高中化學(xué)模型認知素養(yǎng)測評的實踐研究

李宇風 余方喜

摘要： 根據(jù)課程標準將模型認知素養(yǎng)劃分為理解模型、應(yīng)用模型、建構(gòu)模型三個維度，并結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)和教學(xué)的實際，構(gòu)建模型認知素養(yǎng)維度水平表。結(jié)合具體教學(xué)內(nèi)容，編制模型認知素養(yǎng)測評框架，開發(fā)測試項目對學(xué)生模型認知素養(yǎng)進行測評與分析，探索日常學(xué)習(xí)中學(xué)生模型認知素養(yǎng)發(fā)展水平的評價方法。

關(guān)鍵詞： 高中化學(xué)； 模型認知； 測評研究

文章編號： 10056629（2023）05000906

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》對核心素養(yǎng)的水平描述是終結(jié)性評價，是對學(xué)生學(xué)習(xí)完必修課程或選擇性必修課程后的總體性要求。但是基于學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)，必須要檢測學(xué)生學(xué)習(xí)過程中學(xué)科素養(yǎng)的階段性達成水平，那么如何細化課程標準中核心素養(yǎng)的四水平及具體要求就很關(guān)鍵。另外，素養(yǎng)可以通過觀察學(xué)生在完成活動和解決問題的行為表現(xiàn)做出判斷評價，可以通過紙筆測驗的方式達成［1］。那么如何編制具體的化學(xué)活動或任務(wù)衡量學(xué)生的表現(xiàn)，如何評價學(xué)生模型認知素養(yǎng)的水平，這樣的評價是否有效等也是必須解決的問題。

1 模型認知素養(yǎng)水平體系構(gòu)建

1.1 對課標中模型及主要分類的認識

化學(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)性質(zhì)及其變化的自然科學(xué)，化學(xué)客觀規(guī)律、物質(zhì)性質(zhì)及其變化的解釋亦十分抽象。通過模型，化學(xué)家可以“看到”他們所試圖研究的實體或過程，據(jù)此進行實驗設(shè)計和探索活動，有力支持他們的思維推理和知識建構(gòu)?；瘜W(xué)中的模型是人們認識物質(zhì)、改造物質(zhì)和應(yīng)用物質(zhì)過程中所體現(xiàn)出的具有化學(xué)學(xué)科特征的具體或抽象的表征。

近年來，研究者對于模型分類的方法各有傾向。目前較為主流的觀點是按照代表和反映原型的方式作為模型的分類依據(jù)，將模型分為兩大類，一類被稱為物質(zhì)模型。另一類沒有實物的模型被不同學(xué)者命名為“形式模型”［2～3］“思想模型”［4］“反應(yīng)原理模型”［5］等。還有學(xué)者按照模型與原型的相似程度和直觀性，將教科書中出現(xiàn)的模型分為三類。其中，數(shù)學(xué)模型、符號模型、思維模型、物理模型出現(xiàn)次數(shù)較多［6～10］。此外，也有學(xué)者根據(jù)模型的定義、核心要素及化學(xué)學(xué)科的研究特點［11］，或是以研究對象作為分類依據(jù)［12］，對模型做出分類?？梢?，雖然研究者對于模型分類的觀點尚未統(tǒng)一，但都較為認同從模型原型的角度對模型做出的命名。

本文首先依據(jù)課程標準［13］中出現(xiàn)的三類模型分類——物質(zhì)模型、理論模型和認知模型，以此作為模型的一級分類。再結(jié)合上述文獻提出的各類具體模型概念，進行界定和細化，根據(jù)其共有特點作二級分類。如縮尺模型、結(jié)構(gòu)模型在一定程度上是根據(jù)原型特征制成的、能體現(xiàn)出要素間相互位置、大小等比例關(guān)系的，看得見、摸得著的模型；表征模型、符號模型、數(shù)學(xué)模型，都具有抽象性，或以數(shù)字、符號、字母等抽象的標志、標記來描述、呈現(xiàn)原型的特征以及要素間的定量關(guān)系；方法模型、思維模型則是對一定要素間關(guān)系聯(lián)結(jié)形式的呈現(xiàn)，具有一定的邏輯性、抽象性、程序性。具體分類見表1。

1.2 模型認知素養(yǎng)的概念與維度

研究者對“模型認知”內(nèi)涵的理解各有側(cè)重。如馮

品鈺、何彩霞［14］認為其包含兩個基本層次：先對科學(xué)模型進行認知，再建構(gòu)認知模型，為解決復(fù)雜問題提供思考框架，形成解決問題的思路與方法。王兆允［15］認為模型認知能力主要包括“建模”和“用?！眱蓚€方面，建模是用模的前提，用模是建模的目標和歸宿。李鵬鴿［16］將模型認知素養(yǎng)落實分為三個層次：依次是初步理解模型、模型應(yīng)用、模型建構(gòu)。楊玉琴［17］認為化學(xué)的“模型認知”可理解為“利用模型進行思維的一種方法”，學(xué)生能夠運用模型描述化學(xué)研究對象、解釋化學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律、預(yù)測可能的結(jié)果，并能夠建構(gòu)模型展示自己對化學(xué)事實的理解和解釋的能力。易蕊［18］認為模型認知是人們對于物質(zhì)及其變化的思維方式，在于對化學(xué)事實模型化，揭示其本質(zhì)和規(guī)律。

課程標準［19］在學(xué)科核心素養(yǎng)以及課程目標中這樣描述模型認知：“知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”“能認識化學(xué)現(xiàn)象與模型之間的聯(lián)系；能運用認知模型描述和解釋物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化，預(yù)測物質(zhì)及其變化的結(jié)果；能依據(jù)物質(zhì)及其變化的信息建構(gòu)模型，建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架”。

通過綜合歸納，不難發(fā)現(xiàn)模型認知是“基于化學(xué)模型的認知”，應(yīng)包含理解模型、應(yīng)用模型、建構(gòu)模型等要素。

1.3 模型認知素養(yǎng)的水平

為實現(xiàn)對核心素養(yǎng)的科學(xué)評價，課程標準提出了以素養(yǎng)、情境、問題、知識為構(gòu)成要素的四要素命題框架，并指出素養(yǎng)導(dǎo)向的測評應(yīng)以情境為載體、問題為任務(wù)、知識為工具［20］。高考評價體系下的命題研究與內(nèi)容改革，也同樣堅持以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向［21，22］。

不少研究者隨之開展了相應(yīng)研究。易蕊［23］制定了模型認知能力的評價指標，分為認識、運用、分析、建構(gòu)四個一級指標，以此為評價標準的四水平并編制調(diào)查及訪談問卷。楊玉琴［24］將“模型認知”能力水平由低到高劃分為認識模型、理解模型、運用模型、建構(gòu)模型的4個水平，對中學(xué)生能力現(xiàn)狀進行了測評，并從不同角度進行分析。李艷靈［25］在高中生原電池模型認知能力測評中，將模型認知劃分為認識模型、理解模型、運用模型、遷移模型四個逐層進階的水平。婁珀瑜［26］同樣將模型認知劃分為模型形成、模型發(fā)展、模型遷移、模型重構(gòu)四個進階的水平。從當前研究看，多數(shù)研究者對模型認知視為單一維度，對其水平劃分的結(jié)果，更接近于學(xué)生對認知方式的反映類型，不宜直接作為水平。因此需要對模型認知進行維度劃分，進而建構(gòu)水平體系。

上述研究主要依靠問卷調(diào)查和比較研究，其結(jié)果也反映模型認知素養(yǎng)水平是可以通過建構(gòu)合適的測評模式進行測評的。參考課程標準對于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的水平劃分，圍繞理解模型、應(yīng)用模型與建構(gòu)模型三維度，將課程標準中模型認知素養(yǎng)水平描述內(nèi)容進行了解構(gòu)。教學(xué)實踐中，我們發(fā)現(xiàn)課程標準描述模型認知素養(yǎng)水平時，水平一未提及建構(gòu)模型。像電子式、原子結(jié)構(gòu)示意圖等作為符號模型的一種表示形式，僅是學(xué)業(yè)水平合格考要求。學(xué)生通過課堂學(xué)習(xí)以及作業(yè)，能表示不同原子或離子的電子式與結(jié)構(gòu)示意圖，這也是建構(gòu)模型。因此，在實際評價學(xué)生在模型構(gòu)建維度中的低層級水平表現(xiàn)時，增加描述用語“能夠根據(jù)有關(guān)模型的描述，將其通過適切的方式展示出來”。據(jù)此構(gòu)建的模型認知素養(yǎng)測評的維度水平表見表2。

2 模型認知素養(yǎng)的測評工具開發(fā)

2.1 工具的開發(fā)路徑

本研究構(gòu)建的素養(yǎng)測評開發(fā)路徑時，測評內(nèi)容經(jīng)過中學(xué)正高級教師、特級教師等專家的反復(fù)審閱和評議，根據(jù)數(shù)位專家意見進行修改，確保測評工具的科學(xué)性。在上述模型認知素養(yǎng)維度—水平表的基礎(chǔ)上，確立如下測評路徑（見圖1）。

2.2 工具內(nèi)容的確定

以模型分類（見表1）為基礎(chǔ)，通過對上?？萍汲霭嫔绯霭娴母咭换瘜W(xué)教材第一學(xué)期內(nèi)容的梳理，整理出該教材中與模型認知相關(guān)的內(nèi)容，明確每類模型的內(nèi)容及測評中涉及的維度，并按類別進行歸類。以考察“原電池模型”為例，確定三個維度及相應(yīng)水平，具體見表3。

2.3 評價任務(wù)的開發(fā)

將具體模型與模型認知素養(yǎng)測評水平表現(xiàn)相結(jié)合后，確立該模型的各維度及各水平表現(xiàn)的描述，形成細化的條目，編制試題，確定評價指標。下面是以原電池模型為例，通過對應(yīng)維度水平表編制試題的設(shè)計方法。

首先，關(guān)注模型認知素養(yǎng)維度水平表的三維度（見表2），根據(jù)原電池模型的教學(xué)要求，確定考察學(xué)生在理解模型與應(yīng)用模型維度上的表現(xiàn)（見表4）。

隨后，通過專家咨詢，選擇貼近生活的水果電池情境，通過辨裝置、畫模型、講原理等問題形式，繪圖、論述的回答方式考察學(xué)生理解模型、應(yīng)用模型和建構(gòu)模型的水平，進而設(shè)計了試題（見圖2）。

表5建構(gòu)了對學(xué)生評價的標準，說明考察內(nèi)容所對應(yīng)的維度，以及根據(jù)學(xué)生的實際作答結(jié)果進行的修正，對每個水平給出作答描述示例，并提供學(xué)生作答樣例。最后根據(jù)評價標準，對學(xué)生的回答表現(xiàn)進行分類評價，例如學(xué)生能在分析水果電池的工作原理中，初步判斷出這是原電池裝置，即能按照原電池的模型初步描述部分內(nèi)容，可視為達到理解模型的水平1。

3. 模型認知素養(yǎng)測評

3.1 施測及分析

按照該測評工具開發(fā)模式編制試題，在上海市某重點高中高一年級9個平行班內(nèi)開展測試，共收到265份有效答卷。使用SPSS 23對后測的數(shù)據(jù)進行可靠性分析后，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：由16道題組成的問卷，其Cronbachs Alpha值為0.753，介于0.60～0.80之間，信度系數(shù)較好，說明統(tǒng)計結(jié)果具有較好的可信度，統(tǒng)計結(jié)果可用。

3.2 結(jié)果分析

以被試群體的期末考試分數(shù)為準進行降序排名，前27%的學(xué)生記為高分段；后27%學(xué)生記為低分段。通過單因素方差分析，比較各群組在素養(yǎng)及維度測評的得分率，發(fā)現(xiàn)具有學(xué)業(yè)水平差異的學(xué)生在模型認知素養(yǎng)及不同維度得分上，具有顯著性差異（見表6、表7）。

進一步分析三維度上組與組之間是否有顯著性差異，發(fā)現(xiàn)在理解模型與應(yīng)用模型上，中分段的得分率分別與高分段、低分段之間無顯著性差異，只有高分段與低分段之間有顯著性差異。但是在建構(gòu)模型維度上，三組之間均有顯著性差異。此處根據(jù)各維度內(nèi)部差異并結(jié)合得分率，對學(xué)生群體水平作劃分。得分率＞75%視為該群體中多數(shù)學(xué)生達到水平2，50%～70%為多數(shù)學(xué)生達到水平1，小于50%為未到水平1（見表7）。

該數(shù)據(jù)結(jié)果說明不同水平段的學(xué)生在模型認知的發(fā)展上并不均衡。首先從維度上看，學(xué)生普遍的表現(xiàn)是理解模型優(yōu)于應(yīng)用模型，也優(yōu)于建構(gòu)模型。結(jié)合上述對三類學(xué)生群體在各維度水平的判斷，高分段群體中的多數(shù)學(xué)生在理解模型維度上達到水平2，在應(yīng)用模型維度上也較為接近水平2；中分段群體在理解模型與建構(gòu)模型兩個維度上，均有較高水平，多數(shù)學(xué)生向水平2接近，但還有一段距離，依舊有待提升。高分段學(xué)生在三個維度上處于領(lǐng)先；中分段的學(xué)生整體水平處于前后兩段學(xué)生的中間；低分段在三個維度的發(fā)展上均落后，尤其是建構(gòu)模型上更處在一個較低的位置。特別值得關(guān)注的是，在建構(gòu)模型上，則出現(xiàn)了“斷層”現(xiàn)象，學(xué)生群體所處水平普遍偏低，就群體間而言，發(fā)展水平也存在顯著差距。

以上述測評工具中的試題為例，學(xué)生能較好地解釋原電池的工作原理，但是對串聯(lián)電路模型的建構(gòu)出現(xiàn)問題。普遍存在的情況是：能將單液銅鋅原電池的結(jié)構(gòu)模型與水果電池做匹配，能夠詳細分析水果電池的工作原理，僅從（1）小問來看，學(xué)生理解原電池結(jié)構(gòu)中各要素間的關(guān)聯(lián)，在理解模型維度上達到了水平2。但是在畫出串聯(lián)水果電池的模型時，則普遍發(fā)生類似的錯誤（見圖3）。這說明學(xué)生對原電池結(jié)構(gòu)的理解都是建立在銅鋅原電池這一固定模型，通過課堂學(xué)習(xí)和作業(yè)練習(xí)記住其工作原理，作出回答。第（3）小問作圖回答的方式，暴露出學(xué)生對于原電池的建構(gòu)還是存在問題，對于原電池模型的理解還是較為刻板。深層原因是目前習(xí)題大都以考察理解模型為主，學(xué)生僅需簡單理解課堂知識后再照搬應(yīng)用，而面對需要應(yīng)用模型或者建構(gòu)模型來解決問題時，會由于情境陌生、不熟練而生搬硬套。

與任課教師交流學(xué)生作答情況，測評結(jié)果后，教師認同該測評表現(xiàn)是有一定代表性，反映學(xué)生模型建構(gòu)普遍水平較低。有教師認為這是由于學(xué)生沒有理解模型各要素間的聯(lián)系所導(dǎo)致，因此在面對變化時對如何修改模型產(chǎn)生困難。此外，也有教師認為學(xué)生是在這方面的訓(xùn)練太少才會表現(xiàn)不佳。這也折射出當前試題側(cè)重方向的問題，即注重學(xué)生理解模型與應(yīng)用模型，對學(xué)生在建構(gòu)模型的訓(xùn)練較為少見。

4 總結(jié)與啟示

基于教學(xué)實踐與文獻研究，本研究首先提出一種新的模型分類方法。同時，與以往研究中認為模型認知素養(yǎng)僅只有四水平不同的是，提出該素養(yǎng)有著不同的維度，學(xué)生存在著不同維度上的水平差異，構(gòu)建了模型認知素養(yǎng)的三維度四水平框架。隨后基于該認識，確立一種可用于模型認知素養(yǎng)測評的路徑。通過評價任務(wù)的研發(fā)，即選擇內(nèi)容，確定素養(yǎng)水平，編制試題并確定水平表現(xiàn)，達成評價學(xué)生素養(yǎng)水平的目標。

測評實踐表明，開發(fā)的測量工具可以證實學(xué)生模型認知水平與學(xué)生的學(xué)業(yè)水平呈現(xiàn)正相關(guān)。對得分率等數(shù)據(jù)進一步分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)學(xué)生經(jīng)過高一一學(xué)期的學(xué)習(xí)后，處在模型認知素養(yǎng)水平中水平1與水平2之間，呈現(xiàn)向水平2靠近的特點。這也符合學(xué)生在這一階段的認知水平。同時不容忽視的是，學(xué)生之間的模型認知素養(yǎng)已顯現(xiàn)差距，如高分段學(xué)生與低分段學(xué)生之間已存在較大水平差異。

從學(xué)生各維度的水平來看，不難發(fā)現(xiàn)：高分段與低分段學(xué)生的差距在于對模型的理解，更在于對模型的應(yīng)用和建構(gòu)。同樣，教師想要提高中分段學(xué)生的模型認知素養(yǎng)，不僅要關(guān)注其理解模型、應(yīng)用模型的能力，更要重點發(fā)展他們的建構(gòu)模型能力。對學(xué)生而言，建構(gòu)模型是不容忽視的關(guān)鍵維度。而進一步探究水平差異產(chǎn)生的成因，主要在于學(xué)生更多的是停留在課堂上教師講的知識，并未內(nèi)化吸收為自己對模型的認識，致使應(yīng)用模型和建構(gòu)模型的水平一般或較低。這啟示教師在今后的教學(xué)實踐中，要強化真實情境中對模型的應(yīng)用，更要關(guān)注學(xué)生在陌生情境下建構(gòu)模型的表現(xiàn)。這對現(xiàn)行新教材背景下的試題設(shè)計和評價更有啟示和借鑒作用，對于其他的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)測評方式的構(gòu)建也起到借鑒參考作用。

最后由于本次研究的被試群體是上海市重點高中高一學(xué)生，測評標準僅以學(xué)業(yè)水平合格性考試為準繩，開發(fā)的測評工具僅判斷學(xué)生的素養(yǎng)表現(xiàn)是否達到水平1或水平2。因此在今后的教學(xué)實踐中，一方面考慮擴大被試的學(xué)校范圍及學(xué)生層次。另一方面，以即將使用新教材的學(xué)生為研究對象，進行長期的跟蹤調(diào)查。在模型認知素養(yǎng)維度水平表的基礎(chǔ)上，結(jié)合新教材內(nèi)容，開發(fā)對應(yīng)的測評工具，刻畫學(xué)生在高中三年學(xué)習(xí)中模型認知素養(yǎng)三維度上的水平變化。

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