数字化视域下基于PISA 2025框架的科学教育发展策略

摘要：数智时代，科学教育面临新的挑战与机遇。《PISA"2025科学素养评估框架》在科学情境、科学能力、科学知识和科学身份4个维度的基础上，引入了“数字世界中的学习”这一创新领域，为科学教育提供了新的视角。研究者分析科学素养与数字世界学习之间的联系，构建了一个多维度的小学科学教育评价体系。该体系依托数字化平台，借助多维数字画像技术进行数据收集和诊断支持，旨在完善科学素养的发展策略。研究团队采取“融合跨学科知识，锻造决策力，提升科学技能，培育科学精神，强化身份认同”的策略，按照“整合数字化资源和课程开发，丰富跨学科主题学习活动，全面探索提升学生科学素养”的路径，在甘肃省兰州市进行了实证研究，对数千名小学生开展了前、后测评，结果显示学生的科学素养得到了显著提升。研究成果对教育数字化背景下的科学教育及其评价体系的建设有指导价值。关键词：科学教育；科学素养；PISA2025框架；多维数字画像；跨学科学习在数字化、智能化时代背景下，科学教育正面临前所未有的挑战与机遇。本文旨在探讨以素养为导向的科学教育发展路向，特别是如何在数字化环境中构建并应用科学教育评价体系，以促进学生科学素养全面提升。笔者基于对《PISA2025科学素养评估框架》（以下简称“PISA2025框架”）的深入分析，提出了系统的策略和实施路径，以期为数字化视域下科学教育的提质增效提供理论支持和实践指导。一、“科学素养”和“数字世界中的学习”的内在联系科学素养自提出以来，一直被视为科学教育发展的根本目标，也是科学教育评价的重要依据，这在学界已达成共识。PISA2025框架重申了科学素养的内涵，科学素养是指在联系真实生活的科学情境中，学生运用自身具有的科学知识、认同其科学身份时所展示出科学能力的集合[1]。它由4个相互关联的部分构成：科学情境、科学能力、科学知识和科学身份[2]。与《PISA2015科学框架草案》不同，PISA2025框架创造性地提出了“研究、评估和使用科学信息进行决策和行动”的能力评价要求。该能力是数字化社会未来公民的必备品格，它处于科学能力的最高层级。PISA2025框架在增设的创新评估领域“数字世界中的学习”部分对这一新的评价维度有具体描述，并指出具备该能力的人能够更好地区分科学信息和错误信息，学会高效利用现有的科学数据[3]。“数字世界中的学习”重点培养学生在数字学习环境和科学情境中，进行知识建构和问题解决的自我学习能力，并在认知层面运用数字原住民的科学学习方式，从众多科学知识中筛选符合自己需求的内容，理解科学知识蕴含的价值，重视科学背后的身份认同，以便更好地参与科学决策讨论，反映出非认知层面的科学精神、科学态度[4]。在PISA2025框架下，“科学素养”和“数字世界中的学习”在“研究、评估和使用科学信息进行决策和行动”这一点上存在交集，其核心指向“由‘建构’产生‘决策’，再由‘决策’实现‘认同’”这一关键过程。这揭示了科学教育不断完善的本质，即从科学的外部着手构建课程，其课程阐明科学如何渗透到人类事业和生活场景，并与其发生相互作用[5]。现阶段，要发挥评价体系的导向作用推进科学教育课程建设，就要突出上述关键过程，还要借助数字化学习平台和资源来完善数字化课程的构建。更重要的是，要在该过程中突出人的主体地位，顺利推进其从数字原住民到数字化社会未来公民的演化。此外，教师应关注学生学习科学的形式，遵循规律，在“建构科学知识—产生决策能力—实现身份认同”过程中探寻影响该关键过程的因素及其与科学素养的联系。教师在PISA2025框架下基于真实世界情境以全局视角，将评价体系作为基底，以评价维度为支柱，优化策略以构建上层建筑，能够帮助学生积极应对不断变化的挑战。二、科学教育评价体系的构建（一）确立依托于数字化平台的小学科学教育评价维度为有效推进教育数字化转型，笔者基于对“科学素养”与“数字世界中的学习”内在联系的分析，在已有研究的基础上，对科学教育评价内涵进行扩充，以此作为评价维度的确立依据，具体包含：A科学情境、B科学知识、C科学能力、D科学身份、E数字世界中的学习5个维度。PISA2025框架聚焦于测评学生在不同学科背景下解决问题的思维与能力，强调跨学科知识的整合应用，探究如何培养学生在群体视角下综合考量社会决策的科学能力，在学习过程中逐步实现科学身份认同。在这一过程中，学生与提供即时反馈的数字化学习平台互动，进而不断迭代形成解决问题的方案，实现数字化资源价值最大化。具体来说，“数字世界中的学习”在数字化平台自然发生，在此基础上创设的情境可以为学生展现能力创造机会，知识和身份可以为能力提升产生积极影响，每个维度都被数字化平台加持，使得彼此之间关联更紧密。在5个维度的共同作用下，学生的科学能力自然地向科学素养转化。这有利于教师、学校管理者和教育行政部门依据评价维度、构建评价体系，采取有效的发展策略提升小学生科学素养，同时也决定着数字化视域下科学教育的发展走向。（二）丰富小学科学教育评价体系构建的数字化元素多维数字画像既是一种技术形式，又是一种教育资源存在方式，具有工具和内容的双重属性[6]。笔者按照上述小学科学教育评价思路，构建的“多维数字画像”评价体系具有个体性、协作性、人机协同等特点，能够为学生全面发展提供有力支持。评价体系由过程性评价和整体性评价组成。过程性评价包括个人、小组、数字化学习平台、综合评估评价部分。各方根据科学教育培育目标的相关表现及时评价，从每个阶段分别对应的科学教育子维度展开，采用自评、互评、平台评分、教师评价等方式进行多元的量化评价。写评语是一种质性评价。与量化的等级制不同，评语能够具体说明、解释、描述或评论学生素养发展情况。学生和教师在写评语时，可以在不能或不易量化评分的领域着重进行评价[7]。在科学学习领域，学生在活动参与度、小组分工担当、竞合协作、对科技伦理思量考虑等方面的表现，都是质性的评语对量化的多维数字画像的必要补充。教师可进一步完善科学教育评价体系的多元量化机制，体现人本主义的关怀特质。（扫码查看“多维数字画像”驱动下的科学教育评价体系表。）三、基于科学教育评价体系的科学素养发展策略根据以上要素，教师对学生开展科学教育评价可以全方位地发现问题、有指向性地解决问题、基于诊断结果优化策略。研究团队于2024年在甘肃省兰州市的五区三县各抽取一所学校，在教育行政部门协助下，开展小学生数字素养、科学素养提升工程的前期调研，完成对8506名小学生的前、后测评工作。笔者在分析前测结果后发现，兰州市的小学生科学素养整体水平亟待提高，问题集中体现在三个方面：其一，在科学知识类型划分上缺少学科交叉、应用情境和跨学科视角；其二，普遍缺乏运用科学知识进行决策和行动的能力；其三，对科学问题解决过程中的伦理道德与价值观层面思考不够深入。兰州市是甘肃省的省会，其测评结果具有一定的区域参考价值，这对于探索本区域以数字化为导向的科学教育发展路径具有重要意义，对全国其他数字化教育资源储备较好的地区的科学教育数字化转型也有参考价值。为实现基于学生在科学教育体系中涵盖过程性评价、整体性评价的高效培育，笔者提出如下科学素养发展策略，在科学素养各项指标均呈现增长态势的后测结果支撑下，该发展策略的可行性研究也能找到事实依据。（一）跨学科整合科学知识PISA2025框架重点关注科学的跨学科特点，强调科学知识在社会实践中的具体运用和影响过程，并聚焦于这些应用所引发的社会议题和相关挑战。其一，在“生态系统和可持续发展”领域，从塑造学生全球视野的角度出发，融合了物质科学、生命科学以及地球与宇宙科学等多方面的知识，旨在提升学生对知识的建构能力，使他们能够辨识复杂系统的各个组成部分，并理解这些部分内部及其相互之间的动态交互作用；其二，在“科学知识的理性发展”领域，学生得以透视科学知识的发展阶段和演进轨迹，塑造对现代伪科学观点和结论进行审视与鉴别的能力，进而深化对科学发展内驱力的理解；在“信息学”的领域，学生需要领悟使用数据的方法和意义，并洞察数字技术在数字社会扮演的关键角色，特别强调人工智能技术在加速科学领域向前迈进中产生的深远影响。（二）运用知识有效决策，提高科学能力“运用科学知识进行决策和行动”的能力是一种综合能力，即能够将科学知识有效地应用于决策制定与行动执行中，同时在这一过程中统观伦理道德的关键要素，并在落实层面处理矛盾与冲突，不断促进个人观念体系（包括世界观、人生观、价值观）的更新与发展。学生培养和提升决策力，有助于根据错综复杂的系统性问题寻找适宜的解决方案，并能够从伦理、道德和社会进步等多个层面，对不同的方案进行综合评估，从而多维度地理解物质世界、生态环境及人类社会之间相互关联所引发的响应循环与互动模式，准确把握科学在复杂环境中的存在意义与应用价值，感受社会发展状况与未来科学走向的密切关系。（三）增强科学归属感，促进身份与价值认同科学身份认同素养水平既反映了学生应用科学知识、进行科学实践的认知能力，又体现了学生在科学态度、科学精神、科学伦理等非认知能力上的差异[8]。它能帮助学生在科学话题的交流探讨与复杂情况的应对处理中合理运用科学知识，逐步形成对科学方法积极接纳与应用意愿的良性循环，找到自身的科学归属感，秉持科学伦理、坚定科学信仰，实现道德层面的正确判断，发挥个人价值的群体属性。四、落实科学素养发展策略的实施路径2022年5月，教育部等十八部门印发《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》，提出“开展实验和探究实践活动，落实跨学科主题学习原则上应不少于10%的教学要求”。我们可以从两个方面理解文件精神。一方面，开展跨学科主题学习不仅仅是科学知识跨学科整合的关键环节，也是重点发展决策行动科学能力、实现科学身份价值认同，提升学生科学素养的重要路径[9]。另一方面，将虚拟科学实验这类数字化学习平台融入跨学科主题学习，有助于探索如何以虚拟科学实验为抓手，强化这种数字化平台对跨学科主题学习的支撑作用，建立以“数字世界中的学习”为全新特征的科学教育评价体系并开展评估、诊断工作。为有效利用科学素养发展策略实现教学目标，教师组织融入虚拟科学实验的跨学科主题学习活动，可以从以下3个方面规划具体的实施路径。（一）开发立足真实情境的探究主题开发真实的探究主题是跨学科学习的核心环节，它起到连接不同学科知识的纽带作用，促进了学科之间的融合与贯通。从科学知识增长的视角来看，确定真实情境下的探究主题是根据PISA2025框架引导学生运用科学知识解决复杂问题的前提，也是学生开展学习活动建构科学知识的场域。基于数字化科学教育资源整合的课程形式，教师可以引入目前存在争议的全球性科学议题，如聚焦生态环境的“海洋生态平衡”跨学科学习活动，让学生像科学家一样思考，像工程师一样规划，借助编程知识和操作技能，在数字化平台开展探究实践，研究海洋生态现状及污染成因，并提出相应举措。具体来说，学生可以在数字化学习的前期搜集资料、积累知识，中期观察记录、验证知识，后期论证迁移、拓展知识。在这一学习活动过程中，学生对多学科的知识进行整合和运用，不仅加深了对各学科知识的理解，而且构筑起新的科学知识体系，逐步成为运用跨学科知识解决问题的全球公民，以至动员身边的人加入这项有意义的行动中来。教师按照“建构知识—解决问题—建构新知识—解决新问题”的步骤，基于真实或仿真情境开展主题探究活劲，可促进学生科学知识水平和跨学科学习能力循环往复、螺旋上升的良性发展。（二）设置条理清晰的教学目标一切活动都始于目标，教师对内容和形式进行规划设计，依据评价标准评估学生表现，最终又归于教学目标。依据PISA2025框架，小学生的科学能力由构建和评估科学探究的设计、科学地解释现象、综合运用科学信息进行决策和行动等维度构成。从科学能力发展的视角来看，教师需要设置分层目标，帮助学生按照能力发展规律，分步制订决策方案。现以“火星探索”虚拟科学实验为例说明这一过程。第一步，学生运用图形化编程平台构建“探测器收集火星信息”的数字化场景，实现模拟“天问一号”探测火星的情境再现这一分层教学目标，促进“构建和评估科学探究的设计”能力发展；第二步，学生基于《自我观察记录表》这类在线收集信息的数字化工具，对具体现象进行抽象概括，实现“‘火星是否适合人类居住’的初步科学观点”这一分层教学目标，促进“科学地解释现象”能力发展；第三步，基于《对比观察记录表》多元体现数字化学习成果，在质疑、论证并提出设想的过程中，达成“规划‘如何把火星改造为宜居行星’的具体方案”这一最终目标，并在方案的可行性分析与实施决定中实现“综合运用科学信息进行决策和行动”能力发展。学生参与以上学习活动，体验了科学探究的过程，掌握了科学实践的方法，在能力拓展中学会一题多解。这得益于教师不断引导学生反思判断方案的有效性，寻求迭代优化并完善方案，积极应对未来的不确定因素和外部世界的快速变化。（三）设计逐层进阶的项目式学习活动PISA2025框架倡导深层次的科学身份认同，这避免了仅关注科学课堂上情感与态度所反映出的短时效应问题，转而强调从个人成长与发展的视角关注学习者对科学的持续参与和长远追求。在社会文化环境的框架内，在人际互动的场域中，教师应引导学生自主对科学建立认知，明确定位。科学身份认同是科学素养高阶层面表象。这种非认知能力需要以循序渐进的学习活动作为载体进行培养，即教师开发立足真实的探究主题，设置条理清晰的教学目标，设计呈现逐层进阶的项目式学习活动，促进学生从基础性认知向高阶非认知转化。值得注意的是，教师尤其在德育渗透的关键阶段，要将“主题”升华为“议题”，让学生将当下决策落实在未来行动中，体现科学教育的综合性、开放性和延伸性，以此来实现学生对于科学身份的价值认同。现以“导体与绝缘体”虚拟科学实验为例说明这一过程。第一步，学生在教师创设的“未来世界”主题情境下，编程搭建出破坏分子妄图用电流摧毁机器人的虚拟实验室场景；第二步，围绕“人类如何运用导体与绝缘体”这一核心问题，思考其中蕴含的科学原理，以小组合作形式进行深入探讨，从探究“为何行动”的初衷出发，逐步细化到明确“行动内容”，并最终提升到“如何展开行动”的方法论层面，设计出层层递进的问题序列；第三步，设计“搭建虚拟实验室场景—验证不同金属导电性—提出智能机器人保护方案”3个密切相连、逐层进阶的活动序列，引导学生从科学家的角度出发，协调分工，积极筹备全班科学