數字技術在科學素養評測中的應用及啟示

嚴傳鑫　柏毅

摘要： 目前，數字技術戰略行動深入推進，人工智能、傳感器等新技術或新產品在教學中應用日益普及，正在助推教育評價改革。我國基礎教育質量檢測仍然以紙筆測試為主，對于學生學業的評測，主要考查學生的基礎知識和基本技能，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中數字技術的應用經驗，融合數字化傳感器的優勢，提出科學素養評價方案，有利于改進我國基礎教育質量監測支撐體系，豐富科學素養評測方式，加強試題的情境化設計，改變科學素養考評重點，優化數據收集與分析，培養適應時代的新人才。

關鍵詞：數字技術；科學素養評測；傳感器；計算機交互

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

一、數字技術在PISA科學素養評測中的應用及特點

在國際大規?？茖W素養評測中，研究者逐步發展了基于信息和通信技術（Information and Communication Technology，ICT）的單元評估系統^[1]。國際學生評估項目PISA在最新發布的《2025年PISA評估框架》中指出，新的評測項目都是基于計算機平臺開發的。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。下面以PISA2015公開的樣題為例，分析數字技術在PISA科學素養評測中的應用及其特點。

（一）應用數字技術呈現評測題目，模擬真實世界問題情境

科學素養評測正朝著情境化和智能化方向發展，教師可借助數字技術為學生呈現問題和場景，從而更科學地評估學生的科學素養水平。

在PISA樣題“在炎熱的環境中跑步”評測單元中，在數字技術加持下呈現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（如圖1）。模擬實驗部分由參數調節器和數據表格組成，學生可以調節“氣溫”和“空氣濕度”滑塊按鈕，模擬當時跑步環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會存儲在下方的數據表格中，支持其完成評測任務。

在PISA科學素養評測中，每個評測單元圍繞同一情境設計題目，并且實驗模擬系統建立在簡化的數學或物理模型之上。與以文字和圖片呈現題目的紙筆評測相比，數字化評測更具優勢：借助數字技術動態呈現評測試題，為學生帶來生動直觀的感性認識，以及具有啟發性的評測體驗。數字化評測系統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，進而全面展現他們的能力。

（二）應用數字技術實現交互式考查，注重學生能力評價

PISA科學素養評測的科學性體現在：不僅考查學生知識水平，而且評估學生科學觀念、科學思維、探究實踐和態度責任等核心素養。傳統的紙筆測試模式下，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。在數字技術的加持下，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，需要模擬真實的科學實踐，必須經歷作出假設、設計并完成實驗、收集數據、形成結論、質疑驗證這五個實驗探究環節，并在實驗探究中回答相應問題。

在PISA樣題“在炎熱的環境中跑步”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，并回答相關問題（完整試題見表1）。在問題1中，命題人設置了一個特定情境，讓學生按照題目要求調試，通過得到的數據回答問題，這有助于學生熟悉操作系統，為接下來的探究奠定基礎。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據（組）支持自己的結論。此題中，命題人控制變量讓學生設計實驗，并回答問題。在問題3中，命題人只給定跑步環境中的空氣濕度，要求學生探究一個人跑步一小時不發生熱休克的最高氣溫是多少，這進一步提高了實驗設計難度。此外，學生需要選擇表格中的相關數據來支持自己的結論。在問題4中，學生無法直接選擇題干中給定的50%空氣濕度環境，而是分析在40%空氣濕度和60%空氣濕度環境下跑步后得到的數據，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據后做出選擇并從表中選取兩行數據支持答案^[2]。

整個單元題目通過問題設計的內在聯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據來解釋為什么支持他們得到的結論。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果是否正確，將他們選擇支持結論的證據也列為考核項目，判斷其能力水平。

二、數字化傳感器在科學素養評測中的結合應用及優勢

（一）傳感器在科學素養評測中的應用途徑

隨著信息技術的發展，數字化傳感器這種具有靈敏度高、數據可視化、操作便捷等特點的器材被廣泛應用于科學素養評測中。在信息技術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換為數字信號輸出。其工作原理如下：傳感器將采集的信息轉化成電信號，通過數據采集器進而轉換成數字信號，并反饋到計算機軟件，最終通過數字化信息系統實驗室（DISLab）系統將實驗結果以可視化圖形呈現。在科學素養評測過程中，學生借助傳感器系統可以快速采集實驗數據，監控信號量的實時變化，獲取信號變化曲線并保存。學生對數據進行分析，找到證據，完成評測任務。

（二）傳感器在科學素養評測中的應用優勢

融合應用計算機和傳感器開展科學素養評測，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上做出合理假設，設計實驗方案，通過傳感器在電腦上實時獲得可視化的數據。數字化傳感器具有定量、直觀、實時、準確等優點，彌補了傳統實驗耗時長、器材多、不精確等缺點，其應用不僅能夠幫助學生更好地處理實驗數據，而且有利于提高科學素養評測的科學性。

三、數字技術助力科學素養評測的借鑒與啟示

（一）豐富科學素養評測方式

在科學素養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，這是對傳統紙筆評測的重要補充和創新。數字化評測更加注重對學生實驗設計能力和實驗動手能力的考評，實驗結果通過傳感器和表格直接呈現，降低了學生數據處理的難度，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）評測學生科學素養是重點研究方向。有關方面應重視數字化傳感器和計算機系統的開發工作，助推科學素養評測的多樣化和現代化，順應時代發展，進而有效提高科學素養評測的質量和效率。需要注意的是，評測方式要根據考查的內容來選擇。在學生已適應紙筆測試的情況下，教師不能只是簡單地將紙質的題目搬運上機上網，還要考慮學生的信息素養和能力水平，盡量降低學生非相關因素對評測結果的影響。

（二）加強試題的情境化設計

在傳統的紙筆評測中，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，學生缺乏專業性的指導。數字技術的應用為試題的情境化設計創造了條件。教師借助傳感器和實驗器材，可以為學生建構真實的評測情境，幫助學生將課堂上學到的科學知識遷移到現實情境（問題）中，引發學生思考，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，可以為學生構建虛擬的評測情境。試題不再以單一的文字圖片呈現。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，教師設計情境化試題容易陷入審題耗時長、學生不易抓住試題關鍵點等誤區。教師應用數字技術設計試題情境，不僅要使試題情境與考查的科學知識緊密聯系，而且要清晰明了，以便引導學生順利完成評測任務。

（三）改變科學素養考評重點

在紙筆評測中，教師為應試而教學，學生也因應試而學習。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。在數字技術的加持下，教師可以設置更多探究問題，突出考評關鍵能力，包括科學觀點產生的思考過程、實驗的設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。學生要完成這樣的試題評測任務，僅憑已學知識難以實現，而需要轉變角色主動設計實驗、對比實驗，創造性探究，基于實驗數據得出結論。數字技術加持下的科學素養評測有利于糾正傳統教育評價中對學生分數過度關注的傾向，真正實現教育評價從“知識導向”向“能力導向”轉變。數字化評測模式下，學生的學習能力和科學素養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。此外，教師能夠更準確地了解學生的學習情況，及時調整教學策略，促進學生的學業發展。

（四）助力數據收集與分析

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

（五）培育適應時代的新人才

隨著人工智能技術、虛擬現實和物聯網等數字技術的飛速發展，學生生活發生了翻天覆地的變化，社會對新時代學生的數字素養和信息素養提出了全新的要求。當今學生每天都置身于豐富多樣的數字化生活場景中，周圍充斥著各種類型的數據信息。對學生而言，正確獲取、合理處理和妥善運用信息至關重要，這是他們科學規劃個人發展、緊跟時代發展的關鍵。當前，科學學科教育的關注點應集中于培養青少年的推理能力和建模能力。按照這一導向實施科學素養評測，有利于學生在解決問題時提出合理的假設，并借助數字化工具正確處理和運用獲得的有效信息，最終總結歸納出結論甚至將其推廣應用。同時，在數字化教育評價中，評測系統的開發者和命題人應綜合考慮學生的起點水平、個性特征、心理狀態和家庭社會因素對學生的影響。評價結果應具備導向、鑒定、診斷、調控和改進的功能，讓每個學生都能更好地展現自己。

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影響述評[J].科教導刊，2021（24）：126-131.

[2] 王俊民. 核心素養視域下國際大規模科學學業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展與教育研究所、兒童發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