基数字化设备中学生科学素养评测设计
科学素养前科学教育领域关注重点概念学生身成长需国家社会素质求义务教育科学课程标准（2022年版）倡导提升学生科学素养进步凸显科学教育重位设计适合义务教育阶段科学素养评测方案具推动科学教育发展现实意义纸笔评测法实现探究实践等素评价数字化设备定量直观实时准确优势逐渐进入科学教育工作者视野笔者认评测中运计算机数字化设备虚拟情境真实情境结合学生探究更接科学质科学素养评测工作提供极助力
国际科学素养评测现状
着社会科技发展众组织学者层次角度科学素养定义进行纳完善笔者综合国外学者国课程标准科学素养涵定义兼顾评测实施操作性文中关注学生否助科学知识科学程解然奥秘否应科学素养事种科学研究
解学生科学素养情况众组织研究者进行评测方案研发目前三项规模样科学素养评测国际具广泛影响分国际学生评估项目（The Program for International Student AssessmentPISA）美国国家教育进步评价（National Assessment of Educational ProgressNAEP）国际数学科学趋势研究项目（The Trends in International Mathematics and Science StudyTIMSS）早期项目形式纸笔测试着信息技术发展研究者逐步开发基信息通信技术（Information and Communication TechnologyICT）单元评估2009年NAEP率先尝试基计算机情境评测加入计算机交互务（Interactive Computer Task）动手操作务（Handson Task)创设虚拟务情境评估学生问题解决力2019年完成纸笔测试基数字评估渡PISA2012年引入基计算机评估台问题解决数学数字化阅读三方面测试着评估框架更新调整新项目开发均基计算机台然纸笔评估然种选择数国家选择计算机台实施交付整评估TIMSS2019年进入计算机评估系统研发初始阶段新TIMSS 2023手册表明该项目2023年完成升级仅计算机台创设虚拟情境难全面评测学生科学素养开发者应该考虑科学探究真实性操作性研究团队构建相应探究实验台数字化设备引入评测体系便学生真实情境中探究实践中评估操作水填补科学素养评测缺口
二基数字化设备科学素养评测方案
义务教育科学课程标准（2022年版）评价建议中倡导教师采非纸笔测试方式重点评价学生科学探究力技术工程实践力创新解决实际问题力等数字化设备进入科学素养评测非常符合新课标精神笔者结合东南学百研工坊科学教育团队开发评测方案述数字化设备学生科学素养评测深度融合方式
（）数字化设备科学素养评测中应
数字化设备种建立测量技术检测装置模拟信号转换成数字信号输出笔者述数字化设备指信息技术网络技术传感器技术等相结合系列工具（图1）完成评测采传感器数采集器计算机配套应软件
图1 数字化设备运行模式
工作原理：传感器采集信息转化成电信号数采集器电信号转换成数字信号反馈计算机软件终通数字化信息系统实验室（Digital Information System LaboratoryDISLab）系统实验结果视化图形呈现学生快速采集实验数监控信号量实时变化数完成监测统计绘图分析工作数字化设备具定量直观实时准确等特点改进传统实验耗时长器材步骤繁精确等缺点重手段教师数字化设备效提高学生数处理模型建构科学推理等力数字化设备义务教育阶段科学教学中应广泛（见表1）
表1 数字化设备适科学实验
（二）科学素养评测理模型
1ECD概念评估框架
百研工坊科学素养评测方案ECD（EvidenceCentered Design）模型设计ECD模型梅斯雷弗（Robert J Mislevy）等开发系统性评价设计模式年研究发展该模型广泛PISANAEP等国际评测项目ECD模型五层次测试开发：领域分析领域建模概念评价框架评估预实验评估交付中概念评价框架通常五子模式：学生模式证模式务模式组合模式呈现模式（图2）学生模式涵盖学生应掌握知识相评测目标容测量什证模式指选实验范式相评测手段方式测量务模式指具体情境选择务框架情境什组合模式表明前三种模式相互结合呈现模式指评价实际采具体方式纸笔实验操作计算机交互等子模式协构建科学完整评价框架
图2 ECD概念评价框架
评测方案中静态评估计算机交互务计算机呈现动手实操务助数字化设备搭建实验台研究团队参考NAEP中富技术环境（TechnologyRich EnvironmentsTRE）关问题解决研究方法应学生模式证模式设计基数字化设备科学素养评测目标（见表2）学生模式评估目标科学探究力（分知识探索力综合推理力）信息技术力组成证模式评估目标针情境方案进行细节划分分知识点掌握实验探究步骤应技术手段等容中特增加数字化设备操作考核求试者评分
表2 基数字化设备科学素养评测目标
2项目反应理Rasch模型
研究团队设计新方案重理基础项目反应理（Item Response Theory IRT)前评测项目中常理弥补典测量理项目赖性样赖性等足科学性体现：试者力评估值评测具体容关考虑测量误差时难度容评测项目中力评估值相外试者力分布影响项目参数评测方案质量检验结果分析非常价值
Rasch模型丹麦学者乔治·拉希（Georg Rasch）基IRT提出种潜特质模型单参数IRT模型Rasch模型优势：（1）项目参数具变性进行Rasch分析时需较样量（2）特征参数具变性特征参数估计测量项目没关系回避典测量理中项目赖问题（3）分析级评分项目例观题评分Rasch模型理想化数学模型运需满足两前提条件：试体难度低题目表现难度高题目表现二题目力水高体力水低体更回答正确Rasch模型公式：
中Pni表示试n正确回答问题i性Bn表示试力Di表示问题i难度
笔者分析时试者原始成绩转换logit分数（线性数例4级记分法：回答正确记0分答30~60记1分60记2分完全正确记3分）试者力水题目难度放水标尺进行直观准确较客观评测方案检验分析
3Logistic模型
Logistic模型作测评方案质量检验工具估计评测方案中题区分度难度系数猜测系数20世纪50年代美国学者伯恩鲍姆（Birnbaum）正态肩型曲线模型基础提出Logistic模型适记分错二级记分试题Logistic模型表达式：
中θ力参数a区分度b难度系数c猜测系数（会着力水变化）D常数取D17c0时二参数模型c0a1时单参数模型图3三参数模型项目特征曲线坐标代表试正确作答该题概率拐点θ值项目难度参数拐点处斜率表示项目区分度a
图3 三参数Logistic模型项目特征曲线
模型优选定基定理实践研究研究者需预实验数进行模型拟合度测试选择更适宜Logistic参数模型进行参数估计完成评测方案质量验证
（三）台功方案实施
1评测台
笔者基信息通信技术传感器技术构建科学素养评测台包括评测试题模块（图4）实验评分模块（图5）系统理模块（图6）评测试题模块试者呈现试题信息操作求实验评分模块实现部分静态评估题动评分题型简答题实验操作题试者赋分系统理模块具户理数查询数存储功优势试者时评分台实时生成数报表协助期数挖掘工作三模块协调衔接续评测奠定扎实基础
图4 评测试题模块页面
图5 实验评分模块页面
图6 系统理模块页面
2评测容维度
评测容设计非常关键研究团队义务教育科学课程标准（2022年版）参考国际科学素养评测项目框架命题思路评测容相应年龄段学生认知发展水相适应社会全球视角审视聚焦现实世界中然资源环境等方面问题清洁源温室效应等外科学素养评测四维度（PISA2015科学素养评估框架：力知识态度情景）方案中体现：情境参考PISA务背景分类维度（区域国家全球层面然资源物理科技前等）科学态度发放口学调研问卷形式收集科学知识科学力两维度试题体部分进行考评呈现方式包括静态评估题（选择题简答题）计算机交互务实际操作务等
3实施程
笔者计算机务情境学生操作相结合进行评测试者根页面呈现试题信息作答实验操作题试者需选取器材组建装置进行实验传感器数实时传输计算机配套应软件试者处理分析程中试者标准引导语引导试者作答根评分细实验操作项分纸笔测试单纯机试相数字化评测效果更佳全面衡量学生知识掌握探究实践力发展水实现学生科学素养综合考评
（四）评测数分析处理
信效度分析评测方案开发重环评测方案必须历次理证实践评估加改进完成交付科学方案ICT评估发展数字化科学素养评测系统完善提供力支持
1评测数预处理
数预处理步骤包括缺失值填补数筛选利测试数教师SPSS软件中EM填补法均值填补法完成数缺失值填补续评测总分进行样Z分数计算异常数值剔
2信效度分析
笔者完成数预处理SPSS软件进行正态性检验信度分析相关性分析检验方案信效度首先笔者根样量选择W检验D检验确定PISA效标卷总分评测方案总分否符合正态分布然方案总体子克隆巴赫α系数信度估计方法判断部致性稳定性情况检验PISA效标卷评测方案外部相关性确定评测方案否具较效标关联效度
3Rasch模型数分析
述方法外结合Rasch模型进行试题素分析验证评测方案科学性方式数预处理笔者Winsteps软件方案进行整体质量检验根拟合指标判断题目拟合情况然实施单维性检验根标准残差图判断方案否考评试者潜特质根怀特图中数点分布情况检验题目难度试者力匹配程度运项目拟合气泡图等进步分析难度合理拟合度较差题目予修改保留舍弃笔者某区六年级学生科学素养评测数气泡图例进行简分析（图7）气泡题目应气泡直径代表该题标准差坐标代表题目难度横坐标代表Outfit MNSQ（拟合度检验未加权均方拟合统计量）该值05~15表示题目满足拟合求图7中清晰判断出该评测方案部分题目合理区间第56两题超出接受范围模型预期太拟合外第1314题气泡半径明显题说明检验试者力水时误差较需查阅题目进行修改删
图7 气泡图
4 Logistic模型数分析
教师评测试题质量采项目反应理Logistic模型该模型适二级评分试题笔者首先检验数否符合单维性假设方法定义分析法探索性子分析法等假设成立进行参数估计通拟合度检验选择更合适Logistic模型进行参数估计绘制出项目特征曲线考虑修改删符合项目曲线规律题目然通信息函数曲线判断该方案适合学生力水力值进行估计优化评测题目（题目表述答案设置等）方案更加完善某评测方案项目特征曲线例笔者调R软件TAM package中plot函数绘制项目特征曲线（图8）编号S111题目标准项目特征曲线时查找该题难度系数区分度结果参数均接受范围编号S43图缓接直线说明区分度低需题目进行修改S633反项目特征曲线符合检验规律应考虑删该题
图8 部分题目项目特征曲线
三反思展
着信息技术教育教学中应普PISANAEPTIMSS等国际科学素养评测项目力发展均益计算机评估务国传统纸笔测试基础评价方式存滞性模糊性笔者基数字化设备开发评测方案国中学开拓科学素养评测研究新范式
该评测方案仅创设生活环境密切相关真实务评测形式超越简单测量走静态评估单元计算机交互务动手实操务元化发展方方面ICT技术数字化设备充分发挥优势奠定良技术基础外已开发评测方案覆盖科学三领域研究者方案灵活组合简化拓展调整计分规适种规模范围科学素养评测建立学段区评价数常模切实推动科学教育发展
研究团队科学素养评测领域开展探索工作取相成熟成果研究中笔者方面会已方案继续改进方面面更年龄段涉更领域开发更题子系统深入研究国学生科学素养奠定良基础
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科学素养前科学教育领域关注重点概念学生身成长需国家社会素质求义务教育科学课程标准（2022年版）倡导提升学生科学素养进步凸显科学教育重位设计适合义务教育阶段科学素养评测方案具推动科学教育发展现实意义纸笔评测法实现探究实践等素评价数字化设备定量直观实时准确优势逐渐进入科学教育工作者视野笔者认评测中运计算机数字化设备虚拟情境真实情境结合学生探究更接科学质科学素养评测工作提供极助力
国际科学素养评测现状
着社会科技发展众组织学者层次角度科学素养定义进行纳完善笔者综合国外学者国课程标准科学素养涵定义兼顾评测实施操作性文中关注学生否助科学知识科学程解然奥秘否应科学素养事种科学研究
解学生科学素养情况众组织研究者进行评测方案研发目前三项规模样科学素养评测国际具广泛影响分国际学生评估项目（The Program for International Student AssessmentPISA）美国国家教育进步评价（National Assessment of Educational ProgressNAEP）国际数学科学趋势研究项目（The Trends in International Mathematics and Science StudyTIMSS）早期项目形式纸笔测试着信息技术发展研究者逐步开发基信息通信技术（Information and Communication TechnologyICT）单元评估2009年NAEP率先尝试基计算机情境评测加入计算机交互务（Interactive Computer Task）动手操作务（Handson Task)创设虚拟务情境评估学生问题解决力2019年完成纸笔测试基数字评估渡PISA2012年引入基计算机评估台问题解决数学数字化阅读三方面测试着评估框架更新调整新项目开发均基计算机台然纸笔评估然种选择数国家选择计算机台实施交付整评估TIMSS2019年进入计算机评估系统研发初始阶段新TIMSS 2023手册表明该项目2023年完成升级仅计算机台创设虚拟情境难全面评测学生科学素养开发者应该考虑科学探究真实性操作性研究团队构建相应探究实验台数字化设备引入评测体系便学生真实情境中探究实践中评估操作水填补科学素养评测缺口
二基数字化设备科学素养评测方案
义务教育科学课程标准（2022年版）评价建议中倡导教师采非纸笔测试方式重点评价学生科学探究力技术工程实践力创新解决实际问题力等数字化设备进入科学素养评测非常符合新课标精神笔者结合东南学百研工坊科学教育团队开发评测方案述数字化设备学生科学素养评测深度融合方式
（）数字化设备科学素养评测中应
数字化设备种建立测量技术检测装置模拟信号转换成数字信号输出笔者述数字化设备指信息技术网络技术传感器技术等相结合系列工具（图1）完成评测采传感器数采集器计算机配套应软件
图1 数字化设备运行模式
工作原理：传感器采集信息转化成电信号数采集器电信号转换成数字信号反馈计算机软件终通数字化信息系统实验室（Digital Information System LaboratoryDISLab）系统实验结果视化图形呈现学生快速采集实验数监控信号量实时变化数完成监测统计绘图分析工作数字化设备具定量直观实时准确等特点改进传统实验耗时长器材步骤繁精确等缺点重手段教师数字化设备效提高学生数处理模型建构科学推理等力数字化设备义务教育阶段科学教学中应广泛（见表1）
表1 数字化设备适科学实验
（二）科学素养评测理模型
1ECD概念评估框架
百研工坊科学素养评测方案ECD（EvidenceCentered Design）模型设计ECD模型梅斯雷弗（Robert J Mislevy）等开发系统性评价设计模式年研究发展该模型广泛PISANAEP等国际评测项目ECD模型五层次测试开发：领域分析领域建模概念评价框架评估预实验评估交付中概念评价框架通常五子模式：学生模式证模式务模式组合模式呈现模式（图2）学生模式涵盖学生应掌握知识相评测目标容测量什证模式指选实验范式相评测手段方式测量务模式指具体情境选择务框架情境什组合模式表明前三种模式相互结合呈现模式指评价实际采具体方式纸笔实验操作计算机交互等子模式协构建科学完整评价框架
图2 ECD概念评价框架
评测方案中静态评估计算机交互务计算机呈现动手实操务助数字化设备搭建实验台研究团队参考NAEP中富技术环境（TechnologyRich EnvironmentsTRE）关问题解决研究方法应学生模式证模式设计基数字化设备科学素养评测目标（见表2）学生模式评估目标科学探究力（分知识探索力综合推理力）信息技术力组成证模式评估目标针情境方案进行细节划分分知识点掌握实验探究步骤应技术手段等容中特增加数字化设备操作考核求试者评分
表2 基数字化设备科学素养评测目标
2项目反应理Rasch模型
研究团队设计新方案重理基础项目反应理（Item Response Theory IRT)前评测项目中常理弥补典测量理项目赖性样赖性等足科学性体现：试者力评估值评测具体容关考虑测量误差时难度容评测项目中力评估值相外试者力分布影响项目参数评测方案质量检验结果分析非常价值
Rasch模型丹麦学者乔治·拉希（Georg Rasch）基IRT提出种潜特质模型单参数IRT模型Rasch模型优势：（1）项目参数具变性进行Rasch分析时需较样量（2）特征参数具变性特征参数估计测量项目没关系回避典测量理中项目赖问题（3）分析级评分项目例观题评分Rasch模型理想化数学模型运需满足两前提条件：试体难度低题目表现难度高题目表现二题目力水高体力水低体更回答正确Rasch模型公式：
中Pni表示试n正确回答问题i性Bn表示试力Di表示问题i难度
笔者分析时试者原始成绩转换logit分数（线性数例4级记分法：回答正确记0分答30~60记1分60记2分完全正确记3分）试者力水题目难度放水标尺进行直观准确较客观评测方案检验分析
3Logistic模型
Logistic模型作测评方案质量检验工具估计评测方案中题区分度难度系数猜测系数20世纪50年代美国学者伯恩鲍姆（Birnbaum）正态肩型曲线模型基础提出Logistic模型适记分错二级记分试题Logistic模型表达式：
中θ力参数a区分度b难度系数c猜测系数（会着力水变化）D常数取D17c0时二参数模型c0a1时单参数模型图3三参数模型项目特征曲线坐标代表试正确作答该题概率拐点θ值项目难度参数拐点处斜率表示项目区分度a
图3 三参数Logistic模型项目特征曲线
模型优选定基定理实践研究研究者需预实验数进行模型拟合度测试选择更适宜Logistic参数模型进行参数估计完成评测方案质量验证
（三）台功方案实施
1评测台
笔者基信息通信技术传感器技术构建科学素养评测台包括评测试题模块（图4）实验评分模块（图5）系统理模块（图6）评测试题模块试者呈现试题信息操作求实验评分模块实现部分静态评估题动评分题型简答题实验操作题试者赋分系统理模块具户理数查询数存储功优势试者时评分台实时生成数报表协助期数挖掘工作三模块协调衔接续评测奠定扎实基础
图4 评测试题模块页面
图5 实验评分模块页面
图6 系统理模块页面
2评测容维度
评测容设计非常关键研究团队义务教育科学课程标准（2022年版）参考国际科学素养评测项目框架命题思路评测容相应年龄段学生认知发展水相适应社会全球视角审视聚焦现实世界中然资源环境等方面问题清洁源温室效应等外科学素养评测四维度（PISA2015科学素养评估框架：力知识态度情景）方案中体现：情境参考PISA务背景分类维度（区域国家全球层面然资源物理科技前等）科学态度发放口学调研问卷形式收集科学知识科学力两维度试题体部分进行考评呈现方式包括静态评估题（选择题简答题）计算机交互务实际操作务等
3实施程
笔者计算机务情境学生操作相结合进行评测试者根页面呈现试题信息作答实验操作题试者需选取器材组建装置进行实验传感器数实时传输计算机配套应软件试者处理分析程中试者标准引导语引导试者作答根评分细实验操作项分纸笔测试单纯机试相数字化评测效果更佳全面衡量学生知识掌握探究实践力发展水实现学生科学素养综合考评
（四）评测数分析处理
信效度分析评测方案开发重环评测方案必须历次理证实践评估加改进完成交付科学方案ICT评估发展数字化科学素养评测系统完善提供力支持
1评测数预处理
数预处理步骤包括缺失值填补数筛选利测试数教师SPSS软件中EM填补法均值填补法完成数缺失值填补续评测总分进行样Z分数计算异常数值剔
2信效度分析
笔者完成数预处理SPSS软件进行正态性检验信度分析相关性分析检验方案信效度首先笔者根样量选择W检验D检验确定PISA效标卷总分评测方案总分否符合正态分布然方案总体子克隆巴赫α系数信度估计方法判断部致性稳定性情况检验PISA效标卷评测方案外部相关性确定评测方案否具较效标关联效度
3Rasch模型数分析
述方法外结合Rasch模型进行试题素分析验证评测方案科学性方式数预处理笔者Winsteps软件方案进行整体质量检验根拟合指标判断题目拟合情况然实施单维性检验根标准残差图判断方案否考评试者潜特质根怀特图中数点分布情况检验题目难度试者力匹配程度运项目拟合气泡图等进步分析难度合理拟合度较差题目予修改保留舍弃笔者某区六年级学生科学素养评测数气泡图例进行简分析（图7）气泡题目应气泡直径代表该题标准差坐标代表题目难度横坐标代表Outfit MNSQ（拟合度检验未加权均方拟合统计量）该值05~15表示题目满足拟合求图7中清晰判断出该评测方案部分题目合理区间第56两题超出接受范围模型预期太拟合外第1314题气泡半径明显题说明检验试者力水时误差较需查阅题目进行修改删
图7 气泡图
4 Logistic模型数分析
教师评测试题质量采项目反应理Logistic模型该模型适二级评分试题笔者首先检验数否符合单维性假设方法定义分析法探索性子分析法等假设成立进行参数估计通拟合度检验选择更合适Logistic模型进行参数估计绘制出项目特征曲线考虑修改删符合项目曲线规律题目然通信息函数曲线判断该方案适合学生力水力值进行估计优化评测题目（题目表述答案设置等）方案更加完善某评测方案项目特征曲线例笔者调R软件TAM package中plot函数绘制项目特征曲线（图8）编号S111题目标准项目特征曲线时查找该题难度系数区分度结果参数均接受范围编号S43图缓接直线说明区分度低需题目进行修改S633反项目特征曲线符合检验规律应考虑删该题
图8 部分题目项目特征曲线
三反思展
着信息技术教育教学中应普PISANAEPTIMSS等国际科学素养评测项目力发展均益计算机评估务国传统纸笔测试基础评价方式存滞性模糊性笔者基数字化设备开发评测方案国中学开拓科学素养评测研究新范式
该评测方案仅创设生活环境密切相关真实务评测形式超越简单测量走静态评估单元计算机交互务动手实操务元化发展方方面ICT技术数字化设备充分发挥优势奠定良技术基础外已开发评测方案覆盖科学三领域研究者方案灵活组合简化拓展调整计分规适种规模范围科学素养评测建立学段区评价数常模切实推动科学教育发展
研究团队科学素养评测领域开展探索工作取相成熟成果研究中笔者方面会已方案继续改进方面面更年龄段涉更领域开发更题子系统深入研究国学生科学素养奠定良基础
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