數(shù)字技術(shù)在科學素養(yǎng)評測中的應(yīng)用及啟示

嚴傳鑫　柏毅

摘要： 目前，數(shù)字技術(shù)戰(zhàn)略行動深入推進，人工智能、傳感器等新技術(shù)或新產(chǎn)品在教學中應(yīng)用日益普及，正在助推教育評價改革。我國基礎(chǔ)教育質(zhì)量檢測仍然以紙筆測試為主，對于學生學業(yè)的評測，主要考查學生的基礎(chǔ)知識和基本技能，并且存在評價方式相對單一、評價反饋相對滯后、難以滿足大規(guī)模評測需求等問題。為了彌補評測方面的不足，借鑒國際學生評估項目PISA中數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)驗，融合數(shù)字化傳感器的優(yōu)勢，提出科學素養(yǎng)評價方案，有利于改進我國基礎(chǔ)教育質(zhì)量監(jiān)測支撐體系，豐富科學素養(yǎng)評測方式，加強試題的情境化設(shè)計，改變科學素養(yǎng)考評重點，優(yōu)化數(shù)據(jù)收集與分析，培養(yǎng)適應(yīng)時代的新人才。

關(guān)鍵詞：數(shù)字技術(shù)；科學素養(yǎng)評測；傳感器；計算機交互

2023年教育部等十八部門發(fā)布的《關(guān)于加強新時代中小學科學教育工作的意見》明確指出要加強數(shù)字技術(shù)在科學教育中的應(yīng)用，提出了教育數(shù)字化行動綱領(lǐng)。以人工智能、虛擬情境、云計算及數(shù)字化設(shè)備為代表的數(shù)字技術(shù)對現(xiàn)代社會產(chǎn)生了深遠的影響和推動作用。數(shù)字技術(shù)在科學素養(yǎng)評測方面涉及實時數(shù)據(jù)采集的傳感器設(shè)備和人機交互式問答程序及數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)分析等方面。國際學生評估項目（簡稱“ PISA”）對科學素養(yǎng)的界定為：學生應(yīng)用科學的知識來確定問題，能夠基于相關(guān)證據(jù)得出結(jié)論的能力。學生有此能力可以更好地認識自然、理解自然，并且通過調(diào)整人類活動來更好地適應(yīng)自然。目前互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，計算機的應(yīng)用基本普及，設(shè)計動態(tài)、模擬的計算機任務(wù)評測學生科學素養(yǎng)已成研究熱點，按照新思路設(shè)計科學素養(yǎng)評測方案，將帶來新的可能，引發(fā)新的變革?！读x務(wù)教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）指出學生科學學科核心素養(yǎng)包括科學觀念、科學思維、探究實踐、態(tài)度責任四個方面。筆者提及的科學素養(yǎng)與課標提出的核心素養(yǎng)在基本內(nèi)涵上是一致的。

一、數(shù)字技術(shù)在PISA科學素養(yǎng)評測中的應(yīng)用及特點

在國際大規(guī)?？茖W素養(yǎng)評測中，研究者逐步發(fā)展了基于信息和通信技術(shù)（Information and Communication Technology，ICT）的單元評估系統(tǒng)^[1]。國際學生評估項目PISA在最新發(fā)布的《2025年P(guān)ISA評估框架》中指出，新的評測項目都是基于計算機平臺開發(fā)的。該平臺要求學生按照計算機的提示，在計算機搭建的虛擬情境下逐步完成評價任務(wù)。下面以PISA2015公開的樣題為例，分析數(shù)字技術(shù)在PISA科學素養(yǎng)評測中的應(yīng)用及其特點。

（一）應(yīng)用數(shù)字技術(shù)呈現(xiàn)評測題目，模擬真實世界問題情境

科學素養(yǎng)評測正朝著情境化和智能化方向發(fā)展，教師可借助數(shù)字技術(shù)為學生呈現(xiàn)問題和場景，從而更科學地評估學生的科學素養(yǎng)水平。

在PISA樣題“在炎熱的環(huán)境中跑步”評測單元中，在數(shù)字技術(shù)加持下呈現(xiàn)了在炎熱天氣中跑步可能導致脫水和休克的情境。題目以文字、圖片、表格或模擬實驗等方式呈現(xiàn)（如圖1）。模擬實驗部分由參數(shù)調(diào)節(jié)器和數(shù)據(jù)表格組成，學生可以調(diào)節(jié)“氣溫”和“空氣濕度”滑塊按鈕，模擬當時跑步環(huán)境下的溫度和空氣濕度，并選擇是否飲水。學生點擊運行按鈕后，人在跑步過程中的出汗量、失水量和體溫等示數(shù)會存儲在下方的數(shù)據(jù)表格中，支持其完成評測任務(wù)。

在PISA科學素養(yǎng)評測中，每個評測單元圍繞同一情境設(shè)計題目，并且實驗?zāi)M系統(tǒng)建立在簡化的數(shù)學或物理模型之上。與以文字和圖片呈現(xiàn)題目的紙筆評測相比，數(shù)字化評測更具優(yōu)勢：借助數(shù)字技術(shù)動態(tài)呈現(xiàn)評測試題，為學生帶來生動直觀的感性認識，以及具有啟發(fā)性的評測體驗。數(shù)字化評測系統(tǒng)不僅對學生的程序操作進行引導，幫助他們克服計算機操作上的障礙，而且對他們的作答思路進行引導，有助于循序漸進地完成評測任務(wù)，進而全面展現(xiàn)他們的能力。

（二）應(yīng)用數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)交互式考查，注重學生能力評價

PISA科學素養(yǎng)評測的科學性體現(xiàn)在：不僅考查學生知識水平，而且評估學生科學觀念、科學思維、探究實踐和態(tài)度責任等核心素養(yǎng)。傳統(tǒng)的紙筆測試模式下，教師用選擇題、填空題、判斷題等形式考查，以學生提交的最終答案為單一評判標準，忽略了對學生探究過程的評價。在數(shù)字技術(shù)的加持下，教師采用交互式作答的形式進行考查，能夠更準確全面地評價學生。學生完成交互式的任務(wù)，需要模擬真實的科學實踐，必須經(jīng)歷作出假設(shè)、設(shè)計并完成實驗、收集數(shù)據(jù)、形成結(jié)論、質(zhì)疑驗證這五個實驗探究環(huán)節(jié)，并在實驗探究中回答相應(yīng)問題。

在PISA樣題“在炎熱的環(huán)境中跑步”評測單元中，學生在熟悉和明確了休克、失水指標含義后，就一直圍繞該問題（情境）進行思考和探索，模擬人在不同溫度和濕度環(huán)境中跑步，觀察人在跑步后身體溫度和失水量的變化，并回答相關(guān)問題（完整試題見表1）。在問題1中，命題人設(shè)置了一個特定情境，讓學生按照題目要求調(diào)試，通過得到的數(shù)據(jù)回答問題，這有助于學生熟悉操作系統(tǒng)，為接下來的探究奠定基礎(chǔ)。在問題2中，命題人只限定了溫度和空氣濕度，要求學生探究人在跑步中飲水對脫水和熱休克的影響，并選擇表格中的實驗數(shù)據(jù)（組）支持自己的結(jié)論。此題中，命題人控制變量讓學生設(shè)計實驗，并回答問題。在問題3中，命題人只給定跑步環(huán)境中的空氣濕度，要求學生探究一個人跑步一小時不發(fā)生熱休克的最高氣溫是多少，這進一步提高了實驗設(shè)計難度。此外，學生需要選擇表格中的相關(guān)數(shù)據(jù)來支持自己的結(jié)論。在問題4中，學生無法直接選擇題干中給定的50%空氣濕度環(huán)境，而是分析在40%空氣濕度和60%空氣濕度環(huán)境下跑步后得到的數(shù)據(jù)，加以推理，進而判斷在空氣濕度為50%、氣溫為40 ℃可以飲水的環(huán)境下跑步安全還是不安全，同時學生還得模擬操作并收集數(shù)據(jù)后做出選擇并從表中選取兩行數(shù)據(jù)支持答案^[2]。

整個單元題目通過問題設(shè)計的內(nèi)在聯(lián)系來引導學生的作答思路，與此同時，學生在給出題目答案的同時，還要選擇表格中的數(shù)據(jù)來解釋為什么支持他們得到的結(jié)論。測試者以人機交互的形式，模擬真實的科學探究過程，對學生的評價也不再局限于最終結(jié)果是否正確，將他們選擇支持結(jié)論的證據(jù)也列為考核項目，判斷其能力水平。

二、數(shù)字化傳感器在科學素養(yǎng)評測中的結(jié)合應(yīng)用及優(yōu)勢

（一）傳感器在科學素養(yǎng)評測中的應(yīng)用途徑

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化傳感器這種具有靈敏度高、數(shù)據(jù)可視化、操作便捷等特點的器材被廣泛應(yīng)用于科學素養(yǎng)評測中。在信息技術(shù)和專用軟件等一系列工具的加持下，傳感器可以將實驗裝置中的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。其工作原理如下：傳感器將采集的信息轉(zhuǎn)化成電信號，通過數(shù)據(jù)采集器進而轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并反饋到計算機軟件，最終通過數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室（DISLab）系統(tǒng)將實驗結(jié)果以可視化圖形呈現(xiàn)。在科學素養(yǎng)評測過程中，學生借助傳感器系統(tǒng)可以快速采集實驗數(shù)據(jù)，監(jiān)控信號量的實時變化，獲取信號變化曲線并保存。學生對數(shù)據(jù)進行分析，找到證據(jù)，完成評測任務(wù)。

（二）傳感器在科學素養(yǎng)評測中的應(yīng)用優(yōu)勢

融合應(yīng)用計算機和傳感器開展科學素養(yǎng)評測，為學生提供了直接參與探究實驗的機會——學生在已有知識的基礎(chǔ)上做出合理假設(shè)，設(shè)計實驗方案，通過傳感器在電腦上實時獲得可視化的數(shù)據(jù)。數(shù)字化傳感器具有定量、直觀、實時、準確等優(yōu)點，彌補了傳統(tǒng)實驗耗時長、器材多、不精確等缺點，其應(yīng)用不僅能夠幫助學生更好地處理實驗數(shù)據(jù)，而且有利于提高科學素養(yǎng)評測的科學性。

三、數(shù)字技術(shù)助力科學素養(yǎng)評測的借鑒與啟示

（一）豐富科學素養(yǎng)評測方式

在科學素養(yǎng)評測過程中引入傳感器，實施計算機輔助下的交互式的單元評測，從評測方式上看，這是對傳統(tǒng)紙筆評測的重要補充和創(chuàng)新。數(shù)字化評測更加注重對學生實驗設(shè)計能力和實驗動手能力的考評，實驗結(jié)果通過傳感器和表格直接呈現(xiàn)，降低了學生數(shù)據(jù)處理的難度，有助于學生進行實驗探究。借助傳感器和實驗儀器及計算機，并用交互式操作試題（單元）評測學生科學素養(yǎng)是重點研究方向。有關(guān)方面應(yīng)重視數(shù)字化傳感器和計算機系統(tǒng)的開發(fā)工作，助推科學素養(yǎng)評測的多樣化和現(xiàn)代化，順應(yīng)時代發(fā)展，進而有效提高科學素養(yǎng)評測的質(zhì)量和效率。需要注意的是，評測方式要根據(jù)考查的內(nèi)容來選擇。在學生已適應(yīng)紙筆測試的情況下，教師不能只是簡單地將紙質(zhì)的題目搬運上機上網(wǎng)，還要考慮學生的信息素養(yǎng)和能力水平，盡量降低學生非相關(guān)因素對評測結(jié)果的影響。

（二）加強試題的情境化設(shè)計

在傳統(tǒng)的紙筆評測中，存在著科學題目的情境材料與解題所需信息分離、單純考評學生記憶性知識、科學情境空洞虛假等問題。此外，應(yīng)試教育影響較為嚴重且紙筆考查有很大局限，導致評測試題情境被忽視，學生缺乏專業(yè)性的指導。數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用為試題的情境化設(shè)計創(chuàng)造了條件。教師借助傳感器和實驗器材，可以為學生建構(gòu)真實的評測情境，幫助學生將課堂上學到的科學知識遷移到現(xiàn)實情境（問題）中，引發(fā)學生思考，解決實際問題。同時，教師利用計算機的交互式功能、多媒體圖像文本處理功能，可以為學生構(gòu)建虛擬的評測情境。試題不再以單一的文字圖片呈現(xiàn)。教師在評測中引入動畫和視頻，使試題情境變得更加生動，代入感更強。值得注意的是，教師設(shè)計情境化試題容易陷入審題耗時長、學生不易抓住試題關(guān)鍵點等誤區(qū)。教師應(yīng)用數(shù)字技術(shù)設(shè)計試題情境，不僅要使試題情境與考查的科學知識緊密聯(lián)系，而且要清晰明了，以便引導學生順利完成評測任務(wù)。

（三）改變科學素養(yǎng)考評重點

在紙筆評測中，教師為應(yīng)試而教學，學生也因應(yīng)試而學習。學生的最終成績往往更多地代表了教師的教學成果，而沒有充分反映學生的能力水平。在數(shù)字技術(shù)的加持下，教師可以設(shè)置更多探究問題，突出考評關(guān)鍵能力，包括科學觀點產(chǎn)生的思考過程、實驗的設(shè)計思路和實驗方法的運用等，要求學生不僅給出答案而且給出證據(jù)。學生要完成這樣的試題評測任務(wù)，僅憑已學知識難以實現(xiàn)，而需要轉(zhuǎn)變角色主動設(shè)計實驗、對比實驗，創(chuàng)造性探究，基于實驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論。數(shù)字技術(shù)加持下的科學素養(yǎng)評測有利于糾正傳統(tǒng)教育評價中對學生分數(shù)過度關(guān)注的傾向，真正實現(xiàn)教育評價從“知識導向”向“能力導向”轉(zhuǎn)變。數(shù)字化評測模式下，學生的學習能力和科學素養(yǎng)得到更加全面且深入的考評，學生主動探究和解決問題的能力得以提高，學習動機和興趣被激發(fā)。此外，教師能夠更準確地了解學生的學習情況，及時調(diào)整教學策略，促進學生的學業(yè)發(fā)展。

（四）助力數(shù)據(jù)收集與分析

教師在數(shù)字技術(shù)加持下實施科學素養(yǎng)評測，收集與處理數(shù)據(jù)效率很高。教師可利用的數(shù)據(jù)收集工具有在線調(diào)查問卷軟件、傳感器、數(shù)據(jù)記錄設(shè)備等。這些工具能夠有效地收集學生在科學實驗、觀察或調(diào)查中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以保存在云端服務(wù)器或數(shù)據(jù)庫中，便于師生隨時訪問和使用。這突破了紙筆評測模式下數(shù)據(jù)收集的限制，為評測者提供了更好的數(shù)據(jù)管理和保護機制。同時，教師可以利用數(shù)據(jù)分析工具和軟件，對收集到的數(shù)據(jù)進行處理、統(tǒng)計和分析。評測者可以利用這些工具分析數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性、判斷趨勢，從而提取有意義的信息。在數(shù)字技術(shù)的加持下，教師可以將數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)，以圖表、曲線、動畫等形式展示數(shù)據(jù)的特征和關(guān)系。數(shù)據(jù)的可視化有助于評測者直觀地理解數(shù)據(jù)，揭示潛在的規(guī)律和趨勢。有了精確的數(shù)據(jù)收集工具、高效的數(shù)據(jù)管理方式、強大的數(shù)據(jù)分析工具及直觀的數(shù)據(jù)可視化方式，評測者處理數(shù)據(jù)如魚得水，有利于提高科學素養(yǎng)評測的準確性和有效性。

（五）培育適應(yīng)時代的新人才

隨著人工智能技術(shù)、虛擬現(xiàn)實和物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，學生生活發(fā)生了翻天覆地的變化，社會對新時代學生的數(shù)字素養(yǎng)和信息素養(yǎng)提出了全新的要求。當今學生每天都置身于豐富多樣的數(shù)字化生活場景中，周圍充斥著各種類型的數(shù)據(jù)信息。對學生而言，正確獲取、合理處理和妥善運用信息至關(guān)重要，這是他們科學規(guī)劃個人發(fā)展、緊跟時代發(fā)展的關(guān)鍵。當前，科學學科教育的關(guān)注點應(yīng)集中于培養(yǎng)青少年的推理能力和建模能力。按照這一導向?qū)嵤┛茖W素養(yǎng)評測，有利于學生在解決問題時提出合理的假設(shè)，并借助數(shù)字化工具正確處理和運用獲得的有效信息，最終總結(jié)歸納出結(jié)論甚至將其推廣應(yīng)用。同時，在數(shù)字化教育評價中，評測系統(tǒng)的開發(fā)者和命題人應(yīng)綜合考慮學生的起點水平、個性特征、心理狀態(tài)和家庭社會因素對學生的影響。評價結(jié)果應(yīng)具備導向、鑒定、診斷、調(diào)控和改進的功能，讓每個學生都能更好地展現(xiàn)自己。

參考文獻

[1] 柏毅，陳航洋.計算機和紙筆測試對科學能力表現(xiàn)影響述評[J].科教導刊，2021（24）：126-131.

[2] 王俊民. 核心素養(yǎng)視域下國際大規(guī)?？茖W學業(yè)評估框架與試題研究[D].重慶：西南大學，2018.

（作者嚴傳鑫系東南大學研究生；柏毅系東南大學兒童發(fā)展與教育研究所、兒童發(fā)展與學習科學教育部重點實驗室教授，中國教育學會科學教育分會常務(wù)理事、副秘書長，中國STEAM 教育評價委員會委員）

責任編輯：祝元志