推進(jìn)實驗教學(xué)數(shù)字化改造 落實教育新基建要求

趙夢

摘 ?要 實驗教學(xué)的數(shù)字化改造，包括數(shù)字化實驗的應(yīng)用推廣、實驗操作過程性記錄的實現(xiàn)和實驗教學(xué)形成性評價的構(gòu)建等項工作。論述通過實驗教學(xué)的數(shù)字化改造，落實《關(guān)于推進(jìn)教育新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè) 構(gòu)建高質(zhì)量教育支撐體系的指導(dǎo)意見》中“創(chuàng)新評價應(yīng)用”要求的必要性和可行性。

關(guān)鍵詞 實驗教學(xué);數(shù)字化改造;數(shù)字化實驗;核心素養(yǎng);教育新基建;數(shù)字檔案;學(xué)生評價;教育裝備管理評價;實驗教學(xué)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)

中圖分類號：G434 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）19-0001-03

0 ?引言

2021年7月8日，教育部等六部門聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于推進(jìn)教育新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè) 構(gòu)建高質(zhì)量教育支撐體系的指導(dǎo)意見》（以下簡稱《意見》）[1]。這是國家繼《中國教育2035》之后，圍繞中國教育未來發(fā)展方向所推出的又一份重磅文件。其中，在重點方向之“（五）創(chuàng)新應(yīng)用新型基礎(chǔ)設(shè)施”標(biāo)題下明確指出要“創(chuàng)新評價應(yīng)用”，并給出具體方略：“創(chuàng)新信息化評價工具，全面記錄學(xué)生學(xué)習(xí)實踐經(jīng)歷，客觀分析學(xué)生能力，支撐各學(xué)段全過程縱向評價和德智體美勞全要素橫向評價。推動學(xué)生數(shù)字檔案在評價中的應(yīng)用，轉(zhuǎn)變簡單以考試成績?yōu)槲ㄒ粯?biāo)準(zhǔn)的學(xué)生評價模式?！惫P者認(rèn)為，上述要求對目前正在研究和試行的實驗教學(xué)數(shù)字化改造具有極大的指導(dǎo)意義。

1 ?實驗教學(xué)的數(shù)字化改造

2019年11月，教育部下發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實驗教學(xué)的意見》[2]，引發(fā)了全國范圍內(nèi)對實驗教學(xué)現(xiàn)狀的討論。筆者通過匯總該文件下發(fā)后各地專家意見，發(fā)現(xiàn)有相當(dāng)比例的專家主張通過對實驗教學(xué)實施系統(tǒng)性的數(shù)字化改造，實現(xiàn)加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實驗教學(xué)的目標(biāo)。所謂實驗教學(xué)的數(shù)字化改造，有三層含義。

1.1 ?普及數(shù)字化實驗系統(tǒng)在中小學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

數(shù)字化實驗，特指以傳感器為實驗數(shù)據(jù)測量手段，以計算機(jī)為實驗數(shù)據(jù)處理平臺，面向真實的實驗對象所完成的實驗，目前已在歐美等發(fā)達(dá)國家的中小學(xué)獲得廣泛應(yīng)用。美國公立和私立高中基本上全部裝備了數(shù)字化實驗儀器，初中的裝備比例也已接近70%。美國大學(xué)預(yù)修課程（Advanced Placement，AP）高中理科教材均引入了數(shù)字化實驗方案，實現(xiàn)了數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗的有機(jī)融合。其中AP物理[3]、化學(xué)[4]和生物教材[5]引入數(shù)字化方案的實驗占比分別為62.5%、37.5%和30.76%。

上海市教委2002年起即通過建立上海市中小學(xué)數(shù)字化實驗系統(tǒng)研發(fā)中心這一專門研究機(jī)構(gòu)，推出了面向上海初高中物理教學(xué)的數(shù)字化實驗手段——數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室（Digital Information System，簡稱“DIS”），并將基于數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室的實驗教學(xué)要求寫入上海中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)。2003年，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗版）》基于上海的實踐經(jīng)驗，專門引入了數(shù)字化實驗內(nèi)容，將其作為改進(jìn)實驗方法、增強(qiáng)實驗效果的重要手段進(jìn)行了特別強(qiáng)調(diào)。

2014年，上海市教委選送的“中學(xué)物理教學(xué)的革新，數(shù)字化實驗系統(tǒng)（DIS）的研發(fā)與應(yīng)用”項目榮獲國家級教學(xué)成果一等獎[6]?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》進(jìn)一步強(qiáng)化了數(shù)字化實驗的育人作用，并提出要注重數(shù)字化實驗室的建設(shè)?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》則首次引入了數(shù)字化實驗。在課標(biāo)改革的影響下，近二十年來納入數(shù)字化實驗教學(xué)內(nèi)容的高中、初中理科和小學(xué)科學(xué)教材已超過20部。

盡管數(shù)字化實驗已經(jīng)初步改變了我國中小學(xué)實驗教學(xué)形態(tài)，但由于缺乏來自頂層設(shè)計的更有力支持，數(shù)字化實驗的教學(xué)應(yīng)用基本上靠課標(biāo)和教材引領(lǐng)，因此，全國范圍內(nèi)各學(xué)段和各學(xué)科之間的普及應(yīng)用水平差異較大。筆者綜合多方研究數(shù)據(jù)估算，目前全國高中階段數(shù)字化實驗的普及率已經(jīng)超過60%，初中階段數(shù)字化實驗的普及率為10%～15%，而小學(xué)階段的數(shù)字化實驗則剛剛開始，普及率不到2%。

除了學(xué)段差異，中學(xué)階段的物理、化學(xué)、生物三科的數(shù)字化實驗普及情況也很不均衡。其中，物理數(shù)字化實驗一直走在各學(xué)科各學(xué)段的前列，化學(xué)數(shù)字化實驗位居其后，而生物數(shù)字化實驗的開展情況則不甚理想，大約僅能達(dá)到物理普及水平的五分之一。數(shù)字化實驗在我國的普及應(yīng)用，有著相當(dāng)大的發(fā)展空間。

1.2 ?促進(jìn)實驗用計算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)和過程性記錄軟件的開發(fā)

相比傳統(tǒng)實驗，數(shù)字化實驗給中小學(xué)理科教學(xué)帶來的提升是全方位的，除了能夠填補(bǔ)傳統(tǒng)實驗的空白之外，還能夠顯著提升實驗質(zhì)量、降低實驗誤差、擴(kuò)展實驗數(shù)據(jù)規(guī)模（數(shù)字化實驗獲取實驗數(shù)據(jù)的能力是人工讀數(shù)的8000倍以上）。數(shù)字化實驗采集到的數(shù)據(jù)均帶有時序信息，更有利于捕捉暫態(tài)現(xiàn)象和進(jìn)行過程性分析，計算機(jī)的輔助可以增強(qiáng)實驗數(shù)據(jù)的顯示效果，大幅提升實驗數(shù)據(jù)的計算效率，所涉及的原理和方法能培養(yǎng)學(xué)生的科技素養(yǎng)和工程學(xué)思維，為學(xué)生掌握和應(yīng)用類似的信息化工具解決工作中的現(xiàn)實問題奠定基礎(chǔ)。由于數(shù)字化實驗儀器設(shè)備本身并不昂貴，故相比其他領(lǐng)域的教育信息化投入，數(shù)字化實驗憑借對學(xué)生科學(xué)認(rèn)知和素養(yǎng)培育的突出貢獻(xiàn)，可穩(wěn)穩(wěn)占據(jù)教育投入效費(fèi)比的前列。

結(jié)合教育新基建要求，筆者認(rèn)為數(shù)字化實驗最大的優(yōu)勢在于：設(shè)備聯(lián)網(wǎng)后，不僅實驗結(jié)果，而且整個實驗過程（包括實驗?zāi)繕?biāo)、實驗原理、實驗裝備、學(xué)生操作、數(shù)據(jù)處理、誤差分析和實驗報告等環(huán)節(jié)）都可以借助計算機(jī)軟件形成完整的過程性記錄。這一方面有助于教師在實驗課上的現(xiàn)場指導(dǎo)和評價，另一方面自動生成學(xué)生實驗的數(shù)字檔案。而且由于該過程記錄涉及學(xué)生身份信息認(rèn)證、實驗時間、實驗地點及實驗設(shè)備等諸多信息，具有極高的可信度，因此，連續(xù)積累的數(shù)字檔案可準(zhǔn)確記錄學(xué)生在校期間的全部實驗教學(xué)經(jīng)歷，對確認(rèn)其相關(guān)資質(zhì)（如畢業(yè)、升學(xué)或申請大學(xué)的某一專業(yè)等）、開展相關(guān)評價、研究其成長歷程等奠定了豐厚的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

將實驗用計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，是上傳學(xué)生實驗操作信息的物理基礎(chǔ)。過程性記錄軟件則是收集和記錄學(xué)生實驗操作信息和結(jié)果信息的工具。兩者結(jié)合，可以在學(xué)生進(jìn)行實驗操作的同時記錄并上傳能夠反映其知識掌握程度、實驗操作水平和科學(xué)思維能力的海量數(shù)據(jù)。據(jù)悉，目前此類軟件不僅可以支持?jǐn)?shù)字化實驗的過程性記錄，而且可以支持非數(shù)字化傳統(tǒng)實驗的過程性記錄，從而實現(xiàn)對各類實驗教學(xué)的兼容。

1.3 ?完善基于云端的實驗教學(xué)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)

經(jīng)過對數(shù)字化實驗設(shè)備的“班—?！獏^(qū)—市”逐級聯(lián)網(wǎng)，中小學(xué)實驗教學(xué)所生成的實驗結(jié)果及過程性數(shù)據(jù)將匯總至云端，構(gòu)成?。ㄊ小⒆灾螀^(qū)）級實驗教學(xué)大數(shù)據(jù)中心。這本身就響應(yīng)了《意見》中關(guān)于“深入應(yīng)用5G、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)作為新型生產(chǎn)要素的作用，推動教育數(shù)字轉(zhuǎn)型”的要求，同時還能在相關(guān)管理系統(tǒng)（軟件）的支持下，成為落實《意見》中“創(chuàng)新評價應(yīng)用”要求的有力工具。

2 ?基于實驗教學(xué)大數(shù)據(jù)，積極開展創(chuàng)新評價應(yīng)用

《意見》將信息技術(shù)的應(yīng)用提到了前所未有的高度，其背后蘊(yùn)含的邏輯在于：信息技術(shù)是全社會、全行業(yè)發(fā)展的倍增器。教育事業(yè)的發(fā)展，必須依賴信息技術(shù)的應(yīng)用，以及應(yīng)用信息技術(shù)之后所獲取的海量數(shù)據(jù)。數(shù)字時代，數(shù)據(jù)為王。這句話直接反映了信息論、控制論等現(xiàn)代思想方法論的精髓——社會及行業(yè)都是系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵在于信息的獲取和應(yīng)用[7]。但相比于課堂教學(xué)和考試測驗，我國中小學(xué)的實驗教學(xué)一直是一個數(shù)據(jù)盲區(qū)，從實驗對象到實驗儀器，再到實驗操作和實驗結(jié)果的整個實驗過程，無法有效生成可供記錄和評價的數(shù)字信息。隨著實驗教學(xué)數(shù)字化改造的推進(jìn)和省（市、自治區(qū)）級實驗教學(xué)大數(shù)據(jù)中心的建立，實驗教學(xué)將成為整個教育系統(tǒng)中最大的數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)者，而且是少有的涉及學(xué)生行為記錄的數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)者。依托實驗教學(xué)所貢獻(xiàn)的數(shù)據(jù)，至少可以開展以下四項具有開創(chuàng)性的評價工作。

2.1 ?基于實時數(shù)據(jù)的實驗教學(xué)的學(xué)情評價

對實驗教學(xué)開展學(xué)情評價，是教育督導(dǎo)部門的重要工作之一[2]。由于實驗教學(xué)的學(xué)情評價包含了實驗教學(xué)的開展時間、內(nèi)容和方法與課程標(biāo)準(zhǔn)及教材要求的對應(yīng)情況等大量、復(fù)雜信息，傳統(tǒng)的教育督導(dǎo)方式難以全面、準(zhǔn)確地予以掌握，往往導(dǎo)致督導(dǎo)流于形式，客觀上為很多基層學(xué)校挪用實驗課時、弱化實驗教學(xué)制造了空間?；跀?shù)字化實驗教學(xué)的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)建立后，可實時動態(tài)顯示區(qū)域內(nèi)各校、各年級、各學(xué)科實驗教學(xué)開展情況，并及時發(fā)出預(yù)警信息，從而為督導(dǎo)工作提供真實、高效的技術(shù)支持，能夠讓督導(dǎo)落到實處。

2.2 ?基于學(xué)生數(shù)字檔案的成長評價

嚴(yán)格意義上講，有了計算機(jī)，學(xué)生的檔案就已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)字化。但是，由于缺少涉及其行為的數(shù)據(jù)記錄，長期以來學(xué)生的數(shù)字檔案除了其個人信息、考試成績和教師的學(xué)期評價表之外，可以說內(nèi)容乏善可陳，檔案數(shù)字化的優(yōu)勢也沒有充分發(fā)揮出來。由于基于數(shù)字化實驗的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)不僅可以采集學(xué)生實驗的結(jié)果信息，而且能記錄其實驗操作的行為及過程，因此，該大數(shù)據(jù)系統(tǒng)可以為學(xué)生的數(shù)字檔案提供空前豐富和全面的數(shù)據(jù)，并足以繪制出學(xué)生的成長畫像。

《意見》指出，要推動學(xué)生數(shù)字檔案在評價中的應(yīng)用，轉(zhuǎn)變簡單以考試成績?yōu)槲ㄒ粯?biāo)準(zhǔn)的學(xué)生評價模式。這一要求的背后是一種有別于傳統(tǒng)考試一考定終身的評價邏輯：基于學(xué)生正常學(xué)習(xí)過程的客觀記錄應(yīng)該在對學(xué)生的評價中占據(jù)一定的權(quán)重，而高一級的學(xué)校可以依據(jù)過程性記錄判斷其是否擁有入學(xué)的必要條件。比如，美國高中沒有針對初中生的實驗操作要求，但高中畢業(yè)生在申請大學(xué)時通常需要提交參加科學(xué)課程（含實驗課程）的相關(guān)證明[8]。與之相仿，英國的GCSE（General Certificate of Secondary

Education，普通中等教育證書）考試也采用了統(tǒng)考與課程作業(yè)相結(jié)合的方式[9]。

因此，在完善學(xué)生數(shù)字檔案的基礎(chǔ)上，學(xué)校和教育部門可以開展針對學(xué)生實驗行為乃至學(xué)習(xí)行為的多維度客觀評價，以該數(shù)字檔案為基礎(chǔ)判定學(xué)生實驗所獲的學(xué)分，并將其作為升學(xué)的依據(jù)提交給上一級學(xué)校，從而實現(xiàn)《意見》中關(guān)于轉(zhuǎn)變以考試成績?yōu)槲ㄒ粯?biāo)準(zhǔn)的學(xué)生評價模式的工作目標(biāo)。

2.3 ?基于大數(shù)據(jù)的教育裝備管理評價

教育裝備管理評價主要包括“建、配、管、用”四個方面，評價的目的在于根據(jù)教育裝備的使用情況，以“用”為基準(zhǔn)，向前追溯“建、配、管”的合理性，不斷調(diào)整裝備政策和標(biāo)準(zhǔn)，在保障教學(xué)實施的基礎(chǔ)上提升裝備投入的效費(fèi)比。受限于以往的調(diào)查和統(tǒng)計手段，以實驗教學(xué)儀器為代表的相當(dāng)比例的教育裝備的使用情況得不到真實反映，“建、配、管”的合理性及其效費(fèi)比也無從判斷。

由于數(shù)字化實驗的過程性記錄軟件能夠自動涵蓋教學(xué)儀器的使用狀況，因此，實驗教學(xué)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)可以為各級教育裝備管理部門提供有關(guān)裝備使用情況的真實、有效數(shù)據(jù)。教育裝備部門基于上述數(shù)據(jù)，即可完成針對“建、配、管”的準(zhǔn)確評價，為進(jìn)一步的有效管理提供重要幫助。

2.4 ?基于學(xué)生成長大數(shù)據(jù)的教法評價

教師教法的改進(jìn)是教育學(xué)研究和實踐的永恒話題。教法改進(jìn)的依據(jù)來自學(xué)生對于某種教法的反饋信息。所謂因材施教，指的就是根據(jù)反饋信息不斷調(diào)整教學(xué)策略和教學(xué)方法的過程。教法改進(jìn)的主體是教師。但由于以往教師一般以個體身份面對有限的學(xué)生人群，所獲得的信息存在樣本量過小、代表性不足的問題，因此，其教法改進(jìn)的針對性和有效性必然存在局限，教法改進(jìn)工作往往陷入艱苦而長期的單打獨(dú)斗之中。

盡管實驗教學(xué)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)記錄和保存的是與實驗教學(xué)直接相關(guān)的數(shù)據(jù)，但鑒于學(xué)生在實驗教學(xué)中的行為狀況，包括操作的準(zhǔn)確性、熟練程度、結(jié)果的離散性和方法的創(chuàng)新性等均具有投射功能，可以反映學(xué)生對相關(guān)知識、技能的掌握情況及其科學(xué)思維、綜合素養(yǎng)的養(yǎng)成情況，所以教研部門完全可以利用實驗教學(xué)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)開展深入研究，基于前所未有的大樣本和大數(shù)據(jù)，結(jié)合多種教學(xué)理論構(gòu)造相對復(fù)雜的模型，把“以研促學(xué)”落到實處。

綜上，這四項工作的開展，不僅逐條落實了《意見》中關(guān)于“創(chuàng)新評價應(yīng)用”的要求，更保證了實驗教學(xué)的自身建設(shè)能夠緊跟國家教育新基建的步伐。

3 ?讓實驗教學(xué)成為高質(zhì)量教育支撐體系的重要組成部分

當(dāng)今國際教育界在教育目標(biāo)的設(shè)定方面普遍更加重視學(xué)生基于知識學(xué)習(xí)的實踐探索和遷移應(yīng)用，以及在此基礎(chǔ)上的科學(xué)素養(yǎng)和探究能力培育。《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》[10]

的理論依據(jù)也在于此。因為實驗教學(xué)可以為學(xué)生提供從知識學(xué)習(xí)到實踐探索再到遷移應(yīng)用、從養(yǎng)成核心素養(yǎng)到培養(yǎng)綜合能力的完整經(jīng)歷[11]，所以教育界對實驗教學(xué)的重視不斷提升?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》就指出，學(xué)生實驗是其他任何方式都無法替代的物理學(xué)習(xí)方式，要根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，最大限度地安排學(xué)生實驗[12]。因此，響應(yīng)《意見》要求推進(jìn)實驗教學(xué)的數(shù)字化改造及創(chuàng)新評價應(yīng)用，是在明確實驗教學(xué)的教育使命的基礎(chǔ)上面向?qū)W生終身發(fā)展而采取的戰(zhàn)略舉措。通過數(shù)字化改造和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的建立，實驗教學(xué)必將成為《意見》所強(qiáng)調(diào)的“高質(zhì)量教育支撐體系”的重要組成部分，為推進(jìn)教育現(xiàn)代化、建設(shè)教育強(qiáng)國作出應(yīng)有貢獻(xiàn)?！?/p>

參考文獻(xiàn)

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