推進實驗教學數字化改造 落實教育新基建要求

趙夢

摘 ?要 實驗教學的數字化改造，包括數字化實驗的應用推廣、實驗操作過程性記錄的實現和實驗教學形成性評價的構建等項工作。論述通過實驗教學的數字化改造，落實《關于推進教育新型基礎設施建設 構建高質量教育支撐體系的指導意見》中“創新評價應用”要求的必要性和可行性。

關鍵詞 實驗教學;數字化改造;數字化實驗;核心素養;教育新基建;數字檔案;學生評價;教育裝備管理評價;實驗教學大數據系統

中圖分類號：G434 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）19-0001-03

0 ?引言

2021年7月8日，教育部等六部門聯合下發《關于推進教育新型基礎設施建設 構建高質量教育支撐體系的指導意見》（以下簡稱《意見》）[1]。這是國家繼《中國教育2035》之后，圍繞中國教育未來發展方向所推出的又一份重磅文件。其中，在重點方向之“（五）創新應用新型基礎設施”標題下明確指出要“創新評價應用”，并給出具體方略：“創新信息化評價工具，全面記錄學生學習實踐經歷，客觀分析學生能力，支撐各學段全過程縱向評價和德智體美勞全要素橫向評價。推動學生數字檔案在評價中的應用，轉變簡單以考試成績為唯一標準的學生評價模式。”筆者認為，上述要求對目前正在研究和試行的實驗教學數字化改造具有極大的指導意義。

1 ?實驗教學的數字化改造

2019年11月，教育部下發《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》[2]，引發了全國范圍內對實驗教學現狀的討論。筆者通過匯總該文件下發后各地專家意見，發現有相當比例的專家主張通過對實驗教學實施系統性的數字化改造，實現加強和改進中小學實驗教學的目標。所謂實驗教學的數字化改造，有三層含義。

1.1 ?普及數字化實驗系統在中小學實驗教學中的應用

數字化實驗，特指以傳感器為實驗數據測量手段，以計算機為實驗數據處理平臺，面向真實的實驗對象所完成的實驗，目前已在歐美等發達國家的中小學獲得廣泛應用。美國公立和私立高中基本上全部裝備了數字化實驗儀器，初中的裝備比例也已接近70%。美國大學預修課程（Advanced Placement，AP）高中理科教材均引入了數字化實驗方案，實現了數字化實驗與傳統實驗的有機融合。其中AP物理[3]、化學[4]和生物教材[5]引入數字化方案的實驗占比分別為62.5%、37.5%和30.76%。

上海市教委2002年起即通過建立上海市中小學數字化實驗系統研發中心這一專門研究機構，推出了面向上海初高中物理教學的數字化實驗手段——數字化信息系統實驗室（Digital Information System，簡稱“DIS”），并將基于數字化信息系統實驗室的實驗教學要求寫入上海中學物理課程標準。2003年，《普通高中物理課程標準（實驗版）》基于上海的實踐經驗，專門引入了數字化實驗內容，將其作為改進實驗方法、增強實驗效果的重要手段進行了特別強調。

2014年，上海市教委選送的“中學物理教學的革新，數字化實驗系統（DIS）的研發與應用”項目榮獲國家級教學成果一等獎[6]。《普通高中物理課程標準（2017年版）》進一步強化了數字化實驗的育人作用，并提出要注重數字化實驗室的建設。《普通高中化學課程標準（2017年版）》《義務教育小學科學課程標準》則首次引入了數字化實驗。在課標改革的影響下，近二十年來納入數字化實驗教學內容的高中、初中理科和小學科學教材已超過20部。

盡管數字化實驗已經初步改變了我國中小學實驗教學形態，但由于缺乏來自頂層設計的更有力支持，數字化實驗的教學應用基本上靠課標和教材引領，因此，全國范圍內各學段和各學科之間的普及應用水平差異較大。筆者綜合多方研究數據估算，目前全國高中階段數字化實驗的普及率已經超過60%，初中階段數字化實驗的普及率為10%～15%，而小學階段的數字化實驗則剛剛開始，普及率不到2%。

除了學段差異，中學階段的物理、化學、生物三科的數字化實驗普及情況也很不均衡。其中，物理數字化實驗一直走在各學科各學段的前列，化學數字化實驗位居其后，而生物數字化實驗的開展情況則不甚理想，大約僅能達到物理普及水平的五分之一。數字化實驗在我國的普及應用，有著相當大的發展空間。

1.2 ?促進實驗用計算機的聯網和過程性記錄軟件的開發

相比傳統實驗，數字化實驗給中小學理科教學帶來的提升是全方位的，除了能夠填補傳統實驗的空白之外，還能夠顯著提升實驗質量、降低實驗誤差、擴展實驗數據規模（數字化實驗獲取實驗數據的能力是人工讀數的8000倍以上）。數字化實驗采集到的數據均帶有時序信息，更有利于捕捉暫態現象和進行過程性分析，計算機的輔助可以增強實驗數據的顯示效果，大幅提升實驗數據的計算效率，所涉及的原理和方法能培養學生的科技素養和工程學思維，為學生掌握和應用類似的信息化工具解決工作中的現實問題奠定基礎。由于數字化實驗儀器設備本身并不昂貴，故相比其他領域的教育信息化投入，數字化實驗憑借對學生科學認知和素養培育的突出貢獻，可穩穩占據教育投入效費比的前列。

結合教育新基建要求，筆者認為數字化實驗最大的優勢在于：設備聯網后，不僅實驗結果，而且整個實驗過程（包括實驗目標、實驗原理、實驗裝備、學生操作、數據處理、誤差分析和實驗報告等環節）都可以借助計算機軟件形成完整的過程性記錄。這一方面有助于教師在實驗課上的現場指導和評價，另一方面自動生成學生實驗的數字檔案。而且由于該過程記錄涉及學生身份信息認證、實驗時間、實驗地點及實驗設備等諸多信息，具有極高的可信度，因此，連續積累的數字檔案可準確記錄學生在校期間的全部實驗教學經歷，對確認其相關資質（如畢業、升學或申請大學的某一專業等）、開展相關評價、研究其成長歷程等奠定了豐厚的數據基礎。

將實驗用計算機聯網，是上傳學生實驗操作信息的物理基礎。過程性記錄軟件則是收集和記錄學生實驗操作信息和結果信息的工具。兩者結合，可以在學生進行實驗操作的同時記錄并上傳能夠反映其知識掌握程度、實驗操作水平和科學思維能力的海量數據。據悉，目前此類軟件不僅可以支持數字化實驗的過程性記錄，而且可以支持非數字化傳統實驗的過程性記錄，從而實現對各類實驗教學的兼容。

1.3 ?完善基于云端的實驗教學大數據系統

經過對數字化實驗設備的“班—校—區—市”逐級聯網，中小學實驗教學所生成的實驗結果及過程性數據將匯總至云端，構成省（市、自治區）級實驗教學大數據中心。這本身就響應了《意見》中關于“深入應用5G、人工智能、大數據、云計算、區塊鏈等新一代信息技術，充分發揮數據作為新型生產要素的作用，推動教育數字轉型”的要求，同時還能在相關管理系統（軟件）的支持下，成為落實《意見》中“創新評價應用”要求的有力工具。

2 ?基于實驗教學大數據，積極開展創新評價應用

《意見》將信息技術的應用提到了前所未有的高度，其背后蘊含的邏輯在于：信息技術是全社會、全行業發展的倍增器。教育事業的發展，必須依賴信息技術的應用，以及應用信息技術之后所獲取的海量數據。數字時代，數據為王。這句話直接反映了信息論、控制論等現代思想方法論的精髓——社會及行業都是系統，系統運行的關鍵在于信息的獲取和應用[7]。但相比于課堂教學和考試測驗，我國中小學的實驗教學一直是一個數據盲區，從實驗對象到實驗儀器，再到實驗操作和實驗結果的整個實驗過程，無法有效生成可供記錄和評價的數字信息。隨著實驗教學數字化改造的推進和省（市、自治區）級實驗教學大數據中心的建立，實驗教學將成為整個教育系統中最大的數據貢獻者，而且是少有的涉及學生行為記錄的數據貢獻者。依托實驗教學所貢獻的數據，至少可以開展以下四項具有開創性的評價工作。

2.1 ?基于實時數據的實驗教學的學情評價

對實驗教學開展學情評價，是教育督導部門的重要工作之一[2]。由于實驗教學的學情評價包含了實驗教學的開展時間、內容和方法與課程標準及教材要求的對應情況等大量、復雜信息，傳統的教育督導方式難以全面、準確地予以掌握，往往導致督導流于形式，客觀上為很多基層學校挪用實驗課時、弱化實驗教學制造了空間。基于數字化實驗教學的大數據系統建立后，可實時動態顯示區域內各校、各年級、各學科實驗教學開展情況，并及時發出預警信息，從而為督導工作提供真實、高效的技術支持，能夠讓督導落到實處。

2.2 ?基于學生數字檔案的成長評價

嚴格意義上講，有了計算機，學生的檔案就已經實現了數字化。但是，由于缺少涉及其行為的數據記錄，長期以來學生的數字檔案除了其個人信息、考試成績和教師的學期評價表之外，可以說內容乏善可陳，檔案數字化的優勢也沒有充分發揮出來。由于基于數字化實驗的大數據系統不僅可以采集學生實驗的結果信息，而且能記錄其實驗操作的行為及過程，因此，該大數據系統可以為學生的數字檔案提供空前豐富和全面的數據，并足以繪制出學生的成長畫像。

《意見》指出，要推動學生數字檔案在評價中的應用，轉變簡單以考試成績為唯一標準的學生評價模式。這一要求的背后是一種有別于傳統考試一考定終身的評價邏輯：基于學生正常學習過程的客觀記錄應該在對學生的評價中占據一定的權重，而高一級的學校可以依據過程性記錄判斷其是否擁有入學的必要條件。比如，美國高中沒有針對初中生的實驗操作要求，但高中畢業生在申請大學時通常需要提交參加科學課程（含實驗課程）的相關證明[8]。與之相仿，英國的GCSE（General Certificate of Secondary

Education，普通中等教育證書）考試也采用了統考與課程作業相結合的方式[9]。

因此，在完善學生數字檔案的基礎上，學校和教育部門可以開展針對學生實驗行為乃至學習行為的多維度客觀評價，以該數字檔案為基礎判定學生實驗所獲的學分，并將其作為升學的依據提交給上一級學校，從而實現《意見》中關于轉變以考試成績為唯一標準的學生評價模式的工作目標。

2.3 ?基于大數據的教育裝備管理評價

教育裝備管理評價主要包括“建、配、管、用”四個方面，評價的目的在于根據教育裝備的使用情況，以“用”為基準，向前追溯“建、配、管”的合理性，不斷調整裝備政策和標準，在保障教學實施的基礎上提升裝備投入的效費比。受限于以往的調查和統計手段，以實驗教學儀器為代表的相當比例的教育裝備的使用情況得不到真實反映，“建、配、管”的合理性及其效費比也無從判斷。

由于數字化實驗的過程性記錄軟件能夠自動涵蓋教學儀器的使用狀況，因此，實驗教學大數據系統可以為各級教育裝備管理部門提供有關裝備使用情況的真實、有效數據。教育裝備部門基于上述數據，即可完成針對“建、配、管”的準確評價，為進一步的有效管理提供重要幫助。

2.4 ?基于學生成長大數據的教法評價

教師教法的改進是教育學研究和實踐的永恒話題。教法改進的依據來自學生對于某種教法的反饋信息。所謂因材施教，指的就是根據反饋信息不斷調整教學策略和教學方法的過程。教法改進的主體是教師。但由于以往教師一般以個體身份面對有限的學生人群，所獲得的信息存在樣本量過小、代表性不足的問題，因此，其教法改進的針對性和有效性必然存在局限，教法改進工作往往陷入艱苦而長期的單打獨斗之中。

盡管實驗教學大數據系統記錄和保存的是與實驗教學直接相關的數據，但鑒于學生在實驗教學中的行為狀況，包括操作的準確性、熟練程度、結果的離散性和方法的創新性等均具有投射功能，可以反映學生對相關知識、技能的掌握情況及其科學思維、綜合素養的養成情況，所以教研部門完全可以利用實驗教學大數據系統開展深入研究，基于前所未有的大樣本和大數據，結合多種教學理論構造相對復雜的模型，把“以研促學”落到實處。

綜上，這四項工作的開展，不僅逐條落實了《意見》中關于“創新評價應用”的要求，更保證了實驗教學的自身建設能夠緊跟國家教育新基建的步伐。

3 ?讓實驗教學成為高質量教育支撐體系的重要組成部分

當今國際教育界在教育目標的設定方面普遍更加重視學生基于知識學習的實踐探索和遷移應用，以及在此基礎上的科學素養和探究能力培育。《中國學生發展核心素養》[10]

的理論依據也在于此。因為實驗教學可以為學生提供從知識學習到實踐探索再到遷移應用、從養成核心素養到培養綜合能力的完整經歷[11]，所以教育界對實驗教學的重視不斷提升。《普通高中物理課程標準（2017年版）》就指出，學生實驗是其他任何方式都無法替代的物理學習方式，要根據課程標準，最大限度地安排學生實驗[12]。因此，響應《意見》要求推進實驗教學的數字化改造及創新評價應用，是在明確實驗教學的教育使命的基礎上面向學生終身發展而采取的戰略舉措。通過數字化改造和大數據系統的建立，實驗教學必將成為《意見》所強調的“高質量教育支撐體系”的重要組成部分，為推進教育現代化、建設教育強國作出應有貢獻。■

參考文獻

[1]教育部等六部門關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導意見[EB/OL].（2021-07-22）[2021-08-10].http：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-07/

22/content_5626544.htm.

[2]教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見[EB/OL].

（2019-11-29）[2021-08-10].http：//www.moe.gov.cn/src

site/A06/s3321/201911/t20191128_409958.html.

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[12]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2017.