以《我的水鐘》STEM課程為例研究基于工程學思想和過程的形成性評價

汪小嬌 杜偉

在構建素養導向綜合評價體系、重視“教—學—評”一體化的發展背景下，以小學科學《我的水鐘》STEM課程為例，實踐基于工程學思想和過程的形成性評價，探討形成性評價對教師、學生及STEM教育實施的影響。

一、研究緣起

新一輪課程改革理念倡導以課程目標為依據，構建素養導向的綜合評價體系，強化過程評價，重視“教—學—評”一體化。在2022年出版的《義務教育科學課程標準》中，評價原則倡導跨學科融合、校內外結合，體現評價的綜合性、增值性及過程性。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。我們將起源于美國的STEM教育引入國內中小學校，展開了廣泛的實踐，探索適合小學科學的STEM教育課程設計，STEM教育的評價已成為國內同行研究的熱點。然而，在一線的小學科學STEM教育課例教學中，大多數教師主要關注最終評價，這種結果性評價往往以紙筆測試或作品點評為主，而忽略了形成性評價。葉兆寧指出，如何在教育過程中對學生的學習過程和學習成果做出科學合理的評價，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。

工程活動的本質是創造人工實體，設計與物化是其中兩個重要的環節。設計與物化過程雖然有各種各樣的類型，但大多數都包括以下基本環節：定義問題，設計與再設計，建立模型，檢驗與再檢驗，數據分析，交流結果。有專家認為STEM教育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，并據此歸納總結了STEM教育教學活動形成性評價顯性化的四個要點，即定義問題中的評價設計、設計與再設計中的評價設計、模型建立與檢驗中的評價設計、數據分析與交流結果中的評價設計。

受此啟發，我們以小學科學《我的水鐘》STEM課程為例，嘗試基于工程學思想和過程逐步構建形成性評價，在實踐中發現形成性評價對教師、學生及STEM教育實施的影響。

二、實例實踐：我的水鐘

《我的水鐘》以“設計餐廳上菜計時器”為出發點，引導學生根據所學的水鐘知識，小組合作設計和制作水鐘。這是面向五年級學生開發的STEM教育教學課題，主要流程是：明確任務的要求和意義→設計我的水鐘示意圖→完善設計圖→制作水鐘→作品分享→反思總結。這一系列過程可極大地鍛煉學生綜合解決問題的能力，培養團隊合作意識。在案例實施中巧妙地運用形成性評價，并通過工程學思想和過程使評價顯性化，具有更強的可操作性。

（一）定義問題中的評價設計

STEM教育教學的第一步，是聚焦項目問題，確定要完成的任務。《我的水鐘》是教科版科學五年級下冊第三單元的第4課，在前三節課中，學生已經對水鐘的概念和種類有所了解，完成了前置訓練，明白了項目流程及意義。本課中，我們創設情境，明確任務：有一個餐廳老板向我們征集一個上菜計時器，讓顧客點完菜之后，能知道服務員大概多久可以上菜。小組學生一起開動腦筋，思考應該如何設計并制作一個計時5分鐘的受水型水鐘。

該情境明確給出了最終的項目設計成果——一個計時5分鐘的受水型水鐘，也就是最終對小組的評價是能否做出一個計時5分鐘的受水型水鐘。這樣，評價標準在一開始就顯性地呈現在學生面前，被每個學生了解。另外，組織學生在小組內充分討論，以情境賦予學生工程師的身份，可以有效激發學生項目設計的興趣。

討論結束之后，教師引導學生進一步思考：如果想讓你們小組的作品被老板選上，還需要考慮哪些方面呢？這不僅是學生作品測試的主要內容，也是必須明確的評價方法。經過各個小組的充分討論，共同總結出本次制作“我的水鐘”工程項目的四個評價方向：美觀、計時準確、成本、穩固。這樣，不僅確保學生明確了項目的要求，而且同時確定了本次STEM教育課程的評價量規，該評價方法會伴隨教學的整個過程，時刻作為形成性評價的指標。

（二）設計與再設計中的評價設計

為了體現工程設計的思想，使活動與生活實際密切相關，教師添加了一個項目活動細則：即要求每個小組在有限的經費條件下（經費預設為30元），自主選購制作水鐘的材料，經費超標或材料浪費，將會影響到最終的評價結果。根據個人設計的方案選購器材時，學生需要綜合考慮方案、價格等綜合因素和思考的過程與方法，顯性地在購買清單中體現出來。部分小組為了兼顧價格，還嘗試修訂最初的設計“水鐘示意圖”。在選購與修訂初稿的過程中，學生初步完成了模型的設計，畫出盡可能美觀、穩固的計時水鐘設計圖。

購買材料和畫設計圖的過程，是課程設計者評價學生對水鐘的計時原理和受水型水鐘裝置的熟知程度，同時也提升學生對限制條件的理解。這兩個思考的線索你中有我、我中有你，學生的思維通過選購清單和繪圖躍然紙上，生成了利于教師捕捉的評價依據，使課堂評價更加有據可依。

在此過程中，還要求每個小組進行詳細的分工合作，責任到人，確保后面的制作過程在有限的時間內可以順利完成。這是評價學生統籌能力和大局觀的有效手段，把評價落實到教學過程中的每一個細節，發揮評價促進每一個學生思考、發展的作用。

（三）模型建立與檢驗中的評價設計

學生根據小組內確定的方法購買材料并按照設計圖進行水鐘模型的構建，對每個小組的水鐘會進行計時5分鐘的水流測試，檢測所標注的刻度是否與時間一一對應，同時，檢測水鐘的穩固性。在這個階段，教師使用兩種方法評價學生的工作。

一是提供評判水鐘計時準確度和穩固性的方法，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能力的發展。教師為學生提供了檢測水鐘計時準確度和穩固性的方法：肉眼觀察法。學生在教師用秒表統一計時的情況下，同時加水，肉眼觀察一分鐘時水位是否與所畫的刻度重合，兩分鐘呢？三分鐘、四分鐘直至五分鐘，測試停止。如果完全重合或者有微小誤差，就可以認為水鐘計時準確。同時，肉眼觀察水鐘模型是否傾斜或者倒塌，判斷水鐘是否穩固。這不僅讓學生再次深刻理解受水型水鐘的計時原理以及穩定性原理，也教會學生運用測試技術評價水鐘的計時準確度和穩定性。學生需根據測試的情況發現模型建立過程中的問題和薄弱環節，分析原因，找尋解決方案調整水鐘的設計。最終的測試結果將體現學生設計和制作的真實水平，通過評價促進學生核心素養發展。

二是通過水鐘設計工作表開展形成性評價。只關注水鐘的最后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，在建模上與檢驗中，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。水鐘設計工作表（表1）即為此階段的評價工具。

該設計工作表記錄了不同的設計方案，以及對水鐘計時的準確度的自我分析與評價。通過這個工作表，教師就可以了解學生對多少種設計方法進行了嘗試，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進行評價的有力工具。

（四）數據分析與交流結果中的評價設計

在教學結束之前的溝通、交流與反思中，學生進行了一場數據分析和產品交流，在交流開始之前，學生需完成導學單中的內容，還有幾個需要思考并獨立回答的問題。問題一：我們作品的亮點是什么？問題二：我們遇到的主要問題是什么？是怎么解決的？問題三：我們的團隊合作得怎么樣？組員的表現如何？說說原因。問題四：通過這個項目活動，你有什么收獲？問題五：如果再來做這個項目，你覺得怎樣做會更好？或者你有什么想研究的嗎？

這些問題的設置是非常有意義的。問題一要求學生對自己小組的作品進行介紹，充分展示作品的亮點，在一定程度上培養學生的團隊榮譽感;問題二讓學生說出在水鐘設計的過程中遇到了哪些問題，又是如何解決的，意在培養學生發現問題和解決問題的能力;問題三指向學生小組內自評和互評，強化學生在項目學習的過程中，團隊合作的重要性與必要性;問題四鼓勵學生說出自己在該活動中體會到的意義和價值;問題五激勵學生對項目活動過程進行進一步的反思和修正，明白STEM教育課程不局限于課堂，課余仍可以進行更深入的科學探究。教師可以根據學生的回答，較客觀地評價學生的認知、技能和思維發展，可以更好地關注到學生的個體差異。

在數據分析與交流結果的評價設計中，“我的水鐘”實例還利用項目評價表（表2）將形成性評價顯性化。項目評價表中，計時準確和穩固的評價是通過檢測手段，由教師評價完成的;成本的評價通過學生自評完成;美觀的評價通過學生與學生之間、小組與小組之間互相投票完成;最后進行綜合性評價，對項目結果進行全方位的總結。由此可見，評價主體可以是多元的，方法也可以是多樣的，這樣可以充分發揮學校、教師、學生等參與評價的積極性，綜合利用各評價主體的評價結果，促進教學方式的改變，促進學生核心素養的發展。

三、反思與啟示

從《我的水鐘》這個教學實例分析可以發現，在形成性評價導向下，教師能夠及時真實地了解到學生的認知水平、思維過程和技能發展的過程。教師根據具體情況推進教學進度，針對不同水平的學生采取對應的教學手段，徹底改變了傳統的結果性評價，使教師的評價手段更加豐富且有力度。在形成性評價導向下，教師切實成為STEM教育課堂教學的設計者、組織者、引導者、監督者與“研究伙伴”，學生轉變成STEM教育課程的參與者、體驗者、發現者、思考者、合作者。融入了工程學思想和過程的形成性評價，促進“有效地教”與“快樂地學”協調統一，使STEM教育的落實更加有章可循。在STEM教育教學活動中，要立足于工程學的思想和過程，在定義問題→設計與再設計→建立模型與檢驗→數據分析與交流結果這四個核心環節將形成性評價顯性化，實現“教—學—評”一體化，達到以評價促進學生核心素養發展、改進和優化教學的目的。

【本文系廣東省教育研究院第二批STEM教育專項研究課題“小學科學與STEM教育有效融合策略實踐研究”階段性研究成果（立項編號：GDJY-2020-S-a006）】