数字技术在科学素养评测中的应用及启示
文 | 严传鑫 柏毅
目前，数字技术战略行动深入推进，人工智能、传感器等新技术或新产品在教学中应用日益普及，正在助推教育评价改革。我国基础教育质量检测仍然以纸笔测试为主，对于学生学业的评测，主要考查学生的基础知识和基本技能，并且存在评价方式相对单一、评价反馈相对滞后、难以满足大规模评测需求等问题。为了弥补评测方面的不足，借鉴国际学生评估项目PISA中数字技术的应用经验，融合数字化传感器的优势，提出科学素养评价方案，有利于改进我国基础教育质量监测支撑体系，丰富科学素养评测方式，加强试题的情境化设计，改变科学素养考评重点，优化数据收集与分析，培养适应时代的新人才。
2023年教育部等十八部门发布的《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》明确指出要加强数字技术在科学教育中的应用，提出了教育数字化行动纲领。以人工智能、虚拟情境、云计算及数字化设备为代表的数字技术对现代社会产生了深远的影响和推动作用。数字技术在科学素养评测方面涉及实时数据采集的传感器设备和人机交互式问答程序及数据存储与数据分析等方面。国际学生评估项目（简称“ PISA”）对科学素养的界定为：学生应用科学的知识来确定问题，能够基于相关证据得出结论的能力。学生有此能力可以更好地认识自然、理解自然，并且通过调整人类活动来更好地适应自然。目前互联网高速发展，计算机的应用基本普及，设计动态、模拟的计算机任务评测学生科学素养已成研究热点，按照新思路设计科学素养评测方案，将带来新的可能，引发新的变革。《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称“课标”）指出学生科学学科核心素养包括科学观念、科学思维、探究实践、态度责任四个方面。笔者提及的科学素养与课标提出的核心素养在基本内涵上是一致的。
一、数字技术在PISA科学素养评测中的应用及特点
在国际大规模科学素养评测中，研究者逐步发展了基于信息和通信技术（Information and Communication Technology，ICT）的单元评估系统。国际学生评估项目PISA在最新发布的《2025年PISA评估框架》中指出，新的评测项目都是基于计算机平台开发的。该平台要求学生按照计算机的提示，在计算机搭建的虚拟情境下逐步完成评价任务。下面以PISA2015公开的样题为例，分析数字技术在PISA科学素养评测中的应用及其特点。
（一）应用数字技术呈现评测题目，模拟真实世界问题情境
科学素养评测正朝着情境化和智能化方向发展，教师可借助数字技术为学生呈现问题和场景，从而更科学地评估学生的科学素养水平。
在PISA样题“在炎热的环境中跑步”评测单元中，在数字技术加持下呈现了在炎热天气中跑步可能导致脱水和休克的情境。题目以文字、图片、表格或模拟实验等方式呈现（如图1）。模拟实验部分由参数调节器和数据表格组成，学生可以调节“气温”和“空气湿度”滑块按钮，模拟当时跑步环境下的温度和空气湿度，并选择是否饮水。学生点击运行按钮后，人在跑步过程中的出汗量、失水量和体温等示数会存储在下方的数据表格中，支持其完成评测任务。
图1 “在炎热的环境中跑步”试题应答界面
在PISA科学素养评测中，每个评测单元围绕同一情境设计题目，并且实验模拟系统建立在简化的数学或物理模型之上。与以文字和
呈现题目的纸笔评测相比，数字化评测更具优势：借助数字技术动态呈现评测试题，为学生带来生动直观的感性认识，以及具有启发性的评测体验。数字化评测系统不仅对学生的程序操作进行引导，帮助他们克服计算机操作上的障碍，而且对他们的作答思路进行引导，有助于循序渐进地完成评测任务，进而全面展现他们的能力。
（二）应用数字技术实现交互式考查，注重学生能力评价
PISA科学素养评测的科学性体现在：不仅考查学生知识水平，而且评估学生科学观念、科学思维、探究实践和态度责任等核心素养。传统的纸笔测试模式下，教师用选择题、填空题、判断题等形式考查，以学生提交的最终答案为单一评判标准，忽略了对学生探究过程的评价。在数字技术的加持下，教师采用交互式作答的形式进行考查，能够更准确全面地评价学生。学生完成交互式的任务，需要模拟真实的科学实践，必须经历作出假设、设计并完成实验、收集数据、形成结论、质疑验证这五个实验探究环节，并在实验探究中回答相应问题。
在PISA样题“在炎热的环境中跑步”评测单元中，学生在熟悉和明确了休克、失水指标含义后，就一直围绕该问题（情境）进行思考和探索，模拟人在不同温度和湿度环境中跑步，观察人在跑步后身体温度和失水量的变化，并回答相关问题（完整试题见表1）。在问题1中，命题人设置了一个特定情境，让学生按照题目要求调试，通过得到的数据回答问题，这有助于学生熟悉操作系统，为接下来的探究奠定基础。在问题2中，命题人只限定了温度和空气湿度，要求学生探究人在跑步中饮水对脱水和热休克的影响，并选择表格中的实验数据（组）支持自己的结论。此题中，命题人控制变量让学生设计实验，并回答问题。在问题3中，命题人只给定跑步环境中的空气湿度，要求学生探究一个人跑步一小时不发生热休克的最高气温是多少，这进一步提高了实验设计难度。此外，学生需要选择表格中的相关数据来支持自己的结论。在问题4中，学生无法直接选择题干中给定的50%空气湿度环境，而是分析在40%空气湿度和60%空气湿度环境下跑步后得到的数据，加以推理，进而判断在空气湿度为50%、气温为40 ℃可以饮水的环境下跑步安全还是不安全，同时学生还得模拟操作并收集数据后做出选择并从表中选取两行数据支持答案。
表1 “在炎热的环境中跑步”完整评测试题单元
整个单元题目通过问题设计的内在联系来引导学生的作答思路，与此同时，学生在给出题目答案的同时，还要选择表格中的数据来解释为什么支持他们得到的结论。测试者以人机交互的形式，模拟真实的科学探究过程，对学生的评价也不再局限于最终结果是否正确，将他们选择支持结论的证据也列为考核项目，判断其能力水平。
二、数字化传感器在科学素养评测中的结合应用及优势
（一）传感器在科学素养评测中的应用途径
随着信息技术的发展，数字化传感器这种具有灵敏度高、数据可视化、操作便捷等特点的器材被广泛应用于科学素养评测中。在信息技术和专用软件等一系列工具的加持下，传感器可以将实验装置中的模拟信号转换为数字信号输出。其工作原理如下：传感器将采集的信息转化成电信号，通过数据采集器进而转换成数字信号，并反馈到计算机软件，最终通过数字化信息系统实验室（DISLab）系统将实验结果以可视化图形呈现。在科学素养评测过程中，学生借助传感器系统可以快速采集实验数据，监控信号量的实时变化，获取信号变化曲线并保存。学生对数据进行分析，找到证据，完成评测任务。
（二）传感器在科学素养评测中的应用优势
融合应用计算机和传感器开展科学素养评测，为学生提供了直接参与探究实验的机会——学生在已有知识的基础上做出合理假设，设计实验方案，通过传感器在电脑上实时获得可视化的数据。数字化传感器具有定量、直观、实时、准确等优点，弥补了传统实验耗时长、器材多、不精确等缺点，其应用不仅能够帮助学生更好地处理实验数据，而且有利于提高科学素养评测的科学性。
三、数字技术助力科学素养评测的借鉴与启示
（一）丰富科学素养评测方式
在科学素养评测过程中引入传感器，实施计算机辅助下的交互式的单元评测，从评测方式上看，这是对传统纸笔评测的重要补充和创新。数字化评测更加注重对学生实验设计能力和实验动手能力的考评，实验结果通过传感器和表格直接呈现，降低了学生数据处理的难度，有助于学生进行实验探究。借助传感器和实验仪器及计算机，并用交互式操作试题（单元）评测学生科学素养是重点研究方向。有关方面应重视数字化传感器和计算机系统的开发工作，助推科学素养评测的多样化和现代化，顺应时代发展，进而有效提高科学素养评测的质量和效率。需要注意的是，评测方式要根据考查的内容来选择。在学生已适应纸笔测试的情况下，教师不能只是简单地将纸质的题目搬运上机上网，还要考虑学生的信息素养和能力水平，尽量降低学生非相关因素对评测结果的影响。
（二）加强试题的情境化设计
在传统的纸笔评测中，存在着科学题目的情境材料与解题所需信息分离、单纯考评学生记忆性知识、科学情境空洞虚假等问题。此外，应试教育影响较为严重且纸笔考查有很大局限，导致评测试题情境被忽视，学生缺乏专业性的指导。数字技术的应用为试题的情境化设计创造了条件。教师借助传感器和实验器材，可以为学生建构真实的评测情境，帮助学生将课堂上学到的科学知识迁移到现实情境（问题）中，引发学生思考，解决实际问题。同时，教师利用计算机的交互式功能、多媒体图像文本处理功能，可以为学生构建虚拟的评测情境。试题不再以单一的文字
呈现。教师在评测中引入动画和视频，使试题情境变得更加生动，代入感更强。值得注意的是，教师设计情境化试题容易陷入审题耗时长、学生不易抓住试题关键点等误区。教师应用数字技术设计试题情境，不仅要使试题情境与考查的科学知识紧密联系，而且要清晰明了，以便引导学生顺利完成评测任务。
（三）改变科学素养考评重点
在纸笔评测中，教师为应试而教学，学生也因应试而学习。学生的最终成绩往往更多地代表了教师的教学成果，而没有充分反映学生的能力水平。在数字技术的加持下，教师可以设置更多探究问题，突出考评关键能力，包括科学观点产生的思考过程、实验的设计思路和实验方法的运用等，要求学生不仅给出答案而且给出证据。学生要完成这样的试题评测任务，仅凭已学知识难以实现，而需要转变角色主动设计实验、对比实验，创造性探究，基于实验数据得出结论。数字技术加持下的科学素养评测有利于纠正传统教育评价中对学生分数过度关注的倾向，真正实现教育评价从“知识导向”向“能力导向”转变。数字化评测模式下，学生的学习能力和科学素养得到更加全面且深入的考评，学生主动探究和解决问题的能力得以提高，学习动机和兴趣被激发。此外，教师能够更准确地了解学生的学习情况，及时调整教学策略，促进学生的学业发展。
（四）助力数据收集与分析
教师在数字技术加持下实施科学素养评测，收集与处理数据效率很高。教师可利用的数据收集工具有在线调查问卷软件、传感器、数据记录设备等。这些工具能够有效地收集学生在科学实验、观察或调查中产生的数据。这些数据可以保存在云端服务器或数据库中，便于师生随时访问和使用。这突破了纸笔评测模式下数据收集的限制，为评测者提供了更好的数据管理和保护机制。同时，教师可以利用数据分析工具和软件，对收集到的数据进行处理、统计和分析。评测者可以利用这些工具分析数据的关联性、判断趋势，从而提取有意义的信息。在数字技术的加持下，教师可以将数据可视化呈现，以图表、曲线、动画等形式展示数据的特征和关系。数据的可视化有助于评测者直观地理解数据，揭示潜在的规律和趋势。有了精确的数据收集工具、高效的数据管理方式、强大的数据分析工具及直观的数据可视化方式，评测者处理数据如鱼得水，有利于提高科学素养评测的准确性和有效性。
（五）培育适应时代的新人才
随着人工智能技术、虚拟现实和物联网等数字技术的飞速发展，学生生活发生了翻天覆地的变化，社会对新时代学生的数字素养和信息素养提出了全新的要求。当今学生每天都置身于丰富多样的数字化生活场景中，周围充斥着各种类型的数据信息。对学生而言，正确获取、合理处理和妥善运用信息至关重要，这是他们科学规划个人发展、紧跟时代发展的关键。当前，科学学科教育的关注点应集中于培养青少年的推理能力和建模能力。按照这一导向实施科学素养评测，有利于学生在解决问题时提出合理的假设，并借助数字化工具正确处理和运用获得的有效信息，最终总结归纳出结论甚至将其推广应用。同时，在数字化教育评价中，评测系统的开发者和命题人应综合考虑学生的起点水平、个性特征、心理状态和家庭社会因素对学生的影响。评价结果应具备导向、鉴定、诊断、调控和改进的功能，让每个学生都能更好地展现自己。
（作者严传鑫系东南大学研究生；柏毅系东南大学儿童发展与教育研究所、儿童发展与学习科学教育部重点实验室教授，中国教育学会科学教育分会常务理事、副秘书长，中国STEAM 教育评价委员会委员）
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文章来源 | 《中小学数字化教学》2024年第1期
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