夏小俊 柏毅

(東南大學(xué)兒童發(fā)展與學(xué)習(xí)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210096)

1 引言

在科學(xué)教育的諸多相關(guān)領(lǐng)域中，對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的研究成為了現(xiàn)在最熱門的話題之一。無論是對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，還是對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的測評，都對各個(gè)國家的長期發(fā)展和民族素質(zhì)的提高有著根本的意義。目前國際上的主流科學(xué)素養(yǎng)測評框架包括了美國國家教育評測中心推出的NAEP項(xiàng)目、國際教育成就評價(jià)協(xié)會(huì)推出的TIMSS項(xiàng)目、世界經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(簡稱OECD)推出的PISA項(xiàng)目以及澳大利亞的NAP項(xiàng)目，而我國也在2007年頒布了《全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)計(jì)劃綱要》[1]，為提高公民科學(xué)素質(zhì)指出了宏觀的發(fā)展方向。

最初的測評方案都是基于紙筆測試的，為了符合時(shí)代發(fā)展潮流，NAEP在2011年起引入了基于計(jì)算機(jī)情境的測試試題[2]，PISA也在2012年首次嘗試引入了基于計(jì)算機(jī)的問題解決測試[3]。這些試題往往通過計(jì)算機(jī)化的虛擬情境（如動(dòng)畫、聲音和圖片等）來貼近真實(shí)生活。這些虛擬化的情境經(jīng)過精心設(shè)計(jì)之后，可供學(xué)生在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行自主的科學(xué)探究，采集并分析相關(guān)虛擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但完整的科學(xué)素養(yǎng)評測還必須考慮到其實(shí)用性和操作性，僅僅使用計(jì)算機(jī)的虛擬情境和工具是不足夠的。為了更好的評估學(xué)生的實(shí)際操作水平，本文將信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感器技術(shù)等相結(jié)合構(gòu)建評測方案，并構(gòu)建相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析及合作研究提供支持。

2 研究方法

2.1 科學(xué)素養(yǎng)評測方案設(shè)計(jì)

本文中設(shè)計(jì)素養(yǎng)評測方案的理論基礎(chǔ)是ECD模型（Evidence-Centered Assessment Design）[4]。如圖1所示，ECD模式通常分為5個(gè)自模式：學(xué)生模式、證據(jù)模式、任務(wù)模式、組合模式和呈現(xiàn)模式[5]。

圖1 ECD 模型

以NAEP為例，從2003年起在評估方案中加入了富技術(shù)環(huán)境下的學(xué)生模式和證據(jù)模式[6]，將要考察的能力重點(diǎn)分為探索能力、綜合推理能力和計(jì)算機(jī)能力。與此類似的是，在本文的方案中針對不同的知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)不同的能力評測要求，其中在探索能力部分特別增加了對傳感器以及實(shí)驗(yàn)器材操作的考核要求。

如圖2所示，本文的評測方案考慮了虛擬情境和實(shí)際動(dòng)手操作的結(jié)合。首先在正式評測之前，學(xué)生會(huì)進(jìn)行PISA2006科學(xué)素養(yǎng)樣題的預(yù)評測，以用作實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比研究分析。正式評測開始之后，由計(jì)算機(jī)構(gòu)建的任務(wù)情境會(huì)呈現(xiàn)在學(xué)生面前，學(xué)生根據(jù)任務(wù)提示進(jìn)行對應(yīng)的操作，如填寫客觀題、主觀題答案以及選擇合理的實(shí)驗(yàn)器材。在實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中，傳感器會(huì)將數(shù)據(jù)通過對應(yīng)的數(shù)字化采集器傳送到計(jì)算機(jī)窗口。實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后，除了由計(jì)算機(jī)對客觀題進(jìn)行自動(dòng)評分之外，還將由主試對主觀題以及被試的操作能力進(jìn)行綜合評分。

圖2 基于計(jì)算機(jī)和傳感器的實(shí)驗(yàn)評測方案

2.2 科學(xué)素養(yǎng)評測數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中，所有的主客觀評測數(shù)據(jù)都需要進(jìn)行存儲(chǔ)以備后續(xù)分析使用，因此需要對整個(gè)評測設(shè)計(jì)一套合理、靈活而健壯的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。根據(jù)前述的評測全過程要求，需要在數(shù)據(jù)庫當(dāng)中保存的數(shù)據(jù)包括：主試的相關(guān)信息、被試的人口學(xué)數(shù)據(jù)、PISA預(yù)評測試題內(nèi)容、不同的具體評測方案內(nèi)容以及被試所進(jìn)行的預(yù)評測和實(shí)測的數(shù)據(jù)結(jié)果。

因?yàn)椴煌脑u測方案涉及到的學(xué)科背景可能完全不同，所采用的ECD模型的設(shè)計(jì)思路也由很大的區(qū)別，因此必須對每個(gè)方案進(jìn)行獨(dú)立的數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)。一套完整的評測方案應(yīng)該包括主觀題（如問答題）、客觀題（如選擇題）以及數(shù)值填空題等基本題型，在數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)中分別用對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型匹配即可。當(dāng)被試開始評測時(shí)，從數(shù)據(jù)庫當(dāng)中讀取對應(yīng)的評測內(nèi)容頁面，并逐步完成評測表單的填寫。

考慮到不可能所有的評分都由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成（如傳感器操作能力、實(shí)驗(yàn)中的科學(xué)探究能力等），在被試進(jìn)行評測的過程中，主試應(yīng)密切觀察并適當(dāng)紀(jì)錄，在評測完成之后，通過主試專用的管理入口完成數(shù)據(jù)的添加補(bǔ)充。

2.3 構(gòu)建科學(xué)素養(yǎng)評測云平臺(tái)

在默認(rèn)情況下，系統(tǒng)可以通過Web的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問，但一旦大規(guī)模展開評測之后就很可能會(huì)面臨各種客觀條件的影響。具體可能的限制因素包括：評測現(xiàn)場沒有計(jì)算機(jī)或者數(shù)量有限、無Internet連接或者連接非常不穩(wěn)定等，為了解決這些實(shí)際的問題，在系統(tǒng)中增加對移動(dòng)客戶端版本以及硬件接口的支持，并與Web系統(tǒng)一起構(gòu)建起了科學(xué)素養(yǎng)評測的云平臺(tái)。

如圖3所示，在缺乏PC或者網(wǎng)絡(luò)的情況下，基于安卓系統(tǒng)的平板電腦可充分代替計(jì)算機(jī)的作用。在這其中，有2個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問題：首先，平板電腦缺乏必要的硬件接口，因此在和數(shù)據(jù)采集器的通訊當(dāng)中，使用了藍(lán)牙協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，從而保證了系統(tǒng)的便攜性；其次，使用安卓平板進(jìn)行的素養(yǎng)評測方案使用了JAVA＋SQLite離線數(shù)據(jù)庫的暫時(shí)寄存方式，而之前使用的WEB平臺(tái)采用的是PHP＋MYSQL的架構(gòu)，因此當(dāng)評測結(jié)束回到網(wǎng)絡(luò)良好的狀態(tài)時(shí)，可通過應(yīng)用中預(yù)先編寫的JDBC接口將平板中的評測數(shù)據(jù)自動(dòng)遷移到服務(wù)器上，使得所有的數(shù)據(jù)始終保持在“云端”，從而避免了數(shù)據(jù)分散或丟失的麻煩。

圖3 基于安卓客戶端的便攜式評測平臺(tái)

2.4 數(shù)據(jù)結(jié)果分析示例

目前本平臺(tái)已經(jīng)被投入到了初步的實(shí)際評測工作當(dāng)中，選擇了某所本科院校的近200名大一學(xué)生（分別來自3個(gè)不同的專業(yè)），并進(jìn)行了2種方案的交叉評測。

PISA問卷預(yù)評測的數(shù)據(jù)分析：對樣本的測驗(yàn)得分制進(jìn)行Shapiro-Wilk（w檢驗(yàn)），其顯著性得分Sig.為0.069(＞0.05)，滿足正態(tài)性分布的要求；對學(xué)生性別、年齡、高中文理分科、戶籍和是否獨(dú)生子女5個(gè)變量進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，其得分均不造成顯著差異。因?yàn)槲覀兊臄?shù)據(jù)來源比較集中（均為同一學(xué)校的大一新生），出現(xiàn)這樣的情況是正常的。

某實(shí)際評測方案（金屬比熱容的比較）的數(shù)據(jù)分析：在相關(guān)性分析當(dāng)中，可得到如下的結(jié)果：①PISA問卷中的物質(zhì)主題暨科學(xué)探究和科學(xué)解釋部分的得分交集，與實(shí)驗(yàn)總得分在0.05水平上呈現(xiàn)正相關(guān)，這個(gè)分析可以證明本方案可以有效地評測學(xué)生有關(guān)物質(zhì)系統(tǒng)的知識(shí)以及相關(guān)的科學(xué)探究能力；②PISA問卷中的物質(zhì)主題暨科學(xué)探究和科學(xué)解釋部分的得分交集，與實(shí)驗(yàn)部分的理論知識(shí)得分也在0.05水平上呈現(xiàn)正相關(guān)，這個(gè)分析可以證明本方案和PISA在評測學(xué)生的理論知識(shí)效果是吻合的；③實(shí)驗(yàn)理論題得分和實(shí)驗(yàn)操作題得分在0.05水平上呈現(xiàn)正相關(guān)，這也證明了本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的內(nèi)部一致性；④PISA問卷中的物質(zhì)主題暨科學(xué)探究和科學(xué)解釋部分的得分交集，與實(shí)驗(yàn)操作題得分并不呈現(xiàn)相關(guān)，這也充分證明了PISA評測對實(shí)際操作能力考察的不足。

綜上所述，無論是平臺(tái)采集到的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析，還是與PISA預(yù)評測數(shù)據(jù)的結(jié)果進(jìn)行的對比分析，都證實(shí)了該平臺(tái)的可靠性和有效性。

3 結(jié)束語

科學(xué)素養(yǎng)的評測工作任重而道遠(yuǎn)，本文的工作也處于剛剛起步的階段。在后續(xù)的工作當(dāng)中，將逐步解決以下的幾個(gè)問題：在Web平臺(tái)上直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的閱讀和處理工作，并可通過數(shù)據(jù)挖掘的手段發(fā)現(xiàn)潛在的數(shù)據(jù)聯(lián)系；利用云計(jì)算技術(shù)，保障數(shù)據(jù)的安全性和完整性，為數(shù)據(jù)共享提供了可靠的技術(shù)支撐；面向更多人群（如中小學(xué)生）、更多主題（物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與空間科學(xué)和技術(shù)系統(tǒng)）、更多的應(yīng)用場合（學(xué)校和科普活動(dòng)）等進(jìn)行科學(xué)的方案設(shè)計(jì)等。

針對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的評測目前在國內(nèi)仍然主要處于理論研究階段，而如果想要真正地投入實(shí)踐，除了需要對教育理論本身的研究，更多地需要的是充分的ICT技術(shù)力量的支持。本文在該領(lǐng)域當(dāng)中做出了嘗試性的工作，并取得了初步的有效成果，為進(jìn)一步深入研究我國學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的情況打下了良好的基礎(chǔ)。

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