课题申报书：基于虚拟实验环境的学生科学素养精准评价与人机协同干预研究

教育科学规划2025年度重点课题申报书、课题设计论证求知探理明教育，创新铸魂兴未来。基于虚拟实验环境的学生科学素养精准评价与人机协同干预研究课题设计论证一、研究现状、选题意义、研究价值1.虚拟实验在教育领域的广泛应用，为学生科学素养培养提供新途径。随着科技的不断进步，虚拟实验在教育领域的应用日益广泛。虚拟仿真教学实验通过计算机技术模拟真实实验环境和过程，为学生提供了安全、高效、灵活的学习环境。例如，欧倍尔虚拟仿真教学实验具有安全性高的特点，学生可以在电脑上进行操作，无需接触危险化学品、高温设备或高压电路等，降低了安全风险，还能模拟地震、核反应等在现实中难以实现的实验场景，提高学生的应急能力和危机意识。同时，虚拟仿真教学实验具有高效性，能缩短学生的准备时间，快速进行实验，提供多种实验模式，如慢动作重放、放大局部细节等，帮助学生更好地理解实验过程，还能记录学生的实验操作过程供教师分析评估。此外，虚拟仿真教学实验具有灵活性，学生可以在任何地方、任何时间进行实验操作，只要有一台电脑和网络连接即可，还能根据学生的不同需求提供个性化的实验内容和难度，实现跨地域、跨学校的协同实验。2.目前对虚拟实验环境下学生科学素养评价的研究不断深入，但仍存在不足。目前，对虚拟实验环境下学生科学素养评价的研究虽在不断深入，但仍面临一些挑战。一方面，虚拟实验无法完全替代真实的实验操作，学生无法获得亲身体验和动手能力的培养；另一方面，虚拟实验教学需要一定的技术支持和设备投入，对于一些经济条件较差的学校来说，可能存在资金压力，且其开发和维护也需要大量的人力和财力投入。3.选题意义在于探索精准评价方法，实现标准教学评价有效联结，提升科学教育服务质量，促进科学创新人才培养。本课题的选题具有重要意义。在当前教育背景下，探索基于虚拟实验环境的学生科学素养精准评价与人机协同干预方法，能够实现标准教学评价的有效联结。通过精准评价，教师可以更好地了解学生的科学素养水平，调整教学策略，提高科学教育服务质量，为培养科学创新人才奠定基础。4.研究价值包括理论价值，丰富科学素养培养理论和推动教育技术理论研究；实践价值，提高教育教学质量、促进教育资源共享和推动教育改革。本课题的研究具有显著的价值。在理论方面，它丰富了科学素养培养理论，为学生科学素养的提升提供了新的思路和方法。同时，推动了教育技术理论研究，探索虚拟实验在教育中的应用，为教育技术的发展提供了实践经验。在实践方面，通过精准评价和人机协同干预，提高了教育教学质量，让学生在虚拟实验中获得更多的学习机会和更好的学习体验。此外，虚拟实验可以促进教育资源共享，突破时间和空间的限制，让更多的学生受益。最后，本课题的研究成果将为教育改革提供有力支持，推动教育向更加现代化、智能化的方向发展。二、研究目标、研究内容、重要观点1.研究目标本课题旨在明确虚拟实验环境下学生科学素养精准评价与人机协同干预的方法和策略。通过对在线虚拟仿真实验环境中科学素养多元表现性评价的内容和方法的探索，以及基于生成式AI的人机协同个性化教学干预策略的研究，实现“标准教学评价”的有效联结，提升科学教育服务质量，促进我国科学创新人才培养。具体而言，我们期望能够为学生提供更加精准的科学素养评价，帮助教师更好地了解学生的学习情况，从而制定更加个性化的教学干预策略，提高学生的科学素养水平。2.研究内容（1）在线虚拟仿真实验环境中科学素养多元表现性评价的内容和方法在线虚拟仿真实验环境为学生科学素养评价提供了新的途径。我们将研究如何在这种环境下，对学生的科学素养进行多元表现性评价。评价内容将涵盖学生的实验操作技能、科学思维能力、问题解决能力等多个方面。评价方法将包括过程性评价和结果性评价相结合，通过记录学生在虚拟实验中的操作过程、实验结果以及与生成式AI的交互情况，对学生的科学素养进行全面评价。（2）基于生成式AI的人机协同个性化教学干预策略生成式AI为个性化教学干预提供了强大的技术支持。我们将研究如何利用生成式AI实现人机协同，为学生提供个性化的教学干预策略。通过分析学生在虚拟实验中的表现和评价结果，生成式AI可以为学生提供个性化的学习建议和指导，帮助学生提高科学素养。同时，教师也可以根据生成式AI的分析结果，调整教学策略，提高教学效果。3.重要观点我们认为通过人机协同干预能更有效地提升学生科学素养，实现精准评价与个性化教学的有机结合。在虚拟实验环境下，学生可以通过与生成式AI的交互，获得更加个性化的学习体验。生成式AI可以根据学生的学习情况和需求，为学生提供精准的评价和个性化的教学干预策略，帮助学生提高科学素养。同时，教师也可以通过分析学生在虚拟实验中的表现和评价结果，调整教学策略，提高教学效果。这种人机协同干预的方式，将实现精准评价与个性化教学的有机结合，为学生科学素养的提升提供更加有效的途径。三、研究思路、研究方法、创新之处1.研究思路本研究以基础教育阶段核心素养导向的教育政策为指导，构建从评价内容确定到干预策略实施的完整研究路径。具体而言，通过对在线虚拟仿真实验环境中科学素养多元表现性评价的内容和方法的探索，明确学生在虚拟实验中的科学素养表现维度和评价指标。同时，基于生成式AI的人机协同个性化教学干预策略的研究，为学生提供精准的学习支持和指导。2.研究方法文献综述：查阅国内外相关研究文献，了解虚拟实验教学、人机协同干预以及学生科学素养评价的研究现状和发展趋势，为本研究提供理论依据。问卷调查：设计问卷调查，收集学生、教师对虚拟实验教学效果、人机协同干预策略的评价，分析其在提升学生科学素养方面的作用。实证研究：以实际教学为例，开展虚拟实验教学实验，对比分析实验前后学生科学素养的变化，验证人机协同干预策略的有效性。案例研究：选取具有代表性的虚拟实验教学案例，分析其教学策略和实施效果，为构建有效的研究模式提供参考。3.创新之处本研究的创新之处在于探索虚拟实验环境下人机协同干预学生科学素养的新模式，形成可操作、可推广的测评工具。具体体现在以下几个方面：融合新技术：将虚拟实验与生成式AI相结合，为学生提供更加个性化的学习体验和教学干预策略。虚拟实验不受时间、场地、设备等方面的限制，可以提供更多的实验机会，激发学生学习兴趣，提高实验安全意识。生成式AI则可以根据学生的学习情况和需求，为学生提供精准的评价和个性化的学习建议，帮助学生提高科学素养。创新教学模式：构建基于虚拟实验的学生科学素养精准评价与人机协同干预模式，注重学生的主体地位，以探究为核心，强调知识的生成过程和学生科学素养的培养。在教学过程中，教师转变为学生的学习导师和指导者，引导学生进行科学探究的思考和实验设计。通过设计合适的实验任务，提供及时的反馈和评价，促进学生的主动参与和自主学习。可操作的测评工具：研究旨在形成一套可操作、可推广的测评工具，充分发挥评价作为指挥棒的作用。通过对在线虚拟仿真实验环境中科学素养多元表现性评价的内容和方法的探索，结合生成式AI的数据分析和评价功能，为教师和学生提供准确、全面的科学素养评价结果。同时，根据评价结果，为学生提供个性化的教学干预策略，提高教学效果。四、研究基础、条件保障、研究步骤1.研究基础已有相关研究成果和实践经验，具备一定的研究团队和技术支持。目前，关于虚拟实验在教育领域的应用已有不少研究，如欧倍尔虚拟仿真教学实验为学生提供了安全、高效、灵活的学习环境；厦门大学医学虚拟仿真实验教学中心的开放实验室为学生提供了提高实验技能的平台；多思虚拟实验环境为教学和学习设计了模拟平台，涵盖多个学科领域；虚拟实验在高中化学探究式教学活动中的应用也取得了一定成果；还有基于虚拟实验的高中生科学探究素养的培养研究以及通过虚拟实验室提升学生科学实践能力的探索教学研究等。这些研究成果为我们的课题提供了理论和实践基础。同时，我们拥有一支专业的研究团队，包括教育技术专家、学科教师等，具备丰富的教学经验和研究能力。此外，我们还拥有先进的技术支持，能够为虚拟实验环境的搭建和人机协同干预提供保障。2.条件保障包括学校和学院的支持、科研经费和技术设备等。学校和学院高度重视本课题的研究，为我们提供了政策支持和资源保障。在科研经费方面，我们积极争取各级科研项目的资助，确保课题研究的顺利进行。同时，我们还拥有先进的技术设备，如高性能计算机、虚拟实验软件等，为课题研究提供了技术支持。3.研究步骤分为收集文献资料、设计问卷调查、开展实证研究、选取案例研究和整理研究数据撰写报告等阶段。首先，我们将收集国内外相关研究文献，了解虚拟实验教学、人机协同干预以及学生科学素养评价的研究现状和发展趋势，为本研究提供理论依据。其次，设计问卷调查，收集学生、教师对虚拟实验教学效果、人机协同干预策略的评价，分析其在提升学生科学素养方面的作用。然后，开展实证研究，以实际教学为例，开展虚拟实验教学实验，对比分析实验前后学生科学素养的变化，验证人机协同干预策略的有效性。接着，选取具有代表性的虚拟实验教学案例，分析其教学策略和实施效果，为构建有效的研究模式提供参考。最后，整理研究数据，撰写研究报告，提出基于虚拟实验环境的学生科学素养精准评价与人机协同干预的有效方法（全文共3861字）教育科学规划2025年度重点课题申报书、课题设计论证求知探理明教育，创新铸魂兴未来。基于虚拟实验环境的学生科学素养精准评价与人机协同干预研究课题设计论证一、研究现状、选题意义、研究价值虚拟实验环境下学生科学素养评价研究现状丰富，国内外已开展了众多相关研究。例如，物理虚拟实验室利用计算机模拟和虚拟现实技术，为学生提供全新的学习方式和实验体验，拓宽了学生的学习途径，提供直观和交互的学习体验，还具有资源共享和合作学习的优势。虚拟实验室在教育领域中的应用越来越广泛，它可以提高学生的实验能力、科学素养和教学效率。此外，通过虚拟实验室提升学生科学实践能力的探索教学研究也在不断深入，明确了虚拟实验室在提升学生科学实践能力方面的作用机制、构建了教学策略模型、建立了评价体系等。虚拟仿真实验教学作为一种创新的教学手段，不仅为传统实验教学带来颠覆性的改变，而且在解决教学难题、促进人才培养方面发挥着重要作用。它具有真实感体验、安全性与环保、多样性实验场景等特点，助力人才培养，克服实验设备受限问题、提高实验效率、强化实际操作能力。高校虚拟仿真教学牵手小学科学素质教育，联动创新人才培养模式，通过虚拟仿真实验课堂，让学生在身临其境的虚拟世界中自主学习，合作探究，提高数字学习素养。基于虚拟实验的高中生科学探究素养的培养研究表明，虚拟实验提供了更多的实验机会，激发学生的学习兴趣，提高学生的实验安全意识。在全国教育科学规划项目开题论证会中，“基于虚拟实验环境的学生科学素养精准评价与人机协同干预研究”课题以基础教育阶段核心素养导向的教育政策为指导，旨在为实现“标准教学评价”有效联结，提升科学教育服务质量，促进我国科学创新人才培养提供理论框架和技术支持。选题意义重大，随着科技发展，传统教育面临挑战，虚拟实验环境为学生科学素养培养提供了新途径。它有助于实现“标准教学评价”有效联结，提升科学教育服务质量，促进我国科学创新人才培养。实验教学集实践性、探究性、互动性于一体，是提升科学教育质量的重要方式。虚拟实验环境可以让学生在不受时间和空间的条件限制下尽可能地深入理解实验过程和结论，弥补优质教育教学资源不足的状况。研究价值显著，理论上丰富和发展科学实践能力培养理论，推动教育技术理论研究；实践上提高教育教学质量，促进教育资源共享，推动教育改革。虚拟实验室为学生提供了丰富的实验资源和实验场景，有助于培养学生的动手操作能力、观察能力、分析能力等科学实践能力，激发学生的学习兴趣，优化教学过程。虚拟实验有利于学生实现从知识学习到动手实验的跨越，有利于提高学生的创新能力和综合实践能力，能有效提高教学质量。虚拟实验为高中生科学探究素养的培养提供了新的途径，对于培养学生的科学思维、科学方法和科学精神具有积极的促进作用。全国教育科学规划课题在引领教育科研创新、切实解决教育实际问题，深入推动教育理论和实践发展等方面发挥积极作用。二、研究目标、研究内容、重要观点1.明确的研究目标本研究致力于探索在线虚拟仿真实验环境中科学素养多元表现性评价的内容和方法，以及基于生成式AI的人机协同个性化教学干预策略。具体目标包括：明确作用机制：深入探究虚拟实验室在提升学生科学实践能力方面的作用机制，为教学策略的设计提供理论依据。构建教学策略：构建适用于虚拟实验环境的教学策略，提高教学效果，实现个性化教学干预。提供理论支持：分析虚拟实验环境对学生科学实践能力的影响，为教育改革提供理论支持，推动科学创新人才培养。建立评价体系：建立虚拟实验教学效果的评价体系，为教育决策提供依据，确保教学质量的持续提升。2.全面的研究内容虚拟实验室作用机制研究：深入研究虚拟实验室在提升学生科学实践能力方面的作用机制。通过对学生在虚拟实验环境中的行为和表现进行观察和分析，了解学生的学习过程和认知发展，揭示虚拟实验室如何促进学生动手操作能力、观察能力、分析能力等科学实践能力的提升。教学策略设计与优化研究：设计并优化虚拟实验室教学策略。结合学生的认知特点和学习需求，以学生为中心，设计具有科学性、趣味性和互动性的教学策略。增加趣味性元素，如引入游戏化、竞赛化等元素，激发学生的学习兴趣和动力；保障内容科学性，基于科学原理设计实验内容，确保准确性和可靠性；强化互动性设计，利用虚拟现实、增强现实等技术，实现学生与虚拟环境的自然交互，提高实验操作的沉浸感和真实感。根据不同年级学生的认知水平和知识储备，设计相应难度的实验，涵盖多学科领域知识，鼓励学生运用跨学科知识解决问题，实现跨学科融合与创新。对学生科学实践能力的影响研究：分析虚拟实验室对学生科学实践能力的影响。通过实证研究，对比学生在参与虚拟实验前后的科学实践能力变化，包括动手能力、操作技能、创新精神、批判性思维、团队协作和沟通能力等方面。以实际教学为例，开展虚拟实验室教学实验，收集数据并进行分析，为教育改革提供实践依据。教学效果评价体系研究：构建虚拟实验教学效果的评价体系。从教学内容、教学环境和教学效果三个方面进行评价。教学内容应具备科学性、实用性、针对性和先进性，贴近学生实际需求，符合学科特点，具有创新性，满足学生对新领域、新技术的探索需求。教学环境应稳定、安全、舒适、操作简单、界面美观且易于操作，与硬件设备兼容性好。教学效果应可评估，通过学生的成绩、学习态度、实验操作技能等方面进行评价和比较，确保对学生的学习产生积极促进作用。3.突出的重要观点本研究以基础教育阶段核心素养导向的教育政策为指导，强调人机协同干预对学生科学素养精准评价的重要性。在科技飞速发展的时代，传统教育面临挑战，虚拟实验环境为学生科学素养培养提供了新途径。虚拟实验教学具有高度仿真性，能够模拟真实实验环境和操作过程，为学生提供安全、便捷、低成本的实验体验，有效弥补真实实验条件的不足。以政策为指导：基础教育课程教学改革深化行动方案强调了科学素养提升的重要性。本研究以核心素养导向的教育政策为依据，通过虚拟实验环境中的科学素养多元表现性评价和人机协同个性化教学干预，将育人理念转化为实际的教育教学行为，促进学生核心素养发展。人机协同干预：生成式人工智能如ChatGPT等为教育带来重大影响，推动教学模式从“师生”二元结构转向“师机生”三元结构。在虚拟实验环境中，人机协同干预能够充分发挥人类的智慧和创造力与生成式AI的强大能力，构建更加高效、灵活、可控的教学系统。例如，通过提示引导模式，人类提供文本提示，引导生成式AI模型生成特定内容；迭代修正模式中，人类与生成式AI模型进行多次迭代，逐步完善生成内容；共同创作模式下，人类和生成式AI模型共同参与内容的创作过程，发挥各自的优势。精准评价科学素养：在线虚拟仿真实验环境为科学素养的精准评价提供了可能。通过对学生在虚拟实验中的表现进行多维度评价，包括实验操作熟练程度、数据的精密度和准确度、创新思维和批判性思维等方面，实现对学生科学素养的精准评价。同时，国际比较的视角可以帮助我们抓住研究内容中的多个关键词，逐个突破科学素养的多维度、诊断性评价问题，为实现“标准教学评价”有效联结提供支持。三、研究思路、研究方法、创新之处1.研究思路清晰，首先收集文献资料进行综述，明确研究框架；然后设计问卷调查、开展实证研究和案例研究；最后整理数据撰写报告。本研究以基于虚拟实验环境的学生科学素养精准评价与人机协同干预为主题，首先通过收集国内外相关研究文献，梳理虚拟实验室在提升学生科学实践能力方面的研究成果，明确研究的理论框架。接着，设计针对学生、教师及相关教育管理者的问卷调查，收集各方对虚拟实验教学效果的评价，分析虚拟实验在提升学生科学实践能力方面的作用。同时，以实际教学为例，开展实证研究，对比分析学生参与虚拟实验前后的科学实践能力变化，包括动手能力、操作技能、创新精神、批判性思维、团队协作和沟通能力等方面。此外，选取具有代表性的虚拟实验室教学案例，进行案例研究，分析其教学策略和实施效果，为构建虚拟实验室教学策略提供参考。最后，整理研究数据，撰写研究报告，提出研究结论和建议，形成一套完整的理论体系和实践成果。2.研究方法多样，采用文献综述、问卷调查、实证研究、案例研究等方法。在文献综述方面，通过查阅国内外相关研究文献，梳理虚拟实验室在提升学生科学实践能力方面的研究成果，为本研究提供理论依据。问卷调查则设计专门的问卷，收集学生、教师对虚拟实验室教学效果的评价，分析虚拟实验室在提升学生科学实践能力方面的作用。实证研究以实际教学为例，开展虚拟实验室教学实验，对比分析实验前后的学生科学实践能力变化。案例研究选取具有代表性的虚拟实验室教学案例，分析其教学策略和实施效果，为构建虚拟实验室教学策略提供参考。3.创新之处明显，关涉科学素养的多维度、诊断性评价问题，通过国际比较视角突破；形成可操作、可推广的测评工具，充分发挥评价指挥棒作用。本研究在科学素养评价方面具有创新之处。首先，关注科学素养的多维度、诊断性评价问题，通过国际比较的视角逐个突破。借鉴国际上先进的科学素养评价方法和经验，结合我国教育实际情况，构建适合我国学生的科学素养评价体系。其次，致力于形成可操作、可推广的测评工具。通过对虚拟实验环境中学生的表现进行多维度评价，包括实验操作熟练程度、数据的精密度和准确度、创新思维和批判性思维等方面，开发出一套科学、准确的测评工具。这套工具不仅可以为教师教学提供指导，也可以为教育管理者提供决策依据，充分发挥评价指挥棒的作用，促进学生科学素养的提升。四、研究基础、条件保障、研究步骤研究基础扎实，已有相关研究成果为课题提供理论依据，课题组成员具备专业知识和研究经验。目前，国内外在虚拟实验环境下学生科学素养评价方面已有众多研究成果，如物理虚拟实验室的应用、虚拟仿真实验教学的创新作用、高校虚拟仿真教学与小学科学素质教育的联动等，这些研究为我们的课题提供了丰富的理论依据。同时，课题组成员由校长、政教主任、团书记、教研组长、班主任、骨干教师等组成，他们长期工作在教育教学的第一线，具有丰富的经验、很高的科研和实践能力，完全有信心、有决心圆满完成此课题的研究。条件保障有力，学院为教师创设良好的沟通合作平台和科研环境，助力课题研究。（1）人员保障：课题组成员涵盖了不同职务和专业的教育工作者，他们经验丰富，具备完成课题研究的能力。（2）资料保障：一方面可以查阅有关图书资料，下载与课题相关的资料，创建调查表、整理座谈会记录和访谈记录，参考相关论文和著作；另一方面，学院举办的全国教育科学规划项目开题论证会等活动也为课题研究提供了丰富的资料和经验借鉴。（3）经费保障：学校可以保障研究经费，同时向上级主管部门申请部分经费，也可进行自筹经费，确保课题研究的顺利进行。（4）科研保障：学院制定了课题管理、学习、研讨和激励制度，定期组织现场观摩交流活动，开展论文、课例评比，展示优秀成果和先进经验。同时，学院为教师创设良好的沟通合作平台和科研环境，如举办全国教育科学规划项目开题论证会，为教师提供了与专家交流的机会，有助于提