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数字技术在科学素养评测中的应用及启示

摘要：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。

关键词：数字技术；科学素养评测；传感器；计算机交互

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（InformationandCommunicationTechnology，ICT）的单元评估系统[1]。国际学生评估项目PISA在必威体育精装版发布的《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。

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。与以文字和图片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。传統的纸笔测试模式下，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