劉東方 徐巖 朱玉軍 薛峰

摘要： 在分析現(xiàn)行課程標準、教科書及相關研究成果的基礎上，概括出初中化學微粒觀的6個構(gòu)成要素。基于Rasch理論模型設計測試題，測查出農(nóng)村初中生的微粒觀整體發(fā)展水平中等偏下。從四方面提出教學建議：農(nóng)村教師要加強對微粒觀的認識，夯實自身知識和觀念基礎；依據(jù)發(fā)展層級設計教學，逐步提升學生認識的系統(tǒng)性、精準性和深刻性；設計問題鏈，引導學生應用微粒觀建構(gòu)問題解決思路；增強形象化支持技術的應用。

關鍵詞： 農(nóng)村初中生； 化學微粒觀； Rasch理論模型

文章編號： 1005-6629（2022）11-0021-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

微粒觀是一種重要的化學觀念和上位知識，統(tǒng)領化學物質(zhì)性質(zhì)、化學反應等具體知識［1］。對于初中生來說，微粒觀既能幫助他們從微觀角度認識生活中的現(xiàn)象，體驗重要的認識方法，又能發(fā)展科學的認識方式和科學品質(zhì)［2，3］。微粒觀是初中化學核心內(nèi)容之一，具有重要的學習價值。

目前，對于微粒觀的研究，一方面聚焦于微粒觀的界定和內(nèi)涵，認為微粒觀是對世界本源的回答，體現(xiàn)化學學科在原子、分子層次上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化的具有定義作用的特征［4］；微粒觀來自于具體的化學知識，是微粒知識在學習者頭腦中的總觀認識［5］。另一方面，研究者基于微粒觀發(fā)展進階，開發(fā)調(diào)查問卷、訪談提綱和測試工具，測查初中生微粒觀發(fā)展水平［6］，使用得分及正確率來統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得出不同水平的學生比例［7］，但沒有進一步描述處于不同水平學生的微粒觀學習表現(xiàn)。

此外，在現(xiàn)有研究中，少見針對農(nóng)村初中生微粒觀發(fā)展情況的研究。鑒于此，對農(nóng)村初中生微粒觀開展調(diào)查研究，了解其發(fā)展現(xiàn)狀并針對存在的問題提出建議。

2 研究設計

2.1 初中生化學微粒觀的評價標準建構(gòu)

2.1.1 初中生化學微粒觀的評價要素

《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課程標準”）分別在“物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)”及“物質(zhì)的化學變化”主題中設置微粒觀相關內(nèi)容標準［8］。微粒觀的內(nèi)涵主要包括：物質(zhì)由肉眼看不見的微粒構(gòu)成；微粒是不斷運動的、彼此有間隔的；在構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子中，原子是最為基本的，它既能直接構(gòu)成物質(zhì)，又能先構(gòu)成分子或離子，再由分子、離子構(gòu)成物質(zhì)；微觀粒子很小，體積與質(zhì)量需要用專門的量器度量、用專門的單位表示。

此外，還有兩方面內(nèi)容與微粒觀高度相關，一是溶液中的微粒。當物質(zhì)以分子或離子形式分散到另一種物質(zhì)中形成溶液時，微粒就在溶液中大量存在，微粒的不同特征使溶液呈現(xiàn)出不同的性質(zhì)。二是化學變化中的微粒。原子重組反映了化學變化的本質(zhì)特征，既能定性地解釋化學變化前后反應物與生成物的質(zhì)量關系，又能進一步利用微粒的相對質(zhì)量，定量地分析反應物或生成物的質(zhì)量。

本研究依據(jù)課程標準、義務教育化學教科書（上海教育出版社和人民教育出版社）［9，10］及現(xiàn)有研究分析，建構(gòu)出微粒觀的6個構(gòu)成要素：（1）物質(zhì)由肉眼看不見的微粒構(gòu)成；（2）微粒有自身的性質(zhì)；（3）原子是構(gòu)成物質(zhì)的最基本微粒，不同微粒之間能相互轉(zhuǎn)化；（4）微粒在物質(zhì)中的分散是溶解的本質(zhì)，微粒使溶液呈現(xiàn)不同性質(zhì)；（5）微粒具有一定的相對質(zhì)量；（6）反應物的原子重新組合而生成其他物質(zhì)是化學變化的實質(zhì)。

2.1.2 評價要素的水平界定

參考學科能力表現(xiàn)模型［11］，依據(jù)課程標準的內(nèi)容要求，將每個要素分別由低到高劃分為3級水平，并界定每級水平的行為表現(xiàn)，如表1所示。水平劃分的主要依據(jù)是系統(tǒng)性、精準性和深刻性，具體表現(xiàn)為“孤立-系統(tǒng)”“定性-定量”“認識-理解-應用”。

例如，“微粒有自身的性質(zhì)”要素，水平1為孤立認識水平，即“孤立地了解微粒的性質(zhì)”，具體表現(xiàn)為“只了解微粒之間有空隙等性質(zhì)”；水平2為孤立理解水平，即“理解并解釋不同的物質(zhì)具有不同性質(zhì)”，具體表現(xiàn)為“能理解并解釋物質(zhì)的性質(zhì)不同（如CO和CO2）是因為構(gòu)成兩者的分子不同”；水平3為系統(tǒng)應用水平，即“應用微粒的性質(zhì)解釋生活中常見的現(xiàn)象”，具體表現(xiàn)為“能解釋‘酒香不怕巷子深等生活現(xiàn)象”。

2.2 實施過程

2.2.1 研究方法

本研究采用基于Rasch模型的測試法。Rasch模型在理科教育教學中初步得以應用［12～14］，為本研究提供方法論支持。同時，基于Rasch模型的統(tǒng)計軟件能計算試題難度值和學生水平值，得出學生微粒觀發(fā)展的整體懷特圖，刻畫不同水平學生的具體表現(xiàn)。

2.2.2 測試工具開發(fā)

首先，收集我國各省市2018～2021年化學中考試題，提取微粒觀相關內(nèi)容試題，建立試題庫。其次，依據(jù)評價要素的水平維度，分別從試題庫中的選擇、填空和計算題中選擇并改編，共編制18個測試題目，一一對應于評價要素的每個水平維度。

例如，“微粒有自身的性質(zhì)”要素包含三個水平維度，水平1對應的題目是“以下對微粒的性質(zhì)描述錯誤的是：A.構(gòu)成物質(zhì)的微粒是在不停地運動的；B.溫度越高，微粒的運動速率越快；C.分子的質(zhì)量大于原子的質(zhì)量；D.微粒之間有一定的空隙，不同物質(zhì)微粒間的空隙大小不同”?？疾鞂W生能否了解并記憶微粒的基本性質(zhì)。水平2對應的題目是“請用微粒的觀點解釋為什么一氧化碳與二氧化碳性質(zhì)不同”。考察學生在了解“物質(zhì)是由微粒構(gòu)成的”基礎上，進一步判斷出使兩種氣體性質(zhì)不同的原因是分子不同。水平3對應的題目是“下列事實的微觀解釋不正確的是：A.水通電生成氫氣和氧氣——化學反應中分子發(fā)生了改變；B.壓癟的乒乓球在熱水中能鼓起來——溫度升高，分子變大；C.端午時節(jié)粽飄香——分子不斷運動；D.氧氣和液氧都能支持燃燒——物質(zhì)的分子相同，其化學性質(zhì)相同”?？疾鞂W生面對多種復雜問題時，遷移應用微粒的觀點加以闡釋的能力。每個水平維度答對賦1分，答錯賦0分。

2.2.3 樣本選擇

在遼寧省L市的25所農(nóng)村初中隨機選擇5所學校，生源均為當?shù)鼐徒雽W的農(nóng)村家庭子女，能夠代表典型的農(nóng)村學生。進而在這5所學校中隨機選取365名九年級學生。

2.2.4 測試安排

測試時學生已經(jīng)學完“物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)”及“物質(zhì)的化學變化”兩個主題下的全部內(nèi)容并進入中考復習階段。由化學教師發(fā)放試卷并監(jiān)考，發(fā)放試卷365份，回收試卷365份，回收率為100%，有效率為100%。

3 測試工具質(zhì)量及測試結(jié)果分析

3.1 測試工具的質(zhì)量分析

應用Rasch模型檢驗測試工具的信度，得到測試題目的INFIT MNSQ均值為0.99，接近MNSQ的理想數(shù)值1，表明收集的數(shù)據(jù)與理想模型擬合程度較高。測試題目分離指數(shù)為8.85，分離度較好。將分離指數(shù)轉(zhuǎn)換得到試題整體信度為0.99，表明試題可信。單維性檢驗發(fā)現(xiàn)有3道題目超出接受范圍（-0.4～+0.4），僅占題目數(shù)的17%，表明測試題具有單維性，能指向并反映學生的微粒觀。

3.2 測試結(jié)果與分析

3.2.1 農(nóng)村初中生微粒觀整體發(fā)展水平中等偏下

試題題目難度與學生分布懷特圖（如圖1所示）顯示出學生個體與試卷的整體情況。依據(jù)懷特圖，采用書簽法（BookMark），劃定學生微粒觀發(fā)展層級。

第一，綜合考慮微粒觀的能力要素、試題難度值，以及懷特圖反映的項目難度與個體能力之間的關系，通過邏輯分析初步劃分層級。第二，用SPSS26.0對各層級進行單因素方差分析，檢驗其顯著性差異。第三，確定各層級所對應的試題難度值范圍。第四，確定學生微粒觀整體發(fā)展由低到高的三個層級（即層級一至層級三）。學生在不同層級上的分布情況和具體表現(xiàn)如下：

層級一的學生平均分為5.4分，占學生總數(shù)的26%。這些學生以孤立、認識水平為主，逐漸向理解水平過渡。具體表現(xiàn)為：能孤立地了解構(gòu)成物質(zhì)的微粒、微粒的自身性質(zhì)、溶解的過程以及相對原子質(zhì)量；理解不同物質(zhì)是由不同微粒構(gòu)成的，能解釋不同的物質(zhì)具有不同性質(zhì)的原因，理解溶液中的微粒及溶液呈現(xiàn)酸堿性的原理；能系統(tǒng)地用微粒觀點說明常見物質(zhì)的構(gòu)成。

層級二的學生平均分為10.6分，占學生總數(shù)的62%。這些學生以理解水平為主，逐漸向應用、系統(tǒng)水平過渡；在精準性上，逐漸進入定量水平。具體表現(xiàn)為：在層級一基礎之上，能孤立地了解原子的構(gòu)成，認識化學變化中的微觀本質(zhì)；理解分子和原子的結(jié)構(gòu)關系，定量計算原子的相對原子質(zhì)量；應用微粒的性質(zhì)解釋生活中常見的現(xiàn)象，系統(tǒng)說明酸堿中和反應的實質(zhì)及檢驗與鑒別，能系統(tǒng)定量地計算相對分子質(zhì)量。

層級三的學生平均分為14.7分，占學生總數(shù)的12%，在系統(tǒng)性、深刻性和精準性方面都處于最高水平。具體表現(xiàn)為：在層級一、二基礎之上，能定性地用微粒的觀點解釋熟悉或陌生的化學變化前后反應物與生成物的關系；系統(tǒng)地闡述原子和離子之間的相互轉(zhuǎn)化，利用微粒相對質(zhì)量定量分析反應物或生成物的質(zhì)量。

綜合以上分析可知，大多數(shù)農(nóng)村初中生處于第一和第二層級，微粒觀整體發(fā)展水平中等偏低。

3.2.2 不同層級學生在各要素發(fā)展水平上的表現(xiàn)不均衡

在圖1中，A1～F3分別表示每個要素的不同水平維度，從圖中查看位于每個層級上的要素及其水平，可得出不同層級學生在每個評價要素上達到的水平（如表2所示）。對于要素一，三個層級的學生均能達到水平3，說明對具體微粒有較好認識。對于要素二和要素四，每個層級學生呈現(xiàn)出逐級遞進的變化。對于要素五，層級一的學生僅達到水平1，沒有過渡到水平2，但層級二的學生呈現(xiàn)出遞進趨勢。對于要素三和六，達到層級二的學生才開始進入水平1，層級三的學生呈現(xiàn)出遞進趨勢?？梢钥闯觯煌瑢蛹墝W生在各要素發(fā)展水平上的表現(xiàn)不均衡，特別是要素三和要素六的發(fā)展水平亟待提升。

3.2.3 原因分析

農(nóng)村初中生微粒觀發(fā)展水平中等偏下的影響因素固然是多方面的，但主要原因是教師對微粒觀的認識和教學策略存在不足。通過與農(nóng)村教師交流和日常課堂觀察，發(fā)現(xiàn)以下四方面的問題：第一，教師自身對微粒觀內(nèi)涵及構(gòu)成要素的認識不足，導致在教學中引領學生建立微粒觀的意識薄弱。第二，微粒觀的教學更多是圍繞概念進行文字解析，而對比、解釋、設計等高水平認知任務較少。第三，依賴于習題強化［15］，多局限于熟悉習題的反復訓練，陌生情境的復雜型習題設計與解決相對缺乏。第四，對實物模型、動畫模擬、實驗演示等直觀、形象化的支持技術使用還不充分。

4 結(jié)論與啟示

4.1 研究結(jié)論

（1） 農(nóng)村初中生化學微粒觀整體發(fā)展水平中等偏下，主要呈現(xiàn)出由低到高的三個發(fā)展層級，學生人數(shù)分別占總數(shù)的26%、 62%和12%，每個層級有各自具體表現(xiàn)。

（2） 不同層級學生在各要素的發(fā)展水平上表現(xiàn)不均衡，特別是要素三和要素六的發(fā)展水平亟待提升。

4.2 研究啟示

4.2.1 農(nóng)村教師要加強對微粒觀的認識，夯實自身知識和觀念基礎

從教師專業(yè)發(fā)展理論來看，教師對微粒觀的認識很大程度上決定了學生微粒觀發(fā)展水平。目前農(nóng)村初中化學教師的總體學科教學知識與水平偏低［16］，因此，農(nóng)村教師要通過多種渠道，不斷夯實自身的微粒觀基礎，從本質(zhì)上理解微粒與宏觀物質(zhì)的關系、微粒的性質(zhì)、微粒的構(gòu)成與轉(zhuǎn)化、微粒對溶液性質(zhì)的影響、微粒的相對質(zhì)量、微粒對于化學變化的意義等，形成完整系統(tǒng)的微粒觀。此外，要通過教材分析等方式，明確不同階段的教學內(nèi)容對學生微粒觀建構(gòu)和發(fā)展水平的價值與作用。

4.2.2 依據(jù)發(fā)展層級設計教學，逐步提升學生認識的系統(tǒng)性、精準性和深刻性

針對農(nóng)村初中生微粒觀的整體發(fā)展水平及表現(xiàn)，遵循從孤立到系統(tǒng)、從定性到定量、從認識到應用的認知邏輯，螺旋遞進地設計教學，逐步引領學生向高水平過渡。例如，設計“說明、解釋、闡述、設計方案”等開放性問題，如“解釋長期堆煤的墻角，墻壁內(nèi)部也會變黑的原因”“制定酸性或堿性土壤的改良方案，促進農(nóng)作物正常生長”，使學生從孤立、表面地記憶知識，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)地理解微粒本質(zhì)，應用微粒的觀點解決實際問題。

4.2.3 設計問題鏈，引導學生應用微粒觀建構(gòu)問題解決思路

學生微粒觀發(fā)展水平主要表現(xiàn)在微粒觀試題的解題上，學生只有具備良好的解題思路，才能靈活、順利地解決問題。教師要開展單元整體教學［17］，精心設計指向整體思路的問題鏈，引領學生建構(gòu)問題解決思路。例如，對于“原子如何轉(zhuǎn)化為離子”的問題，設計出“該原子的結(jié)構(gòu)是什么”“原子容易失去最外層電子還是得到電子”“得失的電子數(shù)是多少，應如何表達”等問題鏈，使學生建立“分析原子結(jié)構(gòu)及最外層電子數(shù)→判斷最外層電子得失傾向→確認離子所帶電荷數(shù)→基于表示規(guī)則呈現(xiàn)出離子結(jié)構(gòu)”的整體思路。同時，通過問題鏈的設計，不斷診斷學生微粒觀發(fā)展水平，為教學改進提供依據(jù)。

4.2.4 增強形象化支持技術的應用

微粒觀內(nèi)容具有復雜和抽象的特征，需要通過實驗、網(wǎng)絡和信息技術等進行形象化和可視化支持。首先，演示實驗能讓學生直接看到由于微粒性質(zhì)而發(fā)生的化學變化，使肉眼看不見的微粒運動轉(zhuǎn)化為宏觀的化學現(xiàn)象。其次，多媒體動畫和軟件的使用，清晰展現(xiàn)微粒的運動和變化特點。再次，使用模型加以模擬、觀察、拼裝和應用，通過畫模型、描述模型、用模型模擬微粒運動等活動，促進知識向觀念的轉(zhuǎn)化。因此，形象化支持技術的應用，對于加深學生對微粒觀的理解具有重要意義。

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