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中學(xué)生化學(xué)定量化能力的測評問題和方式教育論文
從“定性”到“定量”是化學(xué)學(xué)科發(fā)展的里程碑,是人們對化學(xué)物質(zhì)及其變化的認識向縱深發(fā)展的結(jié)果。在化學(xué)學(xué)習(xí)中,隨著學(xué)習(xí)進程的展開,必然要求學(xué)生從量的角度來描述和探究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組成和變化。傳統(tǒng)化學(xué)課程將“化學(xué)計算”作為一項基本技能,但從量的角度解決化學(xué)問題并非單純的數(shù)學(xué)運算,也并非簡單的方法、技巧等技能的操練,而是“有意識、有意義、有目的、有方法的認知和操作的共同體”[1]。學(xué)生依據(jù)化學(xué)基礎(chǔ)知識,運用數(shù)學(xué)方法解決物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、變化中“量”的問題的能力稱為“定量化”能力。具備“定量化”能力,能使學(xué)生從量的方面認識物質(zhì)及其變化的規(guī)律,體驗定量研究方法在化學(xué)科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要作用。
1 “定量化”能力水平的構(gòu)建
中學(xué)化學(xué)的“定量化”學(xué)習(xí)內(nèi)容主要是以2個基本物理量——物質(zhì)的量和質(zhì)量為核心,結(jié)合基本概念原理和元素化合物知識而展開。從初中階段以質(zhì)量為核心到高中階段以物質(zhì)的量為核心,從核心概念到基礎(chǔ)計算再到綜合計算,遵循了從宏觀到微觀、從簡單到復(fù)雜的認知過程,構(gòu)建了從核心概念到基礎(chǔ)計算再到綜合計算的遞進式體系。
理解化學(xué)概念的含義及化學(xué)原理、符號中所蘊含的量的關(guān)系是解決定量化學(xué)問題的基礎(chǔ)。Nakleh和Silberma(1993)的研究表明如果學(xué)生想要恰當(dāng)?shù)靥幚矶炕瘜W(xué)問題,那么他們必須理解摩爾的含義[2]。Koch(1995)指出學(xué)生初學(xué)化學(xué)時在尋找抽象化學(xué)符號和描述化學(xué)過程之間的聯(lián)系、分子式所提供的定量信息(比如計量關(guān)系)方面會遇到困難。學(xué)生首先必須徹底掌握知識和方法,學(xué)會將化學(xué)符號轉(zhuǎn)換成有意義信息,才能解決定量化學(xué)問題[3]。Dori(2003)認為有關(guān)物質(zhì)的量的化學(xué)計算問題可以從復(fù)雜性和轉(zhuǎn)換水平兩個維度來進行分類。轉(zhuǎn)換次數(shù)越多,復(fù)雜性越大,學(xué)生解決化學(xué)計算問題時遇到的障礙就越多[4]。“思想”是認識的高級階段,是對事物本質(zhì)的、高級抽象和概括的認識。化學(xué)學(xué)科思想方法是對化學(xué)事實、化學(xué)理論以及化學(xué)方法的本質(zhì)認識,思想方法往往使得化學(xué)定量化問題的解決事半功倍。
因此,根據(jù)“由簡單到復(fù)雜、由基礎(chǔ)到綜合、由具體到抽象”的“定量化”能力發(fā)展的規(guī)律,構(gòu)建如下由低到高的4個水平:
水平1:認識概念或符號中所蘊含的數(shù)量關(guān)系。如,認識化學(xué)方程式等符號中所蘊含的質(zhì)量關(guān)系;知道溶解度等概念中蘊含的數(shù)量關(guān)系;知道物質(zhì)的量等概念的計量含義等。
水平2:直接運用數(shù)量關(guān)系進行簡單運算。如,根據(jù)化學(xué)式、化學(xué)方程式進行簡單的運算;利用物質(zhì)的量等概念間的相互關(guān)系進行換算等。
水平3:整合或轉(zhuǎn)換數(shù)量關(guān)系進行綜合運算。如,分析和處理圖表數(shù)據(jù)或?qū)嶒灁?shù)據(jù)進行運算;對溶液中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)進行運算等。
水平4:運用化學(xué)思想方法進行運算。如,運用守恒法、差量法、關(guān)系式法等思想方法進行一些較為復(fù)雜的運算。
以上4個水平從認識數(shù)量關(guān)系到直接運用再到綜合運用,最高水平為運用化學(xué)思想方法,復(fù)雜性及轉(zhuǎn)換水平逐漸增加,思維及定量化要求逐步提高,水平的劃分體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)的規(guī)律。
2 “定量化”能力測評研究
依上述“定量化”能力的4個水平編制測量工具,運用Rasch模型分析測驗結(jié)果[5],修訂和優(yōu)化測量工具,并根據(jù)大樣本測試結(jié)果分析學(xué)高中生化學(xué)“定量化”能力現(xiàn)狀以及發(fā)展規(guī)律等。
2.1 研究工具
以“定量化”能力的4個水平層次為理論依據(jù),編制了相應(yīng)的測量工具。第一輪試測結(jié)果經(jīng)過Rasch模型檢驗之后,對某些項目進行了修改,項目總數(shù)未變,形成了第二輪試測的測驗卷,其中Q1~Q8是選擇題,Q9~Q13是建構(gòu)反應(yīng)題(建構(gòu)反應(yīng)題要求被試組織或建構(gòu)一份答案,在考查學(xué)生的高層次能力上具有優(yōu)勢,建構(gòu)反應(yīng)題的答案有封閉性答案和開放性答案兩種)。第二輪試測后再經(jīng)Rasch模型檢驗修正后的測驗卷可用于大樣本測試。具體項目與能力水平的對應(yīng)如表1所示。
對于選擇題而言,每一道題中均包含4個選項,僅有一個正確選項。對于建構(gòu)反應(yīng)題而言,則采用等級評分。以下幾例是對“定量化”能力測驗卷中項目的簡要分析說明:
例1 在10℃時,KNO3 的溶解度是20 g,則此溫度下的飽和溶液中,下列關(guān)系正確的是( )
A.m(溶液): m(溶質(zhì))=4:1
B.m(溶質(zhì)): m(溶劑)=1:4
C.m(溶液): m(溶劑)=6:5
D.m(溶劑): m(溶液)=4:5
說明:該題屬于“水平1:認識化學(xué)概念或化學(xué)符號中所蘊含的數(shù)量關(guān)系”的考查內(nèi)容,旨在考查學(xué)生是否知道溶解度概念中所蘊含的溶質(zhì)、溶劑以及飽和溶液三者之間的質(zhì)量關(guān)系。
例2 目前國際上通用“測氮法”標(biāo)定牛奶中蛋白質(zhì)含量,蛋白質(zhì)中含氮量平均為16%,若不法分子在 1袋某品牌奶粉中加了1 g三聚氰胺(C3 H6N6 ),相當(dāng)于增加蛋白質(zhì)約( )
A.4.2 g B.3.2 g C.0.7 g D.1.6 g
說明:該題屬于“水平2:直接運用數(shù)量關(guān)系進行簡單的計算”能力的考查內(nèi)容,旨在考查學(xué)生能否根據(jù)化學(xué)式進行化合物質(zhì)量與其中所含元素質(zhì)量的換算。
例3 在標(biāo)準狀況下,取甲、乙、丙各30.0 mL相同濃度的鹽酸,然后分別慢慢加入組成相同的鎂鋁合金粉末,得到下表中有關(guān)數(shù)據(jù)(假設(shè)反應(yīng)前后溶液體積不發(fā)生變化)。
請計算合金中Mg、Al的物質(zhì)的量之比。
說明:該題屬于“水平3:整合或轉(zhuǎn)換數(shù)量關(guān)系進行綜合運算”能力的考查內(nèi)容,旨在考查學(xué)生能否根據(jù)圖表所提供的實驗數(shù)據(jù)、正確選擇實驗數(shù)據(jù)并根據(jù)化學(xué)化學(xué)方程式進行運算。
例4 硫代硫酸鈉是一種用途廣泛的化工產(chǎn)品,某廠技術(shù)人員設(shè)計了以下生產(chǎn)流程:
若由原料制S的轉(zhuǎn)化率為75%,制SO2 的轉(zhuǎn)化率為90%,SO2 制Na2 SO3 的轉(zhuǎn)化率為95%,則用于制S和Na2SO3的原料的質(zhì)量比為多少時,才能制得最多Na2 S2 O3 (其他消耗不計)?
說明:該題屬于“水平4:運用化學(xué)思想方法進行復(fù)雜運算”:請記住我站域名能力的考查內(nèi)容。題給信息中從原料到產(chǎn)品經(jīng)歷了多步化學(xué)反應(yīng),若分步計算,則很煩瑣。若運用關(guān)系式思想方法,根據(jù)多步反應(yīng)中最初反應(yīng)物和最終生成物之間量的關(guān)系,列出關(guān)系式進行相關(guān)運算,則將大大簡化運算過程。
2.2 研究樣本
本研究共進行了三輪測驗,被試組成如表2。第一輪測試用于初步考察測驗工具的質(zhì)量,經(jīng)Rasch模型檢驗分析后,對測驗工具進行修改,再進行第二輪試測,根據(jù)第二輪試測結(jié)果的數(shù)據(jù)分析決定修改后的測驗卷可用于大樣本測試(第三輪)。因第一輪、第二輪試測主要用于考察、優(yōu)化測驗工具的質(zhì)量,所用樣本較小,沒有選擇高三年級被試。第三輪測試樣本較大,采取分層抽樣形式,選取了某省三所不同層次的高級中學(xué)作為樣本來源學(xué)校,分別在高一、高二、高三年級隨機抽取被試。
2.3 數(shù)據(jù)處理
運用Bond&Foxsteps1.0.0分析測驗工具的信、效度,將項目難度與學(xué)生能力轉(zhuǎn)換成具有等距意義的logit分,再運用SPSS18.0軟件進行統(tǒng)計分析。因篇幅有限,結(jié)果分析部分只采用第三輪測試的數(shù)據(jù)。
3 結(jié)果分析
3.1 測量工具信、效度分析
3.1.1 總體統(tǒng)計
表3是定量化能力測驗(以下簡稱Q測驗)的總體統(tǒng)計結(jié)果。在Rasch模型中,一般將測驗難度平均水平設(shè)置為0,被試能力平均水平則隨不同測試有所不同。由表3可知,被試能力平均分估計為1.34(Rasch分);整份試卷的難度估計誤差僅為0.11,相比較而言被試的估計誤差較大,但在許可范圍內(nèi);項目擬合指數(shù)皆在理想值左右(即MNSQ接近1,ZSTD接近0),說明測驗數(shù)據(jù)與理想模型具有較好的一致性;根據(jù)分離度數(shù)值(一般認為大于2較好),說明測量工具能夠區(qū)分不同能力水平的被試;被試和項目都具有較高的信度。因此,總體而言,該測驗工具體現(xiàn)出良好的性能。
3.1.2 其他指標(biāo)
單維性是Rasch模型的基本假設(shè)之一,即測驗所測量到的是被試的單一主要能力或單一主要潛在特質(zhì)。根據(jù)Bond&Foxsteps1.0.0軟件的分析,本測驗卷的13個項目中,有2個項目(A-Q7、A-Q13)稍超出許可范圍,但絕大部分項目符合要求,可以認為該卷所測量的主要是一種結(jié)構(gòu)——“定量化”能力,具有單維性;從項目-被試對應(yīng)情況上看,本測驗卷13個項目難度范圍較廣,且基本均勻分散,項目所對應(yīng)的水平層次與預(yù)設(shè)的水平層次基本一致,學(xué)生能力分布也較為理想,中間多,兩端少;具體項目的擬合度除Q9,Q10的ZSTD值稍超出取值范圍(-2~+2),其他項目的數(shù)據(jù)-模型擬合指數(shù)都在許可值范圍之內(nèi),項目的誤差都較小,點測量相關(guān)都較高。
總之,根據(jù)“定量化”能力水平所編制的測量工具經(jīng)Rasch模型檢驗,在項目和被試信度、誤差、分離度等信度指標(biāo)上,在單維性、項目-被試對應(yīng)、數(shù)據(jù)-模型擬合、點-測量相關(guān)等效度指標(biāo)上皆符合Rasch模型的基本要求,本研究測量工具可靠、可信。測驗結(jié)果可用于后續(xù)對學(xué)生定量化能力特征的分析。
3.2 “定量化”能力數(shù)據(jù)分析
3.2.1 “定量化”能力的年級差異分析
(1)總體描述
表4是高中三個年級Q測驗的描述性統(tǒng)計結(jié)果。高一、高二兩個年級的極大值都是4.48,高一年級的全距最大,高三年級的全距最小。三個年級的平均分隨年級的升高而上升。
表5的方差齊性檢驗結(jié)果顯示,三個年級的方差不齊性;F檢驗表明三個組中至少有一個組和其他兩個組有明顯的差別,也有可能3個組之間都存在顯著的差別。因為各組方差不齊性,表6采用Tamhane檢驗三組均數(shù)差異的顯著性,結(jié)果顯示,三個年級之間的相伴概率皆小于顯著性水平0.05,具有顯著差異。
由以上統(tǒng)計分析可知,對于“定量化”能力而言,高一、高二、高三三個年級的水平依次升高,且有著顯著性差異。
(2)在各個水平層次上的比較
將Q卷中每個水平所對應(yīng)的各個項目的難度估計進行平均可得到每個水平的難度平均值,如表7所示,以此平均值作為判斷學(xué)生“定量化”能力水平的依據(jù)。當(dāng)學(xué)生的能力值低于-1.41時,則認為學(xué)生的“定量化”能力水平低于水平1;當(dāng)學(xué)生的能力值為-1.41~-0.05時,則位于水平1;當(dāng)學(xué)生的能力值為-0.05~0.82時,則位于水平2;當(dāng)學(xué)生的能力值為0.82~1.67時,則位于水平3;當(dāng)學(xué)生的能力值大于1.67時,則位于水平4。
本研究被試樣本中高一、高二、高三三個年級學(xué)生Q卷的平均分分別為1.08、1.33、1.63(見表4),結(jié)合表8,可以認為高一、高二、高三三個年級學(xué)生的“定量化”能力的平均水平皆已達到層次3(整合或轉(zhuǎn)換數(shù)量關(guān)系進行綜合運算)。三個年級在不同能力水平層次上的人數(shù)及比例如表8所示。
由表8可見,高一、高二年級中有極少數(shù)學(xué)生的“定量化”能力水平低于水平1(認識概念或符號中所蘊含的數(shù)量關(guān)系),每個年級中皆有位于水平1的學(xué)生,但所占比例很小,分別為7.4%、1.2%、0.4%;高一、高二分別有31.9%、22.8%的學(xué)生位于水平2(直接運用數(shù)量關(guān)系進行簡單運算),高三學(xué)生中處于水平2的較少,為7.3%;在水平3和水平4上高一、高二、高三三個年級所占的人數(shù)比例隨年級升高逐步增加。
3.2.2 “定量化”能力的性別差異分析
表9是中學(xué)生化學(xué)“定量化”能力性別差異的T檢驗結(jié)果。可知,在“定量化”能力上,男生的成績稍高于女生。T檢驗的結(jié)果表明,在4個測驗上,男女兩組的方差齊性,Q測驗的相伴概率為0.069,略大于顯著性水平0.05,也就是說,男女生在化學(xué)“定量化”能力上略有差異,但差異性并不顯著。
4 研究結(jié)論
本研究對化學(xué)“定量化”能力進行了水平構(gòu)建,基于 Rasch 模型開發(fā)和優(yōu)化了測量工具,在三個年級實施了能力測量。結(jié)果表明,修訂后的測量工具在多種數(shù)據(jù)指標(biāo)上符合Rasch模型所規(guī)定的標(biāo)準和結(jié)構(gòu),測量工具具有良好的信度和效度。根據(jù)大樣本測試結(jié)果的數(shù)據(jù)分析,我們發(fā)現(xiàn),測量樣本中的高中生表現(xiàn)出了較高的“定量化”能力,三個年級的學(xué)生都達到了水平3,特別是高三年級學(xué)生已接近水平4。隨著年級的增加,學(xué)生的定量化能力逐步提高,且三個年級間存在顯著性差異。每個年級在從低到高的4個水平上,都分布著一定的人數(shù)。男、女生之間的“定量化“能力略有差異,但差異性不顯著。
值得思考的是,三個年級的學(xué)生在”定量化“能力上的差異主要表現(xiàn)在同一水平(水平3)上,這說明在該水平上還存在著不同的亞層能力,應(yīng)設(shè)計更多的項目深入、細致地考察不同的能力水平,以建立起更為精確的“定量化”能力評價的框架;另一方面,所開發(fā)的測量工具,總體上表現(xiàn)出良好的性能,但仍存在不足。如,有少數(shù)幾個項目的單維性檢驗負荷值較大,項目水平與能力水平還不能完全對應(yīng);測量樣本的來源還需更廣泛等等。這些方面的進一步改進將有助于“定量化”能力測評質(zhì)量的提高
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