SSTTEEMMM 立意的初中科学命题导向与教学改进——以浙江省各地近五年科学中考试题为例

□金 隆

（天台县教育局教研室，浙江天台 317200）

2019 年，教育部印发的《关于加强初中学业水平考试命题工作的意见》（以下简称《意见》）指出：应结合不同学科特点，合理设置试题结构，减少机械记忆试题和客观性试题比例，提高探究性、开放性、综合性试题比例，积极探索跨学科命题。《意见》还要求：增强试题情境创设的真实性、典型性和适切性，提高试题情境设计水平。基于真实情境下的问题解决学习——STEM 学教方式是达成知识再现、联结、应用、巩固和生成的有效载体和催化剂。科学和STEM的课程性质，以及学生发展为本的核心素养导向下的深化课程改革和评价，促使STEM 立意的初中科学学科命题在科学学科评价中逐渐落地生根，并越来越枝繁叶茂。

本文以浙江省各地近五年初中科学中考60 份试卷为样本，选取与STEM 结合相对密切，以考查跨学科综合性知识为主，目标特别指向数理应用、分析评价、创造设计等高阶思维的试题，综合分析它们的素材来源、教育立意、考查指向和发展趋势，以期探寻科学学科教学改进策略。

一、STEM立意的试题命题导向

（一）全省各地近五年科学中考中STEM立意的试题数及分布总汇（见表1）

表1 全省各地近五年科学中考中STEM立意的试题数及分布总汇

STEM 立意的试题广泛分布于选择、填空、实验探究和解答等题型当中，其中又以解答题居首，几乎为其他三种题型的试题数总和。这种分布，既是STEM问题的真实性情境表征需要，也是考查学生信息获取、综合分析、原理迁移、逻辑推理、设计创造和概括表述能力的需要[1]。

数据还表明，STEM 立意的试题数除在2016 年出现一个小高峰外，总体呈增长的态势，说明指向STEM 的命题评价与STEM 教育的政策推进、部门落实和社会发展相一致。

（二）近三年浙江省各地科学中考中STEM立意试题的考点（见表2）

STEM 立意试题的考点主要包含电和磁、简单机械、运动和力、物质变化和能量转化、生物技术和生态工程、初级材料学等，其中电和磁、生物技术和生态工程等生命科学内容是高频考点。指向电和磁的二级命题目标又包含电路的分析、连接、计算、改进、设计、评价以及电磁继电器的使用等；指向生命科学的二级命题目标一般包括遗传和变异、生态系统、生物技术和生态工程。当然，各个考点都交叉、统整在一个真实的情境问题中，不是单一、割离和碎片化地出现。

以2017 年中考衢州科学卷第35 题为例。问题以建设屋顶光伏电站工程为情境，在引导学生关注社会生产实践的同时，考查学生对电路连接、欧姆定律、电功和电功率、食物与营养以及地球与宇宙等科学知识的掌握和综合应用。命题在STEM立意导向的基础上，兼具学科评价与教育功能的统一。

统计发现，从2017年到2019年，命题目标由原来聚焦电和磁、生命科学逐渐发散到简单机械、运动和力以及物质和能量等内容，说明随着命题人员、命题技术和STEM 理论的成熟，命题进一步挖掘深度，拓宽广度，走向更高层次的“统整”。

（三）近三年浙江省各地科学中考中STEM立意试题的素材来源（见表3）

命题素材来源有新技术、新产品、小发明、小制作、电子产品、社会实践以及生态工程等，主要来源为新技术、新产品和电子产品，少量采用科学哲学史。近几年，温州等地将研究性学习等内容纳入命题视野，成为素材来源的新选择。

表2 近三年浙江省各地科学中考中STEM立意试题的考点统计

表3 近三年浙江省各地科学中考中STEM立意试题的素材来源

二、STEM 立意评价下的初中科学教学改进

（一）构建科学大概念，夯实STEM 问题解决的知识基础

很多时候，STEM 问题的解决，更像是用众多跨界（学科）的事实、概念和原理串联和编织起有温度、有深度、逻辑严密的科学技术故事。统整的大概念是顺利解决此类问题的前提和基础，而问题的解决又进一步促进学生对概念的深度理解和整合。正在推进的基于单元整体的教学设计也是一个例证。

温·哈伦在《以大概念理念进行科学教育》中认为，大概念跨越不同学科边界，包括系统、对称、因果关系、结构与功能以及模式等，具体又包括10 个科学知识的大概念和4 个科学本身的大概念[2]。2016 年，王耀村在《初中科学教学关键问题指导》[3]中提炼出20个科学核心知识和8个科学思想与方法，共28个初中科学教学关键问题，可视为是对科学大概念的二级解构和操作层面的回应。

（二）引入生活现象真情境，熟悉STEM 问题产生的背景素材

真实情境在于揭示科学现象的矛盾，引起学生内心的冲突，打破学生已有的知识结构平衡，使之处于“心欲求而未得，口欲言而不能”的状态，从而唤起学生思维，激发学生学习内驱力，实现对所学知识的意义建构[4]。真实情境下的问题，能马上引起学生的兴趣，帮助学生以角色参与的身份迅捷、愉快而又彻底地投入学习。

案例1“美丽乡村庭院建设”的教学设计

任务：请设计一份乡村庭院建设方案，可画图展示或文字表述，并说明理由。

问题：1.设计中沟渠水道的分布和走向依据什么？

2.设计中电力设施如何布网？怎么连接？

3.设计中为何要种植植物和养殖少量鱼类等动物？

4.植物的移栽和鱼类的养殖需要注意什么？如何解决？

5.建设过程中产生的垃圾怎么分类和处理？

6.如果让我们设计一份美丽乡村建设方案，应该还要考虑什么？

……

【设计意图】让学生在方案设计、作品展示和交流探讨中回忆、再现和关联生命科学、水循环、电和磁、可持续发展等相关知识和技能，综合性地迁移应用解决工程问题。问题由近及远、由简入繁，在情境升级中实现问题升级，引发学生更高层次的思考。

（三）开展科技小发明、小制作，体悟STEM问题的解析过程

小发明、小制作是科学研究、产品开发、技术应用和工艺改进的具体而微者，是引导学生像科学家、技术人员和工农业生产者一样思考和实践的有效途径。活动一般都涉及科学、技术、数学和工程工艺等学科知识，产品的形成需要学生先解构问题的组成，二次表征问题后与相应学科知识进行匹配，建立对应的学科模型，最后综合运用跨学科知识审订生产方案，实现学生在做和玩中动手动脑学科学。

案例2制作简易气压计

如图1 所示，将橡皮膜平铺在敞口容器上，并用胶带绑紧。检查气密性后，将吸管的A端粘在橡皮膜中心，B端靠近卡纸的M处。外界气压的变化会引起橡皮膜凹凸程度的变化，从而使吸管绕O点转动，指示气压大小变化。

图1 制作简易气压计

【设计意图】以简易气压计的制作为任务驱动，融入压力压强、杠杆、大气压等科学知识学习，跨情境运用气密性检查的技术，联系杠杆平衡条件数理分析气压大小变化的能力。

小发明、小制作的课程资源可以是传统经典的案例如水火箭、水果电池制作等，可以是“三小”比赛的优秀作品，也可以结合当地先进的工艺技术和产品。教学的实施经历了从早期小规模的兴趣小组模式，融入学科教学的制作、设计等活动方式，到现在则大多为面向全体学生的科学拓展性课程等。

（四）聚焦电磁、机械和数理分析，精准突破STEM重点问题

以电器设备和电子产品为载体的STEM试题，多分布在主观性试题——解答题中。试题内容基本以非连续性文本呈现，图表包括实物图、电路图、产品结构示意图、表格和平面直角坐标系等；设问形式宽泛，如连接、计算、说理、评价和改进设计等；考查目标集中指向电路的分析、连接、计算、设计以及电磁继电器和各类灵敏电阻的使用；解答时常需要联结简单机械、运动与力、化学反应等知识，以及通过数理分析从表格、平面直角坐标系中获取信息的能力。

此类试题是各地科学中考解答题的保留节目和压轴题。以温州为例，2015—2018 年四年中分别以汽车转向指示灯、防盗报警器、自动注水喷淋系统和豆浆机为载体，配以各种图表等非连续性文本呈现问题情境。2019 年台州卷第35题通过解析某电冰箱的温控制冷和照明电路，迁移应用制作恒温箱，大范围、高密度地考查学生综合运用电学知识、气温与气压、简单机械等知识，识读表格获取信息、利用一次函数方程组等数理分析、逻辑推理能力和新情境下迁移应用的设计制作智造能力。

除了在新授课时夯实基础知识和技能，适度关联相关产品熟悉情境、拓展应用以外，建议在九年级科学学习中设置专题，精心选取以电子产品为题材的，配有图表以及平面直角坐标系等非连续性文本的情境问题，强化训练，重点突破。

（五）推动项目化研究性学习，自主进阶STEM问题的解决

STEM 课程教学模式的共同要素主要包括真实情境、关键问题、设计方案、实施方案、改进方案和形成最终产品交流展示[5]。可见，研究性学习和STEM教学在课程性质、过程实施、评价方法和教育功能上是匹配的。

温州卷2016 年的第26 题与2019 年的第28题利用“扔纸飞机”开展飞行距离与飞行时间的影响因素研究，研究范围涉及纸飞机的大小、材料、发射角度以及初速度等，考查目标有数理分析、结果预测和实验设计；2018年第24题以飞机升力与飞行仰角的关系为课题，检查学生数学模型建构、实验操作性定义、实验结论的归纳以及迁移应用等高阶思维能力。命题以同一课题下的分项目、系列化、进阶式问题，考查也培养了学生的批判性思维和创新思维，为今后的命题提供了具有积极意义的范例，更推动了研究性学习的深入开展。

案例3“智能窗帘中的科学”的教学设计（执教：温州绣山中学陈庆旦）

主题：设计和制作自动窗帘

任务：1.让手拉窗帘转变成电动窗帘；

2.利用开关控制窗帘的电动关闭和打开；

3.天亮时自动打开窗帘，天黑时自动关闭窗帘；

4.天亮自动打开窗帘时，从P点移动到Q点自动停止。

思考：午休时如何实现窗帘的智能化？

【设计意图】任务1 检查学生对最基本电路的应用；任务2唤起学生对电动机转向受电流方向影响，以及使用单刀双掷开关等知识和技能的回忆；任务3驱动学生思考如何在电路中增加光敏电阻和电磁继电器组成光控开关；在任务3 形成产品空转的矛盾冲突下，任务4继续引导学生分别在P、Q点再安装不同的光控开关改进设计。思考则将学生导向数码遥控智能化设计。任务和思考的设计由简入繁、由浅到深，在完成产品不同版本的迭代升级中逐级进阶知识和技能。

STEM 立意的科学学科命题有效地利用真实情境，以解决真实问题为任务驱动学生回忆、再现知识，迁移应用设计和制作智造产品，达成科学、有效的学生学业水平评价。STEM课程意识下的初中科学教学通过观察社会实践、生态工程、发明制作和电子产品等生活现象，提炼出蕴含科学、工程、技术和数学等学科知识的跨学科、综合性情境素材，以解释现象、改进产品等问题为任务驱动，引导学生解构并关联科学模型；在迁移应用科学大概念的基础上，通过数理分析、逻辑推理和使用技术解决问题并形成项目推进或产品迭代。推进后的项目或迭代产品，又可以成为新的STEM课程意识下的科学教学资源，如此螺旋递进上升。