应用Rasch模型构建基于计算机建模的中学生物质结构认知测量的研究

摘要

科学素养是当今国际科学教育共同追求的目标。科学素养的核心与关键在于理解科学。近40年的科学教育研究显示,幼儿到大学毕业生普遍持有大量的错误科学概念,其中相当一部分错误概念十分顽固、旷日持久,它们严重制约着学生对科学知识的充分理解与把握,造成大量学习困难、障碍。化学教育中,学生化学学习的一个瓶颈是难以在不同水平化学表征(即宏观、微观和符号表征)之间建立联系和灵活转换,从而催生大量的错误概念,造成学习障碍。学生实现多水平化学表征之间的灵活转换,需要充分理解化学模型和建模。为帮助学生顺利突破这一瓶颈,近年来,计算机模型广泛运用于科学教学中,它们强化宏观现象、微观运动与符号之间的相互联系,有效促进学生模型建构以及建立化学表征与转换,增强学生的概念理解、推理思维、科学探究技能以及问题解决能力。
　　 计算机模型作为学习工具运用于科学教学与学习中,促进学生对科学概念、科学模型的理解,这已成为当今科学教育中的一个重要趋势。既然学生逐渐广泛运用计算机模型发展自己对科学的理解,那么建立基于计算机模型的学生科学理解的测量与评价自然就显得十分必要和重要,然而这方面研究目前仍十分滞后。本论文研究创造性地将Rasch模型、计算机建模、物质结构概念理解、测量与评价4种元素有机整合,以Rasch模型以及测量建构“四基石”方法为指导,以物质结构为切入点,以计算机建模为主要学习工具和评价内容,以测量工具的开发、检验和运用为主线,从理论和实证研究相结合的层面上,深入、微观探索了计算机建模环境下中学生物质结构理解测量与评价的建构。
　　 理论研究部分,主要对与本研究密切相关的概念、理论进行综合分析与讨论,包括化学多水平表征、科学模型、计算机模型、学习进程、物质概念理解、物质结构理解、Rasch模型、测量建构“四基石”方法等。这些方面为本论文研究提供了重要的理论基础和方法论指导。在此基础上进一步建构了中学生物质结构学习进程,作为理论框架指导测量工具的开发与修订、数据的分析与解释。
　　 实证研究部分,包括三个方面研究:3个测量工具(即化学反应、溶液、酸和碱)的开发与质量检验、测量工具之间的等值化研究、学生物质结构理解的初步研究。研究对象包括中国初三、高一以及美国10&11年级约1600名学生。每个测量工具均经过两轮试测,第一轮测试结果通过Rasch模型的建模与分析,在此基础上对测量工具进行修订,并运用于第二轮测试中；第二轮测试数据再次运用Rasch模型进行分析和质量检验。同时,运用“锚一测试”设计,对3个测量工具进行等值化研究,形成原始分→0-100Rasch刻度分的分数转换表,并提出物质结构学习进程的各水平难度。基于中国初三、高一学生在化学反应、溶液、酸和碱3份测试中的测试结果,我们进一步研究中国两个年级学生基于计算机模型的物质结构理解的特征、规律与发展趋势,在定量和定性分析基础上提出了计算机建模环境下中学生物质结构学习及发展的“生态化”模型。
　　 研究发现,所开发的计算机建模环境下中学生物质结构概念理解的测量工具具有良好的信度、效度；“锚-测试”等值化设计合理、有效,充分将计算机建模环境下中学生物质结构概念理解的不同测量相互建立联系,从而更好地描述学生的学习与进步；所建构的计算机建模环境下中学生物质结构学习进程及其认知水平与序列模型充分反映了学生学习与发展的特征；高一年级学生计算机建模环境下物质结构的理解明显高于初三,高一约处于物质结构学习进程水平3,初三约处于水平2；学生的理解随着年级增长呈现出一定的规律性；学生对物质结构的理解包含物质结构模型的理解以及物质结构知识的运用,是以物质结构为中心、4种成分(物质组成与结构、物理性质与变化、化学性质与变化、守恒)相互联系、相互作用的“生态”发展过程。
　　 本研究的突出贡献在于,建构了基于Rasch模型的计算机建模环境下学生科学概念理解的测量与评价的范式,建构中学生物质结构的学习进程,开发并实证了3份计算机建模环境下中学生物质结构理解的测量工具,探索了测量工具之间的等值化方法,初步揭示了初三、高一学生计算机建模环境下中学生物质结构理解的特征与规律,具有重要的方法论、理论与实践意义。在本论文的最后,我们进一步讨论了研究的启示、局限以及未来的研究方向。

目录

文摘

英文文摘

博士学位论文答辩委员会成员名单

第一部分 研究概述

1.1 研究背景

1.1.1 科学素养:国际科学教育的永恒目标

1.1.2 理解科学:培养科学素养的核心要素

1.1.3 错误观念:制约科学概念的真正理解

1.1.4 表征障碍:孵化大量的化学错误概念

1.1.5 科学模型与建模:化学表征的催化剂

1.1.6 计算机建模促进多重化学表征及转换

1.2 问题提出

1.2.1 基于计算机建模的化学认知亟待研究

1.2.2 本文研究的切入点及主要研究的问题

1.3 研究目的

1.4 研究方法

1.5 研究意义

1.6 研究结构

第二部分 理论研究

2.1 化学教育中的多水平表征

2.1.1 表征与化学表征

2.1.2 化学多水平表征思想的发展脉络

2.1.3 化学多水平表征研究的若干课题

2.1.4 小结

2.2 科学教育中的模型与建模

2.2.1 科学模型与科学建模

2.2.3 学生的科学模型理解

2.2.4 科学模型的学习进程

2.2.5 小结

2.3 科学教育中的计算机模型

2.3.1 计算机模型与模型建构的工具

2.3.2 计算机模型与化学多水平表征

2.3.3 计算机模型与概念理解及转变

2.3.4 计算机模型与建模学习的发展

2.3.4 小结

2.4 学习进程理论与实践研究

2.4.1 什么是学习进程

2.4.2 学习进程的发展

2.4.3 学习进程的意义

2.4.4 学习进程的测量

2.4.5 小结

2.5 物质结构的认知及其发展

2.5.1 物质概念理解及其发展

2.5.2 物质结构认知及其发展

2.5.3 课程标准中的物质结构

2.5.4 小结

2.6 物质结构学习进程的构建

2.7 RASCH测量的原理及建构

2.7.1 Rasch模型的概念与基本原理

2.7.2 基于Rasch模型的测量之建构

第三部分 实证研究

3 研究一:测量工具的开发与质量检验

3.1 总体思路

3.2 测量工具1:化学反应

3.3 测量工具2:溶液

3.4 测量工具3:酸和碱

3.5 讨论

3.6 小结

4 研究二:测量工具之间的等值化研究

4.1 研究目的

4.2 原理与方法

4.3 数据与分析

4.4 讨论

4.5 小结

5 研究三:学生物质结构理解初步研究

5.1 研究目的

5.2 研究方法

5.3 研究结果

5.4 讨论

5.5 小结

第四部分 研究总结

6.1 研究结论

6.2 研究启示

6.3 研究局限

6.4 研究展望

附录

附录1 “物质的理解:化学反应”测试卷(中文)

附录2 “物质的理解:化学反应”测试卷(英文)

附录3 “物质的理解:溶液”测试卷(中文)

附录4 “物质的理解:溶液”测试卷(英文)

附录5 “物质的理解:酸和碱”测试卷(中文)

附录6 “物质的理解:酸和碱”测试卷(英文)

参考文献

致谢