高中生化學學科核心素養的測評研究

趙景方　杜斌　韓波　閆春更　周青

摘要： 基于《普通高中化學課程標準（2017年版）》對化學學科核心素養的水平劃分，構建命題框架，開發針對“宏觀辨識與微觀探析”素養的測評工具。經過試卷編制、試測、Rasch模型質量檢驗等過程，表明該測評工具有良好的信度和效度。據此對陜北地區6所高中共1082名高二學生開展了“宏觀辨識與微觀探析”素養水平的測查，結果顯示學生該素養表現整體上位于水平3。從學?；瘜W教學改革建議、關注知識內容與素養水平之間的關系等方面探討了化學學科核心素養測評的研究價值。

關鍵詞： 宏觀辨識與微觀探析; Rasch模型; 化學學科核心素養; 素養測評

文章編號： 1005-6629（2019）5-0017-06 ? ? ? ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： B

1 ?問題的提出

隨著《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱2017版課標）的頒布，以學生“化學學科核心素養”的形成與發展為主要特征的化學課程改革已經拉開帷幕。相應地，化學課程內容的選擇、教學目標的制定、學習評價的實施以及教育質量的監測都將因此獲得新的視角和依據。為了客觀反映基礎教育階段學生的化學學業質量，給區域基礎教育質量監測提供有效的數據支撐，本研究試圖以“素養1宏觀辨識與微觀探析”（以下簡稱為素養1）的測評為例，探索開發可以實現素養測評功能的工具，并以此了解學?；騾^域學生在該素養方面的具體表現與存在問題，為基于素養測評的化學課程與教學改革提供數據支撐。

2 ?測評對象與內容

2.1 ?測評對象

本研究共進行了三輪測試，第一輪、第二輪測試要用于檢驗試題的質量，采用分層隨機抽樣的方法分別抽取了陜北地區100名高中生作為試測樣本。第三輪測試則在陜北地區選取6所不同層次的中學作為樣本來源學校，抽取了1082名高二學生。抽樣時，學生已經學完化學1、化學2、選修4（化學反應原理）以及選修5（有機化學基礎）四個模塊的知識內容。

2.2 ?測評內容

宏觀與微觀相聯系的思考問題的方式是化學學科的特征思維方式。“宏觀-微觀”思維方式作為一種統攝性的、突出學科特點的整體性思維方式為人們提供了觀察和分析問題的基點和視角，是參與和影響學生化學學習過程的活躍因素[1]。2017版課標給出了素養1的水平劃分[2]，見表1。

從4個素養水平的內涵界定可以發現： 水平1突出了對學生宏觀現象的辨識與表征能力的要求;水平2不僅重視學生的宏觀表征能力，還關注對學生微觀表征能力、歸納/比較分析能力的培養;水平3則在宏觀、微觀表征能力的基礎上，進一步發展學生的符號表征能力與計算能力;水平4不僅關注學生的“宏-微-符”三重表征能力，更加重視對學生推理預測能力的培養。四個素養水平層層遞進，學生在各個水平所要達到的能力均包含著前一個水平的能力要求，是在前一個水平的基礎上發展而來的。

3 ?測評工具的開發

測評工具開發流程如圖1所示。

3.1 ?命題框架的建構

由于樣本學生已經學習了化學1、化學2、選修4以及選修5四個模塊的內容，參考2017版課標對“課程內容”的劃分，將上述四個模塊的內容合并、重整為“常見的無機物及其應用”“物質結構基礎與化學反應原理”“有機化學基礎”三個主題?！俺Ｒ姷臒o機物及其應用”包括氧化還原反應、電離與離子反應、金屬及其化合物、非金屬及其化合物等;“物質結構基礎與化學反應原理”包括原子結構與元素周期律、化學鍵、化學反應與能量、化學反應速率與化學平衡、電化學基礎等;“有機化學基礎”包括有機化合物的組成與結構、烴及其衍生物的性質與應用、生物大分子及合成高分子等。

將4個素養水平與三個知識主題相結合，建構了素養測評的二維命題框架（見表2）。命制試題時，從學生的能力出發，先確定考查學生什么樣的能力，再選擇具體的化學知識作為測試載體，并且盡可能使每個水平的知識點均勻分散在各個主題，一方面保證考點的覆蓋面，可以對學生的學業質量做出較為整體性的評估，另一方面，突出對學生素養水平或能力水平的考查，盡可能地避免考點的偏倚對測試內容效度的影響。

3.2 ?試題的命制

根據命題框架，編制了第一輪的試卷（共25題），經過Rasch模型進行質量檢驗后，對個別題目進行了修改、刪增，形成了第二輪的試卷，共20題，再次經Rasch模型檢驗，體現出了良好的信度和效度，說明試卷質量可靠，可將之用于大樣本研究。表2是20道題（Q1～Q20）在二維命題框架中的具體呈現。

下面各舉一例題作簡要分析：

Q4.現有失去標簽的四種無色溶液，為確定四種溶液成分，將它們隨意編號為A、 B、 C、 D進行實驗，產生的現象如下表所示，以下A、 B、 C、 D對應的化學式正確的是__________

A. BaCl2、 H2SO4、 NaHCO3、 MgCl2

B. Ba（OH）2、 H2SO4、 Na2CO3、 MgCl2

C. BaCl2、 H2SO4、 Na2CO3、 MgCl2

D. Ba（OH）2、 H2SO4、 Na2CO3、 Mg（OH）2

說明： 此題目考查的是水平1，旨在考查學生宏觀現象的辨識與表征能力。要求學生根據實驗現象識別物質及其反應，并能運用化學式正確描述物質的組成。

Q10.已知元素aA、 bB、 cC、 dD、 eE的原子結構示意圖如下圖所示，下列選項正確的是__________

A. bB、 dD、 eE屬于同周期的元素

B. aA、 bB、 cC屬于同主族的元素

C. 金屬性最強的元素為cC、非金屬性最強的為dD

D. 最高價氧化物對應的水化物堿性最強的是cC

說明： 此題目考查的是水平2，旨在考查學生是否能從微觀視角出發來解釋或描述元素以及物質的性質。要求學生能根據五種元素的微觀結構示意圖，歸納同周期/同主族的元素性質，說明元素性質的遞變規律。

Q13.有一根粗鋁條含鐵和硅兩種雜質。取等質量的樣品分別投入到足量的稀鹽酸和足量的稀氫氧化鈉溶液中，放出等量的H2，則該粗鋁中鐵和硅的關系正確的是__________

① 物質的量之比為2∶1

② 物質的量之比為3∶1

③ 質量之比為2∶1

④ 質量之比為4∶1

A. ②④

B. ②③

C. ①④

D. 只有④

說明： 此題目考查的是水平3，旨在考查學生的符號表征能力與計算能力。要求學生能正確書寫出鋁、鐵與鹽酸反應，鋁、硅與氫氧化鈉反應的化學方程式，根據各反應中生成氫氣的物質的量，運用定量計算的方法，求出粗鋁條中鐵和硅的物質的量之比、質量之比。

Q17.從中草藥茵陳蒿中可提取出一種利膽有效成分——對羥基苯乙酮，其結構簡式如下圖，這是一種值得進一步研究應用的藥物。

（1） 推測該藥物不具有的化學性質是__________

A. 能跟氫氧化鉀反應

B. 能跟濃溴水反應

C. 能跟碳酸氫鈉反應

D. 在催化劑存在時能被還原成含醇羥基的物質

（2） 寫出上述（1）中能發生反應的所有化學方程式，并說明反應類型__________

說明： 此題目考查的是水平4，旨在考查學生對物質微觀結構（官能團）的辨識以及推理預測的能力。要求學生能夠根據對羥基苯乙酮的結構簡式，準確識別其官能團，預測羥基苯乙酮的化學性質，判斷選項所描述化學反應的合理性，準確運用化學符號（化學方程式）表征化學反應。

3.3 ?基于Rasch模型的測評工具質量檢驗

作為一種潛在特質模型，Rasch模型通過個體在題目上的表現（通常表示為原始分數）來測量不可直接觀察的、潛在的變量[3]。透過被試者的作答反應，得到客觀等距的量尺，克服了經典測驗理論（Classical Testing Theory， CTT）“工具依賴”和“樣本依賴”的缺點，為社會科學領域的測量建立起了一套客觀和可靠的標準[4]。

運用Rasch模型分析軟件Winsteps4.10分析第三輪測試數據，表3所示是第三輪測試的整體統計結果。學生的平均能力值（0.81）高于項目的平均難度值（0分）;整份試卷的難度估計誤差（0.09）較小;項目具有較高的區分度（Separation=16.75，>2）和信度（Reliability=1.00，>0.80）;項目擬合指數（MNSQ、 ZSTD）均在理想值左右（MNSQ值在0.5～1.5之間時表示擬合程度良好;ZSTD值在-2～2時表示擬合程度較好），說明測驗數據與理想模型具有較好的一致性?？傮w而言，測評工具體現出良好的質量。

Rasch模型將學生的能力值與項目的難度值放在同一量尺上，不僅可以分別對項目的難度、學生的能力進行對比分析，還可直觀地將項目難度與學生能力進行匹配檢驗。如圖2所示，左端“#”表示8個學生，“·”表示1～7個學生，右端表示20個項目的分布情況。自下而上學生能力升高、項目難度增加。理想的試卷不同難度的項目均有與之對應的學生，量尺左邊的學生密集程度應與量尺右邊的項目數量成正比。學生的分布較為理想，基本呈正態分布，20個項目的分布也較均勻，整體而言，項目的難度與學生的能力基本持平。

4 ?測評結果與討論

4.1 ?素養水平的評價標準

Rasch模型是在同一把量尺上將學生能力和項目難度進行比較的，將各個水平所有項目的難度值進行平均便可以得到各個水平的難度值，見表4。以項目難度平均值作為判斷學生素養水平的依據。當學生的能力值低于-2.13時，則認為學生低于水平1;當學生的能力值為-2.23～-0.57時，則處于水平1;當學生的能力值為-0.57～0.66時，則處于水平2;當學生的能力值為0.66～1.99時，則處于水平3;當學生的能力值高于1.99時，則認為學生處于水平4。

4.2 ?總體分析

根據素養水平的評價標準，統計得到陜北地區的1082名學生在“宏觀辨識與微觀探析”素養水平的總體表現如圖3所示。水平1及以下的學生占20.43%，這部分學生已具備基本的宏觀表征能力;79.57%（水平2以上）的學生已具備了基本的歸納/比較的分析能力;49.36%（水平3以上）的學生具備了基本的“宏-微-符”三重表征能力與計算能力;16.27%（水平4）的學生不僅具備良好的“宏-微-符”三重表征能力，還具備了一定的推理預測能力。

從“常見的無機物及其應用”的答題情況來看，學生對“氧化還原反應”掌握的情況要好于“金屬及其化合物”。多數學生能夠通過化合價的升降/電子的得失判斷氧化還原反應的相關概念（氧化劑/還原劑/氧化反應/還原反應），雖然氧化還原反應是在高一階段學習的，但“電化學基礎”又是建立在“氧化還原反應”基礎上的，所以學生在學習“原電池、電解池”的過程中潛移默化地將“氧化還原反應”進行了鞏固，而“金屬及其化合物、非金屬及其化合物”主要是在高一階段學習的，由于遺忘而對這部分試題出現錯誤解答的可能性較大。并且兩部分內容的知識點比較零碎，這就需要學生具有較好的總結與歸納能力，形成一個系統的完整的知識體系，才能在答題時做到游刃有余。

從“物質結構基礎與化學反應原理”的答題情況來看，部分學生在“電化學基礎”的試題中卻存在較大的問題，例如沒有理解并掌握原電池與電解池的工作原理，不能將原電池與電解池區別開來，設計原電池時運用了化學2所學的“單液原電池”，只有極少數的學生設計了選修4學的“雙液原電池”，這可能是受到了“前攝抑制”的影響造成對“鹽橋”“雙液原電池”等相關知識的遺忘。學生在“化學反應速率與化學平衡”試題的解答中也存在較多問題，例如無法根據外界條件的改變，準確預測平衡移動的方向、比較離子濃度的大小，說明學生沒有真正理解化學平衡移動的實質，不能將“宏觀外界條件（如壓強/體積）的改變”轉化為“體系內部微觀粒子濃度的改變”再轉化為“正/逆反應速率的改變”來進行解題，可見這類題目需要學生能從宏-微結合的視角來分析，能力水平要求較高。

從“有機化學基礎”的答題情況來看，多數學生能夠準確判斷有機化合物的官能團、能夠根據官能團推測有機物的性質以及反應的類型，很可能與學生剛學完選修5《有機化學基礎》有關。但部分學生在化學符號的書寫上存在問題，例如不能規范書寫化學方程式、結構簡式，不能準確、完整書寫同分異構體，可見學生的符號表征能力還有待提升。

5 ?結論與啟示

5.1 ?結論

（1） 從整體來看，學生的平均能力值為0.81，學生的平均素養水平處于水平3?？梢姡儽睂W生可以從宏-微結合的視角來分析物質及其變化，能夠運用化學符號進行計算，已經初步具備了“宏-微-符”三重表征能力。

（2） 從四個水平來看，處于水平1的學生比例為20.43%;處于水平2的學生比例為30.21%;處于水平3的學生比例為33.09%;水平4的學生比例為16.27%?？梢?，只有少數學生達到了水平4，具備了較好的推理預測能力。

5.2 ?啟示

（1） 基于Rasch模型的學科核心素養測評可以初步刻畫出區域、學校乃至具體學生在某一學科核心素養方面的表現水平，揭示區域、學校及具體學生相關素養發展存在的問題，為學校教師實施因材施教提供有力的數據支撐。學校的化學教學改革應關注學生素養水平由低到高的進階發展，引導學生從宏觀、微觀、符號三個維度對物質及其變化進行表征，同時也要重視學生歸納能力、計算能力以及推理預測能力的培養與提升。為此，學校應加強教師的校際交流與學習，組織開展針對學科核心素養培養的“同課異構”教學研討，為教師提供面對面交流互動的平臺，促進教學方式、教學策略的多樣化運用;依托學校的軟硬件條件開發專門學生“宏觀辨識與微觀探析”核心素養提升的校本課程，不僅可以針對性地提升學生學科核心素養，還可以展示學校的辦學特色;加快素養測評工具的開發與改進，實施階段化測評，及時向教師和學生反饋結果，實現以評促教、因材施教。

（2） 在日常教學中，教師應關注知識內容與素養水平之間的關系。在進行不同模塊或不同專題知識教學時，以學生核心素養不同水平的要求為依據，制定具體教學目標，實施教學。例如，選修3《物質結構與性質》模塊的學習有利于提升學生對物質結構的基本認識，深入認識物質的結構與性質之間的關系;選修5《有機化學基礎》模塊的學習有利于引導學生建立“組成、結構決定性質”的基本觀念。這兩個模塊內容對提升學生微觀表征能力（達到水平2以上）很有幫助，因而教師可以依據“直觀性教學原則”，積極創新教學方式方法，如使用“模型拼插”的教具，帶領學生親自動手拼插有機化合物的模型;或利用計算機軟件Chemsketch或Chem3D模擬有機化合物立體模型，讓學生對有機物的空間結構有更加直觀的認知;還可以利用虛擬現實技術（VR）帶領學生動手嘗試堆積原子模型，幫助學生理解晶體的堆積方式等。

（3） 在“宏觀辨識與微觀探析”核心素養的培育中，應進一步研究影響素養形成的因素或條件，并在常態化教學中做出積極應對。例如，本次素養測評發現，學生的科學觀察能力不足、科學表達水平不高可能是影響學生“宏觀辨識與微觀探析”素養提升的兩個因素。例如，學生對實驗現象的觀察缺乏系統性、邏輯性、嚴謹性、周密性，同時無法清晰明確地描述自己頭腦中宏觀、微觀層面的認識，科學表達中缺乏條理性，不能突出重點。對于這些影響素養形成的基礎性條件，需要教師在平常的教學中加以重視并積極引導學生完善自身基礎能力，提升素養水平。

參考文獻：

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