中學(xué)生化學(xué)“定量化”能力的測(cè)評(píng)研究*

摘要：對(duì)化學(xué)“定量化”能力進(jìn)行了水平構(gòu)建，基于Rasch模型進(jìn)行了測(cè)量工具的開發(fā)及優(yōu)化、能力測(cè)量及數(shù)據(jù)分析。研究結(jié)果顯示，測(cè)量工具具有良好的信度、效度。依據(jù)大樣本測(cè)試數(shù)據(jù)，探討了高中不同年級(jí)學(xué)生“定量化”能力的水平分布，分析了“定量化”能力的年級(jí)差異以及性別差異。

關(guān)鍵詞：化學(xué)“定量化”能力；Rasch模型；測(cè)評(píng)

文章編號(hào)：1005–6629（2013）11–0013–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

從“定性”到“定量”是化學(xué)學(xué)科發(fā)展的里程碑，是人們對(duì)化學(xué)物質(zhì)及其變化的認(rèn)識(shí)向縱深發(fā)展的結(jié)果。在化學(xué)學(xué)習(xí)中，隨著學(xué)習(xí)進(jìn)程的展開，必然要求學(xué)生從量的角度來描述和探究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組成和變化。傳統(tǒng)化學(xué)課程將“化學(xué)計(jì)算”作為一項(xiàng)基本技能，但從量的角度解決化學(xué)問題并非單純的數(shù)學(xué)運(yùn)算，也并非簡(jiǎn)單的方法、技巧等技能的操練，而是“有意識(shí)、有意義、有目的、有方法的認(rèn)知和操作的共同體”[1]。學(xué)生依據(jù)化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法解決物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、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(xué)生從量的方面認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其變化的規(guī)律，體驗(yàn)定量研究方法在化學(xué)科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要作用。

1 “定量化”能力水平的構(gòu)建

中學(xué)化學(xué)的“定量化”學(xué)習(xí)內(nèi)容主要是以2個(gè)基本物理量——物質(zhì)的量和質(zhì)量為核心，結(jié)合基本概念原理和元素化合物知識(shí)而展開。從初中階段以質(zhì)量為核心到高中階段以物質(zhì)的量為核心，從核心概念到基礎(chǔ)計(jì)算再到綜合計(jì)算，遵循了從宏觀到微觀、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的認(rèn)知過程，構(gòu)建了從核心概念到基礎(chǔ)計(jì)算再到綜合計(jì)算的遞進(jìn)式體系。

理解化學(xué)概念的含義及化學(xué)原理、符號(hào)中所蘊(yùn)含的量的關(guān)系是解決定量化學(xué)問題的基礎(chǔ)。Nakleh和Silberma（1993）的研究表明如果學(xué)生想要恰當(dāng)?shù)靥幚矶炕瘜W(xué)問題，那么他們必須理解摩爾的含義[2]。Koch（1995）指出學(xué)生初學(xué)化學(xué)時(shí)在尋找抽象化學(xué)符號(hào)和描述化學(xué)過程之間的聯(lián)系、分子式所提供的定量信息（比如計(jì)量關(guān)系）方面會(huì)遇到困難。學(xué)生首先必須徹底掌握知識(shí)和方法，學(xué)會(huì)將化學(xué)符號(hào)轉(zhuǎn)換成有意義信息，才能解決定量化學(xué)問題[3]。Dori（2003）認(rèn)為有關(guān)物質(zhì)的量的化學(xué)計(jì)算問題可以從復(fù)雜性和轉(zhuǎn)換水平兩個(gè)維度來進(jìn)行分類。轉(zhuǎn)換次數(shù)越多，復(fù)雜性越大，學(xué)生解決化學(xué)計(jì)算問題時(shí)遇到的障礙就越多[4]?！八枷搿笔钦J(rèn)識(shí)的高級(jí)階段，是對(duì)事物本質(zhì)的、高級(jí)抽象和概括的認(rèn)識(shí)?；瘜W(xué)學(xué)科思想方法是對(duì)化學(xué)事實(shí)、化學(xué)理論以及化學(xué)方法的本質(zhì)認(rèn)識(shí)，思想方法往往使得化學(xué)定量化問題的解決事半功倍。

因此，根據(jù)“由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由基礎(chǔ)到綜合、由具體到抽象”的“定量化”能力發(fā)展的規(guī)律，構(gòu)建如下由低到高的4個(gè)水平：

水平1：認(rèn)識(shí)概念或符號(hào)中所蘊(yùn)含的數(shù)量關(guān)系。如，認(rèn)識(shí)化學(xué)方程式等符號(hào)中所蘊(yùn)含的質(zhì)量關(guān)系；知道溶解度等概念中蘊(yùn)含的數(shù)量關(guān)系；知道物質(zhì)的量等概念的計(jì)量含義等。

水平2：直接運(yùn)用數(shù)量關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)算。如，根據(jù)化學(xué)式、化學(xué)方程式進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)算；利用物質(zhì)的量等概念間的相互關(guān)系進(jìn)行換算等。

水平3：整合或轉(zhuǎn)換數(shù)量關(guān)系進(jìn)行綜合運(yùn)算。如，分析和處理圖表數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算；對(duì)溶液中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行運(yùn)算等。

水平4：運(yùn)用化學(xué)思想方法進(jìn)行運(yùn)算。如，運(yùn)用守恒法、差量法、關(guān)系式法等思想方法進(jìn)行一些較為復(fù)雜的運(yùn)算。

以上4個(gè)水平從認(rèn)識(shí)數(shù)量關(guān)系到直接運(yùn)用再到綜合運(yùn)用，最高水平為運(yùn)用化學(xué)思想方法，復(fù)雜性及轉(zhuǎn)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(xiàn)了化學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)的規(guī)律。

2 “定量化”能力測(cè)評(píng)研究

依上述“定量化”能力的4個(gè)水平編制測(cè)量工具，運(yùn)用Rasch模型分析測(cè)驗(yàn)結(jié)果[5]，修訂和優(yōu)化測(cè)量工具，并根據(jù)大樣本測(cè)試結(jié)果分析學(xué)高中生化學(xué)“定量化”能力現(xiàn)狀以及發(fā)展規(guī)律等。

2.1 研究工具

以“定量化”能力的4個(gè)水平層次為理論依據(jù)，編制了相應(yīng)的測(cè)量工具。第一輪試測(cè)結(jié)果經(jīng)過Rasch模型檢驗(yàn)之后，對(duì)某些項(xiàng)目進(jìn)行了修改，項(xiàng)目總數(shù)未變，形成了第二輪試測(cè)的測(cè)驗(yàn)卷，其中Q1～Q8是選擇題，Q9～Q13是建構(gòu)反應(yīng)題（建構(gòu)反應(yīng)題要求被試組織或建構(gòu)一份答案，在考查學(xué)生的高層次能力上具有優(yōu)勢(shì)，建構(gòu)反應(yīng)題的答案有封閉性答案和開放性答案兩種）。第二輪試測(cè)后再經(jīng)Rasch模型檢驗(yàn)修正后的測(cè)驗(yàn)卷可用于大樣本測(cè)試。具體項(xiàng)目與能力水平的對(duì)應(yīng)如表1所示。

對(duì)于選擇題而言，每一道題中均包含4個(gè)選項(xiàng)，僅有一個(gè)正確選項(xiàng)。對(duì)于建構(gòu)反應(yīng)題而言，則采用等級(jí)評(píng)分。以下幾例是對(duì)“定量化”能力測(cè)驗(yàn)卷中項(xiàng)目的簡(jiǎn)要分析說明：

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

A.m（溶液）： m（溶質(zhì)）=4：1

B.m（溶質(zhì)）： 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(rèn)識(shí)化學(xué)概念或化學(xué)符號(hào)中所蘊(yùn)含的數(shù)量關(guān)系”的考查內(nèi)容，旨在考查學(xué)生是否知道溶解度概念中所蘊(yùn)含的溶質(zhì)、溶劑以及飽和溶液三者之間的質(zhì)量關(guān)系。

例2 目前國(guó)際上通用“測(cè)氮法”標(biāo)定牛奶中蛋白質(zhì)含量，蛋白質(zhì)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（C HN ），相當(dāng)于增加蛋白質(zhì)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(yùn)用數(shù)量關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算”能力的考查內(nèi)容，旨在考查學(xué)生能否根據(jù)化學(xué)式進(jìn)行化合物質(zhì)量與其中所含元素質(zhì)量的換算。

例3 在標(biāo)準(zhǔn)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(guān)數(shù)據(jù)（假設(shè)反應(yīng)前后溶液體積不發(fā)生變化）。

請(qǐng)計(jì)算合金中Mg、Al的物質(zhì)的量之比。

說明：該題屬于“水平3：整合或轉(zhuǎn)換數(shù)量關(guān)系進(jìn)行綜合運(yùn)算”能力的考查內(nèi)容，旨在考查學(xué)生能否根據(jù)圖表所提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、正確選擇實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并根據(jù)化學(xué)化學(xué)方程式進(jìn)行運(yùn)算。

例4 硫代硫酸鈉是一種用途廣泛的化工產(chǎn)品，某廠技術(shù)人員設(shè)計(jì)了以下生產(chǎn)流程：

若由原料制S的轉(zhuǎn)化率為75%，制SO 的轉(zhuǎn)化率為90%，SO 制Na SO 的轉(zhuǎn)化率為95%，則用于制S和Na2SO3的原料的質(zhì)量比為多少時(shí)，才能制得最多Na S O （其他消耗不計(jì)）？

說明：該題屬于“水平4：運(yùn)用化學(xué)思想方法進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算”能力的考查內(nèi)容。題給信息中從原料到產(chǎn)品經(jīng)歷了多步化學(xué)反應(yīng)，若分步計(jì)算，則很煩瑣。若運(yùn)用關(guān)系式思想方法，根據(jù)多步反應(yīng)中最初反應(yīng)物和最終生成物之間量的關(guān)系，列出關(guān)系式進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，則將大大簡(jiǎn)化運(yùn)算過程。

2.2 研究樣本

本研究共進(jìn)行了三輪測(cè)驗(yàn)，被試組成如表2。第一輪測(cè)試用于初步考察測(cè)驗(yàn)工具的質(zhì)量，經(jīng)Rasch模型檢驗(yàn)分析后，對(duì)測(cè)驗(yàn)工具進(jìn)行修改，再進(jìn)行第二輪試測(cè)，根據(jù)第二輪試測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)分析決定修改后的測(cè)驗(yàn)卷可用于大樣本測(cè)試（第三輪）。因第一輪、第二輪試測(cè)主要用于考察、優(yōu)化測(cè)驗(yàn)工具的質(zhì)量，所用樣本較小，沒有選擇高三年級(jí)被試。第三輪測(cè)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(jí)中學(xué)作為樣本來源學(xué)校，分別在高一、高二、高三年級(jí)隨機(jī)抽取被試。

2.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Bond&Foxsteps1.0.0分析測(cè)驗(yàn)工具的信、效度，將項(xiàng)目難度與學(xué)生能力轉(zhuǎn)換成具有等距意義的logit分，再運(yùn)用SPSS18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。因篇幅有限，結(jié)果分析部分只采用第三輪測(cè)試的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果分析

3.1 測(cè)量工具信、效度分析

3.1.1 總體統(tǒng)計(jì)

表3是定量化能力測(cè)驗(yàn)（以下簡(jiǎn)稱Q測(cè)驗(yàn)）的總體統(tǒng)計(jì)結(jié)果。在Rasch模型中，一般將測(cè)驗(yàn)難度平均水平設(shè)置為0，被試能力平均水平則隨不同測(cè)試有所不同。由表3可知，被試能力平均分估計(jì)為1.34（Rasch分）；整份試卷的難度估計(jì)誤差僅為0.11，相比較而言被試的估計(jì)誤差較大，但在許可范圍內(nèi)；項(xiàng)目擬合指數(shù)皆在理想值左右（即MNSQ接近1，ZSTD接近0），說明測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理想模型具有較好的一致性；根據(jù)分離度數(shù)值（一般認(rèn)為大于2較好），說明測(cè)量工具能夠區(qū)分不同能力水平的被試；被試和項(xiàng)目都具有較高的信度。因此，總體而言，該測(cè)驗(yàn)工具體現(xiàn)出良好的性能。

3.1.2 其他指標(biāo)

單維性是Rasch模型的基本假設(shè)之一，即測(cè)驗(yàn)所測(cè)量到的是被試的單一主要能力或單一主要潛在特質(zhì)。根據(jù)Bond&Foxsteps1.0.0軟件的分析，本測(cè)驗(yàn)卷的13個(gè)項(xiàng)目中，有2個(gè)項(xiàng)目（A-Q7、A-Q13）稍超出許可范圍，但絕大部分項(xiàng)目符合要求，可以認(rèn)為該卷所測(cè)量的主要是一種結(jié)構(gòu)——“定量化”能力，具有單維性；從項(xiàng)目-被試對(duì)應(yīng)情況上看，本測(cè)驗(yàn)卷13個(gè)項(xiàng)目難度范圍較廣，且基本均勻分散，項(xiàng)目所對(duì)應(yīng)的水平層次與預(yù)設(shè)的水平層次基本一致，學(xué)生能力分布也較為理想，中間多，兩端少；具體項(xiàng)目的擬合度除Q9，Q10的ZSTD值稍超出取值范圍（-2～+2），其他項(xiàng)目的數(shù)據(jù)-模型擬合指數(shù)都在許可值范圍之內(nèi)，項(xiàng)目的誤差都較小，點(diǎn)測(cè)量相關(guān)都較高。

總之，根據(jù)“定量化”能力水平所編制的測(cè)量工具經(jīng)Rasch模型檢驗(yàn)，在項(xiàng)目和被試信度、誤差、分離度等信度指標(biāo)上，在單維性、項(xiàng)目-被試對(duì)應(yīng)、數(shù)據(jù)-模型擬合、點(diǎn)-測(cè)量相關(guān)等效度指標(biāo)上皆符合Rasch模型的基本要求，本研究測(cè)量工具可靠、可信。測(cè)驗(yàn)結(jié)果可用于后續(xù)對(duì)學(xué)生定量化能力特征的分析。

3.2 “定量化”能力數(shù)據(jù)分析

3.2.1 “定量化”能力的年級(jí)差異分析

（1）總體描述

表4是高中三個(gè)年級(jí)Q測(cè)驗(yàn)的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果。高一、高二兩個(gè)年級(jí)的極大值都是4.48，高一年級(jí)的全距最大，高三年級(jí)的全距最小。三個(gè)年級(jí)的平均分隨年級(jí)的升高而上升。

表5的方差齊性檢驗(yàn)結(jié)果顯示，三個(gè)年級(jí)的方差不齊性；F檢驗(yàn)表明三個(gè)組中至少有一個(gè)組和其他兩個(gè)組有明顯的差別，也有可能3個(gè)組之間都存在顯著的差別。因?yàn)楦鹘M方差不齊性，表6采用Tamhane檢驗(yàn)三組均數(shù)差異的顯著性，結(jié)果顯示，三個(gè)年級(jí)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(tǒng)計(jì)分析可知，對(duì)于“定量化”能力而言，高一、高二、高三三個(gè)年級(jí)的水平依次升高，且有著顯著性差異。

（2）在各個(gè)水平層次上的比較

將Q卷中每個(gè)水平所對(duì)應(yīng)的各個(gè)項(xiàng)目的難度估計(jì)進(jìn)行平均可得到每個(gè)水平的難度平均值，如表7所示，以此平均值作為判斷學(xué)生“定量化”能力水平的依據(jù)。當(dāng)學(xué)生的能力值低于-1.41時(shí)，則認(rèn)為學(xué)生的“定量化”能力水平低于水平1；當(dāng)學(xué)生的能力值為-1.41～-0.05時(shí)，則位于水平1；當(dāng)學(xué)生的能力值為-0.05～0.82時(shí)，則位于水平2；當(dāng)學(xué)生的能力值為0.82～1.67時(shí)，則位于水平3；當(dāng)學(xué)生的能力值大于1.67時(shí)，則位于水平4。

本研究被試樣本中高一、高二、高三三個(gè)年級(jí)學(xué)生Q卷的平均分分別為1.08、1.33、1.63（見表4），結(jié)合表8，可以認(rèn)為高一、高二、高三三個(gè)年級(jí)學(xué)生的“定量化”能力的平均水平皆已達(dá)到層次3（整合或轉(zhuǎn)換數(shù)量關(guān)系進(jìn)行綜合運(yùn)算）。三個(gè)年級(jí)在不同能力水平層次上的人數(shù)及比例如表8所示。

由表8可見，高一、高二年級(jí)中有極少數(shù)學(xué)生的“定量化”能力水平低于水平1（認(rèn)識(shí)概念或符號(hào)中所蘊(yùn)含的數(shù)量關(guān)系），每個(gè)年級(jí)中皆有位于水平1的學(xué)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(xué)生位于水平2（直接運(yùn)用數(shù)量關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)算），高三學(xué)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(gè)年級(jí)所占的人數(shù)比例隨年級(jí)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(xué)生化學(xué)“定量化”能力性別差異的T檢驗(yàn)結(jié)果。可知，在“定量化”能力上，男生的成績(jī)稍高于女生。T檢驗(yàn)的結(jié)果表明，在4個(gè)測(cè)驗(yàn)上，男女兩組的方差齊性，Q測(cè)驗(yàn)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(xué)“定量化”能力上略有差異，但差異性并不顯著。

4 研究結(jié)論

本研究對(duì)化學(xué)“定量化”能力進(jìn)行了水平構(gòu)建，基于 Rasch 模型開發(fā)和優(yōu)化了測(cè)量工具，在三個(gè)年級(jí)實(shí)施了能力測(cè)量。結(jié)果表明，修訂后的測(cè)量工具在多種數(shù)據(jù)指標(biāo)上符合Rasch模型所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)，測(cè)量工具具有良好的信度和效度。根據(jù)大樣本測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，我們發(fā)現(xiàn)，測(cè)量樣本中的高中生表現(xiàn)出了較高的“定量化”能力，三個(gè)年級(jí)的學(xué)生都達(dá)到了水平3，特別是高三年級(jí)學(xué)生已接近水平4。隨著年級(jí)的增加，學(xué)生的定量化能力逐步提高，且三個(gè)年級(jí)間存在顯著性差異。每個(gè)年級(jí)在從低到高的4個(gè)水平上，都分布著一定的人數(shù)。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(gè)年級(jí)的學(xué)生在”定量化“能力上的差異主要表現(xiàn)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(yīng)設(shè)計(jì)更多的項(xiàng)目深入、細(xì)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(píng)價(jià)的框架；另一方面，所開發(fā)的測(cè)量工具，總體上表現(xiàn)出良好的性能，但仍存在不足。如，有少數(shù)幾個(gè)項(xiàng)目的單維性檢驗(yàn)負(fù)荷值較大，項(xiàng)目水平與能力水平還不能完全對(duì)應(yīng)；測(cè)量樣本的來源還需更廣泛等等。這些方面的進(jìn)一步改進(jìn)將有助于“定量化”能力測(cè)評(píng)質(zhì)量的提高。

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