如何实施基于工程学思想和过程的形成性评价

叶兆宁

教学与评价是课程实施的两个重要环节，相辅相成。评价既对教学的效果进行检测，也与教学过程相互交融，从而促进与保证学生的发展[1]。STEM教育发展至今，评价一直是研究的重点和难点。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[2]，为STEM教育的整体评价提供了途径。然而，这样的整体评价指标往往更看重最终的评估和考核。

在STEM教育中，关注学习过程中的评测非常重要，因为所有学生的起始水平并不一致，学生的学习情况也不相同。连续对学生进行评测是以学生为中心指导教学的一个主要特点。在探究科学过程中，它提供了学生展示自己对不同问题理解程度和探究能力的机会[3]。如何在教育过程中对学生的学习过程和学习成果作出科学合理的评价，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。

STEM教育的特征与评价的关键作用

STEM教育是一个综合体，其中各学科的学习紧密相连，以整合方式教授学生掌握知识和技能，并最终将所学内容灵活迁移和应用于解决现实问题。因此，融合的STEM教育具备跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性和技术增强性等核心特征[4]。这不仅体现了STEM教育与传统教育的不同，也表明传统的评价方式在STEM教育中必须进行改革。

1.跨學科的学习目标导致评价内容的多元化

STEM教育在学习目标上具有不同的取向，跨学科特征也使课程的教育目标呈现出跨学科性和综合性。与单一学科相比，STEM教育的目标显然高于学科素养的培养，而更多体现出对跨学科能力和核心素养的关注。正因为如此，课程的评价内容不能仅限于所涉及的学科素养，还应包括科学与工程的实践能力、对跨学科概念的理解以及与之相应的思维能力和综合素质。同时，学习内容的多元化使教育者不得不考虑多元化的评价方法与工具，以获得科学、客观的评价结果。

2.体验、协作与实证的过程使得形成性评价尤为重要

评价内容的多元化，使课程在设计和实施时必须考虑如何评价学生在实践能力、概念理解、综合素质等各方面的学习成果。这些与学生内在的高阶思维相关，且常常表现在学生的实践行为和交流表达上，因此评价其发展的证据不仅是最后的考核，更重要的是来自学生在体验、协作与实证等实践过程中的行为和表现。为此，实施与课程内容相结合的形成性评价将变得尤为重要。

3.明晰的活动成果增强并显性化了评价的教学指导和改进功能

明晰的活动成果是STEM活动与传统学科教学活动的不同之处，学生在学习之初就已经对任务或项目的要求有所了解，并明确知道学习成果的形式，如物化的成品、解决方案等。为了完成这些成果，学生会将所学知识和技能运用在问题解决上，最终使学习成果体现出学生的认知和能力发展状况。可见，对学习成果本身及其产生过程进行的评价就成为课程的一个部分。课程中会给出明确的评价标准，这是显性的评价，也是评价学生发展的一项重要指标。而对评价标准的理解和努力追求，不仅激发了学生学习的动机，增加了学习的持续性，而且更有效地提升了评价的教学指导和改进功能。

“为了学习”的评价

当提到“评价”这个词时，跃人人们脑中的往往是一个学习单元结束时的测验，或是一个学期末的考试。其实，进行测验或考试是为了了解学生在一段时间的教学结束之后学到了什么，这是一种“针对学习”的评价，属于总结性评价。然而，无论是教师还是学生，都需要清楚教学过程的进展，以便不断改进和调整教与学。教师和学生可以利用多种多样的课堂活动识别学习的进展情况，这就是形成性评价，是一种“为了学习”的评价[5]。

当总结性评价被看成是一个有特定开端和结尾的事件时，形成性评价则是教学中持续发生的过程，它作为一种教学策略嵌人于教学中，且时刻影响教学的走向。采用形成性评价的出发点有两个：一是并非所有学生都从相同的理解水平开始学习；二是由于课程内容、学生的兴趣、偏爱的学习风格及其他因素的影响，学生以不同的速度学习。也就是说，当教学考虑学生的差异和个体需求时，形成性评价可以通过对学生学习的表现和过程的反馈帮助学生认识到如何进步，也帮助教师关注学生的学习，理解学生的学习进展，并找到帮助他们进步的方法。这使形成性评价成为实现差异化和个性化教学的必然途径。

英国学者Wynne HarlenAE2006年提出形成性评价环（如图1）[6]。图1展现了运用形成性评价开展以学生为中心的教学活动所经历的环状过程。该过程中学生是学习主体，为了促进学生的学习，教师需要根据学生学习的实际情况，有针对性地安排下一步学习活动。而促使教师作出选择的依据则来源于教师通过形成性评价收集到的反馈证据以及对这些证据的解读。

纵观STEM教育活动，它不仅具有跨学科、实践性和开放性等特点，而且往往采取基于问题和基于项目的学习方式。学生完成一个项目或任务常常需要完成若干相关的科学探究和工程实践活动，活动的内容和顺序与学习小组不同的实践过程有关，因此这些活动的复杂程度远甚于单一学科的具体活动。同时，STEM活动的开放性又使得实践的结果并不是一个唯一的正确答案，学习成果将呈现出一定的多样性，因而STEM教学更趋向于差异化和个性化学习。

结合教学内容和教学形式，作为教学策略使用的形成性评价可以采用多种方法和形式进行，包括课堂测试、提问、观察、学生记录或绘图、讨论与交流、学生自我评价等。区别形成性评价与总结性评价的关键在于如何使用由评测所收集到的数据，教师是否依据对这些信息的解读而完善下一步的教学。

用工程学思想和过程将形成性评价显性化

工程是应用数学、科学和技术领域的概念系统解决复杂问题。工程技术的关键是设计，而设计过程是在有明确要求的情况下、在寻求解决问题方案的过程中遵循的系统方法。设计过程虽然有各种各样的类型，但大多数都包括以下的基本步骤[7]。STEM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。

1.识别问题、制约因素和标准。通过识别问题，工程师可以清楚而准确地描述设计工作的目标；制约因素就是限制因素，如时间和资源；标准就是期望最后成品所具备的特征。

2.调查研究。背景调查为形成设计观点进行批判性分析提供了必要的信息。对项目过程策划者来说，最有效的途径是在开始工作之前对所设计的具体主题进行调查，了解别人在这方面已经做过的工作。

3.讨论可能的解决方案。有效的设计需要解决多项问题或任务，在调查研究之后，需要学生根据已有的经验，尽可能提出多个想法，形成解决具体问题的多个解决方案，或得到更多的设计机会。

4.分析、评价和选择解决方案。要筛选所有可能的解决方案，要求学生考虑那些频繁出现的互相冲突的目标、标准和制约因素。工程设讨不是提出单一的正确答案，而是在多个可能的答案中识别出最好的解决途径。这要求学生对每个设计的优势和缺点进行批判性评估。

5.建立模型。根据解决方案就材料、工具、组合过程等作出决策，并尝试构建一个完整的工程模型或者原型。

6.测试和优化。原型要在所有可能的条件下进行实验评估和测试。需要学生记录每一次测试的条件、数据、现象和结果，识别出可能改善设计方案的新信息，之后重新思考解决方案、调整设计、建立新的模型、重新测试，并根据新的数据和进一步的研究重新审视问题的目标、制约因素和标准。这样的优化过程处在不断循环中。

7.溝通和反思。工程设计需要有效的沟通，既包括工作团队之间的沟通，也包括与外界各相关方面的沟通；有人际互动的口头沟通，也有各种形式的书面沟通。此外，通过设计过程中的日常记录和反思，不仅能帮助学生顺利完成任务，还能提高学生的元认知，使学生在思维方面获得更深层次的训练。

值得注意的是，这个过程的本质是迭代性的，它体现了工程学的基本思想。工程师基本上从来不会在这些步骤中线性工作，相反，在明确最后设计方案之前，他们会在不同步骤间转换。同时，设计过程会涉及许多不同的实践能力，这些工程实践不仅考核学生的学科专业知识，也考核学生综合、分析、解释和评价等高阶思维能力，这正是开展形成性评价的好时机。

实例分析：水过滤器

“水过滤器”是美国南卡罗莱纳大学与当地的博福特中学共同开发的面向美国初中一年级学生的STEM教学主题。主题教学围绕工程设计的基本步骤展开，要求学生完成设计、建造和测试过滤系统，并从饮用水源中去除模拟的污染物的工程任务，以实现工程设计与批判性思维紧密结合的目标，提升学生的学习能力和STEM素养。该案例巧妙地运用了形成性评价，并通过工程学思想和过程使评价显性化。

1.识别问题中的评价设计

教学主题的第一步是用一种学生能领悟的方式让学生识别要完成的问题或任务、限制条件和标准。首先让学生参与关于环境工程的课程讨论，讨论内容和话题集中在与学生生活密切相关的饮用水问题上，学生需要说明安全水源和干净水源的差别，并进一步讨论要去除湖泊中什么物质之后的水才能被饮用，有哪些物质是无色、肉眼无法看到却是有害的，为什么对水源的净化如此重要等。通过讨论，学生开始对自然界中水的循环和净化过程产生兴趣。之后，教师将这个教学主题为学生创设的工程任务情境告知学生：Beaufort镇需要你们帮助去除饮用水中的有害杂质。请设计建造一个过滤器，尽可能去除水中的红色，为居民提供安全的饮用水源（用放有红色食用色素的水模拟被污染的水源）。

该情境明确给出了最终的工程设计成果——一个能去除水中红色的过滤装置。也就是设计的最终标准是去除水中的红色，评价时也以去除水中红色的程度作为评判的依据。这样，评价标准在一开始就显性地呈现在学生面前，被每个学生所了解。

接下来的问题是这个标准的具体测试方法是什么，怎样被量化。这不仅是学生后期的学习内容，也是必须明确的评价方法。同时，该成果评价也会伴随教学的整个过程，时刻被作为形成性评价的指标。

2.形成可能的解决方案中的评价设计

在确认问题之后和进人初始设计之前，课程设计者设计了一个形成性评价活动。即让学生独立完成一份活动前策略工作表（见表1），通过学生回答三个有关去除污染物的基本问题的思维过程，对每个学生进行评价。

教学过程中，教师并没有告知学生完成活动前策略工作表是对他们的考核，而是把它作为开展调查研究和形成可行性方案的第一个步骤。三个问题的设计非常巧妙。

问题1：要求学生用绘图的方式阐述他们对水循环和水处理的理解，这是对学生认知概念理解程度的评价。

问题2：要求学生在没有形状、尺寸和材料的约束条件下，画一个过滤器。这是评价学生对过滤的科学原理和过滤装置的熟知程度，同时也提升学生对约束条件的理解。这个问题激发了学生的思考，绘图也展现了学生的思维过程，让教师的评价有据可依。

问题3：需要学生解释为什么他们认为自己设计的过滤器能够发挥作用，这个问题激励学生明确什么是成功的设计标准，也能反映出学生认为什么会导致设计的失败或阻碍设计的成功。同时，这也是后续课程中重要的学习内容。

通过学生独立回答这三个问题，教师可以清晰地了解学生对水过滤装置原理、制作与测试方法的理解。教师通过该工作表收集学生认知和技能的评价数据，并据此决定学习的重难点和分组方法。

小组确定之后，教师告知每组必须在固定的预算（50美金）内进行设计，并提供四种可供购买的材料，分别是活性炭（4美元/克）、沙子（2美元/克）、砾石（1美元/克）和棉球（1美元/个）。新的约束条件的加人帮助学生重新考虑过滤器的设计方法、预算开支和可行性。每组将提出多个想法，并在接下来的建模和测试中探索其可能性。想法的多样性和可行程度也是该阶段教师评价学生的重要依据之一。

3.模型建立与测试中的评价设计

学生根据小组内确定的方法购买材料并在注射器中构建水过滤器的模型，每个过滤器会接受200毫升红色的水流过的测试，并收集流出的水。在这个阶段教师使用了两种方法评价学生的工作。

一是提供评判过滤器效果的方法，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的能力发展。教师为学生提供了三种测量过滤效果的方法：（1）肉眼观察法。学生用肉眼观察对比原始溶液和流出溶液的颜色，通过颜色的变化判断效果；（2）色标法。用事先准备的色标从视觉上将染色浓度与颜色对应来确定颜色标准值。使用这种方法，学生可以直观地将所得的颜色与色标进行比较，得到相应的数值；（3）使用分光光度计测试液体对特定波长光的吸收能力，并计算出吸收值，吸收值为0时才是完全去除红色的最佳效果。学生需要对这三种测试方法逐一进行学习和理解，并在测试模型时使用。这不仅让学生经历从定性的不准确测试到定量的准确测试，也教会学生运用测试技术评价过滤器的可行性和效果。学生需要根据测试的情况调整过滤器的设计。最终的测试结果将体现学生设计和制作的真实水平。

二是通过过滤实验工作表开展形成性评价。如果只关注过滤的最终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，在模型建立与测试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。过滤实验工作表（见表2）即为此阶段的评价工具。

该实验工作表记录了学生设计的不同方案、每种方案的测试结果以及学生对过滤器效果的自我分析与评价。通过这个工作表，教师可以了解学生对多少种设计方法进行了尝试，对过滤效果吸收率的测试是否准确，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发展进行评价的有力工具。

4.沟通与反思中的评价设计

在教學结束前的沟通、交流与反思中，教师要求学生像课程开始时那样独立完成一个与活动前策略工作表类似的活动后策略工作表（见表3），同样有三个需要学生思考并独立回答的问题。

问题1是让学生基于已学到的知识，画出最佳的水过滤器，考查学生对该活动中涉及的物理、化学等学科知识的理解；问题2是让学生说出他们组的过滤器结构是如何从最初的草图变化而来的，这需要学生反思他们的学习经历，写出发现问题和解决问题的过程；问题3是鼓励学生总结自己在该活动中体会到的意义和价值。表4列举了学生对于活动后策略工作表中问题2和问题3的部分回答，从这些回答中不难看出，通过这些答案可以较客观地评价学生的认知和技能发展。

从“水过滤器”这个实例分析不难发现，做好形成性评价是STEM教育得以有效开展的基础。通过基于工程学思想与过程设计的形成性评价，可以结合学生学习成果本身及其产生过程将形成性评价显性化。这样的形成性评价不仅是教学内容的一部分，承载工程思想和过程的学习，而且能帮助学生将体现其认知水平、技能发展和思维过程的更真实客观的证据展现给教师，帮助教师获得解读学生发展的有效信息，并据此推进教学的进度。这既是形成性评价的最终目的，也是将STEM教育的本质落实到课堂教学的有效途径。

注释：

[1]中华人民共和国教育部.小学科学课程标准[M].北京师范大学出版社，2017.2.

[2]许海莹.基于大数据的美国STEM教育监测指标体系：分析与启示.教育测量与评价.2014（09）：18-22.

[3]韦钰.探究式科学教育教学指导[M].教育科学出版社.2005.10.

[4]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式.开放教育研究，2015.04：13-22.

[5]Patricia M.Rowell.科学教育中形成性评测的原则与策略.中国科技教育，2014.01：10-13.

[6]Wynne Harlen.Teaching，Learning and Assessing Science 5-12（4th Edition）[M].London：Sage Publications Ltd，2006.

[7][美]罗伯特·M·卡普拉罗等，王雪华屈梅译，基于项目的STEM学习[M]，上海科技教育出版社，2016.