2019年，教育部发布了《关于加强和改进中小学实验教学的意见》，提出重视实验教学，重视演示实验，开齐课程标准规定所有分组实验，把科学技术运用到实验教学中来，改进教学方式、丰富教学内容。注重实效，强化学生实践操作、情境体验、探索求知、亲身感悟和创新创造，着力提升学生的观察能力、动手实践能力、创造性思维能力和团队合作能力，培育学生的兴趣爱好、创新精神、科学素养和意志品质
［1］。传统实验教学和现代科学技术有机融合，实验教学信息化得到大力发展，特别是测量数据的收集、分析与应用等。学习是一种行为，必须对学生在实验中学习状态、操作过程等实验行为数据进行收集，并用智慧实验系统进行单点、集群分析和挖掘。为此，笔者所在校和泉州师范学院数计学院等进行深度合作，开发智能实验系统。颜少芬老师应用该系统的《科学测量：金属丝的电阻率——基于智能电学实验箱的教学案例》获2024年福建省中小学实验教学说课二等奖。基于智慧实验系统对实验行为数据的收集、分析与应用，取得了一定效果，现在总结如下。
1 智慧实验系统中实验行为数据的采集内容
对于传统的实验教学，学生通过预习课本观看教师播放的实验录像，初步了解实验的原理、实验内容和注意事项等。当真正开展实验时，因对实验预习不充分，只能做一步看一步，或因观看实验录像思维活动少，细微之处和关键操作无法体会，动手实验时就茫然无措。不知道该干什么，这里摸一下，那里动一下，做一些与实验无关的事，实验课实效性差，更别想提高学生的创新精神和协作能力。
科技改变生活，将传感器引入实验教学，在传统实验的基础上增加科技元素，如计算机仿真和模拟、NB实验室等大量软件的使用，可打破时空限制，化不可能为可能，让实验过程、现象可视化，让实验测量处理数字化和自动化。但是，仿真毕竟不是真，大都存在一些不足，例如模拟操作简单化、实验结果预设化等。最重要的是传统实验和仿真实验仅关注实验内容本身，忽略了学习主体——实验者及其实验行为。
信息技术2.0的到来，强调智慧学习环境，这也将使实验教学进一步提升，我们提出和尝试进行智慧实验，也取得了一定效果。智慧实验系统用增强现实、虚拟现实等技术手段让学生模拟实验，增强实验交互性，记录实验结果；同时还关注学生实验操作本身，注重学生实验中学习状态、操作过程等实验行为数据的收集。
首先收集的内容：一是基本信息，包括学生姓名、所在年段（入学年）、对应班级和性别等；二是位置信息，如IP位置，家里、网吧或学校；三是时间信息，包括登录系统的时间、实验总时长和每个操作对应的时间长短。除此之外，智慧系统更主要的是记录学生的实验行为数据：怎么进行实验操作？操作行为顺序怎样？以及对应的时间？学生如何输入、处理实验数据和相应时间？如何分析实验结果？例如，在选电学实验器材时，要求根据实验原理选择器材。一般要按思维习惯的顺序，由电源选电压表、结合电压表和被测电阻选电流表，由限流和分压接法选滑动变阻器，综合考虑定保护电阻。我们把这样选器材的顺序定为①电源，②电压，③电流表，④滑动变阻器，⑤保护电阻。学生实验时，系统判断学生选择结果正确与否，根据学生操作顺序得到实验行为数据，记录要细化到实验每一个步骤和对应时间。再如，在连接实验电路这一步骤时，连接导线顺序要求为从电源正极到负极，先串后并，每连一条都标明序号，学生操作时，只需记录连接序号。实验结束时整理实验仪器，如此短短一句话，实际上包括了要求学生先断开关，再拆除导线，最后把仪器复位等操作，不仅要看学生是否做了、做对了，更强调记录做的过程。
智慧实验记录学生对基本仪器的使用过程，不仅要求学生会读数，更关键是会使用仪器，所以不能只设计表格记录读数，还要会使用仪器、分析处理实验数据。例如对于螺旋测微器，智慧实验系统要求识别各部分构造，使用时按顺序动手调节粗调旋钮、微调旋钮、制动旋钮，再读数。应创设情境让学生自主选择仪器：各种规格刻度尺、游标卡尺和螺旋测微器；设计故障让学生思考、判断和处理。
2 基于智慧实验系统云数据的分析
智慧实验系统设置为云平台，学生可随时随地登录操作。云平台对采集数据、过程进行实时监控和反馈。基于智慧实验系统采集大量的数据，我们根据学生历次实验按时间顺序依次储存在关系型数据库中。使用数据分析系统对各种实验数据和行为数据分开汇总、处理、分析。再综合处理后以图表等形式呈现用户画像（User Profile），它是依据真实的用户行为数据生成的用来描述用户属性及其行为的标签集合
［2］。用户画像是大数据化人物模型，且具有可视化等特点。
对实验数据和实验行为数据进行单点分析，即个体分析可得到学生个人画像。首先把数据分类为各个项目。时间项目、操作项目、读数项目、数据处理项目等，每一个项目可能反映学生不同的能力，我们将从自主学习能力、观察处理能力、动手操作能力、拓展创新能力和科学实验态度5个维度进行评价，每个维度依据的项目不相同。自主学习能力这个维度可由学生时间项目中登录时间信息和整个实验时长，操作项目和读数项目的得分，以及习题项目完成情况等综合确定。动手操作能力主要由实验时长、实验操作步骤准确性和有效操作记录数综合确定；当然，动手操作能力最终判定，除了智慧系统分析外，也要结合学生实操实验教师判定上传或通过图像识别系统判定。
每个维度和项目的对应关系。先将每一个项目进行量化得分，然后根据事先设定的比例进行加权得分。综合处理后每一个维度都进行量化，再将量化数据结合学生基本信息图表化，得到的每一位学生行为画像如
图1所示，各种维度强弱一目了然。
学生行为集群分析是以整个班级学生或整个年段群体为对象进行大数据分析。分析方法很多，我们采用聚类分析。聚类分析一般是把一大堆数据进行分类处理，根据每一个数据以及他旁边的一些数据的距离来判定，一般使用的距离有绝对值和平方根。将距离和均值的长度进行比较，离哪个近就把它归作哪一类，最后分成几个类。比如，在对班级或年段所有学生的实验行为目标进行分析时，按正确操作顺序操作与总人数比值可得正确率。认真分析错误操作的序号排列，有些是随机，即各种错误比例相当，但绝大部分错误行为序号是一样的，我们称之为群体行为（Swarm behaviour）。比如在机械能守恒实验中，学生出现的群体行为有：①纸带和重物不会连接、时长特别长；②打点出现故障不会处理；③不注意第1、第2点间是不是2 mm；④实验完毕没有整理器材，特别是电源插头没拔，而是先处理纸带数据。
再如分析某班级学生完成实验的时间跨度时，通过对班级学生完成实验时间长度进行取平均值、标准偏差，算数据的正态性，得到总时间参数T。同样对有效操作时长类似得到有效时间参数t，因T、t是以班级为整体的集群数据，所以其比值反映这个班的实验能力，也就是我们口中的这个班实验动手能力强，综合表现好，反之则是能力较弱，把它量化后可得到班级评估值。
3 智能实验系统实验行为数据的应用
系统在分析处理数据后，按照理论研究的结果进行分类，自动判定数据中哪些为实验数据结果，哪些是行为数据结果。实验数据结果和一般仿真实验一样，判断结果正确性和对学生的学习效果进行评价。智慧实验系统强调行为数据结果的应用，强调结果干预学生学习。结合个人画像，如果发现学生行为为不良习惯等，系统就将进行提示干预，及时矫正学生的实验行为；如果发现学生行为偏向于创造性问题，交由教师进行个性化辅导干预。通过虚实结合，人机协作、线上线下协同互补的方式，提升学生的科学探究等物理核心素养。
对学生学习来说，实验环境的建设只是基础，智慧学习环境下的学习干预是手段。有了大数据分析后的学生个人画像，系统在预习、技能操作、评价等各部分都能有效干预。评估学生的物理实验学习状态，尽早发现问题，发现从哪些方面进行干预才能有效提升学生高中物理实验的学习效果。
例如，在预习模块中，对自主学习能力弱的学生，系统能提前几天提示这些学生及时进行实验预习，临近还未开始则发信息给家长，帮助这些总是遗忘或迟迟未能进行智能实验的学生。预习时又能根据他们的学习能力推送不同教学资源，如技能操作步骤。通过场景演练的方式进行展示，对动手操作能力弱的学生在总是错误、失误关键处进行有效提示，无法操作时提示思考方向，或展示错误的实验后果。实验结束后并回放错误、失误操作，指导学生适时调整操作的速度和稳定性，形成较为有效的实验操作、良好的实验习惯。在作业模块，能力强的学生引导其他学生提出问题，交流表达自己的猜想和假设，并录制动手实验小视频等；自主学习力弱的学生只要求选择方案，观看同年级其他学生的精彩视频并模仿，并在此过程中积极给予正面评价，激发学生兴趣、树立学生信心等。
在创新思维的培养方面，系统可根据不同学生对实验进行创新，完成拓展学习。平台设计一些研究性学习课题，如根据所学知识设计方案并用适当器材测量当地重力加速度g，自主选择器材测量发光二极管的正向电阻等。系统再根据学生画像，把不同类型的学生组合成研究性学习小组，形成“好带差”“理论和实践结合”的教学模式。最后，对多种实验方案、实验操作一起交流、评估、表达与反思等。
学校、年段也将通过群体画像，为教师实验教学提供科学化指导，切实提高教学质量，为学校实验教学改革提供有价值的参考。
第一，智能实验系统通过集群数据分析结合实验室物品库存情况自动提醒各种易耗品的下单、采购；根据各班学生完成实验预习情况，结合全校课表合理安排各班实验时间。
第二，科任教师根据本班学生所画出的群体画像有不同的类型。不同型的班级努力方向不同，方案对策不同，也应进行不同实验教学设计。比如两极分化型，尽量使之发展成为倒三角形；及时关注后进生的转化，关注其思想动态，强调“小组式一帮一”学习模式，强调榜样作用，分层布置作业，激发其学习兴趣。
第三，年段备课组结合年段学生群体画像，针对共性错误操作或读数误区，共同探讨，有效教研，归因寻找对策，制订统一方案并集体处理，有效提升了实验课堂效率。教师再结合动态的数据报告，校准个人在教育教学过程中的不足之处。
4 结语
目前，物理实验教学中主要存“讲多练少、反馈少且不准”等问题，致使学生眼高手低，实验能力得不到发展，影响学生的“工匠精神”培养。人工智能（AI）技术在教育领域的深度融合，正在重塑实验教学的范式，为学生实验能力的培养提供前所未有的机遇和挑战。有了智慧系统后，一线教师逐步进行课程自身教学改革，促使学生将平台实验和线下实操相结合，不断提升其实验素养。下一步，我们将优化学生行为的数据分析和数据挖掘，采用更先进和合理的算法等，推广智慧教学系统，促进教学改革。
福建省电化教育馆课题“智慧学习环境下实验的学习干预系统设计与应用研究”(KT23057)
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