黃郁郁 王后雄

摘 ?要：基于Rasch模型開發(fā)初中生宏微結(jié)合能力水平測評工具，對武漢市九年級學(xué)生進行跨時間點施測，基于潛在轉(zhuǎn)變模型探討化學(xué)成績等因素對初中生宏微結(jié)合能力水平潛在轉(zhuǎn)變發(fā)展軌跡的影響，對教學(xué)和研究提供了數(shù)據(jù)支撐和方法借鑒。

關(guān)鍵詞：初中生；宏微結(jié)合能力；潛在轉(zhuǎn)變；學(xué)業(yè)質(zhì)量

化學(xué)是研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、轉(zhuǎn)化及應(yīng)用的一門基礎(chǔ)學(xué)科，其特征是從分子層次認(rèn)識物質(zhì)，通過化學(xué)變化創(chuàng)造物質(zhì)。Johnstone將微觀和宏觀通過符號這個橋梁進行了聯(lián)系，為化學(xué)三重表征的研究開啟了先河^[1]。房宏較早提到了培養(yǎng)學(xué)生宏微結(jié)合能力^[2]。宏微結(jié)合不是宏觀和微觀二者的簡單疊加，而是在內(nèi)涵和外延上有機統(tǒng)一的整體^[3]?；诨瘜W(xué)學(xué)科特征，從宏微結(jié)合角度解決問題，主要體現(xiàn)在三重表征的思維方式^[4]。綜合已有研究，將化學(xué)宏微結(jié)合能力界定為：運用宏觀、微觀、符號等多種思維加工與知識表征方式，從宏觀和微觀相結(jié)合的視角探究物質(zhì)及其變化規(guī)律，從而解決問題的能力。

初中生化學(xué)宏微結(jié)合能力無法直接測量，屬于潛在變量，只能通過統(tǒng)計程序分析測算。目前國內(nèi)外學(xué)者對初中生化學(xué)宏微結(jié)合能力水平等級有數(shù)據(jù)收集^[5]，大多是通過建測評框架、開發(fā)測評工具，對宏微結(jié)合能力水平進行劃分并研究其影響因素，缺乏對宏微結(jié)合能力水平縱向追蹤研究的實證數(shù)據(jù)和研究模型。

潛在轉(zhuǎn)變分析（Latent Transition Analysis，LTA）是在潛在類別分析（Latent Class Analysis，LCA）基礎(chǔ)上進行縱向拓展的概率統(tǒng)計模型，已被應(yīng)用于心理學(xué)和社會科學(xué)等領(lǐng)域的研究，如兒童情緒和認(rèn)知的成長過程，青少年不良行為和心理問題隨時間的發(fā)展，臨床和心理疾病的追蹤治療等諸多方面^[6][7]。相對于傳統(tǒng)的根據(jù)分?jǐn)?shù)線將學(xué)生進行“一刀切”的水平劃分，潛在轉(zhuǎn)變模型作為一種縱向追蹤模型，可以為初中生化學(xué)宏微結(jié)合能力水平的變化趨勢進行預(yù)測和干預(yù)提供了實證支撐。

1 初中生宏微結(jié)合能力水平測評工具開發(fā)

1.1 模型介紹

1.1.1 Rasch模型

Rasch模型是用來測評潛在特質(zhì)的概率模型，其基本原理是特定的被試對特定的項目作出特定反應(yīng)的概率可以用個體能力與項目難度的一個簡單函數(shù)來表示。Rasch模型允許使用者生成一個既可以測評項目難度，又可以測評被試能力的等距量尺。基于Rasch模型，依據(jù)開發(fā)的測評工具對學(xué)生進行測試，并對分析結(jié)果進行反復(fù)修正，直至達到Rasch模型的參數(shù)要求，最終開發(fā)出一套信度和效度良好的初中生化學(xué)宏微結(jié)合能力水平測評工具（見圖1）。

1.1.2 潛在轉(zhuǎn)變模型

潛在類別分析（LCA）是用以探討潛在變量的一種模型化的分析技術(shù)，屬于一種聚類分析技術(shù)。被劃分到同一類別的所有被試在所有項目上的正確作答率都被認(rèn)為完全一樣的，即將該類型被試視為同質(zhì)的^[8]。通過測評工具施測，用Mplus?7.4 對收集的數(shù)據(jù)進行處理，可以將學(xué)生在宏微結(jié)合能力水平上的個別差異以質(zhì)性的類別差異顯現(xiàn)出來。潛在轉(zhuǎn)變分析（LTA）是在潛在類別分析（LCA）基礎(chǔ)上建立起來的高級統(tǒng)計學(xué)技術(shù)，它不僅可以區(qū)分不同的發(fā)展趨勢類別，還可以估計出每個類別中的個體數(shù)及所占總體概率的大小和每個類別的平均發(fā)展軌跡等。

初中生化學(xué)宏微結(jié)合能力水平潛在轉(zhuǎn)變研究技術(shù)路線見圖2所示。分別以T1時間點、T2時間點兩次測試成績作為外顯反應(yīng)指標(biāo)變量，建立潛在類別模型，確定最佳潛在類別數(shù)。在T1時間點至T2時間點的時間段，根據(jù)潛在轉(zhuǎn)變率分析不同潛在轉(zhuǎn)變組的轉(zhuǎn)化情況，以性別和化學(xué)成績?yōu)樽宰兞?，宏微結(jié)合能力水平轉(zhuǎn)變類型為因變量，采用多元Logistic回歸進行潛在轉(zhuǎn)變概率的影響因素分析和預(yù)測。

1.2 測評對象選擇

為了對初中生宏微結(jié)合能力水平測評工具進行檢驗和修正，在武漢市選取部分九年級學(xué)生進行兩輪施測，第一輪測試共發(fā)放試卷535份，回收試卷533份，回收率為99.63%，其中男生270人，女生263人。第二輪測試共發(fā)放試卷527份，回收試卷522份，回收率為99.05%，其中男生259人，女生263人。

獲取學(xué)生近期三次化學(xué)測試成績，求出平均值并從高到低排序，前27%劃分為化學(xué)成績優(yōu)異，中間46%劃分為化學(xué)成績中等，后27%劃分為化學(xué)成績較低^[11]，分別賦值3、2、1，考察化學(xué)成績對學(xué)生宏微結(jié)合能力水平潛在轉(zhuǎn)變的影響。

1.3 測評工具設(shè)計

依據(jù)和《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》^[9]中對化學(xué)宏微結(jié)合知識學(xué)業(yè)質(zhì)量的描述，結(jié)合學(xué)習(xí)進程理論，由低到高把初中化學(xué)宏微結(jié)合知識劃分了四個水平等級。參考課程標(biāo)準(zhǔn)以及武漢市近幾年中考試卷，共設(shè)計了20道試題，邀請大學(xué)教授、特級教師、教研員和骨干教師對試題及水平等級進行了審核。各試題考查內(nèi)容均為初中生化學(xué)宏微結(jié)合能力相關(guān)內(nèi)容。水平1的試題包含了Q1、Q2、Q3和Q9；水平2的試題包含了Q4、Q5、Q6、Q11、Q15和Q17；水平3的試題包含了Q7、Q8、Q10、Q12、Q13和Q14；水平4的試題包含了Q16、Q18、Q19和Q20。以第20題為例，測評工具題型及能力水平分布如表1所示，試題解讀如下。

【Q20】某同學(xué)對某地工業(yè)廢水（含有硫酸和鹽酸）中的H₂SO₄進行測定。取50g該廢水于燒杯中，小心加入BaCl₂溶液，充分反應(yīng)，實驗過程中，生成沉淀的質(zhì)量與滴入BaCl₂溶液的質(zhì)量關(guān)系如右圖所示，通過計算求50g該廢水中H₂SO₄的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

此題以工業(yè)廢水的檢測為情境，要求學(xué)生從宏觀上掌握酸和鹽的反應(yīng)，從微觀上認(rèn)識硫酸根離子和鋇離子的結(jié)合，以宏微結(jié)合的視角看待化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)圖像的變化趨勢基于證據(jù)進行推理，對宏微結(jié)合能力水平要求較高，劃分為水平4。

1.4 測評工具檢驗

按照賦分標(biāo)準(zhǔn)對回收的試卷進行評閱，在Excel 2010 中輸入數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，再用Winsteps 3.66對初測數(shù)據(jù)進行信度分析、擬合度與誤差分析、項目-被試對應(yīng)以及單維性檢驗，以考究測評工具質(zhì)量，利用SPSS 25.0 進行描述性與差異性檢驗。修正后測評工具的項目（item）與學(xué)生（person）整體統(tǒng)計結(jié)果見表2所示。

本測評工具的項目信度均大于等于0.80，屬于理想信度。原始的項目分離度為11.56，修正后的分離度為12.45，說明本測評能較好地區(qū)分不同能力水平的被試。在單維性檢驗中，測評的20個項目的首成分殘差特征值是1.70，符合單維性要求的1.40-2.10之間的測量學(xué)標(biāo)準(zhǔn)^[10]。項目難度值在-1.04至1.66之間，難度均值為0.00，難度標(biāo)準(zhǔn)差在0.04至0.10之間，各試題難度適中。項目內(nèi)部擬合度在0.81至1.22之間，基本符合測評對試題擬合度的要求。項目-被試對應(yīng)顯示，各項目的難度和分布均勻分散，被試的水平分布基本符合正態(tài)分布規(guī)律?？傮w而言，修正后的測評工具在統(tǒng)計指標(biāo)的許可范圍內(nèi)，基本可以反映學(xué)生的能力分布。

2 初中生宏微結(jié)合能力水平潛在轉(zhuǎn)變分析

2.1 測評對象選擇

采用整群抽樣的方法，分別在2021年3月19日（以下簡稱T1時間點）和2021年6月2日（以下簡稱T2時間點）對武漢市部分九年級學(xué)生進行測試。追蹤研究必須保障是同一批被試和同一測驗（或平行測驗），然而平行測驗在學(xué)科測驗中幾乎無法做到，由此帶來的誤差可能比重復(fù)測量引發(fā)的練習(xí)效應(yīng)更嚴(yán)重。因此在這兩次測試中，打亂試題及選項順序，盡可能降低練習(xí)效應(yīng)。同時參加兩次測試的學(xué)生541名，其中，男生268人，女生273人；兩次測試的克隆巴赫Alpha值分別為0.77和0.81，信度均較好。

2.2 描述性與差異性檢驗

采用Mplus 7.4對T1時間點、T2時間點兩次測驗數(shù)據(jù)進行潛在類別分析（LCA）和潛在轉(zhuǎn)變分析（LTA）。采用SPSS 25.0對測驗數(shù)據(jù)進行描述性與相關(guān)性分析、差異檢驗、多元logistic回歸分析等。表3顯示，學(xué)生宏微結(jié)合能力成績隨時間推移逐漸上升，且在兩個時間點上得分差異顯著。

2.3 潛在類別數(shù)目確定

表4呈現(xiàn)了T1時間點和T2時間點不同類別數(shù)量潛在類別的模型擬合指標(biāo)和熵值，AIC、BIC和aBIC值隨著類別數(shù)目的增多不斷減小，當(dāng)模型達到2類別時，BIC 和AIC 值最小，表明2類別模型與數(shù)據(jù)擬合最佳，熵值較大（Entropy>0.8），且LMRp和BLRTp似然比檢驗均具有統(tǒng)計學(xué)意義^[12]。綜合考慮模型簡潔性與準(zhǔn)確性，選取2類別潛在轉(zhuǎn)變模型。

兩個時間點的初中生化學(xué)宏微結(jié)合能力水平潛在類別的條件概率圖如圖3和圖4所示。在T1時間點，第一類別學(xué)生（34.75%）在各試題上的得分均低于第二類別學(xué)生（65.25%）在各試題的得分。T2時間點，第一類別學(xué)生（21.81%）在各試題的得分均低于第二類別學(xué)生（78.19%）在各試題的得分。根據(jù)各試題的條件概率，將第一類別命名為“低水平”，將第二類別命名為“高水平”。

用Mplus 7.4 以不添加任何協(xié)變量的潛在模型來分析不同水平組的學(xué)生的變化情況，2×2轉(zhuǎn)變矩陣的對角線表示學(xué)生在兩個相鄰時間點保持原潛在狀態(tài)的概率，如表5所示。高水平的學(xué)生保持原組的概率為57.30%，低水平的學(xué)生保持原組的概率為19.60%。低水平的學(xué)生往高水平的轉(zhuǎn)變的概率為80.40%，高水平的學(xué)生往低水平轉(zhuǎn)變的概率為42.70%。

引入潛在轉(zhuǎn)變數(shù)據(jù)分析方法擬合初中生化學(xué)宏微結(jié)合能力水平發(fā)展軌跡的潛在類別，根據(jù)2×2的潛在轉(zhuǎn)變模式最終確定了四種類別的宏微結(jié)合能力水平發(fā)展軌跡，分別命名為低水平穩(wěn)定組（53人）、低轉(zhuǎn)高水平組（220人）、高轉(zhuǎn)低水平組（111人）和高水平穩(wěn)定組（157人）。

3 初中生化學(xué)宏微結(jié)合能力水平潛在轉(zhuǎn)變及影響因素分析

3.1 初中生宏微結(jié)合能力水平潛在轉(zhuǎn)變的跨時間效應(yīng)

T1時間點，四種潛在轉(zhuǎn)變模式下學(xué)生宏微結(jié)合能力水平潛在轉(zhuǎn)變部分回歸圖見圖5所示，學(xué)生的化學(xué)宏微結(jié)合能力水平分布在左右兩端，主要集中在-0.8和1附近，處于較低水平和處于較高水平的學(xué)生人群相對集中。武漢市初中生從九年級上學(xué)期開始學(xué)習(xí)化學(xué)知識，次年三月左右結(jié)束新知識學(xué)習(xí)。T1時間點時，學(xué)生剛學(xué)完初中化學(xué)知識，一部分學(xué)生在化學(xué)宏微結(jié)合能力水平占據(jù)一定優(yōu)勢，處于比較高的水平，另一部分同學(xué)處于相對較弱的水平，兩極分化現(xiàn)象較明顯。

T2時間點，四種潛在轉(zhuǎn)變模式下學(xué)生宏微結(jié)合能力水平部分回歸圖見圖6所示，學(xué)生的化學(xué)宏微結(jié)合能力水平在0左右兩邊呈正態(tài)分布。在這三個月的復(fù)習(xí)過程中，通過專題復(fù)習(xí)，學(xué)生對宏微結(jié)合相關(guān)知識掌握得更加牢固，能更清晰地認(rèn)識物質(zhì)的宏觀組成與微觀結(jié)構(gòu)，化學(xué)變化有新物質(zhì)生成，其本質(zhì)是原子的重新組合，并遵循一定規(guī)律。在知識復(fù)習(xí)和習(xí)題訓(xùn)練的過程中，學(xué)生逐步形成了從宏觀、微觀、符號相結(jié)合的視角探究物質(zhì)及其變化規(guī)律的認(rèn)知方式，宏微結(jié)合能力水平趨于同質(zhì)化，兩極分化現(xiàn)象明顯減弱。

3.2 不同潛在轉(zhuǎn)變模式下性別差異分析

四種潛在轉(zhuǎn)變模式的學(xué)生人數(shù)在性別上的分布見表6所示，數(shù)據(jù)顯示，性別×潛在轉(zhuǎn)變模式的卡方檢驗結(jié)果顯著（χ²=37.14，p<0.01）。男生更容易穩(wěn)定在高水平或由低水平轉(zhuǎn)向高水平，女生更容易穩(wěn)定在低水平或由高水平轉(zhuǎn)向低水平。

有研究表明，學(xué)生智力水平高低與性別無顯著相關(guān)，但學(xué)業(yè)成績與性別有顯著相關(guān)。男生在理科科目的學(xué)習(xí)上更占優(yōu)勢，女生在文科科目的學(xué)習(xí)上更占優(yōu)勢^[13]。學(xué)者們從生理結(jié)構(gòu)、成就目標(biāo)、歸因模式、社會期待等方面合理解釋了產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因?；瘜W(xué)宏微結(jié)合知識的學(xué)習(xí)對空間知覺和空間視覺化能力要求較高，男生更擅長對微觀粒子進行抽象理解，用符號進行表征，以宏微結(jié)合的視角認(rèn)識化學(xué)變化。

3.3 不同潛在轉(zhuǎn)變模式下化學(xué)成績差異分析

四種潛在轉(zhuǎn)變模式的學(xué)生人數(shù)在化學(xué)成績的分布見表7所示，數(shù)據(jù)顯示，化學(xué)成績×潛在轉(zhuǎn)變模式的卡方檢驗結(jié)果顯著（χ²=219.09，p<0.01）。化學(xué)成績較低的學(xué)生更容易穩(wěn)定在低水平或從高水平降到低水平。化學(xué)成績優(yōu)異或中等的學(xué)生更容易穩(wěn)定在高水平或從低水平升到高水平，且在低轉(zhuǎn)高水平組所占人數(shù)比例最大的是化學(xué)成績中等的學(xué)生（70.45%）。

“化學(xué)觀念”反映了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的學(xué)科特質(zhì)，以宏微結(jié)合的視角認(rèn)識物質(zhì)及其變化，形成化學(xué)觀念，為學(xué)生掌握化學(xué)知識體系，結(jié)合化學(xué)學(xué)科特征解決實際問題提供了可能?！翱茖W(xué)思維”“科學(xué)探究與實踐”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”體現(xiàn)了作為科學(xué)課程重要組成部分的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的領(lǐng)域特質(zhì)，基于證據(jù)推理、建構(gòu)模型等對學(xué)生化學(xué)宏微結(jié)合能力水平提出了更高的要求。從不同素養(yǎng)維度均衡發(fā)展，提升化學(xué)成績，能有效促進學(xué)生化學(xué)宏微結(jié)合能力水平的發(fā)展。

4 結(jié)論與啟示

通過對初中生不同水平、不同性別、不同學(xué)業(yè)成績在化學(xué)宏微結(jié)合能力水平潛在轉(zhuǎn)變的實證研究，為化學(xué)教學(xué)中發(fā)展初中生化學(xué)宏微結(jié)合能力水平提供了有益啟示。

4.1 依據(jù)學(xué)生水平差異，實現(xiàn)精準(zhǔn)干預(yù)促進水平進階

基于實證數(shù)據(jù)，識別出屬于低水平穩(wěn)定組的學(xué)生，針對其穩(wěn)定性較弱的特點進行合適的引導(dǎo)和干預(yù)，促使其向高水平轉(zhuǎn)變。識別出高轉(zhuǎn)低水平組的學(xué)生，對他們給予充分的重視與關(guān)心，診斷干預(yù)，精準(zhǔn)施策，抑制其向低水平轉(zhuǎn)變。識別出屬于低轉(zhuǎn)高水平組和高水平穩(wěn)定組的學(xué)生，合理施策，促使他們從低水平轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚交蚍€(wěn)定在高水平。根據(jù)不同潛在轉(zhuǎn)變組學(xué)生的特點，通過構(gòu)建教學(xué)主線、精選情境素材、問題引領(lǐng)活動、設(shè)計創(chuàng)新實驗和重視內(nèi)容結(jié)構(gòu)化^[15]等措施精準(zhǔn)干預(yù)幫扶，促進學(xué)生化學(xué)宏微結(jié)合能力水平的發(fā)展。

4.2?利用學(xué)生性別差異，開展小組合作實現(xiàn)優(yōu)勢互補

數(shù)據(jù)表明，男生在學(xué)習(xí)宏微結(jié)合相關(guān)知識上具有顯著優(yōu)勢。男生和女生在認(rèn)識、分析和解決問題的視角與方式上不盡相同，化學(xué)宏微結(jié)合能力水平也有所差別。在思維方式、文化背景、社會期待等因素的影響下，男生更容易穩(wěn)定在高水平組或從低水平轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚?。可以利用性別差異，男女搭配劃分小組。在分工與合作完成學(xué)習(xí)任務(wù)的過程中，加強男生和女生的溝通與交流，進行良性競爭與合作，共享學(xué)習(xí)成果。

4.3?正視學(xué)生學(xué)業(yè)差異，實現(xiàn)分層教學(xué)提升學(xué)業(yè)質(zhì)量

數(shù)據(jù)表明，化學(xué)成績對學(xué)生宏微結(jié)合能力水平的發(fā)展存在顯著性差異，化學(xué)成績優(yōu)異的學(xué)生發(fā)展宏微結(jié)合能力水平更具優(yōu)勢。在低轉(zhuǎn)高水平組人數(shù)比例最高的是化學(xué)成績中等的學(xué)生。教師在開展素養(yǎng)導(dǎo)向教學(xué)時要“抓兩頭，帶中間”，以大概念為統(tǒng)領(lǐng)，科學(xué)制訂教學(xué)目標(biāo)，分層組織教學(xué)活動。通過化學(xué)實驗引導(dǎo)學(xué)生探究，基于證據(jù)進行推理。借力信息技術(shù)實現(xiàn)微觀粒子可視化，以宏微結(jié)合的視角認(rèn)識化學(xué)變化，形成化學(xué)觀念，解決實際問題。通過動畫模擬幫助學(xué)生建立模型，搭建宏微橋梁，解釋宏觀現(xiàn)象，揭示微觀本質(zhì)。開展跨學(xué)科實踐活動，多維度、多途徑助推學(xué)生化學(xué)學(xué)業(yè)質(zhì)量的提升以及化學(xué)宏微結(jié)合能力水平的發(fā)展。

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