基于DINA模型高中生化學(xué)鍵概念群學(xué)習(xí)的認知診斷

王利敏 秦璐 閆春更 周青

摘要：基于DINA認知診斷模型，對高中生“化學(xué)鍵”概念群的學(xué)習(xí)進行認知診斷。根據(jù)診斷結(jié)果繪制出了學(xué)生“化學(xué)鍵”概念群學(xué)習(xí)路徑圖，形成了學(xué)生個體診斷報告，詳細展現(xiàn)了學(xué)生“化學(xué)鍵”概念群學(xué)習(xí)的認知水平與障礙點。

關(guān)鍵詞：化學(xué)鍵；認知診斷；DINA模型

文章編號：10056629（2023）06001407中圖分類號：G633.8文獻標識碼：B

認知診斷是對學(xué)生已有知識結(jié)構(gòu)和加工技能的診斷評價。通過設(shè)計具有診斷功能的測驗試卷診斷出學(xué)生已有知識及技能發(fā)展水平，得到學(xué)生需要補救哪些知識或技能、使用了哪些錯誤的解題策略等信息，可以幫助教師調(diào)控和改進教學(xué)，使教學(xué)更具有針對性，幫助學(xué)生發(fā)展高階的信息加工能力，形成完整的認知結(jié)構(gòu)，促進學(xué)生的發(fā)展^［1～3］。

“化學(xué)鍵”概念群是高中化學(xué)課程的核心概念。高中必修階段“化學(xué)鍵”概念群包括“共價鍵”“離子鍵”“極性共價鍵與非極性共價鍵”“離子化合物與共價化合物”“電子式”等多個抽象的概念，各概念之間緊密聯(lián)系形成了環(huán)環(huán)相扣的概念群?；凇盎瘜W(xué)鍵”概念群的學(xué)習(xí)，學(xué)生對物質(zhì)構(gòu)成的認識能從“物質(zhì)由微觀粒子構(gòu)成”水平進階至“微觀粒子如何構(gòu)成物質(zhì)”的層次；學(xué)生能從化學(xué)鍵類型的角度進一步對化合物進行分類，豐富學(xué)生對物質(zhì)多樣性的認識；能從過程角度理解化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)以及化學(xué)反應(yīng)伴隨能量變化的原因；能進一步形成認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)的概念基礎(chǔ)，增進對“物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的認識；能奠定學(xué)習(xí)有機化學(xué)的基礎(chǔ)^{［4，5］}。因此，“化學(xué)鍵”概念群的學(xué)習(xí)對高中階段發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)具有十分重要和基礎(chǔ)性的作用。

學(xué)生在學(xué)習(xí)高中必修階段“化學(xué)鍵”概念群的過程中普遍存在認知困難。有大量研究者對學(xué)生學(xué)習(xí)“化學(xué)鍵”內(nèi)容的學(xué)習(xí)困難進行了研究，為“化學(xué)鍵”教學(xué)提供了一些啟示，但是對于學(xué)生“化學(xué)鍵”概念群的認知結(jié)構(gòu)及其學(xué)習(xí)路徑的研究未見報道^［6］。本研究希望利用認知診斷測評技術(shù)精確地測量學(xué)生“化學(xué)鍵”概念群的認知結(jié)構(gòu)，得到學(xué)生“化學(xué)鍵”概念群的學(xué)習(xí)路徑，為教師提供學(xué)生群體及個體詳細的診斷反饋信息，以便教師設(shè)計更加優(yōu)化的教學(xué)方案，促使學(xué)生達成“化學(xué)鍵”的深度學(xué)習(xí)。

1 認知診斷模型的選擇

認知診斷的實現(xiàn)是以認知診斷模型為基礎(chǔ)的^［7］。目前，應(yīng)用較為廣泛的認知診斷模型主要有規(guī)則空間模型（Rule Space Model，RSM）和決定性輸入噪聲與門模型（Deterministic Input，Noisy “And” Gate Model，DINA），相較于RSM，在相同條件下DINA模型的診斷正確率更高，并且更為簡潔^{［8，9］}。因此，本文選擇DINA模型開展認知診斷研究。

運用DINA模型進行認知診斷時的原理可以表示為：P（X_ij=1｜α_i）=（1-s_j）^ηijg^1-ηij_j，P（X_ij=1|α_i）是屬性掌握模式，為α_i的學(xué)生答對j項目的概率，由兩部分決定，一是學(xué)生理想反應(yīng)得分ηij，如果學(xué)生i掌握了項目j所測量的所有屬性，則ηij取值為1，若沒有全部掌握，則取值為0；另一部分為項目的失誤參數(shù)s_j和猜測參數(shù)g_j，如果學(xué)生掌握了項目所考查的所有屬性，但作答時有所失誤，此時學(xué)生答對該項目的概率為（1-s_j）。如果學(xué)生沒有掌握項目所考查的所有屬性，但可能會猜對，這時學(xué)生答對該項目的概率為g_j^{［10～12］}。

2 “化學(xué)鍵”概念群認知屬性及屬性層級關(guān)系的確定

認知屬性是指學(xué)生在解決問題時所需的知識、技能和策略等，各認知屬性之間存在著一定的邏輯順序或?qū)蛹夑P(guān)系^{［13，14］}。依據(jù)（1）《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版）》中必修階段“化學(xué)鍵”知識內(nèi)容的要求；（2）近十年廣東省所用高考試題中必修階段“化學(xué)鍵”內(nèi)容的考查要點；（3）人民教育出版社2007年版《普通高中課程標準實驗教科書·化學(xué)2（必修）》和2019年版《普通高中教科書（化學(xué)）·必修第一冊》中“化學(xué)鍵”知識點，一位課程與教學(xué)論專業(yè)教授及兩位高中化學(xué)高級教師確定了“化學(xué)鍵”概念群所包含的認知屬性及屬性層級關(guān)系。

“化學(xué)鍵”概念群認知屬性包括C1（化學(xué)鍵）、C2（離子鍵）、C3（共價鍵）、C4（離子化合物和共價化合物）、C5（極性鍵與非極性鍵）、C6（電子式）六個方面的內(nèi)容，具體描述見表1。

“化學(xué)鍵”概念群中各概念之間的層級關(guān)系為：化學(xué)鍵（C1）是學(xué)生掌握該概念群中其他概念的先決條件。學(xué)生在理解化學(xué)鍵概念的基礎(chǔ)上，進一步掌握離子鍵（C2）和共價鍵（C3）。學(xué)生在掌握共價鍵（C3）的基礎(chǔ)上掌握極性鍵與非極性鍵（C5）。學(xué)生在掌握離子鍵和共價鍵后，依據(jù)物質(zhì)所含化學(xué)鍵的類型辨析離子化合物和共價化合物（C4）。學(xué)生在能正確判斷物質(zhì)所含化學(xué)鍵類型和物質(zhì)類別的基礎(chǔ)上使用電子式（C6）規(guī)范表達某一物質(zhì)或物質(zhì)的形成過程。“化學(xué)鍵”概念群屬性層級關(guān)系見圖1。

3 認知診斷試卷的編制

3.1 建立理想掌握模式

“化學(xué)鍵”概念群中包括6個屬性，若對其簡單排列組合，可以得到2⁶=64種屬性的組合方式，在依據(jù)屬性層級結(jié)構(gòu)剔除不合邏輯的組合方式后，最終可以確定符合邏輯順序的理想掌握模式為11種，見表2。每一種理想掌握模式可以表示一種學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)。例如，“100000”代表學(xué)生已掌握C1化學(xué)鍵，沒有掌握其他內(nèi)容的情況；“110000”代表學(xué)生已掌握C1化學(xué)鍵和C2離子鍵，沒有掌握其他內(nèi)容的情況。

3.2 建立典型項目考核模式

典型項目考核模式是根據(jù)屬性層級關(guān)系確定的符合邏輯順序的測驗項目類型，與理想掌握模式十分類似，但缺少全為0的這種模式，這是因為在掌握模式中學(xué)生存在全部屬性都沒掌握的情況，但在測驗項目中，不會存在一個屬性都不考察的項目^［15］。例如典型考核模式為“110000”代表了考查C1化學(xué)鍵和C2離子鍵，沒有考查其他內(nèi)容的題目類型。

3.3 編制試卷及數(shù)據(jù)收集與處理

依據(jù)10種典型項目考核模式，由一線教師和學(xué)科專家從高考題、教材課后習(xí)題中選編試題，對編制的試題審閱后確定了21個項目組成認知診斷試卷，其中有17道選擇題、3道填空題和一道簡答題。選取深圳市某中學(xué)高二年級學(xué)生共398人為研究對象，398人中涵蓋各水平層次的學(xué)生且分布較為均衡，學(xué)生在進行測試前已學(xué)習(xí)完必修階段“化學(xué)鍵”知識的全部內(nèi)容，最終回收有效卷共387份。對387份有效卷中所有題目采用0～1計分，答對計1分，答錯計0分，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS20.0、認知診斷分析平臺（flexCDMs）中進行數(shù)據(jù)分析。

4 試卷質(zhì)量分析

4.1 信度

利用SPSS20.0軟件對診斷試卷進行內(nèi)部一致性分析，Cronbach α系數(shù)為0.810，說明試卷信度良好。

4.2 屬性層級關(guān)系的HCI指標

HCI指標可以反映被試在進行項目作答時遵循的認知規(guī)律與確定的屬性層級關(guān)系之間的對應(yīng)關(guān)系，其取值范圍為［-1，1］，值為-1表示完全不擬合，值為1表示完全擬合^［16］。利用認知診斷分析平臺得出全體被試的平均HCI指標為0.39，表示所確定的“化學(xué)鍵”屬性層級關(guān)系模型-數(shù)據(jù)擬合良好。

4.3 DINA模型參數(shù)估計

基于DINA模型進行認知診斷時，當(dāng)測試項目的失誤參數(shù)s_j<0.4，猜測參數(shù)g_j<0.4，1-s_j>g_j時認為項目參數(shù)符合要求^［17］。在認知診斷分析平臺中對各項目進行參數(shù)估計，表3為所有測試項目的失誤參數(shù)和猜測參數(shù)。由表3可見，21個項目中20個項目滿足1-sj>gj，20個項目的猜測參數(shù)g_j小于0.4，19個項目的失誤參數(shù)sj小于0.4，說明絕大多數(shù)項目參數(shù)符合要求。

5 診斷結(jié)果及討論

5.1 高中生“化學(xué)鍵”概念群學(xué)習(xí)的基本情況

利用認知診斷分析平臺使用最大后驗概率估計（MAP算法）得到學(xué)生屬性掌握模式分類統(tǒng)計結(jié)果見表4，387名學(xué)生的屬性掌握模式全部歸類到了11種理想掌握模式中。

有3%的學(xué)生化學(xué)鍵概念群學(xué)習(xí)的掌握模式為000000，即這些學(xué)生沒有理解化學(xué)鍵概念，對物質(zhì)構(gòu)成的認識沒有提升，意識不到構(gòu)成物質(zhì)的微粒間存在相互作用，也無法理解化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是舊鍵的斷裂和新鍵的形成，以及化學(xué)反應(yīng)為什么伴隨著能量變化。

有38%的學(xué)生化學(xué)鍵概念群學(xué)習(xí)的掌握模式為110000、 101000、 101010和100000，即這些學(xué)生理解、掌握了化學(xué)鍵概念，但是沒有掌握離子鍵概念（101000、 101010）或共價鍵概念（110000），或是兩個均沒有掌握（100000），這些學(xué)生能夠認識到微粒間存在相互作用，但無法理解微粒間兩種不同的相互作用——原子間共用電子對形成的作用力與陰陽離子間的作用力二者的本質(zhì)區(qū)別，或是沒有理解共價鍵或離子鍵概念的本質(zhì)屬性和形成過程。

有34%的學(xué)生化學(xué)鍵概念群學(xué)習(xí)的掌握模式為101000、 111100、 111101和111000，這些學(xué)生掌握了化學(xué)鍵與共價鍵概念，知道微粒間存在相互作用，并知道原子間通過共用電子對形成的相互作用是共價鍵，但沒有理解極性共價鍵和非極性共價鍵的定義，沒能理清共用電子對的偏移與共價鍵極性的關(guān)系。

有20%的學(xué)生化學(xué)鍵概念群學(xué)習(xí)的掌握模式為111000、 111010，這些學(xué)生掌握了化學(xué)鍵概念、離子鍵和共價鍵概念，能夠認識到微粒間存在相互作用，能對微粒間兩種不同的相互作用進行區(qū)分，并且理解了離子鍵和共價鍵的本質(zhì)屬性和形成過程，但是無法判別簡單的離子化合物和共價化合物，不能根據(jù)物質(zhì)中化學(xué)鍵的類型進行物質(zhì)分類。

有23%的學(xué)生化學(xué)鍵概念群學(xué)習(xí)的掌握模式為111100、 111110，這些學(xué)生掌握了化學(xué)鍵、離子鍵、共價鍵、離子化合物和共價化合物，能夠認識到微粒間存在相互作用，能對微粒間兩種不同的相互作用進行區(qū)分，并且理解了離子鍵和共價鍵的本質(zhì)屬性和形成過程，能判別簡單的離子化合物和共價化合物，能根據(jù)物質(zhì)中化學(xué)鍵的類型進行物質(zhì)分類，但是無法用電子式表示物質(zhì)或物質(zhì)的形成過程。有10%的學(xué)生化學(xué)鍵概念群學(xué)習(xí)的掌握模式為111111，這些學(xué)生掌握了“化學(xué)鍵”必修階段的所有基本概念。

5.2 學(xué)生“化學(xué)鍵”概念群學(xué)習(xí)路徑圖

基于DINA模型的認知診斷不僅能反饋學(xué)生概念掌握情況的信息，還可以為學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)提供學(xué)生“化學(xué)鍵”概念群的學(xué)習(xí)路徑。學(xué)習(xí)路徑是在理論上描述學(xué)生學(xué)習(xí)過程中由掌握較少概念向掌握全部概念狀態(tài)的可操作路徑，反映學(xué)生學(xué)習(xí)某一內(nèi)容時的認知發(fā)展過程。根據(jù)診斷出的學(xué)生屬性掌握模式之間的包含關(guān)系，刻畫出“化學(xué)鍵”概念群學(xué)習(xí)路徑圖見圖2。

根據(jù)學(xué)生的屬性掌握模式之間的包含關(guān)系，可以分析出7條從化學(xué)鍵到電子式的學(xué)習(xí)路徑，見表5。由表5可知，在“化學(xué)鍵”概念群的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)習(xí)路徑4上的學(xué)生人數(shù)最多，有265名學(xué)生，占總?cè)藬?shù)的68%，為主要學(xué)習(xí)路徑。按這條路徑，學(xué)生依次掌握化學(xué)鍵、共價鍵、極性鍵與非極性鍵、離子鍵、離子化合物和共價化合物、電子式。這一路徑能夠反映大多數(shù)學(xué)生的思維發(fā)展過程，可以為教師設(shè)計教學(xué)順序提供參考。

5.3 學(xué)生個體“化學(xué)鍵”概念群學(xué)習(xí)診斷報告

基于DINA模型的認知診斷還能夠得到學(xué)生“化學(xué)鍵”概念群個體診斷報告，報告中可以給出學(xué)生個體對于“化學(xué)鍵”概念群的屬性掌握模式、屬性掌握程度雷達圖、補救路徑以及學(xué)生作答測試題的測驗分數(shù)和答題情況，表征學(xué)生個體對“化學(xué)鍵”概念群中6個屬性的掌握情況。表6列出了兩位學(xué)生的診斷報告。

5號學(xué)生與10號學(xué)生的診斷報告中得分相同，但屬性掌握模式與屬性掌握程度雷達圖都不相同。5號學(xué)生的屬性掌握模式是100000，表明該學(xué)生理解了化學(xué)鍵概念，知道微粒間存在相互作用，但對于離子鍵和共價鍵的本質(zhì)及形成過程沒有理解，無法區(qū)分極性鍵與非極性鍵，無法理解共用電子對的偏移與共價鍵極性的關(guān)系，不能判別簡單的離子化合物和共價化合物，不能根據(jù)物質(zhì)中化學(xué)鍵的類型進行物質(zhì)分類，不能用電子式表示物質(zhì)或物質(zhì)的形成過程。而10號學(xué)生的屬性掌握模式是101000模式，表明該學(xué)生掌握了化學(xué)鍵和共價鍵概念，知道微粒間存在相互作用，并知道原子間通過共用電子對形成的相互作用是共價鍵，但沒有理解極性共價鍵和非極性共價鍵的定義，以及共用電子對的偏移與共價鍵極性的關(guān)系，無法理解陰陽離子之間的靜電作用，進而無法判別簡單的離子化合物和共價化合物，不能根據(jù)物質(zhì)中化學(xué)鍵的類型進行物質(zhì)分類，不能用電子式表示物質(zhì)或物質(zhì)的形成過程。對比5號學(xué)生和10號學(xué)生的屬性掌握程度雷達圖，可以看出5號學(xué)生對化學(xué)鍵掌握最好，對共價鍵掌握最弱，而10號學(xué)生對化學(xué)鍵和共價鍵掌握得很好，對離子化合物和共價化合物掌握最弱。

根據(jù)學(xué)生的屬性掌握模式，在“化學(xué)鍵”學(xué)習(xí)路徑圖中進行定位，可以確定出學(xué)生進一步完善知識結(jié)構(gòu)的補救路徑。5號學(xué)生共有7條補救路徑，例如其中一條為：先補救學(xué)習(xí)“共價鍵”，再補救“離子鍵”“極性鍵與非極性鍵”“離子化合物和共價化合物”，最后補救“電子式”。10號學(xué)生有4條補救路徑，例如其中一條為：先補救“極性鍵與非極性鍵”，再補救“離子鍵”，然后學(xué)習(xí)“離子化合物和共價化合物”，最后補救“電子式”，實現(xiàn)認知結(jié)構(gòu)的完善。

6 教學(xué)建議

6.1 依據(jù)學(xué)生主要學(xué)習(xí)路徑組織新課教學(xué)

基于認知診斷得出的學(xué)生主要學(xué)習(xí)路徑能夠反映大多數(shù)學(xué)生的思維發(fā)展過程?；诖?，教師在設(shè)計以后的新課時，可以依據(jù)學(xué)生的主要學(xué)習(xí)路徑調(diào)整教材內(nèi)容的教學(xué)順序，設(shè)計教學(xué)流程及相應(yīng)的教學(xué)活動，落實“以學(xué)定教”。例如，上述387名學(xué)生的“化學(xué)鍵”概念群主要學(xué)習(xí)路徑為“化學(xué)鍵→共價鍵→極性鍵與非極性鍵→離子鍵→離子化合物和共價化合物→電子式”?！盎瘜W(xué)鍵”新課教學(xué)可以安排為：首先利用相關(guān)事實證據(jù)幫助學(xué)生認識物質(zhì)是由微粒構(gòu)成的，微粒間存在相互作用，建立化學(xué)鍵的概念；再引導(dǎo)學(xué)生分析構(gòu)成H₂、 HCl等物質(zhì)的微粒及微粒間作用力的特征，建構(gòu)共價鍵、極性鍵與非極性鍵的概念；接著分析構(gòu)成NaCl、 KCl等物質(zhì)的微粒及微粒間作用力的特征，建構(gòu)離子鍵的概念；然后結(jié)合典型物質(zhì)的性質(zhì)表現(xiàn)理解化學(xué)鍵類型對物質(zhì)性質(zhì)的影響，明確離子化合物和共價化合物的分類標準；最后引導(dǎo)學(xué)生在正確判斷物質(zhì)所含化學(xué)鍵類型和物質(zhì)類別的基礎(chǔ)上用電子式表示物質(zhì)及其形成過程。

6.2 根據(jù)診斷結(jié)果規(guī)劃補救方案

利用學(xué)生的屬性掌握模式歸類結(jié)果，將具有相同認知結(jié)構(gòu)的學(xué)生歸為一組，基于多種學(xué)習(xí)路徑設(shè)計系列補救教學(xué)方案。相比于僅在章節(jié)測驗后對學(xué)生出錯較多的題目進行講解的補救方式，基于認知診斷的教學(xué)補救方案能夠系統(tǒng)地針對不同學(xué)生的學(xué)習(xí)困難進行補救，提高補救教學(xué)的針對性和有效性，幫助學(xué)生形成完整的知識結(jié)構(gòu)，提高學(xué)生遷移知識解決問題的能力。

6.3 應(yīng)用DINA模型開展教學(xué)評價

教師進行日常教學(xué)評價時可以嘗試應(yīng)用DINA模型，以更好地發(fā)揮評價的診斷和發(fā)展功能。如在某一知識主題的章節(jié)測驗中，教師可以以教研組為單位，結(jié)合課標、教材等討論確定該知識主題下包括的知識點及知識點之間的層級關(guān)系；接著確定理想掌握模式與典型項目考核模式，依據(jù)典型項目考核模式編制題目形成章節(jié)測驗，使用DINA模型分析測驗結(jié)果，科學(xué)地診斷學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)。

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