數(shù)字技術(shù)在科學(xué)素養(yǎng)評(píng)測中的應(yīng)用及啟示

摘要：目前，數(shù)字技術(shù)戰(zhàn)略行動(dòng)深入推進(jìn)，人工智能、傳感器等新技術(shù)或新產(chǎn)品在教學(xué)中應(yīng)用日益普及，正在助推教育評(píng)價(jià)改革。我國基礎(chǔ)教育質(zhì)量檢測仍然以紙筆測試為主，對(duì)于學(xué)生學(xué)業(yè)的評(píng)測，主要考查學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，并且存在評(píng)價(jià)方式相對(duì)單一、評(píng)價(jià)反饋相對(duì)滯后、難以滿足大規(guī)模評(píng)測需求等問題。為了彌補(bǔ)評(píng)測方面的不足，借鑒國際學(xué)生評(píng)估項(xiàng)目PISA中數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，融合數(shù)字化傳感器的優(yōu)勢，提出科學(xué)素養(yǎng)評(píng)價(jià)方案，有利于改進(jìn)我國基礎(chǔ)教育質(zhì)量監(jiān)測支撐體系，豐富科學(xué)素養(yǎng)評(píng)測方式，加強(qiáng)試題的情境化設(shè)計(jì)，改變科學(xué)素養(yǎng)考評(píng)重點(diǎn)，優(yōu)化數(shù)據(jù)收集與分析，培養(yǎng)適應(yīng)時(shí)代的新人才。關(guān)鍵詞：數(shù)字技術(shù)；科學(xué)素養(yǎng)評(píng)測；傳感器；計(jì)算機(jī)交互2023年教育部等十八部門發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)新時(shí)代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》明確指出要加強(qiáng)數(shù)字技術(shù)在科學(xué)教育中的應(yīng)用，提出了教育數(shù)字化行動(dòng)綱領(lǐng)。以人工智能、虛擬情境、云計(jì)算及數(shù)字化設(shè)備為代表的數(shù)字技術(shù)對(duì)現(xiàn)代社會(huì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響和推動(dòng)作用。數(shù)字技術(shù)在科學(xué)素養(yǎng)評(píng)測方面涉及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的傳感器設(shè)備和人機(jī)交互式問答程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)分析等方面。國際學(xué)生評(píng)估項(xiàng)目（簡稱“PISA”）對(duì)科學(xué)素養(yǎng)的界定為：學(xué)生應(yīng)用科學(xué)的知識(shí)來確定問題，能夠基于相關(guān)證據(jù)得出結(jié)論的能力。學(xué)生有此能力可以更好地認(rèn)識(shí)自然、理解自然，并且通過調(diào)整人類活動(dòng)來更好地適應(yīng)自然。目前互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用基本普及，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)、模擬的計(jì)算機(jī)任務(wù)評(píng)測學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)已成研究熱點(diǎn)，按照新思路設(shè)計(jì)科學(xué)素養(yǎng)評(píng)測方案，將帶來新的可能，引發(fā)新的變革。《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“課標(biāo)”）指出學(xué)生科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐、態(tài)度責(zé)任四個(gè)方面。筆者提及的科學(xué)素養(yǎng)與課標(biāo)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(xué)素養(yǎng)評(píng)測中的應(yīng)用及特點(diǎn)在國際大規(guī)模科學(xué)素養(yǎng)評(píng)測中，研究者逐步發(fā)展了基于信息和通信技術(shù)（InformationandCommunicationTechnology，ICT）的單元評(píng)估系統(tǒng)[1]。國際學(xué)生評(píng)估項(xiàng)目PISA在最新發(fā)布的《2025年P(guān)ISA評(píng)估框架》中指出，新的評(píng)測項(xiàng)目都是基于計(jì)算機(jī)平臺(tái)開發(fā)的。該平臺(tái)要求學(xué)生按照計(jì)算機(jī)的提示，在計(jì)算機(jī)搭建的虛擬情境下逐步完成評(píng)價(jià)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(xué)素養(yǎng)評(píng)測中的應(yīng)用及其特點(diǎn)。（一）應(yīng)用數(shù)字技術(shù)呈現(xiàn)評(píng)測題目，模擬真實(shí)世界問題情境科學(xué)素養(yǎng)評(píng)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(xué)生呈現(xiàn)問題和場景，從而更科學(xué)地評(píng)估學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)水平。在PISA樣題“在炎熱的環(huán)境中跑步”評(píng)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(dǎo)致脫水和休克的情境。題目以文字、圖片、表格或模擬實(shí)驗(yàn)等方式呈現(xiàn)（如圖1）。模擬實(shí)驗(yàn)部分由參數(shù)調(diào)節(jié)器和數(shù)據(jù)表格組成，學(xué)生可以調(diào)節(jié)“氣溫”和“空氣濕度”滑塊按鈕，模擬當(dāng)時(shí)跑步環(huán)境下的溫度和空氣濕度，并選擇是否飲水。學(xué)生點(diǎn)擊運(yùn)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(huì)存儲(chǔ)在下方的數(shù)據(jù)表格中，支持其完成評(píng)測任務(wù)。在PISA科學(xué)素養(yǎng)評(píng)測中，每個(gè)評(píng)測單元圍繞同一情境設(shè)計(jì)題目，并且實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)建立在簡化的數(shù)學(xué)或物理模型之上。與以文字和圖片呈現(xiàn)題目的紙筆評(píng)測相比，數(shù)字化評(píng)測更具優(yōu)勢：借助數(shù)字技術(shù)動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)評(píng)測試題，為學(xué)生帶來生動(dòng)直觀的感性認(rèn)識(shí)，以及具有啟發(fā)性的評(píng)測體驗(yàn)。數(shù)字化評(píng)測系統(tǒng)不僅對(duì)學(xué)生的程序操作進(jìn)行引導(dǎo)，幫助他們克服計(jì)算機(jī)操作上的障礙，而且對(duì)他們的作答思路進(jìn)行引導(dǎo)，有助于循序漸進(jìn)地完成評(píng)測任務(wù)，進(jìn)而全面展現(xiàn)他們的能力。（二）應(yīng)用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)交互式考查，注重學(xué)生能力評(píng)價(jià)PISA科學(xué)素養(yǎng)評(píng)測的科學(xué)性體現(xiàn)在：不僅考查學(xué)生知識(shí)水平，而且評(píng)估學(xué)生科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐和態(tài)度責(zé)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(xué)生提交的最終答案為單一評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，忽略了對(duì)學(xué)生探究過程的評(píng)價(jià)。在數(shù)字技術(shù)的加持下，教師采用交互式作答的形式進(jìn)行考查，能夠更準(zhǔn)確全面地評(píng)價(jià)學(xué)生。學(xué)生完成交互式的任務(wù)，需要模擬真實(shí)的科學(xué)實(shí)踐，必須經(jīng)歷作出假設(shè)、設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)、形成結(jié)論、質(zhì)疑驗(yàn)證這五個(gè)實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)，并在實(shí)驗(yàn)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(píng)測單元中，學(xué)生在熟悉和明確了休克、失水指標(biāo)含義后，就一直圍繞該問題（情境）進(jìn)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(gè)特定情境，讓學(xué)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(xué)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(xué)生探究人在跑步中飲水對(duì)脫水和熱休克的影響，并選擇表格中的實(shí)驗(yàn)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(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，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(xué)生探究一個(gè)人跑步一小時(shí)不發(fā)生熱休克的最高氣溫是多少，這進(jìn)一步提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)難度。此外，學(xué)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(xué)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(jìn)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(shí)學(xué)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(gè)單元題目通過問題設(shè)計(jì)的內(nèi)在聯(lián)系來引導(dǎo)學(xué)生的作答思路，與此同時(shí)，學(xué)生在給出題目答案的同時(shí)，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(jī)交互的形式，模擬真實(shí)的科學(xué)探究過程，對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)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(xiàng)目，判斷其能力水平。二、數(shù)字化傳感器在科學(xué)素養(yǎng)評(píng)測中的結(jié)合應(yīng)用及優(yōu)勢（一）傳感器在科學(xué)素養(yǎng)評(píng)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(diǎn)的器材被廣泛應(yīng)用于科學(xué)素養(yǎng)評(píng)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(shí)驗(yàn)裝置中的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)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(hào)，通過數(shù)據(jù)采集器進(jìn)而轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并反饋到計(jì)算機(jī)軟件，最終通過數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（DISLab）系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果以可視化圖形呈現(xiàn)。在科學(xué)素養(yǎng)評(píng)測過程中，學(xué)生借助傳感器系統(tǒng)可以快速采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，監(jiān)控信號(hào)量的實(shí)時(shí)變化，獲取信號(hào)變化曲線并保存。學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找到證據(jù)，完成評(píng)測任務(wù)。（二）傳感器在科學(xué)素養(yǎng)評(píng)測中的應(yīng)用優(yōu)勢融合應(yīng)用計(jì)算機(jī)和傳感器開展科學(xué)素養(yǎng)評(píng)測，為學(xué)生提供了直接參與探究實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)——學(xué)生在已有知識(shí)的基礎(chǔ)上做出合理假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，通過傳感器在電腦上實(shí)時(shí)獲得可視化的數(shù)據(jù)。數(shù)字化傳感器具有定量、直觀、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長、器材多、不精確等缺點(diǎn)，其應(yīng)用不僅能夠幫助學(xué)生更好地處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且有利于提高科學(xué)素養(yǎng)評(píng)測的科學(xué)性。三、數(shù)字技術(shù)助力科學(xué)素養(yǎng)評(píng)測的借鑒與啟示（一）豐富科學(xué)素養(yǎng)評(píng)測方式在科學(xué)素養(yǎng)評(píng)測過程中引入傳感器，實(shí)施計(jì)算機(jī)輔助下的交互式的單元評(píng)測，從評(píng)測方式上看，這是對(duì)傳統(tǒng)紙筆評(píng)測的重要補(bǔ)充和創(chuàng)新。數(shù)字化評(píng)測更加注重對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力的考評(píng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過傳感器和表格直接呈現(xiàn)，降低了學(xué)生數(shù)據(jù)處理的難度，有助于學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。借助傳感器和實(shí)驗(yàn)儀器及計(jì)算機(jī)，并用交互式操作試題（單元）評(píng)測學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)是重點(diǎn)研究方向。有關(guān)方面應(yīng)重視數(shù)字化傳感器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)工作，助推科學(xué)素養(yǎng)評(píng)測的多樣化和現(xiàn)代化，順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，進(jìn)而有效提高科學(xué)素養(yǎng)評(píng)測的質(zhì)量和效率。需要注意的是，評(píng)測方式要根據(jù)考查的內(nèi)容來選擇。在學(xué)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(yùn)上機(jī)上網(wǎng)，還要考慮學(xué)生的信息素養(yǎng)和能力水平，盡量降低學(xué)生非相關(guān)因素對(duì)評(píng)測結(jié)果的影響。（二）加強(qiáng)試題的情境化設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的紙筆評(píng)測中，存在著科學(xué)題目的情境材料與解題所需信息分離、單純考評(píng)學(xué)生記憶性知識(shí)、科學(xué)情境空洞虛假等問題。此外，應(yīng)試教育影響較為嚴(yán)重且紙筆考查有很大局限，導(dǎo)致評(píng)測試題情境被忽視，學(xué)生缺乏專業(yè)性的指導(dǎo)。數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用為試題的情境化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件。教師借助傳感器和實(shí)驗(yàn)器材，可以為學(xué)生建構(gòu)真實(shí)的評(píng)測情境，幫助學(xué)生將課堂上學(xué)到的科學(xué)知識(shí)遷移到現(xiàn)實(shí)情境（問題）中，引發(fā)學(xué)生思考，解決實(shí)際問題。同時(shí)，教師利用計(jì)算機(jī)的交互式功能、多媒體圖像文本處理功能，可以為學(xué)生構(gòu)建虛擬的評(píng)測情境。試題不再以單一的文字圖片呈現(xiàn)。教師在評(píng)測中引入動(dòng)畫和視頻，使試題情境變得更加生動(dòng)，代入感更強(qiáng)。值得注意的是，教師設(shè)計(jì)情境化試題容易陷入審題耗時(shí)長、學(xué)生不易抓住試題關(guān)鍵點(diǎn)等誤區(qū)。教師應(yīng)用數(shù)字技術(shù)設(shè)計(jì)試題情境，不僅要使試題情境與考查的科學(xué)知識(shí)緊密聯(lián)系，而且要清晰明了，以便引導(dǎo)學(xué)生順利完成評(píng)測任務(wù)。（三）改變科學(xué)素養(yǎng)考評(píng)重點(diǎn)在紙筆評(píng)測中，教師為應(yīng)試而教學(xué)，學(xué)生也因應(yīng)試而學(xué)習(xí)。學(xué)生的最終成績往往更多地代表了教師的教學(xué)成果，而沒有充分反映學(xué)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(píng)關(guān)鍵能力，包括科學(xué)觀點(diǎn)產(chǎn)生的思考過程、實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路和實(shí)驗(yàn)方法的運(yùn)用等，要求學(xué)生不僅給出答案而且給出證據(jù)。學(xué)生要完成這樣的試題評(píng)測任務(wù)，僅憑已學(xué)知識(shí)難以實(shí)現(xiàn)，而需要轉(zhuǎn)變角色主動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、對(duì)比實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)造性探究，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論。數(shù)字技術(shù)加持下的科學(xué)素養(yǎng)評(píng)測有利于糾正傳統(tǒng)教育評(píng)價(jià)中對(duì)學(xué)生分?jǐn)?shù)過度關(guān)注的傾向，真正實(shí)現(xiàn)教育評(píng)價(jià)從“知識(shí)導(dǎo)向”向“能力導(dǎo)向”轉(zhuǎn)變。數(shù)字化評(píng)測模式下，學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和科學(xué)素養(yǎng)得到更加全面且深入的考評(píng)，學(xué)生主動(dòng)探究和解決問題的能力得以提高，學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和興趣被激發(fā)。此外，教師能夠更準(zhǔn)確地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)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(shí)施科學(xué)素養(yǎng)評(píng)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(xué)生在科學(xué)實(shí)驗(yàn)、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(shí)訪問和使用。這突破了紙筆評(píng)測模式下數(shù)據(jù)收集的限制，為評(píng)測者提供了更好的數(shù)據(jù)管理和保護(hù)機(jī)制。同時(shí)，教師可以利用數(shù)據(jù)分析工具和軟件，對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、統(tǒng)計(jì)和分析。評(píng)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(dòng)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(píng)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(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析工具及直觀的數(shù)據(jù)可視化方式，評(píng)測者處理數(shù)據(jù)如魚得水，有利于提高科學(xué)素養(yǎng)評(píng)測的準(zhǔn)確性和有效性。（五）培育適應(yīng)時(shí)代的新人才隨著人工智能技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)和物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，學(xué)生生活發(fā)生了翻天覆地的變化，社會(huì)對(duì)新時(shí)代學(xué)生的數(shù)字素養(yǎng)和信息素養(yǎng)提出了全新的要求。當(dāng)今學(xué)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(duì)學(xué)生而言，正確獲取、合理處理和妥