初中科學技術(shù)與工程測評試題命制研究*

胡晴霞|浙江省杭州市西湖區(qū)教育發(fā)展研究院

技術(shù)是人類為實現(xiàn)社會需要而創(chuàng)造和發(fā)展起來的手段、方法和技能的總和。工程是運用科學原理和技術(shù)手段創(chuàng)造人造物的過程。工程與技術(shù)以及科學雖有區(qū)別，但在實踐中卻密不可分［1］。《義務(wù)教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“《課程標準》”）將“技術(shù)、工程與社會”“工程設(shè)計與物化”列入13 個科學核心概念之中，它們涉及技術(shù)與工程的特點、技術(shù)與工程對人們生產(chǎn)和生活產(chǎn)生影響等科學概念，同時涉及結(jié)構(gòu)與功能、系統(tǒng)與模型、物質(zhì)與能量等跨學科概念。通過技術(shù)與工程實踐的教學設(shè)計，可以幫助學生形成科學觀念，培養(yǎng)初步的科學思維能力、探究實踐能力，樹立正確的科學態(tài)度與社會責任。通過對相關(guān)內(nèi)容的評價，可以檢測學生的科學素養(yǎng)，考查學生跨學科知識的綜合水平，促進教師進行指向技術(shù)與工程科學教學的設(shè)計和實施。

一、技術(shù)與工程測評試題的命制依據(jù)

試題的命制通常要考慮測量目標、刺激情境、任務(wù)設(shè)計、參考答案四個方面。測量目標、刺激情境、任務(wù)設(shè)計為試題的三要素，它們之間相互關(guān)聯(lián)、高度融合。測量目標主要為技術(shù)與工程實踐能力；刺激情境雖然多樣化，但大多為生產(chǎn)、生活、學習中的相關(guān)事件；任務(wù)設(shè)計則是基于測量目標，立足情境而設(shè)計相關(guān)問題。與一般試題的命制不同，技術(shù)與工程試題的測量目標、刺激情境、任務(wù)設(shè)計均圍繞工程實踐過程展開，涉及結(jié)構(gòu)與功能、系統(tǒng)與模型、物質(zhì)與能量等跨學科概念。

（一）技術(shù)與工程實踐的要素分析

美國《新一代科學教育標準》中指出了八大“科學與工程實踐”要素，包括：提出問題與確定問題；開發(fā)與使用模型；計劃與進行研究；分析與解釋數(shù)據(jù)；使用數(shù)學與計算思維；構(gòu)建解釋與設(shè)計解決方案；參與基于證據(jù)的論證；獲取、評估與交流信息［2］?！墩n程標準》明確提出技術(shù)與工程實踐需要學生“了解技術(shù)與工程的一般過程和方法，針對實際需要明確問題，提出有創(chuàng)意的方案，并根據(jù)科學原理或限制條件進行篩選；實施計劃，利用工具和材料進行加工制作；根據(jù)實際效果進行修改迭代；用自制的簡單裝置及實物模型驗證或展示某些原理、現(xiàn)象和設(shè)想”。綜上所述，筆者在技術(shù)與工程實踐能力要求的基礎(chǔ)上進一步分析、歸納和提煉，構(gòu)建了技術(shù)與工程實踐要素模型（如圖1所示）。

圖1 技術(shù)與工程實踐要素模型

（二）技術(shù)與工程測評試題命制模型

根據(jù)試題的組成要素，結(jié)合技術(shù)與工程學業(yè)要求，可形成一核三維命題模型（如圖2 所示）。一核指的是“模型物化”，三維指的是技術(shù)與工程實踐要素、科學概念、情境。X軸代表能綜合運用所學的科學核心概念和跨學科概念，識別模型的基本原理和方法。Y軸代表技術(shù)與工程實踐的基本要素，從多學科、跨學科的角度，遵循構(gòu)思、設(shè)計、優(yōu)化、實施、檢驗、修改等過程，設(shè)計制作簡單的裝置，開展相關(guān)的技術(shù)與工程實踐。Z軸代表試題的情境素材，結(jié)合現(xiàn)實生活中所遇到的真實情境，基于技術(shù)與工程實踐問題需求，選擇、確定適合學生解決的技術(shù)與工程問題。

圖2 技術(shù)與工程一核三維命題模型

在命題時，首先要根據(jù)學業(yè)要求，確立考查的科學概念和規(guī)律，考慮科學方法和思維的考查水平。其次，要結(jié)合學生已有的認知、能力儲備，選擇適合學生的技術(shù)與工程實踐問題，用簡潔易懂的文字對問題進行編輯，抽象出主要問題。最后，要聚焦于考查科學關(guān)鍵能力問題的設(shè)置，可以根據(jù)物化模型，對模型的科學原理、設(shè)計、應用等進行問題設(shè)置。

二、技術(shù)與工程測評試題的命制實踐

（一）選取技術(shù)與工程測評試題的命題素材

試題情境是學生解題時的首要感知，是測量目標的有效承載，是任務(wù)設(shè)計的重要素材。測評情境以基于學生的經(jīng)驗與生活、面向真實的技術(shù)世界為理念［3］。在技術(shù)與工程類試題的命制中，選擇具有實際意義的真實情境，通常能夠結(jié)合科學知識，實現(xiàn)科學原理向?qū)嵱霉こ碳夹g(shù)的轉(zhuǎn)化，從而可以考查學生將科學原理應用于技術(shù)與工程的能力。

1.素材類型

情境材料多種多樣，基于技術(shù)與工程類試題的特征，命題者可重點關(guān)注以下幾類素材。

日常用品類。在日常生活中我們總是會用到各種各樣的器具，如電熱水壺、消毒噴壺、打印機、空調(diào)支架、移動晾衣架等。以這些素材來創(chuàng)設(shè)情境，不僅能考查學生對知識的理解和應用能力，也能引導學生關(guān)注生活、關(guān)注社會。

科技發(fā)明類。當今世界科技發(fā)展日新月異，如轉(zhuǎn)基因技術(shù)、超導技術(shù)、人工智能技術(shù)以及各種發(fā)明創(chuàng)造。以這些素材來創(chuàng)設(shè)情境，可以加強學生對新事物的理性判斷，培養(yǎng)學生的技術(shù)理性和倫理觀念。

重大工程類。社會的進步離不開工程，工程問題是綜合性問題，命題者可以挖掘其中適合初中生識別的部分，如與青藏鐵路建設(shè)有關(guān)的凍土層熱管技術(shù)、杭州西溪濕地綜合保護工程、都江堰水利工程等，將其整理加工后作為試題情境。這種情境可以增強學生對保護環(huán)境、推動生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展的責任感，激發(fā)其民族自豪感。

2.情境特征

刺激情境承載著考查目的，隱含著價值追求。將技術(shù)與工程實踐素材選作試題情境時，要關(guān)注以下特征。

真實性。工程情境要真實可靠，最好來自實際生活或者權(quán)威資料，對于通過互聯(lián)網(wǎng)等途徑所獲得的素材，命題者要做好考證甄別。同時，篩選時要考慮不同地域、不同層次學生的知曉度，留意不同領(lǐng)域素材的均衡性，為公平考查奠基。

導向性。技術(shù)與工程實踐是影響社會、改造自然的活動，命題者在通過試題引導學生關(guān)注實際問題的同時，要關(guān)注技術(shù)與工程活動蘊含的思想觀念、思維方法、倫理道德，要使其有利于產(chǎn)生積極的育人價值。

關(guān)鍵性。技術(shù)與工程情境涉及科學核心知識，指向技術(shù)與工程實踐的關(guān)鍵要素，隱含結(jié)構(gòu)與功能、系統(tǒng)與模型、穩(wěn)定與變化等跨學科概念，具有考查學生科學關(guān)鍵能力的潛質(zhì)。

（二）技術(shù)與工程測評試題的任務(wù)設(shè)計

美國《K-12教育中的工程：理解現(xiàn)狀和提升未來》報告指出，K-12工程教育應該強調(diào)工程設(shè)計，應該發(fā)展性地體現(xiàn)相關(guān)的且重要的數(shù)學、科學和技術(shù)的知識與技巧［4］。因此，命制技術(shù)與工程試題，要關(guān)注技術(shù)與工程實踐基本要素，并通過工程任務(wù)，對學生的認知水平、科學思維、探究實踐進行評價。試題應著重從以下三方面進行命制：一是指向技術(shù)與工程的模型理解，考查學生將科學和技術(shù)與工程關(guān)聯(lián)的能力；二是指向工程模型設(shè)計，考查學生方案設(shè)計和建模能力；三是指向技術(shù)與工程方案的評價與優(yōu)化，考查學生分析能力和創(chuàng)新思維。

1.指向模型理解的技術(shù)與工程的任務(wù)設(shè)計

任何一項工程設(shè)計背后都有科學原理的支持，工程模型的設(shè)計過程一般從需求出發(fā)，在科學概念及原理的指導下，基于已有的技術(shù)手段，設(shè)計出解決問題的工程模型。在試題命制時，可以選擇合適的工程模型，用文字表述、結(jié)構(gòu)圖形、表格等呈現(xiàn)工程模型形成的基本過程，展示工程模型所具備的基本功能，設(shè)置科學原理性問題，考查學生從功能到結(jié)構(gòu)再到科學原理的反向推導能力。初中生具備了初步的科學知識以及應用能力，但是要解決一項實際意義上的工程問題，其知識儲備、技能涵養(yǎng)是不足的，故可以選擇對工程設(shè)計類問題的解釋、原理解讀等來進行測評。因此選擇合適的工程模型，來考查學生科學、技術(shù)、工程的關(guān)聯(lián)能力尤為重要。

【例1】［2020年浙江省初中學業(yè)水平考試科學（溫州市卷）第30 題］英國物理學家斯特林于1816年發(fā)明了“斯特林發(fā)動機”。斯特林發(fā)動機氣缸內(nèi)工作介質(zhì)易汽化、易液化，該介質(zhì)經(jīng)過吸熱膨脹、冷卻壓縮的循環(huán)過程輸出動力，因此又被稱為熱氣機。某工程師按照“斯特林發(fā)動機”原理設(shè)計了如圖甲（圖略）所示的模型機，工作過程中飛輪持續(xù)旋轉(zhuǎn)如圖乙（圖略）。請結(jié)合所學知識解釋飛輪能持續(xù)轉(zhuǎn)動的工作原理。

【分析】該題以學生對于教材中四沖程熱機工作原理的認識，以及工作示意圖的理解為基礎(chǔ)，選擇“斯特林發(fā)動機”的工程模型為情境，通過文字、示意圖等形式，闡述該發(fā)動機工作的過程。從科學思維角度，考查學生信息獲取和分析的能力，比如在圖乙的四幅圖中，需要學生通過辨識理解上下兩個活塞的運動方向和飛輪、連桿之間存在什么關(guān)系，四幅靜態(tài)原理圖如何連貫運行，工程結(jié)構(gòu)是如何實現(xiàn)功能的等諸多問題。該題所考查的科學知識包括能量的轉(zhuǎn)化、運動和力的相關(guān)知識，突破關(guān)注零碎知識和技能的測評方式，著重考查學生的信息獲取能力、分析能力、歸納能力等。

2.指向模型設(shè)計的技術(shù)與工程的任務(wù)設(shè)計

技術(shù)與工程是人類將所掌握的科學知識轉(zhuǎn)化為技術(shù)應用終端的方式。在轉(zhuǎn)化過程中需要根據(jù)應用目的，結(jié)合應用環(huán)境，在已有科學技術(shù)的基礎(chǔ)上提出工程設(shè)計，讓學生在學習時感受科學學習的作用。對科學實際應用的模型設(shè)計進行測評，能幫助學生樹立正確的科學觀，因此對于技術(shù)與工程模型設(shè)計的考查顯得尤為重要。形式上，可以通過“表述是否清晰”“設(shè)計原理是否科學”“結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理”“功能設(shè)計能否達成”等方面對測評工程方案進行問題設(shè)置?；趯W生的基本認知，在選擇模型情境時，可以選擇與學業(yè)相關(guān)的簡單機械模型，或某一復雜模型的部分結(jié)構(gòu)。該類題型的問題設(shè)置模式多樣，可以是工程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計，也可以結(jié)合具體需求，通過草圖的繪制、文字的表述等形式進行可視化的工程設(shè)計。

【例2】［2022年浙江省初中學業(yè)水平考試科學（麗水市卷）第31 題］如圖甲（圖略）是清代的手持消防水槍，它在消防滅火中發(fā)揮過一定作用，其部分結(jié)構(gòu)如圖乙（圖略）：槍身由內(nèi)外兩個套筒組成，外筒底部是進水口，內(nèi)筒頂端是噴水口、底部有活塞。使用時將進水口浸沒在水中，先向上提內(nèi)筒吸水，再向下壓內(nèi)筒噴水，如此反復。

【原理分析】使用消防水槍吸水時，主要是利用了____。

【方案設(shè)計】如圖丙和丁（圖均略）是小麗設(shè)計的消防水槍進水口的兩種結(jié)構(gòu)，合理的是____。

【分析】該題基于手持消防水槍模型，通過圖片加文字的描述，概括了水槍的用途和功能。第一問為原理分析；第二問給出兩幅設(shè)計圖，讓學生判斷哪幅圖合理，主要考查內(nèi)容為單向閥門的應用，需要學生從給出的信息中確定消防水槍工作時的基本過程，從功能上來講需要實現(xiàn)“水槍吸水時，閥門向上打開，噴水時閥門閉合”，該種閥門在九年級科學熱機的結(jié)構(gòu)圖中有所提及。學生如果能夠明確消防水槍吸水和噴水的功能，即可從功能去推測結(jié)構(gòu)。這有助于促進學生對“結(jié)構(gòu)與功能”觀念的理解。

命制技術(shù)與工程試題，首先，在設(shè)置結(jié)構(gòu)、設(shè)計問題時需要明確設(shè)計的意義，這里的意義指能夠體現(xiàn)學生的科學知識和實際應用能力。其次，作為紙筆測試的試題考查，需要選擇適合測試的作答方式，作答的形式可以有多種，如選擇、填空、簡答。最后，在設(shè)置問題時，可以根據(jù)所選取的工程模型，對其設(shè)計的合理性、科學性、目的性進行考查。工程樣品的設(shè)計考查，除了對模型結(jié)構(gòu)進行設(shè)問外，還可以從材料或藥品選擇、工作過程等方面進行提問。

【例3】［2022年浙江省初中學業(yè)水平考試科學（杭州市卷）第32題］

（1）呼吸氣路的設(shè)計：自救呼吸器使用時，需用鼻夾夾住鼻子，用嘴咬合呼吸軟管進行呼吸。在正常呼氣時，單向閥A和B的開閉情況是___（選填“A 打開，B 閉合”或“A 閉合，B 打開”）。

（2）生氧藥品的選擇：小金查閱資料發(fā)現(xiàn)超氧化物（用MO2表示，其中M為+1價）可與人呼出氣中的CO2、H2O反應生成O2，其反應的化學方程式為：

X 的化學式為____。500 g 超氧化鉀（KO2）和500 g 超氧化鈉（NaO2）的生氧性能如圖（圖略）所示。小金依據(jù)人正常呼吸時需要生氧藥品的生氧速度不低于1 L/min，并結(jié)合自救呼吸器的結(jié)構(gòu)和生氧藥品的生氧性能，選取了KO2作為生氧藥品。選取KO2的優(yōu)點是____。（寫出1點）

（3）影響自救呼吸器有效防護時間的因素有___（選填序號）。

①生氧藥品的質(zhì)量 ②外界有毒有害氣體濃度 ③外界氧氣濃度 ④生氧藥品的種類

【分析】該題基于實際需求，以缺氧或高濃度有害氣體環(huán)境下的自救呼吸器為載體，從技術(shù)與工程的設(shè)計原理、材料及藥品選擇、產(chǎn)品設(shè)計評價等方面，對學生的學科關(guān)鍵能力進行考查。第（1）小題要求學生利用氣壓相關(guān)知識，分析生氧裝置的工作過程，考查模型設(shè)計技術(shù)。第（2）小題要求學生根據(jù)質(zhì)量守恒定律，寫出化學式，并根據(jù)所給出的圖像，對藥品選擇作出科學解釋。第（3）小題要求學生對于裝置的適用環(huán)境、影響因素作出判斷。上述內(nèi)容體現(xiàn)了工程設(shè)計要基于一定的科學原理，符合此類試題命制的要求。

3.指向方案評價與優(yōu)化的技術(shù)與工程的任務(wù)設(shè)計

工程產(chǎn)品受限于當時的技術(shù)水平和科學認知，不同時代的產(chǎn)品能夠體現(xiàn)出時代特色，也能反映出時代的科技水平，是一個逐步發(fā)展、進步、修正、完善的過程。工程實踐的發(fā)展過程，也為工程情境提供了較多可用素材，命題者可以由古論今，也可以由今論古，對所選擇的工程樣品進行評價與優(yōu)化。在設(shè)置試題問題時，可以根據(jù)所給的工程模型從工程設(shè)計的科學性、工程設(shè)計的合理性、工程技術(shù)的安全性、工程結(jié)構(gòu)的功能性、工程實用的經(jīng)濟性等角度進行評價，并可以針對原有模型中的不足之處提出自己的意見，同時完成方案的優(yōu)化。

【例4】［2021年浙江省初中學業(yè)水平考試科學（麗水市卷）第34 題］小科和小思在爺爺家看到不能移動的土灶（如圖甲，圖略）……了解到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖乙（圖略）所示：木柴添加通道與煙囪相連，通風道與木柴添加通道通過中間鐵柵連通。于是分別設(shè)計了移動式土灶（如圖丙和丁，圖略）。

（1）為使木柴充分燃燒，移動式土灶設(shè)計更合理的是___（填“丙”或“丁”）。

（2）土灶設(shè)計煙囪的作用是___。

（3）資料顯示：1 千克干木柴在土灶中燃燒，能產(chǎn)生約12.5克固體粉塵。從環(huán)境保護的角度，提出一條合理建議____。

【分析】該題以生活中的土灶為情境，構(gòu)建出土灶模型圖。第（1）小題要求學生對移動土灶的兩種設(shè)計方案作出評價，需要學生從所給的圖像信息中發(fā)現(xiàn)兩種設(shè)計（丙和?。┑牟煌帲⊙b置有一個通風口，能進入更多的空氣，使木材充分燃燒。第（2）小題要求學生對土灶煙囪設(shè)計作出評價，從科學的角度進行分析，學生需要答出：這樣的設(shè)計有利于冷熱空氣形成對流，有利于可燃物充分燃燒，有利于排出氣體和煙塵。第（3）小題要求學生對原有設(shè)計從環(huán)保角度作出方案的優(yōu)化改進，可以填寫“加裝除塵裝置或改進土灶結(jié)構(gòu)”等。此類考題既能讓學生感知技術(shù)與工程的發(fā)展，又滲透保護環(huán)境的意識，能強化學生的責任感，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

三、評述與討論

對于技術(shù)與工程測評，各地中考試題的紙筆測試中都有所體現(xiàn)。紙筆評價方式適用于考查學生知識的掌握情況、思維水平的層次，但是對于學生的實際操作能力、解決問題的能力缺乏對應效果。紙筆測試難以全面評價學生的關(guān)鍵能力，學生可能出現(xiàn)會寫不會做、會做不會寫的情況。為此，需要在教學過程中對該類測評進行及時評價，如可以通過模型設(shè)計、模型制作、模型應用、模型優(yōu)化等過程，對技術(shù)與工程進行有效評價。當下，由于缺乏工程實踐評估素材，導致難以開展有效的工程實踐評估活動，無法體現(xiàn)初中科學的學科特質(zhì)，因此我們更需要積極探索技術(shù)與工程實踐能力評估工具的開發(fā)和應用，從而真正落實核心素養(yǎng)的培育。