黃泰榮 王輝

摘要： 微粒觀強調(diào)從宏微結(jié)合的視角認識身邊物質(zhì)世界的思維方法，體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科的思維特征。根據(jù)學(xué)習(xí)進階理論，對微粒觀進行了層級劃分，基于Rasch模型開發(fā)和優(yōu)化了測評工具，并且實施了測試及數(shù)據(jù)分析。研究顯示測評工具具有較好的信度、效度。測試結(jié)果表明：高中三個年級學(xué)生的微粒觀水平均達到“建立宏微關(guān)系”層次，其中高一和高二學(xué)生的微粒觀水平并沒有顯著差異，而都與高三學(xué)生有顯著差異；男生的微粒觀水平高于女生。

關(guān)鍵詞： 化學(xué)微粒觀； Rasch模型； 測評工具

文章編號： 1005-6629（2022）11-0015-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

微粒觀是《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版）》中明確提出的化學(xué)學(xué)科觀念之一［1］。作為重要的化學(xué)基本觀念之一，微粒觀強調(diào)從宏微結(jié)合的視角認識物質(zhì)世界的思維方法，充分體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科的思維特征，是“宏觀辨識與微觀探析”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的具體表現(xiàn)形式。

近年來，中學(xué)生化學(xué)微粒觀的相關(guān)研究越來越引起人們的重視。已有研究凝練微粒觀的相關(guān)認識，明確微粒觀的認識對象和認識角度，整體分析中學(xué)階段學(xué)生的微粒觀發(fā)展歷程或基于微粒觀分析某一主題內(nèi)容的學(xué)習(xí)進階，測查中學(xué)生的微粒觀發(fā)展狀況，探查影響中學(xué)生微粒觀水平的因素，探討有效促進中學(xué)生微粒觀發(fā)展的教學(xué)策略［2～6］，這為微粒觀的教學(xué)與評價提供了一定的理論基礎(chǔ)和實證支持。但已有研究關(guān)于微粒觀的測評研究仍存在一些不足，具體表現(xiàn)為：主要以微粒觀的認識要點為測查內(nèi)容框架，缺少對微粒觀縱向發(fā)展水平的測查；主要以經(jīng)典測量理論為依據(jù)進行測量建構(gòu)，存在傳統(tǒng)經(jīng)典測量理論的“樣本依賴性”和“工具依賴性”等缺點。

基于上述微粒觀相關(guān)研究的現(xiàn)狀與不足，本研究根據(jù)Rasch模型和微粒觀的發(fā)展層級，開發(fā)微粒觀測評工具，探查高中學(xué)生的微粒觀水平現(xiàn)狀，以期為高中學(xué)生微粒觀的培養(yǎng)提供參考。

2 中學(xué)化學(xué)微粒觀的測評理論基礎(chǔ)

2.1 基于Rasch模型的測評框架構(gòu)建

項目反應(yīng)理論以概率函數(shù)的形式描述項目作答反應(yīng)結(jié)果是如何受到被試能力水平和項目特性聯(lián)合作用的影響的［7］，Rasch模型是最常用的函數(shù)形式之一［8］。相比于經(jīng)典測量理論，項目反應(yīng)理論可將被試的能力水平和項目難度放在統(tǒng)一的度量尺，且項目參數(shù)不受樣本影響，被試能力不受測驗影響。為了能設(shè)計出符合Rasch模型的測評工具，威爾森提出了“四基石”測量框架（見圖1）［9］。該框架有4個要素，包括結(jié)構(gòu)圖、項目設(shè)計、結(jié)果空間和測量模型。

本研究主要基于威爾森四基石框架，結(jié)合中學(xué)生化學(xué)微粒觀的發(fā)展層級模型，根據(jù)四個基本要素設(shè)計中學(xué)生化學(xué)微粒觀測評工具的開發(fā)程序。

2.2 中學(xué)生化學(xué)微粒觀的理論模型構(gòu)建

2.2.1 中學(xué)生化學(xué)微粒觀的內(nèi)涵構(gòu)成模型

中學(xué)生化學(xué)微粒觀是學(xué)生經(jīng)過化學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)，所獲得的對物質(zhì)微粒性的統(tǒng)攝性認識，具體表現(xiàn)為個體主動從宏微結(jié)合視角認識和解決化學(xué)問題的思維習(xí)慣或思維模式，即宏觀-微觀認識方式類型。從構(gòu)成要素看，微粒觀可由認識對象、認識角度、觀念性認識和觀念性表現(xiàn)四方面要素構(gòu)成（見圖2），其中觀念性認識是微粒觀內(nèi)涵實質(zhì)的關(guān)鍵要素，與認識對象、認識角度密切相關(guān)且匹配。所有的微粒觀認識實質(zhì)上是對某一認識對象的某一角度的認識［10］。例如“微粒間的相互作用方式?jīng)Q定宏觀物質(zhì)的性質(zhì)”是基于微粒相互作用和宏觀現(xiàn)象角度對物質(zhì)性質(zhì)的認識；“原子是化學(xué)變化中的最小粒子”則是基于微粒種類角度對物質(zhì)變化的認識。

2.2.2 中學(xué)生化學(xué)微粒觀的發(fā)展層級模型

對于不同的觀念性認識，其認識角度的數(shù)量和層級會有所不同。因此，可根據(jù)各觀念性認識的認識角度水平高低，劃分各觀念性認識的發(fā)展層級，進而構(gòu)建起微粒觀的進階框架。在充分分析各觀念性認識相應(yīng)的認識角度和認識方式類型的基礎(chǔ)上，參考化學(xué)觀念的學(xué)習(xí)進階［11］以及學(xué)生化學(xué)認識方式發(fā)展的內(nèi)在邏輯［12］，構(gòu)建了如圖3所示的中學(xué)生化學(xué)微粒觀發(fā)展層級模型。

（1） 感知微粒存在。此水平主要是形成觀念的基礎(chǔ)，基于經(jīng)驗感知物質(zhì)構(gòu)成微粒的客觀存在及其基本特性。相應(yīng)的觀念性認識主要涉及基于微粒本身（如微粒種類、微粒數(shù)量、微粒特性等角度）的微觀認識方式類型，例如物質(zhì)是由原子、離子、分子等不同層次微粒所構(gòu)成的；微粒是不斷運動的，微粒之間具有一定距離；原子是化學(xué)變化中的最小粒子；化學(xué)變化是微粒按照一定數(shù)目關(guān)系進行的等。

（2） 認識微觀特征。此水平主要是形成觀念意識和觀念雛形，從原子、分子等微粒視角定性分析常見物質(zhì)及其反應(yīng)的微觀特征。相應(yīng)的觀念性認識主要涉及基于微粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)和微粒間相互作用的微觀認識方式類型，例如微粒是可分的；不同層次的微粒本身是有結(jié)構(gòu)的；微粒之間存在不同類型的相互作用；微粒結(jié)構(gòu)是內(nèi)部微粒之間相互作用的結(jié)果；化學(xué)變化的本質(zhì)是某一層次微粒之間的相互作用等。

（3） 建立宏微關(guān)系。此水平主要是形成微粒觀念，基于宏觀與微觀、定性與定量視角對物質(zhì)及其變化的本質(zhì)特征進行綜合分析。相應(yīng)的觀念性認識主要涉及基于宏觀與微觀、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的系統(tǒng)認識方式類型，例如微粒的結(jié)構(gòu)決定微粒的性質(zhì)；微粒之間的相互作用方式?jīng)Q定宏觀物質(zhì)的性質(zhì)和現(xiàn)象；物質(zhì)的聚集狀態(tài)隨構(gòu)成物質(zhì)的微粒種類、微粒之間的相互作用方式、微粒聚集程度的不同而有所不同，物質(zhì)的聚集狀態(tài)會影響物質(zhì)的性質(zhì)；物質(zhì)的量是聯(lián)系宏觀計量和微觀計量的橋梁等。

（4） 應(yīng)用微粒觀念。此水平主要是踐行微粒觀念，指導(dǎo)化學(xué)學(xué)習(xí)和解決化學(xué)問題。在此水平下，學(xué)生能認識到微粒觀是重要的化學(xué)學(xué)科思維方式，能結(jié)合其他思維方式指導(dǎo)化學(xué)科學(xué)實踐。例如能運用微粒觀念分析生產(chǎn)、生活、科學(xué)研究中的簡單案例；能結(jié)合實驗或生產(chǎn)、生活中的實際數(shù)據(jù)，并應(yīng)用物質(zhì)的量計算物質(zhì)的組成和物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中的計量關(guān)系；能整合微粒觀和其他觀念，分析物質(zhì)及其變化規(guī)律等。

3 中學(xué)生化學(xué)微粒觀的測評工具開發(fā)

3.1 開發(fā)程序

本研究以中學(xué)生化學(xué)微粒觀的發(fā)展層級模型作為測試項目設(shè)計的理論依據(jù)。初步設(shè)計好各測試項目后，請兩位化學(xué)課程教學(xué)論專家進行審核，并請五位化學(xué)教育碩士研究生進行試做，根據(jù)其對試題的反饋進行修改后才開展第一輪試測。第一輪試測后，基于Rasch模型檢驗工具質(zhì)量并進行調(diào)整，包括剔除質(zhì)量明顯不好的項目、增強表述的精確性、增強選項的迷惑性、調(diào)整測試項目的難度結(jié)構(gòu)等。相比于第一輪試測，第二輪試測所得的工具各項指標有所改進，正式測試與二輪試測的工具相同。

3.2 項目設(shè)計

根據(jù)中學(xué)生化學(xué)微粒觀的發(fā)展層級模型，最初設(shè)計了包括選擇題和填空題在內(nèi)的不同難度題目共25道。結(jié)合兩輪試測的數(shù)據(jù)表現(xiàn)，對項目進行增刪、修改和調(diào)整，最終形成“中學(xué)生化學(xué)微粒觀測試卷”，其中包括8道單項選擇題（FT1～FT8）、13道填空題（FT9～FT21），共計21道題，24個評分項目。具體構(gòu)成與評分項目所屬水平對應(yīng)情況見表1。

4 中學(xué)生化學(xué)微粒觀的發(fā)展狀況測查

4.1 樣本組成

兩輪試測及正式測試的樣本構(gòu)成如表2。正式測試的時間為2021年12月下旬，以廣東省某所國家級示范性普通高中作為樣本來源學(xué)校，采取分層抽樣和隨機抽樣相結(jié)合的形式，分別在高一、高二、高三年級隨機抽取兩個不同層次的班級，共計6個班的學(xué)生。測試時，高一年級學(xué)生樣本已完成必修第一冊內(nèi)容的學(xué)習(xí)，高二年級學(xué)生樣本已完成必修課程和選擇性必修1個模塊的學(xué)習(xí)，高三年級已完成高中化學(xué)課程的學(xué)習(xí)。最終實發(fā)試題277份，回收有效試題253份。

4.2 數(shù)據(jù)處理

運用Winsteps3.92.1檢驗測評工具是否符合Rasch模型預(yù)期，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SPSS 22.0軟件進行統(tǒng)計分析。

4.3 工具質(zhì)量檢驗

4.3.1 總體質(zhì)量分析

由表3可知，被試能力平均分估計為1.15，高于測評項目平均分，整份試卷的難度估計誤差僅為0.19，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），說明數(shù)據(jù)與模型具有較好的一致性。項目的分離度為6.98，達到超過2的要求；被試的分離度較低，為1.28。被試和項目的信度值都在許可范圍內(nèi)（0.5～1），但較項目信度而言，被試的信度值稍低。結(jié)合被試分離度，說明被試的能力分布還不夠廣。但總體上看，測評工具體現(xiàn)出較好的性能。

4.3.2 單維性檢驗

標準殘差對比圖表明，大部分的項目處于［-0.4，0.4］的區(qū)間范圍之內(nèi)，只有A（PT2）項目略超出了-0.4～+0.4的范圍，可認為測評工具各項目具有單維性，僅測試中學(xué)生化學(xué)微粒觀水平這一種結(jié)構(gòu)，符合Rasch模型的基本假設(shè)。

4.3.3 項目-被試對應(yīng)

Rasch測量模型通過將項目難度和被試能力的分數(shù)轉(zhuǎn)化為logit分，實現(xiàn)了兩者的標準統(tǒng)一，其結(jié)果通過項目-被試圖來反映。結(jié)果表明，測評工具數(shù)據(jù)分布較廣，具有明顯的難度水平；學(xué)生能力分布較為理想，近似于正態(tài)分布。

4.3.4 項目擬合程度

在具體的項目擬合度上，除項目FT10-1的難度標準誤差為0.59外，其余項目的標準誤差數(shù)據(jù)均在0.4以內(nèi)；外部和內(nèi)部擬合指數(shù)的MNSQ均在誤差允許范圍；外部和內(nèi)部擬合指數(shù)的ZSTD除少數(shù)值超出理想范圍外（PT1、 PT12、 PT19、 PT21），其他值均表現(xiàn)良好。

綜上分析，根據(jù)中學(xué)生化學(xué)微粒觀發(fā)展層級模型編制的測評工具在各信效度指標上表現(xiàn)較好，符合Rasch模型要求，測得的結(jié)果可用于進一步的分析。

4.4 研究結(jié)果

4.4.1 微粒觀水平的評價標準

Rasch模型通過將原始分轉(zhuǎn)換為logit分，從而將被試能力、項目難度放在同一把量尺上進行比較。將中學(xué)化學(xué)微粒觀測試卷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4所示，以此平均值作為判斷學(xué)生微粒觀發(fā)展水平的依據(jù)。當(dāng)學(xué)生的logit分值達到某一微粒觀水平的項目難度平均值時，則認為學(xué)生達到了該微粒觀水平。

4.4.2 微粒觀水平的整體統(tǒng)計

為進一步了解被試在各個觀念水平上的分布情況，對各觀念水平階段人數(shù)進行統(tǒng)計，如圖4所示。結(jié)果表明，處于水平3的學(xué)生人數(shù)最多（138， 54.5%）；處于水平2和水平4的被試人數(shù)相近，分別占20.2%和24.5%；個別被試的觀念水平估計值處于水平1及以下（2， 0.8%）。

從具體的答題情況來看，多數(shù)學(xué)生能夠準確說明常見物質(zhì)的構(gòu)成微粒，能夠解釋原子、分子的結(jié)構(gòu)特征，能夠從原子、離子、電子等不同層次的微粒視角，基于微粒種類-微粒間的相互作用-微粒數(shù)量-宏觀現(xiàn)象分析化學(xué)變化的本質(zhì)和規(guī)律；但學(xué)生在生產(chǎn)、生活、科學(xué)研究的實際問題解決方面得分均值普遍偏低，例如消毒劑的有效氯問題（FT7）、植物營養(yǎng)液的配制（FT19）、電解法制備鋁的電子轉(zhuǎn)移問題（FT20）、鐵鹽混凝劑吸附效果的解釋（FT21）等。由此可見，被試學(xué)生大多能結(jié)合宏微視角綜合分析物質(zhì)及其變化的本質(zhì)特征，但缺乏運用微粒觀解決實際問題的能力。

4.4.3 微粒觀水平的年級差異

根據(jù)3個年級微粒觀測試的描述性統(tǒng)計結(jié)果，被試樣本中3個年級的logit平均值分別為0.87、 0.89、 1.57。為了比較3個年級微粒觀水平差異的顯著性，對3個年級的logit均值進行方差分析，結(jié)果表明高一、高二并沒有顯著性差別，而高一與高三、高二與高三具有顯著性差別。3個年級在不同觀念水平上的人數(shù)及比例如表5所示：高一、高三中只有極個別學(xué)生低于或處于水平1；處于水平2的學(xué)生也分別只占本年級總?cè)藬?shù)的23.7%、 26.3%、 12.4%；各年級處于水平4的學(xué)生人數(shù)比例有較大差異，其中高三有近半數(shù)學(xué)生（42.3%）達到了水平4，而高一和高二達到水平4的學(xué)生人數(shù)比例偏低，占比分別為9.2%和17.5%。

從測試結(jié)果看，高一至高三學(xué)生的微粒觀發(fā)展水平變化并非線性遞增：高一學(xué)生多數(shù)處于水平3；高二學(xué)生出現(xiàn)了一定程度的分化，部分學(xué)生通過學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)規(guī)律、官能團與有機物性質(zhì)關(guān)系等內(nèi)容，提升了運用宏微結(jié)合思維解決實際問題的能力，由水平3向水平4發(fā)展，但個別學(xué)生可能由于微粒性知識遺忘的原因?qū)е挛⒘Ｓ^的穩(wěn)定性受到影響而處在水平2，例如在“汞的構(gòu)成粒子”的考察項目（FT9）上，高一學(xué)生的測試結(jié)果明顯優(yōu)于高二學(xué)生，此現(xiàn)象可以解釋為“金屬汞由汞原子構(gòu)成”屬于初中知識范疇，相對高一學(xué)生而言，高二學(xué)生因長久不接觸而遺忘該知識點；對于高三年級，近半數(shù)學(xué)生已實現(xiàn)由水平3向水平4的發(fā)展。從不同年級的教學(xué)方式看，高一和高二是新授課階段，往往側(cè)重于新知識和核心概念的建構(gòu)，這可能導(dǎo)致學(xué)生雖然實現(xiàn)微粒性知識的積累，但其微觀思維并未能得到穩(wěn)定的發(fā)展；而高三是復(fù)習(xí)階段，學(xué)生往往通過單元復(fù)習(xí)、繪制概念圖等提升自身化學(xué)核心概念的結(jié)構(gòu)化水平，從而在化學(xué)知識的結(jié)構(gòu)化建構(gòu)中實現(xiàn)自身微粒觀的顯著發(fā)展。綜上分析可知，微粒觀的發(fā)展和微粒性知識的積累并不是線性相關(guān)的，微粒觀水平的提高不僅來自微粒性知識的積累，更重要的是基于宏微結(jié)合思維的知識結(jié)構(gòu)化建構(gòu)，這也與黃瓊［13］、朱立娜［14］等關(guān)于知識水平對微粒觀發(fā)展影響的研究結(jié)果一致。

4.4.4 微粒觀水平的性別差異

表6顯示的是不同性別學(xué)生的微粒觀水平的描述性統(tǒng)計結(jié)果。結(jié)果表明，男生的全距大于女生，男生的均值明顯高于女生。

通過方差分析（ANOV）進一步比較學(xué)生微粒觀性別差異的顯著性。表7的檢驗結(jié)果表明，男、女2組的方差齊性，測驗的Sig.為0.000，小于顯著性水平0.05，即男、女生之間具有顯著性差異，男生的表現(xiàn)優(yōu)于女生。作為一種化學(xué)認識方式，微粒觀強調(diào)從宏微結(jié)合的視角認識物質(zhì)及其變化本質(zhì)特征的思維模式。而在化學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)中，相比于女生，男生喜歡獨立思考，思維比較發(fā)散，并且能深入到事物的本質(zhì)［15，16］。由此可以認為，男生在認識物質(zhì)及其變化的微觀本質(zhì)特征上可能具有一定的思維優(yōu)勢，從而有利于自身微粒觀的發(fā)展。

5 研究結(jié)論與啟示

5.1 研究結(jié)論

測試結(jié)果表明，高中三個年級學(xué)生的微粒觀水平均達到“建立宏微關(guān)系”層次；高一和高二的微粒觀水平分布有一定差異，但不顯著，高一、高二都分別與高三學(xué)生有顯著性差異；男生的微粒觀水平顯著高于女生。

5.2 研究啟示

（1） 學(xué)科知識是學(xué)科觀念的必要基礎(chǔ)，重視對學(xué)生觀念培養(yǎng)的同時也不能忽略知識的重要性。上述測試結(jié)果表明，微粒性知識的遺忘對學(xué)生微粒觀發(fā)展有較大的影響。因此，在對學(xué)生的微粒觀進行培養(yǎng)時，最基本的是要先對微粒性知識進行教學(xué)。學(xué)生不僅僅是對知識點的記憶和學(xué)習(xí)，更多的是需要基于微粒觀對相關(guān)知識進行結(jié)構(gòu)化建構(gòu)。

（2） 從微粒觀的學(xué)習(xí)進階可以看出，微粒觀的形成是一個連貫性、整體性的遞進過程。因此，在實際教學(xué)中，教師需依據(jù)微粒觀的內(nèi)涵及其發(fā)展層級，梳理不同主題知識的微粒觀發(fā)展歷程，對單元教學(xué)內(nèi)容進行整體設(shè)計。比如，縱觀初高中微粒觀發(fā)展歷程，初中基本處于“感知微粒存在”階段，此時只要求學(xué)生知道構(gòu)成物質(zhì)的微粒及其基本特征，初步認識原子結(jié)構(gòu)，并基于化學(xué)方程式初步建立宏微關(guān)系即可。到了高中必修1化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)特征分析時，出現(xiàn)了“認識微觀特征”的學(xué)習(xí)進階。因此，本模塊教學(xué)要以學(xué)生初中學(xué)過的熟悉的化學(xué)反應(yīng)為載體，引導(dǎo)學(xué)生從離子、電子等視角認識化學(xué)反應(yīng)的微觀本質(zhì)，建立離子反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)的概念，并通過操作實驗加深理解。

（3） 測試結(jié)果表明，學(xué)生普遍缺乏運用微粒觀解決實際問題的能力。真實的問題情境是學(xué)生學(xué)科觀念形成和發(fā)展的重要載體，為學(xué)生學(xué)科觀念提供了真實的表現(xiàn)機會。因此，教師在教學(xué)中應(yīng)充分利用STSE問題、化學(xué)史實等富有教學(xué)價值的情境素材，創(chuàng)設(shè)真實的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生運用宏微結(jié)合的思維方式解決實際問題，從而促進學(xué)生微粒觀的形成和發(fā)展。例如在進行“水溶液的離子反應(yīng)與平衡”的教學(xué)時，教師可以利用鋁鹽和鐵鹽的凈水作用、可溶性鋇鹽的工業(yè)生產(chǎn)等實際案例，通過對電離平衡、水解平衡、沉淀溶解平衡等存在的證明及平衡移動的分析，促進學(xué)生微粒觀的形成與發(fā)展。

特別指出的是，本研究亦存在一定的局限性。一方面，本研究的測試樣本僅來源于某一國家級示范學(xué)校，缺乏其他層次學(xué)校的樣本，后續(xù)研究需選取更具代表性的樣本，以便獲得更可靠的結(jié)論。另一方面，根據(jù)測試結(jié)果，高中3個年級學(xué)生微粒觀的差異主要表現(xiàn)在水平3上，這說明在該水平上還存在著不同的亞層，應(yīng)設(shè)計更多的項目進行細致考察，以建立起更為精確的微粒觀進階框架。

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