基于DINA模型高中生化学键概念群学习的认知诊断.pdf
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1、14化学教学基于DINA模型高中生化学键概念群学习的认知诊断王利敏,秦璐,间春更”,周青*(1.陕西师范大学化学化工学院,陕西西安710119;2.陕西省西安中学,陕西西安710018)摘要:基于DINA认知诊断模型,对高中生“化学键”概念群的学习进行认知诊断。根据诊断结果绘制出了学生“化学键”概念群学习路径图,形成了学生个体诊断报告,详细展现了学生“化学键”概念群学习的认知水平与障碍点。关键词:化学键;认知诊断;DINA模型文章编号:10 0 5-6 6 2 9(2 0 2 3)0 6-0 0 14-0 7中图分类号:G633.8文献标识码:B认知诊断是对学生已有知识结构和加工技能的诊断评价
2、。通过设计具有诊断功能的测验试卷诊断出学生已有知识及技能发展水平,得到学生需要补救哪些知识或技能、使用了哪些错误的解题策略等信息,可以帮助教师调控和改进教学,使教学更具有针对性,帮助学生发展高阶的信息加工能力,形成完整的认知结构,促进学生的发展 1 3“化学键”概念群是高中化学课程的核心概念。高中必修阶段“化学键”概念群包括“共价键”“离子键”“极性共价键与非极性共价键”“离子化合物与共价化合物”“电子式”等多个抽象的概念,各概念之间紧密联系形成了环环相扣的概念群。基于“化学键”概念群的学习,学生对物质构成的认识能从“物质由微观粒子构成”水平进阶至“微观粒子如何构成物质”的层次;学生能从化学键
3、类型的角度进一步对化合物进行分类,丰富学生对物质多样性的认识;能从过程角度理解化学反应的本质以及化学反应伴随能量变化的原因;能进一步形成认识物质结构的概念基础,增进对“物质结构决定性质 的认识;能奠定学习有机化学的基础(45。O因此,“化学键”概念群的学习对高中阶段发展学生学科核心素养具有十分重要和基础性的作用。学生在学习高中必修阶段“化学键”概念群的过程中普遍存在认知困难。有大量研究者对学生学习“化学键”内容的学习困难进行了研究,为“化学键”教学提供了一些启示,但是对于学生“化学键”概念群的认知结构及其学习路径的研究未见报道 6 。本研究希望利用认知诊断测评技术精确地测量学生“化学键”概念群
4、的认知结构,得到学生“化学键”概念群的学习路径,为教师提供学生群体及个体详细的诊断反馈信息,以便教师设计更加优化的教学方案,促使学生达成“化学键”的深度学习。1认知诊断模型的选择认知诊断的实现是以认知诊断模型为基础的 7 目前,应用较为广泛的认知诊断模型主要有规则空间模型(RuleSpaceModel,R SM)和决定性输人噪声与门模型(Deterministic Input,No i s y“A n d”G a t e M o d e l,DINA),相较于RSM,在相同条件下DINA模型的诊断正确率更高,并且更为简洁 8.9 。因此,本文选择DINA模型开展认知诊断研究。运用DINA模型进
5、行认知诊断时的原理可以表示为:P(X,=1l,)=(1-s)g,-m,P(X,=1l.)是属*陕西师范大学2 0 2 2 年度中央高校基本科研业务费专项资金项目“基于学习科学的学生科学课程学业成就评价新技术及优质课程资源的开发研究”(项目编号:GK202204002)阶段性研究成果。*通讯联系人,E-mail:。152023年第6 期专题研究课改前沿性掌握模式,为,的学生答对j项目的概率,由两部分决定,一是学生理想反应得分ni,如果学生i掌握了项目j所测量的所有属性,则mj取值为1,若没有全部掌握,则取值为0;另一部分为项目的失误参数s,和猜测参数gj,如果学生掌握了项目所考查的所有属性,但作
6、答时有所失误,此时学生答对该项目的概率为(1-s)。如果学生没有掌握项目所考查的所有属性,但可能会猜对,这时学生答对该项目的概率为g,10122“化学键”概念群认知属性及属性层级关系的确定认知属性是指学生在解决问题时所需的知识、技能和策略等,各认知属性之间存在着一定的逻辑顺序或层级关系 13.14。依据(1)普通高中化学课程标准(2 0 17 年版)中必修阶段“化学键”知识内容的要求;(2)近十年广东省所用高考试题中必修阶段化学键”内容的考查要点;(3)人民教育出版社2 0 0 7 年版普通高中课程标准实验教科书化学2(必修)和2 0 19 年版普通高中教科书(化学)必修第一册中“化学键”知识
7、点,一位课程与教学论专业教授及两位高中化学高级教师确定了“化学键”概念群所包含的认知属性及属性层级关系“化学键”概念群认知属性包括C1(化学键)、C2(离子键)、C3(共价键)、C4(离子化合物和共价化合物)、C5(极性键与非极性键)、C6(电子式)六个方面的内容,具体描述见表1。表1“化学键”概念群认知属性编码认知属性具体描述C1-1认识构成物质的微粒之间存在相互作用C1化学键C1-2认识化学键的断裂和形成是化学反应中物质变化的实质及能量变化的主要原因C2-1认识离子键是阴阳离子之间通过静电C2离子键作用而形成的化学键C2-2能结合典型实例认识离子键的形成C3-1认识共价键是原子间通过共用电
8、子对形成的化学键C3共价键C3一2 知道分子存在一定的空间结构C3-3能结合典型实例认识共价键的形成续表编码认知属性具体描述C41能判别简单离子化合物和共价化合物离子化合物C4和共价化C4-2能根据物质中化学键类型进行物质合物分类C5-1知道极性共价键与非极性共价键并正极性键与确区分C5非极性键C5-2掌握共用电子对的偏移与共价键极性的关系C6电子式C6-1能用电子式表示物质或物质的形成过程“化学键”概念群中各概念之间的层级关系为:化学键(C1)是学生掌握该概念群中其他概念的先决条件。学生在理解化学键概念的基础上,进一步掌握离子键(C2)和共价键(C3)。学生在掌握共价键(C3)的基础上掌握极
9、性键与非极性键(C5)。学生在掌握离子键和共价键后,依据物质所含化学键的类型辩析离子化合物和共价化合物(C4)。学生在能正确判断物质所含化学键类型和物质类别的基础上使用电子式(C6)规范表达某一物质或物质的形成过程。“化学键”概念群属性层级关系见图1。C6C4C5C3C2C1图1“化学键”概念群属性层级结构3认知诊断试卷的编制3.1建立理想掌握模式“化学键”概念群中包括6 个属性,若对其简单排列组合,可以得到2=6 4种属性的组合方式,在依据属性层级结构剔除不合逻辑的组合方式后,最终可以确定符合逻辑顺序的理想掌握模式为11种,见表2。每一种理想掌握模式可以表示一种学生的认知结构。例16化学教学
10、专题研究课改前沿如,“10 0 0 0 0”代表学生已掌握C1化学键,没有掌握其他内容的情况;“110 0 0 0 代表学生已掌握C1化学键和C2离子键,没有掌握其他内容的情况。表2理想掌握模式矩阵理想被试C1C2C3C4C5C61100000210000310100041111005100106一一1017一一一00081一一0109111110101一一111110000003.2建立典型项目考核模式典型项目考核模式是根据属性层级关系确定的符合逻辑顺序的测验项目类型,与理想掌握模式十分类似,但缺少全为0 的这种模式,这是因为在掌握模式中学生存在全部属性都没掌握的情况,但在测验项目中,不会存
11、在一个属性都不考察的项目15。例如典型考核模式为“110 0 0 0”代表了考查C1化学键和C2离子键,没有考查其他内容的题目类型。3.3编制试卷及数据收集与处理依据10 种典型项目考核模式,由一线教师和学科专家从高考题、教材课后习题中选编试题,对编制的试题审阅后确定了2 1个项目组成认知诊断试卷,其中有17道选择题、3道填空题和一道简答题。选取深圳市某中学高二年级学生共39 8 人为研究对象,39 8 人中涵盖各水平层次的学生且分布较为均衡,学生在进行测试前已学习完必修阶段“化学键”知识的全部内容,最终回收有效卷共38 7 份。对38 7 份有效卷中所有题目采用0 1计分,答对计1分,答错计
12、0 分,将数据导人SPSS20.0、认知诊断分析平台(flexCDMs)中进行数据分析。4试卷质量分析4.1信度利用SPSS20.0软件对诊断试卷进行内部一致性分析,Cronbach系数为0.8 10,说明试卷信度良好。4.2属性层级关系的HCI指标HCI指标可以反映被试在进行项目作答时遵循的认知规律与确定的属性层级关系之间的对应关系,其取值范围为-1,1,值为-1表示完全不拟合,值为1表示完全拟合 16 。利用认知诊断分析平台得出全体被试的平均HCI指标为0.39,表示所确定的“化学键”属性层级关系模型-数据拟合良好。4.3DINA模型参数估计基于DINA模型进行认知诊断时,当测试项目的失误
13、参数 s;0.4,猜测参数g;g;时认为项目参数符合要求 17 。在认知诊断分析平台中对各项目进行参数估计,表3为所有测试项目的失误参数和猜测参数。由表3可见,2 1个项目中2 0 个项目满足1-sjgj,20个项目的猜测参数g;小于0.4,19 个项目的失误参数sj小于0.4,说明绝大多数项目参数符合要求。表3测试项目的失误参数和猜测参数项目猜测参数失误参数项目猜测参数失误参数编号(gi)(si)编号(gi)(sj)10.004 40.0546120.11430.267220.99990.2499130.04560.227730.23610.1736140.08740.452.340.201
14、50.2171150.0660.074750.000 10.2244160.06150.081660.000 10.2823170.13160.248 670.03190.2469180.02990.238 180.000 10.3828190.00010.000 190.00040.2648200.07760.4533100.05190.3356210.04220.125 4110.03590.15875诊断结果及讨论5.1高中生“化学键”概念群学习的基本情况利用认知诊断分析平台使用最大后验概率估计172023年第6 期专题研究课改前沿(M A P算法)得到学生属性掌握模式分类统计结果见表4
15、,38 7 名学生的属性掌握模式全部归类到了11种理想掌握模式中。表4学学生属性掌握模式的统计结果属性掌握模式归类人数归类比率(%)100000328110000103101000215111100501310101085221111012261110004010111010391011111039101111113910000000103合计387100有3%的学生化学键概念群学习的掌握模式为000000,即这些学生没有理解化学键概念,对物质构成的认识没有提升,意识不到构成物质的微粒间存在相互作用,也无法理解化学反应的本质是旧键的断裂和新键的形成,以及化学反应为什么伴随着能量变化。有38%的
16、学生化学键概念群学习的掌握模式为110000、10 10 0 0、10 10 10 和10 0 0 0 0,即这些学生理解、掌握了化学键概念,但是没有掌握离子键概念(10 10 0 0、10 10 10)或共价键概念(110 0 0 0),或是两个均没有掌握(10 0 0 0 0),这些学生能够认识到微粒间存在相互作用,但无法理解微粒间两种不同的相互作用一一原子间共用电子对形成的作用力与阴阳离子间的作用力二者的本质区别,或是没有理解共价键或离子键概念的本质属性和形成过程。有34%的学生化学键概念群学习的掌握模式为101000、11110 0、11110 1和1110 0 0,这些学生掌握了化学
17、键与共价键概念,知道微粒间存在相互作用,并知道原子间通过共用电子对形成的相互作用是共价键,但没有理解极性共价键和非极性共价键的定义,没能理清共用电子对的偏移与共价键极性的关系。有2 0%的学生化学键概念群学习的掌握模式为111000、1110 10,这些学生掌握了化学键概念、离子键和共价键概念,能够认识到微粒间存在相互作用,能对微粒间两种不同的相互作用进行区分,并且理解了离子键和共价键的本质属性和形成过程,但是无法判别简单的离子化合物和共价化合物,不能根据物质中化学键的类型进行物质分类。有2 3%的学生化学键概念群学习的掌握模式为111100、111110,这些学生掌握了化学键、离子键、共价键
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