科学教育学习进步发展模式研究述评--以ChemQuery评价体系为例_结构图论文

科学教育中学习进阶的开发模式研究述评——以ChemQuery评价系统为例，本文主要内容关键词为：进阶论文,述评论文,为例论文,评价论文,模式论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

      学习进阶的研究已成为近十几年来国际科学教育领域产生的一个新的研究方向和研究热点。学习进阶的开发是一个循环迭代的过程，需要经历不断的理论假设和实证检验。[1]在这两部分的交互过程中，不断修正学习进阶。目前国际科学教育研究领域已积累了一些代表性的范例和典型模式，如伯克利评价研究系统（Berkeley Evaluation and Assessment Research，BEAR）、结构中心设计法（The Construct-Centered Design，CCD）和ChemQuery评价系统等。[2]但国内就学习进阶开发模式的实践运用尚未达成统一和共识。例如有学者从课程与教学视角出发，通过课标比较及相关研究证据的梳理，采用全景图法调查学科核心概念并建立学习进阶，这种研究范式带有较强的分析和理性成分。[3]也有研究将评估三角形作为学习进阶研究范式中的概念框架，认为通过执行与评估三角形三要素即认知、解释、观察一一对应的假设提出、检验、修正的研究过程，实现其对学生学习的有效评估，但仍需大量实证研究的支持。[4]通过大量的文献分析发现，大多数研究均基于已有文献研究和概念内容的逻辑分析构建学习进阶，在实践操作层面较成熟的实证研究案例甚少。因此梳理学习进阶的实践开发模式是非常有必要的，对于推动我国科学教育领域核心概念研究将起到实质性的促进作用。本研究重点介绍基于ChemQuery评价系统的学习进阶开发模式。

      一、ChemQuery评价系统的结构

      ChemQuery最早是由美国加州大学伯克利分校的詹弗·克莉根斯（Claesgens Jennifer）团队开发的一种评价系统，它以化学学科中的核心概念，即化学家观念（Perspectives of Chemists）为框架，运用项目反应理论（IRT）进行标准参照分析，以描述和测量学生化学核心概念理解的发展进阶。它是最具有化学学科特色的学习进阶开发模式。ChemQuery评价系统的发展运用定性和定量的方法，建立在丰富的实证基础之上，以探查学生在化学概念理解时的思维路径和思维类型，并且运用Rasch模型从统计学上进行描述和测量。ChemQuery评价系统意在把学习的理论和相关研究整合到一个解释模型中，以描述和刻画学生经过化学课程学习后所发展的概念理解路径。

      （一）学生理解的假设路径

      基于建构主义的观点，学生对化学的学习开始于他们在日常生活中的经验，而新的学科领域知识，则通过教学引入学生的理解中。学生先是通过概念与概念之间单一的联结，逐渐进行更加复杂的理解，再通过多维联结发展对复杂概念的深层次理解。[5]学生在建立其理解时，他们正在开始把信息建立起联系。一些联结是正确的，一些联结仅仅是部分正确，还有一部分作为迷思概念存在。这些联结包括回忆事实、算法，以及宏观经验和物质微粒模型之间的转换。学生发展深层次的理解需要运用灵活的知识进行大量的联结，并且进行推理、转换和问题解决，运用物质的微粒模型解释宏观经验。ChemQuery评价系统的早期研究提出这样一种假设：理解应建立在学生对真实世界的经验基础上，通过课程教学，学生对记忆的事实、公式、潜在的迷思概念建立起成对联结，当学生建立起大量整合的联结时，便达到了深层次的概念理解。与此同时，还需要把这些联结整合进化学课程所提出的科学规范的概念理解中。[6]由此架设起学习理论与课程教学之间联系的桥梁，而化学家观念框架便是这一假设的具体化和理论模型。在实证分析的基础上，将学生的先前经验、逻辑推理和学科知识进行整合，并联结到有序的认识层级中，以解释学生的化学概念理解。

      （二）结构图的建立

      结构图是构建学习进阶的核心，也是ChemQuery评价系统的重要理论基础。因为结构图是学习进阶的理论假设，只有结构图经过测评达到心理测量学指标，才能称之为学习进阶。[7]结构图的建立通常选择学科中的大概念或者科学实践。大概念是指一种强有力的解释模型，是能够用于解释和预测较大范围自然界现象的概念。[8]构建大概念的目的是组织统整学科中首要的、可以包罗万象的概念，同时构建测量学生个体概念理解的工具。建立ChemQuery的进阶变量是构建结构图的重要阶段，需要对迷思概念和学习理论进行研究，这将有助于描述学生是如何建立对化学概念的理解。最终的结构图是化学中诸多学习研究成果的整合，如测量领域中的SOLO分类理论、迷思概念研究和实证数据分析等。结构图中的这种理解类型是累积性的，描述了化学内容的层级，通过定义观念框架中的变量，可以测量学习的结果，并且建构测量学生个体概念理解的工具。这一测量工具运用IRT心理测量模型进行校准，同时进行信度和效度分析。最后这一多维结构图能够描述学生个体的表现，揭示一段时间后，学生在化学领域的学习图景。结构图的建立最具显著性意义就在于其具有迭代的特点。这个过程在可检验的学生理解的假设间不断迭代和修正。因此，了解基于化学家观念的结构图框架的发展是非常有益的。

      （三）化学家观念框架的发展

      化学家观念框架是ChemQuery评价系统开发模式的核心要素。自从最初提出化学家观念框架以来，经历了多次大的修正。最初这一结构框架的发展源于为美国伯克利大学建立的LBC（Living by Chemistry）高中化学项目提供课程设计和评价系统。[9]LBC团队最初建立三个指导性的化学原理（principles），用来组织化学课程内容的设计，如表1所示。这些原理包括物质的微粒观点、质量和能量守恒以及反应活性。它们被认为是化学原理中的大概念（big ideas），或者是化学家理解这一领域的主要科学模型，具体内容如表1所示。[10]

      

      为了促进测量工具的开发，需要对化学原理中的三个大概念（也称之为测量的变量）进行更加详细的界定，使之能用于测评。因此，有必要将上述提出的组织化学内容的化学原理设计成结构图，这个结构图将每一个大概念形象地描绘成一个逐渐精致化的概念序列，从而描述学生化学概念理解的发展。由此可以看出，ChemQuery评价系统研究最初的目标就是尽力揭示学生获取化学知识过程中的学习路径。这也是后来学习进阶的雏形。

      二、ChemQuery评价系统的修正

      通过找出学生如何从经验中学习，我们可以较为详尽地描述他们在向目标进展时思维的改变。[11]这便是学生概念理解的学习进阶研究，它是对一段时期内，学生学习或者探究某主题时，其思维方式（way of thinking）的连续且不断精致化发展的描述（NRC，2006）。[12]这个过程是理论假设与实证检验不断交互的过程。ChemQuery评价系统的修正过程就是学习进阶的开发过程，也是理论与实践不断对话的过程。

      （一）基于原子观点

      第一次结构图的修正，假设学生的理解与物质微粒理论的历史发展是一致的。因为有关学生理解的研究发现，学生描述物质时往往基于直接感知的线索，并且他们认为物质是连续的，而不是基于物质的微粒视角，就像早期的化学家一样。因此，在最初的研究中发现，学生知道世界是由物质构成的，随着学习的不断进展，他们开始理解原子微粒。他们理解这些微粒有质子、中子和电子，最后他们理解原子如何结合在一起形成化学键。这是ChemQuery评价系统的第一次迭代过程，对最初的框架（表1）进行了修正，具体内容见表2。[13]

      

      最初的测量工具开发设计了10个项目，并在美国当地一所高中进行试测，对收集的数据信息进行分析，接着对项目和结构图进行详细审查，考虑是否需要进行调整，以便更好地得到实证数据的支持。然而，从这次收集到的数据来看，学生理解的真实发展与提出的结构图所描述的进阶水平差异较大。假设的进阶变量不能有效地测出这样一部分学生的想法，即这部分学生能够运用简单的规则或者模糊的术语表述自己的理解，但他们不能有效地应用这些知识。此外，也没有考虑到一些基于不正确的原子观点去尝试运用化学知识的那部分学生。例如，从这次研究及后续研究中发现，许多学生运用原子、质子和电子这些术语，但他们不理解这些术语的涵义。表2中的水平划分没有体现出以上这部分实证数据揭示的信息，因此，需要修正最初建立的结构图，即学生基于原子观点理解化学概念的模型。

      通过第一次ChemQuery修正的结果可以看出，研究者最初对结构图的设计是从认识事物本质的角度出发，由宏观到微观、由具体到抽象，体现出模型的思想。但此时更多地基于原子观点关注化学领域的核心知识和核心概念，缺乏认知维度的考量。

      （二）从化学原理到化学家观念

      在学习进阶的第二次迭代过程中，将化学家的原理转换成化学家观念（perspectives of chemist），此次聚焦于学生如何运用包括微粒观点在内的化学知识进行思维和推理。这次“新”的结构图强调了“思维习惯”和与科学探究有关的过程技能，如观察、推理、建模和解释等。在这次迭代过程中，学生理解化学的最高水平是对物质性质的“解释”。在水平1，学生能够描述或观察他们周围的世界。水平2的学生能够运用规范的化学术语表征世界。随着进阶的发展，最终学生将能够解释物质的性质。如表3所示。[14]

      

      这一次的实证数据分析表明，学生的理解还是没有出现在上表中假设的进阶情况，在这一次的结构图中，没有考虑到那些缺乏正确学科知识但却具有较好推理能力的学生，然而这一部分学生在实证数据中却大量存在。研究发现，学生在每一个水平都有解释，但是影响他们解释的恰恰就是他们理解化学的水平。梅兹（Metz，1995）的研究认为，初学者所表现出来的对化学有限的理解归因于学科知识的缺乏，而不是他们一般推理能力的限制。[15]然而问题在于，并非初学者不能推理，而恰恰是他们不能像化学家那样推理，或用化学家的学科知识进行推理。这一点在化学学科中特别明显，学生几乎不能从自己的经验中建立微粒模型的观点，而更多地依赖于教学。因此结构图仍然需要再一次修正。

      通过第二次ChemQuery修正的结果可以看出，这一次的结构调整体现了学生认识思维的发展，更多地关注学习者推理能力的进阶发展，但忽略了学生化学学科知识的不足。

      （三）定量与定性理解

      第三次学习进阶修正过程中，在结构图中将物质、变化和能量作为独特的变量或理解类型（如下页表4），[16]强调从定性和定量两个方面对化学学科的理解。之所以做出这样的调整，源于实证研究中发现学生能够回答传统的定量问题，但经常不能给出合理的概念上的定性解释。

      

      这一次修正后的化学家观念是一种描述学生化学理解层次水平的多维度框架。将化学学科分成三种核心观念或科学模型：物质、变化和能量。建立“大概念”作为化学家观念，以形成化学学科的总体思想，同时有利于建立一个测量学生个体化学概念理解发展的工具。就测量而言，这些大概念被认为是进展中的变量，有利于表明在某个问题上学生观念理解的程度。这些变量的选择没有唯一“正确的答案”。三种大概念的选择也不是只有一种特定的组合，它们之间也不是彼此完全独立的。在用特定方法把化学学科划分成整体的概念时，只有当选择组合的详细内容制定出来，才能认识到这种划分方法的有效性。换句话说，这些观念变量需要阐述清楚，并且需要开发一种工具来测评学生学习每个观念变量的进展情况。而ChemQuery评价系统恰恰就是一个有用的工具。在这次结构图修正中，研究者选择了“变化”作为进阶发展的变量。但与此同时，测查的项目设计还是遇到了问题。就像最初构想的，守恒（定量）和反应活性（定性）被分成各自独立的变量，但是在对项目作答时，化学变化和守恒似乎又不是独立的概念。研究者很难区分开对变化的定性解释和定量理解。而同时，几乎所有关于化学反应及其产物的问题都需要对守恒有概念化的理解。要解决这一问题，就必须在项目设计时有所侧重，谨慎考量。另外，已有文献研究也表明学生能够记住一套化学和物理变化，但不能将原子的重组形成新物质联系起来。[17]研究还发现学生可以不考虑质量守恒而配平方程式。正是意识到上述这些问题，化学家观念的结构图需要更大的变化和调整，尤其是测查项目的编制和赋分指南的修订显得尤为重要。

      通过第三次ChemQuery修正的结果可以看出，这一次的修正将整个化学学科解构成三个核心大概念，在每个核心大概念里，从人类认识事物的普适规律出发，从定性和定量两个角度去认识整个化学学科。这一次的修正依然强调了核心知识和核心概念。但每一个大概念的理解进阶还显得有些模糊，缺乏可操作性。对学生的作答响应缺乏一定的解释力，给实证数据的测量评价带来困难和阻力。

      （四）“物质、变化和能量”进阶变量的构建

      第四次的学习进阶修正中，研究者意识到这个学习进阶模型需要解释所收集到的学生数据的形式。而SOLO分类法能够捕捉学生数据中的趋势，因此可能对修正有意义。结构图中进阶的各水平还应该得到有关化学迷思概念研究的支撑，这是与以往几次修正差别最大之处。同时对化学家观念框架进行了进一步调整，每一个大的观念又作为独立的变量进行研究。组织框架的目的是获取学生如何像科学家那样学习推理，发展解释模型来理解化学。这一次实证研究结果使得ChemQuery评价系统得到了进一步的丰富，完善了“变化”变量的项目设计，修正后的赋分指南对物质和变化两个变量都适用。[18]一系列的项目范例有利于进一步发展计算机适配模型，以便捕捉更多数据。修正后的ChemQuery评价系统由观念框架（包括物质、变化和能力三个变量，见表5）、75个物质和变化变量的测试项目（能量变量还在研究过程中）、一套赋分指南和项目范例组成。利用Construct Map软件进行分析，得到了怀特图（Wright maps）、项目拟合（item fits）、学生进展报告（student progress reports）、信度（reliability）和效度（validity）等统计分析数据。这一次修正的学习进阶形成了一个由物质、变化和能量构成的多维结构。此次开发的学习进阶，由三个大概念组成的丰富的理解及三个大概念之间的联系，对于发展高中到大学化学的连贯性理解是非常重要的。修正后的化学家观念框架如表5所示。[19]

      

      因此，根据IRT分析的结果，这次关于物质变量的学习进阶修正就成了化学学科本体知识、学生理解进阶的实证数据、测量领域中SOLO分类理论、以及化学教育文献中迷思概念研究的多方面整合。这次修正的物质进阶变量的结构图如表6所示。[20]

      

      在这一次的修正中，每个观念变量里，提出用等级来描述学生的理解，这是以往学习进阶修正过程中没有涉及的。而且对结构图的描述和进阶水平的界定更加清晰和具有可操作性。如在进阶水平1（观念）时，学生能够描述他们最初的想法；在水平2（识别），学生能够使用化学家看待世界的语言；在水平3（形式化），学生能够形成概念之间的联系；在水平4（建构），学生能够发展全面的模型观点；在水平5（生成），能够提出和研究新的科学问题。如果学生在这些水平上能够呈现更复杂的精确的回答，那么结构图中提出的变量就建构起来了。但在第四次修正的实证数据分析中，该研究没有发现有学生达到水平4，因为没有收集到支持学生在这一水平思维的实证数据，也没有获得统计学上的支持。

      通过第四次ChemQuery修正的结果可以看出，这一次的修正在充分吸纳了SOLO分类方法的同时，在前面几次修正的基础上，结合实证数据，重构了化学家观念结构图，试图从知识维度和认知维度相结合的视角统整化学学科，使ChemQuery评价系统更具有可操作性，同时期望得到实证数据的支持。但在实践研究中还是出现了很多问题。此次修正三个变量可以看作三维结构，也可以看作“化学学科理解”的单维结构。但在研究过程中，三个变量使用同一套赋分指南，这似乎是不合理的，这将导致在测量工具编制环节赋分困难、评分标准缺乏针对性、测量工具性能指标不理想等问题。整个测试项目信度和被试信度值均偏低，而且变量内部结构测量值较低，预期的项目难度与测量的项目估计之间没有达到较好的相关，没有得到心理测量学的支持。同时测试工具中的项目选择是最大的问题所在，有待进一步修订和精炼，还有进一步修正的空间。

      ChemQuery评价系统基于项目反应理论的标准参照分析，对于测量和描述学生对化学的理解是非常有意义的。通过基于ChemQuery评价系统的学习进阶的实证研究，证明观念框架中的变量（大概念）是可测量的，而且具有心理测量学意义。研究证实学生的学习不仅仅是更多知识和技能习得的过程，而是新知识与已有知识相联结，理解能力朝着更高水平进阶的过程，学生的思维也将朝着更深层次发展，并且取代早期的理解。通过ChemQuery评价系统中项目一被试关系的统计分析，可以发现学生对化学概念理解的思维轨迹和进阶情况。通过ChemQuery评价系统的修正过程可以发现，学习进阶水平的划分从原子观点中关注知识发展的复杂化，转向了学生思维和推理发展的复杂化。也可以说脱离了表面的知识维度，开始更加关注学生心理特质发展的维度。在操作层面上，ChemQuery评价系统的意义体现在三个方面，一是建立了一种解释模型，绘制学生对化学学科的理解进阶；二是开发了测量学生概念理解的工具（量表）；三是通过实证研究，评估测量工具的心理测量学指标。ChemQuery评价系统由四部分组成，即：观念框架（结构图）、评价项目、赋分指南和项目范例。ChemOuery使用观察性研究和纵向任务评价，关注学生现有化学知识的整合及协调，从而完善了框架组织的发展。

      在过去的几十年里，研究者就化学具体概念或与化学有关的概念像物质和能量等，从迷思概念和概念转变视角做了诸多研究。很多研究将学生的学习划分成不同的知识类型。如学生的学习被解构成问题解决、概念转变、迁移和推理等。而且更多的研究只关注一种类型的知识或一个具体的概念，学生对化学学习的总体理解领会不到，导致学生的学习是零散的、碎片化的，而不是连贯的理解，更谈不上理解的发展。从定量方面看，通过在不同进阶水平间赋分，与观念框架（结构图）进行比较，描述学生学习发展的路径，基于实证数据的分数从统计学上定量地描述学生理解的不同水平，进而得出结论。从定性方面看，ChemQuery修正的进阶水平，学生在“观念”水平对项目的响应是迷思概念，而在“识别”水平，学生在他们的解释中能够规范地使用化学术语。说明对于学生的错误概念或迷思概念不能仅仅定义在学生回答中的前结构水平或低水平的简单思维，而应该根据迷思概念的类型进行谨慎分析。迷思概念可能是学生概念理解进阶中不可忽视的重要认知阶段。这是核心概念研究值得借鉴的一种模式和思路。因此，基于ChemQuery评价系统，在化学家观念框架中通过整合学生已经获得的学习方式和化学学科知识来实现学习的连贯性，这样的研究是非常有价值的，这种开发模式也是非常值得借鉴的。每一次学习进阶的修正，其核心是通过实证数据（即学生的作答响应）的定量与定性分析不断丰富和完善学习进阶的理论假设，每一次的修正都是理论与实践的对话。

      目前，我国及国际上关于学习进阶的认识和研究仍处于起步阶段，形成的较成熟的学习进阶案例并不多，合理地借鉴国际学习进阶的研究成果，掌握科学的研究方法和开发模式，对于学习进阶的理论与实践研究都将是非常重要的，最终将带来课程、教学与评价领域的全面变革。

标签：结构图论文;  项目结构图论文;  系统思维论文;  系统评价论文;  理论化学论文;  系统学习论文;  测量理论论文;  科学教育论文;