高中化學“證據推理”素養水平測評研究

孫妍 王后雄

關鍵詞：學科核心素養;證據推理;素養水平;Rasch模型;素養測評

1研究背景

“證據推理”素養作為化學學科核心素養的重要組成部分之一，是化學學科思維方式的外在體現，是化學科高考評價體系中的重要考察內容。

隨著“證據推理”在科學教育中地位的提高，其質量評價也得到眾多研究者的青睞。現有的評價工具中最典型的便是基于圖爾敏（Toulmin）論證模式所構建的評價標準，通常從單角度或多個角度對“證據推理”進行水平劃分，反映出圖爾敏論證模式六要素（資料、主張、根據、限定、支持、反駁）之間的關系。如Erduran認為，不同論證能力水平的差異性主要依據要素的組成方式，并建構包含五個水平的評價標準;Sandoval在建構評價標準時將維度增加為四個（因果結構、因果一致性、引用證據、明確辯護），并設計四個水平的評價量表進行測評。多維度評價標準雖較為全面，使得原先標準中一些含糊的、有歧義的概念得到解釋，但大大增加了研究者評價的難度，致使評價量表的效度下降。

國內有關“證據推理”的研究通常是結合我國教育背景和課程發展現狀對現有框架經過本土化改造后探查學生能力發展的現狀、影響因素等。本研究以2017年版課標為依托，試圖通過測評研究揭示當前高中生“證據推理”素養的發展現狀，為化學教育研究者和一線教師提供數據支撐。

2研究基礎

2.1“證據推理”素養水平構建

2017年版課標中指出“證據推理”素養有4級水平，如表1所示。

從4個素養水平的內涵界定可以發現：水平1突出對學生宏觀證據提取與推理能力的要求;水平2不僅重視微觀證據，還重視推理視角的多樣化;水平3則進一步要求發展學生的定性分析與定量計算能力;水平4不僅關注證據的充分性，更重視學生對證據與結論之間關系的解釋。四個素養水平層層遞進，均是在前一個水平基礎上發展而來。

2.2“證據推理”素養測評的原理

“證據推理”素養作為一種個性心理特征無法直接考察，需要通過學生一定的外顯行為表現進行間接測量。項目反應理論通過數學建模解釋被試（對象）對項目的反應和其潛在特質之間的關系，其中最常用的函數形式是累計正態分布函數和累計邏輯斯蒂（Logistic）分布函數。Rasch模型是僅有一個參數的邏輯斯蒂（Logistic）分布函數，其將原始分采用自然對數的方式轉化成logit分，具有客觀等距的特性。以Rasch模型為基礎衍生出眾多測量模型，Wilson的“四基石”模型（見圖1）便是其中一種，主要包括結構圖、項目設計、結果空間、測量模型四個維度，四者共同作用揭示個

3研究方法

研究選定“常見的無機物及其應用”為主題，依據“證據推理”素養4個水平劃分開發測評工具，基于Winsteps3. 73.3軟件對工具的信度、效度的分析對測評工具進行修改和優化，直至工具符合Rasch模型要求，再進行大樣本測試。其具體流程如圖2所示。

3.1命題框架的制定

研究選擇主題“常見的無機物及其應用”為測評工具的主要內容，各項目包括該主題下“元素與物質”、“氧化還原反應”等五個核心概念。將“證據推理”素養四個水平與五個核心概念相結合，建構出素養測評的二維命題框架（如表2所示）。對近5年高考化學真題進行篩選及整理，一方面保證考點的全面性，更重要的是保證試題能夠均勻分散在各個水平上。

該題考查“水平2”，學生需要在宏觀與微觀結合的基礎上多角度分析問題。A、B、D的選項中，除所給條件外，仍有其他情況符合描述，如“COi同樣與Ba2+生成白色沉淀”“FeCI，和Fe的混合物滴加KSCN溶液不出現血紅色”“固體中有AlO：滴加鹽酸生成白色沉淀，再加NaOH溶液沉淀溶解”。C選項的證據為NH4的檢驗方式“滴加NaOH溶液，加熱，判斷是否有使濕潤紅色石蕊試紙變藍的氣體”生成進行推理，由于選項中沒有“加熱”一詞，故C正確。

oio將晶體X加熱分解，可得六種產物，由各分解產物的物質的量之比推測X的組成類似于明礬，若向一定量的X的濃溶液中逐滴加入濃NaOH溶液至過量，則產生沉淀的質量隨加入NaOH溶液體積的變化的正確圖像是（填字母）。

該題考查“水平3”，學生需要定性分析題干中所給信息（即X的組成），推理出何種成分（ Al、NH4）與NaOH溶液反應，再進一步從三者反應的定量關系[ NaOH先與Al3+反應后與NH4反應，最后與生成的Al（ OH），作用生成A102]推出結論。

Q19化學小組進行實驗后得到沉淀，對物質性質分析得出：沉淀B可能為Ag2SO，.Ag2S04或二者混合物。（資料：Ag2S04微溶于水;Ag2S03難溶于水）

實驗二：驗證B的成分

取上層清液繼續滴加BaCl，溶液，未出現白色沉淀，根據此現象判斷B不合哪種物質，并說出理由

該題考察“水平2”和“水平4”，要求學生從微觀角度根據物質性質（Ba2+遇S04生成白色沉淀）提取證據，以此推理出B中不含Ag2S04，并要說明該結論與證據之間的關系。

3.3研究樣本

本研究共進行了三輪測試（被試組成如表3所示），前兩輪測試的樣本來源于武漢市某重點高中高二某班，目的在于檢驗測評工具的質量。大樣本測試采取分層抽樣的形式，在同一所高中的高二、高三年級隨機抽取被試。

3.4數據分析

將所有被試數據錄入Excel 2019，進一步將數據導入Winsteps3. 72.3進行工具質量檢驗，隨后從Winsteps3. 72.3導出數據，此時項目難度與被試能力水平已被轉化成具有等距意義的logits值，將轉化后的數據導人SPSS 25.0作進一步分析。

4結果分析

4.1測評工具的質量檢驗

將整理后的數據導人Winsteps3. 72.3進行總體質量分析，結果如表4所示。

數據顯示，被試的平均能力水平（0.05）略高于項目平均難度值（0.00）;測評工具的誤差為0. 07，說明本次測試的精確度較高;項目與被試的區分度與信度均高出要求值（一般要求區分度≥2，信度≥0.8）;項目擬合指數（ MNSQ、ZSTD）均在理想值左右（MNSQ理想值為1，ZSTD理想值為0）。

繪制標準殘差對比圖（略），大部分的項目處于[-0.4，0.4]的區間范圍之內，基本滿足單維性檢驗要求。繪制懷特圖（略）將被試的能力水平與項目難度放置于同一量尺中進行比較，各個項目難度水平基本與預設水平一致，符合Rasch模型的基本要求。

綜上可知，測評工具的總體質量良好，具有良好的信度和效度。

4.2學生的高中化學“證據推理”素養分析

4.2.1“證據推理”素養水平劃分

將試卷中各個項目的難度估計進行平均可得到每個水平的難度平均值。當學生能力水平低于-1. 24時，則認為學生尚未達到水平1;當學生的能力水平處于-1. 24- -0. 24時，則認為處于水平1;當學生的能力水平處于-0. 24 -0. 24時，則認為其處于水平2;當學生的能力水平處于0. 24 -0.90時，則認為其處于水平3;當學生的能力水平高于0. 90時，則可視為已達到水平4的基本要求。

4.2.2“證據推理”素養水平整體發展情況

為探知被試在各個素養水平上的分布情況，繪制被試“證據推理”素養各水平人數百分比分布表。由表5可知，處于水平2的學生人數最多;僅有5%的學生達到水平4。

4.2.3“證據推理”素養水平的年級差異性分析

表6顯示了兩個年級高中化學“證據推理”素養水平的描述性統計結果。由表可知，極大值出現在高三年級，為2. 07;極小值為高二年級某被試，為-1. 99。高二、高三年級被試的均分分別為-0. 2058、0.0768，高三年級的均分顯著高于高二年級。

對兩個年級“證據推理”素養均分進行獨立樣本T檢驗（見表7）。數據顯示萊文統計中顯著性值為0. 085>0.05，因此認為方差具有齊性，T檢驗的結果具有參考價值。在獨立樣本T檢驗中，顯著性為0. 000，說明高二、高三年級在“證據推理”素養得分上存在顯著的差異。

繪制不同年級被試“證據推理”素養水平百分比分布表（如表8所示），高三年級與高二年級相比，處于水平1的被試占比明顯減少，處于水平3及水平4的被試人數占比略有上升，高三年級的“證據推理”素養水平高于高二年級。

從具體核心概念分析（如圖3所示），兩個年級的素養水平表現差距主要來源于“氧化還原反應…‘電離與離子反應”這兩大核心概念，相較于其他核心概念，這兩類知識抽象性、邏輯性更強，對學生的抽象思維能力要求更高，差距可能源自高三年級總體平均抽象思維能力高于高二年級。除此之外，選修課程的學習和已經開始的一輪復習發展了高三年級學生的思維方式，加深了其對相關知識的記憶，這也是使得高三年級各主題“證據推理”素養水平均高于高二年級的原因。

4.2.4“證據推理”素養水平的學業表現差異性分析

以該區11月的期中統考的學科總成績為依據，按照總成績得分排名將被試進行學業表現分類，將年級總分排名前27%的被試劃為學優生;總分排名后27%的被試劃分為學困生;剩余的中間排名的被試則為學中生（如表9所示）。

對三類被試的結果進行描述性統計，如表10所示，極大值出現在學優生被試當中，為2. 07;極小值出現在學困生當中，為-1. 99，從Rasch得分均值來看，被試均值得分：學優生>學中生>學困生。

通過方差分析（如表11所示）對比三組平均數差異的顯著性，顯著性為0. 000，說明學優生、學中生、學困生三個類別之間存在顯著性差異。

采用LSD法對樣本進行事后多重比較。由表12可知，學優生、學中生與學困生三組兩兩之間均存在著顯著差異。

由表13可知，學優生中處于高水平（水平3、水平4）的被試占比為三類被試中最多;學中生中水平1、2、3人數分布平均;學困生中90%的被試處于低水平。總體上說，學業表現水平與“證據推理”素養水平基本呈正相關關系。

從具體核心概念分析，三類被試的水平差異再次反映出抽象思維方式對學生“證據推理”素養水平的影響。值得一提的是，學優生與學中生之間的差距顯著大于學中生與學困生之間的差距，這一現象在“氧化還原反應”與“電離與離子反應”核心概念上尤為明顯，表明“證據推理”素養水平的發展在學中生到學優生有一個跨越，說明“證據推理”素養水平與學業表現并不是簡單呈正比例相關，而是隨著成績上升其上升幅度越大（見圖4）。

5研究結論與啟示

5.1研究結論

（1）從整體上看，在“常見的無機物及其應用”模塊，學生“證據推理”素養水平主要處于水平2。其中，學生在“元素與物質”“金屬及其化合物”“非金屬及其化合物”等核心概念的素養水平較高，在“氧化還原反應”“電離與離子反應”等核心概念的表現不佳。

（2）從年級差異上看，學生化學“證據推理”素養水平隨年級升高而呈上升趨勢。高三年級在“氧化還原反應”“非金屬及其化合物”等核心概念的素養水平顯著高于高二年級。

（3）從學業表現上看，學生化學“證據推理”素養水平隨學業成績而呈上升趨勢，其中學優生與學中生之間差距大于學中生與學困生之間的差距。

5.2研究啟示

5.2.1關注知識內容與素養水平之間的關系

研究發現，學生在不同核心概念下所表現出的“證據推理”素養水平不同，因此在日常教學中，教師應依據模塊特征，以學生素養水平發展要求為依據，制定具體的教學目標實施教學。如對于“元素化合物及性質”，學生已經能從宏微結合的角度提取證據，進行推理，教師在教學時可加大證據的復雜程度，要求學生從多個現象中推理出多個結論。而對于“氧化還原反應”，學生素養水平較低，教師不宜設置過于復雜的推此知識點的教學深入探究如何適度處理是非常重要的。