基于AI+IoT的物理實驗操作測評體系研究和實踐應(yīng)用

2025年1月14日，教育部辦公廳關(guān)于印發(fā)《中小學(xué)科學(xué)教育工作指南》的通知中提出：將學(xué)生平時實驗操作和參加科學(xué)探究實踐活動等表現(xiàn)納入綜合素質(zhì)評價內(nèi)容；將數(shù)字技術(shù)等智能化手段引入實驗操作考試，提高實驗考查的可行性和有效性。隨著人工智能技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能化和自動化的測評方式正逐漸成為測評領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容，智能化和自動化不僅可以降低人工測評的重復(fù)勞動，還降低了由個體認(rèn)知、思維模式和情感態(tài)度等不同造成的評價差異，提高了評價的效率和精準(zhǔn)度。

王慧、孫可等人的研究報告《全國各地中考實驗操作考試實施現(xiàn)狀調(diào)查報告（一）》表明，當(dāng)下實施實驗操作考試的均采用人工考評的模式，即一名監(jiān)考老師對一名或多名學(xué)生同時進行監(jiān)考和打分，這樣容易導(dǎo)致教師無法同時兼顧操作細(xì)節(jié)和實驗結(jié)果，評價主觀性強，對于爭議性評分無法追溯。隨著人工智能技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于AI（人工智能） +IoT （物聯(lián)網(wǎng)）的教育測評方式融合了AI的智能分析能力和IoT的廣泛連接性，實現(xiàn)了簡單物聯(lián)到融合智聯(lián)的跨越，讓大規(guī)模進行實驗操作測評成為可能。

一、 Al+10T 測評體系構(gòu)建的邏輯思路

1.構(gòu)建 AI+IoT 測評緣起：順應(yīng)教學(xué)“測評\"工作變革的政策導(dǎo)向

教學(xué)測評內(nèi)容與測評方式的轉(zhuǎn)變是新時代面向教學(xué)“測評\"工作變革的重要領(lǐng)域，也是新時代教育評價改革政策治理關(guān)注的焦點議題3。中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《教育強國建設(shè)規(guī)劃綱要（2024-2035年）》中明確指出：要促進人工智能助力教育變革，加強課程體系改革，打造人工智能教育大模型，建設(shè)云端學(xué)校等，建立基于大數(shù)據(jù)和人工智能支持的教育評價和科學(xué)決策制度。AI+IoT的評測體系整合了大數(shù)據(jù)感知、萬物互聯(lián)、存儲、計算等優(yōu)點，有利于形成基于證據(jù)和大數(shù)據(jù)的教育測評體系，為結(jié)果評價、過程評價、增值評價等多元評價方式賦能。

2.構(gòu)建 AI+IoT 測評基石：指向精準(zhǔn)高效的“測 評\"載體

智能化測評是突破紙筆測驗，實現(xiàn)對學(xué)習(xí)過程或作答過程數(shù)據(jù)建模的重要手段，具有自動化、高效性、實時性和動態(tài)性評價的優(yōu)點4。AI技術(shù)依托于深度學(xué)習(xí)（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬人腦處理復(fù)雜數(shù)據(jù)）機器學(xué)習(xí)（機器通過數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)）和自然語言處理（機器理解和生成人類語言）等技術(shù)，實現(xiàn)了信息的自動識別、語言翻譯和數(shù)據(jù)提取等功能，具有強大的數(shù)據(jù)分析和處理能力。IoT技術(shù)利用傳感器收集數(shù)據(jù)、通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)中心存儲和處理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集和傳輸，為AI算法提供豐富的數(shù)據(jù)源。AI與IoT的融合實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集、數(shù)據(jù)的傳輸和分析、結(jié)果的智能精準(zhǔn)評價（見表1），顯著提升了測評的效率和拓寬了測評的場域。

3.構(gòu)建 AI+IoT 測評路徑：探索多元化“測評” 場景

傳統(tǒng)教學(xué)測評依賴于紙筆測試、課堂觀察等手段，而AI+IoT技術(shù)的引入，則為教學(xué)測評帶來了全新的視角和更豐富的手段。（1）拓寬測評形式。AI+IoT 技術(shù)不再局限于傳統(tǒng)線下環(huán)境，實現(xiàn)了從線下到線上評價的突破。（2）豐富測評內(nèi)容。AI+IoT技術(shù)提供了多元化的手段，除了紙筆測試外，還可以通過智能語音識別、人臉識別、計算機視覺技術(shù)等方式進行測評，實現(xiàn)了從單一到多元評價的轉(zhuǎn)變。如可通過智能語音識別技術(shù)實現(xiàn)對學(xué)生口語表達能力的評價、通過計算機視覺技術(shù)實現(xiàn)對實驗操作技能的評價。（3）完善過程評價。 AI+IoT 技術(shù)可實時收集學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，進行過程性評估，實現(xiàn)學(xué)習(xí)情況的動態(tài)記錄和精準(zhǔn)反饋。

二、 Al+10T 測評物理實驗操作系統(tǒng)解構(gòu)

AI+IoT 測評物理實驗操作系統(tǒng)的整體架構(gòu)是一個融合人工智能（AI）與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的高度集成、智能化的復(fù)雜系統(tǒng)，通過AI實現(xiàn)實驗操作的高效評價以釋放人工成本，IoT實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息化、流程自動化、過程可視化以拓寬測評場景。我校與某科技公司建立合作關(guān)系，并承擔(dān)區(qū)域的AI實驗測評活動，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：AI評測的準(zhǔn)確率超過95% ，同時隨著樣本數(shù)據(jù)的增大，其準(zhǔn)確率會進一步提升，因此，實踐證明通過 AI+IoT 進行課堂實驗操作測評、區(qū)域考試測評均有較大的推廣性。

1.AI+IoT 核心智能硬件終端：實驗操作行為的數(shù)據(jù)采集

實驗操作評價的核心在于對實驗操作規(guī)范性的評價，因此，完整和全方位地記錄實驗操作行為是評價的關(guān)鍵。 AI+Io^′T 硬件終端通過多個攝像頭實現(xiàn)了對操作行為全程、切片式的記錄，核心智能硬件終端包括全局?jǐn)z像頭、細(xì)節(jié)攝像頭、前置攝像頭、AI輔助桌布和智能化一體機（如圖1）。全局?jǐn)z像頭實現(xiàn)了俯視視角的攝像記錄，除了捕捉操作行為外，還可分析整體操作布局、空間利用、實驗器材擺放位置是否合理、也可對實驗數(shù)據(jù)進行記錄（例如俯視讀取電流表和電壓表的示數(shù)）；細(xì)節(jié)攝像頭提供側(cè)面視角的攝像記錄，輔助捕捉操作行為，更聚焦實驗細(xì)節(jié)的操作和側(cè)面的實驗數(shù)據(jù)記錄（例如在側(cè)面讀取測量液體溫度時溫度計的示數(shù)）；前置攝像頭用于人臉識別和提供正面拍攝視角，主要用于考試時的身份核查和正面的操作行為記錄；AI輔助桌布的主要功能有兩個，其一是為了限定學(xué)生的操作區(qū)域，便于攝像頭記錄操作行為，其二是為了增加桌布與實驗器材的對比度，提升AI評分的準(zhǔn)確度；智能化一體機是硬件終端的控制中心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集、處理和分析，以及實驗結(jié)果的展示，其可以作為顯示屏呈現(xiàn)任務(wù)單和播放內(nèi)置實驗視頻，也可以作為接收器將攝像頭或者傳感器等數(shù)據(jù)接入，還可以作為數(shù)據(jù)存儲和傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站。

2.架構(gòu)IoT網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：實驗數(shù)據(jù)的實時傳輸

IoT網(wǎng)關(guān)作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，起到了連接和控制各種設(shè)備，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_或本地服務(wù)器的作用。核心智能硬件終端將學(xué)生的實驗操作行為轉(zhuǎn)化為數(shù)字化、可視化的數(shù)據(jù)和信息，然后通過IoT網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_或者學(xué)校終端，并利用加密技術(shù)確保數(shù)據(jù)的安全性，數(shù)據(jù)中心接收數(shù)據(jù)后進行存儲、處理和分析。依托于 lot 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸實時性，教師的教學(xué)視頻同屏、學(xué)生實驗操作視頻即時查看均可輕易實現(xiàn)，初步實現(xiàn)了集伴隨式采集、學(xué)情跟蹤和設(shè)備監(jiān)管等功能于一體的智慧實驗室構(gòu)建（如圖2）。得益于IoT網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的實時性和安全性，不僅可以構(gòu)建校內(nèi)的局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，也可以實現(xiàn)區(qū)級或市級IoT網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（如圖3），為實現(xiàn)區(qū)域測評提供可能。

3.AI智能測評系統(tǒng)：實驗操作的高效精準(zhǔn)評價

AI智能測評系統(tǒng)內(nèi)有豐富的實驗資源，教學(xué)應(yīng)用覆蓋教材中所有必做實驗，其中包括實驗教學(xué)視頻、儀器使用規(guī)范、實驗仿真模擬、實驗挑戰(zhàn)、實驗練習(xí)等欄目，已經(jīng)形成了完備的實驗教學(xué)、實驗練習(xí)、實驗評價的教學(xué)評一體化模式。在豐富的資源庫支持下，AI智能測評系統(tǒng)通過對大量考生實驗操作和儀器使用行為的反復(fù)識別和深度學(xué)習(xí)，已經(jīng)建立了考查學(xué)生實驗操作數(shù)據(jù)庫，形成了標(biāo)準(zhǔn)化的實驗操作流程5。在現(xiàn)場評測中，通過攝像頭捕捉學(xué)生的實驗操作視頻，再通過lot設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸至AI智能測評系統(tǒng)，測評系統(tǒng)將學(xué)生實驗操作行為與標(biāo)準(zhǔn)實驗流程進行比對，賦予相應(yīng)的分值（扣分則會顯示扣分原因），并截取賦值對應(yīng)的實驗操作視頻，便于后續(xù)通過回放視頻進行成績復(fù)核（如圖4）。學(xué)生操作時攝像頭可同時捕捉正面、側(cè)面和俯視三個角度的視頻，AI根據(jù)學(xué)生操作行為進行即時的評分，對于實驗中的讀數(shù)問題則可通過對比學(xué)生填入的數(shù)值與AI識別出的示數(shù)（如圖5），進而進行賦分。

三、 Al+10T 測評物理實驗操作的實踐應(yīng)用

1.前期準(zhǔn)備，開發(fā)適配的任務(wù)單和實驗操作評價標(biāo)準(zhǔn)

實驗操作任務(wù)單是進行實驗測評的驅(qū)動性任務(wù)，實驗操作評價標(biāo)準(zhǔn)是進行實驗操作的評分依據(jù)，兩者必須高度適配，主要體現(xiàn)在內(nèi)容的一致性和要求的對應(yīng)性，評價標(biāo)準(zhǔn)還應(yīng)具有可操作性，便于AI智能測評系統(tǒng)進行自動化評分和人工復(fù)核。雖然AI智能測評系統(tǒng)中已有成熟的任務(wù)單和評分標(biāo)準(zhǔn)，但是只有開發(fā)更多具有普遍性的實驗案例才能讓AI測評更具有推廣性和適用性。區(qū)別于系統(tǒng)中測量小燈泡電功率實驗，筆者在其基礎(chǔ)上增加了電路圖的繪制、實驗數(shù)據(jù)表記錄和實驗分析的簡述題（如圖6），以更加全面地測試學(xué)生的實驗素養(yǎng)和評測智能測評系統(tǒng)的實用性。為此，相應(yīng)的評分標(biāo)準(zhǔn)也進行了調(diào)整和優(yōu)化（見表2）。

2.關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，導(dǎo)入任務(wù)單和評分標(biāo)準(zhǔn)

使用管理員賬號登錄智能測評系統(tǒng)，將指定的任務(wù)單和評分標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)人系統(tǒng)中，再通過智能教學(xué)終端發(fā)放到學(xué)生終端，學(xué)生便可在一體機的屏幕上看到任務(wù)單。學(xué)生的實驗操作可通過攝像頭捕捉動作的形式進行AI評分，但是涉及到電路圖的繪制、數(shù)據(jù)的填寫和實驗分析的簡述等操作之外的評價，則需要通過系統(tǒng)提供的在線編輯工具或圖片上傳功能實現(xiàn)電腦端的數(shù)據(jù)輸入或者紙質(zhì)拍照上傳。

3.系統(tǒng)測試，尋找測評優(yōu)化點

組織學(xué)生進行現(xiàn)場實驗操作測評，組織教師根據(jù)實驗操作PTA量表進行人工評分，并將AI評分與人工評分進行對比，尋找優(yōu)化點。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)AI對于電路圖和簡答題的評分錯誤率最高，可能原因是學(xué)生電路圖中各元件位置與標(biāo)準(zhǔn)答案存在差異、簡答題的表述AI評分準(zhǔn)確率低導(dǎo)致。其次是表格數(shù)據(jù)的評分錯誤率，主要是學(xué)生填寫順序與所給答案順序不一致導(dǎo)致。而對于實驗操作的評分上，錯誤率最高的是電壓表和電流表的量程選擇，由于顏色對比度問題，AI未能精準(zhǔn)識別所連接電表的量程，而在更換顏色對比度更大的導(dǎo)線和電極片后，AI評分的準(zhǔn)確率大大提升。綜上分析，選擇特征更鮮明的儀器更有利于AI的評分，而對于主觀題和畫圖題的評分人工評分準(zhǔn)確率更高。因此，當(dāng)下探索AI主體 + 人工輔助評分相結(jié)合的實驗測評模式更具信度，而隨著人工智能的逐步優(yōu)化，AI的比重會逐步加大，人工才可以更大程度地得到釋放。

4.系統(tǒng)統(tǒng)計，以評促教

在測評后系統(tǒng)可自動生成參與測評的每一位學(xué)生的個性化得分報告和全體學(xué)生的整體報告，其中包括了平均分、每個操作的得分率、平均耗時等，為學(xué)生精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)自己的薄弱操作點和教師捕捉班級整體薄弱點提供了依據(jù)，有利于以評促改、以評促教。

四、反思與成效

1.變革測評方式：客觀高效評價

傳統(tǒng)的實驗測評需要大量教師做監(jiān)考和評分工作，耗時長、評分主觀性強，且對于爭議性操作無法追溯。 AI+IoT 測評實驗操作具有高效、客觀和可追溯等特點，實現(xiàn)了實驗操作測評的實時反饋，避免了人工評分耗時長和主觀性的弊端，為爭議性操作提供回放視頻以保證公平性。該測評模式對硬件設(shè)備要求高、運行成本高，但隨著DeepSeek等國內(nèi)人工智能科技公司的迅捷發(fā)展，其成本會大大降低，測評的精準(zhǔn)度也會進一步提升， AI+IoT 測評實驗操作模式在不久的將來會更具有推廣性。

2.拓寬測評場景：探索多元評價

依托IoT的儲存和傳輸功能，測評場域?qū)崿F(xiàn)了從線下到線上的可能，學(xué)生的操作評價實現(xiàn)了從靜態(tài)到動態(tài)的突破，為過程性評價在教學(xué)中的實施提供了強有力的支撐。得益于AI強大的智能語音識別、自然語言處理、計算機視覺等技術(shù)，我們不僅可以實現(xiàn)對學(xué)生知識掌握的評價，更可以實現(xiàn)口語表達能力、操作能力等評價，進一步拓寬了測評內(nèi)容和能力維度。當(dāng)下在已大面積開展人工評分下的實驗技能和科學(xué)探究能力融合測評以挑選拔尖人才，在此背景下，探索AI+IoT賦能下的實驗技能和科學(xué)探究能力融合測評具有較高的實踐價值。

3.構(gòu)建測評閉環(huán)：實現(xiàn)“教一學(xué)一評\"一體化

“教一學(xué)一評”一體化旨在將教學(xué)、學(xué)習(xí)和評價有機融合，以評價促進教學(xué)，以教學(xué)改進評價，最終實現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量的提升，而構(gòu)建測評閉環(huán)是實現(xiàn)“教一學(xué)—評”一體化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。AI+IoT測評系統(tǒng)通過全方位收集學(xué)生的測評數(shù)據(jù)，并進行多維度考情分析和可視化呈現(xiàn)，幫助教師精準(zhǔn)掌握學(xué)情，從而實現(xiàn)差異化教學(xué)和動態(tài)教學(xué)調(diào)整，在測評閉環(huán)中精準(zhǔn)提升學(xué)生的實驗操作能力。

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