應用Rasch模型構建基于計算機建模的中學生物質結構認知測量的研究

1、應用Rasch模型構建基于計算機建模的中學生物質結構認知測量的研究【摘要】：科學素養(yǎng)是當今國際科學教育共同追求的目標?？茖W素養(yǎng)的核心與關鍵在于理解科學。近40年的科學教育研究顯示,幼兒到大學畢業(yè)生普遍持有大量的錯誤科學概念,其中相當一部分錯誤概念十分頑固、曠日持久,它們嚴重制約著學生對科學知識的充分理解與把握,造成大量學習困難、障礙?；瘜W教育中,學生化學學習的一個瓶頸是難以在不同水平化學表征(即宏觀、微觀和符號表征)之間建立聯(lián)系和靈活轉換,從而催生大量的錯誤概念,造成學習障礙。學生實現(xiàn)多水平化學表征之間的靈活轉換,需要充分理解化學模型和建模。為幫助學生順利突破這一瓶頸,近年來,計算機模型廣泛運

2、用于科學教學中,它們強化宏觀現(xiàn)象、微觀運動與符號之間的相互聯(lián)系,有效促進學生模型建構以及建立化學表征與轉換,增強學生的概念理解、推理思維、科學探究技能以及問題解決能力。計算機模型作為學習工具運用于科學教學與學習中,促進學生對科學概念、科學模型的理解,這已成為當今科學教育中的一個重要趨勢。既然學生逐漸廣泛運用計算機模型發(fā)展自己對科學的理解,那么建立基于計算機模型的學生科學理解的測量與評價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、計算機建模、物質結構概念理解、測量與評價4種元素有機整合,以Rasch模型以及測量建構“四基石”方法為指導,以物質結構為

3、切入點,以計算機建模為主要學習工具和評價內容,以測量工具的開發(fā)、檢驗和運用為主線,從理論和實證研究相結合的層面上,深入、微觀探索了計算機建模環(huán)境下中學生物質結構理解測量與評價的建構。理論研究部分,主要對與本研究密切相關的概念、理論進行綜合分析與討論,包括化學多水平表征、科學模型、計算機模型、學習進程、物質概念理解、物質結構理解、Rasch模型、測量建構“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和方法論指導。在此基礎上進一步建構了中學生物質結構學習進程,作為理論框架指導測量工具的開發(fā)與修訂、數(shù)據的分析與解釋。實證研究部分,包括三個方面研究：3個測量工具(即化學反應、溶液、酸和堿)

4、的開發(fā)與質量檢驗、測量工具之間的等值化研究、學生物質結構理解的初步研究。研究對象包括中國初三、高一以及美國1011年級約1600名學生。每個測量工具均經過兩輪試測,第一輪測試結果通過Rasch模型的建模與分析,在此基礎上對測量工具進行修訂,并運用于第二輪測試中；第二輪測試數(shù)據再次運用Rasch模型進行分析和質量檢驗。同時,運用“錨測試”設計,對3個測量工具進行等值化研究,形成原始分0100Rasch刻度分的分數(shù)轉換表,并提出物質結構學習進程的各水平難度。基于中國初三、高一學生在化學反應、溶液、酸和堿3份測試中的測試結果,我們進一步研究中國兩個年級學生基于計算機模型的物質結構理解的特征、規(guī)律與發(fā)

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

6、的理解以及物質結構知識的運用,是以物質結構為中心、4種成分(物質組成與結構、物理性質與變化、化學性質與變化、守恒)相互聯(lián)系、相互作用的“生態(tài)”發(fā)展過程。本研究的突出貢獻在于,建構了基于Rasch模型的計算機建模環(huán)境下學生科學概念理解的測量與評價的范式,建構中學生物質結構的學習進程,開發(fā)并實證了3份計算機建模環(huán)境下中學生物質結構理解的測量工具,探索了測量工具之間的等值化方法,初步揭示了初三、高一學生計算機建模環(huán)境下中學生物質結構理解的特征與規(guī)律,具有重要的方法論、理論與實踐意義。在本論文的最后,我們進一步討論了研究的啟示、局限以及未來的研究方向?！娟P鍵詞】：物質結構Rasch模型計算機模型測量與

7、評價中學生科學教育【學位授予單位】：華東師范大學【學位級別】：博士【學位授予年份】：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科學素養(yǎng):國際科學教育的永恒目標15-161.1.2理解科學:培養(yǎng)科學素養(yǎng)的核心要素16-181.1.3錯誤觀念:制約科學概念的真正理解181.1.4表征障礙:孵化大量的化學錯誤概念18-191.1.5科學模型與建模:化學表征的催化劑19-211.1.6計算機建模促進多重化學表征及轉換21-221.2問題提出22-261.2.1基于計算機建模的化學認知亟待研究22

8、-231.2.2本文研究的切入點及主要研究的問題23-261.3研究目的261.4研究方法26-271.5研究意義27-281.6研究結構28-31第二部分理論研究31-962.1化學教育中的多水平表征31-432.1.1表征與化學表征31-322.1.2化學多水平表征思想的發(fā)展脈絡32-362.1.3化學多水平表征研究的若干課題36-432.1.4小結432.2科學教育中的模型與建模43-512.2.1科學模型與科學建模43-452.2.2科學模型與化學表征45-472.2.3學生的科學模型理解47-482.2.4科學模型的學習進程48-502.2.5小結50-512.3科學教育中的計算機模

9、型51-602.3.1計算機模型與模型建構的工具51-542.3.2計算機模型與化學多水平表征54-562.3.3計算機模型與概念理解及轉變56-582.3.4計算機模型與建模學習的發(fā)展58-592.3.5小結59-602.4學習進程理論與實踐研究60-712.4.1什么是學習進程60-622.4.2學習進程的發(fā)展62-652.4.3學習進程的意義65-702.4.4學習進程的測量702.4.5小結70-712.5物質結構的認知及其發(fā)展71-842.5.1物質概念理解及其發(fā)展71-772.5.2物質結構認知及其發(fā)展77-802.5.3課程標準中的物質結構80-832.5.4小結83-842.6

10、物質結構學習進程的構建84-882.7RASCH測量的原理及建構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91-96第三部分實證研究96-1963研究一:測量工具的開發(fā)與質量檢驗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:化學反應97-1183.2.1計算機模型97-983.2.2測試項目98-1003.2.3被試100-1013.2.4評分標準101-1023.2.5信度、效度102-1183.3測量工具2:溶液118-1323.3.1計算機模型118-

11、1193.3.2測試項目119-1203.3.3被試1203.3.4評分標準120-1233.3.5信度、效度123-1323.4測量工具3:酸和堿132-1433.4.1計算機模型132-1333.4.2測試項目133-1343.4.3被試1343.4.4評分標準134-1363.4.5工具質量及改善136-1433.5討論143-1513.5.1關于測量的理論框架143-1443.5.2關于測量信度、效度144-1473.5.3關于測量工具的修訂147-1493.5.4關于心理特質的揭示149-1513.6小結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)據與分析154-1634.3.1“錨”試題的總體統(tǒng)計1554.3.2“錨”試題的難度分布155-1564.3.3鏈內、鏈間的項目擬合156-1584.3.4原始分-Rasch分轉換158-1614.3.5物質結構認知水平難度161-1634.4討論163-1664.5小結166-1675研究三:學生物質結構理解初步研究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)據分析167-1685.3研究結果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195-196第四部分研究總結196-2086.1研究結論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“物質的