教育信息化對我國學生科學素養的影響基于PISA數據的實證分析（~）

一我國中小學教育信息化現狀自20世紀七八十年代開始，隨著信息技術的快速發展，越來越多的國家視教育信息化為提升教育水平的重要手段，以期提高學校的教學效率和產出，推動教學和課程改革，使得教學更加以學生為中心、更加注重與現實世界的聯系，提升學生的信息素養以適應信息社會的勞動力需求。我國重視基礎教育信息化工作始于20世紀70年代末，經過三十多年的努力已經初見成效，進入21世紀以來更是進入了高速發展的黃金時期?！秶抑虚L期教育改革和發展規劃綱要（2010～2020年）》中明確提出：“信息技術對教育發展具有革命性影響，必須予以高度重視”，教育信息化被進一步確認為教育理念和教育模式的一場深刻革命。因此，要把教育信息化作為國家信息化的戰略重點優先部署，用教育信息化來帶動教育現代化，推動教育事業跨越式發展[1]。截至2016年6月，全國中小學互聯網接入比例達87.45%（見圖1），其中帶寬在10M以上的學校比例為64.3%，全國普通教室全部配備多媒體教學設備的中小學比例為56.6%（見圖2）。同時，省份之間和內部、城鄉之間及學校之間在信息化環境建設和基礎設施方面仍舊存在較大差距。城鎮學校基本完成基礎設施和學習環境建設，課堂教學中的信息技術基礎應用開始常態化，有些地區做出了進一步的創新探索；而農村學校，尤其是貧困偏遠地區的農村學校到目前為止還處于基礎環境搭建和教師信息技術培訓的起步階段。圖12016年全國各省接入互聯網的中小學比例圖22016年全國各省普通教室全部配備多媒體教學設備中小學比例情況盡管三十多年來我國基礎教育信息化基礎建設取得了長足進步，但計算機和互聯網進入學校并不等同于實現教育信息化、提升了教育教學質量。《教育信息化“十三五”規劃》指出教育信息化面臨很多困難和問題，如信息化與教育教學“兩張皮”、只管硬件忽視軟件、體制機制尚需創新等問題。《教育信息化“十三五”規劃》提出要深化信息技術和教育教學、教育管理的融合，強化教育信息化對教學改革的服務和支撐，以推動教育服務供給方式、教學和管理模式的變革。從數據上看，我國中小學校信息技術設備的使用率偏低。OECD發布的PISA報告顯示，2012年上海15歲學生在校使用電腦等設備的比例以及接觸互聯網的機會都顯著低于OECD國家的平均水平?；ヂ摼W和信息技術的使用對教學質量、學生學習的影響的實證研究仍舊處在探索之中。二當前信息技術對學生學業的影響的研究信息技術對教育產出的影響的研究可以分為學校和家庭兩個部分，因為兩者對電腦和互聯網等信息技術的投入和使用決策與選擇完全不同。各級教育管理部門決定了信息技術在學校的投入水平和投入方式，學校決定了信息技術在教學中的使用，而家長和學生決定了家庭在電腦、互聯網和應用軟件等方面的選擇、投入和使用。總的來說，電腦和互聯網及相關的教學輔助軟件能夠向學生提供更加豐富的學習資源，新的技術手段也可以激發學生的學習興趣，一些自適應的教學輔助軟件能根據學生學習水平和習慣做出相應調整，實現以學生為中心的個性化學習。同時，學校和家庭電腦和互聯網等信息技術的使用對學生學業的影響方式也存在差異。（一）學校信息技術的影響學校信息技術投入和使用對學生學業的影響研究可分為兩類：一類是將信息技術的投入作為一個整體，分析其對教育產出的影響；另一類則具體分析不同的電腦輔助教學（computerassistedinstruction/learning）方式對學生學習效果的影響。目前，各國政府對教育信息化的投入最主要的還是普及學校的信息基礎設施和硬件設備。早期第一類對信息技術投入效果的研究主要是基于案例研究[2]或者橫截面調查數據，如Fuchs和Woessmann[3]分析了32個國家的學校和學生調查數據，發現學生學習成績和學校電腦設備之間存在顯著的相關性?？紤]到電腦設備越好的學校很可能在其他方面，如學?？傮w的經費投入、師資力量等方面相應也較好，這個結果很可能是有偏頗的。結果，Fuchs和Woessmann發現在控制了家庭背景和學校因素之后，電腦設備和學習成績之間的顯著的正向關系就消失了。為了避免截面調查數據帶來的偏差，近年來對信息技術投入效果的研究傾向于利用政策變化或隨機實驗的方法來控制內生性。第二類研究則是具體分析不同的電腦輔助教學方式對學生在某一門學科的學業成績的影響。總的來看，相對于發達國家[4][5][6]，電腦輔助教學替代傳統教學的方式在發展中國家的效果較為明顯，很可能因為被電腦輔助教學所替代的原本的教學質量不高[7][8][9]。無論是發達國家還是發展中國家，課外電腦輔助教學的效果總體上要好于在課內使用電腦輔助教學。信息技術在學校中的使用越是落實到課堂內部，設計和目標越是具體，其結果越清晰，然而對于細分領域的研究目前仍不多。（二）家庭信息技術的影響早期有關家庭信息技術投入和使用的影響研究主要是基于調查數據的相關分析，如Attewell和Battle[10]基于美國全國教育跟蹤調查數據，Schmitt和Wadsworth[11]基于英國家庭面板調查數據，Fiorini[12]基于澳大利亞兒童跟蹤調查數據分析家庭是否擁有電腦與學生的學業成績之間的關系，結果顯示在控制了學生個人特征和家庭背景變量之后，家庭擁有電腦和學生的學業成績之間存在著顯著的正向關系。也有研究用畢業率來衡量，發現在控制了一系列的個人、父母和家庭特征之后，家中擁有電腦的學生更有可能從高中畢業[13][14]。此類研究基于豐富的調查數據，控制了許多比較難以觀察到的家庭背景變量，但仍有可能忽略了一些同時影響家庭電腦使用和學生學業的因素，如家長的教育觀念或投入程度，從而產生估計偏差。為了避免因為忽略了某些關鍵變量而產生的估計偏差，有些研究通過經濟學因果推斷的分析方法，如使用工具變量[15]，基于個人面板數據的個人固定效應模型[16][17]，以及偽造測試[18][19]來估計擁有和使用家庭電腦對學業的影響。結果顯示，家庭擁有電腦和學生學業成績之間有正向關系。也有研究使用隨機實驗的方法估計擁有個人電腦對學業的影響，結果顯示得到電腦的學生使用電腦完成作業和娛樂的時間都增加了，但并沒有影響到學業成績（Fairlie＆Robinson，2013）。一些研究發現個人電腦可能會占用本來的學習時間，卻沒有提高學生的認知能力[20]，一些研究則發現個人電腦可能提高了一些之前從來沒有個人電腦的學生在某些科目（如數學）的成績[21]?？偟膩碚f，基于多元分析的結果顯示家庭的信息技術尤其是電腦的使用對學生學業有積極的作用，而給家庭配備個人電腦等隨機實驗卻沒有明顯的效果。雖然獲得個人電腦的學生花了更多時間在電腦和網絡上，但是并沒有改變學習時間的分配，甚至反而擠出了原有的學習時間。也就是說，電腦和互聯網只是作為一種工具，真正影響到學生學習行為和結果的更多的是家庭在電腦等設備和軟件的投入和使用方式上的選擇。（三）國內相關研究國內對學校信息技術投入和使用與學生學業成績之間關系的實證研究較少。例如，郭衎等人[22]和辛濤等人[23]基于對教師和學生的問卷調查分析課堂中使用電腦等活動與學業成績之間的關系，也有許多研究探討學生互聯網使用行為與學業成績之間的關系。陳純槿和郅庭瑾[24]基于PISA2012測試數據從教育生產函數的研究視角探討了ICT使用對上海、中國香港、韓國、日本及新加坡學生數字化閱讀成績的影響。研究發現，使用社交媒介的時間和在校使用平板電腦、筆記本電腦對學生數字化閱讀成績均呈顯著負向影響；而另外，學校網絡教育資源投入和較早接觸互聯網對學生數字化閱讀成績的正向影響最大。在此基礎上，陳純槿等人[25]使用2015年PISA中國數據，分析了信息技術資源投入和應用對學生的數學、閱讀和科學素養產生的影響，發現家庭背景、學校生源背景和城鄉發展不均衡是導致素養成績差距的主要原因。在考慮了這些影響因素的基礎之上，來看教育信息化對成績的影響，發現上網時間過長會對學生素養成績產生負面的影響。可以看出，盡管加大教育信息化投入的確使得學校擁有了更多的優質教育資源，但僅僅增加學生在學?；蚣彝ナ褂糜嬎銠C和接觸互聯網的機會并不能充分保證信息技術能夠給學生帶來學習環境和學習方法的改變。在學校和家庭兩種環境下，信息技術的使用對學生學習方式和結果，包括學科素養成績在內的影響具有混合型的特征。這也是本文基于2015年國際學生評估項目的調查數據試圖探討的主要問題。三基于PISA數據的實證分析（一）研究方法本文使用的數據來自2015年由經濟合作與發展組織（OECD）在全球72個國家和地區組織實施的國際學生評估項目（ProgramforInternationalStudentAssessment）。自2000年開始，PISA以15歲學生作為評估對象，每三年在全球范圍內開展一次大規模評估，評估內容主要包括閱讀素養、數學素養和科學素養。此外，PISA還通過問卷的方式調查學生個人和家庭背景以及所在學校的基本情況。除了生均計算機數、互聯網接通等指標外，2015年PISA測試還對學生信息技術使用情況進行了問卷調查。中國大陸地區有北京、上海、江蘇和廣東四個省份268所學校8262名學生參加了此次評估。PISA在絕大多數參與國家和地區采用兩階段抽樣。第一階段采用按規模大小成比例概率抽樣方法（ProbabilityProportionaltoSize）抽取學校，使得每個抽樣單元按照其規模大小都有均等的被抽中的概率。第二階段將選取的樣本學校作為抽樣單元，在抽中的學校中隨機選取特定比例和數量的學生。對于分階段抽樣所形成的學生嵌套于學校的數據結構，本研究選擇采用多層線性模型（HierarchicalLinerModeling，HLM），分層建立回歸方程，從學生個體與學校群體兩個水平，探查信息通信技術（簡稱ICT）使用情況對學生科學素養的影響[26]。1.變量和樣本的確定本文基于似真值（PlausibleValue）估算方法，將學生的科學素養成績作為被解釋變量，代表學生的科學素養水平。根據PISA問卷，本文提取了學生層面的變量，包括學生個人（性別）和家庭背景特征變量（ESCS）。ESCS代表的是學生家庭的經濟、社會和文化背景，主要涉及父母職業、受教育程度以及家庭財產等。該指數服從均值為0、標準差為1的標準正態分布，因而具有國際可比性。根據以往的研究，將影響學生素養的解釋變量分為信息技術資源的可獲得程度、信息技術應用程度以及信息技術素養。信息技術資源的可獲得程度包括：①學生在家庭中可用的臺式電腦、筆記本電腦、平板電腦、網絡、游戲機、手機、隨身聽、打印機、U盤和電子書等ICT資源（ICTHOM）；②學生在校園可用的臺式電腦、筆記本電腦、平板電腦、能上網的電腦、無線網、存儲空間、U盤、電子書、投影儀和白板等ICT資源（ICTSCH）；③學生在各種場合可接觸到的ICT資源（ICTRES）。信息技術應用程度包括：①學生在校外因家庭作業而使用ICT的情況（HOMESCH）；②學生在校外娛樂活動使用ICT的頻率（ENTUSE）；③學生在校內使用ICT的一般頻率（USESCH）。信息技術的能力和素養為學生自評，包括：①學生對ICT的興趣（INTICT）；②學生對自己ICT使用能力的評估（COMPICT）；③學生ICT使用的自主性（AUTICT）。除了學生層面的解釋變量之外，本文還選取了2個學校層面的變量：①學校所在地區和學校平均學生ESCS。學校所在的地區分為人口少于3000人的小村莊、人口為3000～1.5萬人的小鎮、人口為1.5萬～10萬人的城鎮、人口為10萬～100萬人的城市以及人口多于100萬人的大城市共五種不同規模的地區；②學校學生的平均家庭經濟社會和文化背景，該變量同樣服從均值為0、標準差為1的標準正態分布，因而可以在不同學校、不同地區之間進行比較。在本項實證研究中，分別對學生性別以及學校所在地區人口規模進行了分類統計，共有來自中國大陸地區北京、上海、江蘇和廣東四個省份268所學校的8262名學生參加，利用抽樣學生權重變量（W_FSTUWT）加權后的樣本學生數為1091933人。其中，女生樣本數為3924人，加權后的樣本女生數為518668人，占總體樣本的47.5%；男生樣本數為4338人，加權后的樣本男生數為573265人，占總體樣本的52.5%。學校所在地區的人口規?？梢宰鳛榭疾斐青l差異的類別變量。其中，3000人的小村莊的學校有843所，占比為10.2%；3000～15000人的小鎮的學校有2538所，占比為30.7%；15000～100000人的城鎮的學校有1624所，占比為19.7%；100000～1000000人的城市的學校有1186所，占比為14.4%；人口超過1000000人的大城市的學校有2071所，占比為25.1%。2.建立具體的分析模型（1）零模型：考察學生科學素養分數的總變異中有多大比率是由學校的差異造成的在上述兩個方程中，ave_PVscience是j學校i學生的基于似真值估算的科學素養分數，β0是j學校學生的平均科學素養分數，r是學生與學校平均科學素養分數之差，代表個體層面的隨機誤差；γ00是各學校學生科學素養分數的總平均，μ0是j學校與總平均γ00之差，代表學校層面的隨機誤差。根據這一模型，可以計算跨級相關系數，考察學生科學素養分數的總體變異中有多大比率是由學校的差異造成。（2）加入個體層面變量的模型：考察學生個體因素對其科學素養的影響在零模型的層一方程中納入學生性別、家庭經濟社會和文化背景（ESCS），以及信息技術資源的可獲得程度、信息技術應用程度、信息技術能力和素養三類學生層面的自變量，考察學生個體因素對其科學素養的影響。上式中，β1、β2…β11分別是各自變量對因變量科學素養成績的偏回歸系數，即方程的斜率；r表示方程的殘差或隨機誤差。假定各自變量對學生科學素養的影響（β）在各校間恒定，這屬于隨機效應協方差模型。（3）加入學校層面變量的模型：考察學校因素對學生科學素養的影響在隨機效應協方差模型的基礎上，在層二方程中納入學校所在地區和學校學生的平均家庭經濟社會和文化背景（ESCS）兩個自變量，考察學校因素對學生科學素養的影響。上式中，γ00…γ表示第二層各方程的固定效應；γ01、γ02分別是學校所在的地區和學校學生的平均ESCS對截距項β0（學校平均科學素養分數）影響的偏回歸系數；μ0表示第二層方程未被當前模型解釋的殘差變異。（二）研究結果此次PISA評估發現，我國大陸地區四個城市學生科學素養平均分數為537.28，高于OECD國家平均水平（493分），但不同學生之間科學素養水平差距較大，科學分數最高分與最低分相差達559.45。本研究利用多層線性模型回歸分析結果。首先，利用零模型對學生科學素養成績差異的來源進行分析：在既不加入學生特征變量，也不加入學校特征變量的情況下，對模型方差進行分解，結果表明：學生科學素養的總變異中只有0.88%來自學校之間的差異，而有99.12%來自學生個體層面的差異，說明學生科學素養的校際差異很小，而個體差異很大。其次，只加入學生層面的特征變量，旨在考察各學生特征變量對科學素養的影響，回歸結果將呈現各因素對學生素養的解釋比例。在加入了學生個體層面的自變量之后，新模型在學生和學校兩個層面的隨機方差變小，意味著學生特征變量可以解釋學生科學素養的變異。結果發現：學生性別、家庭經濟社會和文化背景、在校內因家庭作業而使用ICT的情況、對ICT的興趣、ICT使用的自主性、在校園可用的ICT資源以及各種場合ICT資源均對學生科學素養有正向影響，且該影響具有統計學意義的顯著性。而學生在校外娛樂活動使用ICT的情況、在校內使用ICT的一般情況、對自己ICT使用能力的評估及家庭可用的ICT資源與學生科學素養有負向影響，該影響同樣具有統計學意義的顯著性。其中學校ICT資源對學生科學素養的影響程度最弱，對科學分數的解釋比例也最低，說明單純靠增加校內信息技術資源來提高學生科學素養水平并不是高效率的做法。最后，在上述模型的基礎上，加入校平均的學生家庭經濟社會文化背景和學校所在地區這兩個學校層面的解釋變量，分析不同學校的學生科學素養的差異。結果發現：學校間的差異會顯著影響學生科學素養水平，學校平均ESCS對學生科學素養分數的回歸系數最大，說明其影響程度最高，學校學生平均家庭經濟社會文化背景對科學素養分數的解釋比例遠高于其他變量。平均經濟社會和文化背景越好的學校，其學生的科學素養分數越高。而學校所在地區變量回歸系數不顯著。四思考與討論本研究通過建立多層線性模型，利用PISA2015國際大型調查數據，探討我國教育信息化對15歲學生科學素養的影響。結果發現：學生校內使用ICT的情況、校外使用ICT進行娛樂活動以及家庭ICT資源與其科學素養呈顯著負相關，學校ICT資源投入的效果并不顯著；但培養學生ICT興趣、引導學生正確使用ICT資源、提高學生ICT使用的自主性有助于提升其科學素養水平。然而目前眾多對教育信息化投入效果的研究結論并不一致，甚至互相矛盾。那么，ICT如何才能更好地促進學生發展呢？（一）信息技術需與具體的課程內容和教學過程相結合有研究指出，單純增加電腦等ICT設備的投入而不在實際的教學過程中有所改變，并不能提高學生的學科成績[27]，甚至對部分學生素養有顯著的負向影響[28]。OECD最近發布的報告指出，學校在教育技術方面的投入并未提高學生成績，也沒有縮小優等生和后進生之間的差距[29]。Kubiatko和Vlckova[30]發現，那些在學習過程中使用了ICT的學生比其他學生獲得了更高的科學分數，說明只有將ICT與具體的課程內容和教學過程相結合，才能真正發揮ICT對教育教學的作用，提高學生素養。英國國家課程建設重視學科教學中ICT的使用，其課程標準明確指導每個學科中如何使用ICT，包括在ICT學習、ICT應用法定要求、ICT使用機會、硬件和軟件多個方面[31]。美國高度重視ICT在基礎教育中的作用，認為ICT應該成為教學活動的一個不可分割的部分，從早期的計算機輔助教學和計算機輔助學習，到WebQuest，再到如今流行的翻轉課堂、移動學習、虛擬/增強現實學習等，其教學應用創新和模式創新值得我國教育界借鑒學習[32]。（二）重視教師的作用，提升教師信息技術素養教師是教學活動的重要發起者和組織者，同時也是ICT建設的主體實踐者和探索者。從各國的實踐經驗