基于認知診斷理論編制“減數分裂”測試卷*

陳雁莊 李娘輝 蘇科庚

（1 華南師范大學生命科學學院 廣東廣州 510631 2 廣東廣雅中學 廣東廣州 510145）

學生學業(yè)的診斷類似于醫(yī)院的醫(yī)生給病人看病。當教師用診斷性測驗探測學生的“病情”時，希望能準確地找到學生的“病因”。顯然，以經典測量理論為指導的傳統(tǒng)測驗卷不能達到上述目的，這是因為經典測量理論僅對學生的宏觀水平進行評估，不能探查學生對每一個知識點的掌握情況。為克服以上困難，認知診斷應運而生。

1 理論基礎

1.1 布盧姆教育目標分類學 以布盧姆的學生安德森為首的專家小組于2001年公布的《布盧姆教育目標分類學（修訂版）》將單一維度的分類系統(tǒng)轉變?yōu)橹R和認知過程2 個維度，使用一個名詞和一個動詞描述教學目標，名詞描述要求學習者掌握的知識，動詞描述認知過程（表1），彌補了原分類方法的局限性［1］。

表1 布盧姆教育目標分類法

1.2 Q 矩陣理論 Q 矩陣理論是將測驗項目不可觀察的認知屬性轉化為可觀察的項目反應模式，并通過項目上可觀察的作答反應推測被試的認知狀態(tài)。認知診斷測驗通常需要診斷多個認知屬性，根據Q 矩陣理論可計算得到所有可能符合邏輯的項目考核方式，即典型考核模式［2］。

1.3 認知診斷理論 傳統(tǒng)的測驗理論關注的焦點是分數的高低，測驗結果局限在對考生宏觀層面的能力評價及在此基礎上對考生進行篩選。認知診斷測驗則能提供詳細的診斷信息，報告學生的知識結構和加工技能，探查學生對每一個知識點的掌握情況，以便教師采取針對性的補救教學［2］。

1.4 Dina 模型 認知診斷充分吸收認知心理學對人類認知加工過程內在機制研究的成果，開發(fā)出具有認知診斷功能的心理計量模型，從而實現對學生內部心理加工過程的測量。Dina 模型是認知診斷模型中的一種，模型簡潔，且參數穩(wěn)定［2］。此外，Dina 模型中的猜測系數和失誤系數可用于修正試題，從而提高試題質量。

2 研究方法

2.1 構建認知屬性模型 研究表明，基于認知屬性模型編制的診斷性測試卷較傳統(tǒng)方法編制的測試卷具有結構效度上的優(yōu)勢［3］。本研究以“減數分裂”內容為載體，結合普通高中生物學課程標準和高考試題等材料，依據布盧姆教育目標分類學構建認知屬性模型（表2），并梳理認知屬性間的邏輯關系，從而構建具層級結構的認知屬性模型（圖1）。

圖1 認知屬性間的層級關系

表2 減數分裂認知屬性模型

2.2 編制預測卷 為實現對每個認知屬性的精確診斷，應根據Q 矩陣理論編制測驗藍圖。首先，依據屬性間的層級關系（圖2）構建鄰接矩陣，運用R 語言編寫相關程式運行得到典型考核模式。一般而言，試題對每個屬性的測量次數至少為3次，因此可在典型考核模式的基礎上增加對個別認知屬性的考查，得到最終的測驗藍圖（表3），如Q1 僅考查A1認知屬性，Q2 考查A1和A22 個認知屬性，余類推，表3中A1～A7各認知屬性對應的具體考查內容見表2。

表3 測驗藍圖

相應測試題舉例如下：

Q1 下列關于減數分裂的敘述，不正確的是（ ）。

A.高等動物的減數分裂發(fā)生在睪丸（精巢）或卵巢中

B.只有進行有性生殖的生物才能進行減數分裂

C.減數分裂過程中染色體復制1 次，細胞分裂2 次

D.減數分裂的結果是染色體數減半，DNA 數不變

Q2 下列關于“同源染色體”和“四分體”的敘述，正確的是（ ）。

A.同源染色體是指一條染色體復制形成的2條染色體

B.同源染色體在減數分裂過程中會兩兩配對

C.四分體是指4 條配對的染色體

D.只要細胞中存在同源染色體，就存在四分體

Q3 如圖2是高等動物細胞分裂的模式圖，下列敘述正確的是（ ）。

A.該細胞處于減數第一次分裂前期，①與②、③與④進行聯(lián)會

B.該細胞在減數第一次分裂后期時，可發(fā)生①②③④的隨機組合

C.該細胞在減數第一次分裂后期時，染色體著絲點分裂，姐妹染色單體分離

D.該細胞經減數第一次分裂產生的子細胞一般不含同源染色體

圖2

在測驗藍圖（表3）的指導下編制試題，例如Q1 考查學生是否能識記減數分裂的相關知識，考查層面為記憶；Q2 需要學生在識記的前提下，解釋同源染色體和四分體的基本概念，并要求學生在試題中對概念進行辨析，考查層面為理解；Q3考查學生是否能準確地描述圖示染色體的行為變化，學生需識記減數分裂相關事實性知識和解釋其概念，才能實現信息的圖文轉化，該題的考查層面為理解，但考查的認知屬性個數比Q2 多1 個，考查的屬性層級也更高。余下試題同樣嚴格依照測驗藍圖（表3）進行編制，完成編制后對一線教師和大學教師進行訪談，反復修正，形成最終的“減數分裂”測驗卷。測驗卷遵循認知診斷理論和Q 矩陣理論的邏輯規(guī)律，能依據學生每道試題的作答結果，快速得到每位學生或某個團體（班級、學校等）對每個認知屬性的掌握概率，為教師教學和學生復習提供科學有效的建議。

2.3 開展測試 本研究采用的測試工具為自行命制的“減數分裂”測驗卷，測驗卷嚴格按照由認知屬性模型和Q 矩陣理論得出的測驗藍圖進行命制。研究對象選取廣州市某重點高中3 個班級112 名學生進行小規(guī)模測試。

2.4 統(tǒng)計處理 本研究運用R 語言編寫程式對認知屬性模型的層級關系進行鑒定，并估計項目參數和各認知屬性的掌握概率。

2.5 分析數據和修正試題

2.5.1 鑒定認知屬性模型的層級關系 為了確保認知屬性模型中層級關系的正確性和科學性，本研究采取層級一致性指標HCIi進行驗證。一般認為當HCIi值大于0.60 時，屬性層級關系較好。通過R計算得到“減數分裂”認知屬性模型的層級一致性指標HCIi值為0.70，表明層級結構良好。

2.5.2 估計項目參數 Dina 模型含猜測系數（guess）和失誤系數（slip）2 項參數，模型要求1-g-s＞0，用于確保掌握了項目作答所需屬性的學生在項目上正確作答的概率高于未掌握的學生在該項目正確作答的概率［4］，通過R 計算得到項目參數（表4）。

表4 項目參數

由表4可知，除了第4 題和第7 題，其余試題都滿足1-g-s＞0，原因是這2 個題目的猜測系數（guess）過高，可通過將選擇題轉化為填空題等方法降低題目的猜測系數，相應測試題的修改如下：

原第4 題：動物的卵細胞與精子形成過程的不同點是（ ）。

①一個卵原細胞只能產生一個卵細胞

②一個卵原細胞經染色體復制后成為一個初級卵母細胞

③次級卵母細胞分裂時細胞質分裂不均等

④卵細胞不需要經過變形階段

A．①②③ B．①②④ C．①③④ D．②③④

修改為填空題：動物的卵細胞與精子形成過程的不同點包括____________________________（答出2 點即可）。

原第7 題：俗話說：“一母生九子，九子各不同”，下列屬于“九子不同”的原因的是（ ）。

①原始生殖細胞減數分裂過程中同源染色體的非姐妹染色單體交叉互換

②原始生殖細胞有23 對同源染色體，減數分裂有多種非同源染色體組合的方式

③減數分裂過程中染色體復制1 次，細胞分裂2 次，使DNA 數減半

④1 個卵原細胞經過減數分裂，形成1 個卵細胞和3 個極體

⑤受精過程中卵細胞和精子結合的隨機性

A.①②③ B.①②④ C.①②⑤ D.②③⑤

修改為填空題：俗話說：“一母生九子，九子各不同”，請從減數分裂和受精作用的過程分析原因________________（答出3 點即可）。

2.5.3 估計認知屬性掌握概率 以一位學生在12 道題目上的作答情況 （1 代表學生在該試題上正確作答，0 代表沒有正確作答）為例，運用Dina模型進行分析，估計學生對各認知屬性的掌握情況（表5），具有較強的針對性。

表5 個體認知屬性掌握情況

運用Dina 模型估算3 個班級112 名學生在7個認知屬性上的總體掌握概率（表6），具有一定普遍性。

表6 團體認知屬性掌握情況

3 研究結果

3.1 以布盧姆教育目標分類學為理論基礎，并參考普通高中生物學課程標準和高考試題等材料，構建了具屬性層級關系的“減數分裂”認知屬性模型，該模型得到了專家和一線教師的認可。

3.2 在認知屬性模型的框架下，運用Q 矩陣理論運算得到“減數分裂”測驗藍圖，直接指導測驗項目的開發(fā)和編制，為教師編制試題提供了依據，也為提高診斷精度和豐富診斷信息奠定基礎。

3.3 運用Dina 模型可估計項目的猜測系數和失誤系數，為教師修正試題提供了依據，有利于提高試題的質量；且Dina 模型可估計學生對各認知屬性的掌握概率，為教師采取針對性的補救教學提供了指導。