推进实验教学数字化改造 落实教育新基建要求

赵梦

摘  要 实验教学的数字化改造，包括数字化实验的应用推广、实验操作过程性记录的实现和实验教学形成性评价的构建等项工作。论述通过实验教学的数字化改造，落实《关于推进教育新型基础设施建设 构建高质量教育支撑体系的指导意见》中“创新评价应用”要求的必要性和可行性。

关键词 实验教学;数字化改造;数字化实验;核心素养;教育新基建;数字档案;学生评价;教育装备管理评价;实验教学大数据系统

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）19-0001-03

0  引言

2021年7月8日，教育部等六部门联合下发《关于推进教育新型基础设施建设 构建高质量教育支撑体系的指导意见》（以下简称《意见》）[1]。这是国家继《中国教育2035》之后，围绕中国教育未来发展方向所推出的又一份重磅文件。其中，在重点方向之“（五）创新应用新型基础设施”标题下明确指出要“创新评价应用”，并给出具体方略：“创新信息化评价工具，全面记录学生学习实践经历，客观分析学生能力，支撑各学段全过程纵向评价和德智体美劳全要素横向评价。推动学生数字档案在评价中的应用，转变简单以考试成绩为唯一标准的学生评价模式。”笔者认为，上述要求对目前正在研究和试行的实验教学数字化改造具有极大的指导意义。

1  实验教学的数字化改造

2019年11月，教育部下发《关于加强和改进中小学实验教学的意见》[2]，引发了全国范围内对实验教学现状的讨论。笔者通过汇总该文件下发后各地专家意见，发现有相当比例的专家主张通过对实验教学实施系统性的数字化改造，实现加强和改进中小学实验教学的目标。所谓实验教学的数字化改造，有三层含义。

1.1  普及数字化实验系统在中小学实验教学中的应用

数字化实验，特指以传感器为实验数据测量手段，以计算机为实验数据处理平台，面向真实的实验对象所完成的实验，目前已在欧美等发达国家的中小学获得广泛应用。美国公立和私立高中基本上全部装备了数字化实验仪器，初中的装备比例也已接近70%。美国大学预修课程（Advanced Placement，AP）高中理科教材均引入了数字化实验方案，实现了数字化实验与传统实验的有机融合。其中AP物理[3]、化学[4]和生物教材[5]引入数字化方案的实验占比分别为62.5%、37.5%和30.76%。

上海市教委2002年起即通过建立上海市中小学数字化实验系统研发中心这一专门研究机构，推出了面向上海初高中物理教学的数字化实验手段——数字化信息系统实验室（Digital Information System，简称“DIS”），并将基于数字化信息系统实验室的实验教学要求写入上海中学物理课程标准。2003年，《普通高中物理课程标准（实验版）》基于上海的实践经验，专门引入了数字化实验内容，将其作为改进实验方法、增强实验效果的重要手段进行了特别强调。

2014年，上海市教委选送的“中学物理教学的革新，数字化实验系统（DIS）的研发与应用”项目荣获国家级教学成果一等奖[6]。《普通高中物理课程标准（2017年版）》进一步强化了数字化实验的育人作用，并提出要注重数字化实验室的建设。《普通高中化学课程标准（2017年版）》《义务教育小学科学课程标准》则首次引入了数字化实验。在课标改革的影响下，近二十年来纳入数字化实验教学内容的高中、初中理科和小学科学教材已超过20部。

尽管数字化实验已经初步改变了我国中小学实验教学形态，但由于缺乏来自顶层设计的更有力支持，数字化实验的教学应用基本上靠课标和教材引领，因此，全国范围内各学段和各学科之间的普及应用水平差异较大。笔者综合多方研究数据估算，目前全国高中阶段数字化实验的普及率已经超过60%，初中阶段数字化实验的普及率为10%～15%，而小学阶段的数字化实验则刚刚开始，普及率不到2%。

除了学段差异，中学阶段的物理、化学、生物三科的数字化实验普及情况也很不均衡。其中，物理数字化实验一直走在各学科各学段的前列，化学数字化实验位居其后，而生物数字化实验的开展情况则不甚理想，大约仅能达到物理普及水平的五分之一。数字化实验在我国的普及应用，有着相当大的发展空间。

1.2  促进实验用计算机的联网和过程性记录软件的开发

相比傳统实验，数字化实验给中小学理科教学带来的提升是全方位的，除了能够填补传统实验的空白之外，还能够显著提升实验质量、降低实验误差、扩展实验数据规模（数字化实验获取实验数据的能力是人工读数的8000倍以上）。数字化实验采集到的数据均带有时序信息，更有利于捕捉暂态现象和进行过程性分析，计算机的辅助可以增强实验数据的显示效果，大幅提升实验数据的计算效率，所涉及的原理和方法能培养学生的科技素养和工程学思维，为学生掌握和应用类似的信息化工具解决工作中的现实问题奠定基础。由于数字化实验仪器设备本身并不昂贵，故相比其他领域的教育信息化投入，数字化实验凭借对学生科学认知和素养培育的突出贡献，可稳稳占据教育投入效费比的前列。

结合教育新基建要求，笔者认为数字化实验最大的优势在于：设备联网后，不仅实验结果，而且整个实验过程（包括实验目标、实验原理、实验装备、学生操作、数据处理、误差分析和实验报告等环节）都可以借助计算机软件形成完整的过程性记录。这一方面有助于教师在实验课上的现场指导和评价，另一方面自动生成学生实验的数字档案。而且由于该过程记录涉及学生身份信息认证、实验时间、实验地点及实验设备等诸多信息，具有极高的可信度，因此，连续积累的数字档案可准确记录学生在校期间的全部实验教学经历，对确认其相关资质（如毕业、升学或申请大学的某一专业等）、开展相关评价、研究其成长历程等奠定了丰厚的数据基础。

将实验用计算机联网，是上传学生实验操作信息的物理基础。过程性记录软件则是收集和记录学生实验操作信息和结果信息的工具。两者结合，可以在学生进行实验操作的同时记录并上传能够反映其知识掌握程度、实验操作水平和科学思维能力的海量数据。据悉，目前此类软件不仅可以支持数字化实验的过程性记录，而且可以支持非数字化传统实验的过程性记录，从而实现对各类实验教学的兼容。

1.3  完善基于云端的实验教学大数据系统

经过对数字化实验设备的“班—校—区—市”逐级联网，中小学实验教学所生成的实验结果及过程性数据将汇总至云端，构成省（市、自治区）级实验教学大数据中心。这本身就响应了《意见》中关于“深入应用5G、人工智能、大数据、云计算、区块链等新一代信息技术，充分发挥数据作为新型生产要素的作用，推动教育数字转型”的要求，同时还能在相关管理系统（软件）的支持下，成为落实《意见》中“创新评价应用”要求的有力工具。

2  基于实验教学大数据，积极开展创新评价应用

《意见》将信息技术的应用提到了前所未有的高度，其背后蕴含的逻辑在于：信息技术是全社会、全行业发展的倍增器。教育事業的发展，必须依赖信息技术的应用，以及应用信息技术之后所获取的海量数据。数字时代，数据为王。这句话直接反映了信息论、控制论等现代思想方法论的精髓——社会及行业都是系统，系统运行的关键在于信息的获取和应用[7]。但相比于课堂教学和考试测验，我国中小学的实验教学一直是一个数据盲区，从实验对象到实验仪器，再到实验操作和实验结果的整个实验过程，无法有效生成可供记录和评价的数字信息。随着实验教学数字化改造的推进和省（市、自治区）级实验教学大数据中心的建立，实验教学将成为整个教育系统中最大的数据贡献者，而且是少有的涉及学生行为记录的数据贡献者。依托实验教学所贡献的数据，至少可以开展以下四项具有开创性的评价工作。

2.1  基于实时数据的实验教学的学情评价

对实验教学开展学情评价，是教育督导部门的重要工作之一[2]。由于实验教学的学情评价包含了实验教学的开展时间、内容和方法与课程标准及教材要求的对应情况等大量、复杂信息，传统的教育督导方式难以全面、准确地予以掌握，往往导致督导流于形式，客观上为很多基层学校挪用实验课时、弱化实验教学制造了空间。基于数字化实验教学的大数据系统建立后，可实时动态显示区域内各校、各年级、各学科实验教学开展情况，并及时发出预警信息，从而为督导工作提供真实、高效的技术支持，能够让督导落到实处。

2.2  基于学生数字档案的成长评价

严格意义上讲，有了计算机，学生的档案就已经实现了数字化。但是，由于缺少涉及其行为的数据记录，长期以来学生的数字档案除了其个人信息、考试成绩和教师的学期评价表之外，可以说内容乏善可陈，档案数字化的优势也没有充分发挥出来。由于基于数字化实验的大数据系统不仅可以采集学生实验的结果信息，而且能记录其实验操作的行为及过程，因此，该大数据系统可以为学生的数字档案提供空前丰富和全面的数据，并足以绘制出学生的成长画像。

《意见》指出，要推动学生数字档案在评价中的应用，转变简单以考试成绩为唯一标准的学生评价模式。这一要求的背后是一种有别于传统考试一考定终身的评价逻辑：基于学生正常学习过程的客观记录应该在对学生的评价中占据一定的权重，而高一级的学校可以依据过程性记录判断其是否拥有入学的必要条件。比如，美国高中没有针对初中生的实验操作要求，但高中毕业生在申请大学时通常需要提交参加科学课程（含实验课程）的相关证明[8]。与之相仿，英国的GCSE（General Certificate of Secondary

Education，普通中等教育证书）考试也采用了统考与课程作业相结合的方式[9]。

因此，在完善学生数字档案的基础上，学校和教育部门可以开展针对学生实验行为乃至学习行为的多维度客观评价，以该数字档案为基础判定学生实验所获的学分，并将其作为升学的依据提交给上一级学校，从而实现《意见》中关于转变以考试成绩为唯一标准的学生评价模式的工作目标。

2.3  基于大数据的教育装备管理评价

教育装备管理评价主要包括“建、配、管、用”四个方面，评价的目的在于根据教育装备的使用情况，以“用”为基准，向前追溯“建、配、管”的合理性，不断调整装备政策和标准，在保障教学实施的基础上提升装备投入的效费比。受限于以往的调查和统计手段，以实验教学仪器为代表的相当比例的教育装备的使用情况得不到真实反映，“建、配、管”的合理性及其效费比也无从判断。

由于数字化实验的过程性记录软件能够自动涵盖教学仪器的使用状况，因此，实验教学大数据系统可以为各级教育装备管理部门提供有关装备使用情况的真实、有效数据。教育装备部门基于上述数据，即可完成针对“建、配、管”的准确评价，为进一步的有效管理提供重要帮助。

2.4  基于学生成长大数据的教法评价

教师教法的改进是教育学研究和实践的永恒话题。教法改进的依据来自学生对于某种教法的反馈信息。所谓因材施教，指的就是根据反馈信息不断调整教学策略和教学方法的过程。教法改进的主体是教师。但由于以往教师一般以个体身份面对有限的学生人群，所获得的信息存在样本量过小、代表性不足的问题，因此，其教法改进的针对性和有效性必然存在局限，教法改进工作往往陷入艰苦而长期的单打独斗之中。

尽管实验教学大数据系统记录和保存的是与实验教学直接相关的数据，但鉴于学生在实验教学中的行为状况，包括操作的准确性、熟练程度、结果的离散性和方法的创新性等均具有投射功能，可以反映学生对相关知识、技能的掌握情况及其科学思维、综合素养的养成情况，所以教研部门完全可以利用实验教学大数据系统开展深入研究，基于前所未有的大样本和大数据，结合多种教学理论构造相对复杂的模型，把“以研促学”落到实处。

综上，这四项工作的开展，不仅逐条落实了《意见》中关于“创新评价应用”的要求，更保证了实验教学的自身建设能够紧跟国家教育新基建的步伐。

3  让实验教学成为高质量教育支撑体系的重要组成部分

当今国际教育界在教育目标的设定方面普遍更加重视学生基于知识学习的实践探索和迁移应用，以及在此基础上的科学素养和探究能力培育。《中国学生发展核心素养》[10]

的理论依据也在于此。因为实验教学可以为学生提供从知识学习到实践探索再到迁移应用、从养成核心素养到培养综合能力的完整经历[11]，所以教育界对实验教学的重视不断提升。《普通高中物理课程标准（2017年版）》就指出，学生实验是其他任何方式都无法替代的物理学习方式，要根据课程标准，最大限度地安排学生实验[12]。因此，响应《意见》要求推进实验教学的数字化改造及创新评价应用，是在明确实验教学的教育使命的基础上面向学生终身发展而采取的战略举措。通过数字化改造和大数据系统的建立，实验教学必将成为《意见》所强调的“高质量教育支撑体系”的重要组成部分，为推进教育现代化、建设教育强国作出应有贡献。■

参考文献

[1]教育部等六部门关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见[EB/OL].（2021-07-22）[2021-08-10].http：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-07/

22/content_5626544.htm.

[2]教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见[EB/OL].

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

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

[3]The College Board. AP® Physics 1 and 2 Inquiry-Based Lab Investigations：A Teacher’s Manual[M].New

York，2015.

[4]The College Board. AP® Chemistry Guided-inquiry experiments： Applying the Science Practices[M].New York，2015.

[5]The College Board. AP® Biology Investigative Labs：

An Inquiry-Based Approach[M].New York，2015.

[6]冯容士，李鼎.DIS，上海创造：数字化实验系统研发纪实[M].上海：上海教育出版社，2018：14.

[7]王雨田.控制论、信息论、系统科学与哲学[M].北京：中国人民大学出版社，1986.

[8]National Research Council. American’s Lab Report：

Investigation in High School Science[R].Washington， D.C： the National Academies Press，2005：52.

[9]高益民，葉赋桂.终身学习与世界高考制度的变革[J].比较教育研究，2001（12）：11-15.

[10]核心素养研究课题组.中国学生发展核心素养[J].中国教育学刊，2016（10）：1-3.

[11]艾伦.实验教学论[M].北京：首都师范大学出版社，

2018：24

[12]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2017.