規則空間模型在中學理科教學中的應用研究進展*

涂雪梅 高曉靚

(合肥師范學院化學與化學工程學院 安徽合肥 230061)

傳統的測驗與診斷注重以分數評價學生的知識掌握水平，并將分數作為分班和升學的依據，認為分數相同的學生對知識的掌握情況相同。同時，傳統上主要以紙筆測驗的形式對學生整體的學習情況進行評價，鮮有關于學生認識結構的診斷。但整體的評價并不能反映學生個體知識和問題解決策略的掌握情況。而規則空間模型作為一種診斷學生認知結構的心理測量認知診斷模型，能夠識別學生哪些屬性存在認知問題，從而采取有效的補救性措施，促進學生的發展。因此，將規則空間模型應用于中學教學中，能有效改善學生的知識掌握情況。以下對規則空間模型在中學理科教學中的應用進行分析，揭示規則空間模型的發展趨勢，為相關的學科教學提供借鑒與參考。

一、規則空間模型的簡介

規則空間模型(Rule Space Model)是Tatsuoka提出的一種認知診斷理論，能夠診斷學生的認知結構。其主要通過編制的試題對被試進行測驗，根據測驗所得分數，對被試個體的屬性掌握情況進行分析，采取相應的措施完善學生的知識結構，促進學生的發展。

二、規則空間模型在中學理科教學中的應用

樣本來源于中國知網數據庫(CNKI)，檢索項為“全文”，檢索詞為“規則空間模型”，排除無關樣本，最后選取期刊文章和碩士學位論文樣本25篇。從圖1中統計的數據看，國內從2006年開始應用規則空間模型對中學理科教學進行認知診斷研究，近幾年對規則空間模型在中學理科教學中的關注逐漸加強。隨著社會信息化的發展，規則空間模型在教學中的應用研究也在不斷發展、不斷完善，聚焦于對學生的知識結構、認知結構、能力掌握情況的診斷。由此，我們可以預見規則空間模型在中學理科教學中的應用研究將越來越受到關注。

圖1 2006—2020年規則空間模型研究成果統計圖

從這25篇文獻內容中發現，規則空間模型在教學中的應用研究主要分布于數學、物理、化學和生物等學科。

表1 規則空間模型在中學理科教學中的研究成果分布

(一)規則空間模型在中學數學教學中的應用

規則空間模型最早應用在數學教學中，主要用來診斷學生的認知錯誤反應模式或者知識的屬性掌握模式。在中學數學教學中，規則空間模型主要應用于不等式、勾股定理、幾何、統計概率、學業測驗、函數、數列極限、高考等相關領域。在不等式的教學中，運用規則空間模型識別學生對不等式的認知錯誤，歸納出學生18種認知錯誤反應模式。在勾股定理的教學中，根據試題和教材構建出有關勾股定理的認知屬性模型，基于規則空間模型診斷學生的知識結構，歸納出13種理想屬性掌握模式，利用K-means將其分為7種潛在知識狀態，實現學生的個性化學習。在幾何教學中，通過構建平行四邊形的認知屬性模型，診斷學生的知識結構，或從內容屬性和過程技能兩個維度構建出立體幾何的認知屬性模型，診斷學生對于立體幾何的屬性掌握模式，分析各屬性知識掌握情況和男女各類反應模式的差異，為教學提出建議。在統計概率的教學中，通過統計概率學習診斷測驗，運用規則空間模型分析學生關于統計概率的認知特征，繪制出關于統計與概率的認知屬性學習路徑圖。在數學學業測驗中，依據學業成就測驗所考查的認知屬性，建立三參數邏輯斯蒂模型，診斷學生的知識結構，為個體補救性學習、教師開展教學提供參考。在函數的教學中，以三角函數為載體，從知識內容和過程屬性兩個維度構建出認知屬性模型對學生進行診斷，再利用K-means將學生的屬性掌握模式分為7個聚類，刻畫出學習路徑圖，為實現班集體和個體的補救性學習提供參考。或基于Rasch模型和規則空間模型，從知識內容屬性和過程技能屬性兩個維度構建出函數的認知屬性模型，運用Rasch模型尋找出對函數有認知障礙的學生，利用規則空間模型診斷出學生對函數的掌握情況。在數列極限的教學中，通過構建出合理有效的數列極限的認知屬性模型和屬性層級關系圖，診斷出學生對于數列極限的屬性掌握情況，對比男女屬性掌握差異。對于高考，基于規則空間模型診斷學生的數學學科能力掌握模式，根據高考所考查的數學學科能力構建出能力屬性的層級關系圖，診斷學生的數學學科能力，劃分出71種能力掌握模式，為教學提供參考。

早期的規則空間模型被用來診斷學生在數學知識中的認知錯誤。目前，在中學數學教學中，規則空間模型也用來診斷學生的知識結構以及能力掌握模式。但是在診斷出學生的認知結構之后，缺少補救性措施，沒有采取有效的方法來促進學生的發展。

(二)規則空間模型在中學物理教學中的應用

在中學物理教學中，大多數研究者運用規則空間模型來診斷學生的認知結構，主要應用于診斷學生對于歐姆定律、電與磁、加速度和直流電路相關知識的認知結構。在歐姆定律的教學中，利用規則空間模型診斷學生對于歐姆定律相關知識的認知結構，歸類出13種屬性掌握模式，論證認知結構問題導致學生在運用物理知識中經常出現錯誤，分析不同屬性掌握模式出現的認知缺陷和需要補救的地方，刻畫出補救路徑圖。而在電與磁的教學中，規則空間模型主要用于診斷學生有關電與磁的知識結構，通過構建電與磁的認知屬性模型和屬性層級關系圖診斷學生的屬性掌握模式，將學生的屬性掌握模式劃分為四個學習進階層級。或基于規則空間模型構建出認知屬性模型，診斷學生關于帶電粒子在電、磁場中運動這一專題的認知結構，劃分為23個認知模式，對比不同性別學生之間能力差異，采用課后作業的方式對學生進行補救，實踐后對中等學生有顯著的效果。在加速度的教學中，在利用規則空間模型獲取學生的知識掌握情況的基礎上，構建出實驗課的教學設計方案，實踐后教學效果顯著。在利用規則空間模型診斷學生關于直流電路概念理解的知識結構時，構建學生關于直流電路的認知屬性模型，編制測試題對學生進行診斷，判歸出理想反應模式，為補救性教學提供參考。

在中學物理教學中，規則空間模型主要應用于電、磁相關內容，相關研究提出了開展補救性教學的建議，進行了補救性教學實踐，并對比分析出基于規則空間模型的補救性教學具有提高成績的效果。

(三)規則空間模型在中學生物教學中的應用

生物教學中有關規則空間模型的應用較少，主要是以伴性遺傳的內容為載體，運用規則空間模型，構建出伴性遺傳的認知屬性模型，按照能力均值把學生的屬性掌握模式劃分為四個層級，刻畫出學習路徑圖。規則空間模型在伴性遺傳中的應用，為中學生物教學評價改革提供了一種新的思路。

(四)規則空間模型在中學化學教學中的應用

在中學化學教學中，規則空間模型主要應用于診斷學生對于化合物、化學平衡、電化學、氧化還原相關知識的認知結構。在化合物的教學中，通過構建對于化合物相關知識的認知屬性模型，診斷出初中學生對于化合物相關知識的認知結構，并從屬性層面采取補救性措施。或以物質組成的表示為載體，運用規則空間模型診斷學生在物質組成的表示方面的學習情況，為教師教學提供建議。在電化學的教學中，基于規則空間模型，從宏觀、微觀、符號三重表征的角度構建出電化學知識內容模型，以由30個項目構成的測試題診斷學生有關電化學基礎內容的屬性掌握情況，歸納出29種理想反應模式，并刻畫出學生的學習路徑圖。或基于規則空間模型，通過文本分析法確定原電池的認知屬性，編制測試題對學生進行認知診斷，并結合SOLO分類理論把屬性掌握模式劃分為不同學習進階水平，為教學提供參考。在氧化還原的教學中，構建出氧化還原的認知屬性模型和屬性層級關系圖，編制測試題診斷學生有關氧化還原相關知識的認知結構，歸類出13種理想反應模式，對屬性未掌握的原因進行分析。此外，規則空間模型多用于化學平衡的相關知識內容，從不同維度構建出有關化學平衡的認知屬性模型，并將屬性劃分為不同水平，編制測試題診斷學生的認知結構，歸納出理想反應模式，利用K-means將被試分為不同聚類，或構建出理想反應模式的學習進階水平，為補救性教學提供參考。

這些研究者大多通過構建化學認知屬性模型、編制測試題，診斷學生的化學知識結構，并刻畫出學習路徑圖，但未提出相應的補救性教學策略，未采取相應的措施進行補救。

三、結論與展望

上文通過對國內關于規則空間模型的應用研究進行分類，歸納總結了規則空間模型在中學理科教學中的應用。規則空間模型在中學理科教學中有一定的應用，但是在中學理科教學中知識的覆蓋面較窄，各學科教學中僅涉及了部分內容。此外，在診斷學生的中學理科知識結構后，未采取明確的措施，進行補救性教學。

目前為止，規則空間模型的應用仍有很大的拓展空間。從其發展趨勢來看，未來研究需要關注規則空間模型在技能性知識方面的應用，對學生技能性知識的掌握情況進行診斷分析，設計出相應的補救性教學方案，促進學生的發展。同時，將規則空間模型與其他模型相結合，提高利用規則空間模型進行診斷的有效性，改善規則空間模型不能診斷滿分被試的能力的問題。