規(guī)則空間模型在中學(xué)理科教學(xué)中的應(yīng)用研究進(jìn)展*

涂雪梅 高曉靚

(合肥師范學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院 安徽合肥 230061)

傳統(tǒng)的測驗與診斷注重以分?jǐn)?shù)評價學(xué)生的知識掌握水平，并將分?jǐn)?shù)作為分班和升學(xué)的依據(jù)，認(rèn)為分?jǐn)?shù)相同的學(xué)生對知識的掌握情況相同。同時，傳統(tǒng)上主要以紙筆測驗的形式對學(xué)生整體的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行評價，鮮有關(guān)于學(xué)生認(rèn)識結(jié)構(gòu)的診斷。但整體的評價并不能反映學(xué)生個體知識和問題解決策略的掌握情況。而規(guī)則空間模型作為一種診斷學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的心理測量認(rèn)知診斷模型，能夠識別學(xué)生哪些屬性存在認(rèn)知問題，從而采取有效的補(bǔ)救性措施，促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展。因此，將規(guī)則空間模型應(yīng)用于中學(xué)教學(xué)中，能有效改善學(xué)生的知識掌握情況。以下對規(guī)則空間模型在中學(xué)理科教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，揭示規(guī)則空間模型的發(fā)展趨勢，為相關(guān)的學(xué)科教學(xué)提供借鑒與參考。

一、規(guī)則空間模型的簡介

規(guī)則空間模型(Rule Space Model)是Tatsuoka提出的一種認(rèn)知診斷理論，能夠診斷學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。其主要通過編制的試題對被試進(jìn)行測驗，根據(jù)測驗所得分?jǐn)?shù)，對被試個體的屬性掌握情況進(jìn)行分析，采取相應(yīng)的措施完善學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展。

二、規(guī)則空間模型在中學(xué)理科教學(xué)中的應(yīng)用

樣本來源于中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(CNKI)，檢索項為“全文”，檢索詞為“規(guī)則空間模型”，排除無關(guān)樣本，最后選取期刊文章和碩士學(xué)位論文樣本25篇。從圖1中統(tǒng)計的數(shù)據(jù)看，國內(nèi)從2006年開始應(yīng)用規(guī)則空間模型對中學(xué)理科教學(xué)進(jìn)行認(rèn)知診斷研究，近幾年對規(guī)則空間模型在中學(xué)理科教學(xué)中的關(guān)注逐漸加強(qiáng)。隨著社會信息化的發(fā)展，規(guī)則空間模型在教學(xué)中的應(yīng)用研究也在不斷發(fā)展、不斷完善，聚焦于對學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)、認(rèn)知結(jié)構(gòu)、能力掌握情況的診斷。由此，我們可以預(yù)見規(guī)則空間模型在中學(xué)理科教學(xué)中的應(yīng)用研究將越來越受到關(guān)注。

圖1 2006—2020年規(guī)則空間模型研究成果統(tǒng)計圖

從這25篇文獻(xiàn)內(nèi)容中發(fā)現(xiàn)，規(guī)則空間模型在教學(xué)中的應(yīng)用研究主要分布于數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)和生物等學(xué)科。

表1 規(guī)則空間模型在中學(xué)理科教學(xué)中的研究成果分布

(一)規(guī)則空間模型在中學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

規(guī)則空間模型最早應(yīng)用在數(shù)學(xué)教學(xué)中，主要用來診斷學(xué)生的認(rèn)知錯誤反應(yīng)模式或者知識的屬性掌握模式。在中學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)中，規(guī)則空間模型主要應(yīng)用于不等式、勾股定理、幾何、統(tǒng)計概率、學(xué)業(yè)測驗、函數(shù)、數(shù)列極限、高考等相關(guān)領(lǐng)域。在不等式的教學(xué)中，運(yùn)用規(guī)則空間模型識別學(xué)生對不等式的認(rèn)知錯誤，歸納出學(xué)生18種認(rèn)知錯誤反應(yīng)模式。在勾股定理的教學(xué)中，根據(jù)試題和教材構(gòu)建出有關(guān)勾股定理的認(rèn)知屬性模型，基于規(guī)則空間模型診斷學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，歸納出13種理想屬性掌握模式，利用K-means將其分為7種潛在知識狀態(tài)，實現(xiàn)學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)。在幾何教學(xué)中，通過構(gòu)建平行四邊形的認(rèn)知屬性模型，診斷學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，或從內(nèi)容屬性和過程技能兩個維度構(gòu)建出立體幾何的認(rèn)知屬性模型，診斷學(xué)生對于立體幾何的屬性掌握模式，分析各屬性知識掌握情況和男女各類反應(yīng)模式的差異，為教學(xué)提出建議。在統(tǒng)計概率的教學(xué)中，通過統(tǒng)計概率學(xué)習(xí)診斷測驗，運(yùn)用規(guī)則空間模型分析學(xué)生關(guān)于統(tǒng)計概率的認(rèn)知特征，繪制出關(guān)于統(tǒng)計與概率的認(rèn)知屬性學(xué)習(xí)路徑圖。在數(shù)學(xué)學(xué)業(yè)測驗中，依據(jù)學(xué)業(yè)成就測驗所考查的認(rèn)知屬性，建立三參數(shù)邏輯斯蒂模型，診斷學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，為個體補(bǔ)救性學(xué)習(xí)、教師開展教學(xué)提供參考。在函數(shù)的教學(xué)中，以三角函數(shù)為載體，從知識內(nèi)容和過程屬性兩個維度構(gòu)建出認(rèn)知屬性模型對學(xué)生進(jìn)行診斷，再利用K-means將學(xué)生的屬性掌握模式分為7個聚類，刻畫出學(xué)習(xí)路徑圖，為實現(xiàn)班集體和個體的補(bǔ)救性學(xué)習(xí)提供參考?；蚧赗asch模型和規(guī)則空間模型，從知識內(nèi)容屬性和過程技能屬性兩個維度構(gòu)建出函數(shù)的認(rèn)知屬性模型，運(yùn)用Rasch模型尋找出對函數(shù)有認(rèn)知障礙的學(xué)生，利用規(guī)則空間模型診斷出學(xué)生對函數(shù)的掌握情況。在數(shù)列極限的教學(xué)中，通過構(gòu)建出合理有效的數(shù)列極限的認(rèn)知屬性模型和屬性層級關(guān)系圖，診斷出學(xué)生對于數(shù)列極限的屬性掌握情況，對比男女屬性掌握差異。對于高考，基于規(guī)則空間模型診斷學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)科能力掌握模式，根據(jù)高考所考查的數(shù)學(xué)學(xué)科能力構(gòu)建出能力屬性的層級關(guān)系圖，診斷學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)科能力，劃分出71種能力掌握模式，為教學(xué)提供參考。

早期的規(guī)則空間模型被用來診斷學(xué)生在數(shù)學(xué)知識中的認(rèn)知錯誤。目前，在中學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)中，規(guī)則空間模型也用來診斷學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)以及能力掌握模式。但是在診斷出學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)之后，缺少補(bǔ)救性措施，沒有采取有效的方法來促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展。

(二)規(guī)則空間模型在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用

在中學(xué)物理教學(xué)中，大多數(shù)研究者運(yùn)用規(guī)則空間模型來診斷學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于診斷學(xué)生對于歐姆定律、電與磁、加速度和直流電路相關(guān)知識的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。在歐姆定律的教學(xué)中，利用規(guī)則空間模型診斷學(xué)生對于歐姆定律相關(guān)知識的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，歸類出13種屬性掌握模式，論證認(rèn)知結(jié)構(gòu)問題導(dǎo)致學(xué)生在運(yùn)用物理知識中經(jīng)常出現(xiàn)錯誤，分析不同屬性掌握模式出現(xiàn)的認(rèn)知缺陷和需要補(bǔ)救的地方，刻畫出補(bǔ)救路徑圖。而在電與磁的教學(xué)中，規(guī)則空間模型主要用于診斷學(xué)生有關(guān)電與磁的知識結(jié)構(gòu)，通過構(gòu)建電與磁的認(rèn)知屬性模型和屬性層級關(guān)系圖診斷學(xué)生的屬性掌握模式，將學(xué)生的屬性掌握模式劃分為四個學(xué)習(xí)進(jìn)階層級?；蚧谝?guī)則空間模型構(gòu)建出認(rèn)知屬性模型，診斷學(xué)生關(guān)于帶電粒子在電、磁場中運(yùn)動這一專題的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，劃分為23個認(rèn)知模式，對比不同性別學(xué)生之間能力差異，采用課后作業(yè)的方式對學(xué)生進(jìn)行補(bǔ)救，實踐后對中等學(xué)生有顯著的效果。在加速度的教學(xué)中，在利用規(guī)則空間模型獲取學(xué)生的知識掌握情況的基礎(chǔ)上，構(gòu)建出實驗課的教學(xué)設(shè)計方案，實踐后教學(xué)效果顯著。在利用規(guī)則空間模型診斷學(xué)生關(guān)于直流電路概念理解的知識結(jié)構(gòu)時，構(gòu)建學(xué)生關(guān)于直流電路的認(rèn)知屬性模型，編制測試題對學(xué)生進(jìn)行診斷，判歸出理想反應(yīng)模式，為補(bǔ)救性教學(xué)提供參考。

在中學(xué)物理教學(xué)中，規(guī)則空間模型主要應(yīng)用于電、磁相關(guān)內(nèi)容，相關(guān)研究提出了開展補(bǔ)救性教學(xué)的建議，進(jìn)行了補(bǔ)救性教學(xué)實踐，并對比分析出基于規(guī)則空間模型的補(bǔ)救性教學(xué)具有提高成績的效果。

(三)規(guī)則空間模型在中學(xué)生物教學(xué)中的應(yīng)用

生物教學(xué)中有關(guān)規(guī)則空間模型的應(yīng)用較少，主要是以伴性遺傳的內(nèi)容為載體，運(yùn)用規(guī)則空間模型，構(gòu)建出伴性遺傳的認(rèn)知屬性模型，按照能力均值把學(xué)生的屬性掌握模式劃分為四個層級，刻畫出學(xué)習(xí)路徑圖。規(guī)則空間模型在伴性遺傳中的應(yīng)用，為中學(xué)生物教學(xué)評價改革提供了一種新的思路。

(四)規(guī)則空間模型在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，規(guī)則空間模型主要應(yīng)用于診斷學(xué)生對于化合物、化學(xué)平衡、電化學(xué)、氧化還原相關(guān)知識的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。在化合物的教學(xué)中，通過構(gòu)建對于化合物相關(guān)知識的認(rèn)知屬性模型，診斷出初中學(xué)生對于化合物相關(guān)知識的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，并從屬性層面采取補(bǔ)救性措施?；蛞晕镔|(zhì)組成的表示為載體，運(yùn)用規(guī)則空間模型診斷學(xué)生在物質(zhì)組成的表示方面的學(xué)習(xí)情況，為教師教學(xué)提供建議。在電化學(xué)的教學(xué)中，基于規(guī)則空間模型，從宏觀、微觀、符號三重表征的角度構(gòu)建出電化學(xué)知識內(nèi)容模型，以由30個項目構(gòu)成的測試題診斷學(xué)生有關(guān)電化學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容的屬性掌握情況，歸納出29種理想反應(yīng)模式，并刻畫出學(xué)生的學(xué)習(xí)路徑圖?；蚧谝?guī)則空間模型，通過文本分析法確定原電池的認(rèn)知屬性，編制測試題對學(xué)生進(jìn)行認(rèn)知診斷，并結(jié)合SOLO分類理論把屬性掌握模式劃分為不同學(xué)習(xí)進(jìn)階水平，為教學(xué)提供參考。在氧化還原的教學(xué)中，構(gòu)建出氧化還原的認(rèn)知屬性模型和屬性層級關(guān)系圖，編制測試題診斷學(xué)生有關(guān)氧化還原相關(guān)知識的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，歸類出13種理想反應(yīng)模式，對屬性未掌握的原因進(jìn)行分析。此外，規(guī)則空間模型多用于化學(xué)平衡的相關(guān)知識內(nèi)容，從不同維度構(gòu)建出有關(guān)化學(xué)平衡的認(rèn)知屬性模型，并將屬性劃分為不同水平，編制測試題診斷學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，歸納出理想反應(yīng)模式，利用K-means將被試分為不同聚類，或構(gòu)建出理想反應(yīng)模式的學(xué)習(xí)進(jìn)階水平，為補(bǔ)救性教學(xué)提供參考。

這些研究者大多通過構(gòu)建化學(xué)認(rèn)知屬性模型、編制測試題，診斷學(xué)生的化學(xué)知識結(jié)構(gòu)，并刻畫出學(xué)習(xí)路徑圖，但未提出相應(yīng)的補(bǔ)救性教學(xué)策略，未采取相應(yīng)的措施進(jìn)行補(bǔ)救。

三、結(jié)論與展望

上文通過對國內(nèi)關(guān)于規(guī)則空間模型的應(yīng)用研究進(jìn)行分類，歸納總結(jié)了規(guī)則空間模型在中學(xué)理科教學(xué)中的應(yīng)用。規(guī)則空間模型在中學(xué)理科教學(xué)中有一定的應(yīng)用，但是在中學(xué)理科教學(xué)中知識的覆蓋面較窄，各學(xué)科教學(xué)中僅涉及了部分內(nèi)容。此外，在診斷學(xué)生的中學(xué)理科知識結(jié)構(gòu)后，未采取明確的措施，進(jìn)行補(bǔ)救性教學(xué)。

目前為止，規(guī)則空間模型的應(yīng)用仍有很大的拓展空間。從其發(fā)展趨勢來看，未來研究需要關(guān)注規(guī)則空間模型在技能性知識方面的應(yīng)用，對學(xué)生技能性知識的掌握情況進(jìn)行診斷分析，設(shè)計出相應(yīng)的補(bǔ)救性教學(xué)方案，促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展。同時，將規(guī)則空間模型與其他模型相結(jié)合，提高利用規(guī)則空間模型進(jìn)行診斷的有效性，改善規(guī)則空間模型不能診斷滿分被試的能力的問題。