一、政策背景
       为改善国内基础教育阶段实验教学质量水平，助力高素质科技创新人才培养，教育部于2019年11月印发《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》 （教基[2019]16 号），文件指出：实验教学是国家课程方案和课程标准规定的重要教学内容，是培养创新人才的重要途径；要健全实验教学评价机制，把实验教学情况纳入教育质量评价监测体系，强化对学校实验室建设与管理、实验教学开展情况和实验教学质量等方面的评价。把学生实验操作情况和能力表现纳入综合素质评价；2023年前要将实验操作纳入初中学业水平考试，考试成绩纳入高中阶段学校招生录取依据；在普通高中学业水平考试中，有条件的地区可将理化生实验操作纳入省级统一考试。
       2023 年，教育部办公厅印发《基础教育课程教学改革深化行动方案》的通知（教材厅函[2023]3 号）要求：加强科学类学科教学。指导地方开齐开足科学课程，通过多种方式补充配齐科学课教师。强化跨学科综合教学，遴选推广一批跨学科综合性实践性教学优秀案例。加强实验教学，强化学生动手操作实验，将学校实验课开设情况纳入教学视导和日常督导，将实验操作纳入中考。加强科学教育实践活动，遴选一批科技馆、博物馆、研学基地、高科技企业等，作为中小学科学教育实践基地，结合科学课程标准，设计相应的科学实践活动，组织学生在实践探究中学习。同时，教育部等十八部门发布《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见 》（教监管〔2023〕2 号），再次强调：深化学校教学改革，提升科学教育质量。落实科学及相关学科教学装备配置标准，加强实验室建设。探索利用人工智能、虚拟现实等技术手段改进和强化实验教学，并注重利用先进教育技术弥补薄弱地区、薄弱学校及特殊儿童群体拥有优质教育教学资源不足的状况。推进中高考内容改革，完善学业水平考试命题。各地要完善试题形式，坚持素养立意，增强试题的基础性、应用性、综合性、创新性，减少机械刷题，引导课堂教学提质增效，培养学生科学精神。加强实验考查，提高学生动手操作和实验能力。
       以上政策文件的密集发布，说明国家层面上对中小学生的科学素养和动手实践能力的培养要求已经上升到了前所未有的高度，应用大数据、人工智能等技术革新中学理化生实验教学手段以全面提升实验教学质量已经成为了当前推进学校智慧校园建设的核心和重点。
 
二、当前实验教学现状
        尽管国家实施了普及实验教学项目和多轮次的薄弱学校改造计划，学校的理化生实验室和实验仪器配备得到了很大的提升，但在实际的实验教学中还是存在较为严重的问题：
（一） 中高考升学压力大，实验教学重视程度不够：
      在中高考升学指标压力下，部分学校实验课出现了课时数量被挤压、课时被占用的情况，甚至有的学校受条件限制干脆就不开实验课，导致实验课和实验的开出率较低，无法满足课程标准要求的实验实操要求；大部分的必做实验变成了纸面实验，实验操作和实验现象、实验结论的学习变成了死记硬背，严重影响了实验教学的效果，不利于培养学生的科学思维、动手实践能力和求知欲。
（二） 专业师资缺乏，实验教学质量低下：
      部分县域和乡村理化生教师非专业科班出身，有些学校甚至是体育教师出任理化生教师，这部分教师缺乏专业知识，往往照本宣科，自己对实验的规范操作都不了解，有的甚至不敢自己动手做实验，使得实验教学的质量低下，学生得不到规范的教学和动手实操的机会。
（三） 缺乏资金保障，实验药品和器材得不到及时更新和补充：
      部分学校由于缺乏经费保障，导致仪器的缺失长期得不到有效的补充，甚至一些实验药品出于过期或失效状态，也严重影响了实验教学的正常开展。
（四） 教学手段落后，实验教学效果堪忧：
       受现有条件限制，教师在教室开展演示实验时，大部分学生无法仔细观摩教师的操作细节和实验现象，导致实验教学的效果较差；在安排分组实验的时候，一个教师在一节课的时间内无法全面查看每一个学生的操作规范性和实验的过程和结论，导致有些学生操作不规范，有的学生敷衍了事或者出现危险操作教师也无法及时发现，无法确保实验教学的效果和每个学生都能够规范的完成实验操作练习。
  基于上述问题，为了加强实验教学，强化学生科学素养培养，教育部和各省都出台了将实验操作纳入中高考的相关文件，山西、陕西、上海、云南等省份已经将实验操作纳入了中考成绩，取得了一些成果，但也产生了一些新的问题：当前各省市针对中学实验操作考试评价手段主要还是基于纸质表册+人工评分方式，部分试点区域采用了录播+人工视频阅卷测评方式。但都遇到了以下几大困难和痛点：
（一）测评工作量大，考务组织困难：由于组织考试时间相对集中，加之理化生学科教师数量较少，采用人工监测评分方式工作量大，非专业教师又无法胜任监考及评分工作，造成了实际考试过程组织实施困难较大、周期较长，甚至影响学校日常教学工作等问题。
（二）评价尺度不一，难以确保公平公正：由于人工考试评分工作量大，容易造成评分尺度不统一，难以确保实验操作测评的客观公正。举例来说：如果是本校教师监测评分，容易造成“袒护”现象，如果是校外教师交叉评分，则师资力量和时空限制非常明显；如果是一个教师监测评分一个学生实验，则速度太慢效率太低，如果是一位教师监测评分多个学生，则无法实时顾及每一位学生的实验操作过程，造成评分随意性太大；这些都给实验操作测评带来了较大的困难。
（三）缺乏实证支撑，测评过程难以追溯：由于实验操作考试纳入中考招生及高中学业水平考试，成绩会影响到考生的升学，一些意外错误或者不公平评分可能会对学生造成较为严重的后果，因此需要针对评分结果提供行政复议及复评功能。传统的人工纸质评分无法提供实验操作及评分过程的全过程回溯，给考生申请复评复议造成了较大的障碍。
（四）以考试为目标，忽略了教学过程及学生的学科素养培养：纸质考试及录播+人工视频阅卷测评，都是针对结果的测评，按照国家课程标准要求和教育部文件精神，中学实验操作考试主要是为了培养学生的科学素养和动手能力，因此对学生实验实操的系统平台还需要解决日常教学及实操训练的实际教学需求。现阶段的测评方式完全不能满足实际教学需求。
（五）缺乏过程性数据，实验教学的测评结果不能得到很好的应用：纸质考试及录播+人工视频阅卷测评，都是针对结果的终结性测评，由于考试条件及环境的限制，采集到的数据较小，涵盖的课程标准要求面不大，无法全面准确的测量出学生对实验教学的学习成果及存在的问题，对于指导教研和帮助教师改进教学无法提供科学精准的数据支撑。
 
三、中科智教实验操作智能测评解决方案介绍
       中科智教依托于中科苏州机器视觉技术研究院在人工智能理论和应用技术方面的雄厚技术实力，研发出国内技术领先的《中学实验操作智能测评系统》人工智能应用产品。该产品是一套针对理化生实验教学中教师演示教学、学生实操练习及标准化考试等应用场景的先进的智能测评系统，通过视频录像并利用人工智能技术对实验操作过程进行全自动视频分析，并给出实验操作过程与实验操作规范符合性的量化评价和详细得分。有效地解决了中学实验操作教与学、学与练、考与评的有机结合；利用大数据、人工智能等先进技术，促使实验教学与训练更规范、更高效，确保实验考试组织实施成本更低，评价更客观、公正；有效保障理科实验教学与评价工作的有效实施。 
     《中学实验操作智能测评系统》覆盖五大应用场景，分别为中考标准化考试应用场景、课堂教学中教师开展演示实验教学应用场景、日常教学中学生实验操作测评模拟训练应用场景、实验操作教学视频资源录制应用场景、理科实验教学大数据分析精准教学应用场景等。满足教育主管部门监督管理、学校日常教学、学生实操训练及标准化考试实施管理的需要，一机四用，助力于高素质科技创新人才的培养。

 （一）从课堂教学角度来说：
       针对教师在理科实验教学过程中的上课环节，智能测评系统提供了实验操作的演示实验教学功能，通过智能终端录制教师演示实验操作视频，并同步在教室大屏上以上路和侧路两路视频并行直播向学生展示教师的操作细节，后台的 AI 测评数据中心同步进行实时评分，在教师操作完成后，可以实时查看教师演示实验操作各步骤的评分结果及证据截图，教师可以设置疑问及陷阱引起学生注意以强化教学效果，使课堂实验教学更加生动和高效。


       在完成课堂教学后，安排学生在智能实验室中进行教学内容的实操练习，通过 AI 全自动评分，自动生成成绩表册及实验报告，让学生清楚的看到自己操作中的不规范和错误的环节，从而进行针对性的校正与训练，促使学生增强实验操作的规范性和深刻理解实验学习的科学价值，培养学生严谨的科学精神和提升学生的科学素养。有效避免教师无法跟踪到每一个学生和学生无法了解自己各实验细节准确规范性的问题。同时，学校管理层和教育主管部门还可以有效的了解学校的实验课程开设情况及实验课教学效果，有效提升教学质量。智能测评系统还支持理科实验教学中的创新性实验及教材内容外的实验教学资源的录制和管理，教师可以将一些探究性实验过程录制下来供教学使用，也可以录制学生兴趣小组的实验供其他学生观摩研讨，使得实验教学回归了课堂教学的核心价值，用创新科技支持新时代创新型人才的培养。




（二）从考试评价角度来说：
      针对理科实验实操的教学效果，系统支持主管部门或者学校组织实施标准化考试，为中考招生录取提供如下保障和支持：
1、考务组织操作简便，实效性强；人工智能全自动评分，极大简化了评分工作量，缩短了考试占用时间，不过多干扰学校日常教学工作，使考务组织更加便捷高效；
2、排除人为因素干扰，AI 评分科学客观，确保考试及测评结果公平公正；有效的规避了关系分、人情分及评分教师宽严尺度不一致导致的现实问题，有力保障了评价结果的公平公正、科学客观。
3、测评全流程可追溯，评价结果有测评报告、关键截图和视频回放支撑；用强大的技术力量，确保了整个评价过程的公开透明。

（三）从数据价值角度来说：
       系统支持规范采集过程性练习和考试大数据，并进行针对性的分析，有力支撑教学改进及教育科研应用；通过数据分析可以让教师了解到实验教学的薄弱环节和重点问题从而进行针对性的教案设计和教学改进，提升教学效果。学生可以根据自己的实验操作测评数据了解自身的不足和提升空间进行针对性的学习训练，使学习更加高效。学校和教育局既可以根据数据统计实验教学的课时数安排和实验的开出率对实验教学的效果进行考评，又可以根据实验操作测评的成绩组织教研活动分析研究实验教学的存在问题、提出解决方案，安排教师培训等，使得实验教学测评数据发挥更大的价值。

（四）从科学素养角度来说：
      人工智能和大数据技术是当前最尖端应用最火热的技术，在自然科学的教学中，让学生亲自接触人工智能和大数据技术的应用，实现先进技术和传统教育装备深度融合，可以有效的创新教学和训练模式，培养学生动手能力和科学素养，提高教师教学能力。
 
四、实验操作智能测评解决方案实施
    《中科智教中学实验操作智能测评系统》支持以下两种建设模式：
（一）升级改造模式：支持在学校现有标准化实验室的基础上进行升级改造，将传统实验室升级改造为人工智能测评实验室，既充分利用了学校原有设备设施，节约了投资，又缩短了设计施工时间，可以实现快速部署投入使用。在该模式下，仅需要改造传统实验室的电路系统和网络系统，原有的符合国标要求的实验仪器都可以兼容继续使用。
      升级改造布局示意图如下：




在该模式下，原先的实验室环境需要满足如下环境建设规范：
1、初中理化生实验操作考试是初中毕业升学考试的重要组成部分，各区教育行政部门、各学校要高度重视，严格按照国家标准建设考场，配足配齐专职实验室管理人员，规范考场管理。
2、考场建筑符合《中小学理科实验室装备规范》（JY/T 0385-2006）有关要求，地面应防尘易清洁、耐磨、防滑，化学实验室的地面应耐酸碱腐蚀。化学实验室、化学准备室和生物实验室的地面应设地漏。
3、考场供电符合《供配电系统设计规范》（GB50052-2009）、《教育建筑电气设计规范》（JGJ310-2013）有关要求，考场供电保障完善，并配备能自动进行切换的双回路供电系统或配有不间断电源（UPS）保障重要设备和系统的供电，发生供电故障时，维持设备运行时间不少于 0.5 小时。
4、考场内终端设备间的网络连接带宽不低于 1000M，考场与互联网连接带宽不低于 100M。
5、考场所在建筑采光应符合《建筑采光设计标准》（GB/T50033-2013）有关要求，室内采光须均匀明亮，一般宜为双侧采光，不应低于采光等级Ⅲ级的采光标准值，侧面采光的采光系数不应低于3.0%，室内天然光照度不应低于450lx（勒克斯）。考场内照明应符合《建筑照明设计标准》（GB50034-2013）有关要求，考场照明功率密度限值不高于 9W/m²。实验室黑板照明参照《中小学校教室采光和照明卫生标准》（GB7393-2010）有关要求，黑板应设局部照明灯，其维持平均照度不应低于 500lx（勒克斯），照明均匀度不应低于 0.8，实验台面的平均照度值不应低于 300lx（勒克斯），照度均匀度不应低于 0.7。考场宜选用无眩光灯具，灯具应配有保护罩或灯栅，不宜用裸灯。
6、考场内的通风换气次数应符合《中小学校教室换气卫生要求》（GB 17226-2017）有关要求，不低于 4 次/h。考场宜采取各种有组织的自然通风措施，使室内二氧化碳浓度低于 0.15%。采用排风扇时，排风扇应设在外墙靠地面处，风扇的中心距地面不应小于300mm。风扇洞口靠室外的一面应设挡风措施。
7、考场内外消防安全设施完备，应符合《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）、《建筑内部装修设计防火规范》（GB50222-2017）有关要求。每间考场（按面积≤100m²计）应配备不少于2具灭火器，其中应有 1 具手提式灭火器（磷酸铵盐干粉灭火器、泡沫灭火器或卤代烷灭火器）。同时，每间考场须设置一个消防沙箱。定期进行消防设施、灭火器材和消防安全标志的检查、更换、保养，确保其完好有效和处于正常运行状态。

（二）新建标准化实验操作智能测评实验室建设模式：采用符合国家标准考场建设的技术规范及先进设计理念，有机融合人工智能实验操作测评系统，打造学校高标准的理科实验教学测评环境。
           新建智能测评实验室布局图如下：


 
五、实验操作智能测评解决方案效益分析
       实验操作智能测评解决方案的落地实施，将会给教育系统带来巨大的社会效益和经济效益：
（一）社会效益：
1、公平教育机会提升：通过数字化实验教学，中学实验操作智能测评解决方案有望弥补不同地区、学校之间实验教学资源的不平等，提高学生获得优质教育的机会，促进教育公平。通过大数据分析指导教学研究及指导教师精准教学，有效缩小城乡差距，填平数字鸿沟，全面助力区域教育优质均衡发展。
2、多元人才培养：强调实验操作，系统有助于培养学生的实际动手能力，推动多元人才培养。不仅关注学科知识，还注重培养学生创新、解决问题的实际动手能力，为社会输送更具综合素养的高素质人才。
3、科学素养提升：通过实验教学，促进学生对科学的理解，提高科学素养水平。这将使更多人能够更好地理解科学进展，从而更好地参与到科技社会中，推动社会整体的科技水平提升。
4、教育现代化推动：中学实验操作智能测评解决方案代表了教育现代化的趋势，推动学校从传统的纸质考试向数字化、智能化的方向发展，为未来教育提供了现代技术手段。
5、社会创新推动：通过培养学生的创新能力，系统为社会创新和科技发展提供源源不断的创新力量，促进社会创新的长期可持续发展。
（二）经济效益：
1、资源利用效率提升：智能测评系统的推广将实验教学资源利用效率提升。通过数字化形式，可以实现教育资源的高效利用，减少实验设备和材料的浪费。
2、教育管理成本降低：智能测评系统的全自动评分功能能够大幅简化教育管理中的考务工作，减少人工评分的时间和成本，提高管理效率，为学校节约人力资源。
3、人才培养与用人成本关联：培养更具实际操作经验的学生，将为未来企业用人提供更具竞争力的人才。企业用人成本可能下降，因为员工在实际工作中的适应期可能会减少。
4、产业升级：通过培养更多有实际操作经验的学生，中学实验操作智能测评解决方案有望为相关产业培养更高素质的从业人员，推动产业升级，促进相关产业的发展。
5、科技创新推动：培养更多科技领域的专业创新人才，将有助于推动科技创新。这有望促进科技领域的发展，为经济增长提供新的动力。
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