高中生化学学科核心素养测评研究 论文

基于Rasch模型的高中生化学学科核心素养

测评研究——以准高三学生为例

【摘要】为了解高中生化学学科核心素养发展情况，更好地指导核心素养体

系下高三化学教育教学一轮复习工作。笔者采用Rasch模型和SPSS软件对学生现阶段化学学科核心素养的发展水平进行研究，分析试题质量和测试情况，从而

针对性地提出教学策略指导高三学生教育教学工作的开展和推进新高考的进行。【关键词】化学学科核心素养;Rasch模型;测评研究

一、问题的提出

继

2016年

9月发布的《中国学生发展核心素养》

后，2018年教育部正[2]

式发布了《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称《17版课标》），明确了普通高中学生必须具备的化学学科核心素养。然而，经历两年的核心素养

指导实践，学生化学学科核心素养发展情况如何？核心素养教育教学效果如何？教育教学工作是否遵循课改要求？教学评价是否符合核心素养要求？学生化学

核心素养是否健康发展？我们的教学工作存在哪些问题？还有哪些改进的方面…等问题是作为一线教师不可回避的问题。因此，本研究基于Rasch模型和《17

版课标》理论，从高二学生期末联考中精心筛选试题并进行测评工具的分析，同时结合李克特5点量表设计调查量表，采用Winsteps37.2.和SPSS20.0进行数

据统计分析。检验测评工具质量，应用工具反馈学生化学学科核心素养发展情况，提出相应解决策略，为化学教学实践提供改进依据和参考意见，监控、指导教学

教学工作的高效有序开展。二、测评研究

1.理论框架

1）Rasch模型测试理论（[3]

Rasch模型（Georg

Rasch,1901-1980创立）是项目反映理论（IRT）模型之一，为但参数模型，根据被试在各测试项目上的反应模式来预测个体能力。对于某个项目i,难度为Di,一个能力为Bnj的被试n答对(假设答对评X=1分,答错

评X=0分)该题的概率

Pni可以表达为公式①，可知被试正确作答的概率取决于被试能力与项目难度之间的差异,被试能力越高,答对概率就越高，对于评分只有

答对或答错(X=1分或X=0分)的模型为二分模型（公式②）。Rasch模型家族还有部分给分模型（Partialcreditmodel）、等级量表模型（Ratingscalemodel）、

[4]

多面

Rasch模型（Many-Facets

Rasch

model）等

，均为二分模型的扩展,如部分给分模型（公式③），Dik是指项目i上k分的难度,Pnik是指学生n在i题得k

分的概率,k=1时即为二分模型。Rasch模型与经典测验理论（CTT）和可概括性[3]

理论（GTT）的项目/被试依耐性、评分不等距、能力与分数突发不对等性等不同，Rasch测试采用logit分与原始分进行转换，被试能力（同一项目不同被试

圣率对数差ln1-ln2=B1-B2）与项目难度（同一被试不同项目难度差ln1-ln2=Di1-Di2）相互独立，具有恒常性，不论采用难的还是易的测量工具，能力

强者得高分，克服低能力水平水生投机胡蒙的高分情况；还具有多极性和多维性，涉及到各个领域，数值处理简单科学，便于普及和推广。测量工具Rasch模型检

ⅇ(Bn-Dⅈ)验指标如表1。

p(X=1|Bn,Dⅈ)=1+

ⅇ(Bn-

Dⅈ)

①

Pniln

=Bn-Dⅈ②(1-Pni

)Pnik

ln(=Bn-Dⅈk

③1-Pnik

)表1Rasch模型测量参数及检验指标

测量参数含义及检验指标

均分（Measure）测试难度及被试能力的

Rasch

分，测试难度水平通常设置为

1标准误（Error）观测值与期望值得差异，反应测量的精确性，越靠近

0

越好

分离度反映被试或项目在测量变量上的分离程度，反映测量工具对不同能力水平被（separation）试的区分情况，分离度越大区分效果越好，一般分离指数超过

2

较好

信度被试/项目次序、位置在测量变量分布的再现程度，等同于

Cronbach’s（reliability）

alpha系数估计被试水平和项目难度水平，实际数据与期望模型的拟合问题。均分方差

检验MNSQ（infit，outfit）越靠近1越好，可接受范围在0.7-1.3，模型-数据拟合

（model-data-fit）

点-测相关（t检验或Z检验）ZSTD（infit，outfit）越靠近0越好，可接受范围在-2-+2。

学生在该题得分与测量总分间的相关性，表示项目与总量表之间的一致性，接受范围在0-1，多数题在0.4以上则项目的区分效果好。

怀特图也称项目-被试图（item-person

map），按项目难度、被试水平放置在同一把Wrightmap）

量尺，项目难度均匀分散，且与被试能力相对应则优

单维性横坐标是项目难度，左纵坐标是主要变量被控制后项目分数与潜在变量的关（（dimensionality）系，右纵坐标是某一相关系数上对应的项目数，通常认为项目落在相关系数

（constrastloading）-0.4-0.4区间较好

气泡图纵坐标是“Mearue”为项目难度，横坐标为

infit

的

ZSTD

值，泡泡大小代plotmap）

表项目难度估计误差大小，越小越好，气泡落在-2-2

范围好

（（2）化学学科核心素养

化学学科核心素养是指学生经过化学课程的学习所形成和发展的正确价值观、关键能力和必备品格，是在解决复杂的、不确定性的现实问题中表现出来的

综合品质或能力，是化学学科知识与技能、过程与方法、情感态度和价值观的整[2,6]

合。《普通高中化学课程标准（2017版）》基于高中化学课程内容凝练出化学学科核心素养及其发展水平，明确各主题具体内容和学业要求，研制出学科和

[7]

各学段的学业质量标准指导高中化学教学评价、试题命制工作。因此，本研究[8]

参考《17版新课标》、刘英琦老师研究的知识理解层次及北京师范大学王磊教[2,7]

授关于化学学科核心素养的学科能力研究构建测评工具知识结构、学科能力及素养水平。

图

1

化学学科核心素养研究设计2.研究分析

1）试题分析（本研究样本为同一层次水平的学生，化学学科核心素养试题是在学生学完高

考化学考纲要求的必考内容后为检验学生整体知识掌握和运用情况而展开的零模测试，试题素养水平分布情况如表2所示。

表2化学学科核心素养测试题项水平分布素养维度水平

1-经验性理解

水平

2-本质性理解

水平

3-结构化理解

水平

4-文化性理解

123T1T9

T3T10T14T4T172

T12T181T184T173

T15T187T5T171

T192T193T7T185

T11T16T1742T13T194T196

T8T191T195T182T188

T175T176T197T1741T183

45T6T186

T2①总体统计

通过总体统计发现，学生能力平均分估计值为0.07（中等水平），项目难度平均分估计值为0（中等难度）；项目和被试误差（接近0）在可接受范围，项目

被试拟合模型符合期望值（MNSQ接近1，ZSTD接近0）；试题具有信度较高信度（0.97），被试信度相对较低（0.66），说明试卷中一些项目未能完全检测到被试

的能力，也可能是被试能力太集中、水平层次不够广、差异不大，因此在后续测试中应注意选择不同层次水平的学生，同时关注实验班学生和普通班学生的样本

测试。表3化学学科核心素养测试总体统计

InfitMNSQ

OutfitMNSQ

估计误差

分离度信度

ZSTD0.10

ZSTD-0.10

0.10被试

项目00.07

.000.03

0.101.01

0.990.95

0.951.39

5.260.66

0.970.20

②怀特图、单维性及气泡图分析

通过怀特图分析发现项目水平覆盖比较广泛，但学生能力水平比较集中，对于一些综合性、应用性较强的题目学生现阶段水平难以解决，特别是素养1水平4

（T173、T1841）、素养

2水平

4（T187）、素养

3水平

4（T176）,

T173和素养

水平4（T1741）学生作答率极低，说明学生知识迁移与综合应用能力较为薄弱，在后续教学中应注重引导学生模型认知、模型建构和模型应用能力的发展。

4图3项目单维性分析

图

2

项目-被试怀特图图4项目气泡图分析

通过单维性（图2）分析发现素养4部分题目（A-T6、B-T13、C-T186）与整体相比有偏差，经分析发现这几天均为新情境下的实验探究和装置分析的变式创新

题，学生整体反应效果较差，而除了题a（T9）、c（T173）、d（T194）略有偏差外，大部分题目一致性较好。气泡图（图4）分析发现T176和T16为难度较大

的项目，学生项目反应情况较差，特别是T176电解法可以提纯粗镓（内含Zn、Fe、Cu等杂质），以NaOH水溶液为电解质，在阴极析出高纯度的镓，请写出阴极电

2+3+

2+极反应：__________（离子氧化顺序为：Zn＜Ga＜Fe），此题为中等难度，但

学生对电解池原理理解不透彻，思考不深入导致答题失误。③结果分析

运用

rasch模型对学生化学学科核心素养发展水平进行分析，

发现学生素养1-4的水平1和水平2的Rasch分较高，表明目前学生核心素养发展水平为水

平2左右，达到水平4的学生较少，并且发现学生对基于生活真实情景性的综合问题解决能力和知识迁移能力较弱，因此在后续教学中应注重引导学生把握知识

的整体性、综合性、联系性和意义性，注重对知识的生活化、意义化、素养化理解。另外，在进行试题测评研究中，涉及素养5的题目仅T2（水平3），大部分

学生完成较好，为保证研究结果的科学性和可靠性，笔者配合问卷调查展开了学生化学学科核心素养的调查研究。

表4高中生化学学科核心素养水平rasch成绩统计水平1

水平2水平3

水平4素最最

最最最最

大小最最

大小养项目

平均

项目

平均

项目

平均项目平均

13大小

大小T1

T9T3T10

T14T12

2

746368.5583747.5

T184

T173

13

13

T5TT4

T11T16T1742

858283.5807376.5

857982

453841.5562741.5

T15T18733

217.5

171

T172T8

T192T193

T13T194T196

T175T176T197

3T191

T195T182

T188822151.5

734257.54519

32T7

T6T186458165

73493441.5

T1741T183

34

17

25.5

7474

74T185

T2（2）调查分析

在进行问卷调查中所选样本与试题测评样本保持一致性，调查量表采用李克[9]

特五点量表，并参考国际权威量表

PISA/TIMSS以及《2017版新课标》进行编制

。通过对调查数据的统计分析发现，现阶段高中学生化学学科核心素养发展水平不

均衡，大部分学生处于水平

1、水平2，水平3、水平4得分相对较低而且相差不大，这与试题测评结果基本一致。另外，在素养4和素养

5两个维度结果比试

题测评结果相对较好，这表明学生能从文字层面理解化学学科的思维和方法，但由于缺乏综合知识运用的训练，学生对解决具体实际问题的能力和知识的迁移运

用能力较弱，因此，在后期教学中，应注重基于情境、基于信息的问题解决与问题探究的教学。图

5

高中生化学学科核心素养各水平发展情况统计

三、研究结论1.研究结论

通过试题测评与问卷调查分析发现，对于准高三的学生而言，已初步形成了化学学科思维观念与方法，但知识迁移、问题解决、知识综合运用能力较弱，需

要进一步的强化提高。关于学生化学学科核心素养发展方面，无论是问卷调查还是试题测评，均表明学生化学学科核心素养目前仍处于中低水平（水平1、水平2），

水平3和水平

4的学生较少；对于各素养发展情况而言，试题测评表明学生在知识运用、问题解决层面素养1、素养2和素养5发展较好，对于素养3和素养4

学生整体表现较差，表明学生对于模型认知、模型建构、模型应用、证据推理、科学探究等层面能力较弱，是我们后期教学教研要努力的方向；而在问卷调查部

分，学生素养4得分比测评好，表明学生具备化学科学探究的基本思维与观念，但对于具体情境、实验创新问题的解决能力不足，需要教师着重下功夫研究策略

进行切实的引导性教学。关于本研究意义与不足，首先，本研究立足课堂教学实践，可为一线教师了

解学生能力发展情况、指导教育教学提供参考；其次，本研究采用试题测评与问卷调查相结合的形式展开，保证研究的科学性与实践性，丰富教育教育理论；再

次，本研究操作方便，对于学生平时的作业情况、测试情况等均可收集数据进行研讨，针对性强，可推广性强。最后，本研究具有一定的局限性，一方面是样本

量小，仅采集了普通班学生进行测试，学生水平覆盖范围较小；另一方面，没有开展实验班与普通班的对比研究，样本仅来源同一学校层次差不多的班级，后期

需要进一步强化和进行对比研究，而且在调查部分由于纯文字性描述存在学生主观性因素。

2.教学建议

基于Rasch模型下，对高三学生的化学核心素养进行测评研究，可以客观地对学生较为薄弱的环节进行强化，因此，针对结果分析主要建议有以下几点：

（1）对于离子浓度这类难度较大、有区别学生能力功能的选择题，图像变

化较为复杂，大多数学生不知从何入手。在教学过程中，应先注重从三大守恒规律中建立离子浓度的关系，再结合具体图中所给出的提示，寻找数字表征关系。

正确写出守恒定律是溶液中离子浓度判断的基础能力，教师在复习过程中，可结合多种图像关系，帮助学生强化该题型的解题步骤，提高学生的“证据推理与模

型认知”能力。（2）对于在电化学知识点中，电极方程式的书写是一个重要的考点，学生

对于多种离子存在时，离子的放电顺序存在一定的困惑；基础不扎实的学生对于如何正确书写一条电极方程式也存在一定问题。在一轮复习中，教师可引用一部

分课本上常见离子的放电顺序进行练习，如阳极失电子顺序：“I->Fe2+>Br-”，结合具体情境书写电极方程式。再利用陌生离子的情境进行巩固和强化，在电荷

守恒的基础上，正确写出电极方程式，提升“变化观、平衡、证据观、推理观、与模型观”。

（3）从学生对于“镓”和“铝”的性质对比中书写方程式，可以看出，即

使是在已有知识上进行类比，大多数学生的得分率依旧不高，其主要原因可归为，一轮复习未开展的情况下，学生对于陌生元素的性质接触不多，缺少练习，通过

类比法书写的方程式，也没有较大把握正确与否。因此在一轮复习过程中，要求教师不仅要复习课内知识点，也要将一部分课外知识点引入到课堂中，提升学生

的模型认知能力，促使学生通过类比，推断陌生元素、陌生物质，如“拟卤素”、在金属与非金属界线周围的元素可能发生的化学反应等。

（4）在“实验探究”内容的要求下，需要学生能够通过实验设计，定性探

究物质的性质，同时能够设计实验装置，对物质进行制备，并通过滴定的方法，对产率进行检测。该部分的知识点，学生对于定性探究掌握较好，而在产率的计

算上较为薄弱，原因一为部分学生不了解在滴定