計算機和紙筆測試對科學能力表現影響述評

柏毅 陳航洋

摘要科學能力是科學素養的核心，是公民終身學習的必要條件?！皥猿帜芰橹亍笔钱斍盎A教育的重要指導思想。紙筆測試和計算機測試結合問卷調查比較分析來得出學生科學素養是PISA評測中常用到的評測模式。直接對比是探究評測方式差異性的常用方式。本文從采用靜態紙筆測試和計算機模擬測試的學生在科學能力表現上的差異，ICT的熟悉程度是否最終影響學生的科學能力表現這兩個方面展開論述。

關鍵詞 科學能力 科學素養 評測模式

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.24.034

A Review of the Impact of Computer and Pen and Paper Tests on the Performance of Scientific Ability

BAI Yi， CHEN Hangyang

（Research Center for Learning Science， Southeast University， Nanjing， Jiangsu 210096）

Abstract： Scientific ability is the core of scientific literacy and a necessary condition for citizens’ lifelong learning. "Attaching importance to ability" is an important guiding ideology of current basic education. Paper pen test and computer test combined with questionnaire survey and comparative analysis show that students’ sci？ entific literacy is a common evaluation mode in Pisa evaluation. Direct comparison is a common way to explore the differences of evaluation methods. This paper discusses the differences in students’ scientific ability perfor？ mance between static paper pen test and computer simulation test， and whether the familiarity of ICT ultimately affects students’ scientific ability performance.

Keywords： scientific ability； scientific literacy； evaluation mode

教育大數據時代發展迅猛，信息通信技術（ICT）嵌入實際評測過程中越來越得到關注和應用。學習者表現出超越傳統核心學科的與信息、媒體和技術相關的一般技能，借助ICT的人機交互呈現模式，動畫模擬體現出學生和教學情境之間的交互性，除此之外ICT還能模擬許多動態過程以及潛在的發生機制（例如，光合作用，光的傳播、滲透，化學反應前后粒子變化）。在經濟合作與發展組織（OECD）牽頭實施的國際評測項目（PISA）當中就設計了針對學校和學生的ICT熟悉度的測量問卷，以測量各國學生的ICT的獲得度及其對科學素養的影響。先前的ICT對學生學習的研究考察了ICT及相關因素（例如，ICT的可用性或對ICT的態度）與學習結果的關系。然而家庭和學校對ICT的可用性和態度對學業成就的影響可能因學科、性別或年級而不同。因此對ICT在評測中的使用與結果的比較分析可以從學生自身（如對ICT的感知、對ICT的興趣）以及外部條件（社會經濟、ICT的日?？色@得性）等方面進行探究。本文據此從以下兩個問題展開論述：采用靜態紙筆測試和計算機模擬測試的學生在科學能力表現上的差異，ICT的熟悉程度是否最終影響學生的科學能力表現。

科學能力概述

科學能力是科學素養的核心，是公民終身學習的必要條件。近幾十年來，科學教育的發展趨勢是越來越重視以能力為基礎的課程和教學。“堅持能力為重”是當前基礎教育的重要指導思想。學生是發展中的人，其科學素養處在不斷的動態變化之中，這也催生對科學能力評價方式的不斷探究。例如，臺灣科學教育課程大綱K-12強調發展學生探究能力包括思維能力和解決問題的能力。美國“科學能力計劃”致力于科學能力過程性評價的研究，為進一步優化和擴大中小學科學課程的學科能力研究給予方法論意義上的參考。德國采用了復雜多維能力素質模型來促進學生的科學素養，培養學生獨立思考和解決問題的能力。在PISA科學素養評測框架中，一個反思的公民需要具備科學能力，以參與科學相關的問題，并參與關于科學和技術的理性討論。PISA系統強調了三種科學能力：科學地解釋現象（如：應用適當的科學知識，做出并證明適當的預測，提供解釋性假設），評價和設計科學探索（如：在特定的科學研究中進行探索，提出和評價科學探索特定問題的方法），科學地解釋數據和證據（如分析和解釋數據并得出適當的結論，評估不同來源的科學證據）。

評價因素分析

PISA 2021中ICT框架的主要目標是全面描繪15歲學生對ICT資源的可用性及使用情況，學生自我報告使用ICT的熟練程度，記錄學生如何在校內外獲取和使用ICT資源，并確定教師、學校和教育系統如何將ICT融入教學實踐。2018年國際學生評估項目ICT熟悉度問卷評估了學生對ICT的興趣、ICT的使用、使用ICT的感知能力和自主性以及社交媒體的使用。表1給出了在PISA 2018評測中圍繞學生、教師和學校這三個體系展開的問卷調查研究。其中，常見的評測維度如下。

1.ICT態度

態度是個體對特定對象（人、觀念、情感或者事件等）所持有的穩定的心理傾向。這種心理傾向蘊含著個體的主觀評價以及由此產生的行為傾向性。在PISA中對學生的ICT相關態度和傾向的評估主要圍繞六個方面的維度，分別是態度、價值觀和信念、任務表現、情緒調節、合作以及開放溝通。態度具有直接性和一定的間接性。直接性體現在我們對一件事情采取正面的態度，更傾向于去接觸這一事物。而間接性表現在，當對與不感興趣相關聯的事物感興趣的時候，會間接培養起興趣。因此，對ICT的態度在一定程度上對學業表現結果具有導向作用。

2.ICT興趣

興趣因素在科學教育文獻中得到了廣泛的研究。在教育環境中，興趣被認為是激發特定學習策略的重要方式。當對某個情境感興趣時，學生往往會參與到該情境的學習活動中去。興趣并不是天生的，是由于對某種事物的了解和反復接觸后產生的；不是靠外界強制力量形成的，而是出于個人的強烈愿望建立和發展起來的。已有文獻表明，個體興趣對學習投入與科學素養的成就有顯著的預測作用。

3.ICT自我效能感

感知能力通常定義為特定學術或社會背景下的自我信念集合。自我效能感與一個人對未來導向的任務的信心或期望有關。PISA 2021提出了對學生ICT能力的自我效能評估。自我效能問題記錄了學生執行各種任務的能力，這些任務涉及ICT框架中確定的能力領域。研究表明，ICT自我效能感和價值信念是學生選擇計算機選修課和在計算機相關領域繼續研究的主要動力。基于以上結論，ICT可用來作為科學能力的一個預測因子。

4.在學校內外使用ICT

由于ICT設備的普及，學生可以在學校內外訪問數字媒體和設備，以獲得ICT技能和知識。根據PISA中對此的定義，校內使用ICT主要集中在教師指導下的ICT使用，以及學校政策和學校對ICT應用的外部設備支持。在校外對ICT的使用更多的是一種自然行為，比如休閑娛樂、閱讀新聞等。PISA對ICT使用從場所、ICT的使用頻率和一周累計時間以及ICT使用的類型三個角度做了進一步的細化。先前有研究指出，校外使用ICT與學生學業表現之間的關系結果并不一致。Skryabin等人發現基于教育目的在家使用ICT對學生在數學和科學成績有積極的影響。然而，Leung. F等人發現學生ICT在學業上的使用與學生在閱讀和科學方面的表現呈負相關。因此，ICT的使用對學生學習能力和結果的影響很大程度上取決于ICT使用的地點和信息通信技術使用的不同目的和動機。

5.ICT使用相關的自主性

自主性可以理解為對ICT使用的一種主動傾向性?；谧晕覜Q定理論，自主性是人類增強內在動機的一種基本心理需求。自主性意味著能夠通過自我指導、自我組織和自發的方式從事活動，自主地建構外在的科學知識進而形成自身的認知結構，并逐漸發展為科學素養。從這個意義上說，與ICT使用相關的感知自主性是指個體在不受外部因素控制的情況下，自主地發起與ICT相關的活動。自主需求的滿足與內在動機或學業動機顯著正相關。ICT使用的自主性與對待ICT的看法和態度以及自身的自我效能感都具有一定的內在交互性。

評測方式研究結果及討論

紙筆測試和計算機測試結合問卷調查比較分析來得出學生科學素養是PISA評測中常用到的評測模式。直接對比是探究評測方式差異性的常用方式。一項研究中，學生隨機被分組（組1：紙筆測試，組2：計算機測試，組3：計算機結合交互式動畫和模擬）來探討ICT變量與科學能力之間的關系，并結合問卷調查形式來收集學生對ICT的熟悉程度。

表2給出了上述三組不同測試方式分組下根據PISA科學能力三個分維度上的結果差異情況。結果表明，判斷差異性顯著與否指標P值小于0.001，即三組學生的科學能力總體水平以及在科學解釋現象、評價和設計科學探究、科學解釋數據和證據這三個分維度上，因紙筆測試和計算機測試方式的不同表現出了顯著性的差異。

根據實驗結果，組1在三個分維度上表現均居于較高水平。學生在長期的紙筆測試中形成了較為舒適的應試和思考環境，熟悉的測試環境有利于學生較快地完全沉浸到測試內容中并進行深度思考。此外，Unsworth和Chan得出結論，在計算機文本中，不同類型的圖像、語言關系對學生造成的困難程度是不同的。因此，上述因素都有可能導致參加計算機互動評估的學生成績較差。計算機的動畫演示能使抽象的過程直觀化，對發生機制和原因的理解更為透徹，因此在解釋證據上組3學生比組2學生表現得更加突出。但學習本質是學生基于概念單位進行自我建構形成認知加工模式的行為，一味地追求單純的動畫演示無法切實提高學生的元認知，相反減少并簡化了學生主動的認知加工。

其次，對ICT的熟悉程度是否會對科學能力表現造成影響，從而宏觀上表現出紙筆測試與計算機測試方式不同帶來的影響上，因此ICT的興趣起著對科學能力很強的預測作用（如上圖）。在興趣的支持下，學生更傾向去使用ICT并積極克服ICT可能帶來的困難。本研究的另一個值得注意的發現是，學生的ICT熟悉程度對其科學能力有微弱但顯著的影響，整體影響因子是0.18。評測方式的不同，在微觀上表現的差異不明顯，在宏觀上可能會表現出科學能力的顯著差異。PISA中通過對學生使用年齡的調查顯示“13歲及以上”第一次接觸電腦的學生（457分）比“10～12歲”第一次接觸電腦的學生科學素養降低了62分。

根據認知負荷理論，對ICT熟悉的學生在測試中對ICT測試環境認知負荷更少，能夠更快調整測試環境不同帶來的心理變化，應對場景變化顯得更為從容。除此之外，更早地接觸ICT，使學習者在處理ICT等數字界面的信息過程中建立起了更牢固順暢的感知和應答回路。

啟示和思考

1.評測方式的選擇要考慮實用性和操作性

當下的評測搭建更加強調集合化、系統化，但完整的科學素養評測還必須考慮到其實用性和操作性，僅僅使用計算機的虛擬情境是不足夠的。借助傳感器和實驗儀器設備并借助計算機呈現的虛擬情境來進行評測是未來科學素養評測的大方向。學生根據計算機呈現的實驗儀器設計實驗思路并進行搭建，并根據實驗設計方案選取合適的傳感器，借助實驗傳感器與計算機連接，實現數據的及時采集，電腦端安裝數據采集處理系統，學生對采集到的數據進行記錄，根據考察目的對數據進行進一步的整理分析和歸納。

在上述過程中，ICT平臺所體現的不僅是呈現試題方式的轉變，更是有機嵌入為最終的評測目的服務，評測學生的高階思維，在更大范圍內克服傳統紙筆測試以及ICT評測模式的相對靜態化，克服僵化單一的ICT平臺使用，實現了對計算機評測的能動利用。

2.評測方式增強與評測內容與目的的適切性

評測方式的選擇要根據學科性質來進行，紙筆測試使學生形成了很好的適應模式，一味求新奇轉變評測方式，反而沒有紙筆測試和科學能力之間的關聯性強，評測者應該在充分考慮評測目的和內容的前提下選取評測方式。在對知識概念以及探究過程等需要學生自主動手實驗環節等的考查上，結合動畫等的ICT評測效果并不突出。正如上述數據分析得到的對ICT的熟悉度對科學能力存在顯著的影響，在評測內容對ICT平臺要求不高的前提下，盡可能根據學生的ICT水平降低由于學生自身的因素導致的結果差異。

3.關注未來學生的ICT素養，培養呼應教育大數據發展的人才

學生對ICT的興趣、對ICT的態度以及ICT感知都對科學能力有著顯著的正向預測，對ICT的熟悉程度也在一個較小范圍內影響科學能力的結果。在教學中，教師要不斷提高ICT的理解和管理能力，在設備允許范圍內在課堂中嵌入ICT和傳感器等設備，提高課堂的創新性和包容性，引導學生使用交流、探究、分享，逐漸認識到計算機在科學學習中所扮演的角色，并有機整合計算機在科學探究中的作用。學校要制定相應的校本政策，鼓勵計算機的合理使用，并充分考慮教師日常教學中的計算機使用需求，建立教師內部以及師生之間基于合作的ICT使用模式。基于技術使用上的兩面性，使用ICT時面臨的安全問題是增加數字資源接觸必然會伴隨的，對學生使用ICT中面臨的網絡負面影響，學校要定期開展教育活動，并形成良性引導機制。

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