生物學大規模教育考試試題難度預估的實證分析

林 莉 翁敏珍 俞如旺

(福建師范大學生命科學學院 福州 350108)

難度作為評價試題質量的一個重要的技術指標，直接影響測量功能的實現。考試中應科學設置試題及全卷的難度，以達到考試效度和信度的平衡[1]。本文以高考生物學試題為樣本，借助逐步多元回歸分析的手段，探討在大規模生物學科考試中，試題難度的顯著影響因素及其多元線性回歸方程，為難度預估和難度調控提供參考。

1 研究過程

1.1 選取研究對象 高考生物學卷題型主要包括選擇題和填空題。現以2010～2015年高考福建省生物學卷作為試題難度參照樣本。樣本庫中，選擇題共計30道；填空題以小題計數分析，共計87道(小題)。

1.2 建立影響因素的量化標準表 根據高考生物學考核要求，從“知識、能力、情境、思維、形式”5個維度出發，提出試題難度的影響因素。以影響因素為自變量F，構建影響因素的量化標準表(表1)。

表1 生物學試題難度影響因素量化標準表

(注：①試題若同時考查多個層次，按照考查的最高層次來賦值；使用者可依據實際進行更多層次的劃分；②“能力要求”標準參見全國生物學高考考試大綱及相關著作[2]；“獲取信息能力”的層次要求與試題中情境繁簡度相關，因此沒有單列；③“干擾與障礙度”指解答過程中遇到的難以跨越、容易忽視或導致失誤的環節的多少等)

1.3 對試題難度參照樣本庫逐題量化分析 將試題實測難度值設為因變量P，依據表1對樣本庫中全部試題進行量化賦值，填寫表2，獲得難度影響因素量化數據表(略)。

量化賦值舉例如下：

例1 (2014福建，4)細胞的膜蛋白具有物質運輸、信息傳遞、免疫識別等重要生理功能。下列圖中，可正確示意不同細胞的膜蛋白及其相應功能的是( )

表2 生物學試題難度影響因素量化數據表

知識：本題綜合考查蛋白質的功能、物質運輸的方式、免疫調節、血糖平衡調節和神經調節，知識點賦值為3；神經-體液-免疫調節是高中生物學課程的重要概念之一，該題考查的認知水平要求是理解掌握，賦值為2。

能力：本題側重考查重述理解能力，屬于理解能力的第二層次，考生需要具備圖文轉化的能力，能力要求賦值為2。

情境：題目以細胞膜蛋白的分布和功能為背景，以圖形形式直觀考查考生對蛋白質功能的理解和應用，情境呈現較新穎，賦值為2；試題涉及載體、激素受體、遞質受體等眾多概念，信息量大，情境繁簡度賦值為3。

思維：考生容易忽視蛋白質的分布位置是否正確，而且氨基酸和葡萄糖轉運載體的存在也會產生干擾，因此試題的干擾和障礙度賦值為2；考生需要同時明確示意圖中的膜上蛋白的功能和分布位置的兩個要素才可準確答題，分析推理步驟數記為2。

形式：本小題是識圖作答題，賦值為1。

綜上所述，獲得該試題的量化數據表(表3)。

表3 2014年高考福建省生物學選擇題第4題難度影響的量化數據表

例2 (2013福建，28)甘藍型油菜花色性狀由3對等位基因控制，3對等位基因分別位于3對同源染色體上。花色表現型與基因型之間的對應關系如表。

(2)黃花(aaBBDD)×金黃花，F1自交，F2中黃花基因型有____種，其中純合個體占黃花的比例是____。

表現型白花乳白花黃花金黃花基因型AA____Aa____aaB____a___ D__aabbdd

知識：本小題考查考生對基因的分離規律和自由組合規律的理解和運用，以及基因與性狀關系，知識點賦值為3；對知識的認知水平要求是熟練掌握并應用，賦值為3。

能力：本小題考查應用理解能力，要求考生能夠準確提取表現型和基因型關系表的信息，進行相關計算，能力要求賦值為3。

情境：3對等位基因控制同一性狀，分別位于3對同源染色體上，情境新穎度為2；親代雜交，子一代再自交，情境繁簡度為復雜，賦值為3。

思維：解答本題所需要的思維鏈條長，同時，需要注意題目的限定條件“黃花中純合個體占黃花的比例”。考生需要先列出F2基因型及比例為9 /16aaB_ D_(黃花)∶3/16 aaB_ dd(黃花)∶3 /16aabbD_(黃花)∶1/16 aabbdd(金黃花)，即黃花共有8種基因型，再找出黃花中純合的基因型有aaBBDD、aaBBdd、aabbDD共3種。最后得出黃花中純合個體占黃花的比例為3/15=1/5。因此，干擾和障礙度和分析推理步驟數，均賦值為3。

形式：本小題是復合計算題，賦值為3。

綜上所述，獲得該試題的量化數據表(表4)。

表4 2013年高考福建省生物學填空題28(2)試題難度影響的量化數據表

2 研究結果及解釋

2.1 統計分析各影響因素的相關性 利用SPSS軟件進行斯皮爾曼相關檢驗和非參數多樣本均值秩檢驗，相關性結果見表5。

表5 難度與影響因素的相關分析表

(注:*表示在0.05水平上差異顯著；**表示在0.01水平上差異顯著)

據表5可知，選擇題中“F4、F5、F6和F7”的統計學意義為極其顯著，經過非參數多樣本均值秩檢驗發現，只有“F4、F5和F6”相關程度高，影響極其顯著。而填空題除了“F1、F2和F8”的相關檢驗不具有統計意義，其余5個因素的統計意義都極其顯著。通過非參數多樣本均值秩檢驗，認為因素水平的設置是科學的。

2.2 多元逐步回歸分析 選取顯著影響試題的因素進行多元逐步回歸分析。在a =0.05水平上，以試題難度為因變量，逐步進入選擇題難度影響方程的自變量為F5和F6，進入填空題的有F4、F5和F6。模型在擬合過程中變量輸入與移出的記錄過程見表6。回歸模型的建立和檢驗過程見表7、表8、表9。

由表7可得，輸入的相應變量得到的回歸值(預估值)與實測值之間的相關系數都較高。復相關系數的平方表示所被引入的影響因素能解釋難度值的變異范圍，選擇題的兩個自變量(F5、F6)的解釋范圍為89.0%，而填空題的為73.0%。可見，利用回歸分析對試題難度進行預測準確度較高，回歸模型具有解釋意義。

表6 變量輸入/移出表

表7 難度與影響因素的回歸分析模型綜述表

表8從左到右依次呈現方差來源、平方和、自由度、均方、F統計量以及顯著性水平。整個模型的統計意義都極其顯著(選擇題中F=51.632，P=0.000；填空題中F=31.606，P=0.000)，說明回歸效應顯著。方差分析結果與復相關系數的平方一致，表明得到的兩個回歸方程都是有效的。

表8 難度與影響因素的方差分析表

表9 難度與影響因素的的模型系數表

表9給出了“偏回歸系數B”、“標準偏回歸系數Beta”以及“各因素回歸系數顯著性的t檢驗值”。t檢驗結果表明，顯著性p值都小于0.05，兩個模型的截距和回歸系數都具有統計意義。綜上分析，最終得出試題難度與影響因素的多元線性回歸方程(表10)。

3 分析與討論

3.1 情境新穎度 情境新穎度對填空題難度影響極其顯著。試題越新穎，難度值越小，試題越難。如果試題中的問題情境與考生已有的認知經歷相同或相似，考生往往能從已有的認知結構中找出相關知識并遷移到試題中，解題的難度會減小[3]。因此，命題人員在選取有關生物科技的材料作為試題情境時，需要注重材料的加工，使其貼近高中生已有的認知水平。同時，考慮到試題情境材料的呈現方式、設問手法的新穎程度，有效應用試題情境新穎的程度調控試題難度。

表10 2010～2015年高考福建省生物學卷試題難度與影響因素的多元線性回歸方程

3.2 情境繁簡度 情境繁簡度對兩種題型試題難度都有顯著影響，標準化偏回歸系數均為負值，表明試題情境越復雜，難度值越小，試題越難。試題背景資料的復雜程度，設問與條件關聯的復雜程度、情境信息量的多少等直接影響試題的難度。因此，命題人員一方面通過評價情境的繁簡度，控制試題難度；另一方面應用圖形、圖表等多種表達方式，降低情境復雜程度的同時提高試題情境表達的簡約性、條理性。

3.3 干擾和障礙度 干擾和障礙度是影響試題難度的最大因素。試題存在的障礙和干擾越多，難度值越小，試題越難。設問與條件的關聯隱蔽程度，干擾信息的強度及其數量，答案的提示等直接影響試題難度。干擾和障礙度對選擇題的影響系數大于填空題，原因是選擇題除正選項外，還有三個具有迷惑和干擾的錯誤選項，備選項的優化設計能調控試題難度。命題人員應用干擾和障礙度進行難度調控的常見命題技術有：知識點間的混淆、前科學概念的干擾、思維負遷移的作用、正確選項的清晰度等[4]。