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中学生化学定量化能力的测评问题和方式教育论文
从“定性”到“定量”是化学学科发展的里程碑,是人们对化学物质及其变化的认识向纵深发展的结果。在化学学习中,随着学习进程的展开,必然要求学生从量的角度来描述和探究物质的结构、组成和变化。传统化学课程将“化学计算”作为一项基本技能,但从量的角度解决化学问题并非单纯的数学运算,也并非简单的方法、技巧等技能的操练,而是“有意识、有意义、有目的、有方法的认知和操作的共同体”[1]。学生依据化学基础知识,运用数学方法解决物质组成、结构、变化中“量”的问题的能力称为“定量化”能力。具备“定量化”能力,能使学生从量的方面认识物质及其变化的规律,体验定量研究方法在化学科学研究和工农业生产中的重要作用。
1 “定量化”能力水平的构建
中学化学的“定量化”学习内容主要是以2个基本物理量——物质的量和质量为核心,结合基本概念原理和元素化合物知识而展开。从初中阶段以质量为核心到高中阶段以物质的量为核心,从核心概念到基础计算再到综合计算,遵循了从宏观到微观、从简单到复杂的认知过程,构建了从核心概念到基础计算再到综合计算的递进式体系。
理解化学概念的含义及化学原理、符号中所蕴含的量的关系是解决定量化学问题的基础。Nakleh和Silberma(1993)的研究表明如果学生想要恰当地处理定量化学问题,那么他们必须理解摩尔的含义[2]。Koch(1995)指出学生初学化学时在寻找抽象化学符号和描述化学过程之间的联系、分子式所提供的定量信息(比如计量关系)方面会遇到困难。学生首先必须彻底掌握知识和方法,学会将化学符号转换成有意义信息,才能解决定量化学问题[3]。Dori(2003)认为有关物质的量的化学计算问题可以从复杂性和转换水平两个维度来进行分类。转换次数越多,复杂性越大,学生解决化学计算问题时遇到的障碍就越多[4]。“思想”是认识的高级阶段,是对事物本质的、高级抽象和概括的认识。化学学科思想方法是对化学事实、化学理论以及化学方法的本质认识,思想方法往往使得化学定量化问题的解决事半功倍。
因此,根据“由简单到复杂、由基础到综合、由具体到抽象”的“定量化”能力发展的规律,构建如下由低到高的4个水平:
水平1:认识概念或符号中所蕴含的数量关系。如,认识化学方程式等符号中所蕴含的质量关系;知道溶解度等概念中蕴含的数量关系;知道物质的量等概念的计量含义等。
水平2:直接运用数量关系进行简单运算。如,根据化学式、化学方程式进行简单的运算;利用物质的量等概念间的相互关系进行换算等。
水平3:整合或转换数量关系进行综合运算。如,分析和处理图表数据或实验数据进行运算;对溶液中发生的化学反应进行运算等。
水平4:运用化学思想方法进行运算。如,运用守恒法、差量法、关系式法等思想方法进行一些较为复杂的运算。
以上4个水平从认识数量关系到直接运用再到综合运用,最高水平为运用化学思想方法,复杂性及转换水平逐渐增加,思维及定量化要求逐步提高,水平的划分体现了化学学科学习的规律。
2 “定量化”能力测评研究
依上述“定量化”能力的4个水平编制测量工具,运用Rasch模型分析测验结果[5],修订和优化测量工具,并根据大样本测试结果分析学高中生化学“定量化”能力现状以及发展规律等。
2.1 研究工具
以“定量化”能力的4个水平层次为理论依据,编制了相应的测量工具。第一轮试测结果经过Rasch模型检验之后,对某些项目进行了修改,项目总数未变,形成了第二轮试测的测验卷,其中Q1~Q8是选择题,Q9~Q13是建构反应题(建构反应题要求被试组织或建构一份答案,在考查学生的高层次能力上具有优势,建构反应题的答案有封闭性答案和开放性答案两种)。第二轮试测后再经Rasch模型检验修正后的测验卷可用于大样本测试。具体项目与能力水平的对应如表1所示。
对于选择题而言,每一道题中均包含4个选项,仅有一个正确选项。对于建构反应题而言,则采用等级评分。以下几例是对“定量化”能力测验卷中项目的简要分析说明:
例1 在10℃时,KNO3 的溶解度是20 g,则此温度下的饱和溶液中,下列关系正确的是( )
A.m(溶液): m(溶质)=4:1
B.m(溶质): m(溶剂)=1:4
C.m(溶液): m(溶剂)=6:5
D.m(溶剂): m(溶液)=4:5
说明:该题属于“水平1:认识化学概念或化学符号中所蕴含的数量关系”的考查内容,旨在考查学生是否知道溶解度概念中所蕴含的溶质、溶剂以及饱和溶液三者之间的质量关系。
例2 目前国际上通用“测氮法”标定牛奶中蛋白质含量,蛋白质中含氮量平均为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 ),相当于增加蛋白质约( )
A.4.2 g B.3.2 g C.0.7 g D.1.6 g
说明:该题属于“水平2:直接运用数量关系进行简单的计算”能力的考查内容,旨在考查学生能否根据化学式进行化合物质量与其中所含元素质量的换算。
例3 在标准状况下,取甲、乙、丙各30.0 mL相同浓度的盐酸,然后分别慢慢加入组成相同的镁铝合金粉末,得到下表中有关数据(假设反应前后溶液体积不发生变化)。
请计算合金中Mg、Al的物质的量之比。
说明:该题属于“水平3:整合或转换数量关系进行综合运算”能力的考查内容,旨在考查学生能否根据图表所提供的实验数据、正确选择实验数据并根据化学化学方程式进行运算。
例4 硫代硫酸钠是一种用途广泛的化工产品,某厂技术人员设计了以下生产流程:
若由原料制S的转化率为75%,制SO2 的转化率为90%,SO2 制Na2 SO3 的转化率为95%,则用于制S和Na2SO3的原料的质量比为多少时,才能制得最多Na2 S2 O3 (其他消耗不计)?
说明:该题属于“水平4:运用化学思想方法进行复杂运算”:请记住我站域名能力的考查内容。题给信息中从原料到产品经历了多步化学反应,若分步计算,则很烦琐。若运用关系式思想方法,根据多步反应中最初反应物和最终生成物之间量的关系,列出关系式进行相关运算,则将大大简化运算过程。
2.2 研究样本
本研究共进行了三轮测验,被试组成如表2。第一轮测试用于初步考察测验工具的质量,经Rasch模型检验分析后,对测验工具进行修改,再进行第二轮试测,根据第二轮试测结果的数据分析决定修改后的测验卷可用于大样本测试(第三轮)。因第一轮、第二轮试测主要用于考察、优化测验工具的质量,所用样本较小,没有选择高三年级被试。第三轮测试样本较大,采取分层抽样形式,选取了某省三所不同层次的高级中学作为样本来源学校,分别在高一、高二、高三年级随机抽取被试。
2.3 数据处理
运用Bond&Foxsteps1.0.0分析测验工具的信、效度,将项目难度与学生能力转换成具有等距意义的logit分,再运用SPSS18.0软件进行统计分析。因篇幅有限,结果分析部分只采用第三轮测试的数据。
3 结果分析
3.1 测量工具信、效度分析
3.1.1 总体统计
表3是定量化能力测验(以下简称Q测验)的总体统计结果。在Rasch模型中,一般将测验难度平均水平设置为0,被试能力平均水平则随不同测试有所不同。由表3可知,被试能力平均分估计为1.34(Rasch分);整份试卷的难度估计误差仅为0.11,相比较而言被试的估计误差较大,但在许可范围内;项目拟合指数皆在理想值左右(即MNSQ接近1,ZSTD接近0),说明测验数据与理想模型具有较好的一致性;根据分离度数值(一般认为大于2较好),说明测量工具能够区分不同能力水平的被试;被试和项目都具有较高的信度。因此,总体而言,该测验工具体现出良好的性能。
3.1.2 其他指标
单维性是Rasch模型的基本假设之一,即测验所测量到的是被试的单一主要能力或单一主要潜在特质。根据Bond&Foxsteps1.0.0软件的分析,本测验卷的13个项目中,有2个项目(A-Q7、A-Q13)稍超出许可范围,但绝大部分项目符合要求,可以认为该卷所测量的主要是一种结构——“定量化”能力,具有单维性;从项目-被试对应情况上看,本测验卷13个项目难度范围较广,且基本均匀分散,项目所对应的水平层次与预设的水平层次基本一致,学生能力分布也较为理想,中间多,两端少;具体项目的拟合度除Q9,Q10的ZSTD值稍超出取值范围(-2~+2),其他项目的数据-模型拟合指数都在许可值范围之内,项目的误差都较小,点测量相关都较高。
总之,根据“定量化”能力水平所编制的测量工具经Rasch模型检验,在项目和被试信度、误差、分离度等信度指标上,在单维性、项目-被试对应、数据-模型拟合、点-测量相关等效度指标上皆符合Rasch模型的基本要求,本研究测量工具可靠、可信。测验结果可用于后续对学生定量化能力特征的分析。
3.2 “定量化”能力数据分析
3.2.1 “定量化”能力的年级差异分析
(1)总体描述
表4是高中三个年级Q测验的描述性统计结果。高一、高二两个年级的极大值都是4.48,高一年级的全距最大,高三年级的全距最小。三个年级的平均分随年级的升高而上升。
表5的方差齐性检验结果显示,三个年级的方差不齐性;F检验表明三个组中至少有一个组和其他两个组有明显的差别,也有可能3个组之间都存在显着的差别。因为各组方差不齐性,表6采用Tamhane检验三组均数差异的显着性,结果显示,三个年级之间的相伴概率皆小于显着性水平0.05,具有显着差异。
由以上统计分析可知,对于“定量化”能力而言,高一、高二、高三三个年级的水平依次升高,且有着显着性差异。
(2)在各个水平层次上的比较
将Q卷中每个水平所对应的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,如表7所示,以此平均值作为判断学生“定量化”能力水平的依据。当学生的能力值低于-1.41时,则认为学生的“定量化”能力水平低于水平1;当学生的能力值为-1.41~-0.05时,则位于水平1;当学生的能力值为-0.05~0.82时,则位于水平2;当学生的能力值为0.82~1.67时,则位于水平3;当学生的能力值大于1.67时,则位于水平4。
本研究被试样本中高一、高二、高三三个年级学生Q卷的平均分分别为1.08、1.33、1.63(见表4),结合表8,可以认为高一、高二、高三三个年级学生的“定量化”能力的平均水平皆已达到层次3(整合或转换数量关系进行综合运算)。三个年级在不同能力水平层次上的人数及比例如表8所示。
由表8可见,高一、高二年级中有极少数学生的“定量化”能力水平低于水平1(认识概念或符号中所蕴含的数量关系),每个年级中皆有位于水平1的学生,但所占比例很小,分别为7.4%、1.2%、0.4%;高一、高二分别有31.9%、22.8%的学生位于水平2(直接运用数量关系进行简单运算),高三学生中处于水平2的较少,为7.3%;在水平3和水平4上高一、高二、高三三个年级所占的人数比例随年级升高逐步增加。
3.2.2 “定量化”能力的性别差异分析
表9是中学生化学“定量化”能力性别差异的T检验结果。可知,在“定量化”能力上,男生的成绩稍高于女生。T检验的结果表明,在4个测验上,男女两组的方差齐性,Q测验的相伴概率为0.069,略大于显着性水平0.05,也就是说,男女生在化学“定量化”能力上略有差异,但差异性并不显着。
4 研究结论
本研究对化学“定量化”能力进行了水平构建,基于 Rasch 模型开发和优化了测量工具,在三个年级实施了能力测量。结果表明,修订后的测量工具在多种数据指标上符合Rasch模型所规定的标准和结构,测量工具具有良好的信度和效度。根据大样本测试结果的数据分析,我们发现,测量样本中的高中生表现出了较高的“定量化”能力,三个年级的学生都达到了水平3,特别是高三年级学生已接近水平4。随着年级的增加,学生的定量化能力逐步提高,且三个年级间存在显着性差异。每个年级在从低到高的4个水平上,都分布着一定的人数。男、女生之间的“定量化“能力略有差异,但差异性不显着。
值得思考的是,三个年级的学生在”定量化“能力上的差异主要表现在同一水平(水平3)上,这说明在该水平上还存在着不同的亚层能力,应设计更多的项目深入、细致地考察不同的能力水平,以建立起更为精确的“定量化”能力评价的框架;另一方面,所开发的测量工具,总体上表现出良好的性能,但仍存在不足。如,有少数几个项目的单维性检验负荷值较大,项目水平与能力水平还不能完全对应;测量样本的来源还需更广泛等等。这些方面的进一步改进将有助于“定量化”能力测评质量的提高
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