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化学核心素养之“模型认知”能力的测评研究
 
 
杨玉琴
摘要：界定了“模型认知”能力其及水平层次，应用Rasch模型开发和优化了测量工具。根据大样本测试数据对中学生“模型认知”能力现状进行了分析。结果显示，中学生的“模型认知”能力平均水平较弱，高一学生与高二学生之间无显著性差异，但皆与高三学生之间存在显著性差异，男生的水平显著高于女生。
关键词：“模型认知”能力；Rasch模型；测量和评价
：1005–6629（2017）7–0009–06 ： ：B
1 问题的提出
在自然科学研究中，当客观对象并不能直接研究时，在进行了一定的观察、实验和对所获得的科学事实进行初步的概括之后，常常要利用想象、抽象、类比等方法，建构一个简化的又能集中反映客体本质关系的模型，并通过对模型的研究揭示原型客体的形态、本质和特征，此即模型方法
[1]。化学是在原子、分子水平上研究物质性质及其变化的科学，原子、分子不可见，化学客观规律、物质性质及其变化的解释亦十分抽象，所以化学家需要通过建构模型加以认知和把握。通过模型，化学家可以“看到”他们所试图研究的实体或过程，据此进行实验设计和探索活动，有力支持他们的思维推理和知识建构[2]。
模型（model）与建模（modeling）是科学发展的重要元素，也是科学学习中不可或缺的认知与能力[3]。化学学习中的模型认知活动能促使学生全面深刻地理解化学模型的性质、作用、使用范围及其局限性等，并学会建构、检验模型，使用多种模型来表达、解释同一现象等[4]。美国《下一代科学教育标准》将“建构和应用模型”作为8个重要的科学与工程实践活动之一。我国目前进行的高中化学课程标准修订中亦将“模型认知”作为化学核心素养的重要组成部分[5]。对学生模型认知能力的测量与评价将有助于我们认识学生能力发展现状，为改进教学提供证据。
2 研究的理论框架
“模型认知”能力的界定
化学中的模型更多的是以观念形态描述原型的某些特征、性质、规律的抽象概念或理论模型，如分子、原子模型，理想气体模型，有效碰撞理论等等，所以我们将模型方法看成是一种科学认知方式。中学生的“模型认知”能力是指能够运用模型描述化学研究对象、解释化学现象和规律、预测可能的结果，并能够建构模型展示自己对化学事实的理解和解释的能力。
“模型认知”能力水平的构建
国外课程标准对“模型”的学习要求涉及到对模型本身的认识和理解、运用多种模型去表征和解释现象以及建构模型并评价模型等。综合国外对于“模型”学习进程的研究以及课程文件中对“模型”学习要求的规定，参照布卢姆教育目标分类学（修订版）对认知维度的划分，将“模型认知”能力水平划分为以下由低到高的4个水平：
水平1：认识模型。学生认识化学中的主要模型，并能以适当的方式表征模型。
水平2：理解模型。学生理解模型描述的对象、模型的本质、模型的性质等。
水平3：运用模型。学生能够利用模型描述物理或化学变化过程，解释化学事实，根据模型预测物质的性质和变化等。
水平4：建构模型。学生能够建构模型来展示和解释现象是如何发生的，讨论模型的适用范围和局限性，根据证据或批判性思维精致模型以提高模型的解释力等。
“模型认知”能力测量原理
以项目反应理论之Rasch模型作为测量工具开发、设计的框架。通过项目和被试信度、评分者一致性、误差、分离度等指标分析和检验工具的信度，通过单维性检验、项目-被试对应、数据-模型拟合、点-测量相关、选项反应模式及評分等级概率结构等指标来分析和检验工具的效度。
3 研究方法
根据“模型认知”能力从低到高的4个水平要求，编制测量工具。运用Rasch模型分析软件Bond & Fox 、效度等进行分析，并对测量工具进行修改和优化，直至工具符合
Rasch模型要求，再进行大样本测试。
研究工具
经过两轮试测及Rasch模型检验、优化后，形成了如表1所示的测验卷（以下简称M测验卷），其中M1～M14是选择题，M15～M20是建构反应题。
具体项目与模型认知能力水平的对应如表1所示，以下各举一例作简要分析说明。
例1 下图表示封闭在某容器中的少量液态水的微观示意图（容器的活塞可以左右移动）。煮沸后，液态水变成水蒸气。在这一过程中，发生的变化是（ ）
例2 以下关于原子的说法正确的是（ ）




说明：该题属于“水平2：理解模型”能力的考查内容，旨在考查学生对模型所描述的对象及其本质的理解。
例3 如图，将盛有浓氨水的烧杯（B）及盛有蒸馏水和酚酞的烧杯（A）同罩于一