以《我的水钟》STEM课程为例研究基于工程学思想和过程的形成性评价
汪小娇 杜伟
在构建素养导向综合评价体系、重视“教—学—评”一体化的发展背景下，以小学科学《我的水钟》STEM课程为例，实践基于工程学思想和过程的形成性评价，探讨形成性评价对教师、学生及STEM教育实施的影响。
一、研究缘起
新一轮课程改革理念倡导以课程目标为依据，构建素养导向的综合评价体系，强化过程评价，重视“教—学—评”一体化。在2022年出版的《义务教育科学课程标准》中，评价原则倡导跨学科融合、校内外结合，体现评价的综合性、增值性及过程性。2014年，美国从对教育的整体规划出发制定了STEM教育检测的指标，包括学生人数、教育时间、学习机会、教学材料、教育标准、参与度、教师的专业发展和相关教育研究等方面。我们将起源于美国的STEM教育引入国内中小学校，展开了广泛的实践，探索适合小学科学的STEM教育课程设计，STEM教育的评价已成为国内同行研究的热点。然而，在一线的小学科学STEM教育课例教学中，大多数教师主要关注最终评价，这种结果性评价往往以纸笔测试或作品点评为主，而忽略了形成性评价。叶兆宁指出，如何在教育过程中对学生的学习过程和学习成果做出科学合理的评价，会直接影响教学的质量，这是STEM教育落实到教学实践时必须解决的关键问题之一。
工程活动的本质是创造人工实体，设计与物化是其中两个重要的环节。设计与物化过程虽然有各种各样的类型，但大多数都包括以下基本环节：定义问题，设计与再设计，建立模型，检验与再检验，数据分析，交流结果。有专家认为STEM教育教学活动中形成性评价的设计方法，就是用工程学思想和过程将形成性评价显性化，并据此归纳总结了STEM教育教学活动形成性评价显性化的四个要点，即定义问题中的评价设计、设计与再设计中的评价设计、模型建立与检验中的评价设计、数据分析与交流结果中的评价设计。
受此启发，我们以小学科学《我的水钟》STEM课程为例，尝试基于工程学思想和过程逐步构建形成性评价，在实践中发现形成性评价对教师、学生及STEM教育实施的影响。
二、实例实践：我的水钟
《我的水钟》以“设计餐厅上菜计时器”为出发点，引导学生根据所学的水钟知识，小组合作设计和制作水钟。这是面向五年级学生开发的STEM教育教学课题，主要流程是：明确任务的要求和意义→设计我的水钟示意图→完善设计图→制作水钟→作品分享→反思总结。这一系列过程可极大地锻炼学生综合解决问题的能力，培养团队合作意识。在案例实施中巧妙地运用形成性评价，并通过工程学思想和过程使评价显性化，具有更强的可操作性。
（一）定义问题中的评价设计
STEM教育教学的第一步，是聚焦项目问题，确定要完成的任务。《我的水钟》是教科版科学五年级下册第三单元的第4课，在前三节课中，学生已经对水钟的概念和种类有所了解，完成了前置训练，明白了项目流程及意义。本课中，我们创设情境，明确任务：有一个餐厅老板向我们征集一个上菜计时器，让顾客点完菜之后，能知道服务员大概多久可以上菜。小组学生一起开动脑筋，思考应该如何设计并制作一个计时5分钟的受水型水钟。
该情境明确给出了最终的项目设计成果——一个计时5分钟的受水型水钟，也就是最终对小组的评价是能否做出一个计时5分钟的受水型水钟。这样，评价标准在一开始就显性地呈现在学生面前，被每个学生了解。另外，组织学生在小组内充分讨论，以情境赋予学生工程师的身份，可以有效激发学生项目设计的兴趣。
讨论结束之后，教师引导学生进一步思考：如果想让你们小组的作品被老板选上，还需要考虑哪些方面呢？这不仅是学生作品测试的主要内容，也是必须明确的评价方法。经过各个小组的充分讨论，共同总结出本次制作“我的水钟”工程项目的四个评价方向：美观、计时准确、成本、稳固。这样，不仅确保学生明确了项目的要求，而且同时确定了本次STEM教育课程的评价量规，该评价方法会伴随教学的整个过程，时刻作为形成性评价的指标。
（二）设计与再设计中的评价设计
为了体现工程设计的思想，使活动与生活实际密切相关，教师添加了一个项目活动细则：即要求每个小组在有限的经费条件下（经费预设为30元），自主选购制作水钟的材料，经费超标或材料浪费，将会影响到最终的评价结果。根据个人设计的方案选购器材时，学生需要综合考虑方案、价格等综合因素和思考的过程与方法，显性地在购买清单中体现出来。部分小组为了兼顾价格，还尝试修订最初的设计“水钟示意图”。在选购与修订初稿的过程中，学生初步完成了模型的设计，画出尽可能美观、稳固的计时水钟设计图。
购买材料和画设计图的过程，是课程设计者评价学生对水钟的计时原理和受水型水钟装置的熟知程度，同时也提升学生对限制条件的理解。这两个思考的线索你中有我、我中有你，学生的思维通过选购清单和绘图跃然纸上，生成了利于教师捕捉的评价依据，使课堂评价更加有据可依。
在此过程中，还要求每个小组进行详细的分工合作，责任到人，确保后面的制作过程在有限的时间内可以顺利完成。这是评价学生统筹能力和大局观的有效手段，把评价落实到教学过程中的每一个细节，发挥评价促进每一个学生思考、发展的作用。
（三）模型建立与检验中的评价设计
学生根据小组内确定的方法购买材料并按照设计图进行水钟模型的构建，对每个小组的水钟会进行计时5分钟的水流测试，检测所标注的刻度是否与时間一一对应，同时，检测水钟的稳固性。在这个阶段，教师使用两种方法评价学生的工作。
一是提供评判水钟计时准确度和稳固性的方法，通过评测学生作品完成任务的实际程度评价学生在搭建和测试过程中能力的发展。教师为学生提供了检测水钟计时准确度和稳固性的方法：肉眼观察法。学生在教师用秒表统一计时的情况下，同时加水，肉眼观察一分钟时水位是否与所画的刻度重合，两分钟呢？三分钟、四分钟直至五分钟，测试停止。如果完全重合或者有微小误差，就可以认为水钟计时准确。同时，肉眼观察水钟模型是否倾斜或者倒塌，判断水钟是否稳固。这不仅让学生再次深刻理解受水型水钟的计时原理以及稳定性原理，也教会学生运用测试技术评价水钟的计时准确度和稳定性。学生需根据测试的情况发现模型建立过程中的问题和薄弱环节，分析原因，找寻解决方案调整水钟的设计。最终的测试结果将体现学生设计和制作的真实水平，通过评价促进学生核心素养发展。
二是通过水钟设计工作表开展形成性评价。只关注水钟的最后效果并不能准确完整地了解学生建模和测试的过程，以及在这个过程中学生的思考、发现和理解上的转变。所以，在建模上与检验中，过程性资料的积累是必不可少的，它是学生学习过程的呈现，也是教师对学生进行评价的直接证据。水钟设计工作表（表1）即为此阶段的评价工具。
该设计工作表记录了不同的设计方案，以及对水钟计时的准确度的自我分析与评价。通过这个工作表，教师就可以了解学生对多少种设计方法进行了尝试，以及学生如何对问题进行思考、分析和总结。这是教师对学生认知和能力进行评价的有力工具。
（四）数据分析与交流结果中的评价设计
在教学结束之前的沟通、交流与反思中，学生进行了一场数据分析和产品交流，在交流开始之前，学生需完成导学单中的内容，还有几个需要思考并独立回答的问题。问题一：我们作品的亮点是什么？问题二：我们遇到的主要问题是什么？是怎么解决的？问题三：我们的团队合作得怎么样？组员的表现如何？说说原因。问题四：通过这个项目活动，你有什么收获？问题五：如果再来做这个项目，你觉得怎样做会更好？或者你有什么想研究的吗？
这些问题的设置是非常有意义的。问题一要求学生对自己小组的作品进行介绍，充分展示作品的亮点，在一定程度上培养学生的团队荣誉感;问题二让学生说出在水钟设计的过程中遇到了哪些问题，又是如何解决的，意在培养学生发现问题和解决问题的能力;问题三指向学生小组内自评和互评，强化学生在项目学习的过程中，团队合作的重要性与必要性;问题四鼓励学生说出自己在该活动中体会到的意义和价值;问题五激励学生对项目活动过程进行进一步的反思和修正，明白STEM教育课程不局限于课堂，课余仍可以进行更深入的科学探究。教师可以根据学生的回答，较客观地评价学生的认知、技能和思维发展，可以更好地关注到学生的个体差异。
在数据分析与交流结果的评价设计中，“我的水钟”实例还利用项目评价表（表2）将形成性评价显性化。项目评价表中，计时准确和稳固的评价是通过检测手段，由教师评价完成的;成本的评价通过学生自评完成;美观的评价通过学生与学生之间、小组与小组之间互相投票完成;最后进行综合性评价，对项目结果进行全方位的总结。由此可见，评价主体可以是多元的，方法也可以是多样的，这样可以充分发挥学校、教师、学生等参与评价的积极性，综合利用各评价主体的评价结果，促进教学方式的改变，促进学生核心素养的发展。
三、反思与启示
从《我的水钟》这个教学实例分析可以发现，在形成性评价导向下，教师能够及时真实地了解到学生的认知水平、思维过程和技能发展的过程。教师根据具体情况推进教学进度，针对不同水平的学生采取对应的教学手段，彻底改变了传统的结果性评价，使教师的评价手段更加丰富且有力度。在形成性评价导向下，教师切实成为STEM教育课堂教学的设计者、组织者、引导者、监督者与“研究伙伴”，学生转变成STEM教育课程的参与者、体验者、发现者、思考者、合作者。融入了工程学思想和过程的形成性评价，促进“有效地教”与“快乐地学”協调统一，使STEM教育的落实更加有章可循。在STEM教育教学活动中，要立足于工程学的思想和过程，在定义问题→设计与再设计→建立模型与检验→数据分析与交流结果这四个核心环节将形成性评价显性化，实现“教—学—评”一体化，达到以评价促进学生核心素养发展、改进和优化教学的目的。
【本文系广东省教育研究院第二批STEM教育专项研究课题“小学科学与STEM教育有效融合策略实践研究”阶段性研究成果（立项编号：GDJY-2020-S-a006）】
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