（课程与教学论专业论文）基于测量模型的化学平衡知识的认知诊断研究.pdf

d i s s e r t a t i o no fm a s t e rc a n d i d a t ei n2 01 l a s tc h i n 俚n o r m a l 嬲 磐 u n i v e r s i t yc o d e 10 2 6 9 s t u d e n ti d 510 8 0 6 0 6 0 0 9 w e r s t h ec o g n i t i v ed i a g n o s i so f c h e m i c a le q u i l i b r i u mk n o w l e d g e b a s e do nm e a s u r e m e n tm o d e l d e p a r t m e n t c h e m i s t r y d e p a r t m e n to fi n s t i u t e m a j o r o fs c i e n c e t e c h n o l o g y s p e c i a l i t y c u r r i c u ma n dp e d a g o g i e s c h e m i s t r y e d u c a t i o np s y c h o l o g y t u t o r p r o f e s s o rz u h a ow a n g c a n d i a t e a p r i l2 0 1 1 郑重声明 本人呈交的学位论文 基于测量模型的化学平衡知识的认知诊断研究 是 在华东师范大学攻读琶声7 博士 请勾选 学位期间 在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的 研究成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名 b 觏 飞 t 年s 只ls 日 基于测量模型的化学平衡知识的认知诊断研究 系本人在华东师范大学攻读学位期间 在导师指导下完成的硕 博士 请勾选 学位论文 本论文的研究成果归华东师范大学所 v 有 本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文 并向主管部门和相关机构 如国家图书馆 中信所和 知网 送交学位论文的印刷版和电子版 允许学位论文进入华东 师范大学图书馆及数据库被查阅 借阅 同意学校将学位论文加入全国博士 硕士学位论文 共建单位数据库进行检索 将学位论文的标题和摘要汇编出版 采用影印 缩印或者其它方 式合理复制学位论文 本学位论文属于 请勾选 1 经华东师范大学相关部门审查核定的 内部 或 涉密 学位论文宰 于年月日解密 解密后适用上述授权 2 不保密 适用上述授权 导师签名 王星云 叶彩玩 本人签名二 l z j c 年 月 j 一日 涉密 学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定 过的学位论文 需附获批的 华东师范大学研究生申请学位论文 涉密 审批表 方 为有效 未经上述部门审定的学位论文均为公开学位论文 此声明栏不填写的 默认 为公开学位论文 均适用上述授权 千犀乔硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 高剑南教授华东师范大学化学系 主席 王程杰副教授华东师范大学化学系 吾慎之副教授华东师范大学化学系 摘要 开展化学教学诊断是学生实现个性化学习的前提和基础 是教师提升教学质 量的有力武器 是化学教育研究中一个永恒的主题 从当前的研究现状来看 化 学诊断性测验的编制仍是基于经典测量理论 诊断性结果的分析仍是基于一个笼 统的分数 鲜有基于现代测量理论展开系统 深入的研究 在此背景下 本研究 以测量模型为指导 以化学平衡内容为载体 开展化学学科的认知诊断研究 在研究过程中 本文主要应用了文献研究法 问卷调查法 访谈法 基于项 目反应理论的测验编制法 基于规则空间模型诊断分析法等研究方法 研究过程 主要包含两个部分 第一 化学平衡内容诊断性测验的编制 首先 基于高中化学课程标准 考 试大纲 高考试题等文本材料构建了化学平衡内容的属性模型 采用问卷调查的 方法向专家 一线教师征求意见 其次 编制了三份化学平衡的预测卷 利用项 目反应理论软件 b i l o g m g 3 0 估算每个项目的难度 区分度 信息量等参 数和被试的能力值 e 最后 基于信息函数的测验编制法 组建了一份效度 较好 信度较高的测验卷 第二 化学平衡内容认知诊断结果的分析 首先 结合化学平衡内容属性模 型和项目的属性编码建立了空间规则模型中的q 矩阵 其次 利用b i l o g m g 3 0 软件和m a t l a b 程序计算出理想被试的 艮 纯规则点 和实际被试的 厶 待分类点 将纯规则点和待分类点投射到规则空间中 即可对实际被试 进行分类 最后 利用自编程序计算出被试的属性掌握概率 运用统计技术探索 高中生化学平衡内容属性掌握的特点 研究发现 高中化学平衡内容的认知属性模型合理 有效 高中化学平衡诊 断性测试卷信度可靠 效度较高 规则空间模型成功应用于高中化学平衡内容的 诊断分析 高中生化学平衡内容属性掌握情况普遍较好 部分属性亟待补救 不 同性别 学校 年级的高中生在部分属性掌握情况上存在显著性差异 被试群体 可聚类为8 种知识状态 5 条学习路径 学习路径图可有效指导班集体开展补救 性教学 设计的诊断报告单详实 个性化 有利于学生个体进行自我补救 关键词 化学平衡认知诊断项目反应理论规则空间模型 l a b s t r a c t t e a c h i n gd i a g n o s i so fc h e m i s t r y w h i c hi s t h ec o n s t a n tt h e m ei nc h e m i c a l e d u c a t i o nr e s e a r c h i sd e s c r i b e da st h ep r e c o n d i t i o na n db a s i sf o rs t u d e n t st or e a l i z e t h e i rp e r s o n a l i z e ds t u d y i n g a sw e l la st h ep o w e r f u lt o o lf o rt e a c h e r st oi m p r o v et h e i r t e a c h i n gq u a l i t y i nm o s to fc u r r e n tr e s e a r c h t h ed e v e l o p m e n to fd i a g n o s t i ct e s ti ss t i l l b a s e do nt h ec l a s s i c a lt e s tt h e o r y a n dd i a g n o s t i cr e s u l ta n a l y s i si ss t i l lb a s e do n g e n e r a ls c o r e s r a t h e rt h a ns y s t e m i ca n dd e e p l yr e s e a r c hu s i n gm o d e mm e a s u r i n g t h e o r y a g a i n s tt h i sb a c k g r o u n d t h i sd i s s e r t a t i o nt r i e dt oc o n d u c tt h er e s e a r c ho f c h e m i c a lc o g n i t i v ed i a g n o s i sb ye x p l o i t i n gm e a s u r i n gm o d e la st h eg u i d e a n dt h e c o n t e n to fc h e m i c a le q u i l i b r i u ma st h ec a r r i e r m a n ym e t h o d ss u c ha sl i t e r a t u r ea n a l y s i s q u e s t i o n n a i r e s i n d i v i d u a li n t e r v i e w i t e mr e s p o n s et h e o r y r u l es p a c em o d e lw e r ee m p l o y e di nt h er e s e a r c h t w om a j o r c o m p o n e n t so ft h er e s e a r c hp r o c e s sa r ea sf o l l o w s p a r t1t h e d e v e l o p m e n to f d i a g n o s t i cm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n to fc h e m i c a l e q u i l i b r i u mf i r s t a t t r i b u t e sm o d e lo fc h e m i c a le q u i l i b r i u mw a sc o n s t r u c t e db a s e do n m a t e r i a l ss u c ha sc h e m i s t r yc u r r i c u l u ms t a n d a r d so fh i g hs c h o o l e x a m i n a t i o n s t a n d a r d s t h e n t h r e ep r e l i m i n a r yd i a g n o s t i cm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n to fc h e m i c a l e q u i l i b r i u mw e r ed e v e l o p e d a n db i l o g m g3 0s o f t w a r ew a su s e dt oe s t i m a t e i t e m s d i f f i c u l t y d i s c r i m i n a t i o n i n f o r m a t i o na n ds u b j e c t s a b i l i t yv a l u e 0 f i n a l l y b a s e do ni t e m si n f o r m a t i o na n da t t r i b u t e s w e d e v e l o p e daf o r m a ld i a g n o s t i c m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n tw h i c hh a sg o o dr e l i a b i l i t ya n dv a l i d i t y p a r t2 a n a l y s i so nt h ed i a g n o s t i cr e s u l t so fc h e m i c a le q u i l i b r i u ma tt h e b e g i n n i n g qm a t r i xo fr s mw h i c hl i n k sb e t w e e na t t r i b u t e sm o d e la n di t e m s a t t r i b u t ec o d ew a sc o n s t r u c t e d t h e n w ea p p l i e db i l o g m g3 0s o f t w a r ea n do t h e r p r o g r a m t oe s t i m a t ev i r t u a ls u b j e c t s 气 钆 a n dr e a l i s t i cs u b j e c t s 气 缸 s oa st oc l a s s i f ys u b j e c t sa c c o r d i n gt or u l ep o i n t s f i n a l l y w eu s e dc o m p u t ep r o g r a m t oc a l c u l a t es u b je c t s a t t r i b u t em a s t e r yp r o b a b i l i t ya n de m p l o y e ds t a t i s t i c a lm e t h o dt o e x p l o r ec h a r a c t e r i s t i c so fa t t r i b u t em a s t e r y t h er e s e a r c hh a sf o u n dt h a t a t t r i b u t e sm o d e lo fc h e m i c a le q u i l i b r i u mi s r e a s o n a b l ea n dv a l i d t h ed i a g n o s t i ci n s t r u m e n tw ed e v e l o p e di n t h i sr e s e a r c hh a s g o o dr e l i a b i l i t ya n dv a l i d i t y r s mi ss u c c e s s f u l l ye m p l o y e di nt h ed i a g n o s t i ca n a l y s i s o fc h e m i c a le q u i l i b r i u m s u b j e c t sh a v eg o o dp e r f o r m a n c ei nt h em a j o r i t yo fa t t r i b u t e s o fc h e m i c a le q u i l i b r i u m b u ts o m ea t t r i b u t e sa r en e e d e dp r o m p tr e m e d y s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c ei na t t r i b u t em a s t e r yb e t w e e ng e n d e r s g r a d e s s c h o o l sh a v ep r o v e d t h e r e a r ee i g h tk n o w l e d g es t a t e sa n df i v el e a r n i n gp a t h si ns u b je c t s a n dl e a r n i n gp a t h sc a n e f f e c t i v e l yg u i d ec l a s sr e m e d yt e a c h i n g d i a g n o s t i cr e p o r ti sd e t a i l e d p e r s o n a l i z e d a n df a v o r a b l ef o rs e l f r e m e d y k e yw o r d s c h e m i c a le q u i l i b r i u m c o g n i t i v ed i a g n o s i s i t e mr e s p o n s et h e o r y r u l es p a c em o d e l i i i i 目录 摘要 i a b s t r a c t i i 目录 1 研究缘起 1 1 1 研究背景 1 1 1 1 学业评价的功能 从甄别为主转向诊断为主 l 1 1 2 诊断性测验的编制 从经典测量理论转向项目反应理论 1 1 1 3 诊断结果的分析 从笼统的分数转向内在认知结构 2 1 2 相关研究综述 2 1 2 1 化学教学诊断的相关研究 2 1 2 2 化学平衡内容的相关研究 5 1 2 3 项目反应理论在测验编制领域的相关研究 6 1 2 4 规则空间模型的相关研究 8 1 2 5 相关研究的评析 1 l 2 研究思路 1 2 2 1 问题提出 1 2 2 2 研究目的 1 3 2 3 研究方法 1 4 2 4 研究意义 1 5 2 4 1 探索化学诊断性测试卷编制的新方法 15 2 4 2 诊断高中生化学平衡内容的认知状态 1 5 2 4 3 提供高中化学平衡内容补救性教学的依据 1 5 2 5 论文框架 1 6 3 研究过程 1 7 3 1 基于i r t 的高中化学平衡内容诊断性测试的编制 1 7 3 1 1 认知属性模型的构建 1 8 3 1 2 项目的编制及性能分析 2 6 3 1 3 诊断性测试卷的形成 3 2 i v 3 1 4 讨论 3 7 3 1 5 研究小结 3 9 3 2 基于r s m 模型的化学平衡认知诊断研究 4 0 3 2 1 研究内容 4 0 3 2 2 研究目的 4 0 3 2 3 研究方法 4 0 3 2 4 研究步骤 4 1 3 2 5 研究结果 5 0 3 2 6 寸论 6 1 3 2 7 研究小结 7 0 4 研究总结 7 1 4 1 研究结论 7 1 4 2 研究启示 7 3 4 3 研究展望 7 4 附录 7 6 附录1 高中化学平衡内容认同度的调查问卷 7 6 附录2 高中化学平衡诊断性测试卷 7 9 附录33 1 0 名被试归类情况 8 3 参考文献 9 1 后记 9 6 v 华东师范大学硕士学位论文 基于测量模型的化学平衡知识的认知诊断研究 1 研究缘起 1 1 研究背景 1 1 1 学业评价的功能 从甄别为主转向诊断为主 学业评价是课程的重要组成部分 有关学业评价的研究历来是课程研究的热 点 近几十年来 学业评价领域正在经历巨大的变革 这种巨大的变革是教育评 价史上从未有过的 促进学习的评价 逐渐成为主流 l 也就是说 学业评价 的功能正在从甄别转向促进学生的发展 在此背景下 国家 基础教育课程改革 纲要 试行 指出 建立促进学生全面发展的评价体系 发挥评价的教育 功能 促进学生在原有水平上的发展 至此 促进学习的评价 从理念层面已 经上升到了政策层面 随之而来的一个问题是 如何将 促进学习的评价 从政 策层面落实到实践层面 弱化考试这一传统但又最普遍的评价方式的 排队 功 能 加强考试的诊断和指导功能 深入挖掘考试中反映的信息也就成为了问题的 关键 而测量理论的发展 或许为问题的解决提供了突破口 因为它为诊断性测 试卷的编制 诊断性数据的分析提供了新的方法论基础 是学业评价的功能 从甄别为主转向诊断为主的有力方法论保障 2 1 1 1 2 诊断性测验的编制 从经典测量理论转向项目反应理论 学生学业的认知诊断 类似于医院的医生给病人看病 当病人的病灶不易用 肉眼直接观察时 那么医生则会借助c t 等工具来查清病人的病灶 当然 对于 c t 等病情探测仪器 我们对它的要求是准确 稳定 类似的 当我们用诊断性 测验来探测学生的 病情 时 我们同样希望诊断性测验准确 稳定 也就是具 有较高的信度 效度 不随被试人群不同而变化 显然 以经典测量理论为指导 的传统测验不能达到上述目的 这是因为经典测量理论的理论基础严重依赖于被 试 项目的难度用学生的通过率表示 项目的区分度则以题目与总分的相关或高 低能力组的通过率之差表示 测验信度建立在平行测验基础之上 如何解决上述 问题 克服经典测量理论的先天不足 项目反应理论应运而生 项目反应理论正式创立于2 0 世纪5 0 年代初 逻辑斯谛 1 0 9 i s t i c 模型的提 出 打开了项目反应理论实际应用的大门 相对于经典测量理论 项目反应理论 不但可以计算项目的难度 区分度 也可计算学生的能力参数 这些参数具有恒 定性 即难度 区分度与被试的样本无关 被试的能力与试题无关 并且能力参 1 华东师范大学硕士学位论文基于测量模型的化学平衡知识的认知诊断研究 数与难度参数统一于同一量尺上 另外 需要特别指出的是 项目反应理论用信 息函数来代替经典测量理论中的信度概念 3 因为每个项目的信息函数可直接加 和 那么测量的标准误就变得直观 可控 从而解决了信度问题 增强了测验编 制的主动性 可控性 1 1 3 诊断结果的分析 从笼统的分数转向内在认知结构 通常 传统的诊断性测试结果只报告一个笼统的测试分数或能力分数 这样 的诊断报告 只能告知被试总体能力水平处于哪一层次 而在针对学生的补救性 教学上却无能为力 例如 a 学生得了8 0 分 b 学生也得了8 0 分 那么我们就 可知道a b 两位学生的总体水平是接近的 但是a b 两位学生的认知心理认 知结构 问题解决策略是极有可能不同的 仅仅一个笼统的测试分数报告往往掩 盖了这些差异 正因为如此 2 0 0 1 年 美国通过了 不让一个儿童掉队 的法 案 n oc h i l dl e rb e h i n d a c to f 2 0 0 1 简称n c l b 该法案规定 美国所有实 施的测验必须提供诊断信息给家长 4 新一代测量理论 认知诊断理论 整合了认知心理学 测量心理学 计算 机科学等理论 能够深入地分析 考察被试内部的认知结构 克服上述局限 从 目前的文献报道来看 已开发的认知模型已接近6 0 种 这些模型根据其理论基 础可分成4 类 潜在特质模型 l a t e n tt r a i tm o d e l s 非参数人工智能的方法 n o n p a r a m e t r i ca r t i f i c i a li n t e l l i g e n c eg r o u n d e da p p r o a c h 潜在分类模型 l a t e n t c l a s sm o d e l s 和证据中心设计 e v i d e n c e c e n t e r e dd e s i g n 相比较而言 潜在 分类模型中的规则空间模型 r u l es p a c em o d e l 简写r s m 是目前最成熟 也 是最有影响力的心理测量属性模型 提出者为美籍日裔龙岗博士 t a t s u o k a 该 模型已广泛应用于数学等理科领域 语言测试等文科领域的诊断性测试 5 1 目前 t a t s u o k a 研究团队成功的将r s m 运用于国际大型测试t i m s s r 数学考试的认 知诊断 6 7 1 1 2 相关研究综述 1 2 1 化学教学诊断的相关研究 在集体授课制下 由于教学对象的客观差异性 学生在掌握知识 技能 策 略等方面难免存在缺陷 这就需要通过诊断找出症结所在 因此 教学诊断是教 学系统中必不可少的一个环节 那么教学诊断的研究则是一个永恒的主题 通过检索 s c i e n c ee d u c a t i o n o o u r n a lo fr e s e a r c hi ns c i e n c et e a c h i n g 2 华东师范大学硕士学位论文基于测罱模型的化学平衡知识的认知诊断研究 j o u r n a lo f c h e m i c a le d u c a t i o n 等国际著名科学教育期刊 发现国外较早就重 视化学学习的认知诊断研究 早在1 9 2 4 年 p o w e r s 博士就出了一本书 书名为 ad i a g n o s t i c s t u d y o ft h es u b j e c tm a t t e ro fh i g hs c h o o lc h e m i s t r y 在 1 9 2 0 1 9 2 2 年期间 研究者以1 5 所明尼苏达州高中和2 8 所其它州的高中为被试 编制了8 份测试卷 测试卷内容包括化合物和混合物 溶解度 化学计算 化学 方程式的书写与配平等化学重点知识 对每个项目的正确率进行了统计和分析 引 m a l i n 1 9 2 8 对学生中化学学习的困难点进行了诊断分析 同时研究了补 救措施的效果 研究者以标准化的化学测试卷以及自编的测试卷为测试材料 在 期中 期末施测 获得了大量数据 在数据分析中 研究者主要关注如下几方面 内容 1 每道试题的正确率 3 每个班级在每个试题上的正确率 3 化学 式书写 化学式命名 化学方程式书写等内容的错误类型 研究表明 化学问题 解决中最大的困难是学生不能理解涉及的相关概念 书写化学式的主要难点在于 化合价的记忆 化学产物的识别 分子式的书写和方程式的配平影响了化学方程 式的书写 9 t a n 2 0 0 2 开发了二阶式诊断性测试卷来评价高中生对无机化学 定性分析 q u a l i t m i v ea n a l y s i s 的理解 该研究分为三个阶段 首先研究者构建 了o 水平无机化学性质分析的概念图 获得了四名中学化学教师的认同 接着 通过访谈的形式获取了当前学生在性质内容上所存在的误概念 在此基础上最后 开发出了定性分析的诊断性测试工具 q u a l i t a t i v ea n a l y s i sd i a g n o s t i c i n s t r u m e n t 研究对象为9 1 5 名1 0 年级高中生 当他们学习完性质的理论和实 验内容之后进行施测 测试结果表明 学生在理解化学反应上存在困难 例如阳 离子和阴离子的辨认等 这些诊断性测试结果对今后无机化学内容性质的教学具 有启示意义 1 们 k e n n e p o h l e t a l 2 0 1 0 报告了在线诊断性测试在一所开放性大 学普化课程中的应用 该大学并不要求学生预先学习入学水平 e n t r y l e v e l 的 课程 但在学习过程中却要求表现需要同样出色 为了增强教学的针对性 提高 课程的通过率 教师需要了解学生的背景 基本概念的理解 批判性思维 数学 技能 问题解决能力等学习普通化学课程所必须的知识和能力 该诊断性测试共 有4 5 个项目 包括9 个背景调查 1 8 个基本概念 7 个数学 4 个批判性思维 7 个问题解决 研究表明 此诊断性测试与学生的最后成绩具有强相关性 皮尔 森相关系数为0 7 4 9 因此 该诊断性测试的结果可以用来指导今后的教学 1 1 1 以中国期刊网全文数据库为主要查阅对象 采用 题名 查询方式 输入 诊 断 查询国内研究者在 化学教育 化学教学 中学化学教学参考 三大 华东师范大学硕士学位论文基于测量模型的化学平衡知识的认知诊断研究 中等化学教育类核心期刊所发表的有关化学教学诊断的论文以及中国优秀硕博 士学位论文全文数据库有关化学教学诊断的学位论文 从查询到的研究成果来 看 国内研究成果主要集中在理论探讨和实践研究两方面 1 理论探讨 王祖浩 1 9 9 2 探讨了教学诊断的涵义 特征 内容等问题 他认为教学诊 断在关注 共性 的同时 重视放大 个性 努力寻求知识的 反例 特例 和学生学习中的 错例 要把握教学重点诊断 集中 缺陷 诊断 动态提示 诊断等三方面的特征 从内容上来看 教学诊断可以分为诊断记忆缺陷 诊断理 解偏差 诊断定势干扰等三方面 另外 他还重点探讨了教学诊断的形式 教学 诊断测验的编制步骤及注意事项等 l2 1 王后雄 2 0 0 2 探讨了化学教学中诊断性测验的种类及应用 他认为诊断性 测验有五类 一是预测性诊断测验 在新学期 新学年开始之前进行 用以了解 学生是否具备新内容教学所需的知识和技能以及学生的个体差异 二是形成性诊 断测验 在教学过程中进行 帮助教师了解哪些教学目标达成 哪些尚未达成 三是适应性测验 了解教法 学法之间的适应程度 四是质量性诊断测验 测量 学生知识掌握的质量 五是障碍性诊断测验 用于测试学生的知识障碍 思维障 碍和心理障碍 1 3 另外 他 2 0 0 5 提出了化学解题失误诊断模式 结合具体 案例诠释了审题性失误 知识性失误 思维性失误 心理性失误等4 方面错刚1 4 丁伟 王祖浩 2 0 0 8 探讨了化学学习诊断的涵义 化学学习理解困难的成 因以及如何进行教学矫正 他们认为 化学学习的诊断就是教师通过提问 谈话 测验等多种形式发现 辨识学生对化学概念理解中存在的不科学认识 推测判断 学生的知识误区 洞察 把握学生的学习发展状况 从而更好地改进和调整教学 而化学概念的微观性 化学概念的发展性 化学概念的含糊定义则是化学学习理 解困难的成因 需要通过提问 谈话和测验等形式进行诊断 针对诊断的结果运 用 认知冲突 和 程序演练 进行矫正 1 5 j 2 实践研究 张丽芬 2 0 0 7 建设了一个化学习题智能诊断系统 该研究在借鉴前人关于 化学学科障碍诊断研究方法和结论基础上 建立了智能诊断模型 可借助少量试 题迅速对被试作出诊断 并进行补救 研究者以 微粒的性质 知识点为载体 开展智能诊断系统的应用研究 根据对照测验获取的数据 深入分析系统对学生 答题正确率的影响以及补救习题的补救效果 l6 1 4 华东师范大学硕士学位论文基于测量模型的化学平衡知识的认知诊断研究 何彩霞 2 0 0 7 运用访谈和诊断性测试的方法对学生有关 物质燃烧的条件 日常概念进行诊断 发现学生存在错误的日常概念 点燃 是物质燃烧的条件 之一 学生这一错误概念主要来源于日常经验和以前的学习 并提出了要采取引 起学生认知冲突 实验 解决实际问题等教学策略 17 1 张莹 2 0 0 9 运用二段式检测工具研究了化合物与混合物迷思概念 研究者 根据专家绘制的概念图和相关文献确定了化合物和混合物相关的7 个中心概念 设计了一份开放性调查问卷来收集学生中存在的迷思概念 根据访谈和开放式问 卷的调查结果 最终编制化合物与混合物二段式检测工具 研究表明 学生中主 要存在生活经验型 名词产生型 概念混淆型和宏微错位型等4 种类型的迷思概 念 18 1 1 2 2 化学平衡内容的相关研究 化学平衡内容是高中化学核心知识之一 在整个高中化学学习阶段占据着举 足轻重的地位 由于化学平衡内容抽象而繁杂 历来是国内外化学教育研究的热 点 从国内外研究的文献来看 化学平衡内容的研究主要集中在化学平衡概念 化学平衡习题与高考评价 化学平衡相关演示实验的改进等三方面内容 1 有关化学平衡概念的研究 从国外的研究成果来看 多集中化学平衡迷思概念的测查与转变 各代表性 研究成果如下 m a s k i l l e t a l 1 9 8 9 运用词语联想测试法研究了1 4 岁学生有关 化学平衡的前概念 研究发现7 6 的被试将平衡与 静态 不变化 相联系 认为平衡就是静止 不变的状态 1 9 b e r g q u i s t e t a l 1 9 9 0 研究发现 有些学 生认为化学平衡正 逆反应不是相互伴随的 而是独立单向的 他们用 钟摆 模型解释化学平衡 即正反应达到完全之后才朝着逆反应方向进行 正逆反应反 复交替1 2 0 1 q u i l e z p a r d o e t a l 1 9 9 5 研究学生和教师在解决化学平衡相关问题 时所使用的推理和策略 研究者编制了有关勒沙特列原理理解的测验 被试为 1 7 0 名化学系大一新生 并且让4 0 名教师解决其中一道测验题 研究者发现被 试不能准确理解该概念 死记硬背这些概念 导致不能将这些概念应用于新的情 境 2 1 1 r a v i o l o e t a l 2 0 0 1 通过实物模型或者n e t l o g o 等多媒体来描述微观世 界 并将宏观与微观联系起来 加强三重表征的教学以转化化学平衡的迷思概念 2 2 o 与此同时 国内研究者也紧追国际研究步伐 对化学平衡概念展开了相关研 究 台湾地区学者邱美虹 2 0 0 2 通过改变传统的教学模式 采用认知学徒的方 s 华东师范大学硕士学位论文基于测量模型的化学平衡知识的认知诊断研究 式帮助中学生学习化学平衡内容 通过实验组和控制组的对照实验发现 认知学 徒能够帮助学生建立正确的化学平衡思维 2 3 彭贤春 2 0 0 6 对高中生化学平 衡概念的形成展开了初步研究 研究者通过调查手段了解了学生有关化学平衡的 前概念 运用二阶段探测题诊断学生中存在的错误概念 通过教学实验发现 采 用揭示化学平衡前概念和错误概念的教学方式更能促进化学平衡概念的形成 2 4 邓莹 2 0 0 8 使用自行编制的问卷测量元认知能力与化学平衡概念的相关 性 发现元认知与化学平衡概念形成具有相关性 2 5 刘瑞东 2 0 0 5 对自我解 释策略在转变化学平衡迷思概念的作用展开了研究 研究发现 自我解释策略在 帮助转化化学平衡迷思概念上要优于传统的教学 对于学困生效果特别明显 2 q 付超群等 2 0 0 8 运用 玩牌游戏 这种类比的教学方式进行化学平衡概念的教 学 研究表明 类比活动收到了一定的效果 绝大部分被试放弃原有的错误理解 实现了概念转变 z 2 有关化学平衡习题和高考评价研究 有关化学平衡习题和高考评价研究是国内研究的一大特色 以中国期刊网全 文数据库为主要查阅对象 采用 题名 查询方式 输入 化学平衡 查询到 2 0 0 0 2 0 1 0 年间在 化学教育 化学教学 中学化学教学参考 三大中等 化学教育类核心期刊共发表6 2 篇论文 其中有关化学平衡习题和高考评价研究 占2 6 篇 所占比例达到4 1 9 在这些文献中 有的研究化学平衡高考相关内 容 如杨辉祥等 2 0 0 5 的 2 0 0 4 高考化学平衡考查面面观 2 8 1 柴勇 2 0 0 8 的 2 0 0 8 年高考化学平衡七大热点 等 2 9 有的研究化学平衡习题的解题技巧 如刘连亮 2 0 0 8 的 高考中化学平衡计算的十大技巧 3 0 有的研究化学平 衡习题的编制 如姚秋平等 2 0 0 8 的 对一道化学平衡原创题的评析 0 1 3 有关化学平衡内容演示实验的研究 化学平衡内容微观抽象 如在教学过程中配合直观的演示实验 则能达到事 半功倍的效果 因此 演示实验的研究也是化学平衡的一大领域 在这些研究中 有的对教材上的演示实验加以改进 如张建秋 2 0 0 1 的 压强对化学平衡影响 的实验改进 3 2 有的则创新实验克服教材上演示实验的缺陷 如李立志 2 0 0 9 的 自制灵敏温度计演示压强对化学平衡的影响 3 3 1 1 2 3 项目反应理论在测验编制领域的相关研究 经典真分数理论的局限性在于 1 难度 区分度 信度 效度等性能指标 严重依赖于被试样本 2 测验信度及相应的测量标准误含糊笼统 并不准确 6 华东师范大学硕士学位论文基于测量模型的化学平衡知识的认知诊断研究 3 项目难度和被试水平定义在彼此无关的两个量尺上 3 而项目反应理论 i t e m r e s p o n s et h e o r y 则是针对经典真分数理论的局限性而发展起来的 它从根本逻 辑上抛弃了经典真分数理论依赖于被试样本的做法 把能力分数 e 定义为被 试内部特质水平的实有值 和项目难度值统一于同一个量尺上 美国著名的心理 测量学家洛德 l o r dfm 通过对e t s 大量实测资料作了深入分析 提出了数 学上的逻辑斯谛 1 0 9 i s t i cf u n c t i o n 函数 即项目反应函数 来刻画被试答对概 率与能力水平及项目特性的关系 双参数模型函数表达式如下 p d d t o h i 秒 1 三e d a i 一 o b 其中只 口 是能力水平为臼的被试在项目i 上的答对概率 a b 分别为项目的区 分度 难度 d 为一个常数 取值为1 7 可以看出 被试在项目上的答对概率 g o 是被试能力水平跟项目难度的差值 即o b 的函数 与经典测量理论 相比 项目反应理论具有如下显著优点 1 被试参数和项目参数具有不变性 即被试参数不依赖于测试的项目 项目参数不依赖于被试样本 2 被试的能力 参数值和项目难度值统一在同一量尺上 具有直接可比性 3 测验的信息函数 使得测验的误差控制变得主动性 预控性 3 2 2 8 2 3 1 正因为项目反应理论的这些优 点 使得它已经被美国e t s 等大型考试机构所广泛采用 近年来 我国的研究 者在这方面也取得了一些成果 魏勇 2 0 0 4 在项目反应理论指导下 编制了一套小学三年级标准参照的数 学成就测验 该研究在编制测验前 首先制定了测验规范书和双向细目表 然后 编写0 1 记分的测试项目 形成预测试卷四套 接着运用a n o t e 软件进行参 数估计 采用非等组设计 铆测验 完成项目参数等值 最终选取5 2 个项目 组成正式测验 信息量达到3 1 1 5 估计标准误为o 1 2 符合项目反应理论的要 求 3 4 肖玮等 2 0 0 6 应用项目反应理论创建图形推理测验题库 该研究首先自编 了2 3 5 个图形推理测验题目 采用铆测验等组设计 对初中到大学各能力层次的 1 7 3 3 名男性进行了测验 接着运用b i l o gm g 3 0 软件进行参数估计 剔除数据 和模型拟合不好及最大信息量小于0 3 的试题 最终建立了一个可用于淘汰智力 较低的应征青年测验题库 35 孙菡 2 0 0 7 应用项目反应理论编制了应征公民数学推理测验项目 该研究 通过文献回顾 编制项目 形成预测试卷等步骤 应用b i l o gm g 3 0 软件估计 7 华东师范大学硕士学位论文 基于测量模型的化学平衡知识的认知诊断研究 项目参数 利用调整卡方方法进行模型一资料拟合度检验 采用铆题非等组设计 进行参数等值 最后形成了1 3 4 个数学推理能力测验项目 项目性能优划3 6 王发展 2 0 1 0 基于项目反应理论编制了数学问题图式的测试卷 该研究通 过阅读文献 开放式访谈确定了测试的考查范围及难易程度 编制出一套由3 0 个项目组成的测验卷 采用s p s s 和a n o t e 等软件 估算出各项目的性能参数 遴选出优秀的项目 组成一套测量精度比较高的测验卷 37 丁金芳 2 0 0 2 将项目反应理论引进到化学教育研究领域 建立了一个基于 w e b 的化学自适应测验系统 在该系统中 研究者基于项目反应的原理来建设题 库 并挑选难度适当 信息量取值最大的项目对被试施测 当测试达到预计标准 误的要求时 即预定的信息量要求 停止测试 然后根据项目反应理论参数估 计的要求 采用极大似然法估计出被试的能力 另外该研究采用a c c e s s 数据 库技术建立了信息强大的后台数据库 用h t m l 语言完成了用户使用的前台界 面 用v i s u a lb a s i c 语言编写了参数计算模块等c g i 应用程序 实现了用户通过 网络进行化学在线自适应测验的既定研究目标 3 引 1 2 4 规则空间模型的相关研究 规则空间模型是美籍日裔学者t a t s u o k a 提出的一种认知诊断模型 该模型集 认知心理学 项目反应理论和多元统计于一体 用于认知诊断的分类统计 能对 被试解决项目所需的属性掌握掌握情况进行判定 能判定出被试在作答项目时所 犯的错误类型 经过二十多年的发展和完善 规则空间模型已经成功用于一些大 型测验的成绩报告 如p s a t 测验等 规则空间模型的基本原理是 学生解题时 要使用一些知识和认知加工技能或策略 将这些知识 技能和策略定义为属性 而不同属性的组合产生不同的属性模式 即为学生的知识结构或知识状态 根据 考生对题目的反应模式 将传统的单一分数转化为考生对试题中所涉及的认知过 程与技能的掌握概率 就能了解被试哪些属性具有良好的结构 哪些属性需要补 救 从而进行有针对性的补救教学 3 9 1 从操作程序上来看 r s m 主要包含建立 q 矩阵 分类被试学生 计算属性掌握概率等三大步骤 如图1 1 所示 华东师范大学硕士学位论文基于测量模型的化学平衡知识的认知诊断研究 靛r 性 s 建立属性 项目关系的q 矩阵 4 一道 厂 理想反应模式实际反应模式 构造规则空间j l 一 卜 找出与被试最r 近的知识结构 上 计算被试的属性掌握概率 图1 1规则空间模型操作步骤 规则空间模型至今已有二十多年的历史 已经结出了丰硕的成果 从研究领 域来看 规则空间模型的研究主要集中于两方面 一是模型自身的理论研究 如 模型中的个人拟合指标 的理论研究 二是模型的诊断与评价功能的应用研究 由于模型的理论研究并不是本文的关注点 因此下面对模型的一些典型应用研究 进行总结 1 在数学等理科领域的研究 早在二十世纪八十年代初 t a t s u o k a 1 9 8 3 就利用规则空间模型研究了学 生在解题中的错误规则 该研究对象为1 7 2 名八年级学生 测试材料为4 0 个带 正 负号的减法题目 通过研究学生的作答反应 得到了3 0 种错误规则类型 4 0 b i r e n b a u m c t a l 1 9 9 3 a 利用空间规则模型对数学中的幂的运算情况进行 了诊断 该研究对象为4 3 1 名1 0 年级学生 测试材料由3 8 个项目构成 根据被 试的项目反应情况 研究者将被试归类到最有可能性的知识状态 提供了诸多的 诊断信息 被试个体的知识状态 被试群体的属性掌握水平 刻画了知识 状态之间转化关系的树状图 用来指导补救方案的设计 对未掌握的属性进行补 救 4 1 1 同年 b i r e n b a u m e t a l 1 9 9 3 b 应用空间规则模型对学生的数学学习情 况进行诊断分析 该研究对象为2 3 1 个8 年级和9 年级学生 测试材料由3 2 个 9 华东师范大学硕士学位论文基于测量模型的化学平衡知识的认知诊断研究 数学项目构成 根据学生的项目作答情况 该研究成功对被试进行归类 诊断出 被试个体和群体的知识状态情况 并刻画了知识状态之间转化关系的树状图 为 教学提供多种反馈信息 另外 研究者还研究了另外一种诊断模型 b u g g y a p p r o a c h 并与规则空间模型进行诊断效果对比 结果发现r s m 更有划4 2 1 最近几年 t a t s u o k a 研究团队成功的将r s m 运用于国际大型测试t i m s s r 数学考试的认知诊断 代表性成果如下 b i r e n b a u m e t a l 2 0 0 5 使用r s m 对美 国 新加坡 以色列等三个国家八年级学生在t i m s s 测试中的表现进行认