如何實施基于工程學思想和過程的形成性評價

葉兆寧

教學與評價是課程實施的兩個重要環節，相輔相成。評價既對教學的效果進行檢測，也與教學過程相互交融，從而促進與保證學生的發展[1]。STEM教育發展至今，評價一直是研究的重點和難點。2014年，美國從對教育的整體規劃出發制定了STEM教育檢測的指標，包括學生人數、教育時間、學習機會、教學材料、教育標準、參與度、教師的專業發展和相關教育研究等方面[2]，為STEM教育的整體評價提供了途徑。然而，這樣的整體評價指標往往更看重最終的評估和考核。

在STEM教育中，關注學習過程中的評測非常重要，因為所有學生的起始水平并不一致，學生的學習情況也不相同。連續對學生進行評測是以學生為中心指導教學的一個主要特點。在探究科學過程中，它提供了學生展示自己對不同問題理解程度和探究能力的機會[3]。如何在教育過程中對學生的學習過程和學習成果作出科學合理的評價，會直接影響教學的質量，這是STEM教育落實到教學實踐時必須解決的關鍵問題之一。

STEM教育的特征與評價的關鍵作用

STEM教育是一個綜合體，其中各學科的學習緊密相連，以整合方式教授學生掌握知識和技能，并最終將所學內容靈活遷移和應用于解決現實問題。因此，融合的STEM教育具備跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協作性、設計性、藝術性、實證性和技術增強性等核心特征[4]。這不僅體現了STEM教育與傳統教育的不同，也表明傳統的評價方式在STEM教育中必須進行改革。

1.跨學科的學習目標導致評價內容的多元化

STEM教育在學習目標上具有不同的取向，跨學科特征也使課程的教育目標呈現出跨學科性和綜合性。與單一學科相比，STEM教育的目標顯然高于學科素養的培養，而更多體現出對跨學科能力和核心素養的關注。正因為如此，課程的評價內容不能僅限于所涉及的學科素養，還應包括科學與工程的實踐能力、對跨學科概念的理解以及與之相應的思維能力和綜合素質。同時，學習內容的多元化使教育者不得不考慮多元化的評價方法與工具，以獲得科學、客觀的評價結果。

2.體驗、協作與實證的過程使得形成性評價尤為重要

評價內容的多元化，使課程在設計和實施時必須考慮如何評價學生在實踐能力、概念理解、綜合素質等各方面的學習成果。這些與學生內在的高階思維相關，且常常表現在學生的實踐行為和交流表達上，因此評價其發展的證據不僅是最后的考核，更重要的是來自學生在體驗、協作與實證等實踐過程中的行為和表現。為此，實施與課程內容相結合的形成性評價將變得尤為重要。

3.明晰的活動成果增強并顯性化了評價的教學指導和改進功能

明晰的活動成果是STEM活動與傳統學科教學活動的不同之處，學生在學習之初就已經對任務或項目的要求有所了解，并明確知道學習成果的形式，如物化的成品、解決方案等。為了完成這些成果，學生會將所學知識和技能運用在問題解決上，最終使學習成果體現出學生的認知和能力發展狀況。可見，對學習成果本身及其產生過程進行的評價就成為課程的一個部分。課程中會給出明確的評價標準，這是顯性的評價，也是評價學生發展的一項重要指標。而對評價標準的理解和努力追求，不僅激發了學生學習的動機，增加了學習的持續性，而且更有效地提升了評價的教學指導和改進功能。

“為了學習”的評價

當提到“評價”這個詞時，躍人人們腦中的往往是一個學習單元結束時的測驗，或是一個學期末的考試。其實，進行測驗或考試是為了了解學生在一段時間的教學結束之后學到了什么，這是一種“針對學習”的評價，屬于總結性評價。然而，無論是教師還是學生，都需要清楚教學過程的進展，以便不斷改進和調整教與學。教師和學生可以利用多種多樣的課堂活動識別學習的進展情況，這就是形成性評價，是一種“為了學習”的評價[5]。

當總結性評價被看成是一個有特定開端和結尾的事件時，形成性評價則是教學中持續發生的過程，它作為一種教學策略嵌人于教學中，且時刻影響教學的走向。采用形成性評價的出發點有兩個：一是并非所有學生都從相同的理解水平開始學習；二是由于課程內容、學生的興趣、偏愛的學習風格及其他因素的影響，學生以不同的速度學習。也就是說，當教學考慮學生的差異和個體需求時，形成性評價可以通過對學生學習的表現和過程的反饋幫助學生認識到如何進步，也幫助教師關注學生的學習，理解學生的學習進展，并找到幫助他們進步的方法。這使形成性評價成為實現差異化和個性化教學的必然途徑。

英國學者Wynne HarlenAE2006年提出形成性評價環（如圖1）[6]。圖1展現了運用形成性評價開展以學生為中心的教學活動所經歷的環狀過程。該過程中學生是學習主體，為了促進學生的學習，教師需要根據學生學習的實際情況，有針對性地安排下一步學習活動。而促使教師作出選擇的依據則來源于教師通過形成性評價收集到的反饋證據以及對這些證據的解讀。

縱觀STEM教育活動，它不僅具有跨學科、實踐性和開放性等特點，而且往往采取基于問題和基于項目的學習方式。學生完成一個項目或任務常常需要完成若干相關的科學探究和工程實踐活動，活動的內容和順序與學習小組不同的實踐過程有關，因此這些活動的復雜程度遠甚于單一學科的具體活動。同時，STEM活動的開放性又使得實踐的結果并不是一個唯一的正確答案，學習成果將呈現出一定的多樣性，因而STEM教學更趨向于差異化和個性化學習。

結合教學內容和教學形式，作為教學策略使用的形成性評價可以采用多種方法和形式進行，包括課堂測試、提問、觀察、學生記錄或繪圖、討論與交流、學生自我評價等。區別形成性評價與總結性評價的關鍵在于如何使用由評測所收集到的數據，教師是否依據對這些信息的解讀而完善下一步的教學。

用工程學思想和過程將形成性評價顯性化

工程是應用數學、科學和技術領域的概念系統解決復雜問題。工程技術的關鍵是設計，而設計過程是在有明確要求的情況下、在尋求解決問題方案的過程中遵循的系統方法。設計過程雖然有各種各樣的類型，但大多數都包括以下的基本步驟[7]。STEM教學活動中形成性評價的設計方法，就是用工程學思想和過程將形成性評價顯性化。

1.識別問題、制約因素和標準。通過識別問題，工程師可以清楚而準確地描述設計工作的目標；制約因素就是限制因素，如時間和資源；標準就是期望最后成品所具備的特征。

2.調查研究。背景調查為形成設計觀點進行批判性分析提供了必要的信息。對項目過程策劃者來說，最有效的途徑是在開始工作之前對所設計的具體主題進行調查，了解別人在這方面已經做過的工作。

3.討論可能的解決方案。有效的設計需要解決多項問題或任務，在調查研究之后，需要學生根據已有的經驗，盡可能提出多個想法，形成解決具體問題的多個解決方案，或得到更多的設計機會。

4.分析、評價和選擇解決方案。要篩選所有可能的解決方案，要求學生考慮那些頻繁出現的互相沖突的目標、標準和制約因素。工程設討不是提出單一的正確答案，而是在多個可能的答案中識別出最好的解決途徑。這要求學生對每個設計的優勢和缺點進行批判性評估。

5.建立模型。根據解決方案就材料、工具、組合過程等作出決策，并嘗試構建一個完整的工程模型或者原型。

6.測試和優化。原型要在所有可能的條件下進行實驗評估和測試。需要學生記錄每一次測試的條件、數據、現象和結果，識別出可能改善設計方案的新信息，之后重新思考解決方案、調整設計、建立新的模型、重新測試，并根據新的數據和進一步的研究重新審視問題的目標、制約因素和標準。這樣的優化過程處在不斷循環中。

7.溝通和反思。工程設計需要有效的溝通，既包括工作團隊之間的溝通，也包括與外界各相關方面的溝通；有人際互動的口頭溝通，也有各種形式的書面溝通。此外，通過設計過程中的日常記錄和反思，不僅能幫助學生順利完成任務，還能提高學生的元認知，使學生在思維方面獲得更深層次的訓練。

值得注意的是，這個過程的本質是迭代性的，它體現了工程學的基本思想。工程師基本上從來不會在這些步驟中線性工作，相反，在明確最后設計方案之前，他們會在不同步驟間轉換。同時，設計過程會涉及許多不同的實踐能力，這些工程實踐不僅考核學生的學科專業知識，也考核學生綜合、分析、解釋和評價等高階思維能力，這正是開展形成性評價的好時機。

實例分析：水過濾器

“水過濾器”是美國南卡羅萊納大學與當地的博福特中學共同開發的面向美國初中一年級學生的STEM教學主題。主題教學圍繞工程設計的基本步驟展開，要求學生完成設計、建造和測試過濾系統，并從飲用水源中去除模擬的污染物的工程任務，以實現工程設計與批判性思維緊密結合的目標，提升學生的學習能力和STEM素養。該案例巧妙地運用了形成性評價，并通過工程學思想和過程使評價顯性化。

1.識別問題中的評價設計

教學主題的第一步是用一種學生能領悟的方式讓學生識別要完成的問題或任務、限制條件和標準。首先讓學生參與關于環境工程的課程討論，討論內容和話題集中在與學生生活密切相關的飲用水問題上，學生需要說明安全水源和干凈水源的差別，并進一步討論要去除湖泊中什么物質之后的水才能被飲用，有哪些物質是無色、肉眼無法看到卻是有害的，為什么對水源的凈化如此重要等。通過討論，學生開始對自然界中水的循環和凈化過程產生興趣。之后，教師將這個教學主題為學生創設的工程任務情境告知學生：Beaufort鎮需要你們幫助去除飲用水中的有害雜質。請設計建造一個過濾器，盡可能去除水中的紅色，為居民提供安全的飲用水源（用放有紅色食用色素的水模擬被污染的水源）。

該情境明確給出了最終的工程設計成果——一個能去除水中紅色的過濾裝置。也就是設計的最終標準是去除水中的紅色，評價時也以去除水中紅色的程度作為評判的依據。這樣，評價標準在一開始就顯性地呈現在學生面前，被每個學生所了解。

接下來的問題是這個標準的具體測試方法是什么，怎樣被量化。這不僅是學生后期的學習內容，也是必須明確的評價方法。同時，該成果評價也會伴隨教學的整個過程，時刻被作為形成性評價的指標。

2.形成可能的解決方案中的評價設計

在確認問題之后和進人初始設計之前，課程設計者設計了一個形成性評價活動。即讓學生獨立完成一份活動前策略工作表（見表1），通過學生回答三個有關去除污染物的基本問題的思維過程，對每個學生進行評價。

教學過程中，教師并沒有告知學生完成活動前策略工作表是對他們的考核，而是把它作為開展調查研究和形成可行性方案的第一個步驟。三個問題的設計非常巧妙。

問題1：要求學生用繪圖的方式闡述他們對水循環和水處理的理解，這是對學生認知概念理解程度的評價。

問題2：要求學生在沒有形狀、尺寸和材料的約束條件下，畫一個過濾器。這是評價學生對過濾的科學原理和過濾裝置的熟知程度，同時也提升學生對約束條件的理解。這個問題激發了學生的思考，繪圖也展現了學生的思維過程，讓教師的評價有據可依。

問題3：需要學生解釋為什么他們認為自己設計的過濾器能夠發揮作用，這個問題激勵學生明確什么是成功的設計標準，也能反映出學生認為什么會導致設計的失敗或阻礙設計的成功。同時，這也是后續課程中重要的學習內容。

通過學生獨立回答這三個問題，教師可以清晰地了解學生對水過濾裝置原理、制作與測試方法的理解。教師通過該工作表收集學生認知和技能的評價數據，并據此決定學習的重難點和分組方法。

小組確定之后，教師告知每組必須在固定的預算（50美金）內進行設計，并提供四種可供購買的材料，分別是活性炭（4美元/克）、沙子（2美元/克）、礫石（1美元/克）和棉球（1美元/個）。新的約束條件的加人幫助學生重新考慮過濾器的設計方法、預算開支和可行性。每組將提出多個想法，并在接下來的建模和測試中探索其可能性。想法的多樣性和可行程度也是該階段教師評價學生的重要依據之一。

3.模型建立與測試中的評價設計

學生根據小組內確定的方法購買材料并在注射器中構建水過濾器的模型，每個過濾器會接受200毫升紅色的水流過的測試，并收集流出的水。在這個階段教師使用了兩種方法評價學生的工作。

一是提供評判過濾器效果的方法，通過評測學生作品完成任務的實際程度評價學生在搭建和測試過程中的能力發展。教師為學生提供了三種測量過濾效果的方法：（1）肉眼觀察法。學生用肉眼觀察對比原始溶液和流出溶液的顏色，通過顏色的變化判斷效果；（2）色標法。用事先準備的色標從視覺上將染色濃度與顏色對應來確定顏色標準值。使用這種方法，學生可以直觀地將所得的顏色與色標進行比較，得到相應的數值；（3）使用分光光度計測試液體對特定波長光的吸收能力，并計算出吸收值，吸收值為0時才是完全去除紅色的最佳效果。學生需要對這三種測試方法逐一進行學習和理解，并在測試模型時使用。這不僅讓學生經歷從定性的不準確測試到定量的準確測試，也教會學生運用測試技術評價過濾器的可行性和效果。學生需要根據測試的情況調整過濾器的設計。最終的測試結果將體現學生設計和制作的真實水平。

二是通過過濾實驗工作表開展形成性評價。如果只關注過濾的最終效果并不能準確完整地了解學生建模和測試的過程，以及在這個過程中學生的思考、發現和理解上的轉變。所以，在模型建立與測試中過程性資料的積累是必不可少的，它是學生學習過程的呈現，也是教師對學生進行評價的直接證據。過濾實驗工作表（見表2）即為此階段的評價工具。

該實驗工作表記錄了學生設計的不同方案、每種方案的測試結果以及學生對過濾器效果的自我分析與評價。通過這個工作表，教師可以了解學生對多少種設計方法進行了嘗試，對過濾效果吸收率的測試是否準確，以及學生如何對問題進行思考、分析和總結。這是教師對學生認知和能力發展進行評價的有力工具。

4.溝通與反思中的評價設計

在教學結束前的溝通、交流與反思中，教師要求學生像課程開始時那樣獨立完成一個與活動前策略工作表類似的活動后策略工作表（見表3），同樣有三個需要學生思考并獨立回答的問題。

問題1是讓學生基于已學到的知識，畫出最佳的水過濾器，考查學生對該活動中涉及的物理、化學等學科知識的理解；問題2是讓學生說出他們組的過濾器結構是如何從最初的草圖變化而來的，這需要學生反思他們的學習經歷，寫出發現問題和解決問題的過程；問題3是鼓勵學生總結自己在該活動中體會到的意義和價值。表4列舉了學生對于活動后策略工作表中問題2和問題3的部分回答，從這些回答中不難看出，通過這些答案可以較客觀地評價學生的認知和技能發展。

從“水過濾器”這個實例分析不難發現，做好形成性評價是STEM教育得以有效開展的基礎。通過基于工程學思想與過程設計的形成性評價，可以結合學生學習成果本身及其產生過程將形成性評價顯性化。這樣的形成性評價不僅是教學內容的一部分，承載工程思想和過程的學習，而且能幫助學生將體現其認知水平、技能發展和思維過程的更真實客觀的證據展現給教師，幫助教師獲得解讀學生發展的有效信息，并據此推進教學的進度。這既是形成性評價的最終目的，也是將STEM教育的本質落實到課堂教學的有效途徑。

注釋：

[1]中華人民共和國教育部.小學科學課程標準[M].北京師范大學出版社，2017.2.

[2]許海瑩.基于大數據的美國STEM教育監測指標體系：分析與啟示.教育測量與評價.2014（09）：18-22.

[3]韋鈺.探究式科學教育教學指導[M].教育科學出版社.2005.10.

[4]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學科整合模式.開放教育研究，2015.04：13-22.

[5]Patricia M.Rowell.科學教育中形成性評測的原則與策略.中國科技教育，2014.01：10-13.

[6]Wynne Harlen.Teaching，Learning and Assessing Science 5-12（4th Edition）[M].London：Sage Publications Ltd，2006.

[7][美]羅伯特·M·卡普拉羅等，王雪華屈梅譯，基于項目的STEM學習[M]，上海科技教育出版社，2016.