□金 隆

（天臺縣教育局教研室，浙江天臺 317200）

2019 年，教育部印發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)初中學(xué)業(yè)水平考試命題工作的意見》（以下簡稱《意見》）指出：應(yīng)結(jié)合不同學(xué)科特點(diǎn)，合理設(shè)置試題結(jié)構(gòu)，減少機(jī)械記憶試題和客觀性試題比例，提高探究性、開放性、綜合性試題比例，積極探索跨學(xué)科命題?！兑庖姟愤€要求：增強(qiáng)試題情境創(chuàng)設(shè)的真實性、典型性和適切性，提高試題情境設(shè)計水平?；谡鎸嵡榫诚碌膯栴}解決學(xué)習(xí)——STEM 學(xué)教方式是達(dá)成知識再現(xiàn)、聯(lián)結(jié)、應(yīng)用、鞏固和生成的有效載體和催化劑?？茖W(xué)和STEM的課程性質(zhì)，以及學(xué)生發(fā)展為本的核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的深化課程改革和評價，促使STEM 立意的初中科學(xué)學(xué)科命題在科學(xué)學(xué)科評價中逐漸落地生根，并越來越枝繁葉茂。

本文以浙江省各地近五年初中科學(xué)中考60 份試卷為樣本，選取與STEM 結(jié)合相對密切，以考查跨學(xué)科綜合性知識為主，目標(biāo)特別指向數(shù)理應(yīng)用、分析評價、創(chuàng)造設(shè)計等高階思維的試題，綜合分析它們的素材來源、教育立意、考查指向和發(fā)展趨勢，以期探尋科學(xué)學(xué)科教學(xué)改進(jìn)策略。

一、STEM立意的試題命題導(dǎo)向

（一）全省各地近五年科學(xué)中考中STEM立意的試題數(shù)及分布總匯（見表1）

表1 全省各地近五年科學(xué)中考中STEM立意的試題數(shù)及分布總匯

STEM 立意的試題廣泛分布于選擇、填空、實驗探究和解答等題型當(dāng)中，其中又以解答題居首，幾乎為其他三種題型的試題數(shù)總和。這種分布，既是STEM問題的真實性情境表征需要，也是考查學(xué)生信息獲取、綜合分析、原理遷移、邏輯推理、設(shè)計創(chuàng)造和概括表述能力的需要[1]。

數(shù)據(jù)還表明，STEM 立意的試題數(shù)除在2016 年出現(xiàn)一個小高峰外，總體呈增長的態(tài)勢，說明指向STEM 的命題評價與STEM 教育的政策推進(jìn)、部門落實和社會發(fā)展相一致。

（二）近三年浙江省各地科學(xué)中考中STEM立意試題的考點(diǎn)（見表2）

STEM 立意試題的考點(diǎn)主要包含電和磁、簡單機(jī)械、運(yùn)動和力、物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)化、生物技術(shù)和生態(tài)工程、初級材料學(xué)等，其中電和磁、生物技術(shù)和生態(tài)工程等生命科學(xué)內(nèi)容是高頻考點(diǎn)。指向電和磁的二級命題目標(biāo)又包含電路的分析、連接、計算、改進(jìn)、設(shè)計、評價以及電磁繼電器的使用等；指向生命科學(xué)的二級命題目標(biāo)一般包括遺傳和變異、生態(tài)系統(tǒng)、生物技術(shù)和生態(tài)工程。當(dāng)然，各個考點(diǎn)都交叉、統(tǒng)整在一個真實的情境問題中，不是單一、割離和碎片化地出現(xiàn)。

以2017 年中考衢州科學(xué)卷第35 題為例。問題以建設(shè)屋頂光伏電站工程為情境，在引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注社會生產(chǎn)實踐的同時，考查學(xué)生對電路連接、歐姆定律、電功和電功率、食物與營養(yǎng)以及地球與宇宙等科學(xué)知識的掌握和綜合應(yīng)用。命題在STEM立意導(dǎo)向的基礎(chǔ)上，兼具學(xué)科評價與教育功能的統(tǒng)一。

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，從2017年到2019年，命題目標(biāo)由原來聚焦電和磁、生命科學(xué)逐漸發(fā)散到簡單機(jī)械、運(yùn)動和力以及物質(zhì)和能量等內(nèi)容，說明隨著命題人員、命題技術(shù)和STEM 理論的成熟，命題進(jìn)一步挖掘深度，拓寬廣度，走向更高層次的“統(tǒng)整”。

（三）近三年浙江省各地科學(xué)中考中STEM立意試題的素材來源（見表3）

命題素材來源有新技術(shù)、新產(chǎn)品、小發(fā)明、小制作、電子產(chǎn)品、社會實踐以及生態(tài)工程等，主要來源為新技術(shù)、新產(chǎn)品和電子產(chǎn)品，少量采用科學(xué)哲學(xué)史。近幾年，溫州等地將研究性學(xué)習(xí)等內(nèi)容納入命題視野，成為素材來源的新選擇。

表2 近三年浙江省各地科學(xué)中考中STEM立意試題的考點(diǎn)統(tǒng)計

表3 近三年浙江省各地科學(xué)中考中STEM立意試題的素材來源

二、STEM 立意評價下的初中科學(xué)教學(xué)改進(jìn)

（一）構(gòu)建科學(xué)大概念，夯實STEM 問題解決的知識基礎(chǔ)

很多時候，STEM 問題的解決，更像是用眾多跨界（學(xué)科）的事實、概念和原理串聯(lián)和編織起有溫度、有深度、邏輯嚴(yán)密的科學(xué)技術(shù)故事。統(tǒng)整的大概念是順利解決此類問題的前提和基礎(chǔ)，而問題的解決又進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生對概念的深度理解和整合。正在推進(jìn)的基于單元整體的教學(xué)設(shè)計也是一個例證。

溫·哈倫在《以大概念理念進(jìn)行科學(xué)教育》中認(rèn)為，大概念跨越不同學(xué)科邊界，包括系統(tǒng)、對稱、因果關(guān)系、結(jié)構(gòu)與功能以及模式等，具體又包括10 個科學(xué)知識的大概念和4 個科學(xué)本身的大概念[2]。2016 年，王耀村在《初中科學(xué)教學(xué)關(guān)鍵問題指導(dǎo)》[3]中提煉出20個科學(xué)核心知識和8個科學(xué)思想與方法，共28個初中科學(xué)教學(xué)關(guān)鍵問題，可視為是對科學(xué)大概念的二級解構(gòu)和操作層面的回應(yīng)。

（二）引入生活現(xiàn)象真情境，熟悉STEM 問題產(chǎn)生的背景素材

真實情境在于揭示科學(xué)現(xiàn)象的矛盾，引起學(xué)生內(nèi)心的沖突，打破學(xué)生已有的知識結(jié)構(gòu)平衡，使之處于“心欲求而未得，口欲言而不能”的狀態(tài)，從而喚起學(xué)生思維，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，實現(xiàn)對所學(xué)知識的意義建構(gòu)[4]。真實情境下的問題，能馬上引起學(xué)生的興趣，幫助學(xué)生以角色參與的身份迅捷、愉快而又徹底地投入學(xué)習(xí)。

案例1“美麗鄉(xiāng)村庭院建設(shè)”的教學(xué)設(shè)計

任務(wù)：請設(shè)計一份鄉(xiāng)村庭院建設(shè)方案，可畫圖展示或文字表述，并說明理由。

問題：1.設(shè)計中溝渠水道的分布和走向依據(jù)什么？

2.設(shè)計中電力設(shè)施如何布網(wǎng)？怎么連接？

3.設(shè)計中為何要種植植物和養(yǎng)殖少量魚類等動物？

4.植物的移栽和魚類的養(yǎng)殖需要注意什么？如何解決？

5.建設(shè)過程中產(chǎn)生的垃圾怎么分類和處理？

6.如果讓我們設(shè)計一份美麗鄉(xiāng)村建設(shè)方案，應(yīng)該還要考慮什么？

……

【設(shè)計意圖】讓學(xué)生在方案設(shè)計、作品展示和交流探討中回憶、再現(xiàn)和關(guān)聯(lián)生命科學(xué)、水循環(huán)、電和磁、可持續(xù)發(fā)展等相關(guān)知識和技能，綜合性地遷移應(yīng)用解決工程問題。問題由近及遠(yuǎn)、由簡入繁，在情境升級中實現(xiàn)問題升級，引發(fā)學(xué)生更高層次的思考。

（三）開展科技小發(fā)明、小制作，體悟STEM問題的解析過程

小發(fā)明、小制作是科學(xué)研究、產(chǎn)品開發(fā)、技術(shù)應(yīng)用和工藝改進(jìn)的具體而微者，是引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家、技術(shù)人員和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者一樣思考和實踐的有效途徑?；顒右话愣忌婕翱茖W(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)和工程工藝等學(xué)科知識，產(chǎn)品的形成需要學(xué)生先解構(gòu)問題的組成，二次表征問題后與相應(yīng)學(xué)科知識進(jìn)行匹配，建立對應(yīng)的學(xué)科模型，最后綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識審訂生產(chǎn)方案，實現(xiàn)學(xué)生在做和玩中動手動腦學(xué)科學(xué)。

案例2制作簡易氣壓計

如圖1 所示，將橡皮膜平鋪在敞口容器上，并用膠帶綁緊。檢查氣密性后，將吸管的A端粘在橡皮膜中心，B端靠近卡紙的M處。外界氣壓的變化會引起橡皮膜凹凸程度的變化，從而使吸管繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動，指示氣壓大小變化。

圖1 制作簡易氣壓計

【設(shè)計意圖】以簡易氣壓計的制作為任務(wù)驅(qū)動，融入壓力壓強(qiáng)、杠桿、大氣壓等科學(xué)知識學(xué)習(xí)，跨情境運(yùn)用氣密性檢查的技術(shù)，聯(lián)系杠桿平衡條件數(shù)理分析氣壓大小變化的能力。

小發(fā)明、小制作的課程資源可以是傳統(tǒng)經(jīng)典的案例如水火箭、水果電池制作等，可以是“三小”比賽的優(yōu)秀作品，也可以結(jié)合當(dāng)?shù)叵冗M(jìn)的工藝技術(shù)和產(chǎn)品。教學(xué)的實施經(jīng)歷了從早期小規(guī)模的興趣小組模式，融入學(xué)科教學(xué)的制作、設(shè)計等活動方式，到現(xiàn)在則大多為面向全體學(xué)生的科學(xué)拓展性課程等。

（四）聚焦電磁、機(jī)械和數(shù)理分析，精準(zhǔn)突破STEM重點(diǎn)問題

以電器設(shè)備和電子產(chǎn)品為載體的STEM試題，多分布在主觀性試題——解答題中。試題內(nèi)容基本以非連續(xù)性文本呈現(xiàn)，圖表包括實物圖、電路圖、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖、表格和平面直角坐標(biāo)系等；設(shè)問形式寬泛，如連接、計算、說理、評價和改進(jìn)設(shè)計等；考查目標(biāo)集中指向電路的分析、連接、計算、設(shè)計以及電磁繼電器和各類靈敏電阻的使用；解答時常需要聯(lián)結(jié)簡單機(jī)械、運(yùn)動與力、化學(xué)反應(yīng)等知識，以及通過數(shù)理分析從表格、平面直角坐標(biāo)系中獲取信息的能力。

此類試題是各地科學(xué)中考解答題的保留節(jié)目和壓軸題。以溫州為例，2015—2018 年四年中分別以汽車轉(zhuǎn)向指示燈、防盜報警器、自動注水噴淋系統(tǒng)和豆?jié){機(jī)為載體，配以各種圖表等非連續(xù)性文本呈現(xiàn)問題情境。2019 年臺州卷第35題通過解析某電冰箱的溫控制冷和照明電路，遷移應(yīng)用制作恒溫箱，大范圍、高密度地考查學(xué)生綜合運(yùn)用電學(xué)知識、氣溫與氣壓、簡單機(jī)械等知識，識讀表格獲取信息、利用一次函數(shù)方程組等數(shù)理分析、邏輯推理能力和新情境下遷移應(yīng)用的設(shè)計制作智造能力。

除了在新授課時夯實基礎(chǔ)知識和技能，適度關(guān)聯(lián)相關(guān)產(chǎn)品熟悉情境、拓展應(yīng)用以外，建議在九年級科學(xué)學(xué)習(xí)中設(shè)置專題，精心選取以電子產(chǎn)品為題材的，配有圖表以及平面直角坐標(biāo)系等非連續(xù)性文本的情境問題，強(qiáng)化訓(xùn)練，重點(diǎn)突破。

（五）推動項目化研究性學(xué)習(xí)，自主進(jìn)階STEM問題的解決

STEM 課程教學(xué)模式的共同要素主要包括真實情境、關(guān)鍵問題、設(shè)計方案、實施方案、改進(jìn)方案和形成最終產(chǎn)品交流展示[5]?？梢姡芯啃詫W(xué)習(xí)和STEM教學(xué)在課程性質(zhì)、過程實施、評價方法和教育功能上是匹配的。

溫州卷2016 年的第26 題與2019 年的第28題利用“扔紙飛機(jī)”開展飛行距離與飛行時間的影響因素研究，研究范圍涉及紙飛機(jī)的大小、材料、發(fā)射角度以及初速度等，考查目標(biāo)有數(shù)理分析、結(jié)果預(yù)測和實驗設(shè)計；2018年第24題以飛機(jī)升力與飛行仰角的關(guān)系為課題，檢查學(xué)生數(shù)學(xué)模型建構(gòu)、實驗操作性定義、實驗結(jié)論的歸納以及遷移應(yīng)用等高階思維能力。命題以同一課題下的分項目、系列化、進(jìn)階式問題，考查也培養(yǎng)了學(xué)生的批判性思維和創(chuàng)新思維，為今后的命題提供了具有積極意義的范例，更推動了研究性學(xué)習(xí)的深入開展。

案例3“智能窗簾中的科學(xué)”的教學(xué)設(shè)計（執(zhí)教：溫州繡山中學(xué)陳慶旦）

主題：設(shè)計和制作自動窗簾

任務(wù)：1.讓手拉窗簾轉(zhuǎn)變成電動窗簾；

2.利用開關(guān)控制窗簾的電動關(guān)閉和打開；

3.天亮?xí)r自動打開窗簾，天黑時自動關(guān)閉窗簾；

4.天亮自動打開窗簾時，從P點(diǎn)移動到Q點(diǎn)自動停止。

思考：午休時如何實現(xiàn)窗簾的智能化？

【設(shè)計意圖】任務(wù)1 檢查學(xué)生對最基本電路的應(yīng)用；任務(wù)2喚起學(xué)生對電動機(jī)轉(zhuǎn)向受電流方向影響，以及使用單刀雙擲開關(guān)等知識和技能的回憶；任務(wù)3驅(qū)動學(xué)生思考如何在電路中增加光敏電阻和電磁繼電器組成光控開關(guān)；在任務(wù)3 形成產(chǎn)品空轉(zhuǎn)的矛盾沖突下，任務(wù)4繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生分別在P、Q點(diǎn)再安裝不同的光控開關(guān)改進(jìn)設(shè)計。思考則將學(xué)生導(dǎo)向數(shù)碼遙控智能化設(shè)計。任務(wù)和思考的設(shè)計由簡入繁、由淺到深，在完成產(chǎn)品不同版本的迭代升級中逐級進(jìn)階知識和技能。

STEM 立意的科學(xué)學(xué)科命題有效地利用真實情境，以解決真實問題為任務(wù)驅(qū)動學(xué)生回憶、再現(xiàn)知識，遷移應(yīng)用設(shè)計和制作智造產(chǎn)品，達(dá)成科學(xué)、有效的學(xué)生學(xué)業(yè)水平評價。STEM課程意識下的初中科學(xué)教學(xué)通過觀察社會實踐、生態(tài)工程、發(fā)明制作和電子產(chǎn)品等生活現(xiàn)象，提煉出蘊(yùn)含科學(xué)、工程、技術(shù)和數(shù)學(xué)等學(xué)科知識的跨學(xué)科、綜合性情境素材，以解釋現(xiàn)象、改進(jìn)產(chǎn)品等問題為任務(wù)驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生解構(gòu)并關(guān)聯(lián)科學(xué)模型；在遷移應(yīng)用科學(xué)大概念的基礎(chǔ)上，通過數(shù)理分析、邏輯推理和使用技術(shù)解決問題并形成項目推進(jìn)或產(chǎn)品迭代。推進(jìn)后的項目或迭代產(chǎn)品，又可以成為新的STEM課程意識下的科學(xué)教學(xué)資源，如此螺旋遞進(jìn)上升。