班級，二輪試測隨機抽取了三個年級各一個班的所有學生;大樣本測試在湖北省某重點高中及山西省某重點高中，抽取了兩所學校的高一、高二、高三分別一個實驗班和一個平行班，共計12個班的學生。最終實發(fā)試題600份，回收有效試題543份。

3.2 數(shù)據(jù)分析

采用Winsteps3.72.3進行數(shù)據(jù)分析，以檢驗工具質(zhì)量（是否符合Rasch模型預(yù)期）;之后采用SPSS 22.0分析測試結(jié)果，以探求高中生化學守恒觀發(fā)展規(guī)律。

3.3 工具質(zhì)量檢驗

工具已經(jīng)經(jīng)過了兩輪的試測，其中既包括廣泛的數(shù)據(jù)考察也包括深入的具體分析，并根據(jù)出現(xiàn)的不同問題做出了相應(yīng)調(diào)整，本身是基本符合Rasch模型的質(zhì)量要求的。當把樣本量進一步擴大，工具是否依然能穩(wěn)定地保持良好質(zhì)量，需要進一步檢驗。因此大規(guī)模測試依然要根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)進行信、效度等的檢驗，以此來確保研究的可靠性。

3.3.1 總體統(tǒng)計

如表3所示是通過軟件分析所得到的相關(guān)數(shù)據(jù)。將項目平均難度設(shè)置為0.00，得到的被試能力估計值為0.65，說明被試能力略高于整個測試的難度。但相比前兩輪試測可知被試能力的估計略有下降，這是符合期待的——大規(guī)模測試的樣本不再局限于各年級的實驗班，而是下至高一普通班上至高三實驗班（一般可認為前者水平最低后者水平最高），因此被試整體的化學守恒觀水平一定會有所下降。被試的誤差和項目誤差分別為0.65和0.12，項目誤差非常低，被試的誤差雖然相比來說稍大但還是在可接受范圍之內(nèi)，也即整個數(shù)據(jù)的誤差較小，由此得出的結(jié)論將比較可靠。被試和項目的Infit及Outfit的MNSQ值分別為0.99，1.00，1.07和1.07，四個數(shù)字均非常接近理想值1.00;被試的ZSTD值（無論Infit還是Outfit）都非常接近理想值0，而項目的相應(yīng)值則與理想值稍有偏差，但都還處于比較合理的范圍之內(nèi)。被試的分離度為2.05，指的是最低水平和最高水平被試之間的差距，與前兩輪試測相比（分別為1.29和1.78）有進一步的擴大;項目的分離度也有所擴大，考慮到此次的樣本更具代表性，如此的分離度更加接近真實值。被試數(shù)據(jù)估計的信度為0.81，比較接近理想值，且與前兩輪試測相比（分別為0.63和0.76）有進一步的提高;項目的信度為0.99，非常接近理想值1。經(jīng)上述分析可知，工具的總體質(zhì)量指標表現(xiàn)較好。

3.3.2 其他指標

其他指標指單維性、項目

被試對應(yīng)（懷特圖）、項目擬合等。單維性是整個測試非常重要的效度指標，它能夠證明工具真的在測試該能力，而不是更多地受其他因素影響。測試的15個項目全部在單維性許可范圍之內(nèi)，證明測試的單維性良好。項目被試對應(yīng)是將項目難度與被試能力放在同一標尺中進行比較，從結(jié)果來看，各項目的難度和分布均勻分散、沒有扎堆，被試的水平分布基本符合“中間多兩邊少”的普遍規(guī)律。具體的項目擬合度上，除了極少數(shù)項目（S3和S6）外，大部分項目的ZSTD值都在許可范圍之內(nèi)，項目的誤差較小、點測量相關(guān)較高?？傊ㄟ^Rasch模型的數(shù)據(jù)分析軟件檢驗，根據(jù)化學守恒觀水平編制的工具在各信效度指標上表現(xiàn)良好，符合Rasch模型要求，研究工具可靠，測得的結(jié)果可用于進一步的分析。

3.4 研究結(jié)果

3.4.1 年級差異整體分析

表4為三個年級化學守恒觀水平（Rasch模型定義下的，單位為logit分）的描述性統(tǒng)計結(jié)果。高一、高二、高三三個年級的均值分別為-0.64， 1.00和2.22，化學守恒觀水平有較明顯的隨著年級上升而上升的趨勢;整體的極小值出現(xiàn)在高一年級，為-4.97，極大值出現(xiàn)在高二和高三年級，為4.69，符合常規(guī)的認知： 高一水平最低，高三水平最高，高二可能有部分學生接近或達到高三水平;整體的全距為9.66，說明能力分布比較廣，最大的全距出現(xiàn)在高二年級，也比較符合常理（高二屬三個年級的中間水平，上限可及高三的水平，下限可至高一水平）。

通過方差分析對比三組平均數(shù)差異的顯著性，以確定化學守恒觀水平是否與年級有關(guān)。表5的方差齊性分析結(jié)果顯示，Levene統(tǒng)計值的相伴概率（sig.）為0.32，大于顯著性水平0.05，因此可以認為三個年級的方差具有齊性;F值為346.963，相伴概率0.032小于顯著性水平0.05，說明三個年級至少其中一個與其他有統(tǒng)計上的明顯差別，也有可能3個年級都有顯著差別。因為各組方差具有齊性，所以采用LSD檢驗。

表6顯示，高一、高二和高三之間的兩兩比較的相伴概率均為0.000，說明具有顯著差別，即三個年級在化學守恒觀發(fā)展上具有顯著差異，有明顯的發(fā)展水平變化。

*均方差的顯著性水平為0.05

3.4.2 各水平的具體比較

通過計算各項目所對應(yīng)的難度值，可得到相同水平項目的平均logit分（水平1至水平4分別為-2.29、 -0.543、 0.815、 1.44），進一步分析和劃分可得到各水平范圍對應(yīng)的logit分數(shù)范圍，如表7。

根據(jù)不同化學守恒觀水平的分數(shù)范圍，統(tǒng)計每個年級的水平分布，如表8。其中顯得“不合常理”的數(shù)據(jù)是合計的水平3比例過低。具體來看，主要是由于高二的分化現(xiàn)象突出造成的，其中既有學習程度比較好的達到水平4的學生，也有很多尚處在水平2的學生，反而水平3的人數(shù)相對較少;而高三學生已經(jīng)大部分都達到了水平4，水平3人數(shù)較少;高一學生中處在水平2的人數(shù)最多，只有約2%處在水平3，因此合計的總數(shù)據(jù)中水平3的人數(shù)明顯少于水平2和4。

4 研究結(jié)論與啟示

4.1 關(guān)于化學守恒觀測評的工具

以IRT的數(shù)據(jù)模型之一——Rasch模型為理論基礎(chǔ)，基于Wilson四基石測量框架、按照建立心理結(jié)構(gòu)模型→設(shè)計測試工具→試測→工具質(zhì)量檢驗與調(diào)整→再試測的流程，進行了測驗工具的開發(fā)和完善。經(jīng)過兩輪試測和一次大樣本測試的考驗，最終得到了在項目和被試信度、誤差、分離度、單維性檢驗、項目被試對應(yīng)、數(shù)據(jù)模型擬合、點測量相關(guān)等多種數(shù)據(jù)指標上符合模型預(yù)期的質(zhì)量良好的工具。

4.2 關(guān)于高中生化學守恒觀的發(fā)展特征

中學生化學守恒觀的發(fā)展水平隨年級發(fā)展有顯著差異。從研究結(jié)果看，高一至高三的發(fā)展水平變化并非勻速： 高一處在水平1向水平2的過渡階段（或者說平均水平大致介于水平1和水平2之間）;高二學生的分化比較明顯，一部分正在由水平3向水平4發(fā)展，但還有相當于一部分可能由于微觀部分的知識遺忘、化學平衡的理解不足等原因?qū)е率睾阌^的穩(wěn)定性受到影響而處在水平2;高三學生已經(jīng)大部分達到了水平4。結(jié)合不同年級的教學方式進行分析： 高一高二是新授課階段，往往以新知識的落實為重點，因此觀念的水平很大程度上受到知識多寡的影響，體現(xiàn)出不穩(wěn)定而在曲折中發(fā)展的特點;高三是復(fù)習階段，學生通過鞏固和練習、知識的綜合應(yīng)用等提高了解決守恒問題的能力——發(fā)展了化學守恒觀。

4.3 關(guān)于化學守恒觀的教學思考

測試結(jié)果中有趣的一點是，在“電子轉(zhuǎn)移守恒”的考察中，高一學生的測試結(jié)果明顯優(yōu)于高二學生，此現(xiàn)象可以解釋為高一剛剛學過這部分內(nèi)容，而高二學生因長久不接觸而產(chǎn)生了遺忘。但是，根據(jù)對化學守恒觀的剖析，其是一種基于事實而發(fā)展的抽象思維，是“不會遺忘的”、在腦中根深蒂固的存在，這樣的遺忘意味著知識對守恒觀水平的影響巨大。

對于化學守恒觀來說，隨著研究對象和守恒認識過程的不斷變化，守恒思維隨之發(fā)展，其本質(zhì)是觀念在不同的情境中能夠得到應(yīng)用、應(yīng)用觀念解決不同情境下的守恒問題。從中應(yīng)當獲得啟發(fā)： 學校教育要重視學生素養(yǎng)、觀念、能力的發(fā)展，教師教學時要把注意力放在真實、復(fù)雜情境中的問題解決，在問題解決的過程中發(fā)展思維、養(yǎng)成觀念，同時鞏固知識，這樣才能讓學生形成超越具體事實的、逐漸在頭腦中穩(wěn)定的守恒“觀念”。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[2] 王禹超， 王后雄. 中學化學守恒觀研究現(xiàn)狀的分析與思考[J]. 化學教學， 2019， （6）： 27～32.

[3] 龔偉， 王祖浩， 錢智涌. 高中生“化學守恒”思維水平狀況的調(diào)查分析[J]. 化學教育， 2012， 33（6）： 49～52.

[4] Merrell， C. & Tymms， P. Rasch analysis of inattentive， hyperactive and impulsive behavior in young children and the link with academic achievement [J]. Journal of Applied Measurement， 2005， 6（1）： 1～8.

[5] 羅照盛. 項目反應(yīng)理論基礎(chǔ)[M]. 北京： 北京師范大學出版社， 2012.

[6] Rasch G. Probabilistic models for some intelligence and attainment tests [J]. Education Research， 1981， 3（23）： 232.

[7] 鄧陽. 科學論證及其能力評價研究[D]. 武漢： 華中師范大學博士學位論文， 2015.

[8] Mark R Wilson. Constructing Measures： An Item Response Modeling Approach [M]. Mahwah. NJ： Lawrence Erlbaum Associates， 2005.

[9] 韋斯林. 應(yīng)用Rasch模型構(gòu)建基于計算機建模的中學生物質(zhì)結(jié)構(gòu)認知測量的研究[D]. 上海： 華東師范大學博士學位論文， 2010.

[10] 王禹超. 中學化學守恒觀及其測評研究[D]. 武漢： 華中師范大學碩士學位論文， 2019.

[11] 洛林？W. 安德森， 等. 蔣小平， 等譯. 布盧姆教育目標分類學： 分類學視野下的學與教及其測評[M]. 北京： 外語教學與研究出版社， 2009.