高中化學(xué)“證據(jù)推理”素養(yǎng)水平測評研究

孫妍 王后雄

關(guān)鍵詞：學(xué)科核心素養(yǎng);證據(jù)推理;素養(yǎng)水平;Rasch模型;素養(yǎng)測評

1研究背景

“證據(jù)推理”素養(yǎng)作為化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分之一，是化學(xué)學(xué)科思維方式的外在體現(xiàn)，是化學(xué)科高考評價體系中的重要考察內(nèi)容。

隨著“證據(jù)推理”在科學(xué)教育中地位的提高，其質(zhì)量評價也得到眾多研究者的青睞?，F(xiàn)有的評價工具中最典型的便是基于圖爾敏（Toulmin）論證模式所構(gòu)建的評價標(biāo)準(zhǔn)，通常從單角度或多個角度對“證據(jù)推理”進行水平劃分，反映出圖爾敏論證模式六要素（資料、主張、根據(jù)、限定、支持、反駁）之間的關(guān)系。如Erduran認(rèn)為，不同論證能力水平的差異性主要依據(jù)要素的組成方式，并建構(gòu)包含五個水平的評價標(biāo)準(zhǔn);Sandoval在建構(gòu)評價標(biāo)準(zhǔn)時將維度增加為四個（因果結(jié)構(gòu)、因果一致性、引用證據(jù)、明確辯護），并設(shè)計四個水平的評價量表進行測評。多維度評價標(biāo)準(zhǔn)雖較為全面，使得原先標(biāo)準(zhǔn)中一些含糊的、有歧義的概念得到解釋，但大大增加了研究者評價的難度，致使評價量表的效度下降。

國內(nèi)有關(guān)“證據(jù)推理”的研究通常是結(jié)合我國教育背景和課程發(fā)展現(xiàn)狀對現(xiàn)有框架經(jīng)過本土化改造后探查學(xué)生能力發(fā)展的現(xiàn)狀、影響因素等。本研究以2017年版課標(biāo)為依托，試圖通過測評研究揭示當(dāng)前高中生“證據(jù)推理”素養(yǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀，為化學(xué)教育研究者和一線教師提供數(shù)據(jù)支撐。

2研究基礎(chǔ)

2.1“證據(jù)推理”素養(yǎng)水平構(gòu)建

2017年版課標(biāo)中指出“證據(jù)推理”素養(yǎng)有4級水平，如表1所示。

從4個素養(yǎng)水平的內(nèi)涵界定可以發(fā)現(xiàn)：水平1突出對學(xué)生宏觀證據(jù)提取與推理能力的要求;水平2不僅重視微觀證據(jù)，還重視推理視角的多樣化;水平3則進一步要求發(fā)展學(xué)生的定性分析與定量計算能力;水平4不僅關(guān)注證據(jù)的充分性，更重視學(xué)生對證據(jù)與結(jié)論之間關(guān)系的解釋。四個素養(yǎng)水平層層遞進，均是在前一個水平基礎(chǔ)上發(fā)展而來。

2.2“證據(jù)推理”素養(yǎng)測評的原理

“證據(jù)推理”素養(yǎng)作為一種個性心理特征無法直接考察，需要通過學(xué)生一定的外顯行為表現(xiàn)進行間接測量。項目反應(yīng)理論通過數(shù)學(xué)建模解釋被試（對象）對項目的反應(yīng)和其潛在特質(zhì)之間的關(guān)系，其中最常用的函數(shù)形式是累計正態(tài)分布函數(shù)和累計邏輯斯蒂（Logistic）分布函數(shù)。Rasch模型是僅有一個參數(shù)的邏輯斯蒂（Logistic）分布函數(shù)，其將原始分采用自然對數(shù)的方式轉(zhuǎn)化成logit分，具有客觀等距的特性。以Rasch模型為基礎(chǔ)衍生出眾多測量模型，Wilson的“四基石”模型（見圖1）便是其中一種，主要包括結(jié)構(gòu)圖、項目設(shè)計、結(jié)果空間、測量模型四個維度，四者共同作用揭示個

3研究方法

研究選定“常見的無機物及其應(yīng)用”為主題，依據(jù)“證據(jù)推理”素養(yǎng)4個水平劃分開發(fā)測評工具，基于Winsteps3. 73.3軟件對工具的信度、效度的分析對測評工具進行修改和優(yōu)化，直至工具符合Rasch模型要求，再進行大樣本測試。其具體流程如圖2所示。

3.1命題框架的制定

研究選擇主題“常見的無機物及其應(yīng)用”為測評工具的主要內(nèi)容，各項目包括該主題下“元素與物質(zhì)”、“氧化還原反應(yīng)”等五個核心概念。將“證據(jù)推理”素養(yǎng)四個水平與五個核心概念相結(jié)合，建構(gòu)出素養(yǎng)測評的二維命題框架（如表2所示）。對近5年高考化學(xué)真題進行篩選及整理，一方面保證考點的全面性，更重要的是保證試題能夠均勻分散在各個水平上。

該題考查“水平2”，學(xué)生需要在宏觀與微觀結(jié)合的基礎(chǔ)上多角度分析問題。A、B、D的選項中，除所給條件外，仍有其他情況符合描述，如“COi同樣與Ba2+生成白色沉淀”“FeCI，和Fe的混合物滴加KSCN溶液不出現(xiàn)血紅色”“固體中有AlO：滴加鹽酸生成白色沉淀，再加NaOH溶液沉淀溶解”。C選項的證據(jù)為NH4的檢驗方式“滴加NaOH溶液，加熱，判斷是否有使?jié)駶櫦t色石蕊試紙變藍(lán)的氣體”生成進行推理，由于選項中沒有“加熱”一詞，故C正確。

oio將晶體X加熱分解，可得六種產(chǎn)物，由各分解產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比推測X的組成類似于明礬，若向一定量的X的濃溶液中逐滴加入濃NaOH溶液至過量，則產(chǎn)生沉淀的質(zhì)量隨加入NaOH溶液體積的變化的正確圖像是（填字母）。

該題考查“水平3”，學(xué)生需要定性分析題干中所給信息（即X的組成），推理出何種成分（ Al、NH4）與NaOH溶液反應(yīng)，再進一步從三者反應(yīng)的定量關(guān)系[ NaOH先與Al3+反應(yīng)后與NH4反應(yīng)，最后與生成的Al（ OH），作用生成A102]推出結(jié)論。

Q19化學(xué)小組進行實驗后得到沉淀，對物質(zhì)性質(zhì)分析得出：沉淀B可能為Ag2SO，.Ag2S04或二者混合物。（資料：Ag2S04微溶于水;Ag2S03難溶于水）

實驗二：驗證B的成分

取上層清液繼續(xù)滴加BaCl，溶液，未出現(xiàn)白色沉淀，根據(jù)此現(xiàn)象判斷B不合哪種物質(zhì)，并說出理由

該題考察“水平2”和“水平4”，要求學(xué)生從微觀角度根據(jù)物質(zhì)性質(zhì)（Ba2+遇S04生成白色沉淀）提取證據(jù)，以此推理出B中不含Ag2S04，并要說明該結(jié)論與證據(jù)之間的關(guān)系。

3.3研究樣本

本研究共進行了三輪測試（被試組成如表3所示），前兩輪測試的樣本來源于武漢市某重點高中高二某班，目的在于檢驗測評工具的質(zhì)量。大樣本測試采取分層抽樣的形式，在同一所高中的高二、高三年級隨機抽取被試。

3.4數(shù)據(jù)分析

將所有被試數(shù)據(jù)錄入Excel 2019，進一步將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Winsteps3. 72.3進行工具質(zhì)量檢驗，隨后從Winsteps3. 72.3導(dǎo)出數(shù)據(jù)，此時項目難度與被試能力水平已被轉(zhuǎn)化成具有等距意義的logits值，將轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)導(dǎo)人SPSS 25.0作進一步分析。

4結(jié)果分析

4.1測評工具的質(zhì)量檢驗

將整理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)人Winsteps3. 72.3進行總體質(zhì)量分析，結(jié)果如表4所示。

數(shù)據(jù)顯示，被試的平均能力水平（0.05）略高于項目平均難度值（0.00）;測評工具的誤差為0. 07，說明本次測試的精確度較高;項目與被試的區(qū)分度與信度均高出要求值（一般要求區(qū)分度≥2，信度≥0.8）;項目擬合指數(shù)（ MNSQ、ZSTD）均在理想值左右（MNSQ理想值為1，ZSTD理想值為0）。

繪制標(biāo)準(zhǔn)殘差對比圖（略），大部分的項目處于[-0.4，0.4]的區(qū)間范圍之內(nèi)，基本滿足單維性檢驗要求。繪制懷特圖（略）將被試的能力水平與項目難度放置于同一量尺中進行比較，各個項目難度水平基本與預(yù)設(shè)水平一致，符合Rasch模型的基本要求。

綜上可知，測評工具的總體質(zhì)量良好，具有良好的信度和效度。

4.2學(xué)生的高中化學(xué)“證據(jù)推理”素養(yǎng)分析

4.2.1“證據(jù)推理”素養(yǎng)水平劃分

將試卷中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。當(dāng)學(xué)生能力水平低于-1. 24時，則認(rèn)為學(xué)生尚未達(dá)到水平1;當(dāng)學(xué)生的能力水平處于-1. 24- -0. 24時，則認(rèn)為處于水平1;當(dāng)學(xué)生的能力水平處于-0. 24 -0. 24時，則認(rèn)為其處于水平2;當(dāng)學(xué)生的能力水平處于0. 24 -0.90時，則認(rèn)為其處于水平3;當(dāng)學(xué)生的能力水平高于0. 90時，則可視為已達(dá)到水平4的基本要求。

4.2.2“證據(jù)推理”素養(yǎng)水平整體發(fā)展情況

為探知被試在各個素養(yǎng)水平上的分布情況，繪制被試“證據(jù)推理”素養(yǎng)各水平人數(shù)百分比分布表。由表5可知，處于水平2的學(xué)生人數(shù)最多;僅有5%的學(xué)生達(dá)到水平4。

4.2.3“證據(jù)推理”素養(yǎng)水平的年級差異性分析

表6顯示了兩個年級高中化學(xué)“證據(jù)推理”素養(yǎng)水平的描述性統(tǒng)計結(jié)果。由表可知，極大值出現(xiàn)在高三年級，為2. 07;極小值為高二年級某被試，為-1. 99。高二、高三年級被試的均分分別為-0. 2058、0.0768，高三年級的均分顯著高于高二年級。

對兩個年級“證據(jù)推理”素養(yǎng)均分進行獨立樣本T檢驗（見表7）。數(shù)據(jù)顯示萊文統(tǒng)計中顯著性值為0. 085>0.05，因此認(rèn)為方差具有齊性，T檢驗的結(jié)果具有參考價值。在獨立樣本T檢驗中，顯著性為0. 000，說明高二、高三年級在“證據(jù)推理”素養(yǎng)得分上存在顯著的差異。

繪制不同年級被試“證據(jù)推理”素養(yǎng)水平百分比分布表（如表8所示），高三年級與高二年級相比，處于水平1的被試占比明顯減少，處于水平3及水平4的被試人數(shù)占比略有上升，高三年級的“證據(jù)推理”素養(yǎng)水平高于高二年級。

從具體核心概念分析（如圖3所示），兩個年級的素養(yǎng)水平表現(xiàn)差距主要來源于“氧化還原反應(yīng)…‘電離與離子反應(yīng)”這兩大核心概念，相較于其他核心概念，這兩類知識抽象性、邏輯性更強，對學(xué)生的抽象思維能力要求更高，差距可能源自高三年級總體平均抽象思維能力高于高二年級。除此之外，選修課程的學(xué)習(xí)和已經(jīng)開始的一輪復(fù)習(xí)發(fā)展了高三年級學(xué)生的思維方式，加深了其對相關(guān)知識的記憶，這也是使得高三年級各主題“證據(jù)推理”素養(yǎng)水平均高于高二年級的原因。

4.2.4“證據(jù)推理”素養(yǎng)水平的學(xué)業(yè)表現(xiàn)差異性分析

以該區(qū)11月的期中統(tǒng)考的學(xué)科總成績?yōu)橐罁?jù)，按照總成績得分排名將被試進行學(xué)業(yè)表現(xiàn)分類，將年級總分排名前27%的被試劃為學(xué)優(yōu)生;總分排名后27%的被試劃分為學(xué)困生;剩余的中間排名的被試則為學(xué)中生（如表9所示）。

對三類被試的結(jié)果進行描述性統(tǒng)計，如表10所示，極大值出現(xiàn)在學(xué)優(yōu)生被試當(dāng)中，為2. 07;極小值出現(xiàn)在學(xué)困生當(dāng)中，為-1. 99，從Rasch得分均值來看，被試均值得分：學(xué)優(yōu)生>學(xué)中生>學(xué)困生。

通過方差分析（如表11所示）對比三組平均數(shù)差異的顯著性，顯著性為0. 000，說明學(xué)優(yōu)生、學(xué)中生、學(xué)困生三個類別之間存在顯著性差異。

采用LSD法對樣本進行事后多重比較。由表12可知，學(xué)優(yōu)生、學(xué)中生與學(xué)困生三組兩兩之間均存在著顯著差異。

由表13可知，學(xué)優(yōu)生中處于高水平（水平3、水平4）的被試占比為三類被試中最多;學(xué)中生中水平1、2、3人數(shù)分布平均;學(xué)困生中90%的被試處于低水平?？傮w上說，學(xué)業(yè)表現(xiàn)水平與“證據(jù)推理”素養(yǎng)水平基本呈正相關(guān)關(guān)系。

從具體核心概念分析，三類被試的水平差異再次反映出抽象思維方式對學(xué)生“證據(jù)推理”素養(yǎng)水平的影響。值得一提的是，學(xué)優(yōu)生與學(xué)中生之間的差距顯著大于學(xué)中生與學(xué)困生之間的差距，這一現(xiàn)象在“氧化還原反應(yīng)”與“電離與離子反應(yīng)”核心概念上尤為明顯，表明“證據(jù)推理”素養(yǎng)水平的發(fā)展在學(xué)中生到學(xué)優(yōu)生有一個跨越，說明“證據(jù)推理”素養(yǎng)水平與學(xué)業(yè)表現(xiàn)并不是簡單呈正比例相關(guān)，而是隨著成績上升其上升幅度越大（見圖4）。

5研究結(jié)論與啟示

5.1研究結(jié)論

（1）從整體上看，在“常見的無機物及其應(yīng)用”模塊，學(xué)生“證據(jù)推理”素養(yǎng)水平主要處于水平2。其中，學(xué)生在“元素與物質(zhì)”“金屬及其化合物”“非金屬及其化合物”等核心概念的素養(yǎng)水平較高，在“氧化還原反應(yīng)”“電離與離子反應(yīng)”等核心概念的表現(xiàn)不佳。

（2）從年級差異上看，學(xué)生化學(xué)“證據(jù)推理”素養(yǎng)水平隨年級升高而呈上升趨勢。高三年級在“氧化還原反應(yīng)”“非金屬及其化合物”等核心概念的素養(yǎng)水平顯著高于高二年級。

（3）從學(xué)業(yè)表現(xiàn)上看，學(xué)生化學(xué)“證據(jù)推理”素養(yǎng)水平隨學(xué)業(yè)成績而呈上升趨勢，其中學(xué)優(yōu)生與學(xué)中生之間差距大于學(xué)中生與學(xué)困生之間的差距。

5.2研究啟示

5.2.1關(guān)注知識內(nèi)容與素養(yǎng)水平之間的關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在不同核心概念下所表現(xiàn)出的“證據(jù)推理”素養(yǎng)水平不同，因此在日常教學(xué)中，教師應(yīng)依據(jù)模塊特征，以學(xué)生素養(yǎng)水平發(fā)展要求為依據(jù)，制定具體的教學(xué)目標(biāo)實施教學(xué)。如對于“元素化合物及性質(zhì)”，學(xué)生已經(jīng)能從宏微結(jié)合的角度提取證據(jù)，進行推理，教師在教學(xué)時可加大證據(jù)的復(fù)雜程度，要求學(xué)生從多個現(xiàn)象中推理出多個結(jié)論。而對于“氧化還原反應(yīng)”，學(xué)生素養(yǎng)水平較低，教師不宜設(shè)置過于復(fù)雜的推此知識點的教學(xué)深入探究如何適度處理是非常重要的。