高中化學模型認知素養測評的實踐研究

李宇風 余方喜

摘要： 根據課程標準將模型認知素養劃分為理解模型、應用模型、建構模型三個維度，并結合學生的學習和教學的實際，構建模型認知素養維度水平表。結合具體教學內容，編制模型認知素養測評框架，開發測試項目對學生模型認知素養進行測評與分析，探索日常學習中學生模型認知素養發展水平的評價方法。

關鍵詞： 高中化學； 模型認知； 測評研究

文章編號： 10056629（2023）05000906

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》對核心素養的水平描述是終結性評價，是對學生學習完必修課程或選擇性必修課程后的總體性要求。但是基于學科核心素養的教學，必須要檢測學生學習過程中學科素養的階段性達成水平，那么如何細化課程標準中核心素養的四水平及具體要求就很關鍵。另外，素養可以通過觀察學生在完成活動和解決問題的行為表現做出判斷評價，可以通過紙筆測驗的方式達成［1］。那么如何編制具體的化學活動或任務衡量學生的表現，如何評價學生模型認知素養的水平，這樣的評價是否有效等也是必須解決的問題。

1 模型認知素養水平體系構建

1.1 對課標中模型及主要分類的認識

化學是在原子、分子水平上研究物質性質及其變化的自然科學，化學客觀規律、物質性質及其變化的解釋亦十分抽象。通過模型，化學家可以“看到”他們所試圖研究的實體或過程，據此進行實驗設計和探索活動，有力支持他們的思維推理和知識建構。化學中的模型是人們認識物質、改造物質和應用物質過程中所體現出的具有化學學科特征的具體或抽象的表征。

近年來，研究者對于模型分類的方法各有傾向。目前較為主流的觀點是按照代表和反映原型的方式作為模型的分類依據，將模型分為兩大類，一類被稱為物質模型。另一類沒有實物的模型被不同學者命名為“形式模型”［2～3］“思想模型”［4］“反應原理模型”［5］等。還有學者按照模型與原型的相似程度和直觀性，將教科書中出現的模型分為三類。其中，數學模型、符號模型、思維模型、物理模型出現次數較多［6～10］。此外，也有學者根據模型的定義、核心要素及化學學科的研究特點［11］，或是以研究對象作為分類依據［12］，對模型做出分類。可見，雖然研究者對于模型分類的觀點尚未統一，但都較為認同從模型原型的角度對模型做出的命名。

本文首先依據課程標準［13］中出現的三類模型分類——物質模型、理論模型和認知模型，以此作為模型的一級分類。再結合上述文獻提出的各類具體模型概念，進行界定和細化，根據其共有特點作二級分類。如縮尺模型、結構模型在一定程度上是根據原型特征制成的、能體現出要素間相互位置、大小等比例關系的，看得見、摸得著的模型；表征模型、符號模型、數學模型，都具有抽象性，或以數字、符號、字母等抽象的標志、標記來描述、呈現原型的特征以及要素間的定量關系；方法模型、思維模型則是對一定要素間關系聯結形式的呈現，具有一定的邏輯性、抽象性、程序性。具體分類見表1。

1.2 模型認知素養的概念與維度

研究者對“模型認知”內涵的理解各有側重。如馮

品鈺、何彩霞［14］認為其包含兩個基本層次：先對科學模型進行認知，再建構認知模型，為解決復雜問題提供思考框架，形成解決問題的思路與方法。王兆允［15］認為模型認知能力主要包括“建模”和“用模”兩個方面，建模是用模的前提，用模是建模的目標和歸宿。李鵬鴿［16］將模型認知素養落實分為三個層次：依次是初步理解模型、模型應用、模型建構。楊玉琴［17］認為化學的“模型認知”可理解為“利用模型進行思維的一種方法”，學生能夠運用模型描述化學研究對象、解釋化學現象和規律、預測可能的結果，并能夠建構模型展示自己對化學事實的理解和解釋的能力。易蕊［18］認為模型認知是人們對于物質及其變化的思維方式，在于對化學事實模型化，揭示其本質和規律。

課程標準［19］在學科核心素養以及課程目標中這樣描述模型認知：“知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律”“能認識化學現象與模型之間的聯系；能運用認知模型描述和解釋物質的結構、性質和變化，預測物質及其變化的結果；能依據物質及其變化的信息建構模型，建立解決復雜化學問題的思維框架”。

通過綜合歸納，不難發現模型認知是“基于化學模型的認知”，應包含理解模型、應用模型、建構模型等要素。

1.3 模型認知素養的水平

為實現對核心素養的科學評價，課程標準提出了以素養、情境、問題、知識為構成要素的四要素命題框架，并指出素養導向的測評應以情境為載體、問題為任務、知識為工具［20］。高考評價體系下的命題研究與內容改革，也同樣堅持以核心素養為導向［21，22］。

不少研究者隨之開展了相應研究。易蕊［23］制定了模型認知能力的評價指標，分為認識、運用、分析、建構四個一級指標，以此為評價標準的四水平并編制調查及訪談問卷。楊玉琴［24］將“模型認知”能力水平由低到高劃分為認識模型、理解模型、運用模型、建構模型的4個水平，對中學生能力現狀進行了測評，并從不同角度進行分析。李艷靈［25］在高中生原電池模型認知能力測評中，將模型認知劃分為認識模型、理解模型、運用模型、遷移模型四個逐層進階的水平。婁珀瑜［26］同樣將模型認知劃分為模型形成、模型發展、模型遷移、模型重構四個進階的水平。從當前研究看，多數研究者對模型認知視為單一維度，對其水平劃分的結果，更接近于學生對認知方式的反映類型，不宜直接作為水平。因此需要對模型認知進行維度劃分，進而建構水平體系。

上述研究主要依靠問卷調查和比較研究，其結果也反映模型認知素養水平是可以通過建構合適的測評模式進行測評的。參考課程標準對于化學學科核心素養的水平劃分，圍繞理解模型、應用模型與建構模型三維度，將課程標準中模型認知素養水平描述內容進行了解構。教學實踐中，我們發現課程標準描述模型認知素養水平時，水平一未提及建構模型。像電子式、原子結構示意圖等作為符號模型的一種表示形式，僅是學業水平合格考要求。學生通過課堂學習以及作業，能表示不同原子或離子的電子式與結構示意圖，這也是建構模型。因此，在實際評價學生在模型構建維度中的低層級水平表現時，增加描述用語“能夠根據有關模型的描述，將其通過適切的方式展示出來”。據此構建的模型認知素養測評的維度水平表見表2。

2 模型認知素養的測評工具開發

2.1 工具的開發路徑

本研究構建的素養測評開發路徑時，測評內容經過中學正高級教師、特級教師等專家的反復審閱和評議，根據數位專家意見進行修改，確保測評工具的科學性。在上述模型認知素養維度—水平表的基礎上，確立如下測評路徑（見圖1）。

2.2 工具內容的確定

以模型分類（見表1）為基礎，通過對上海科技出版社出版的高一化學教材第一學期內容的梳理，整理出該教材中與模型認知相關的內容，明確每類模型的內容及測評中涉及的維度，并按類別進行歸類。以考察“原電池模型”為例，確定三個維度及相應水平，具體見表3。

2.3 評價任務的開發

將具體模型與模型認知素養測評水平表現相結合后，確立該模型的各維度及各水平表現的描述，形成細化的條目，編制試題，確定評價指標。下面是以原電池模型為例，通過對應維度水平表編制試題的設計方法。

首先，關注模型認知素養維度水平表的三維度（見表2），根據原電池模型的教學要求，確定考察學生在理解模型與應用模型維度上的表現（見表4）。

隨后，通過專家咨詢，選擇貼近生活的水果電池情境，通過辨裝置、畫模型、講原理等問題形式，繪圖、論述的回答方式考察學生理解模型、應用模型和建構模型的水平，進而設計了試題（見圖2）。

表5建構了對學生評價的標準，說明考察內容所對應的維度，以及根據學生的實際作答結果進行的修正，對每個水平給出作答描述示例，并提供學生作答樣例。最后根據評價標準，對學生的回答表現進行分類評價，例如學生能在分析水果電池的工作原理中，初步判斷出這是原電池裝置，即能按照原電池的模型初步描述部分內容，可視為達到理解模型的水平1。

3. 模型認知素養測評

3.1 施測及分析

按照該測評工具開發模式編制試題，在上海市某重點高中高一年級9個平行班內開展測試，共收到265份有效答卷。使用SPSS 23對后測的數據進行可靠性分析后，統計數據表明：由16道題組成的問卷，其Cronbachs Alpha值為0.753，介于0.60～0.80之間，信度系數較好，說明統計結果具有較好的可信度，統計結果可用。

3.2 結果分析

以被試群體的期末考試分數為準進行降序排名，前27%的學生記為高分段；后27%學生記為低分段。通過單因素方差分析，比較各群組在素養及維度測評的得分率，發現具有學業水平差異的學生在模型認知素養及不同維度得分上，具有顯著性差異（見表6、表7）。

進一步分析三維度上組與組之間是否有顯著性差異，發現在理解模型與應用模型上，中分段的得分率分別與高分段、低分段之間無顯著性差異，只有高分段與低分段之間有顯著性差異。但是在建構模型維度上，三組之間均有顯著性差異。此處根據各維度內部差異并結合得分率，對學生群體水平作劃分。得分率＞75%視為該群體中多數學生達到水平2，50%～70%為多數學生達到水平1，小于50%為未到水平1（見表7）。

該數據結果說明不同水平段的學生在模型認知的發展上并不均衡。首先從維度上看，學生普遍的表現是理解模型優于應用模型，也優于建構模型。結合上述對三類學生群體在各維度水平的判斷，高分段群體中的多數學生在理解模型維度上達到水平2，在應用模型維度上也較為接近水平2；中分段群體在理解模型與建構模型兩個維度上，均有較高水平，多數學生向水平2接近，但還有一段距離，依舊有待提升。高分段學生在三個維度上處于領先；中分段的學生整體水平處于前后兩段學生的中間；低分段在三個維度的發展上均落后，尤其是建構模型上更處在一個較低的位置。特別值得關注的是，在建構模型上，則出現了“斷層”現象，學生群體所處水平普遍偏低，就群體間而言，發展水平也存在顯著差距。

以上述測評工具中的試題為例，學生能較好地解釋原電池的工作原理，但是對串聯電路模型的建構出現問題。普遍存在的情況是：能將單液銅鋅原電池的結構模型與水果電池做匹配，能夠詳細分析水果電池的工作原理，僅從（1）小問來看，學生理解原電池結構中各要素間的關聯，在理解模型維度上達到了水平2。但是在畫出串聯水果電池的模型時，則普遍發生類似的錯誤（見圖3）。這說明學生對原電池結構的理解都是建立在銅鋅原電池這一固定模型，通過課堂學習和作業練習記住其工作原理，作出回答。第（3）小問作圖回答的方式，暴露出學生對于原電池的建構還是存在問題，對于原電池模型的理解還是較為刻板。深層原因是目前習題大都以考察理解模型為主，學生僅需簡單理解課堂知識后再照搬應用，而面對需要應用模型或者建構模型來解決問題時，會由于情境陌生、不熟練而生搬硬套。

與任課教師交流學生作答情況，測評結果后，教師認同該測評表現是有一定代表性，反映學生模型建構普遍水平較低。有教師認為這是由于學生沒有理解模型各要素間的聯系所導致，因此在面對變化時對如何修改模型產生困難。此外，也有教師認為學生是在這方面的訓練太少才會表現不佳。這也折射出當前試題側重方向的問題，即注重學生理解模型與應用模型，對學生在建構模型的訓練較為少見。

4 總結與啟示

基于教學實踐與文獻研究，本研究首先提出一種新的模型分類方法。同時，與以往研究中認為模型認知素養僅只有四水平不同的是，提出該素養有著不同的維度，學生存在著不同維度上的水平差異，構建了模型認知素養的三維度四水平框架。隨后基于該認識，確立一種可用于模型認知素養測評的路徑。通過評價任務的研發，即選擇內容，確定素養水平，編制試題并確定水平表現，達成評價學生素養水平的目標。

測評實踐表明，開發的測量工具可以證實學生模型認知水平與學生的學業水平呈現正相關。對得分率等數據進一步分析發現，多數學生經過高一一學期的學習后，處在模型認知素養水平中水平1與水平2之間，呈現向水平2靠近的特點。這也符合學生在這一階段的認知水平。同時不容忽視的是，學生之間的模型認知素養已顯現差距，如高分段學生與低分段學生之間已存在較大水平差異。

從學生各維度的水平來看，不難發現：高分段與低分段學生的差距在于對模型的理解，更在于對模型的應用和建構。同樣，教師想要提高中分段學生的模型認知素養，不僅要關注其理解模型、應用模型的能力，更要重點發展他們的建構模型能力。對學生而言，建構模型是不容忽視的關鍵維度。而進一步探究水平差異產生的成因，主要在于學生更多的是停留在課堂上教師講的知識，并未內化吸收為自己對模型的認識，致使應用模型和建構模型的水平一般或較低。這啟示教師在今后的教學實踐中，要強化真實情境中對模型的應用，更要關注學生在陌生情境下建構模型的表現。這對現行新教材背景下的試題設計和評價更有啟示和借鑒作用，對于其他的化學學科素養測評方式的構建也起到借鑒參考作用。

最后由于本次研究的被試群體是上海市重點高中高一學生，測評標準僅以學業水平合格性考試為準繩，開發的測評工具僅判斷學生的素養表現是否達到水平1或水平2。因此在今后的教學實踐中，一方面考慮擴大被試的學校范圍及學生層次。另一方面，以即將使用新教材的學生為研究對象，進行長期的跟蹤調查。在模型認知素養維度水平表的基礎上，結合新教材內容，開發對應的測評工具，刻畫學生在高中三年學習中模型認知素養三維度上的水平變化。

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