基于DINA模型高中生化學鍵概念群學習的認知診斷

王利敏 秦璐 閆春更 周青

摘要：基于DINA認知診斷模型，對高中生“化學鍵”概念群的學習進行認知診斷。根據診斷結果繪制出了學生“化學鍵”概念群學習路徑圖，形成了學生個體診斷報告，詳細展現了學生“化學鍵”概念群學習的認知水平與障礙點。

關鍵詞：化學鍵；認知診斷；DINA模型

文章編號：10056629（2023）06001407中圖分類號：G633.8文獻標識碼：B

認知診斷是對學生已有知識結構和加工技能的診斷評價。通過設計具有診斷功能的測驗試卷診斷出學生已有知識及技能發展水平，得到學生需要補救哪些知識或技能、使用了哪些錯誤的解題策略等信息，可以幫助教師調控和改進教學，使教學更具有針對性，幫助學生發展高階的信息加工能力，形成完整的認知結構，促進學生的發展^［1～3］。

“化學鍵”概念群是高中化學課程的核心概念。高中必修階段“化學鍵”概念群包括“共價鍵”“離子鍵”“極性共價鍵與非極性共價鍵”“離子化合物與共價化合物”“電子式”等多個抽象的概念，各概念之間緊密聯系形成了環環相扣的概念群?；凇盎瘜W鍵”概念群的學習，學生對物質構成的認識能從“物質由微觀粒子構成”水平進階至“微觀粒子如何構成物質”的層次；學生能從化學鍵類型的角度進一步對化合物進行分類，豐富學生對物質多樣性的認識；能從過程角度理解化學反應的本質以及化學反應伴隨能量變化的原因；能進一步形成認識物質結構的概念基礎，增進對“物質結構決定性質”的認識；能奠定學習有機化學的基礎^［4，5］。因此，“化學鍵”概念群的學習對高中階段發展學生學科核心素養具有十分重要和基礎性的作用。

學生在學習高中必修階段“化學鍵”概念群的過程中普遍存在認知困難。有大量研究者對學生學習“化學鍵”內容的學習困難進行了研究，為“化學鍵”教學提供了一些啟示，但是對于學生“化學鍵”概念群的認知結構及其學習路徑的研究未見報道^［6］。本研究希望利用認知診斷測評技術精確地測量學生“化學鍵”概念群的認知結構，得到學生“化學鍵”概念群的學習路徑，為教師提供學生群體及個體詳細的診斷反饋信息，以便教師設計更加優化的教學方案，促使學生達成“化學鍵”的深度學習。

1 認知診斷模型的選擇

認知診斷的實現是以認知診斷模型為基礎的^［7］。目前，應用較為廣泛的認知診斷模型主要有規則空間模型（Rule Space Model，RSM）和決定性輸入噪聲與門模型（Deterministic Input，Noisy “And” Gate Model，DINA），相較于RSM，在相同條件下DINA模型的診斷正確率更高，并且更為簡潔^［8，9］。因此，本文選擇DINA模型開展認知診斷研究。

運用DINA模型進行認知診斷時的原理可以表示為：P（X_ij=1｜α_i）=（1-s_j）^ηijg^1-ηij_j，P（X_ij=1|α_i）是屬性掌握模式，為α_i的學生答對j項目的概率，由兩部分決定，一是學生理想反應得分ηij，如果學生i掌握了項目j所測量的所有屬性，則ηij取值為1，若沒有全部掌握，則取值為0；另一部分為項目的失誤參數s_j和猜測參數g_j，如果學生掌握了項目所考查的所有屬性，但作答時有所失誤，此時學生答對該項目的概率為（1-s_j）。如果學生沒有掌握項目所考查的所有屬性，但可能會猜對，這時學生答對該項目的概率為g_j^{［10～12］}。

2 “化學鍵”概念群認知屬性及屬性層級關系的確定

認知屬性是指學生在解決問題時所需的知識、技能和策略等，各認知屬性之間存在著一定的邏輯順序或層級關系^{［13，14］}。依據（1）《普通高中化學課程標準（2017年版）》中必修階段“化學鍵”知識內容的要求；（2）近十年廣東省所用高考試題中必修階段“化學鍵”內容的考查要點；（3）人民教育出版社2007年版《普通高中課程標準實驗教科書·化學2（必修）》和2019年版《普通高中教科書（化學）·必修第一冊》中“化學鍵”知識點，一位課程與教學論專業教授及兩位高中化學高級教師確定了“化學鍵”概念群所包含的認知屬性及屬性層級關系。

“化學鍵”概念群認知屬性包括C1（化學鍵）、C2（離子鍵）、C3（共價鍵）、C4（離子化合物和共價化合物）、C5（極性鍵與非極性鍵）、C6（電子式）六個方面的內容，具體描述見表1。

“化學鍵”概念群中各概念之間的層級關系為：化學鍵（C1）是學生掌握該概念群中其他概念的先決條件。學生在理解化學鍵概念的基礎上，進一步掌握離子鍵（C2）和共價鍵（C3）。學生在掌握共價鍵（C3）的基礎上掌握極性鍵與非極性鍵（C5）。學生在掌握離子鍵和共價鍵后，依據物質所含化學鍵的類型辨析離子化合物和共價化合物（C4）。學生在能正確判斷物質所含化學鍵類型和物質類別的基礎上使用電子式（C6）規范表達某一物質或物質的形成過程?！盎瘜W鍵”概念群屬性層級關系見圖1。

3 認知診斷試卷的編制

3.1 建立理想掌握模式

“化學鍵”概念群中包括6個屬性，若對其簡單排列組合，可以得到2⁶=64種屬性的組合方式，在依據屬性層級結構剔除不合邏輯的組合方式后，最終可以確定符合邏輯順序的理想掌握模式為11種，見表2。每一種理想掌握模式可以表示一種學生的認知結構。例如，“100000”代表學生已掌握C1化學鍵，沒有掌握其他內容的情況；“110000”代表學生已掌握C1化學鍵和C2離子鍵，沒有掌握其他內容的情況。

3.2 建立典型項目考核模式

典型項目考核模式是根據屬性層級關系確定的符合邏輯順序的測驗項目類型，與理想掌握模式十分類似，但缺少全為0的這種模式，這是因為在掌握模式中學生存在全部屬性都沒掌握的情況，但在測驗項目中，不會存在一個屬性都不考察的項目^［15］。例如典型考核模式為“110000”代表了考查C1化學鍵和C2離子鍵，沒有考查其他內容的題目類型。

3.3 編制試卷及數據收集與處理

依據10種典型項目考核模式，由一線教師和學科專家從高考題、教材課后習題中選編試題，對編制的試題審閱后確定了21個項目組成認知診斷試卷，其中有17道選擇題、3道填空題和一道簡答題。選取深圳市某中學高二年級學生共398人為研究對象，398人中涵蓋各水平層次的學生且分布較為均衡，學生在進行測試前已學習完必修階段“化學鍵”知識的全部內容，最終回收有效卷共387份。對387份有效卷中所有題目采用0～1計分，答對計1分，答錯計0分，將數據導入SPSS20.0、認知診斷分析平臺（flexCDMs）中進行數據分析。

4 試卷質量分析

4.1 信度

利用SPSS20.0軟件對診斷試卷進行內部一致性分析，Cronbach α系數為0.810，說明試卷信度良好。

4.2 屬性層級關系的HCI指標

HCI指標可以反映被試在進行項目作答時遵循的認知規律與確定的屬性層級關系之間的對應關系，其取值范圍為［-1，1］，值為-1表示完全不擬合，值為1表示完全擬合^［16］。利用認知診斷分析平臺得出全體被試的平均HCI指標為0.39，表示所確定的“化學鍵”屬性層級關系模型-數據擬合良好。

4.3 DINA模型參數估計

基于DINA模型進行認知診斷時，當測試項目的失誤參數s_j<0.4，猜測參數g_j<0.4，1-s_j>g_j時認為項目參數符合要求^［17］。在認知診斷分析平臺中對各項目進行參數估計，表3為所有測試項目的失誤參數和猜測參數。由表3可見，21個項目中20個項目滿足1-sj>gj，20個項目的猜測參數g_j小于0.4，19個項目的失誤參數sj小于0.4，說明絕大多數項目參數符合要求。

5 診斷結果及討論

5.1 高中生“化學鍵”概念群學習的基本情況

利用認知診斷分析平臺使用最大后驗概率估計（MAP算法）得到學生屬性掌握模式分類統計結果見表4，387名學生的屬性掌握模式全部歸類到了11種理想掌握模式中。

有3%的學生化學鍵概念群學習的掌握模式為000000，即這些學生沒有理解化學鍵概念，對物質構成的認識沒有提升，意識不到構成物質的微粒間存在相互作用，也無法理解化學反應的本質是舊鍵的斷裂和新鍵的形成，以及化學反應為什么伴隨著能量變化。

有38%的學生化學鍵概念群學習的掌握模式為110000、 101000、 101010和100000，即這些學生理解、掌握了化學鍵概念，但是沒有掌握離子鍵概念（101000、 101010）或共價鍵概念（110000），或是兩個均沒有掌握（100000），這些學生能夠認識到微粒間存在相互作用，但無法理解微粒間兩種不同的相互作用——原子間共用電子對形成的作用力與陰陽離子間的作用力二者的本質區別，或是沒有理解共價鍵或離子鍵概念的本質屬性和形成過程。

有34%的學生化學鍵概念群學習的掌握模式為101000、 111100、 111101和111000，這些學生掌握了化學鍵與共價鍵概念，知道微粒間存在相互作用，并知道原子間通過共用電子對形成的相互作用是共價鍵，但沒有理解極性共價鍵和非極性共價鍵的定義，沒能理清共用電子對的偏移與共價鍵極性的關系。

有20%的學生化學鍵概念群學習的掌握模式為111000、 111010，這些學生掌握了化學鍵概念、離子鍵和共價鍵概念，能夠認識到微粒間存在相互作用，能對微粒間兩種不同的相互作用進行區分，并且理解了離子鍵和共價鍵的本質屬性和形成過程，但是無法判別簡單的離子化合物和共價化合物，不能根據物質中化學鍵的類型進行物質分類。

有23%的學生化學鍵概念群學習的掌握模式為111100、 111110，這些學生掌握了化學鍵、離子鍵、共價鍵、離子化合物和共價化合物，能夠認識到微粒間存在相互作用，能對微粒間兩種不同的相互作用進行區分，并且理解了離子鍵和共價鍵的本質屬性和形成過程，能判別簡單的離子化合物和共價化合物，能根據物質中化學鍵的類型進行物質分類，但是無法用電子式表示物質或物質的形成過程。有10%的學生化學鍵概念群學習的掌握模式為111111，這些學生掌握了“化學鍵”必修階段的所有基本概念。

5.2 學生“化學鍵”概念群學習路徑圖

基于DINA模型的認知診斷不僅能反饋學生概念掌握情況的信息，還可以為學生學習和教師教學提供學生“化學鍵”概念群的學習路徑。學習路徑是在理論上描述學生學習過程中由掌握較少概念向掌握全部概念狀態的可操作路徑，反映學生學習某一內容時的認知發展過程。根據診斷出的學生屬性掌握模式之間的包含關系，刻畫出“化學鍵”概念群學習路徑圖見圖2。

根據學生的屬性掌握模式之間的包含關系，可以分析出7條從化學鍵到電子式的學習路徑，見表5。由表5可知，在“化學鍵”概念群的學習過程中，學習路徑4上的學生人數最多，有265名學生，占總人數的68%，為主要學習路徑。按這條路徑，學生依次掌握化學鍵、共價鍵、極性鍵與非極性鍵、離子鍵、離子化合物和共價化合物、電子式。這一路徑能夠反映大多數學生的思維發展過程，可以為教師設計教學順序提供參考。

5.3 學生個體“化學鍵”概念群學習診斷報告

基于DINA模型的認知診斷還能夠得到學生“化學鍵”概念群個體診斷報告，報告中可以給出學生個體對于“化學鍵”概念群的屬性掌握模式、屬性掌握程度雷達圖、補救路徑以及學生作答測試題的測驗分數和答題情況，表征學生個體對“化學鍵”概念群中6個屬性的掌握情況。表6列出了兩位學生的診斷報告。

5號學生與10號學生的診斷報告中得分相同，但屬性掌握模式與屬性掌握程度雷達圖都不相同。5號學生的屬性掌握模式是100000，表明該學生理解了化學鍵概念，知道微粒間存在相互作用，但對于離子鍵和共價鍵的本質及形成過程沒有理解，無法區分極性鍵與非極性鍵，無法理解共用電子對的偏移與共價鍵極性的關系，不能判別簡單的離子化合物和共價化合物，不能根據物質中化學鍵的類型進行物質分類，不能用電子式表示物質或物質的形成過程。而10號學生的屬性掌握模式是101000模式，表明該學生掌握了化學鍵和共價鍵概念，知道微粒間存在相互作用，并知道原子間通過共用電子對形成的相互作用是共價鍵，但沒有理解極性共價鍵和非極性共價鍵的定義，以及共用電子對的偏移與共價鍵極性的關系，無法理解陰陽離子之間的靜電作用，進而無法判別簡單的離子化合物和共價化合物，不能根據物質中化學鍵的類型進行物質分類，不能用電子式表示物質或物質的形成過程。對比5號學生和10號學生的屬性掌握程度雷達圖，可以看出5號學生對化學鍵掌握最好，對共價鍵掌握最弱，而10號學生對化學鍵和共價鍵掌握得很好，對離子化合物和共價化合物掌握最弱。

根據學生的屬性掌握模式，在“化學鍵”學習路徑圖中進行定位，可以確定出學生進一步完善知識結構的補救路徑。5號學生共有7條補救路徑，例如其中一條為：先補救學習“共價鍵”，再補救“離子鍵”“極性鍵與非極性鍵”“離子化合物和共價化合物”，最后補救“電子式”。10號學生有4條補救路徑，例如其中一條為：先補救“極性鍵與非極性鍵”，再補救“離子鍵”，然后學習“離子化合物和共價化合物”，最后補救“電子式”，實現認知結構的完善。

6 教學建議

6.1 依據學生主要學習路徑組織新課教學

基于認知診斷得出的學生主要學習路徑能夠反映大多數學生的思維發展過程?；诖?，教師在設計以后的新課時，可以依據學生的主要學習路徑調整教材內容的教學順序，設計教學流程及相應的教學活動，落實“以學定教”。例如，上述387名學生的“化學鍵”概念群主要學習路徑為“化學鍵→共價鍵→極性鍵與非極性鍵→離子鍵→離子化合物和共價化合物→電子式”?！盎瘜W鍵”新課教學可以安排為：首先利用相關事實證據幫助學生認識物質是由微粒構成的，微粒間存在相互作用，建立化學鍵的概念；再引導學生分析構成H₂、 HCl等物質的微粒及微粒間作用力的特征，建構共價鍵、極性鍵與非極性鍵的概念；接著分析構成NaCl、 KCl等物質的微粒及微粒間作用力的特征，建構離子鍵的概念；然后結合典型物質的性質表現理解化學鍵類型對物質性質的影響，明確離子化合物和共價化合物的分類標準；最后引導學生在正確判斷物質所含化學鍵類型和物質類別的基礎上用電子式表示物質及其形成過程。

6.2 根據診斷結果規劃補救方案

利用學生的屬性掌握模式歸類結果，將具有相同認知結構的學生歸為一組，基于多種學習路徑設計系列補救教學方案。相比于僅在章節測驗后對學生出錯較多的題目進行講解的補救方式，基于認知診斷的教學補救方案能夠系統地針對不同學生的學習困難進行補救，提高補救教學的針對性和有效性，幫助學生形成完整的知識結構，提高學生遷移知識解決問題的能力。

6.3 應用DINA模型開展教學評價

教師進行日常教學評價時可以嘗試應用DINA模型，以更好地發揮評價的診斷和發展功能。如在某一知識主題的章節測驗中，教師可以以教研組為單位，結合課標、教材等討論確定該知識主題下包括的知識點及知識點之間的層級關系；接著確定理想掌握模式與典型項目考核模式，依據典型項目考核模式編制題目形成章節測驗，使用DINA模型分析測驗結果，科學地診斷學生的認知結構。

參考文獻：

［1］Leighton，J. P.，Gierl M.. Cognitive Diagnostic Assessment for Education： Theory and Applications ［M］. Cambridge，UK： Cambridge University Press，2007： 3～18.

［2］關丹丹. 認知診斷理論與考試評價［J］. 中國考試（研究版），2009，（4）： 8～12.

［3］［14］［15］涂冬波，蔡艷，丁樹良. 認知診斷理論、方法與應用［M］. 北京： 北京師范大學出版社，2012： 1～61.

［4］房喻，徐端鈞. 普通高中化學課程標準（2017版）解讀［M］. 北京： 高等教育出版社，2018： 109～110.

［5］何彩霞. 在多重關聯中探尋知識的意義——以高中《化學2》“化學鍵”單元教學為例［J］. 化學教學，2014，（8）： 46～49.

［6］秦璐，陳曉娜，閆春更等. 基于FLOW MAP的“化學鍵”學習結果測查與多維評析［J］. 化學教學，2019，（2）： 20～25，35.

［7］范士青，劉華山. 常見的認知診斷模型及其比較［J］. 教育測量與評價（理論版），2015，（7）： 4～9.

［8］涂冬波，蔡艷，戴海琦. 幾種常用非補償型認知診斷模型的比較與選用： 基于屬性層級關系的考量［J］. 心理學報，2013，45（2）： 243～252.

［9］蔡艷，涂冬波，丁樹良. 五大認知診斷模型的診斷正確率比較及其影響因素： 基于分布形態、屬性數及樣本容量的比較［J］. 心理學報，2013，45（11）： 1295～1304.

［10］高旭亮，涂冬波. 參數化認知診斷模型： 心理計量特征、比較及其轉換［J］. 江西師范大學學報（哲學社會科學版），2017，50（1）： 88～104.

［11］Junker B.W.，Sijtsma K.. Cognitive Assessment Models with Few Assumptions，and Connections with Nonparametric Item Response Theory ［J］. Applied Psychological Measurement，2001，25（3）： 258～272.

［12］［17］張瀟，沙如雪. 認知診斷DINA模型研究進展［J］. 中國考試，2013，（01）： 32～37.

［13］Leighton J.P.，Hunka G.S.M.. The Attribute Hierarchy Method for Cognitive Assessment： A Variation on Tatsuoka's Rule-Space Approach ［J］. Journal of Educational Measurement，2004，41（3）： 205～237.

［16］Ying C.，Leighton J.P.. The Hierarchy Consistency Index： Evaluating Person Fit for Cognitive Diagnostic Assessment ［J］. Journal of Educational Measurement，2010，46（4）： 429～449.