STEM立意的初中科學(xué)命題導(dǎo)向與教學(xué)改進(jìn)

金隆

摘 ? ?要：STEM立意的評(píng)價(jià)是引導(dǎo)教育培養(yǎng)綜合型、復(fù)合型人才的重要抓手。針對(duì)STEM立意的試題命題導(dǎo)向，初中科學(xué)教師在教學(xué)中應(yīng)以構(gòu)建科學(xué)大概念、引入生活現(xiàn)象真情境、開展科技小發(fā)明小制作、聚焦電磁機(jī)械學(xué)、推進(jìn)項(xiàng)目化研究性學(xué)習(xí)等方式，結(jié)合數(shù)理分析、邏輯推理以及技術(shù)應(yīng)用，改進(jìn)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：STEM;初中科學(xué);命題導(dǎo)向;教學(xué)改進(jìn)

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(jiǎn)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(shí)性、典型性和適切性，提高試題情境設(shè)計(jì)水平?；谡鎸?shí)情境下的問題解決學(xué)習(xí)——STEM學(xué)教方式是達(dá)成知識(shí)再現(xiàn)、聯(lián)結(jié)、應(yīng)用、鞏固和生成的有效載體和催化劑。科學(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(píng)價(jià)，促使STEM立意的初中科學(xué)學(xué)科命題在科學(xué)學(xué)科評(píng)價(jià)中逐漸落地生根，并越來(lái)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(duì)密切，以考查跨學(xué)科綜合性知識(shí)為主，目標(biāo)特別指向數(shù)理應(yīng)用、分析評(píng)價(jià)、創(chuàng)造設(shè)計(jì)等高階思維的試題，綜合分析它們的素材來(lái)源、教育立意、考查指向和發(fā)展趨勢(shì)，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）

STEM立意的試題廣泛分布于選擇、填空、實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jì)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(gè)小高峰外，總體呈增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，說明指向STEM的命題評(píng)價(jià)與STEM教育的政策推進(jìn)、部門落實(shí)和社會(huì)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(jiǎn)單機(jī)械、運(yùn)動(dòng)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(jí)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(jí)命題目標(biāo)又包含電路的分析、連接、計(jì)算、改進(jìn)、設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)以及電磁繼電器的使用等;指向生命科學(xué)的二級(jí)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(gè)考點(diǎn)都交叉、統(tǒng)整在一個(gè)真實(shí)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(huì)生產(chǎn)實(shí)踐的同時(shí)，考查學(xué)生對(duì)電路連接、歐姆定律、電功和電功率、食物與營(yíng)養(yǎng)以及地球與宇宙等科學(xué)知識(shí)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(píng)價(jià)與教育功能的統(tǒng)一。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，從2017年到2019年，命題目標(biāo)由原來(lái)聚焦電和磁、生命科學(xué)逐漸發(fā)散到簡(jiǎn)單機(jī)械、運(yùn)動(dòng)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(lái)源（見表3）

命題素材來(lái)源有新技術(shù)、新產(chǎn)品、小發(fā)明、小制作、電子產(chǎn)品、社會(huì)實(shí)踐以及生態(tài)工程等，主要來(lái)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(lái)源的新選擇。

二、STEM立意評(píng)價(jià)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(shí)STEM問題解決的知識(shí)基礎(chǔ)

很多時(shí)候，STEM問題的解決，更像是用眾多跨界（學(xué)科）的事實(shí)、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(duì)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(jì)也是一個(gè)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(duì)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(gè)科學(xué)知識(shí)的大概念和4個(gè)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(gè)科學(xué)核心知識(shí)和8個(gè)科學(xué)思想與方法，共28個(gè)初中科學(xué)教學(xué)關(guān)鍵問題，可視為是對(duì)科學(xué)大概念的二級(jí)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)所學(xué)知識(shí)的意義建構(gòu)[4]。真實(shí)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(jì)

任務(wù)：請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)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(jì)中溝渠水道的分布和走向依據(jù)什么？

2.設(shè)計(jì)中電力設(shè)施如何布網(wǎng)？怎么連接？

3.設(shè)計(jì)中為何要種植植物和養(yǎng)殖少量魚類等動(dòng)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?cè)O(shè)計(jì)一份美麗鄉(xiāng)村建設(shè)方案，應(yīng)該還要考慮什么？

……

【設(shè)計(jì)意圖】讓學(xué)生在方案設(shè)計(jì)、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(shí)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(jiǎn)入繁，在情境升級(jí)中實(shí)現(xiàn)問題升級(jí)，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(shí)踐的有效途徑?；顒?dòng)一般都涉及科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)和工程工藝等學(xué)科知識(shí)，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(shí)進(jìn)行匹配，建立對(duì)應(yīng)的學(xué)科模型，最后綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)審訂生產(chǎn)方案，實(shí)現(xiàn)學(xué)生在做和玩中動(dòng)手動(dòng)腦學(xué)科學(xué)。

案例2 ? 制作簡(jiǎn)易氣壓計(jì)

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(huì)引起橡皮膜凹凸程度的變化，從而使吸管繞 O 點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，指示氣壓大小變化。

【設(shè)計(jì)意圖】以簡(jiǎn)易氣壓計(jì)的制作為任務(wù)驅(qū)動(dòng)，融入壓力壓強(qiáng)、杠桿、大氣壓等科學(xué)知識(shí)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(shí)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(jì)等活動(dòng)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(shí)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(jì)算、說理、評(píng)價(jià)和改進(jìn)設(shè)計(jì)等;考查目標(biāo)集中指向電路的分析、連接、計(jì)算、設(shè)計(jì)以及電磁繼電器和各類靈敏電阻的使用;解答時(shí)常需要聯(lián)結(jié)簡(jiǎn)單機(jī)械、運(yùn)動(dòng)與力、化學(xué)反應(yīng)等知識(shí)，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(bào)警器、自動(dòng)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(tái)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(shí)、氣溫與氣壓、簡(jiǎn)單機(jī)械等知識(shí)，識(shí)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