初中生化學(xué)宏微結(jié)合能力水平潛在轉(zhuǎn)變發(fā)展軌跡的實證研究

黃郁郁 王后雄

摘 ?要：基于Rasch模型開發(fā)初中生宏微結(jié)合能力水平測評工具，對武漢市九年級學(xué)生進行跨時間點施測，基于潛在轉(zhuǎn)變模型探討化學(xué)成績等因素對初中生宏微結(jié)合能力水平潛在轉(zhuǎn)變發(fā)展軌跡的影響，對教學(xué)和研究提供了數(shù)據(jù)支撐和方法借鑒。

關(guān)鍵詞：初中生；宏微結(jié)合能力；潛在轉(zhuǎn)變；學(xué)業(yè)質(zhì)量

化學(xué)是研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、轉(zhuǎn)化及應(yīng)用的一門基礎(chǔ)學(xué)科，其特征是從分子層次認識物質(zhì)，通過化學(xué)變化創(chuàng)造物質(zhì)。Johnstone將微觀和宏觀通過符號這個橋梁進行了聯(lián)系，為化學(xué)三重表征的研究開啟了先河^[1]。房宏較早提到了培養(yǎng)學(xué)生宏微結(jié)合能力^[2]。宏微結(jié)合不是宏觀和微觀二者的簡單疊加，而是在內(nèi)涵和外延上有機統(tǒng)一的整體^[3]?；诨瘜W(xué)學(xué)科特征，從宏微結(jié)合角度解決問題，主要體現(xiàn)在三重表征的思維方式^[4]。綜合已有研究，將化學(xué)宏微結(jié)合能力界定為：運用宏觀、微觀、符號等多種思維加工與知識表征方式，從宏觀和微觀相結(jié)合的視角探究物質(zhì)及其變化規(guī)律，從而解決問題的能力。

初中生化學(xué)宏微結(jié)合能力無法直接測量，屬于潛在變量，只能通過統(tǒng)計程序分析測算。目前國內(nèi)外學(xué)者對初中生化學(xué)宏微結(jié)合能力水平等級有數(shù)據(jù)收集^[5]，大多是通過建測評框架、開發(fā)測評工具，對宏微結(jié)合能力水平進行劃分并研究其影響因素，缺乏對宏微結(jié)合能力水平縱向追蹤研究的實證數(shù)據(jù)和研究模型。

潛在轉(zhuǎn)變分析（Latent Transition Analysis，LTA）是在潛在類別分析（Latent Class Analysis，LCA）基礎(chǔ)上進行縱向拓展的概率統(tǒng)計模型，已被應(yīng)用于心理學(xué)和社會科學(xué)等領(lǐng)域的研究，如兒童情緒和認知的成長過程，青少年不良行為和心理問題隨時間的發(fā)展，臨床和心理疾病的追蹤治療等諸多方面^[6][7]。相對于傳統(tǒng)的根據(jù)分數(shù)線將學(xué)生進行“一刀切”的水平劃分，潛在轉(zhuǎn)變模型作為一種縱向追蹤模型，可以為初中生化學(xué)宏微結(jié)合能力水平的變化趨勢進行預(yù)測和干預(yù)提供了實證支撐。

1 初中生宏微結(jié)合能力水平測評工具開發(fā)

1.1 模型介紹

1.1.1 Rasch模型

Rasch模型是用來測評潛在特質(zhì)的概率模型，其基本原理是特定的被試對特定的項目作出特定反應(yīng)的概率可以用個體能力與項目難度的一個簡單函數(shù)來表示。Rasch模型允許使用者生成一個既可以測評項目難度，又可以測評被試能力的等距量尺?；赗asch模型，依據(jù)開發(fā)的測評工具對學(xué)生進行測試，并對分析結(jié)果進行反復(fù)修正，直至達到Rasch模型的參數(shù)要求，最終開發(fā)出一套信度和效度良好的初中生化學(xué)宏微結(jié)合能力水平測評工具（見圖1）。

1.1.2 潛在轉(zhuǎn)變模型

潛在類別分析（LCA）是用以探討潛在變量的一種模型化的分析技術(shù)，屬于一種聚類分析技術(shù)。被劃分到同一類別的所有被試在所有項目上的正確作答率都被認為完全一樣的，即將該類型被試視為同質(zhì)的^[8]。通過測評工具施測，用Mplus?7.4 對收集的數(shù)據(jù)進行處理，可以將學(xué)生在宏微結(jié)合能力水平上的個別差異以質(zhì)性的類別差異顯現(xiàn)出來。潛在轉(zhuǎn)變分析（LTA）是在潛在類別分析（LCA）基礎(chǔ)上建立起來的高級統(tǒng)計學(xué)技術(shù)，它不僅可以區(qū)分不同的發(fā)展趨勢類別，還可以估計出每個類別中的個體數(shù)及所占總體概率的大小和每個類別的平均發(fā)展軌跡等。

初中生化學(xué)宏微結(jié)合能力水平潛在轉(zhuǎn)變研究技術(shù)路線見圖2所示。分別以T1時間點、T2時間點兩次測試成績作為外顯反應(yīng)指標變量，建立潛在類別模型，確定最佳潛在類別數(shù)。在T1時間點至T2時間點的時間段，根據(jù)潛在轉(zhuǎn)變率分析不同潛在轉(zhuǎn)變組的轉(zhuǎn)化情況，以性別和化學(xué)成績?yōu)樽宰兞?，宏微結(jié)合能力水平轉(zhuǎn)變類型為因變量，采用多元Logistic回歸進行潛在轉(zhuǎn)變概率的影響因素分析和預(yù)測。

1.2 測評對象選擇

為了對初中生宏微結(jié)合能力水平測評工具進行檢驗和修正，在武漢市選取部分九年級學(xué)生進行兩輪施測，第一輪測試共發(fā)放試卷535份，回收試卷533份，回收率為99.63%，其中男生270人，女生263人。第二輪測試共發(fā)放試卷527份，回收試卷522份，回收率為99.05%，其中男生259人，女生263人。

獲取學(xué)生近期三次化學(xué)測試成績，求出平均值并從高到低排序，前27%劃分為化學(xué)成績優(yōu)異，中間46%劃分為化學(xué)成績中等，后27%劃分為化學(xué)成績較低^[11]，分別賦值3、2、1，考察化學(xué)成績對學(xué)生宏微結(jié)合能力水平潛在轉(zhuǎn)變的影響。

1.3 測評工具設(shè)計

依據(jù)和《義務(wù)教育化學(xué)課程標準（2022年版）》^[9]中對化學(xué)宏微結(jié)合知識學(xué)業(yè)質(zhì)量的描述，結(jié)合學(xué)習(xí)進程理論，由低到高把初中化學(xué)宏微結(jié)合知識劃分了四個水平等級。參考課程標準以及武漢市近幾年中考試卷，共設(shè)計了20道試題，邀請大學(xué)教授、特級教師、教研員和骨干教師對試題及水平等級進行了審核。各試題考查內(nèi)容均為初中生化學(xué)宏微結(jié)合能力相關(guān)內(nèi)容。水平1的試題包含了Q1、Q2、Q3和Q9；水平2的試題包含了Q4、Q5、Q6、Q11、Q15和Q17；水平3的試題包含了Q7、Q8、Q10、Q12、Q13和Q14；水平4的試題包含了Q16、Q18、Q19和Q20。以第20題為例，測評工具題型及能力水平分布如表1所示，試題解讀如下。

【Q20】某同學(xué)對某地工業(yè)廢水（含有硫酸和鹽酸）中的H₂SO₄進行測定。取50g該廢水于燒杯中，小心加入BaCl₂溶液，充分反應(yīng)，實驗過程中，生成沉淀的質(zhì)量與滴入BaCl₂溶液的質(zhì)量關(guān)系如右圖所示，通過計算求50g該廢水中H₂SO₄的質(zhì)量分數(shù)。

此題以工業(yè)廢水的檢測為情境，要求學(xué)生從宏觀上掌握酸和鹽的反應(yīng)，從微觀上認識硫酸根離子和鋇離子的結(jié)合，以宏微結(jié)合的視角看待化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)圖像的變化趨勢基于證據(jù)進行推理，對宏微結(jié)合能力水平要求較高，劃分為水平4。

1.4 測評工具檢驗

按照賦分標準對回收的試卷進行評閱，在Excel 2010 中輸入數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，再用Winsteps 3.66對初測數(shù)據(jù)進行信度分析、擬合度與誤差分析、項目-被試對應(yīng)以及單維性檢驗，以考究測評工具質(zhì)量，利用SPSS 25.0 進行描述性與差異性檢驗。修正后測評工具的項目（item）與學(xué)生（person）整體統(tǒng)計結(jié)果見表2所示。

本測評工具的項目信度均大于等于0.80，屬于理想信度。原始的項目分離度為11.56，修正后的分離度為12.45，說明本測評能較好地區(qū)分不同能力水平的被試。在單維性檢驗中，測評的20個項目的首成分殘差特征值是1.70，符合單維性要求的1.40-2.10之間的測量學(xué)標準^[10]。項目難度值在-1.04至1.66之間，難度均值為0.00，難度標準差在0.04至0.10之間，各試題難度適中。項目內(nèi)部擬合度在0.81至1.22之間，基本符合測評對試題擬合度的要求。項目-被試對應(yīng)顯示，各項目的難度和分布均勻分散，被試的水平分布基本符合正態(tài)分布規(guī)律?？傮w而言，修正后的測評工具在統(tǒng)計指標的許可范圍內(nèi)，基本可以反映學(xué)生的能力分布。

2 初中生宏微結(jié)合能力水平潛在轉(zhuǎn)變分析

2.1 測評對象選擇

采用整群抽樣的方法，分別在2021年3月19日（以下簡稱T1時間點）和2021年6月2日（以下簡稱T2時間點）對武漢市部分九年級學(xué)生進行測試。追蹤研究必須保障是同一批被試和同一測驗（或平行測驗），然而平行測驗在學(xué)科測驗中幾乎無法做到，由此帶來的誤差可能比重復(fù)測量引發(fā)的練習(xí)效應(yīng)更嚴重。因此在這兩次測試中，打亂試題及選項順序，盡可能降低練習(xí)效應(yīng)。同時參加兩次測試的學(xué)生541名，其中，男生268人，女生273人；兩次測試的克隆巴赫Alpha值分別為0.77和0.81，信度均較好。

2.2 描述性與差異性檢驗

采用Mplus 7.4對T1時間點、T2時間點兩次測驗數(shù)據(jù)進行潛在類別分析（LCA）和潛在轉(zhuǎn)變分析（LTA）。采用SPSS 25.0對測驗數(shù)據(jù)進行描述性與相關(guān)性分析、差異檢驗、多元logistic回歸分析等。表3顯示，學(xué)生宏微結(jié)合能力成績隨時間推移逐漸上升，且在兩個時間點上得分差異顯著。

2.3 潛在類別數(shù)目確定

表4呈現(xiàn)了T1時間點和T2時間點不同類別數(shù)量潛在類別的模型擬合指標和熵值，AIC、BIC和aBIC值隨著類別數(shù)目的增多不斷減小，當模型達到2類別時，BIC 和AIC 值最小，表明2類別模型與數(shù)據(jù)擬合最佳，熵值較大（Entropy>0.8），且LMRp和BLRTp似然比檢驗均具有統(tǒng)計學(xué)意義^[12]。綜合考慮模型簡潔性與準確性，選取2類別潛在轉(zhuǎn)變模型。

兩個時間點的初中生化學(xué)宏微結(jié)合能力水平潛在類別的條件概率圖如圖3和圖4所示。在T1時間點，第一類別學(xué)生（34.75%）在各試題上的得分均低于第二類別學(xué)生（65.25%）在各試題的得分。T2時間點，第一類別學(xué)生（21.81%）在各試題的得分均低于第二類別學(xué)生（78.19%）在各試題的得分。根據(jù)各試題的條件概率，將第一類別命名為“低水平”，將第二類別命名為“高水平”。

用Mplus 7.4 以不添加任何協(xié)變量的潛在模型來分析不同水平組的學(xué)生的變化情況，2×2轉(zhuǎn)變矩陣的對角線表示學(xué)生在兩個相鄰時間點保持原潛在狀態(tài)的概率，如表5所示。高水平的學(xué)生保持原組的概率為57.30%，低水平的學(xué)生保持原組的概率為19.60%。低水平的學(xué)生往高水平的轉(zhuǎn)變的概率為80.40%，高水平的學(xué)生往低水平轉(zhuǎn)變的概率為42.70%。

引入潛在轉(zhuǎn)變數(shù)據(jù)分析方法擬合初中生化學(xué)宏微結(jié)合能力水平發(fā)展軌跡的潛在類別，根據(jù)2×2的潛在轉(zhuǎn)變模式最終確定了四種類別的宏微結(jié)合能力水平發(fā)展軌跡，分別命名為低水平穩(wěn)定組（53人）、低轉(zhuǎn)高水平組（220人）、高轉(zhuǎn)低水平組（111人）和高水平穩(wěn)定組（157人）。

3 初中生化學(xué)宏微結(jié)合能力水平潛在轉(zhuǎn)變及影響因素分析

3.1 初中生宏微結(jié)合能力水平潛在轉(zhuǎn)變的跨時間效應(yīng)

T1時間點，四種潛在轉(zhuǎn)變模式下學(xué)生宏微結(jié)合能力水平潛在轉(zhuǎn)變部分回歸圖見圖5所示，學(xué)生的化學(xué)宏微結(jié)合能力水平分布在左右兩端，主要集中在-0.8和1附近，處于較低水平和處于較高水平的學(xué)生人群相對集中。武漢市初中生從九年級上學(xué)期開始學(xué)習(xí)化學(xué)知識，次年三月左右結(jié)束新知識學(xué)習(xí)。T1時間點時，學(xué)生剛學(xué)完初中化學(xué)知識，一部分學(xué)生在化學(xué)宏微結(jié)合能力水平占據(jù)一定優(yōu)勢，處于比較高的水平，另一部分同學(xué)處于相對較弱的水平，兩極分化現(xiàn)象較明顯。

T2時間點，四種潛在轉(zhuǎn)變模式下學(xué)生宏微結(jié)合能力水平部分回歸圖見圖6所示，學(xué)生的化學(xué)宏微結(jié)合能力水平在0左右兩邊呈正態(tài)分布。在這三個月的復(fù)習(xí)過程中，通過專題復(fù)習(xí)，學(xué)生對宏微結(jié)合相關(guān)知識掌握得更加牢固，能更清晰地認識物質(zhì)的宏觀組成與微觀結(jié)構(gòu)，化學(xué)變化有新物質(zhì)生成，其本質(zhì)是原子的重新組合，并遵循一定規(guī)律。在知識復(fù)習(xí)和習(xí)題訓(xùn)練的過程中，學(xué)生逐步形成了從宏觀、微觀、符號相結(jié)合的視角探究物質(zhì)及其變化規(guī)律的認知方式，宏微結(jié)合能力水平趨于同質(zhì)化，兩極分化現(xiàn)象明顯減弱。

3.2 不同潛在轉(zhuǎn)變模式下性別差異分析

四種潛在轉(zhuǎn)變模式的學(xué)生人數(shù)在性別上的分布見表6所示，數(shù)據(jù)顯示，性別×潛在轉(zhuǎn)變模式的卡方檢驗結(jié)果顯著（χ²=37.14，p<0.01）。男生更容易穩(wěn)定在高水平或由低水平轉(zhuǎn)向高水平，女生更容易穩(wěn)定在低水平或由高水平轉(zhuǎn)向低水平。

有研究表明，學(xué)生智力水平高低與性別無顯著相關(guān)，但學(xué)業(yè)成績與性別有顯著相關(guān)。男生在理科科目的學(xué)習(xí)上更占優(yōu)勢，女生在文科科目的學(xué)習(xí)上更占優(yōu)勢^[13]。學(xué)者們從生理結(jié)構(gòu)、成就目標、歸因模式、社會期待等方面合理解釋了產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因?；瘜W(xué)宏微結(jié)合知識的學(xué)習(xí)對空間知覺和空間視覺化能力要求較高，男生更擅長對微觀粒子進行抽象理解，用符號進行表征，以宏微結(jié)合的視角認識化學(xué)變化。

3.3 不同潛在轉(zhuǎn)變模式下化學(xué)成績差異分析

四種潛在轉(zhuǎn)變模式的學(xué)生人數(shù)在化學(xué)成績的分布見表7所示，數(shù)據(jù)顯示，化學(xué)成績×潛在轉(zhuǎn)變模式的卡方檢驗結(jié)果顯著（χ²=219.09，p<0.01）?；瘜W(xué)成績較低的學(xué)生更容易穩(wěn)定在低水平或從高水平降到低水平?；瘜W(xué)成績優(yōu)異或中等的學(xué)生更容易穩(wěn)定在高水平或從低水平升到高水平，且在低轉(zhuǎn)高水平組所占人數(shù)比例最大的是化學(xué)成績中等的學(xué)生（70.45%）。

“化學(xué)觀念”反映了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的學(xué)科特質(zhì)，以宏微結(jié)合的視角認識物質(zhì)及其變化，形成化學(xué)觀念，為學(xué)生掌握化學(xué)知識體系，結(jié)合化學(xué)學(xué)科特征解決實際問題提供了可能?！翱茖W(xué)思維”“科學(xué)探究與實踐”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”體現(xiàn)了作為科學(xué)課程重要組成部分的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的領(lǐng)域特質(zhì)，基于證據(jù)推理、建構(gòu)模型等對學(xué)生化學(xué)宏微結(jié)合能力水平提出了更高的要求。從不同素養(yǎng)維度均衡發(fā)展，提升化學(xué)成績，能有效促進學(xué)生化學(xué)宏微結(jié)合能力水平的發(fā)展。

4 結(jié)論與啟示

通過對初中生不同水平、不同性別、不同學(xué)業(yè)成績在化學(xué)宏微結(jié)合能力水平潛在轉(zhuǎn)變的實證研究，為化學(xué)教學(xué)中發(fā)展初中生化學(xué)宏微結(jié)合能力水平提供了有益啟示。

4.1 依據(jù)學(xué)生水平差異，實現(xiàn)精準干預(yù)促進水平進階

基于實證數(shù)據(jù)，識別出屬于低水平穩(wěn)定組的學(xué)生，針對其穩(wěn)定性較弱的特點進行合適的引導(dǎo)和干預(yù)，促使其向高水平轉(zhuǎn)變。識別出高轉(zhuǎn)低水平組的學(xué)生，對他們給予充分的重視與關(guān)心，診斷干預(yù)，精準施策，抑制其向低水平轉(zhuǎn)變。識別出屬于低轉(zhuǎn)高水平組和高水平穩(wěn)定組的學(xué)生，合理施策，促使他們從低水平轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚交蚍€(wěn)定在高水平。根據(jù)不同潛在轉(zhuǎn)變組學(xué)生的特點，通過構(gòu)建教學(xué)主線、精選情境素材、問題引領(lǐng)活動、設(shè)計創(chuàng)新實驗和重視內(nèi)容結(jié)構(gòu)化^[15]等措施精準干預(yù)幫扶，促進學(xué)生化學(xué)宏微結(jié)合能力水平的發(fā)展。

4.2?利用學(xué)生性別差異，開展小組合作實現(xiàn)優(yōu)勢互補

數(shù)據(jù)表明，男生在學(xué)習(xí)宏微結(jié)合相關(guān)知識上具有顯著優(yōu)勢。男生和女生在認識、分析和解決問題的視角與方式上不盡相同，化學(xué)宏微結(jié)合能力水平也有所差別。在思維方式、文化背景、社會期待等因素的影響下，男生更容易穩(wěn)定在高水平組或從低水平轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚?。可以利用性別差異，男女搭配劃分小組。在分工與合作完成學(xué)習(xí)任務(wù)的過程中，加強男生和女生的溝通與交流，進行良性競爭與合作，共享學(xué)習(xí)成果。

4.3?正視學(xué)生學(xué)業(yè)差異，實現(xiàn)分層教學(xué)提升學(xué)業(yè)質(zhì)量

數(shù)據(jù)表明，化學(xué)成績對學(xué)生宏微結(jié)合能力水平的發(fā)展存在顯著性差異，化學(xué)成績優(yōu)異的學(xué)生發(fā)展宏微結(jié)合能力水平更具優(yōu)勢。在低轉(zhuǎn)高水平組人數(shù)比例最高的是化學(xué)成績中等的學(xué)生。教師在開展素養(yǎng)導(dǎo)向教學(xué)時要“抓兩頭，帶中間”，以大概念為統(tǒng)領(lǐng)，科學(xué)制訂教學(xué)目標，分層組織教學(xué)活動。通過化學(xué)實驗引導(dǎo)學(xué)生探究，基于證據(jù)進行推理。借力信息技術(shù)實現(xiàn)微觀粒子可視化，以宏微結(jié)合的視角認識化學(xué)變化，形成化學(xué)觀念，解決實際問題。通過動畫模擬幫助學(xué)生建立模型，搭建宏微橋梁，解釋宏觀現(xiàn)象，揭示微觀本質(zhì)。開展跨學(xué)科實踐活動，多維度、多途徑助推學(xué)生化學(xué)學(xué)業(yè)質(zhì)量的提升以及化學(xué)宏微結(jié)合能力水平的發(fā)展。

參考文獻[1] Johnstone A H. Macro and micro chemistry[J].School Science Review，1982，64（227）：377-379.

[7] Castellini G，F(xiàn)ioravanti G，Lo Sauro C，et al.Latent profile and latent transition analyses of eating disorder phenotypes in a clinical sample：A 6-year follow-up study.Psychiatry Research，2013，207：92-99．