美国STEM教育质量评价新动向*——NAEP技术与工程素养评价要点与启示

林 静

(北京师范大学中国基础教育质量监测协同创新中心，北京 100875)



美国STEM教育质量评价新动向*
——NAEP技术与工程素养评价要点与启示

林 静

(北京师范大学中国基础教育质量监测协同创新中心，北京 100875)

技术与工程是STEM教育的重要内容领域，但在美国也一直未得到重视。为了推进美国技术和工程教育的标准化、规范化，以更好地开展STEM教育促进美国21世纪人才的培养，美国负责监测国家基础教育进步状况的NAEP于2014年冬开展了一项新的基础教育质量评价项目——技术与工程素养评价。该项评价以技术和社会、设计和系统、信息和通信技术为三大内容领域，以理解技术原理、制定方案达成目标、交流合作为三类能力目标，以社会事件、设计目的、学校和社区中的问题为任务情境，考查学生作为21世纪公民所需的运用、理解和评价技术的技术与工程素养。此项旨在基于证据提升美国STEM教育质量的评价项目，其评价内容和评价方式，对我国基础教育开展STEM教育培养21世纪科技人才具有重要的借鉴价值。

技术与工程素养;STEM教育;21世纪技能;教育质量评价

NAEP是美国教育部领导下的国家教育进步评价项目(The National Assessment of Educational Progress)的简称。自1969年开始，NAEP持续评价了美国4、8、12年级学生在阅读、写作、数学、科学、历史和地理等多个学科领域“知道什么、能做什么”的学业发展趋势，并结合一些人口统计学变量(例如性别、种族、家庭经济等)分析参评各州的教育质量状况。技术和工程素养评价是NAEP新近开展的项目，本文着重从评价内容和评价方式上对其进行分析，由此一窥美国基于评价推进技术和工程教育、STEM教育的要点，以及美国对21世纪人才的素养要求，供我国基础教育参考与借鉴。

一、评价的目的与意义

为了持续保持科技在世界上的领先地位，美国一直非常重视科技人才的培养。科学为大众，提升每一位学生的科学素养，STS教育(理解科学、技术、社会三者之间的关系)，这些都是美国在20世纪下半叶的科学教育改革中提出的科学教育宗旨和目标。1985年，美国又发起了“2061计划”，致力于全面提升中小学生科学、数学以及技术方面的素养，并先后颁布了相关的国家教育标准，以引领和规范各州对学生科技素养的培养，使得2061年哈雷彗星再次临近地球时美国仍矗立于世界顶尖位置。

进入新世纪，面对以知识创新和应用为主要特征的知识经济，美国加强保持世界领先地位的意识和举措。2006年美国总统布什在其签署发布的《美国竞争力计划》(AmericanCompetitivenessInitiative，ACI)中提出加强科学、技术、工程和数学(STEM)教育，以宽阔的领域、协同的策略来培养具备STEM素养的科技人才，以持续保持美国国际领导力和全球竞争力。2009年11月，美国总统奥巴马启动“创新教育”运动(“Educate to Innovate” Campaign)，计划公私联合投入2.6亿美元推进STEM教育，使得未来10年内美国学生的科技和数学水平能名列世界前茅。2011年，奥巴马又在《美国创新战略》(AStrategyforAmericanInnovation)中将加强STEM教育作为推进美国未来经济增长和国际竞争力的国家战略之一。

STEM教育中的科学、数学教育一直是美国教育的核心内容，相对而言技术和工程教育原来并未得到重视(Andrew Gillies，2015)。现在美国各州根据本地科技、人力、财力等资源情况，各自开展校内、校外的STEM教育，或以校外工作坊的方式，或校内独立开课，或融入学校的科学、社会研究以及语言艺术等课程(Corlu，Capraro，& Capraro，2014)。为了推进美国技术和工程教育的标准化、规范化，同时也促进各州对其的重视，NAEP开设技术与工程素养评价项目，2013年进行了预测，2014年底在全国840所学校共抽取21500名8年级学生进行了首次测评(NAEP，2016)，揭示学生关于技术和工程“知道什么，能做什么”的素养情况，从而以评价提供证据来促进技术和工程教育质量的提升。

二、评价内容

NAEP对技术与工程素养的定义是指一个人运用、理解和评价技术的能力，包括理解制定解决方案和达成目标所需的技术原理和策略(NAEP，2014)。NAEP指出，评价关注的技术与工程素养，是所有学生作为技术社会的公民而不是工程师或技术人员，对技术和工程所应知道的知识和能力。

NAEP研发评价框架注重稳定性与前瞻性，由此可以监测教育进步情况。《2014年技术与工程素养评价框架》(2014AbridgedTechnologyandEngineeringLiteracyFramework，下文简称框架)计划指向十年内的技术与工程素养评价要求。面对日新月异的科技发展和创新，这是一个巨大的挑战。由此，框架以技术和社会、设计和系统、信息和通信技术(ICT)这三大跨领域内容以及理解技术原理、制定方案达成目标、交流合作这三类综合性能力来构架评价内容，以此来引导美国技术和工程教育培养学生最为核心的技术与工程素养。

(一)三大内容领域

当人们进行某项技术和工程活动，例如净化水质、解决能源需求或搜寻信息时，不仅需要理解相关的技术系统和工程设计过程，同时还要能运用多种ICT去研究问题、制定合乎伦理的解决方案。因此，NAEP的技术与工程素养三大评价内容领域在评价中不是彼此孤立地被测评的，而是相互关联的。

1.技术和社会

技术和社会领域的内容包括技术对社会和自然界的影响，以及这些影响所带来的伦理问题，下分4项子内容领域：技术和人类的相互作用，包括社会以何种方式推进新技术的发明和创新，以及技术如何服务和改变社会；技术对自然界的作用，包括积极和消极的作用；技术对信息和知识的影响，关注的是ICT如何改变数据存储、组织和获取的方式，以及这些改变对社会带来怎样的益处和挑战；伦理、公平和责任，是关于技术对人类产生的影响，什么情况下这些影响的利弊会被放大或降低，以及应有的对技术决策的社会责任感。

框架规定了各项子内容领域4、8、12年级的具体评价内容(见表1)，使得技术与工程素养的评价目标具体、科学、清晰。关于4年级学生对于技术和人类的相互作用的理解，可以以手机能给人们带来联系沟通的便利因而得以发明、生产和销售这一事例来考查。对于8年级学生，则可以以人们对长途运输的需求促进交通系统的发展，而交通系统的发展又推进社会、经济发展这一事例来考查。而12年级的学生则需要运用不同的技术设计原理去分析技术和社会相互影响带来的复杂问题，还应思考多种解决方案。

2.设计和系统

设计和系统领域的评价内容有：技术的本质，是关于技术的定义，涉及所有人们为满足自身需求而开发的产品、程序和系统等；工程设计，是关于解决技术问题、满足人们需求的系统方法；系统思考，指能综合考虑设备和场景从而更好地理解各要素之间的相互作用、问题的根源以及不同解决方案所带来的后果；维护和检修，指预防技术设备和体系出现故障，并且当出现故障时能进行诊断和解决的系列方法。4、8、12年级的设计和系统领域评价内容如表2所示。

表1 技术和社会领域评价内容

表2 设计和系统领域评价内容

3.信息和通信技术

ICT领域的内容包括计算机硬件和软件的学习工具、网络系统以及使用协议，还有便携式数字设备，以及其他获取、创建和交流信息、促进表达的技术。这一领域下分五项子内容领域：交流，指能运用系列ICT、媒体与他人交流和合作的基本技能；信息研究，指运用技术和媒体发现、评价、分析、组织和整合不同来源信息的能力；问题研究，指运用ICT发现并解决校内外现实问题的能力；尊重分享，指尊重他人的知识产权；选用工具，指选用适宜的数字化工具、运用多种电子设备的知识和技能。表3呈现了ICT领域在4、8、12年级的具体评价内容。

(二)三类实践能力

技术与工程素养评价期待学生都能运用特定的思维和推理方式解决问题，评价的三类跨领域的实践能力分别是：理解技术原理，即运用有关技术知识的能力；制定方案实现目标，即系统地运用技术知识、工具和技能解决现实情境中的问题并成功地达成目标的能力；交流和合作，即以多种目的和方式使用现代技术进行交流的能力。

表3 ICT领域评价内容

三类实践能力的考查是与三大内容领域的考查相联系的。例如，与他人有效交流和合作的能力是理解技术对自然界的作用、设计解决方案、运用ICT达成目的所不可或缺的。框架规定了三类实践能力在三大内容领域的表现要求，其具体评价目标如表4所示。这些实践能力的评价目标在4、8、12年级的评价中是一致的，但结合各年级不同的内容要求，在难度上会有所差异。例如，都是评价学生制定研究计划的能力，对4年级学生可能要求围绕简单问题、简易目标来制定研究计划，对8年级学生可能要求制定周边复杂问题的研究计划，而对12年级学生则可能要求运用系统思维制定一个全球性问题的研究计划。

三、评价方式

为有效评价学生技术与工程素养，NAEP在评价方式上有所创新，运用信息技术模拟现实，创设问题丰富的多媒体情境，让学生在计算机上借助网络与虚拟的同伴和专家合作完成系列交互式任务。

(一)基于情境的评价

技术与工程素养评价主要围绕社会事件、设计目的、学校和社区中的问题来创设问题情境。根据情境的复杂程度以及嵌入情境之中的评价任务和试题数目的不同，评价情境有长情境(约25分钟)和短情境(约12—15分种)之分。一次评价一般共计时120分钟。

评价任务一般是解决来自现实中的一个问题。例如NAEP网站上的示例(NAEP，2015)就是要求学生扮演工程师解决一个偏远山区供水方面的故障。这个评价任务以三维动画课件呈现情境和任务，还设置虚拟网络供学生查询当地水井的构造以及供水原理、附近地区供水情况，从而诊断故障。当问题聚焦在水井的抽水泵时，学生需要运用系统思维来分析什么线索可以证明是抽水泵出了问题，再制定修复抽水泵的方案。完成检修任务之后，学生还要设计一个维护方案来防止故障的再次意外发生。完成这些评价任务，学生除了需要发动问题解决的高层次思维，还要运用建模能力以及能够基于证据作出解释和决策的能力。

表4 技术与工程素养三类实践能力的评价目标

图1

NAEP也在网站上公布了2014年冬施测的四道样题(http://www.nationsreportcard.gov/tel_2014/)。在“探究芝加哥发展”的任务中，学生要为“史密斯博物馆”创建一个适宜在校学生了解芝加哥在十九世纪如何解决水污染问题的在线交互式浏览项目，并需要学生自己检测这个项目对于参观者的可互动性。在“设计安全的自行车道”任务中，学生要为一座城市设计可供人们将自行车作为主要交通工具的自行车道，为此学生不仅需要考虑为满足人们出行需求的工程设计问题，还需要权衡成本与安全等问题。在“为鬣蜥建个家”的任务中，学生要在一个教室中为鬣蜥创建一个适宜的栖息场所，为此学生需要了解鬣蜥的习性与需求，并在虚拟情境中建造一个铁丝笼，为鬣蜥安一个家。在“推进建设青少年活动中心”任务中，学生要为一个公司出资重建一个地区的青少年活动中心而在网站上进行呼吁和宣传，以说服一些反对者。

嵌入任务情境之中的试题有选择题和简答题两大类型，题数一般是10—15个，都是新情境的问题解决，在题干部分会有一些超链接为学生提供有关任务的提示和信息，学生可以运用ICT查询、分析相关信息解答问题。例如要求学生研究南极科研站工作人员的冬天生活，课件提供的超链接文本有关于南极帝企鹅、南极站科学家的生活状况，以及南极大气层特点等等。学生阅读分析这些文本之后，逐一回答相关的选择题或简答题。

图2

(二)基于计算机的评价

运用计算机开展评价，一方面可以直接考查学生的ICT素养，另一方面大大降低了评价在工具、器材、场所和人员等方面的压力。为了避免学生因不熟悉虚拟情境的任务解读、不了解辅助和引导工具的使用而影响评价的信度与效度，课件设置了一些简明而清晰的引导和提示按钮，添加了许多智能化的阅读和写作辅助工具，使得课件成为一份可轻松解读和操作的三维“试卷”。

一般在课件的首界面会出现一位引导者，以录像和三维动态画面指导学生熟悉任务的互动界面和工具功能、清晰评价的任务内容，最后还以互动界面检测学生对任务内容的了解情况。在试题的界面都有一列工具栏，有听音按钮可供学生以听取语音的方式读题，还有字体放大、文字标注、题项筛选等按钮，供学生阅读和答题时所需。在界面的右上角都有一个问号按钮，学生可随时获得关于任务的整体介绍和主要工具说明等信息。在界面的左下角都有时间提示。

任务的情境一般会分步呈现，学生读取信息，根据任务要求解决问题之后，按序进入下一个环节的任务。单个任务的试题会集中呈现，学生在了解问题的内容之后一般需要阅读分析一些相关的材料，然后逐一回答试题。

(三)基于群体水平的结果评定

与NAEP的其它评价项目一样，技术与工程素养评价也以通过(Basic)、熟练(Proficient)和优异(Advanced)这三个水平来划分学生技术与工程素养。在研制评价任务时，研制者通过预测会对8年级学生在三个水平上的表现形成一个预期标准。参测学生的得分是综合评价计算机监控到的学生在解决问题、完成任务过程中的操作行为以及完成任务和答题情况而给出的。根据实际评价结果，美国国家评价管理委员会(National Assessment Governing Board，NAGB)组织专家修订预期水平标准，划定8年级的最终水平标准和分值。2015年5月NAGB将2014年的水平标准和划定分值向公众公开征求意见，最终的评价结果于2016年8月公布于NAEP官方网站上(http://www.nationsreportcard.gov/tel_2014/#)。

与NAEP的其它评价项目一样，技术与工程素养评价也有关于学生、教师和学校的一些相关背景信息的问卷调查，例如关于学生的调查包括性别、种族、是否享受免费午餐或减价午餐、是否英语学习者、是否残疾学生等等信息。问卷还调查学生在校内外学习技术和工程、提高技术与工程素养的机会。相关背景信息的调查，除了通过问卷获得数据，还从各州、各区或者学校的相关记录中调查了解，从而以这些背景信息作为划分群体的维度，进行不同群体的技术与工程素养成就水平的比较分析，为教育政策制定者、教育管理者以及教师、公众提供技术和工程教育的公平与质量信息，从而更好地提升每位学生的技术与工程素养，不让一个孩子掉队。

三、对我国的启示

面对当今科技给人类社会和生活带来的高速变化与发展，基础教育应该培养怎样的人以胜任21世纪领导者、工作者和公民？美国“21世纪技能合作组织”(Partnership for 21stCentury Learning，2007)提出的学习与创新、信息与媒体与技术、生活与职业这三类“21世纪技能”被认为是21世纪创新人才的核心素养。学习与创新技能主要包括批判性思维、交流、合作和创造力，信息、媒体与技术技能主要包括信息素养、媒体素养和ICT素养，生活与职业技能主要包括灵活性和适应性、主动性和自主性、社交和跨文化技能、创造力和问责(accountability)、领导力和责任心(responsibility)。从技术与工程素养评价目标和内容来看，技术与工程素养与21世纪创新人才的核心素养具有高度的一致性。由此可以进一步理解美国缘何将STEM教育作为国家发展战略之一。2012年美国国土安全部(Department of Homeland Security，DHS)还出台了一项政策，为在美高等院校获得STEM硕、博学位的留学生提供便捷的留美绿卡通道，以储备国际科技人才满足美国进一步发展科技所需。

上世纪八十年代我国提出素质教育，也将培养学生创新意识和实践能力作为核心目标，但至今尚无普遍行之有效的培养方式和途径，尤其缺乏面向全体学生的创新教育(张力，2000)。创新，顾名思义即创造新事物。技术和工程都是为了满足某些需求而进行的系列创造，可以说，学习技术和工程，就是在学习创造新事物的过程和方法。以技术和工程教育作为培养学生创新能力的内容载体，能使创新教育显性化、具象化(吴俊杰，梁森山，李松泽，2013)。NAEP的技术与工程素养评价对于我国在中小学加大技术和工程教育以培养学生创新能力具有以下方面的启示和借鉴意义。

(一)以综合性的现实问题创设学习情境

在中小学开展技术和工程教育，有别于开展技术和工程的职业教育，旨在以技术与工程素养为抓手培养学生的创新能力。我国义务教育综合实践活动课程、高中技术课程，可借鉴技术与工程素养评价框架制定的三大内容领域和三类实践能力双维目标，结合我国各地区科技发展水平和教育资源的特点，整合通用技术和信息技术，研制适宜我国中小学生的基于项目的技术和工程学习内容。

在围绕技术与工程素养培养目标设计项目内容时，首先要选用一些跨学科的、综合性的并且与学生的学校学习和实际生活相关联的问题情境，例如让小学生研究日常生活垃圾的分类问题，初中生研究家庭或社区水质净化问题，高中生研究全球变暖和温室效应问题。学生在研究这些现实问题的过程中，一方面学习、理解技术的性质，熟悉常见的技术和工程，体会技术、工程与社会之间的相互关系，从而提升技术与工程素养；另一方面能综合运用在科学、数学、语文、艺术等学科学习中获得的知识和能力来解决问题、完成任务，从而促进学校学科课程的理解和运用，提升学科素养和STEM素养。

其次在学习方式上应该是学生自主探究的，即学生一定是通过系列探索性的实践活动来完成任务的，并且在学习过程中需要与同学、家长、社区人员、某些领域的专家等等开展诸多的合作交流。也就是说，技术和工程的学习应该是现实或虚拟情境下的“做中学”，是手脑并用的探究活动，包括问题解决的高层次思维活动以及技术和工程的实践应用。

再者学习的结果应该是具象的、开放的并且以多元的学生互评为主来推进学生学习的，即学生一定是以某种真实或虚拟的产品来呈现学习结果，而不是只停留于书面或口头表达。学生之间的相互质疑、批判和讨论协商是学习和评价的必要方式。

(二)加强非正式环境下的技术与工程素养培养

非正式环境是相对于学校学习环境而言的，包括校外的所有场所，例如科技场馆、自然历史博物馆、水族馆、社区、家庭日常环境等等。学生在这些非正式环境中处处可见技术和工程，沉浸于其中有利于学生理解和权衡技术与个人、社会、环境之间的相互关系，有利于培养系统思维来理解和处理技术和工程系统问题。另外，有研究显示，非正式环境中的学习能有效发展学生的批判性思维、信息整合能力、问题解决能力、创造与创新能力以及团队合作能力等(Scott Kratz, Elizabeth Merritt，2011)。因此，中小学生的技术和工程学习应拓展至课堂外、校园外，充分重视非正式学习环境中的学习机会来提升学生技术与工程素养。

美国各州联合科技场馆、社区中心、企业院校以及各类科研单位等，为学生共建了许多STEM活动中心或工作坊，供学生课余开展各类科技活动。我国目前已经逐步向公众免费开放科技场馆，有些科技场馆能定期组织中小学生开展科技活动，一些科技企业、科研单位、高等院校等也在联手中小学为学生提供科技活动场所和活动指导。学生在非正式学习环境中的学习是开放的、缄默的、自我主导的，有效学习环境的打造除了创设基于项目的学习内容，还需要将各类“脚手架”嵌入于环境之中，以丰富的问题情境来引导、支持和推进学生的学习(John Cunningham, Emilie Hillier, 2013)。另外，及时反馈、同伴互助、角色扮演等策略都能提高学习者在非正式环境中的学习效果(Marianne, 2011)。

(三)高度重视ICT的培养和运用

ICT能为学习者提供的远不止搜寻、整理和存储信息的工具作用，熟练掌握和运用ICT，能加速学习者的认知加工和知识生成、更新及进化速度，从而提高学习者的学习能力和创新能力。ICT是终身学习者不可或缺的能力。NAEP不仅在技术与工程素养评价中采用基于计算机的评价方式，2017年开始NAEP取消所有纸笔评价，所有科目的测试均采用基于技术的评价方式。可见，ICT是被作为美国学生必须具备的基本能力。

我国中小学生的ICT培养应该从小抓起。目前有些中小学结合师资和设备等具体情况，设置信息技术的校本课程，或者大力推行信息技术与学科课堂教学的整合，这些都值得借鉴和推广。而高中阶段技术学习领域设置的通用技术与信息技术两大科目，在课程实施中应该尽量融合两者的学习目标、学习内容、学习方式和学习评价。

另外，运用ICT开展技术和工程教育，首先要运用ICT整合多媒体信息来模拟现实创设真实的问题情境，打破时空界限，提供学生关于技术和工程的更宽阔的视野和更深入接触的机会。另外，应发挥ICT智能化、网络化和数字化的特点，为学生创设在线的个性化学习机会，提升学生学习的自我主导和自我监控能力(Ana-Maria,2014)，以在线的交互与协作学习来促进学生对学习意义的社会建构，提升学生批判性思维、评价、交流与合作等能力(Meaghan Lister, 2014)。

科技的发展影响未来，但真正决定未来的是那些掌握科技、创新科技的人。技术与工程素养是科技发展、社会进步对人提出的必然要求。美国国家研究理事会(NRC)STEM教育中心执行主任毕比(Bybee，2010)提出了发展美国STEM教育的十年计划，由先期集中力量协同研发教学模块开始实施，到逐步推进项目，以及完善相关教育政策，以十年的时间帮助各地具备持续推进学校STEM教育的能力。由此可见，STEM教育任重道远！我国基础教育需要协同社会多方力量，包括科技工作者、企业、家长、当地政府以及教育管理部门等等，众志成城地提升我国技术和工程教育、STEM教育以及教育评价，培养和提升我国千万儿童青少年的技术与工程素养和创新能力。

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(责任编辑 陈振华)

10.16382/j.cnki.1000-5560.2017.01.008

北京市教育科学“十三五”规划2016年度优先关注课题“深化教育综合改革背景下教师专业素养提升策略研究” (CEFA16030)。