基于Rasch模型的高中生化學學科核心素養

測評研究——以準高三學生為例

【摘要】為了解高中生化學學科核心素養發展情況，更好地指導核心素養體

系下高三化學教育教學一輪復習工作。筆者采用Rasch模型和SPSS軟件對學生現階段化學學科核心素養的發展水平進行研究，分析試題質量和測試情況，從而

針對性地提出教學策略指導高三學生教育教學工作的開展和推進新高考的進行。【關鍵詞】化學學科核心素養;Rasch模型;測評研究

一、問題的提出

繼

2016年

9月發布的《中國學生發展核心素養》

后，2018年教育部正[2]

式發布了《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《17版課標》），明確了普通高中學生必須具備的化學學科核心素養。然而，經歷兩年的核心素養

指導實踐，學生化學學科核心素養發展情況如何？核心素養教育教學效果如何？教育教學工作是否遵循課改要求？教學評價是否符合核心素養要求？學生化學

核心素養是否健康發展？我們的教學工作存在哪些問題？還有哪些改進的方面…等問題是作為一線教師不可回避的問題。因此，本研究基于Rasch模型和《17

版課標》理論，從高二學生期末聯考中精心篩選試題并進行測評工具的分析，同時結合李克特5點量表設計調查量表，采用Winsteps37.2.和SPSS20.0進行數

據統計分析。檢驗測評工具質量，應用工具反饋學生化學學科核心素養發展情況，提出相應解決策略，為化學教學實踐提供改進依據和參考意見，監控、指導教學

教學工作的高效有序開展。二、測評研究

1.理論框架

1）Rasch模型測試理論（[3]

Rasch模型（Georg

Rasch,1901-1980創立）是項目反映理論（IRT）模型之一，為但參數模型，根據被試在各測試項目上的反應模式來預測個體能力。對于某個項目i,難度為Di,一個能力為Bnj的被試n答對(假設答對評X=1分,答錯

評X=0分)該題的概率

Pni可以表達為公式①，可知被試正確作答的概率取決于被試能力與項目難度之間的差異,被試能力越高,答對概率就越高，對于評分只有

答對或答錯(X=1分或X=0分)的模型為二分模型（公式②）。Rasch模型家族還有部分給分模型（Partialcreditmodel）、等級量表模型（Ratingscalemodel）、

[4]

多面

Rasch模型（Many-Facets

Rasch

model）等

，均為二分模型的擴展,如部分給分模型（公式③），Dik是指項目i上k分的難度,Pnik是指學生n在i題得k

分的概率,k=1時即為二分模型。Rasch模型與經典測驗理論（CTT）和可概括性[3]

理論（GTT）的項目/被試依耐性、評分不等距、能力與分數突發不對等性等不同，Rasch測試采用logit分與原始分進行轉換，被試能力（同一項目不同被試

圣率對數差ln1-ln2=B1-B2）與項目難度（同一被試不同項目難度差ln1-ln2=Di1-Di2）相互獨立，具有恒常性，不論采用難的還是易的測量工具，能力

強者得高分，克服低能力水平水生投機胡蒙的高分情況；還具有多極性和多維性，涉及到各個領域，數值處理簡單科學，便于普及和推廣。測量工具Rasch模型檢

?(Bn-D?)驗指標如表1。

p(X=1|Bn,D?)=1+

?(Bn-

D?)

①

Pniln

=Bn-D?②(1-Pni

)Pnik

ln(=Bn-D?k

③1-Pnik

)表1Rasch模型測量參數及檢驗指標

測量參數含義及檢驗指標

均分（Measure）測試難度及被試能力的

Rasch

分，測試難度水平通常設置為

1標準誤（Error）觀測值與期望值得差異，反應測量的精確性，越靠近

0

越好

分離度反映被試或項目在測量變量上的分離程度，反映測量工具對不同能力水平被（separation）試的區分情況，分離度越大區分效果越好，一般分離指數超過

2

較好

信度被試/項目次序、位置在測量變量分布的再現程度，等同于

Cronbach’s（reliability）

alpha系數估計被試水平和項目難度水平，實際數據與期望模型的擬合問題。均分方差

檢驗MNSQ（infit，outfit）越靠近1越好，可接受范圍在0.7-1.3，模型-數據擬合

（model-data-fit）

點-測相關（t檢驗或Z檢驗）ZSTD（infit，outfit）越靠近0越好，可接受范圍在-2-+2。

學生在該題得分與測量總分間的相關性，表示項目與總量表之間的一致性，接受范圍在0-1，多數題在0.4以上則項目的區分效果好。

懷特圖也稱項目-被試圖（item-person

map），按項目難度、被試水平放置在同一把Wrightmap）

量尺，項目難度均勻分散，且與被試能力相對應則優

單維性橫坐標是項目難度，左縱坐標是主要變量被控制后項目分數與潛在變量的關（（dimensionality）系，右縱坐標是某一相關系數上對應的項目數，通常認為項目落在相關系數

（constrastloading）-0.4-0.4區間較好

氣泡圖縱坐標是“Mearue”為項目難度，橫坐標為

infit

的

ZSTD

值，泡泡大小代plotmap）

表項目難度估計誤差大小，越小越好，氣泡落在-2-2

范圍好

（（2）化學學科核心素養

化學學科核心素養是指學生經過化學課程的學習所形成和發展的正確價值觀、關鍵能力和必備品格，是在解決復雜的、不確定性的現實問題中表現出來的

綜合品質或能力，是化學學科知識與技能、過程與方法、情感態度和價值觀的整[2,6]

合。《普通高中化學課程標準（2017版）》基于高中化學課程內容凝練出化學學科核心素養及其發展水平，明確各主題具體內容和學業要求，研制出學科和

[7]

各學段的學業質量標準指導高中化學教學評價、試題命制工作。因此，本研究[8]

參考《17版新課標》、劉英琦老師研究的知識理解層次及北京師范大學王磊教[2,7]

授關于化學學科核心素養的學科能力研究構建測評工具知識結構、學科能力及素養水平。

圖

1

化學學科核心素養研究設計2.研究分析

1）試題分析（本研究樣本為同一層次水平的學生，化學學科核心素養試題是在學生學完高

考化學考綱要求的必考內容后為檢驗學生整體知識掌握和運用情況而展開的零模測試，試題素養水平分布情況如表2所示。

表2化學學科核心素養測試題項水平分布素養維度水平

1-經驗性理解

水平

2-本質性理解

水平

3-結構化理解

水平

4-文化性理解

123T1T9

T3T10T14T4T172

T12T181T184T173

T15T187T5T171

T192T193T7T185

T11T16T1742T13T194T196

T8T191T195T182T188

T175T176T197T1741T183

45T6T186

T2①總體統計

通過總體統計發現，學生能力平均分估計值為0.07（中等水平），項目難度平均分估計值為0（中等難度）；項目和被試誤差（接近0）在可接受范圍，項目

被試擬合模型符合期望值（MNSQ接近1，ZSTD接近0）；試題具有信度較高信度（0.97），被試信度相對較低（0.66），說明試卷中一些項目未能完全檢測到被試

的能力，也可能是被試能力太集中、水平層次不夠廣、差異不大，因此在后續測試中應注意選擇不同層次水平的學生，同時關注實驗班學生和普通班學生的樣本

測試。表3化學學科核心素養測試總體統計

InfitMNSQ

OutfitMNSQ

估計誤差

分離度信度

ZSTD0.10

ZSTD-0.10

0.10被試

項目00.07

.000.03

0.101.01

0.990.95

0.951.39

5.260.66

0.970.20

②懷特圖、單維性及氣泡圖分析

通過懷特圖分析發現項目水平覆蓋比較廣泛，但學生能力水平比較集中，對于一些綜合性、應用性較強的題目學生現階段水平難以解決，特別是素養1水平4

（T173、T1841）、素養

2水平

4（T187）、素養

3水平

4（T176）,

T173和素養

水平4（T1741）學生作答率極低，說明學生知識遷移與綜合應用能力較為薄弱，在后續教學中應注重引導學生模型認知、模型建構和模型應用能力的發展。

4圖3項目單維性分析

圖

2

項目-被試懷特圖圖4項目氣泡圖分析

通過單維性（圖2）分析發現素養4部分題目（A-T6、B-T13、C-T186）與整體相比有偏差，經分析發現這幾天均為新情境下的實驗探究和裝置分析的變式創新

題，學生整體反應效果較差，而除了題a（T9）、c（T173）、d（T194）略有偏差外，大部分題目一致性較好。氣泡圖（圖4）分析發現T176和T16為難度較大

的項目，學生項目反應情況較差，特別是T176電解法可以提純粗鎵（內含Zn、Fe、Cu等雜質），以NaOH水溶液為電解質，在陰極析出高純度的鎵，請寫出陰極電

2+3+

2+極反應：__________（離子氧化順序為：Zn＜Ga＜Fe），此題為中等難度，但

學生對電解池原理理解不透徹，思考不深入導致答題失誤。③結果分析

運用

rasch模型對學生化學學科核心素養發展水平進行分析，

發現學生素養1-4的水平1和水平2的Rasch分較高，表明目前學生核心素養發展水平為水

平2左右，達到水平4的學生較少，并且發現學生對基于生活真實情景性的綜合問題解決能力和知識遷移能力較弱，因此在后續教學中應注重引導學生把握知識

的整體性、綜合性、聯系性和意義性，注重對知識的生活化、意義化、素養化理解。另外，在進行試題測評研究中，涉及素養5的題目僅T2（水平3），大部分

學生完成較好，為保證研究結果的科學性和可靠性，筆者配合問卷調查展開了學生化學學科核心素養的調查研究。

表4高中生化學學科核心素養水平rasch成績統計水平1

水平2水平3

水平4素最最

最最最最

大小最最

大小養項目

平均

項目

平均

項目

平均項目平均

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）調查分析

在進行問卷調查中所選樣本與試題測評樣本保持一致性，調查量表采用李克[9]

特五點量表，并參考國際權威量表

PISA/TIMSS以及《2017版新課標》進行編制

。通過對調查數據的統計分析發現，現階段高中學生化學學科核心素養發展水平不

均衡，大部分學生處于水平

1、水平2，水平3、水平4得分相對較低而且相差不大，這與試題測評結果基本一致。另外，在素養4和素養

5兩個維度結果比試

題測評結果相對較好，這表明學生能從文字層面理解化學學科的思維和方法，但由于缺乏綜合知識運用的訓練，學生對解決具體實際問題的能力和知識的遷移運

用能力較弱，因此，在后期教學中，應注重基于情境、基于信息的問題解決與問題探究的教學。圖

5

高中生化學學科核心素養各水平發展情況統計

三、研究結論1.研究結論

通過試題測評與問卷調查分析發現，對于準高三的學生而言，已初步形成了化學學科思維觀念與方法，但知識遷移、問題解決、知識綜合運用能力較弱，需

要進一步的強化提高。關于學生化學學科核心素養發展方面，無論是問卷調查還是試題測評，均表明學生化學學科核心素養目前仍處于中低水平（水平1、水平2），

水平3和水平

4的學生較少；對于各素養發展情況而言，試題測評表明學生在知識運用、問題解決層面素養1、素養2和素養5發展較好，對于素養3和素養4

學生整體表現較差，表明學生對于模型認知、模型建構、模型應用、證據推理、科學探究等層面能力較弱，是我們后期教學教研要努力的方向；而在問卷調查部

分，學生素養4得分比測評好，表明學生具備化學科學探究的基本思維與觀念，但對于具體情境、實驗創新問題的解決能力不足，需要教師著重下功夫研究策略

進行切實的引導性教學。關于本研究意義與不足，首先，本研究立足課堂教學實踐，可為一線教師了

解學生能力發展情況、指導教育教學提供參考；其次，本研究采用試題測評與問卷調查相結合的形式展開，保證研究的科學性與實踐性，豐富教育教育理論；再

次，本研究操作方便，對于學生平時的作業情況、測試情況等均可收集數據進行研討，針對性強，可推廣性強。最后，本研究具有一定的局限性，一方面是樣本

量小，僅采集了普通班學生進行測試，學生水平覆蓋范圍較小；另一方面，沒有開展實驗班與普通班的對比研究，樣本僅來源同一學校層次差不多的班級，后期

需要進一步強化和進行對比研究，而且在調查部分由于純文字性描述存在學生主觀性因素。

2.教學建議

基于Rasch模型下，對高三學生的化學核心素養進行測評研究，可以客觀地對學生較為薄弱的環節進行強化，因此，針對結果分析主要建議有以下幾點：

（1）對于離子濃度這類難度較大、有區別學生能力功能的選擇題，圖像變

化較為復雜，大多數學生不知從何入手。在教學過程中，應先注重從三大守恒規律中建立離子濃度的關系，再結合具體圖中所給出的提示，尋找數字表征關系。

正確寫出守恒定律是溶液中離子濃度判斷的基礎能力，教師在復習過程中，可結合多種圖像關系，幫助學生強化該題型的解題步驟，提高學生的“證據推理與模

型認知”能力。（2）對于在電化學知識點中，電極方程式的書寫是一個重要的考點，學生

對于多種離子存在時，離子的放電順序存在一定的困惑；基礎不扎實的學生對于如何正確書寫一條電極方程式也存在一定問題。在一輪復習中，教師可引用一部

分課本上常見離子的放電順序進行練習，如陽極失電子順序：“I->Fe2+>Br-”，結合具體情境書寫電極方程式。再利用陌生離子的情境進行鞏固和強化，在電荷

守恒的基礎上，正確寫出電極方程式，提升“變化觀、平衡、證據觀、推理觀、與模型觀”。

（3）從學生對于“鎵”和“鋁”的性質對比中書寫方程式，可以看出，即

使是在已有知識上進行類比，大多數學生的得分率依舊不高，其主要原因可歸為，一輪復習未開展的情況下，學生對于陌生元素的性質接觸不多，缺少練習，通過

類比法書寫的方程式，也沒有較大把握正確與否。因此在一輪復習過程中，要求教師不僅要復習課內知識點，也要將一部分課外知識點引入到課堂中，提升學生

的模型認知能力，促使學生通過類比，推斷陌生元素、陌生物質，如“擬鹵素”、在金屬與非金屬界線周圍的元素可能發生的化學反應等。

（4）在“實驗探究”內容的要求下，需要學生能夠通過實驗設計，定性探

究物質的性質，同時能夠設計實驗裝置，對物質進行制備，并通過滴定的方法，對產率進行檢測。該部分的知識點，學生對于定性探究掌握較好，而在產率的計

算上較為薄弱，原因一為部分學生不了解在滴定