论文部分内容阅读
摘 要：基于对PISA数学素养测评框架的充分解读，针对目前河南省高校理工类专业大学生数学素养培养及评价过程中存在的理论脱离实践、数学教育资源分配不均、数学素养测评不公正、学习成果认证困难等问题，利用区块链关键技术，构建河南省高校理工类专业大学生数学素养培养及评价联盟链。通过区块链的有效监管，实现教育资源共享和学习成果互认，从而提升高校理工类大学生的数学素养水平，真正实现人才培养的目的。
关键词：数学素养;PISA;区块链;测评框架
在科技发展日新月异的21世纪，互联网、大数据、物联网、人工智能、云计算以及区块链等新兴技术迅速发展，為培养科学基础扎实、工程能力强的创新型工科人才，我国高校理工类专业大学生数学素养水平也应有所提高。早在20世纪90年代，经济合作与发展组织（OECD）每三年开展一轮国际学生评估项目（PISA），测评对象主要是15岁学生，测评领域涉及阅读、数学和科学，数学作为主测评领域分别在2003年、2012年、2021年展开测评，该测评框架对数学素养的内涵和测评指标的界定进行了充分的考量，并且也在不断地修改和完善。基于对PISA数学素养测评框架的解析，我们发现数学素养作为一个相对抽象且复杂的概念，它本身并不能够被直接测量，其评价需从可观察、可测量、可操作的视角选择合适的测评领域与指标。基于此，对高校理工类专业大学生数学素养的培养和评价都存在一定难度。
区块链技术为构建高校理工类专业大学生数学素养培养和评价体系提供了关键技术支撑。区块链是一个分布式的共享账本，由多条账目组成的区块通过加密连接组成，区块链的共识机制、智能合约等技术，使其具有去中心化、去信任化、集体维护、安全、开放等特点，基于区块链技术优势和特点，目前区块链已广泛应用于金融、医疗卫生、科技等领域，相关研究成果较多，而其在教育领域的应用研究成果还比较少。据知网检索，杨现民（2017）等提出将区块链应用在教育领域建立个体学信大数据、开发学位证书系统和开发去中心化教育系统等;郑旭东等（2020）基于区块链技术设计的学生综合素质评价系统架构在宏观治理层面支持弱中心化的评价联盟运行，在中观评价层面可实现安全、可信、溯源的数据录入，评价实施，结果查询与应用等评价过程;黎明（2020）提出基于区块链技术建立学术评价系统等。鉴于此，本研究在PISA测评框架的基础上，基于区块链技术和“新工科”理念，构建高校理工类专业大学生数学素养培养及评价体系。
一、河南省高校理工类专业大学生数学素养培养及评价现状分析
目前，关于数学素养的研究大多集中在基础教育阶段，对大学生数学素养测评框架及指标还没有明确的界定，导致河南省高校理工类专业大学生数学素养培养及评价中存在着一些问题，主要体现在以下几个方面：
（一）理论脱离实践
大多数数学类课程作为高校理工类专业大学生的基础课程，课程本身比较抽象，教学学时较短，教学内容较多，相关课程授课形式基本采用理论讲授，没有配套的实践课程，导致理论知识的学习没有相关实践应用去支撑。另外，受传统课堂模式的影响，课堂教学主要以经典理论知识讲授为主，很少引入相关专业的实践案例。因此，对于高校理工类大学生数学素养的培养仅停留在理论层面，相关的实践练习还需有相关平台进行支撑。
（二）数学教育资源分配不均衡
数学知识是数学素养培养的基础和提升的前提，数学教育资源是数学知识获取的主要途径。但高校理工类专业在数学教育资源分配方面存在不均衡现象，主要有：其一，各高校理工类专业在教学条件、教学对象和培养目标等方面都有不同，其对数学教育资源的需求也体现出较大的差异;其二，各高校理工类专业所开设的大学数学课程，在课程门类设置、教学内容安排、教学目标要求、教学学时分配等方面并不相同，致使学生数学素养培养内容不均衡;其三，随着信息化时代的发展，网络数字化教育资源开始共享，在线公共课程的资源逐渐增多，但是“小众”的数学专业课程及与数学素养相关的在线教育资源稀缺，且无针对性。
（三）数学素养评价客观公正不足
高校理工类专业大学生数学素养评价体系是判断其数学素养水平的依据。但目前，对高校理工类专业大学生数学素养评价体系内涵与设计的研究还比较少，还没有明确的、客观公正的测评指标，主观因素影响较多，测评难度大，且大学生对数学素养评价的参与度不高。
（四）数学素养学习成果认证困难
在我国，对大学生学历的认证是各个高校采用学分制衡量学生的学习量，学生修满学分，从而获得该高校的毕业证书及学位证书;对驾驶证等证件，考生可练习相关技能，通过考试而获得。这两种学习结果都有相关的结果认证，或是学习量，或是技能掌握。如何找到一种方法，可以客观公正地去衡量学生在学习过程中体现数学素养水平的各种学习成果，是数学素养培养和评价中需要解决的重要问题。
二、基于区块链的河南省高校理工类大学生数学素养培养及评价联盟链设计
基于以上问题分析，为实现高校理工类专业大学生数学素养培养教育资源共建共享的目标及更公平地考核其数学素养水平，本研究充分发挥区块链庞大的分布式账本的本质和智能合约等关键技术，对河南省高校理工类专业大学生数学素养进行培养和评价，构建其数学素养培养及评价体系联盟链，如图所示：
（一）理工类专业大学生数学素养测评框架
数学素养测评框架维度指标主要从问题真实情境、数学内容、建模过程、关键能力四个方面进行设计。真实情境从个人、职业和科学三个方面来分类，通过真实情境中相关问题的测试，能够增强学习数学与学生生活之间的联系;数学内容是学生数学素养测评的一个重要依托，分为空间与形状、变化与关系、数量、不确定性与数据四个方面;建模过程指学生能否将数学概念、知识和技能运用到现实情景各种复杂问题中;关键能力指通过系统数学知识的学习和长时间的积累形成的实际解决问题的能力，以此来满足社会发展和科技进步对人才的要求。该测评框架为理工类专业大学生数学素养培养指明方向，同时为考量理工类专业大学生的数学素养水平提供依据。 （二）总体设计架构
基于区块链去中心化、集体维护、安全可靠、防伪溯源、高度加密等技术，理工类专业大学生数学素养培养与评价体系涉及学生个人隐私、教育资源管理、教育教学数据等不易广泛公开的数据信息，区块链应用模式中的联盟链可实现数学素养培养与评价体系的部分去中心化，并且允许连接到系统内部的各高校共同参与管理该系统，保证系统内数据的安全和个人的隐私。具体设计如下：
根据各高校理工类专业大学生数学素养培养教育资源差异和数学素养水平现状，每个高校内部可形成一条私有链，各高校私有链集合形成联盟链。首先，基于联盟链部分去中心化的特点，利用联盟链的共识机制决定记账节点，各高校私有链通过记账节点与联盟链账本对接，保证链接到联盟链上的各高校组织群体，通过共识机制完成教育资源共享、数学素养评价中的各种交易请求，共同参与和管理系统数据与信息，保证系统有效运行，从而形成高校理工类专业大学生数学素养培养和评价系统;其次，在联盟链共识层设置联盟的相关组织管理机制，通过智能合约实现各高校的组织管理机制、资源共享机制、考核评价机制、权益分配机制等，促进数学素养培养资源的均衡发展和评价体系的公平、公正;再次，各高校私有链对教育教学资源数据、学生学习与实践的活动数据、数学素养评价结果数据等数据录入后，通过智能合约进一步对录入系统的数据进行分封装，无需任何第三方的支持，即可确保系统数据不被篡改和删除，实现联盟链上各高校对学生数学素养培养和评价数据的随意获取，从而实现各高校及部門之间数学素养培养与评价数据管理跨平台的管理和对接。从图1可以看出，高校联盟链是整个平台的基础，高校理工类专业根据数学素养测评框架指标，依托联盟链展开教育资源共建共享和学生数学素养测评。
（三）基于区块链技术的高校理工类专业大学生数学素养培养机制
数学素养培养本身就是一种教育活动过程，教师和学生是主要的参与群体，利用区块链技术，设计数学素养教育教学资源共建共享机制，鼓励教师或学生上传教育资源，通过联盟链的有效监管，实现教育资源共享，解决学生数学素养培养与评价中教育资源不均衡的问题。
1.教师层面
各高校教师依托联盟链中的“各高校私有链”，通过区块链的智能合约功能注册登陆，获得身份验证后，积极将自身原创的教育资源（教案、课件、习题、讨论、微视频、SPOC、精品课程等）按照类别分类上传，通过确权交易机制确保自身产品的知识产权得到有效保护，通过共识机制让自身原创资源得到客观评价，形成各类资源的智能合约，并在全网公开，记入联盟链账本。同时，资源上传者还可以通过智能合约交易获得的教育币来购买优质的教育教学资源，实现教育教学资源的共建共享。
2.学生层面
学生作为数学素养评价对象，在数学素养培养和评价体系中，依然可以通过区块链的智能合约功能进行身份认证后，将自己的学习笔记、试题答案、解析和学习心得等上传至各高校私有链平台，在此过程中产生的教育币还可以用来购买适合自身需求的资源和信息，还可以发出问题请求，不仅实现了学生与学生、学生与教师之间跨时空的交流，也是教育资源共建共享的一种有效途径。
（四）基于区块链技术的高校理工类专业大学生数学素养评价机制
以终身学习理念为理论依据，数学素养的测评数据主要由正式学习成果和非正式学习成果组成，正式学习成果主要指各高校线下考评学生数学素养的资料信息，包括学科成绩、教师评价和学生获得的各种体现数学素养的荣誉证书等;非正式的学习成果主要指学生基于线上平台等不同的学习方式获得的反映学生数学素养水平的教育大数据信息，包括平台自动收集和记录的学生参加的各种讲座，自主学习的MOOC、SPOC等线上资源和学科前沿性知识，参加的各种大赛，线上发起的讨论和话题以及学生之间互助等。
为保证学生的学习成果在不同的高校间得到公平的认证，也为了更加客观、公平地衡量学生的数学素养水平，需将这些学习成果转化为可视的证书或学分等形式，在这一过程中基于区块链技术的学分互认起到了枢纽的作用。各高校私有链去中心化的分布式账本系统将每个学习者所有的学习成果以时间节点连续的数据方式同步到网络每个节点上，不可更改但可追溯，利用联盟链共识机制，形成统一的学分认证标准，实现学习成果的公平认证和转换，利用智能合约技术实现学分转换自动履约，提高数学素养评价的效率。
三、结论与展望
随着社会的发展和科技的进步，我们需要越来越多的工程创新人才。利用区块链技术设计高校理工类专业大学生数学素养培养及评价体系，推动校际间教育资源共享和学分互认，通过以评促改、以评促建不断提升大学生的数学素养水平，为“新工科”视域下人才培养奠定坚实的基础。但构建基于区块链技术的高校理工类专业大学生数学素养培养及评价体系是一项系统性工程，需要不断分析和解决应用过程中的各种问题，我们将在后续的实践中不断修改和完善。
参考文献：
[1]董连春，吴立宝，王立东.PISA2021数学素养测评框架评介[J].数学教育学报，2019（4）.
[2]杨现民，李新，吴焕庆，等.区块链技术在教育领域的应用模式与现实挑战[J].现代远程教育研究，2017（2）.
[3]郑旭东，杨现民.基于区块链技术的学生综合素质评价系统设计[J].现代远程教育研究，2020（1）.
[4]黎明.基于区块链的学术评价系统模型构建分析[J].黑龙江科学，2020（16）.
责编：文 竹
关键词：数学素养;PISA;区块链;测评框架
在科技发展日新月异的21世纪，互联网、大数据、物联网、人工智能、云计算以及区块链等新兴技术迅速发展，為培养科学基础扎实、工程能力强的创新型工科人才，我国高校理工类专业大学生数学素养水平也应有所提高。早在20世纪90年代，经济合作与发展组织（OECD）每三年开展一轮国际学生评估项目（PISA），测评对象主要是15岁学生，测评领域涉及阅读、数学和科学，数学作为主测评领域分别在2003年、2012年、2021年展开测评，该测评框架对数学素养的内涵和测评指标的界定进行了充分的考量，并且也在不断地修改和完善。基于对PISA数学素养测评框架的解析，我们发现数学素养作为一个相对抽象且复杂的概念，它本身并不能够被直接测量，其评价需从可观察、可测量、可操作的视角选择合适的测评领域与指标。基于此，对高校理工类专业大学生数学素养的培养和评价都存在一定难度。
区块链技术为构建高校理工类专业大学生数学素养培养和评价体系提供了关键技术支撑。区块链是一个分布式的共享账本，由多条账目组成的区块通过加密连接组成，区块链的共识机制、智能合约等技术，使其具有去中心化、去信任化、集体维护、安全、开放等特点，基于区块链技术优势和特点，目前区块链已广泛应用于金融、医疗卫生、科技等领域，相关研究成果较多，而其在教育领域的应用研究成果还比较少。据知网检索，杨现民（2017）等提出将区块链应用在教育领域建立个体学信大数据、开发学位证书系统和开发去中心化教育系统等;郑旭东等（2020）基于区块链技术设计的学生综合素质评价系统架构在宏观治理层面支持弱中心化的评价联盟运行，在中观评价层面可实现安全、可信、溯源的数据录入，评价实施，结果查询与应用等评价过程;黎明（2020）提出基于区块链技术建立学术评价系统等。鉴于此，本研究在PISA测评框架的基础上，基于区块链技术和“新工科”理念，构建高校理工类专业大学生数学素养培养及评价体系。
一、河南省高校理工类专业大学生数学素养培养及评价现状分析
目前，关于数学素养的研究大多集中在基础教育阶段，对大学生数学素养测评框架及指标还没有明确的界定，导致河南省高校理工类专业大学生数学素养培养及评价中存在着一些问题，主要体现在以下几个方面：
（一）理论脱离实践
大多数数学类课程作为高校理工类专业大学生的基础课程，课程本身比较抽象，教学学时较短，教学内容较多，相关课程授课形式基本采用理论讲授，没有配套的实践课程，导致理论知识的学习没有相关实践应用去支撑。另外，受传统课堂模式的影响，课堂教学主要以经典理论知识讲授为主，很少引入相关专业的实践案例。因此，对于高校理工类大学生数学素养的培养仅停留在理论层面，相关的实践练习还需有相关平台进行支撑。
（二）数学教育资源分配不均衡
数学知识是数学素养培养的基础和提升的前提，数学教育资源是数学知识获取的主要途径。但高校理工类专业在数学教育资源分配方面存在不均衡现象，主要有：其一，各高校理工类专业在教学条件、教学对象和培养目标等方面都有不同，其对数学教育资源的需求也体现出较大的差异;其二，各高校理工类专业所开设的大学数学课程，在课程门类设置、教学内容安排、教学目标要求、教学学时分配等方面并不相同，致使学生数学素养培养内容不均衡;其三，随着信息化时代的发展，网络数字化教育资源开始共享，在线公共课程的资源逐渐增多，但是“小众”的数学专业课程及与数学素养相关的在线教育资源稀缺，且无针对性。
（三）数学素养评价客观公正不足
高校理工类专业大学生数学素养评价体系是判断其数学素养水平的依据。但目前，对高校理工类专业大学生数学素养评价体系内涵与设计的研究还比较少，还没有明确的、客观公正的测评指标，主观因素影响较多，测评难度大，且大学生对数学素养评价的参与度不高。
（四）数学素养学习成果认证困难
在我国，对大学生学历的认证是各个高校采用学分制衡量学生的学习量，学生修满学分，从而获得该高校的毕业证书及学位证书;对驾驶证等证件，考生可练习相关技能，通过考试而获得。这两种学习结果都有相关的结果认证，或是学习量，或是技能掌握。如何找到一种方法，可以客观公正地去衡量学生在学习过程中体现数学素养水平的各种学习成果，是数学素养培养和评价中需要解决的重要问题。
二、基于区块链的河南省高校理工类大学生数学素养培养及评价联盟链设计
基于以上问题分析，为实现高校理工类专业大学生数学素养培养教育资源共建共享的目标及更公平地考核其数学素养水平，本研究充分发挥区块链庞大的分布式账本的本质和智能合约等关键技术，对河南省高校理工类专业大学生数学素养进行培养和评价，构建其数学素养培养及评价体系联盟链，如图所示：
（一）理工类专业大学生数学素养测评框架
数学素养测评框架维度指标主要从问题真实情境、数学内容、建模过程、关键能力四个方面进行设计。真实情境从个人、职业和科学三个方面来分类，通过真实情境中相关问题的测试，能够增强学习数学与学生生活之间的联系;数学内容是学生数学素养测评的一个重要依托，分为空间与形状、变化与关系、数量、不确定性与数据四个方面;建模过程指学生能否将数学概念、知识和技能运用到现实情景各种复杂问题中;关键能力指通过系统数学知识的学习和长时间的积累形成的实际解决问题的能力，以此来满足社会发展和科技进步对人才的要求。该测评框架为理工类专业大学生数学素养培养指明方向，同时为考量理工类专业大学生的数学素养水平提供依据。 （二）总体设计架构
基于区块链去中心化、集体维护、安全可靠、防伪溯源、高度加密等技术，理工类专业大学生数学素养培养与评价体系涉及学生个人隐私、教育资源管理、教育教学数据等不易广泛公开的数据信息，区块链应用模式中的联盟链可实现数学素养培养与评价体系的部分去中心化，并且允许连接到系统内部的各高校共同参与管理该系统，保证系统内数据的安全和个人的隐私。具体设计如下：
根据各高校理工类专业大学生数学素养培养教育资源差异和数学素养水平现状，每个高校内部可形成一条私有链，各高校私有链集合形成联盟链。首先，基于联盟链部分去中心化的特点，利用联盟链的共识机制决定记账节点，各高校私有链通过记账节点与联盟链账本对接，保证链接到联盟链上的各高校组织群体，通过共识机制完成教育资源共享、数学素养评价中的各种交易请求，共同参与和管理系统数据与信息，保证系统有效运行，从而形成高校理工类专业大学生数学素养培养和评价系统;其次，在联盟链共识层设置联盟的相关组织管理机制，通过智能合约实现各高校的组织管理机制、资源共享机制、考核评价机制、权益分配机制等，促进数学素养培养资源的均衡发展和评价体系的公平、公正;再次，各高校私有链对教育教学资源数据、学生学习与实践的活动数据、数学素养评价结果数据等数据录入后，通过智能合约进一步对录入系统的数据进行分封装，无需任何第三方的支持，即可确保系统数据不被篡改和删除，实现联盟链上各高校对学生数学素养培养和评价数据的随意获取，从而实现各高校及部門之间数学素养培养与评价数据管理跨平台的管理和对接。从图1可以看出，高校联盟链是整个平台的基础，高校理工类专业根据数学素养测评框架指标，依托联盟链展开教育资源共建共享和学生数学素养测评。
（三）基于区块链技术的高校理工类专业大学生数学素养培养机制
数学素养培养本身就是一种教育活动过程，教师和学生是主要的参与群体，利用区块链技术，设计数学素养教育教学资源共建共享机制，鼓励教师或学生上传教育资源，通过联盟链的有效监管，实现教育资源共享，解决学生数学素养培养与评价中教育资源不均衡的问题。
1.教师层面
各高校教师依托联盟链中的“各高校私有链”，通过区块链的智能合约功能注册登陆，获得身份验证后，积极将自身原创的教育资源（教案、课件、习题、讨论、微视频、SPOC、精品课程等）按照类别分类上传，通过确权交易机制确保自身产品的知识产权得到有效保护，通过共识机制让自身原创资源得到客观评价，形成各类资源的智能合约，并在全网公开，记入联盟链账本。同时，资源上传者还可以通过智能合约交易获得的教育币来购买优质的教育教学资源，实现教育教学资源的共建共享。
2.学生层面
学生作为数学素养评价对象，在数学素养培养和评价体系中，依然可以通过区块链的智能合约功能进行身份认证后，将自己的学习笔记、试题答案、解析和学习心得等上传至各高校私有链平台，在此过程中产生的教育币还可以用来购买适合自身需求的资源和信息，还可以发出问题请求，不仅实现了学生与学生、学生与教师之间跨时空的交流，也是教育资源共建共享的一种有效途径。
（四）基于区块链技术的高校理工类专业大学生数学素养评价机制
以终身学习理念为理论依据，数学素养的测评数据主要由正式学习成果和非正式学习成果组成，正式学习成果主要指各高校线下考评学生数学素养的资料信息，包括学科成绩、教师评价和学生获得的各种体现数学素养的荣誉证书等;非正式的学习成果主要指学生基于线上平台等不同的学习方式获得的反映学生数学素养水平的教育大数据信息，包括平台自动收集和记录的学生参加的各种讲座，自主学习的MOOC、SPOC等线上资源和学科前沿性知识，参加的各种大赛，线上发起的讨论和话题以及学生之间互助等。
为保证学生的学习成果在不同的高校间得到公平的认证，也为了更加客观、公平地衡量学生的数学素养水平，需将这些学习成果转化为可视的证书或学分等形式，在这一过程中基于区块链技术的学分互认起到了枢纽的作用。各高校私有链去中心化的分布式账本系统将每个学习者所有的学习成果以时间节点连续的数据方式同步到网络每个节点上，不可更改但可追溯，利用联盟链共识机制，形成统一的学分认证标准，实现学习成果的公平认证和转换，利用智能合约技术实现学分转换自动履约，提高数学素养评价的效率。
三、结论与展望
随着社会的发展和科技的进步，我们需要越来越多的工程创新人才。利用区块链技术设计高校理工类专业大学生数学素养培养及评价体系，推动校际间教育资源共享和学分互认，通过以评促改、以评促建不断提升大学生的数学素养水平，为“新工科”视域下人才培养奠定坚实的基础。但构建基于区块链技术的高校理工类专业大学生数学素养培养及评价体系是一项系统性工程，需要不断分析和解决应用过程中的各种问题，我们将在后续的实践中不断修改和完善。
参考文献：
[1]董连春，吴立宝，王立东.PISA2021数学素养测评框架评介[J].数学教育学报，2019（4）.
[2]杨现民，李新，吴焕庆，等.区块链技术在教育领域的应用模式与现实挑战[J].现代远程教育研究，2017（2）.
[3]郑旭东，杨现民.基于区块链技术的学生综合素质评价系统设计[J].现代远程教育研究，2020（1）.
[4]黎明.基于区块链的学术评价系统模型构建分析[J].黑龙江科学，2020（16）.
责编：文 竹