教育信息化对我国学生科学素养的影响-基于PISA数据的实证分析

教育信息化对我国学生科学素养的影响基于PISA数据的实证分析（~）

一我国中小学教育信息化现状自20世纪七八十年代开始，随着信息技术的快速发展，越来越多的国家视教育信息化为提升教育水平的重要手段，以期提高学校的教学效率和产出，推动教学和课程改革，使得教学更加以学生为中心、更加注重与现实世界的联系，提升学生的信息素养以适应信息社会的劳动力需求。我国重视基础教育信息化工作始于20世纪70年代末，经过三十多年的努力已经初见成效，进入21世纪以来更是进入了高速发展的黄金时期。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010～2020年）》中明确提出：“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视”，教育信息化被进一步确认为教育理念和教育模式的一场深刻革命。因此，要把教育信息化作为国家信息化的战略重点优先部署，用教育信息化来带动教育现代化，推动教育事业跨越式发展[1]。截至2016年6月，全国中小学互联网接入比例达87.45%（见图1），其中带宽在10M以上的学校比例为64.3%，全国普通教室全部配备多媒体教学设备的中小学比例为56.6%（见图2）。同时，省份之间和内部、城乡之间及学校之间在信息化环境建设和基础设施方面仍旧存在较大差距。城镇学校基本完成基础设施和学习环境建设，课堂教学中的信息技术基础应用开始常态化，有些地区做出了进一步的创新探索；而农村学校，尤其是贫困偏远地区的农村学校到目前为止还处于基础环境搭建和教师信息技术培训的起步阶段。图12016年全国各省接入互联网的中小学比例图22016年全国各省普通教室全部配备多媒体教学设备中小学比例情况尽管三十多年来我国基础教育信息化基础建设取得了长足进步，但计算机和互联网进入学校并不等同于实现教育信息化、提升了教育教学质量。《教育信息化“十三五”规划》指出教育信息化面临很多困难和问题，如信息化与教育教学“两张皮”、只管硬件忽视软件、体制机制尚需创新等问题。《教育信息化“十三五”规划》提出要深化信息技术和教育教学、教育管理的融合，强化教育信息化对教学改革的服务和支撑，以推动教育服务供给方式、教学和管理模式的变革。从数据上看，我国中小学校信息技术设备的使用率偏低。OECD发布的PISA报告显示，2012年上海15岁学生在校使用电脑等设备的比例以及接触互联网的机会都显著低于OECD国家的平均水平。互联网和信息技术的使用对教学质量、学生学习的影响的实证研究仍旧处在探索之中。二当前信息技术对学生学业的影响的研究信息技术对教育产出的影响的研究可以分为学校和家庭两个部分，因为两者对电脑和互联网等信息技术的投入和使用决策与选择完全不同。各级教育管理部门决定了信息技术在学校的投入水平和投入方式，学校决定了信息技术在教学中的使用，而家长和学生决定了家庭在电脑、互联网和应用软件等方面的选择、投入和使用。总的来说，电脑和互联网及相关的教学辅助软件能够向学生提供更加丰富的学习资源，新的技术手段也可以激发学生的学习兴趣，一些自适应的教学辅助软件能根据学生学习水平和习惯做出相应调整，实现以学生为中心的个性化学习。同时，学校和家庭电脑和互联网等信息技术的使用对学生学业的影响方式也存在差异。（一）学校信息技术的影响学校信息技术投入和使用对学生学业的影响研究可分为两类：一类是将信息技术的投入作为一个整体，分析其对教育产出的影响；另一类则具体分析不同的电脑辅助教学（computerassistedinstruction/learning）方式对学生学习效果的影响。目前，各国政府对教育信息化的投入最主要的还是普及学校的信息基础设施和硬件设备。早期第一类对信息技术投入效果的研究主要是基于案例研究[2]或者横截面调查数据，如Fuchs和Woessmann[3]分析了32个国家的学校和学生调查数据，发现学生学习成绩和学校电脑设备之间存在显著的相关性。考虑到电脑设备越好的学校很可能在其他方面，如学校总体的经费投入、师资力量等方面相应也较好，这个结果很可能是有偏颇的。结果，Fuchs和Woessmann发现在控制了家庭背景和学校因素之后，电脑设备和学习成绩之间的显著的正向关系就消失了。为了避免截面调查数据带来的偏差，近年来对信息技术投入效果的研究倾向于利用政策变化或随机实验的方法来控制内生性。第二类研究则是具体分析不同的电脑辅助教学方式对学生在某一门学科的学业成绩的影响。总的来看，相对于发达国家[4][5][6]，电脑辅助教学替代传统教学的方式在发展中国家的效果较为明显，很可能因为被电脑辅助教学所替代的原本的教学质量不高[7][8][9]。无论是发达国家还是发展中国家，课外电脑辅助教学的效果总体上要好于在课内使用电脑辅助教学。信息技术在学校中的使用越是落实到课堂内部，设计和目标越是具体，其结果越清晰，然而对于细分领域的研究目前仍不多。（二）家庭信息技术的影响早期有关家庭信息技术投入和使用的影响研究主要是基于调查数据的相关分析，如Attewell和Battle[10]基于美国全国教育跟踪调查数据，Schmitt和Wadsworth[11]基于英国家庭面板调查数据，Fiorini[12]基于澳大利亚儿童跟踪调查数据分析家庭是否拥有电脑与学生的学业成绩之间的关系，结果显示在控制了学生个人特征和家庭背景变量之后，家庭拥有电脑和学生的学业成绩之间存在着显著的正向关系。也有研究用毕业率来衡量，发现在控制了一系列的个人、父母和家庭特征之后，家中拥有电脑的学生更有可能从高中毕业[13][14]。此类研究基于丰富的调查数据，控制了许多比较难以观察到的家庭背景变量，但仍有可能忽略了一些同时影响家庭电脑使用和学生学业的因素，如家长的教育观念或投入程度，从而产生估计偏差。为了避免因为忽略了某些关键变量而产生的估计偏差，有些研究通过经济学因果推断的分析方法，如使用工具变量[15]，基于个人面板数据的个人固定效应模型[16][17]，以及伪造测试[18][19]来估计拥有和使用家庭电脑对学业的影响。结果显示，家庭拥有电脑和学生学业成绩之间有正向关系。也有研究使用随机实验的方法估计拥有个人电脑对学业的影响，结果显示得到电脑的学生使用电脑完成作业和娱乐的时间都增加了，但并没有影响到学业成绩（Fairlie＆Robinson，2013）。一些研究发现个人电脑可能会占用本来的学习时间，却没有提高学生的认知能力[20]，一些研究则发现个人电脑可能提高了一些之前从来没有个人电脑的学生在某些科目（如数学）的成绩[21]。总的来说，基于多元分析的结果显示家庭的信息技术尤其是电脑的使用对学生学业有积极的作用，而给家庭配备个人电脑等随机实验却没有明显的效果。虽然获得个人电脑的学生花了更多时间在电脑和网络上，但是并没有改变学习时间的分配，甚至反而挤出了原有的学习时间。也就是说，电脑和互联网只是作为一种工具，真正影响到学生学习行为和结果的更多的是家庭在电脑等设备和软件的投入和使用方式上的选择。（三）国内相关研究国内对学校信息技术投入和使用与学生学业成绩之间关系的实证研究较少。例如，郭衎等人[22]和辛涛等人[23]基于对教师和学生的问卷调查分析课堂中使用电脑等活动与学业成绩之间的关系，也有许多研究探讨学生互联网使用行为与学业成绩之间的关系。陈纯槿和郅庭瑾[24]基于PISA2012测试数据从教育生产函数的研究视角探讨了ICT使用对上海、中国香港、韩国、日本及新加坡学生数字化阅读成绩的影响。研究发现，使用社交媒介的时间和在校使用平板电脑、笔记本电脑对学生数字化阅读成绩均呈显著负向影响；而另外，学校网络教育资源投入和较早接触互联网对学生数字化阅读成绩的正向影响最大。在此基础上，陈纯槿等人[25]使用2015年PISA中国数据，分析了信息技术资源投入和应用对学生的数学、阅读和科学素养产生的影响，发现家庭背景、学校生源背景和城乡发展不均衡是导致素养成绩差距的主要原因。在考虑了这些影响因素的基础之上，来看教育信息化对成绩的影响，发现上网时间过长会对学生素养成绩产生负面的影响。可以看出，尽管加大教育信息化投入的确使得学校拥有了更多的优质教育资源，但仅仅增加学生在学校或家庭使用计算机和接触互联网的机会并不能充分保证信息技术能够给学生带来学习环境和学习方法的改变。在学校和家庭两种环境下，信息技术的使用对学生学习方式和结果，包括学科素养成绩在内的影响具有混合型的特征。这也是本文基于2015年国际学生评估项目的调查数据试图探讨的主要问题。三基于PISA数据的实证分析（一）研究方法本文使用的数据来自2015年由经济合作与发展组织（OECD）在全球72个国家和地区组织实施的国际学生评估项目（ProgramforInternationalStudentAssessment）。自2000年开始，PISA以15岁学生作为评估对象，每三年在全球范围内开展一次大规模评估，评估内容主要包括阅读素养、数学素养和科学素养。此外，PISA还通过问卷的方式调查学生个人和家庭背景以及所在学校的基本情况。除了生均计算机数、互联网接通等指标外，2015年PISA测试还对学生信息技术使用情况进行了问卷调查。中国大陆地区有北京、上海、江苏和广东四个省份268所学校8262名学生参加了此次评估。PISA在绝大多数参与国家和地区采用两阶段抽样。第一阶段采用按规模大小成比例概率抽样方法（ProbabilityProportionaltoSize）抽取学校，使得每个抽样单元按照其规模大小都有均等的被抽中的概率。第二阶段将选取的样本学校作为抽样单元，在抽中的学校中随机选取特定比例和数量的学生。对于分阶段抽样所形成的学生嵌套于学校的数据结构，本研究选择采用多层线性模型（HierarchicalLinerModeling，HLM），分层建立回归方程，从学生个体与学校群体两个水平，探查信息通信技术（简称ICT）使用情况对学生科学素养的影响[26]。1.变量和样本的确定本文基于似真值（PlausibleValue）估算方法，将学生的科学素养成绩作为被解释变量，代表学生的科学素养水平。根据PISA问卷，本文提取了学生层面的变量，包括学生个人（性别）和家庭背景特征变量（ESCS）。ESCS代表的是学生家庭的经济、社会和文化背景，主要涉及父母职业、受教育程度以及家庭财产等。该指数服从均值为0、标准差为1的标准正态分布，因而具有国际可比性。根据以往的研究，将影响学生素养的解释变量分为信息技术资源的可获得程度、信息技术应用程度以及信息技术素养。信息技术资源的可获得程度包括：①学生在家庭中可用的台式电脑、笔记本电脑、平板电脑、网络、游戏机、手机、随身听、打印机、U盘和电子书等ICT资源（ICTHOM）；②学生在校园可用的台式电脑、笔记本电脑、平板电脑、能上网的电脑、无线网、存储空间、U盘、电子书、投影仪和白板等ICT资源（ICTSCH）；③学生在各种场合可接触到的ICT资源（ICTRES）。信息技术应用程度包括：①学生在校外因家庭作业而使用ICT的情况（HOMESCH）；②学生在校外娱乐活动使用ICT的频率（ENTUSE）；③学生在校内使用ICT的一般频率（USESCH）。信息技术的能力和素养为学生自评，包括：①学生对ICT的兴趣（INTICT）；②学生对自己ICT使用能力的评估（COMPICT）；③学生ICT使用的自主性（AUTICT）。除了学生层面的解释变量之外，本文还选取了2个学校层面的变量：①学校所在地区和学校平均学生ESCS。学校所在的地区分为人口少于3000人的小村庄、人口为3000～1.5万人的小镇、人口为1.5万～10万人的城镇、人口为10万～100万人的城市以及人口多于100万人的大城市共五种不同规模的地区；②学校学生的平均家庭经济社会和文化背景，该变量同样服从均值为0、标准差为1的标准正态分布，因而可以在不同学校、不同地区之间进行比较。在本项实证研究中，分别对学生性别以及学校所在地区人口规模进行了分类统计，共有来自中国大陆地区北京、上海、江苏和广东四个省份268所学校的8262名学生参加，利用抽样学生权重变量（W_FSTUWT）加权后的样本学生数为1091933人。其中，女生样本数为3924人，加权后的样本女生数为518668人，占总体样本的47.5%；男生样本数为4338人，加权后的样本男生数为573265人，占总体样本的52.5%。学校所在地区的人口规模可以作为考察城乡差异的类别变量。其中，3000人的小村庄的学校有843所，占比为10.2%；3000～15000人的小镇的学校有2538所，占比为30.7%；15000～100000人的城镇的学校有1624所，占比为19.7%；100000～1000000人的城市的学校有1186所，占比为14.4%；人口超过1000000人的大城市的学校有2071所，占比为25.1%。2.建立具体的分析模型（1）零模型：考察学生科学素养分数的总变异中有多大比率是由学校的差异造成的在上述两个方程中，ave_PVscience是j学校i学生的基于似真值估算的科学素养分数，β0是j学校学生的平均科学素养分数，r是学生与学校平均科学素养分数之差，代表个体层面的随机误差；γ00是各学校学生科学素养分数的总平均，μ0是j学校与总平均γ00之差，代表学校层面的随机误差。根据这一模型，可以计算跨级相关系数，考察学生科学素养分数的总体变异中有多大比率是由学校的差异造成。（2）加入个体层面变量的模型：考察学生个体因素对其科学素养的影响在零模型的层一方程中纳入学生性别、家庭经济社会和文化背景（ESCS），以及信息技术资源的可获得程度、信息技术应用程度、信息技术能力和素养三类学生层面的自变量，考察学生个体因素对其科学素养的影响。上式中，β1、β2…β11分别是各自变量对因变量科学素养成绩的偏回归系数，即方程的斜率；r表示方程的残差或随机误差。假定各自变量对学生科学素养的影响（β）在各校间恒定，这属于随机效应协方差模型。（3）加入学校层面变量的模型：考察学校因素对学生科学素养的影响在随机效应协方差模型的基础上，在层二方程中纳入学校所在地区和学校学生的平均家庭经济社会和文化背景（ESCS）两个自变量，考察学校因素对学生科学素养的影响。上式中，γ00…γ表示第二层各方程的固定效应；γ01、γ02分别是学校所在的地区和学校学生的平均ESCS对截距项β0（学校平均科学素养分数）影响的偏回归系数；μ0表示第二层方程未被当前模型解释的残差变异。（二）研究结果此次PISA评估发现，我国大陆地区四个城市学生科学素养平均分数为537.28，高于OECD国家平均水平（493分），但不同学生之间科学素养水平差距较大，科学分数最高分与最低分相差达559.45。本研究利用多层线性模型回归分析结果。首先，利用零模型对学生科学素养成绩差异的来源进行分析：在既不加入学生特征变量，也不加入学校特征变量的情况下，对模型方差进行分解，结果表明：学生科学素养的总变异中只有0.88%来自学校之间的差异，而有99.12%来自学生个体层面的差异，说明学生科学素养的校际差异很小，而个体差异很大。其次，只加入学生层面的特征变量，旨在考察各学生特征变量对科学素养的影响，回归结果将呈现各因素对学生素养的解释比例。在加入了学生个体层面的自变量之后，新模型在学生和学校两个层面的随机方差变小，意味着学生特征变量可以解释学生科学素养的变异。结果发现：学生性别、家庭经济社会和文化背景、在校内因家庭作业而使用ICT的情况、对ICT的兴趣、ICT使用的自主性、在校园可用的ICT资源以及各种场合ICT资源均对学生科学素养有正向影响，且该影响具有统计学意义的显著性。而学生在校外娱乐活动使用ICT的情况、在校内使用ICT的一般情况、对自己ICT使用能力的评估及家庭可用的ICT资源与学生科学素养有负向影响，该影响同样具有统计学意义的显著性。其中学校ICT资源对学生科学素养的影响程度最弱，对科学分数的解释比例也最低，说明单纯靠增加校内信息技术资源来提高学生科学素养水平并不是高效率的做法。最后，在上述模型的基础上，加入校平均的学生家庭经济社会文化背景和学校所在地区这两个学校层面的解释变量，分析不同学校的学生科学素养的差异。结果发现：学校间的差异会显著影响学生科学素养水平，学校平均ESCS对学生科学素养分数的回归系数最大，说明其影响程度最高，学校学生平均家庭经济社会文化背景对科学素养分数的解释比例远高于其他变量。平均经济社会和文化背景越好的学校，其学生的科学素养分数越高。而学校所在地区变量回归系数不显著。四思考与讨论本研究通过建立多层线性模型，利用PISA2015国际大型调查数据，探讨我国教育信息化对15岁学生科学素养的影响。结果发现：学生校内使用ICT的情况、校外使用ICT进行娱乐活动以及家庭ICT资源与其科学素养呈显著负相关，学校ICT资源投入的效果并不显著；但培养学生ICT兴趣、引导学生正确使用ICT资源、提高学生ICT使用的自主性有助于提升其科学素养水平。然而目前众多对教育信息化投入效果的研究结论并不一致，甚至互相矛盾。那么，ICT如何才能更好地促进学生发展呢？（一）信息技术需与具体的课程内容和教学过程相结合有研究指出，单纯增加电脑等ICT设备的投入而不在实际的教学过程中有所改变，并不能提高学生的学科成绩[27]，甚至对部分学生素养有显著的负向影响[28]。OECD最近发布的报告指出，学校在教育技术方面的投入并未提高学生成绩，也没有缩小优等生和后进生之间的差距[29]。Kubiatko和Vlckova[30]发现，那些在学习过程中使用了ICT的学生比其他学生获得了更高的科学分数，说明只有将ICT与具体的课程内容和教学过程相结合，才能真正发挥ICT对教育教学的作用，提高学生素养。英国国家课程建设重视学科教学中ICT的使用，其课程标准明确指导每个学科中如何使用ICT，包括在ICT学习、ICT应用法定要求、ICT使用机会、硬件和软件多个方面[31]。美国高度重视ICT在基础教育中的作用，认为ICT应该成为教学活动的一个不可分割的部分，从早期的计算机辅助教学和计算机辅助学习，到WebQuest，再到如今流行的翻转课堂、移动学习、虚拟/增强现实学习等，其教学应用创新和模式创新值得我国教育界借鉴学习[32]。（二）重视教师的作用，提升教师信息技术素养教师是教学活动的重要发起者和组织者，同时也是ICT建设的主体实践者和探索者。从各国的实践经验