梁弘文 武衍杰 黃丹青

[摘 要]

學習進階理論可以架構起課程設置、教學實施以及教學評價之間相互溝通的橋梁。以化學課程為例，基于學習進階理論對“酸堿鹽”概念分學段進行了水平構建，并開發(fā)了“酸堿鹽”概念的測評工具進行施測，經(jīng)檢驗測評工具具有良好的信、效度。基于測評結果為教師改進教學，促進學生對“酸堿鹽”概念的理解提供了參考和建議。

[關鍵詞]

高中化學;學習進階;核心概念;測評分析

美國《新一代科學教育標準》中強調(diào)科學教育要聚焦“少而精”的核心概念，以核心概念統(tǒng)整課程內(nèi)容，并在縱向上借助“學習進階”（Learning Progression）來連貫課程設置，幫助學生實現(xiàn)對科學概念的真正理解。[1]因此借助學習進階理論，分析某核心概念在科學課程中的呈現(xiàn)特點和要求，并評價學生對核心概念的實際理解水平，進而基于測評結果有計劃、有目的地優(yōu)化后續(xù)教學，促進學生對核心概念的理解，值得教師關注。

一、學習進階理論研究概述

在科學教育領域較早提出學習進階理論的是史密斯（Smith）[2]，認為學習進階是學生在概念學習中，思維方式連續(xù)且逐漸復雜的發(fā)展過程。我國學者在引介學習進階理論的過程中，結合我國課程實際，認為學習進階是指學生學習過程中，對于核心知識、技能、能力、實踐活動等進步、發(fā)展的歷程。[3]直到目前關于“學習進階”理解得也未統(tǒng)一，但研究者對學習進階的構成要素的觀點基本相同，認為學習進階包括進階終點、進階維度、成就水平、各水平的學業(yè)表現(xiàn)、測評工具等要素，[4]這就為學習進階的應用奠定了基礎。學習進階理論自傳入我國，在我國科學課程（物理、化學、生物、地理等課程）中得到了廣泛應用，以化學課程為例，集中在以下幾個方面：基于學習進階理論開發(fā)相關概念的進階路徑[5]、基于學習進階理論設計教學促進概念理解[6]、基于學習進階理論開展評價分析學生概念理解情況等，可見學習進階理論可以架構起課程設置、教學實施以及教學評價相互溝通的橋梁。通過分析已有研究，大致可以總結學習進階在我國的研究流程如圖1所示，循環(huán)過程中特別是實證測評環(huán)節(jié)，教師借助測評結果可以確定學生對核心概念的實際理解水平，從而指導教師基于學生理解現(xiàn)狀，在教學中有目的、有計劃地優(yōu)化教學，使學生跨越學習難點，最終達到預設標準。

二、基于學習進階的“酸堿鹽”概念理解水平的測評

“酸堿鹽”概念的學習貫穿初高中化學學習，從初中段對“酸堿鹽”性質的宏觀描述，到高中段基于微粒視角認識其在溶液中的存在狀態(tài)和轉化規(guī)律等，都反映了“酸堿鹽”內(nèi)容是學生認識物質的重要載體，蘊含著培養(yǎng)學生“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”等最具化學學科特質的學科核心素養(yǎng)的價值，因此我們有必要搞清楚學生對“酸堿鹽”概念的認知現(xiàn)狀。本案例主要基于學習進階理論，根據(jù)預期設計的“酸堿鹽”概念理解水平框架，開發(fā)對應各級水平的題目，測評學生對“酸堿鹽”概念的實際理解水平，從而為教師教學提供建議。

（一）中學生“酸堿鹽”概念理解水平的測評框架

從化學學科的發(fā)展來看，“酸堿鹽”概念的形成一直伴隨著人類認識物質的進程，對“酸堿鹽”概念的發(fā)展歷程作粗線條梳理，可以發(fā)現(xiàn)人類對“酸堿鹽”的認識是對“什么是酸堿鹽？”這一問題的不斷追問，最初從物理性質和元素組成等宏觀視角描述“酸堿鹽”，隨著認識的加深，從微粒層面基于電離理論認識“酸堿鹽”的本質及其在溶液中的行為，伴隨著人類對原子認識的加深，開始從微觀結構的角度研究酸和堿，可見“酸堿鹽”概念的發(fā)展，大致經(jīng)歷了從宏觀到微觀、從組成到結構的認識脈絡。從初高中學生對“酸堿鹽”核心概念學習進階的角度分析，依據(jù)初高中化學課程標準和教科書對“酸堿鹽”概念的組織呈現(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，初三階段主要是從物質類別的角度接觸“酸堿鹽”，并初步了解“酸堿鹽”的相關化學性質，如“溶液酸堿性”“物質間的復分解反應”等;高中必修階段引入電離理論，從初中段依賴物質認識“酸堿鹽”，轉向基于微粒認識“酸堿鹽”在溶液中的存在形式及不同種類微粒間發(fā)生的離子反應;高中選修階段主要是從離子平衡的角度，進一步認識“酸堿鹽”在溶液中的行為，相比于高中必修段這一階段學生的關鍵轉變，在于能夠基于微粒間各類平衡關系全面認識微粒的來源和種類，并能對微粒數(shù)量作定量表征（如pH值的計算、平衡常數(shù)、粒子間的守恒關系等），可見我國化學課程對“酸堿鹽”概念的要求，是從宏觀到微觀、從定性到定量的進階過程。通過課標、教科書分析和大量教學實踐的經(jīng)驗，結合學段，筆者初步認為“酸堿鹽”概念存在如下表1所示的重要進階。三個水平，遵循從宏觀到微觀，從定性了解再到數(shù)學符號定量推理和計算的上升過程，對學生抽象思維水平的要求不斷提升，符合化學學習的一般特點。

（二）中學生“酸堿鹽”概念理解水平的測評工具開發(fā)和樣本選擇

1.工具開發(fā)

根據(jù)表1所示的“酸堿鹽”概念的學習進階假設，我們開發(fā)了測查學生“酸堿鹽”概念實際理解水平的工具，共計14個項目。其中1-2為填空題，3-14為單項選擇題，分別對應學生對“酸堿鹽”概念理解的不同水平，不同水平下的項目對應情況如下表2所示，測評工具中的項目基本都改編于歷年中考題或者高考題，在一定程度上保證了測試的效度。

下面以項目8為例來對測評意義和對應水平作簡要說明，項目8∶0.1mol/L的鹽酸中存在哪些粒子（? ）

A.H2O、HCl、OH-?? ? ? B.H2O、HCl、H+、Cl-、OH-

C.H2O、H+、Cl-、OH-? ? ? ? D.H+、Cl-、OH-

說明：該題屬于水平2微粒和微粒間作用水平，以“酸堿鹽”在溶液中發(fā)生電離為測試載體。主要測查學生能否基于電離認識“酸堿鹽”溶液中微粒的來源和種類。該題若學生選擇A說明學生還是依賴物質認識溶液，沒有形成“微粒”這一認識視角;若學生選擇B，說明學生對電離概念的理解還存在偏差;選擇D選項則屬于把H2O從體系中孤立開來，不具備系統(tǒng)思維。

2.項目修正

利用所開發(fā)的測驗工具，首先進行了小范圍施測，根據(jù)測試結果對相關項目進行了修改和刪/增。例如，項目9，鹽酸和氫氧化鈉溶液充分混合反應后，混合體系中微粒的數(shù)目與原溶液相比敘述正確的是（? ）

A.Na+和OH-數(shù)目都減少? B.H+和Cl-數(shù)目都減少

C.Na+和Cl-數(shù)目都減少 D.H+和OH-數(shù)目都減少

本題測查水平預期為水平2微粒和微粒間作用水平，但在測查中發(fā)現(xiàn)許多學生在作答時仍然基于物質書寫氫氧化鈉和氯化氫的化學反應方程式，依據(jù)化學方程式判斷溶液粒子數(shù)目的變化，這說明處于水平1的學生從宏觀角度也能答對此題，故需對此題進行修正。修正后項目為9，將NaHSO4和NaHCO3的溶液充分混合待反應完全，那么該過程實際參加反應的粒子是（? ）

A.H+和CO32-B.HCO3-和HSO4-? ? ?C.Na+、HCO3-和H+ D.H+和HCO3-

修改后，測試題目直接指向反應過程而非結果，作答時學生要先考慮溶液中微粒的來源，再基于微粒間的作用分析反應實質，符合測試目的。

3.樣本選擇

將修改后的測試工具進行正式測試，測評工具中的項目與水平的對應情況不變。選擇本省某重點中學高二和高三年級的學生進行測試，樣本情況見下表3所示。測試時間是在高二學生完成選修4“物質在水溶液中的行為”的學習后進行的，保證測試學生學完全部“酸堿鹽”課程內(nèi)容。測試時間30分鐘。實發(fā)問卷306份，回收問卷306份。有效問卷298份，有效率為97.4%。

（三）中學生“酸堿鹽”概念理解水平測評工具的信、效度分析

本研究的數(shù)據(jù)處理采用項目反應理論中的單參數(shù)Rasch模型對所得數(shù)據(jù)進行分析，采用的分析軟件為Winsteps3.72.0，采取0，1計分法，學生答對計為1，答錯計為0，并輔以spss22.0對所得數(shù)據(jù)進一步作差異分析。

1.測評的總體質量分析

通過對測試所得數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，根據(jù)分析結果獲得信度、分離度、誤差、單維性、數(shù)據(jù)模型擬合、點—測量相關、項目被試對應等指標，用來檢驗研究工具的信度和效度。

表4是本次測評的總體統(tǒng)計結果。從表4可以獲得學生和項目信度、分離度等信息，學生信度（PERSON RELIABILITY=0.66）、項目信度（ITEM RELIABILITY=0.99），基本符合診斷性測試的要求，但學生信度相對項目信度較低，可能與測試學生樣本的數(shù)量少有關，后續(xù)應繼續(xù)擴大樣本測試數(shù)量。項目擬合指數(shù)Infit和Outfit的數(shù)值均在可接受范圍內(nèi)（即MNSQ越接近1越好，ZSTD越接近0越好），說明測試結果與模型擬合情況良好。Separation代表被試和項目的分離度，本次測試中項目分離度為8.25，說明工具中的項目較好地錨定了不同水平，而學生分離度相對較小為1.50，說明被試群體的潛質差別不夠大，分析原因在于本次測試中選擇的樣本較為單一。

2.單維性

進行單維性檢驗的目的是為了檢驗測試中學生在作答各個項目時除了要測量的潛質外，是否還有其他成分影響學生的作答。在Rasch分析中，這種單維性或局部獨立性是通過標準殘差圖反映出來的。本次測試的殘差分析結果如下圖3所示，橫坐標代表本次測試中各項目的難度值，縱坐標代表了各項目與除測量特質以外的其他成分的相關系數(shù)。當項目落在陰影區(qū)域時是合理的，圖3中除A（代表項目10）、a（代表項目12）、B（代表項目3）外，大部分項目處于陰影區(qū)域中，這樣的結果是可以接受的。即該測試主要測量了一種結構——“酸堿鹽”概念的理解。

3.項目擬合情況

項目擬合度主要用來判斷具體每個項目的質量如何。包括標準誤差、數(shù)據(jù)模型擬合（包括Infit和outfit兩種）、點—測量相關等。本次測試的結果顯示整套測試題目難度范圍在[-3.21，1.73]之間，各項目與Rasch模型估計誤差在[0.13，0.22]之間;各項目的擬合度結果表明，除了項目4，6，9與模型的擬合度稍超出了可接受范圍，大多數(shù)項目擬合指數(shù)符號Rasch模型的處理要求;PT—MEASURE-CORR（點—測量相關）代表的是項目與測驗總分的相關性，反映各項目的區(qū)分效果，各項目得分與總得分的相關系數(shù)在[0.1，0.55]之間，說明各項目的區(qū)分度較好。

4.項目—被試對應情況

Rasch模型通過將學生在測試中獲得的原始分轉換為logit分，使得被試能力估計值和項目難度估計值可直接進行比較。通過獲得項目—被試對應情況，可以幫助研究者直觀了解學生的理解水平。本次測試中獲得的項目—被試對應情況如下圖4所示，左側代表學生樣本，共計298人，右側代表測試項目，共計14個項目，中間為logit量尺，從下至上代表學生能力水平越來越高，項目難度越來越大。圖4中學生的整體分布呈現(xiàn)兩頭少，中間多的形式，14個項目基本分散開來的，沒有重疊現(xiàn)象，基本可以對應大部分被試的能力，各項目所處的位置基本符合預期的水平劃分，說明測試項目和學生能力整體匹配較好。

綜上所述，通過對測驗工具的檢驗，可以發(fā)現(xiàn)項目和被試信度、分離度等信度指標和單維性、項目擬合、項目—被試對應情況、點—測量相關等效度指標基本符合Rasch模型的測量要求，說明本工具后續(xù)分析的結果是有效可信的。

（四）中學生“酸堿鹽”概念理解水平的測評結果分析

1.中學生“酸堿鹽”概念理解水平的整體分析

下表5是高二和高三年級學生“酸堿鹽”概念理解水平測驗的描述性統(tǒng)計，將學生原始分轉換成logit分，其中極大值出現(xiàn)在高三年級，極小值出現(xiàn)在高二年級，符合預期假設，全距的最大值出現(xiàn)在高三年級，初步說明了高三年級學生對“酸堿鹽”概念的理解水平存在兩極分化現(xiàn)象，兩個年級的均值分別為-0.9558logit分、0.6138logit分，其中高三年級學生的能力平均值比高二年級學生高出1.5696logit分。

為便于比較，我們將測試中各個水平上不同項目的難度估計值進行平均，可得到每個水平的難度平均值，如下表6所示，以此平均值作為與各年級學生能力的估計值進行匹配來判斷學生“酸堿鹽”概念的理解現(xiàn)狀。當學生的能力值低于-1.69時，則認為學生對“酸堿鹽”的理解水平低于水平1;當學生能力值為[-1.69，-0.1]時，處于水平1，當學生能力值處于[-0.1，1.15]時，處于水平2，當學生能力值高于1.15時處于水平3。與表5所得的數(shù)據(jù)進行比較，兩個年級學生的理解水平都能達到水平1，但略低于水平2;說明現(xiàn)階段兩個年級的學生“酸堿鹽”概念的認識水平都較低，說明學生即使學完全部“酸堿鹽”課程內(nèi)容，也很難在微觀、定量、動態(tài)系統(tǒng)水平上理解“酸堿鹽”概念。

2.不同年級中學生“酸堿鹽”概念理解水平的比較分析

表7是對兩個年級“酸堿鹽”概念理解水平的T檢驗結果，雙測檢驗Sig<0.001，說明兩個年級的學生對“酸堿鹽”概念的理解水平存在顯著差異，這與我們的預想是一致的，由于在測試時，高二年級的學生剛剛學習了有關“物質在水溶液中行為”的知識，加上這部分內(nèi)容難度較大，學生來不及消化，而高三年級的學生已經(jīng)開始復習，經(jīng)過了大量訓練，故理解水平自然較高，即中學生對“酸堿鹽”概念的理解水平隨著年級的升高而提升。

3.不同年級中學生在各項目上的得分比較分析

表8是兩個年級學生在不同項目上得分的T檢驗結果，項目1、3、4、6、10的得分不存在顯著差異外，其余9個項目在平均得分上高三學生均高于高二學生。這是因為項目1、3、4、6、10難度均處于水平1在物質層面理解“酸堿鹽”，學生在初中就已學過，經(jīng)過高中段的學習，理解水平都得到顯著提高;而其余幾個項目，都是在微觀或定量水平上認識“酸堿鹽”，對學生的抽象思維提出了較高要求，而高三年級學生已經(jīng)練習了很多這方面的問題，理解水平要高于高二學生，可以推測，隨著高二學生對概念理解的不斷深化，其對“酸堿鹽”的理解水平也會逐步提升。另外結合圖4還可以發(fā)現(xiàn)在相關項目上的作答特點，例如學生對“電離”概念中離子產(chǎn)生的兩種條件的理解存在差異，項目7和8分別測查在“酸堿鹽”等物質熔融態(tài)或水溶液條件下離子的生成，但在圖4中顯示學生對項目8水溶液這一條件的理解要優(yōu)于項目7熔融狀態(tài)條件的理解，這與教師在教學中常以水溶液中的電離作為講解重點，而忽視熔融狀態(tài)這一條件是有關的，造成了學生理解上的偏差。作為產(chǎn)生離子的兩種條件，其地位應是相同的，建議教師重視學生對電解質在熔融狀態(tài)下產(chǎn)生離子這一條件的理解。

4.不同理解水平中學生在不同年級的樣本數(shù)量比較分析

通過前文（2.4.1）對學生“酸堿鹽”概念實際理解水平的劃分，我們將各個水平上的學生人數(shù)比例按照年級進行統(tǒng)計，如下圖5所示，可以幫助我們進一步了解不同年級學生對“酸堿鹽”概念的理解現(xiàn)狀。從圖中可以看出，目前高中生對“酸堿鹽”概念的理解水平停留在水平1和2，即使是高三年級，也只有少數(shù)學生能達到水平3，即從微觀、定量角度和各類平衡關系角度，理解“酸堿鹽”概念屬于學生的認知難點，需要教師采取適當教學策略，提升學生理解水平。

三、結論與啟示

通過對學生“酸堿鹽”概念理解水平構建并設計測查工具，經(jīng)檢驗，測評工具具有良好的信、效度，可以用來測查學生對“酸堿鹽”概念的實際理解水平。

根據(jù)測查結果，可以得出以下結論和啟示：

（1）中學生對“酸堿鹽”概念的理解存在不同水平。從測試結果來看，中學生在理解“酸堿鹽”概念時，有的學生只關注物質，有的學生還能關注微粒和微粒間作用，還有的學生可以關注到微粒間各類平衡關系和微粒數(shù)量。為促進學生理解水平的提升，教師在教學中應把握“酸堿鹽”概念教學的深廣度，例如以“酸堿鹽”間的化學反應來說，初中段主要從物質層面認識“酸堿鹽”間的復分解反應;高中必修段則是基于電離理論從微粒的視角認識“酸堿鹽”溶液中微粒間相互作用;相比于初中段，此階段學生的關鍵轉變是從依賴宏觀物質認識化學反應，到基于微粒形成離子間相互作用模型;高中選修段主要是基于各類平衡關系進一步認識“酸堿鹽”溶液中微粒的行為，相比于高中必修段，此階段學生的關鍵轉變在于全面系統(tǒng)分析溶液中微粒種類，能夠從電離（包括電離平衡）、水解等多個角度分析微粒來源及多類相互作用。

（2）中學生對“酸堿鹽”概念的理解水平較低。通過項目難度值和學生能力值的比較，兩個年級學生對“酸堿鹽”概念的理解水平基本都能達成水平1宏觀物質水平，但略低于水平2微粒和微粒間作用水平，即使是高三年級的學生，也僅有少數(shù)學生能達到水平3微粒間各類平衡關系和微粒數(shù)量水平。這說明不同階段的學生都傾向于在宏觀、定性水平上理解“酸堿鹽”概念。因此考慮到“酸堿鹽”概念發(fā)展的階段性和整體性，建議教師在高三復習中采取主題式復習形式，在復習中選擇不同復雜和陌生程度的典型“酸堿鹽”溶液體系，引導學生系統(tǒng)分析溶液中微粒的來源、相互作用及作用后微粒種類和數(shù)量的變化，促進學生在微觀、定量水平上對“酸堿鹽”概念的理解能力。

（3）不同年級中學生對“酸堿鹽”概念的理解水平存在差異。通過對高二和高三年級學生理解水平的T檢驗，顯示高三年級學生對“酸堿鹽”概念的理解水平顯著高于高二年級學生，通過不同理解水平學生在相應年級的樣本數(shù)量分析也可以發(fā)現(xiàn)，低于水平1和處于水平1的學生人數(shù)占比，高二年級學生多于高三年級學生，而在水平2和水平3上，高三年級人數(shù)占比多于高二年級，特別是在水平3上，高三年級人數(shù)比例遠高于高二年級，說明學生對“酸堿鹽”概念的理解具有進階性。但即使是高三學生對“酸堿鹽”概念的理解水平也遠低于預期水平，這提示我們應該重新審視“酸堿鹽”概念的相關教學，特別是高一“電解質”概念的學習中，要求學生對物質的認識要從宏觀物質水平轉向微觀粒子水平，對學生提出了較高的抽象思維要求，建議教師在教學中以“酸堿鹽”為物質載體，聚焦于引導學生分析溶液中微粒的形成過程及變化，建立起物質與離子的聯(lián)系，從而促進學生微粒視角的建立和形成，而不是聚焦于電解質概念的辨析和離子方程式書寫的技巧訓練。

值得指出的是本研究只選擇了一所學校的學生進行調(diào)查，樣本較為單一，故學生分離度較小，因此結論并不能代表高中生的整體水平，后續(xù)研究應擴大研究樣本，對不同層次學校、不同地區(qū)的學生進行測試。

[參 考 文 獻]

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[3][4]皇甫倩，常珊珊，王后雄.美國學習進階的研究進展及啟示[J].外國中小學教育，2015，（8）.

[5]諶秀云.中學生化學反應學習進程研究[D].上海：華東師范大學，2012.

[6]蘇莉虹.中學化學“原電池”核心概念的進階教學設計研究[D].南昌：江西師范大學，2016.

（責任編輯：張華偉）