高考化学题库内部结构的设计

北京 刘雅莉 赵海燕

题库建设是一项长期艰巨的系统工程，需要各学科专家、测量专家和编程专家协同攻关，但针对具体学科而言，题库建设需要经历三个阶段，一是内部结构的设计阶段、二是试题的制作及审核阶段、三是按编程要求入库阶段。第一阶段工作是指导后续阶段工作的理论依据，既决定着试题制作程序的科学性和统筹性，又决定着组卷程序的可操作性和准确性。题库内部结构包括试题的参数指标系统和试题在各个指标上的分布状况两部分内容，在其设计的过程中，因各学科的体系和考试方式存在差异，所遇到的问题和解决问题的策略更具有学科特色。本文从化学学科的视角，围绕化学学科考试体系所具有的特性，重点探讨化学试题库中内部结构的设计过程。

1 化学试题参数指标系统的设计过程

设计试题参数指标系统是为了建立题库中试题的存储方式和调用方式，以确保题库中试题分类准确、定位精确和存取便捷。试题参数指标系统只有准确详实地描述出试题的特征，才能有助于题库精准地存储和调用试题，因此，分析和梳理学科考试特色和试题特征是设计学科适用型试题参数指标系统的关键。

1.1 分析化学学科考试体系所具有的特性

一般情况下，试题参数指标系统是以各科的课程标准、学科教材和考试说明的内容要求作为设计的依据，但化学学科的考试体系具有一定的独特性，不能简简单单地套用和照搬。下面通过与数学、物理等学科的比较来分析化学学科所具有的特性。

1.1.1 考试内容构建方式相对独特，与教材中知识结构的关联度小

在《普通高等学校招生全国统一考试北京卷考试说明(理科)》(以下简称《考试说明》)中，数学和物理等学科的考试内容是以教材各章节的基本框架为蓝本构建的，即考试内容的知识结构与教材中所学的知识结构基本一致，考试内容所划分的知识板块也与教材所学的各章节的知识板块基本接近。而化学的考试内容是根据化学学科特点将教材知识拆解、分类、重组和整合，由基本概念和原理、常见无机物及应用、常见有机物及应用和化学实验等四个知识板块构建而成。化学不采用教材基本框架构建考试内容的主要原因是教材的知识结构松散，点多面广，缺少主线贯穿。

1.1.2 知识板块的性能相对独特，各知识板块间相互依存

在《考试说明》中，数学和物理等学科所划分的知识板块具有相对的独立性、系统性和完整性，且各知识板块之间的相互关联度和相互依存度较小，比如物理中力学、电学、光学、热学等知识板块自成体系，相互间没有太多的牵连。而化学所划分的知识板块表观上相对独立，但实际上，各知识板块间相互依存和相互交错，有着较强的关联性，如对基本概念和原理的理解和运用，必然是以无机物或有机物为载体揭示基本概念和原理的本质；同样，对化学实验的认知，必然涉及基本概念和原理，以及无机物等知识板块的运用。

1.1.3 命题方式相对独特，试题呈现出点多面广、综合性强的特点

数学和物理等学科采用围绕一个知识板块纵深发展的命题方式，即按单一知识板块的内容进行独立地、系统地命题，较少将不同知识板块的知识融合考查。而化学学科由于知识板块缺乏独立性，高考试题数量又较少，故采用将不同知识板块横向综合的命题方式，即以元素化合物知识为载体，从素材情境中提取化学问题，将不同知识板块的内容整合和关联进行命题。这种横向综合的命题方式不仅在知识考查层面上呈现较强综合性，而且在能力和方法考查层面上也显示出较强综合性。

上述对比分析表明，化学考试内容的强关联性和试题的强综合性是化学学科考试所具有的特性。这些特性致使试题的内容和结构特征比较复杂，增加了试题参数指标系统的设计难度，仅凭借常用的试题参数指标不能完整准确地反映出化学试题的内容和结构特征。

1.2 结合化学考试体系的特性设计试题的参数指标系统

由于化学考试内容的强关联性和试题的强综合性，在编制化学试题时，要充分考虑能力要求、学科方法、元素布局、知识内容、知识地位、情境设置、难度预控、题型选择、时间和分值分配等技术要素的相互协调与配合。这些要素具有不同的性能，可从不同维度描述化学试题的内容和结构特征。结合化学学科特性，分析和权衡各技术要素的性能，剔除时间、分值、知识地位等具有依附性的要素，将反映学科特色的要素和反映试题特征的要素设计成化学试题参数指标，共有6个：①能力指标；②化学思想方法指标；③内容指标；④素材情境指标；⑤预估难度指标；⑥题型指标。下面针对指标的内容和编码分别加以说明。

1.2.1 能力指标

“能力立意”是高考命题的指导思想，确定试题的能力考查目标是以能力立意命题的首要工作。作为题库的能力指标，应对所要考查的能力结构进行深入细致的界定和划分，使其具有较强的可操作性，以利于题库中试题的命制、存储和调用。针对化学学科而言，若单以《考试大纲》对化学学科的能力要求作为化学题库的能力指标存在一定的局限性，从划分层面看，《考试大纲》对化学学科的能力要求分为三项：一是接受、吸收、整合化学信息的能力；二是分析问题和解决(解答)化学问题的能力；三是化学实验与探究能力。这种划分方式过于精练，涵盖的能力因素过于综合，对能力的理解和应用易出现偏差。从操作层面看，前两项能力彼此之间有一定联系，标定试题时很难拆分或独立界定，易造成试题的能力定位雷同，不利于试题的存储和调用。为此，我们先归纳分析北京卷高考化学试题测量的能力结构与考查核心知识的思维层次之间的关系和规律，并提炼《高中化学课程标准(实验)》中主体内容所蕴涵的能力因素，对化学的能力要求进行调整、分解和重组，划分出四项相对独立的、适用于不同功能试题的能力要求：①理解和简单应用能力；②关联和迁移能力；③推理和论证能力；④实验和探究能力。表1中罗列出能力要求中各种能力的名称、简单定义和适用范围，关于能力要求的详细解释在此不进行深入阐述。然后借鉴SOLO分类理论，将学生解答试题所达到的思维层次进行分类，关于思维层次中各要素的解释见表2。最后将能力要求和思维层次组合为二维结构作为化学题库的能力指标，其模型用二维坐标表示(如图1所示)。这样设计的化学能力指标从认知角度对能力要求作了细致划分，由学生解答化学问题所需要的思维层次来确定能力水平，不仅直观反映出对学生思维层次和能力水平所需达到的深度和广度的考查要求，而且确保试题的能力结构合理，能力分类更加清晰、精确。

表1 能力要求

表2 思维层次

图1 能力指标

确定能力指标的内容结构后，还需要对能力指标进行编码，以便标定试题在该指标上的位置，从而使题库中的试题在计算机上能有序存储，也使计算机能按编码要求准确方便地调取试题。化学能力指标为二维结构，采用二维坐标系以(x，y)确定某一点位置的方法编码，即用(思维层次代码，能力要求代码)标记试题的能力指标。具体做法是将思维层次中单一结构的代码标记为1，多元结构的代码标记为2，关联结构的代码标记为3，拓展结构的代码标记为4；同理，将能力要求中的理解和简单应用能力的代码标记为1，关联和迁移能力的代码标记为2，推理和论证能力的代码标记为3，实验和探究能力的代码标记为4。若某一试题的能力指标的编码是(3，3)，说明该题考查的是推理和论证能力，且学生的思维层次需达到关联结构的水平。

1.2.2 化学思想方法指标

在命制化学试题的过程中，化学思想方法起着举足轻重的作用，它是将能力立意的命题思想具体化和方法化的关键支撑架，也是反映试题学科特征的重要指标之一。将《考试说明》中对化学思想方法的要求进行条理化分类，设计成题库的化学思想方法指标，共分为两级指标，其分类和编码([ ]中的数字为代码,下同)见表3。

表3 化学思想方法指标

1.2.3 内容指标

设计内容指标的主要目的是为了掌握考试内容覆盖程度和知识内容的分布情况。内容指标的设计一般是按照《考试说明》中考试内容的知识体系或教材的知识体系分类和确定级别。由于化学知识板块具有强关联性和考试内容具有强综合性，若照搬《考试说明》中考试内容的知识体系，就无法准确地统计和控制试题内容的分布，也无法准确快捷地调用试题和组配试卷。为解决上述问题，我们按学科特点和考试内容的特点对化学试题进行分类(如图2 所示)。

图2 化学试题按学科特点和考试内容的特点分类

根据分类情况，将无机、有机和实验相关的考试内容作为一级指标；再根据它们各自知识体系的特点，对《考试说明》的考试内容重新梳理，去除部分具有依附性的知识或次要知识，提取知识板块中逻辑性相对较强或相对独立的核心知识，以及整合能关联的主干知识，将它们设计为二级指标。其中有机的二级指标为一维结构，罗列的是有机的核心知识，而无机和实验的二级指标为二维结构，一维代表的是元素及其化合物，另一维代表的是无机或实验的核心知识。这样设计的原因是无机类和实验类的试题多数是以元素及其化合物为载体命制相关的核心知识，将元素作为独立因素，利于识别，可以有效地控制和避免选取的元素及其化合物雷同或重叠。

关于内容指标的编码相对复杂一些，一级指标中无机内容的代码标记为1，有机内容的代码标记为2，实验内容的代码标记为3；二级指标中有机核心知识的代码从①开始依次编排，无机和实验均采用(元素代码，核心知识代码)方式编码，其中元素代码用元素符号标记，核心知识的代码从①开始依次编排。

1.2.4 素材情境指标

化学试题多数是以素材情境为命题的切入点，将其承载的化学问题与化学知识、学科方法、学习能力有机融合在一起，考查学生的化学素养，因此，素材情境的选取优化和呈现方式直接影响试题的内在品质和外在特征。素材情境的分类方法有多种，如情境的取材、情境的来源、情境的类型、情境的呈现方式和情境的作用等，考虑到一套试卷中素材情境的选材和呈现方式应丰富多彩，才能从不同角度有效地考查学生接受、吸收、整合信息的能力，故将情境的选材和呈现方式进行整合，设计成题库的素材情境指标。素材情境指标的分类和编码是工艺流程-[1]、实验现象与装置-[2]、数据分析-[3]、图表分析-[4]、文字表述-[5]、示意图-[6]和实物模型-[7]。

1.2.5 预估难度指标

作为高考试题，其难度控制极为重要，关系到社会稳定和录取工作的顺利开展。一般情况下，难度级别分为易 [0.7，1)、中等[0.4，0.7)、较难[0.2，0.4)、难(0，0.2)四档。化学也借用这四档难度级别作为预估难度指标，其编码是将易题的代码标记为1，中等难度题的代码标记为2，较难题的代码标记为3，难题的代码标记为4。划分难度级别相对容易，但人为预估难度是极其困难的，在真正操作中，还要以化学知识点的自然难度作为定位点，以历年高考化学试题的难度统计作为参照标准，并综合考虑主干知识的习题效应、试题内容的综合度、试题包装形式和情景陌生度等因素来衡量和预估难度的级别。

1.2.6 题型指标

题型不同，测试的功能也不同，故题型是题库必须设置的指标。从试题形式上分类，化学试题只有两种题型，一种是单项选择题，另一种是非选择题(以填空形式呈现的主观题)，从学科特点和内容呈现方式上分类，化学试题还可分为推断题、实验题、计算题、情境题等题型。由于按学科特点和内容呈现方式划分的题型，其所涵盖的内容可由内容指标或素材情境指标准确反映出来，故在化学题库中只将按试题形式划分的题型作为题型指标，其中单项选择题的代码标记为1，非选择题的代码标记为2。

1.3 按照参数指标代码编制试题编码

题库试题是按照统一编码规则进行试题编码，以标记试题的属性和存储位置。试题编码是由一系列代码组成，不仅包括参数指标代码，还包括题号、日期、答题时间等诸多代码，在此只介绍用试题参数指标代码编制化学试题编码的规则。其编码规则是按照能力、化学思想方法、内容、素材情境、预估难度和题型的指标代码从左往右的顺序编制化学试题的参数信息。下面列举一道化学试题加以说明。

例题：人工光合作用能够借助太阳能，用CO2和H2O制备化学原料。图3是通过人工光合作用制备HCOOH的原理示意图，下列说法不正确的是 ( )

图3 人工光合作用制备HCOOH

A. 该过程是将太阳能转化为化学能的过程

B. 催化剂a表面发生氧化反应，有O2产生

C. 催化剂a附近酸性减弱，催化剂b附近酸性增强

试题编码：(3，2)2③ 1(C，④)621

从左往右顺序说明：(3，2)为能力指标代码，表示考查达到关联结构的思维水平，以及关联和迁移能力；2③为化学思想方法指标代码，2表示一级指标“联合思想”，③表示二级指标，即“联合思想”的子指标“分解和组合相结合”；1(C，④)为内容指标代码，1表示内容的一级指标“无机”，(C，④)表示内容的二级指标，其中C表示碳元素，④表示电化学理论知识；6为素材情境代码，表示示意图；2为预估难度指标代码，表示该题属于中等难度题；1为题型代码，表示单项选择题。

历经学科特性分析、试题参数指标的设计和试题编码三个环节初步建立了符合化学学科特性的试题参数指标系统。该指标系统从理论层面上看，基本涵盖了化学试题的特征和测量性能，但从操作层面上看，其操作性能还需要在试题制作、存储和调用试题的过程中加以检验，并不断进行调整、修订与完善。在试题参数指标系统中除了设计指标及其编码外，还应有详实的解释和使用说明，以便命题专家查阅和使用。

2 试题在各个指标上的分布状况的设计过程

设计试题在各个指标上的分布状况，其目的是确定题库的试题总量和确定在各个试题参数指标上题量分配比例，以确保题库中的试题结构分布合理，数量充分，题量分布合理，为制定命题计划和组配试卷打好基础。

2.1 确定化学题库的试题总量

一般情况下，一个教育考试题库的试题总量不少于 1 500题。因化学知识点琐碎且数量多，试题又是由多知识点关联综合而成，故不能单纯按照《考试说明》中考试内容的要求和知识点的数量来确定题库中化学试题的总量。我们根据重点元素在不同知识板块中出现的概率，通过排列组合的方式来确定题库试题总量，经粗略统计，题库中化学试题的总量在不少于2 000题的前提下，才能达到按要求调用试题组配试卷的目标。

2.2 题量分配比例的设计

在化学试题总量确定之后，还要在能力层次、内容类别、难度水平和题型等试题参数指标上确定题量的分配比例。

2.2.1 在能力指标上题量的分配

能力指标中思维层次的分布比例与考查的知识难度、能力水平密切相关。思维层次不同的试题在试卷中所起的作用不同，控制着试题的难度结构和能力结构，也决定着命题取向和策略。单一结构试题用于安抚学困生，拓展结构试题用于选拔尖端生，这两类试题面对的学生群体比例均较少，故这两类试题所占比例不能太高；而多元结构试题和关联结构试题用于区分处于中等水平的学生群体，这类学生所占比例很大，故调控好多元结构和关联结构的试题比例最为关键。基于以上观点，我们确定单一结构试题和拓展结构试题各占10%，多元结构试题和关联结构试题各占40%。

2.2.2 在内容指标上题量的分配

从新课程内容改革角度看，不仅有机知识内容的比重增大，而且对实验能力的要求也进一步提升。从新课程高考化学试题结构上看，7道选择题中有1道有机题，2道实验题，4道无机题；4道非选择题中有机题和实验题各有1道，无机题有2道。在衡量各类知识的权重和分析知识地位的基础上，根据试卷结构特点和各类试题所占分值比例，确定在内容指标上题量的分配是无机内容的试题占50%，有机内容的试题占23%，实验内容的试题占27%。上述分配比例是以知识类型作为确定的标准，实际上，由于试题的强综合性，还需从元素的角度进一步细化考虑。

2.2.3 在难度指标上题量的分配

历年来，化学试题的总难度系数基本维持在0.60±0.02之间，选择题的难度系数维持在0.70±0.02之间，非选择题的难度系数维持在0.53±0.02之间。若想实现上述难度控制，必须设计好难度布局，难度布局的好坏与预估难度的精准性和各难度级别试题所占分值有极大的关系。根据北京八年的高考化学试题实测难度指标和分配比例的经验，易题占40%，中等难度题占35%，较难题占15%，难题占10%，才能保证化学试题总难度在0.60±0.02之间维持稳定。

3 化学试题库内部结构的概述

在学科特征方面，化学不同于数学和物理等理科学科，考试内容的强关联性和试题的强综合性使化学考试具有独特性，只有客观充分地分析化学学科的特点和考试特性，才能建立适用于化学学科的题库内部结构。

在化学题库的内部结构中试题参数指标系统包含6个化学试题参数指标的分类和编码，以及按试题参数指标代码设计的化学试题编码规则等一系列内容。该系统中指标分类和编码的具体内容：(1)能力指标按思维层次和能力要求构成的二维结构进行分类，其中思维层次包括单一结构、多元结构、关联结构和拓展结构，依次用1、2、3、4标记，能力要求包括理解和简单应用能力、关联和迁移能力、推理和论证能力及实验和探究能力，也依次用1、2、3、4标记，采用(思维层次代码,能力要求代码)的编码方式标记试题的能力指标；(2)化学思想方法指标分为两级，将转化思想、联合思想和辩证思想作为一级指标，依次用1、2、3标记，再把转化思想、联合思想和辩证思想中各自具体要求作为二级指标，用①②……标记，采用诸如1②、3①的编码方式标记试题的化学思想方法指标；(3)内容指标分为两级，一级指标按试题特点分类，分别是无机内容、有机内容和实验内容，依次用1、2、3标记，有机的二级指标列出的是有机核心知识，用①②……标记，无机和实验的二级指标列出的是由元素类别和相关核心知识构成的二维结构内容，用(元素符号，核心知识代码①②……)方式标记，因此，内容指标的编码有两种形式，一种是针对有机类试题的内容，采用如2①的编码方式标记，另一种是针对无机和实验类试题的内容，采用诸如1(元素符号，②)或3(元素符号，①)的编码方式标记；(4)素材情境指标分为7个，分别是工艺流程、实验现象与装置、数据分析、图表分析、文字表述、示意图和实物模型，依次用1、2、……、7标记；(5)预估难度指标分为易、中等、较难、难四个等级，依次用1、2、3、4标记；(6)题型指标分为选择题和非选择题两类，依次用1、2标记。上述6个试题参数指标能较准确地反映出化学学科特征和化学试题特点，再按照能力、化学思想方法、内容、素材情境、预估难度和题型的指标代码从左往右的顺序编制试题编码，就可以在参数指标系统中确定化学试题的存储状态，也可以按编码规则调用化学试题。