计算机和纸笔测试对科学能力表现影响述评

柏毅 陈航洋

摘要科学能力是科学素养的核心，是公民终身学习的必要条件。“坚持能力为重”是当前基础教育的重要指导思想。纸笔测试和计算机测试结合问卷调查比较分析来得出学生科学素养是PISA评测中常用到的评测模式。直接对比是探究评测方式差异性的常用方式。本文从采用静态纸笔测试和计算机模拟测试的学生在科学能力表现上的差异，ICT的熟悉程度是否最终影响学生的科学能力表现这两个方面展开论述。

关键词 科学能力 科学素养 评测模式

中图分类号：G424文献标识码：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

教育大數据时代发展迅猛，信息通信技术（ICT）嵌入实际评测过程中越来越得到关注和应用。学习者表现出超越传统核心学科的与信息、媒体和技术相关的一般技能，借助ICT的人机交互呈现模式，动画模拟体现出学生和教学情境之间的交互性，除此之外ICT还能模拟许多动态过程以及潜在的发生机制（例如，光合作用，光的传播、渗透，化学反应前后粒子变化）。在经济合作与发展组织（OECD）牵头实施的国际评测项目（PISA）当中就设计了针对学校和学生的ICT熟悉度的测量问卷，以测量各国学生的ICT的获得度及其对科学素养的影响。先前的ICT对学生学习的研究考察了ICT及相关因素（例如，ICT的可用性或对ICT的态度）与学习结果的关系。然而家庭和学校对ICT的可用性和态度对学业成就的影响可能因学科、性别或年级而不同。因此对ICT在评测中的使用与结果的比较分析可以从学生自身（如对ICT的感知、对ICT的兴趣）以及外部条件（社会经济、ICT的日常可获得性）等方面进行探究。本文据此从以下两个问题展开论述：采用静态纸笔测试和计算机模拟测试的学生在科学能力表现上的差异，ICT的熟悉程度是否最终影响学生的科学能力表现。

科学能力概述

科学能力是科学素养的核心，是公民终身学习的必要条件。近几十年来，科学教育的发展趋势是越来越重视以能力为基础的课程和教学。“坚持能力为重”是当前基础教育的重要指导思想。学生是发展中的人，其科学素养处在不断的动态变化之中，这也催生对科学能力评价方式的不断探究。例如，台湾科学教育课程大纲K-12强调发展学生探究能力包括思维能力和解决问题的能力。美国“科学能力计划”致力于科学能力过程性评价的研究，为进一步优化和扩大中小学科学课程的学科能力研究给予方法论意义上的参考。德国采用了复杂多维能力素质模型来促进学生的科学素养，培养学生独立思考和解决问题的能力。在PISA科学素养评测框架中，一个反思的公民需要具备科学能力，以参与科学相关的问题，并参与关于科学和技术的理性讨论。PISA系统强调了三种科学能力：科学地解释现象（如：应用适当的科学知识，做出并证明适当的预测，提供解释性假设），评价和设计科学探索（如：在特定的科学研究中进行探索，提出和评价科学探索特定问题的方法），科学地解释数据和证据（如分析和解释数据并得出适当的结论，评估不同来源的科学证据）。

评价因素分析

PISA 2021中ICT框架的主要目标是全面描绘15岁学生对ICT资源的可用性及使用情况，学生自我报告使用ICT的熟练程度，记录学生如何在校内外获取和使用ICT资源，并确定教师、学校和教育系统如何将ICT融入教学实践。2018年国际学生评估项目ICT熟悉度问卷评估了学生对ICT的兴趣、ICT的使用、使用ICT的感知能力和自主性以及社交媒体的使用。表1给出了在PISA 2018评测中围绕学生、教师和学校这三个体系展开的问卷调查研究。其中，常见的评测维度如下。

1.ICT态度

态度是个体对特定对象（人、观念、情感或者事件等）所持有的稳定的心理倾向。这种心理倾向蕴含着个体的主观评价以及由此产生的行为倾向性。在PISA中对学生的ICT相关态度和倾向的评估主要围绕六个方面的维度，分别是态度、价值观和信念、任务表现、情绪调节、合作以及开放沟通。态度具有直接性和一定的间接性。直接性体现在我们对一件事情采取正面的态度，更倾向于去接触这一事物。而间接性表现在，当对与不感兴趣相关联的事物感兴趣的时候，会间接培养起兴趣。因此，对ICT的态度在一定程度上对学业表现结果具有导向作用。

2.ICT兴趣

兴趣因素在科学教育文献中得到了广泛的研究。在教育环境中，兴趣被认为是激发特定学习策略的重要方式。当对某个情境感兴趣时，学生往往会参与到该情境的学习活动中去。兴趣并不是天生的，是由于对某种事物的了解和反复接触后产生的；不是靠外界强制力量形成的，而是出于个人的强烈愿望建立和发展起来的。已有文献表明，个体兴趣对学习投入与科学素养的成就有显著的预测作用。

3.ICT自我效能感

感知能力通常定义为特定学术或社会背景下的自我信念集合。自我效能感与一个人对未来导向的任务的信心或期望有关。PISA 2021提出了对学生ICT能力的自我效能评估。自我效能问题记录了学生执行各种任务的能力，这些任务涉及ICT框架中确定的能力领域。研究表明，ICT自我效能感和价值信念是学生选择计算机选修课和在计算机相关领域继续研究的主要动力。基于以上结论，ICT可用来作为科学能力的一个预测因子。

4.在学校内外使用ICT

由于ICT设备的普及，学生可以在学校内外访问数字媒体和设备，以获得ICT技能和知识。根据PISA中对此的定义，校内使用ICT主要集中在教师指导下的ICT使用，以及学校政策和学校对ICT应用的外部设备支持。在校外对ICT的使用更多的是一种自然行为，比如休闲娱乐、阅读新闻等。PISA对ICT使用从场所、ICT的使用频率和一周累计时间以及ICT使用的类型三个角度做了进一步的细化。先前有研究指出，校外使用ICT与学生学业表现之间的关系结果并不一致。Skryabin等人发现基于教育目的在家使用ICT对学生在数学和科学成绩有积极的影响。然而，Leung. F等人发现学生ICT在学业上的使用与学生在阅读和科学方面的表现呈负相关。因此，ICT的使用对学生学习能力和结果的影响很大程度上取决于ICT使用的地点和信息通信技术使用的不同目的和动机。

5.ICT使用相关的自主性

自主性可以理解为对ICT使用的一种主动倾向性。基于自我决定理论，自主性是人类增强内在动机的一种基本心理需求。自主性意味着能够通过自我指导、自我组织和自发的方式从事活动，自主地建构外在的科学知识进而形成自身的认知结构，并逐渐发展为科学素养。从这个意义上说，与ICT使用相关的感知自主性是指个体在不受外部因素控制的情况下，自主地发起与ICT相关的活动。自主需求的满足与内在动机或学业动机显著正相关。ICT使用的自主性与对待ICT的看法和态度以及自身的自我效能感都具有一定的内在交互性。

评测方式研究结果及讨论

纸笔测试和计算机测试结合问卷调查比较分析来得出学生科学素养是PISA评测中常用到的评测模式。直接对比是探究评测方式差异性的常用方式。一项研究中，学生随机被分组（组1：纸笔测试，组2：计算机测试，组3：计算机结合交互式动画和模拟）来探讨ICT变量与科学能力之间的关系，并结合问卷调查形式来收集学生对ICT的熟悉程度。

表2給出了上述三组不同测试方式分组下根据PISA科学能力三个分维度上的结果差异情况。结果表明，判断差异性显著与否指标P值小于0.001，即三组学生的科学能力总体水平以及在科学解释现象、评价和设计科学探究、科学解释数据和证据这三个分维度上，因纸笔测试和计算机测试方式的不同表现出了显著性的差异。

根据实验结果，组1在三个分维度上表现均居于较高水平。学生在长期的纸笔测试中形成了较为舒适的应试和思考环境，熟悉的测试环境有利于学生较快地完全沉浸到测试内容中并进行深度思考。此外，Unsworth和Chan得出结论，在计算机文本中，不同类型的图像、语言关系对学生造成的困难程度是不同的。因此，上述因素都有可能导致参加计算机互动评估的学生成绩较差。计算机的动画演示能使抽象的过程直观化，对发生机制和原因的理解更为透彻，因此在解释证据上组3学生比组2学生表现得更加突出。但学习本质是学生基于概念单位进行自我建构形成认知加工模式的行为，一味地追求单纯的动画演示无法切实提高学生的元认知，相反减少并简化了学生主动的认知加工。

其次，对ICT的熟悉程度是否会对科学能力表现造成影响，从而宏观上表现出纸笔测试与计算机测试方式不同带来的影响上，因此ICT的兴趣起着对科学能力很强的预测作用（如上图）。在兴趣的支持下，学生更倾向去使用ICT并积极克服ICT可能带来的困难。本研究的另一个值得注意的发现是，学生的ICT熟悉程度对其科学能力有微弱但显著的影响，整体影响因子是0.18。评测方式的不同，在微观上表现的差异不明显，在宏观上可能会表现出科学能力的显著差异。PISA中通过对学生使用年龄的调查显示“13岁及以上”第一次接触电脑的学生（457分）比“10～12岁”第一次接触电脑的学生科学素养降低了62分。

根据认知负荷理论，对ICT熟悉的学生在测试中对ICT测试环境认知负荷更少，能够更快调整测试环境不同带来的心理变化，应对场景变化显得更为从容。除此之外，更早地接触ICT，使学习者在处理ICT等数字界面的信息过程中建立起了更牢固顺畅的感知和应答回路。

启示和思考

1.评测方式的选择要考虑实用性和操作性

当下的评测搭建更加强调集合化、系统化，但完整的科学素养评测还必须考虑到其实用性和操作性，仅仅使用计算机的虚拟情境是不足够的。借助传感器和实验仪器设备并借助计算机呈现的虚拟情境来进行评测是未来科学素养评测的大方向。学生根据计算机呈现的实验仪器设计实验思路并进行搭建，并根据实验设计方案选取合适的传感器，借助实验传感器与计算机连接，实现数据的及时采集，电脑端安装数据采集处理系统，学生对采集到的数据进行记录，根据考察目的对数据进行进一步的整理分析和归纳。

在上述过程中，ICT平台所体现的不仅是呈现试题方式的转变，更是有机嵌入为最终的评测目的服务，评测学生的高阶思维，在更大范围内克服传统纸笔测试以及ICT评测模式的相对静态化，克服僵化单一的ICT平台使用，实现了对计算机评测的能动利用。

2.评测方式增强与评测内容与目的的适切性

评测方式的选择要根据学科性质来进行，纸笔测试使学生形成了很好的适应模式，一味求新奇转变评测方式，反而没有纸笔测试和科学能力之间的关联性强，评测者应该在充分考虑评测目的和内容的前提下选取评测方式。在对知识概念以及探究过程等需要学生自主动手实验环节等的考查上，结合动画等的ICT评测效果并不突出。正如上述数据分析得到的对ICT的熟悉度对科学能力存在显著的影响，在评测内容对ICT平台要求不高的前提下，尽可能根据学生的ICT水平降低由于学生自身的因素导致的结果差异。

3.关注未来学生的ICT素养，培养呼应教育大数据发展的人才

学生对ICT的兴趣、对ICT的态度以及ICT感知都对科学能力有着显著的正向预测，对ICT的熟悉程度也在一个较小范围内影响科学能力的结果。在教学中，教师要不断提高ICT的理解和管理能力，在设备允许范围内在课堂中嵌入ICT和传感器等设备，提高课堂的创新性和包容性，引导学生使用交流、探究、分享，逐渐认识到计算机在科学学习中所扮演的角色，并有机整合计算机在科学探究中的作用。学校要制定相应的校本政策，鼓励计算机的合理使用，并充分考虑教师日常教学中的计算机使用需求，建立教师内部以及师生之间基于合作的ICT使用模式。基于技术使用上的两面性，使用ICT时面临的安全问题是增加数字资源接触必然会伴随的，对学生使用ICT中面临的网络负面影响，学校要定期开展教育活动，并形成良性引导机制。

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