應(yīng)用Rasch模型構(gòu)建基于計(jì)算機(jī)建模的中學(xué)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)知測量的研究

1、應(yīng)用Rasch模型構(gòu)建基于計(jì)算機(jī)建模的中學(xué)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)知測量的研究【摘要】：科學(xué)素養(yǎng)是當(dāng)今國際科學(xué)教育共同追求的目標(biāo)?？茖W(xué)素養(yǎng)的核心與關(guān)鍵在于理解科學(xué)。近40年的科學(xué)教育研究顯示,幼兒到大學(xué)畢業(yè)生普遍持有大量的錯(cuò)誤科學(xué)概念,其中相當(dāng)一部分錯(cuò)誤概念十分頑固、曠日持久,它們嚴(yán)重制約著學(xué)生對科學(xué)知識的充分理解與把握,造成大量學(xué)習(xí)困難、障礙。化學(xué)教育中,學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)的一個(gè)瓶頸是難以在不同水平化學(xué)表征(即宏觀、微觀和符號表征)之間建立聯(lián)系和靈活轉(zhuǎn)換,從而催生大量的錯(cuò)誤概念,造成學(xué)習(xí)障礙。學(xué)生實(shí)現(xiàn)多水平化學(xué)表征之間的靈活轉(zhuǎn)換,需要充分理解化學(xué)模型和建模。為幫助學(xué)生順利突破這一瓶頸,近年來,計(jì)算機(jī)模型廣泛運(yùn)

2、用于科學(xué)教學(xué)中,它們強(qiáng)化宏觀現(xiàn)象、微觀運(yùn)動與符號之間的相互聯(lián)系,有效促進(jìn)學(xué)生模型建構(gòu)以及建立化學(xué)表征與轉(zhuǎn)換,增強(qiáng)學(xué)生的概念理解、推理思維、科學(xué)探究技能以及問題解決能力。計(jì)算機(jī)模型作為學(xué)習(xí)工具運(yùn)用于科學(xué)教學(xué)與學(xué)習(xí)中,促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)概念、科學(xué)模型的理解,這已成為當(dāng)今科學(xué)教育中的一個(gè)重要趨勢。既然學(xué)生逐漸廣泛運(yùn)用計(jì)算機(jī)模型發(fā)展自己對科學(xué)的理解,那么建立基于計(jì)算機(jī)模型的學(xué)生科學(xué)理解的測量與評價(jià)自然就顯得十分必要和重要,然而這方面研究目前仍十分滯后。本論文研究創(chuàng)造性地將Rasch模型、計(jì)算機(jī)建模、物質(zhì)結(jié)構(gòu)概念理解、測量與評價(jià)4種元素有機(jī)整合,以Rasch模型以及測量建構(gòu)“四基石”方法為指導(dǎo),以物質(zhì)結(jié)構(gòu)為

3、切入點(diǎn),以計(jì)算機(jī)建模為主要學(xué)習(xí)工具和評價(jià)內(nèi)容,以測量工具的開發(fā)、檢驗(yàn)和運(yùn)用為主線,從理論和實(shí)證研究相結(jié)合的層面上,深入、微觀探索了計(jì)算機(jī)建模環(huán)境下中學(xué)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)理解測量與評價(jià)的建構(gòu)。理論研究部分,主要對與本研究密切相關(guān)的概念、理論進(jìn)行綜合分析與討論,包括化學(xué)多水平表征、科學(xué)模型、計(jì)算機(jī)模型、學(xué)習(xí)進(jìn)程、物質(zhì)概念理解、物質(zhì)結(jié)構(gòu)理解、Rasch模型、測量建構(gòu)“四基石”方法等。這些方面為本論文研究提供了重要的理論基礎(chǔ)和方法論指導(dǎo)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步建構(gòu)了中學(xué)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)進(jìn)程,作為理論框架指導(dǎo)測量工具的開發(fā)與修訂、數(shù)據(jù)的分析與解釋。實(shí)證研究部分,包括三個(gè)方面研究：3個(gè)測量工具(即化學(xué)反應(yīng)、溶液、酸和堿)

4、的開發(fā)與質(zhì)量檢驗(yàn)、測量工具之間的等值化研究、學(xué)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)理解的初步研究。研究對象包括中國初三、高一以及美國1011年級約1600名學(xué)生。每個(gè)測量工具均經(jīng)過兩輪試測,第一輪測試結(jié)果通過Rasch模型的建模與分析,在此基礎(chǔ)上對測量工具進(jìn)行修訂,并運(yùn)用于第二輪測試中；第二輪測試數(shù)據(jù)再次運(yùn)用Rasch模型進(jìn)行分析和質(zhì)量檢驗(yàn)。同時(shí),運(yùn)用“錨測試”設(shè)計(jì),對3個(gè)測量工具進(jìn)行等值化研究,形成原始分0100Rasch刻度分的分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換表,并提出物質(zhì)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)進(jìn)程的各水平難度?；谥袊跞⒏咭粚W(xué)生在化學(xué)反應(yīng)、溶液、酸和堿3份測試中的測試結(jié)果,我們進(jìn)一步研究中國兩個(gè)年級學(xué)生基于計(jì)算機(jī)模型的物質(zhì)結(jié)構(gòu)理解的特征、規(guī)律與發(fā)

5、展趨勢,在定量和定性分析基礎(chǔ)上提出了計(jì)算機(jī)建模環(huán)境下中學(xué)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)及發(fā)展的“生態(tài)化”模型。研究發(fā)現(xiàn),所開發(fā)的計(jì)算機(jī)建模環(huán)境下中學(xué)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)概念理解的測量工具具有良好的信度、效度；“錨測試”等值化設(shè)計(jì)合理、有效,充分將計(jì)算機(jī)建模環(huán)境下中學(xué)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)概念理解的不同測量相互建立聯(lián)系,從而更好地描述學(xué)生的學(xué)習(xí)與進(jìn)步；所建構(gòu)的計(jì)算機(jī)建模環(huán)境下中學(xué)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)進(jìn)程及其認(rèn)知水平與序列模型充分反映了學(xué)生學(xué)習(xí)與發(fā)展的特征；高一年級學(xué)生計(jì)算機(jī)建模環(huán)境下物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理解明顯高于初三,高一約處于物質(zhì)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)進(jìn)程水平3,初三約處于水平2；學(xué)生的理解隨著年級增長呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性；學(xué)生對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理解包含物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

6、的理解以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識的運(yùn)用,是以物質(zhì)結(jié)構(gòu)為中心、4種成分(物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)與變化、化學(xué)性質(zhì)與變化、守恒)相互聯(lián)系、相互作用的“生態(tài)”發(fā)展過程。本研究的突出貢獻(xiàn)在于,建構(gòu)了基于Rasch模型的計(jì)算機(jī)建模環(huán)境下學(xué)生科學(xué)概念理解的測量與評價(jià)的范式,建構(gòu)中學(xué)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)進(jìn)程,開發(fā)并實(shí)證了3份計(jì)算機(jī)建模環(huán)境下中學(xué)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)理解的測量工具,探索了測量工具之間的等值化方法,初步揭示了初三、高一學(xué)生計(jì)算機(jī)建模環(huán)境下中學(xué)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)理解的特征與規(guī)律,具有重要的方法論、理論與實(shí)踐意義。在本論文的最后,我們進(jìn)一步討論了研究的啟示、局限以及未來的研究方向。【關(guān)鍵詞】：物質(zhì)結(jié)構(gòu)Rasch模型計(jì)算機(jī)模型測量與

7、評價(jià)中學(xué)生科學(xué)教育【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)【學(xué)位級別】：博士【學(xué)位授予年份】：2011【分類號】：G634.8【目錄】：摘要6-8ABSTRACT8-12目錄12-15第一部分研究概述15-311.1研究背景15-221.1.1科學(xué)素養(yǎng):國際科學(xué)教育的永恒目標(biāo)15-161.1.2理解科學(xué):培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)的核心要素16-181.1.3錯(cuò)誤觀念:制約科學(xué)概念的真正理解181.1.4表征障礙:孵化大量的化學(xué)錯(cuò)誤概念18-191.1.5科學(xué)模型與建模:化學(xué)表征的催化劑19-211.1.6計(jì)算機(jī)建模促進(jìn)多重化學(xué)表征及轉(zhuǎn)換21-221.2問題提出22-261.2.1基于計(jì)算機(jī)建模的化學(xué)認(rèn)知亟待研究22

8、-231.2.2本文研究的切入點(diǎn)及主要研究的問題23-261.3研究目的261.4研究方法26-271.5研究意義27-281.6研究結(jié)構(gòu)28-31第二部分理論研究31-962.1化學(xué)教育中的多水平表征31-432.1.1表征與化學(xué)表征31-322.1.2化學(xué)多水平表征思想的發(fā)展脈絡(luò)32-362.1.3化學(xué)多水平表征研究的若干課題36-432.1.4小結(jié)432.2科學(xué)教育中的模型與建模43-512.2.1科學(xué)模型與科學(xué)建模43-452.2.2科學(xué)模型與化學(xué)表征45-472.2.3學(xué)生的科學(xué)模型理解47-482.2.4科學(xué)模型的學(xué)習(xí)進(jìn)程48-502.2.5小結(jié)50-512.3科學(xué)教育中的計(jì)算機(jī)模

9、型51-602.3.1計(jì)算機(jī)模型與模型建構(gòu)的工具51-542.3.2計(jì)算機(jī)模型與化學(xué)多水平表征54-562.3.3計(jì)算機(jī)模型與概念理解及轉(zhuǎn)變56-582.3.4計(jì)算機(jī)模型與建模學(xué)習(xí)的發(fā)展58-592.3.5小結(jié)59-602.4學(xué)習(xí)進(jìn)程理論與實(shí)踐研究60-712.4.1什么是學(xué)習(xí)進(jìn)程60-622.4.2學(xué)習(xí)進(jìn)程的發(fā)展62-652.4.3學(xué)習(xí)進(jìn)程的意義65-702.4.4學(xué)習(xí)進(jìn)程的測量702.4.5小結(jié)70-712.5物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知及其發(fā)展71-842.5.1物質(zhì)概念理解及其發(fā)展71-772.5.2物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)知及其發(fā)展77-802.5.3課程標(biāo)準(zhǔn)中的物質(zhì)結(jié)構(gòu)80-832.5.4小結(jié)83-842.6

10、物質(zhì)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)進(jìn)程的構(gòu)建84-882.7RASCH測量的原理及建構(gòu)88-962.7.1Rasch模型的概念與基本原理88-912.7.2基于Rasch模型的測量之建構(gòu)91-96第三部分實(shí)證研究96-1963研究一:測量工具的開發(fā)與質(zhì)量檢驗(yàn)96-1523.1總體思路96-973.1.1研究目的963.1.2研究方法963.1.3研究步驟96-973.2測量工具1:化學(xué)反應(yīng)97-1183.2.1計(jì)算機(jī)模型97-983.2.2測試項(xiàng)目98-1003.2.3被試100-1013.2.4評分標(biāo)準(zhǔn)101-1023.2.5信度、效度102-1183.3測量工具2:溶液118-1323.3.1計(jì)算機(jī)模型118-

11、1193.3.2測試項(xiàng)目119-1203.3.3被試1203.3.4評分標(biāo)準(zhǔn)120-1233.3.5信度、效度123-1323.4測量工具3:酸和堿132-1433.4.1計(jì)算機(jī)模型132-1333.4.2測試項(xiàng)目133-1343.4.3被試1343.4.4評分標(biāo)準(zhǔn)134-1363.4.5工具質(zhì)量及改善136-1433.5討論143-1513.5.1關(guān)于測量的理論框架143-1443.5.2關(guān)于測量信度、效度144-1473.5.3關(guān)于測量工具的修訂147-1493.5.4關(guān)于心理特質(zhì)的揭示149-1513.6小結(jié)151-1524研究二:測量工具之間的等值化研究152-1674.1研究目的15

12、24.2原理與方法152-1544.3數(shù)據(jù)與分析154-1634.3.1“錨”試題的總體統(tǒng)計(jì)1554.3.2“錨”試題的難度分布155-1564.3.3鏈內(nèi)、鏈間的項(xiàng)目擬合156-1584.3.4原始分-Rasch分轉(zhuǎn)換158-1614.3.5物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)知水平難度161-1634.4討論163-1664.5小結(jié)166-1675研究三:學(xué)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)理解初步研究167-1965.1研究目的1675.2研究方法167-1685.2.1研究工具1675.2.2研究被試1675.2.3數(shù)據(jù)分析167-1685.3研究結(jié)果168-1905.3.1定量分析168-1735.3.2定性分析173-1905.4討論190-1955.5小結(jié)195-196第四部分研究總結(jié)196-2086.1研究結(jié)論196-1986.2研究啟示198-2036.3研究局限203-2046.4研究展望204-208附錄208-233附錄1“物質(zhì)的