基于深度学习的中小学生STEAM学习质量评价指标体系构建

张辉蓉 唐佳欣 杨溪璇

摘要：以学科整合为特点的STEAM教育正成为国内教育理论研究和实践探索的潮流，而构建相应的学生学习评价指标体系对了解我国中小学生STEAM学习质量现状，提高其STEAM学习效果至关重要。该文基于STEAM教育与深度学习在价值取向、教育目标与教育过程上的高度契合，立足深度学习评价理论，构建中小学生STEAM学习质量评价指标框架，并结合专家意见和建议形成包括“学习动机”“学习投入”“学习结果”3个一级指标、8个二级指标、18个三级指标及56个观测点的中小学生STEAM学习质量评价指标体系，并以指标体系为基础开发测评工具进行了小规模实践应用以检验指标体系的科学性。

关键词：STEAM教育;深度学习;学习质量;评价指标体系

中图分类号：G434

文献标识码：A

一、引言

STEAM教育作为面向未来人才需求的全球先进教育范式，是集科学、技术、工程、艺术和数学于一体的跨学科实践活动，正成为国内外教育理论与实践发展的潮流[1]。其以项目式学习和问题探究式学习为主导，具有跨学科整合性、真实情境性、多主体协作性及迁移反思性的特点，旨在培养实践型、创新型、学科复合型人才。2018年，《中国STEM教育2029创新行动计划》着重强调在未来建立科学的STEAM教育评价体系，构建评价内容全面、评价主体多元、面向学习过程的学生STEAM学习评价指标框架[2]。目前，STEAM教育已在國内发达城市中小学广泛实践，学生STEAM学习质量评价有利于准确了解学生STEAM学习现状，进而支持一线教师改进STEAM教学活动，优化STEAM教学效果，促进STEAM教育在我国的本土化落地。

回溯已有文献发现，国内学界在STEAM教育内涵、教学模式、课程应用实践等方面的研究已取得较大进展，但STEAM教育评价仍处于探索阶段。相关研究多介绍国内外STEAM教育评价研究现状[3-6]，或聚焦于国内STEAM课程教学质量评价[7]，仅有少量学生学习方面的评价研究，且只关注学生STEAM学习某单一方面，如樊雅琴等人对中学生项目式STEM参与度进行了测评[8]，陈凯等人对中学生STEM学习态度及影响因素进行了调查[9]。因此，如何科学有效且全面地评价学生STEAM学习质量已然成为当下亟待突破的难题。

深度学习指知识、思维、能力和情感的深度构建，以探究学习、整体学习和主动学习作为其有效实现策略，在价值取向、教育目标和教育过程上与STEAM教育高度契合，能够为学生STEAM学习质量评价提供方向引领和理论支撑。因此，本研究以深度学习评价理论为基础，聚焦学生STEAM学习过程与结果，结合专家意见构建科学、可操作的中小学生STEAM学习质量评价指标体系。

二、STEAM教育与深度学习的内在关联阐释

（一）价值取向的一致性

STEAM教育最早可追溯到1986年兴起于美国、指向理工科复合人才培养的STEM教育。随着STEM教育的深入开展，其功利性弊端逐渐显现，而人文主义教育能够对STEM的功利主义价值取向进行纠偏。对此，学者格雷特·亚克门创造性地将艺术（Art）作为重要的人文要素融入其中，将STEM教育拓展为STEAM教育。在本土化过程中，有学者指出现阶段的STEAM教育忽视了学生内在精神的发展以及与社会实践活动之间的紧密联系，导致学生社会责任感不强，而立足我国教育实际的STEAM不仅要重视科学、技术、工程、数学素养的发展，还要加强我国传统文化与人文情怀的培养[10]。不少学者亦开始提倡人文引领的学科融合性科学教育（A-STEM），以彰显立德树人的价值追求，消弭STEM原有的工具化色彩。可见，当下的STEAM教育应追求功利主义和人文主义的平衡与融合——在满足学生社会适应的诉求和社会功利性发展需要的同时，重视学生人文精神和良好品格的培养。深度学习最初指学习者获取和加工信息的思维方式达到深度水平，后由美国研究学会扩展为认知、人际、自我三大领域，国内亦有学者提出其是培养学习者情感、价值、精神的社会文化过程。可见，深度学习既强调学习者基本社会适应力的习得，也凸显其品格塑造、精神成长和价值观的形成发展。因此，STEAM教育和深度学习皆超越功利主义，以立德树人为使命，兼顾学习者的科学素养、人文精神和实践创新能力，将促进人的发展作为最终价值追求。

（二）教育目标的互通性

以项目开展和问题探究为内核的STEAM教育具有批判性思维、创新思维、问题解决能力、沟通合作能力、人文精神等人才培养目标。广义概念上的深度学习提倡培养学生认知思维层面的高阶思维与复杂问题解决能力、人际交往层面的团队协作与沟通表达能力、自我发展层面的终身学习能力与深度情感，在很大程度上与SIEAM教育目标相契合。总体而言，两者都是基于时代环境对人才的需求，培养学生面向未来社会的多维能力素养和必备精神品格。

（三）教育过程的相融性

深度学习倡导教育过程的“探究性”“体验性”，STEAM教育在夯实学科知识的基础上，以真实问题为情境开展项目探究，为深度学习的发生提供支持。

1.以真实问题为情境，激发学生深度投入

情感动机是影响学生学习状态的关键因素，是学习行为的发动机和催化剂。STEAM教育倡导为学生提供学习的真实情境，在进入新的学习情境前，学生已具备一定的知识经验，而问题情境的作用就是唤醒学生的经验区，引起并维持其注意，从而激发其兴趣、好奇心等深层次学习动机。在这种持续性内在动机的影响下，学生以积极主动的情感投入学习，并有意识地采取稳定有效的学习策略进行“问题一经验一知识”的深度建构活动。

2.以项目探究为核心，支持学生深度加工

项目探究贯穿整个STEAM学习过程。首先，项目探究要求学生超越以辨识、记忆为主导的低水平加工模式，通过对一系列问题进行多维表征，在观察、分析、动手操作等切身实践中对头脑中各学科知识信息进行深度加工。在这一过程中，知识整合深度随着学科广度与表征维度的拓展而加深，知识体系牢固程度也随着跨学科知识、新旧知识、知识与经验间联结的增加而提高，最终实现知识的深度理解与融会贯通，为知识的长期保持与迁移应用奠定基础。

3.以迁移反思为延伸，促进深度目标达成

STEAM教育并非追求知识技能与问题的简单“配对”，而是学生能够基于新情境，不断解构、更新自身知识体系，迁移到新的问题中，以实现复杂问题的解决和学科知识的再理解。知识迁移也是批判反思的过程，学生根据知识迁移与问题解决的结果对原有思维方式、行动方案进行反思优化。在转换问题思考角度、拓宽问题解决思路的过程中，学生能够掌握解决复杂问题的方法技能，发展批判性思维、创新思维等高阶思维，最终达成深度学习目标。

三、基于深度学习的中小学生STEAM学习质量评价内涵与理论基础

（一）基于深度学习的中小学生STEAM学习质量评价的内涵

作为抽象理念的深度学习是指学习者全身心投入的整体学习状态，而非一种具体的学习模式[11]。其强调学习过程中学习动机、学习策略、情感体验及思维加工的深度和多维学习结果达成的深度。以跨学科知识整合、多主体协作、问题解决、知识迁移为主要特点的STEAM教育重视学生跨学科思维、创新思维、合作交往能力、元认知等能力的提升，是实现深度学习的具体教育模式。学生学习质量主要包括两层含义：学生学习的实际效果与学习过程中的各方面付出。

因此，基于深度学习的中小学生STEAM学习质量评价是指在STEAM教育实践环境下，以深度学习要求与STEAM教育目标为评价依据，综合运用书面检测、表现性评价等方式，通过自我评价、同伴互评、教师评价多主体、多维度地收集评价信息，对中小学生的学习过程及学习结果的深度进行价值判断的过程。

（二）基于深度学习的中小学生STEAM学习质量评价的理论基础

由于众多学者对深度学习这一多元化概念内涵理解和评价角度的不同，学界形成了多元化的深度学习评价理论体系。

1.深度学习评价理论

（1）深度一浅层学习关系理论

以Terence Marton和Roger Saljo为代表的深度一浅层学习关系理论认为：深度学习与浅层学习在学习动机、学习目标、知识体系、思维层次、迁移能力、元认知等方面有明显区别（如表1所示）[12]。通过与浅层学习在上述方面进行对比研究，为深度学习评价提供标准。

（2）3P学习过程模型

比格斯3P学习过程模型围绕学生学习构建了由预阶段（Presage）、过程阶段（Process）和结果阶段（Product）组成的不斷螺旋上升的循环模式。过程阶段是动机与策略两大因素共同作用下的复杂学习过程，学习动机与策略的差异则形成深度学习、浅层学习、成就性学习三种学习方式，采取深度学习方式才能构建复杂的知识结构，实现深度学习目标。以此为基础，比格斯编制了学习过程问卷（SPQ），判断学生深度学习情况，该问卷包括表层动机及策略、深层动机及策略和成就动机及策略六个维度[13]。

（3）深度学习三维投入

Fredericks深度学习三维投入聚焦于学习过程的投入度，系统全面地将其表征为认知、情感、行为投入三个维度。其中，认知维度包括心理投入和认知策略投入;情感维度包括情绪体验、归属感和价值感;行为维度包括积极行为、无破坏性行为、课堂参与度和课外活动参与度。Fredericks认为任一因素的缺乏均不能导致深度学习发生，并以此为基础开发了学生深度学习测评工具[14]。

（4）知识深度模型

韦伯知识深度模型（Depth of Knowledge，简称DOK）重点关注学习目标与学习质量评价间的一致性，其从思维过程出发，将学生应理解的知识分为回忆与复述、概念与技能、策略思维和扩展思维四个层次。第三、四层次反映了学生深度学习应达到的认知思维水平，其中策略思维指具备基本的逻辑推理能力，扩展思维指学生能够批判创新地将所学知识技能迁移运用于新的情境，解决复杂问题[15]。

（5）目标分类模型

目标分类模型是张浩等人以深度学习目标为导向，融合布鲁姆教育认知目标分类理论、比格斯SOLO分类法、辛普森动作技能目标分类法和克拉斯沃尔情感目标分类法构建的集认知目标、思维结构、动作技能与情感为一体的深度学习评价模型[16]。此模型清晰划分了浅层学习与深度学习的目标要求，深度学习目标在认知层面表征为应用、分析、评价、创造，在思维结构层面表征为关联结构和抽象拓展结构，在动作技能层面表征为适应和创新，在情感层面表征为组织和价值体系个性化。

（6）深度学习兼容性框架

深度学习兼容性框架是美国国家研究委员会（National Research Council，简称NRC）根据21世纪时代要求构建的深度学习能力维度框架，将能力结果取向的深度学习划分为认知、人际和自我三大领域，其良好兼容了休利特基金会（WFHF）提出的深度学习六大能力，包括掌握学科核心内容、批判性思维与复杂问题解决、协作能力、有效沟通、学会学习与学术心士[17]。

2.深度学习评价理论关系解析

尽管不同评价理论展现了学者对深度学习内涵的侧重和切入视角的差异，但彼此能够融合互补。深度学习与浅层学习关系理论简要概括了狭义的深度学习特征，却缺乏对各个特征的深入剖析，而后的比格斯3P学习过程模型、深度学习三维投入、知识深度模型、目标分类模型则在此基础上进行了评价要素的深化和扩充。3P学习过程模型在对比深度学习和浅层学习区别的基础上将学习过程与学习结果作为整体系统进行研究，深刻揭示了深度学习过程与结果的关系。深度学习三维投入重点关注学习者认知投入、情感投入与行为投入程度，将学习过程的评价内容全面系统化。知识深度模型摒弃了深度学习与浅层学习间的对立观点，明确了浅层学习与深度学习在知识掌握和思维水平两个评价要素上的内在关联与过渡衔接，且模型每层次具有详细可行的评价指标阐释。目标分类模型构建了系统化、层次化、可操作的深度学习评价指标体系，不仅明晰了深度学习与浅层学习间的过渡衔接，更提出了针对不同领域目标的评价方法。深度学习兼容性框架是对传统深度学习评价理论的突破与创新，在保留传统评价要素的基础上，顺应时代要求，将人际领域和自我领域纳入深度学习评价之中，构建起科学全面的评价框架，此框架与STEAM教育目标最为契合。

这些理论对指标体系的构建具有重要借鉴意义。深度—浅层学习关系理论、知识深度模型、目标分类模型表征的是狭义概念上的深度学习，为研究认知结果层面的评价提供理论基础;3P学习过程模型、深度学习三维投入则侧重对深度学习过程的探究，拓展了本研究的评价维度，并为指标划分提供参考;深度学习兼容性框架则最能体现当代社会深度学习的内涵特征，实现了SIEAM学习质量评价与深度学习理论的有机结合，能够丰富完善研究的评价内容。

四、基于深度学习的中小学生STEAM学习质量评价指标体系构建及应用

研究首先通过分析深度学习评价理论整理归纳深度学习评价要素，在此基础上形成一级指标;结合STEAM学习特点，经过指标提炼、发散、收敛，初步拟定指标框架;再征求相关专家意见和建议对指标框架进行修订完善，最终形成基于深度学习的中小学生STEAM学习质量评价指标体系。指标体系构建流程如图1所示。

（一）指标体系初步构建

1.深度学习评价要素分析

深度学习评价主要存在学习过程与学习结果两种取向，具有重视多元化、过程性和表现性评价等典型特征，各评价理论也均围绕这两个视角展开[18]。研究通过对深度学习评价理论进行分析，整理归纳了深度学习评价的基本要素（如表2所示）。

其中，过程取向下的深度学习评价要素包括：学习动机、认知策略、反思状态、情感体验、行为表现，结果取向下的深度学习评价要素包括：知识掌握、迁移能力、思维层次、人际交往、品格完善。可见，过程取向下的深度学习被视为一种学习方式，强调学习动机、学习投入等学习过程要素的深度性。学习动机与学习投入又有所区别，学习动机强调对学习活动的驱动作用，而学习投入更侧重当下的行为表现和心理感受[19]。结果取向下的深度学习评价要素重点关注学习者能力素养的获得，如知识掌握与迁移、高阶思维、人际交往能力等。

因此，研究将基于深度学习的中小学生STEAM学习质量评价一级指标初定为“学习动机”“学习投入”和“学习结果”。

2.基于深度学习的STEAM学习特点分析

根据STEAM教育特征、实施过程及其与深度学习的内在关联，基于深度学习评价要素，对学生STEAM学习特点进行了分析，得出基于深度学习的STEAM学习具有真实情境性、自我反思性、沉浸體验性、切身实践性、学科整合性、任务驱动性、多主体协作性、社会生活性等特点（如表3所示）。

3.评价指标的提炼、发散与收敛

指标提炼是在分析深度学习评价要素的基础上，按照“学习动机”“学习投入”和“学习结果”逐一对评价要素进行归纳概括，并通过规范化描述将要素提炼为契合学生STEAM学习质量评价的二级指标。例如，参考Fredericks深度学习三维投入将“认知策略”“反思状态”“情感体验” “行为表现”4个“学习投入”指标下的评价要素概括提炼为“认知投入”“情感投入”和“行为投入”，参考NRC深度学习能力框架将“知识技能”“迁移能力”“思维层次”“人际交往”“品格完善”5个“学习结果”指标下的评价要素概括提炼为“认知领域”“人际领域”和“自我领域”。 “学习动机”维度下的评价要素保持不变，即为“学习动机”。

指标发散是在综合考虑指标内涵、评价的可操作性和STEAM学习特点的基础上对二级指标进行分解，进而形成三级指标的过程。例如，STEAM学习在情感体验方面以学生学习中愉悦情绪、归属感、价值体验等个人意义感的获得为特点，则二级指标“情感投入”可划分为“积极情绪体验”“归属感”和“价值感”3个三级指标;STEAM学习在认知思维层面以学生学科知识掌握、跨学科思维、批判性思维、问题解决等高阶思维能力发展为特点，则二级指标“认知领域”可划分为“学科知识掌握”“跨学科思维”“问题解决能力”“抽象拓展思维” “批判性思维”和“创新思维”6个三级指标。

指标收敛是指修改和删除含义重叠或与所属上级关联度不高的指标，以实现同级指标相互独立并与上级指标内涵一致。例如“认知领域”包括“知识掌握”“跨学科思维”“问题解决能力”“抽象拓展思维”“批判性思维”和“创新思维”6个指标，但“抽象拓展思维”“批判性思维”和“创新思维”皆为问题解决能力的思维支撑，问题解决能力与其他三个指标之间有含义重叠，因此删除“问题解决能力”。

4.评价指标体系拟定

通过深度学习评价理论解析和学生STEAM学习质量评价要素挖掘，经指标的提炼、发散和收敛形成指标体系初稿，包括3个一级指标，9个二级指标和19个三级指标。

（二）评价指标体系修订

为提升研究的科学性，采取专家评议法对指标体系初稿进行修订完善，经过“指标评分一意见征询一指标修订”，最终形成科学、可操作的中小学生STEAM学习质量评价指标体系。

1.意见征求对象

为进一步修订完善指标体系初稿，研究向专家学者和一线教师发放咨询问卷征求相关意见。共计发放并回收18份有效问卷，有效回收率为100%。其中，12名为从事教育测量与评价、教育心理学、STEAM教育领域研究的专家学者，6名为来自北京、山东、武汉、重庆等地从事STEAM教育或科学教育的一线教师。

2.意见征求情况

意见征求内容包括根据指标释义对指标命名的准确性和指标划分的合理性进行评分（采用李克特5级量表，从1—5依次是“非常不合理”“比较不合理”“不清楚”“比较合理”和“非常合理”），并征求指标修改的具体意见和建议。在指标评分方面，通过计算平均分、标准差以客观呈现多位专家对各指标合理程度的评分情况，一级指标和二级指标的平均分均在4.3以上，三级指标平均分达4.4以上，各等级指标标准差都在0.7以下，可见专家学者和一线教师对指标体系框架基本认同。在意见征询方面，共收集25条指标修改意见，通过对修改意见进行整理分析，最终采纳22条，采纳比例为88%。

3.指标体系修订

经过问卷调查，专家学者针对部分指标命名、指标划分及其可操作性提出了一些修改意见。具体而言，一级指标命名和划分得到专家学者基本认同;二级指标主要存在命名不恰当、与所测对象及內容关联性不强、含义交叉重叠等问题，综合意见后共删除1项指标，修改1项指标;三级指标主要存在指标冗余、含义交叉重叠、操作性不强等问题，综合意见后共删除4项指标，修改4项指标，新增3项指标。

（三）评价指标体系确立

基于上述过程，研究确立并完善了基于深度学习的中小学生STEAM学习质量评价指标体系，具体指标及观测点如表4所示。

学习动机，指激发和维持学习者有效开展STEAM学习活动的动力倾向，包括动机指向和内部动机。其中，动机指向意为学习动机指向深层学习对象，而非追求目标底线和外在标准;内部动机指学习动机源于对学习活动本身的兴趣和喜爱，不依靠外界刺激就能激发学习行为。

学习投入，指学习者积极投入到STEAM学习活动中的心理感受与行为表现，包括认知投入、情感投入和行为投入。认知投入指学生对学习结果的心理预期和策略使用，包括对完成学习任务的积极认知倾向以及认知策略、元认知策略的使用;情感投入指学生在学习过程中的情感体验，包括积极的情绪体验、来自内外部认可的归属感和体会到课程意义的价值感;行为投入指学生参与学习活动的强度和行为表现的努力程度，包括在课外管理STEAM学习可用资源与环境的情况和课堂中的积极行为表现。

学习结果，指学习者在学习动机支配下，进行一系列学习投入而最终达成深度学习要求与STEAM学习目标的程度，包括认知、人际、自我三大领域。认知领域结果指学生学科知识、高阶思维与创新能力的发展情况，包括知识掌握、跨学科思维、抽象拓展思维、批判性思维和创新能力;人际领域结果指学生协作能力与表达能力的发展情况，包括团队沟通与协作、成果展示与表达;自我领域结果指学生学习观和价值观的发展情况，包括学习信念、科学精神和人文精神。

（四）评价指标体系应用

为进一步检验指标体系的科学性，本研究基于研制的指标体系，开发了问卷和纸笔测验对小范围的小学生STEAM学习质量进行评估实践。

1.评估对象

本研究选取我国重庆市某城市小学与某乡村小学的两个四年级班级学生作为评估对象，两个班级均于2020年10月15日—11月23日展开为期六周的“风车”主题STEAM课程教学。本次调研采取线下调查的方式，共计发放并回收有效问卷81份，问卷有效回收率100%，共发放前后测试题各81份，前后测试题回收及配对有效率为87.5%。

2.评估工具

（1）问卷设计

学习动机、学习投入和学习结果的人际和自我领域运用自陈问卷进行评估。问卷由基本信息和STEAM学习质量相关题项两部分组成。基本信息，包括学生姓名、性别和学校所在地。第二部分根据指标体系编制完成，共32道题。该问卷的整体克隆巴赫α系数为0.91，各级维度的克隆巴赫α系数均高于0.79，表明该测评工具有较高可靠性。在效度方面，经KMO和Bartlett球形度检验为0.71（p<0.05），表明问卷效度较高。

（2）试题编制

学习结果的认知领域运用纸笔测验进行评估。根据认知领域指标体系，结合课程目标与实际教学内容编制前后测试题，前后测试题各包括3道单选题，1道填选题（共四小空），1道简答题和1道应用题，总分为10分。由于在实际授课中教师根据城乡学生学情及课堂反馈的差异对部分教学内容进行了调整，因而城乡后测试题中的应用题在设问上有所不同，但考察的知识点和需要解决的问题基本保持一致。经检验，区分度与难度良好（城市前测试题难度为0.67，区分度为0.43，后测试题难度为0.61，区分度为0.53，乡村前测试题难度为0.74，区分度为0.45，后测试题难度为0.72，区分度为0.47），并经授课教师与专家评定，前后测试题具有较好同质性且符合实际STEAM学习内容，适用于学生认知领域的STEAM学习质量测量。

3.结果分析

总体而言，调查对象的STEAM学习质量整体尚可。首先，调查对象STEAM学习质量问卷总体结果良好（μ=4.68），学习动机（μ=4.70）和学习结果（μ=4.71）得分较高，STEAM学习投入上的质量水平尚显不足（μ=4.64），尤其在行为投入（μ=4.59）方面表现欠佳，结合学生访谈认为主要原因是学生课业负担较大，且对STEAM课程重视程度不足，多数学生仅将其作为课余放松的活动课程，在学习过程中投入时间与精力较少。其中，乡村学生在STEAM学习动机、深度学习投入得分略高于城市学生，但在STEAM学习结果的人际与自我领域略低于城市学生，女生在各维度上的得分均高于男生（如图2所示）。其次，纸笔测验的配对样本t检验结果显示（如表5所示），城市学生后测（4.45分）显著高于前测（3.03分）（t=4.67，p<0.001），乡村学生后测（3.叭分）显著高于前测（2.46分）（t=2.45，p<0.05），初步认为所测学生STEAM学习认知领域的发展状况良好。城市学生前后测差异（1.43分）显著高于乡村学生前后测差异（0.56分）（t=2.31，p<0.05），表明城市学生STEAM认知领域的发展优于乡村学生，结合对教师与学生的访谈认为形成差距的原因可能为该乡村班级日常科学课教学情况较差，学生的前知识、科学思维、问题探究、工程设计等能力偏弱，相比城市学生不能很好地适应STEAM课程学习在内容、教学方式上的要求，从而影响了他们认知领域的发展。

注：1.*.在0.05级别（双尾），相关性显著;2.***.在0.001级别（双尾），相关性显著。

研究表明，本次指标体系的小规模测评结果与授课教师、部分代表学生的深度访谈、焦点小组访谈及研究人员的课堂参与式观察结果基本一致，说明所构建的指标体系具有较好的效度，适用于学生STEAM学习质量评价活动。结合本次实践，对指标体系的应用有以下建议：第一，为保证评价结果的可靠性，评价者应根据评价内容选择适切的评价方式、手段及主体。例如，在评价学习动机和学习投入质量时可选择自陈问卷测量学生的深层动机与投入程度，在评价认知领域的学习结果时可采取书面检测来测量学生知识掌握与思维水平。第二，为保证评价工具的有效性，评价者应将特定的STEAM课程教学内容融人评价工具的设计与编制中，并兼顾学生学情及相关科目的课程目标。

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作者简介：

张辉蓉：教授，博士，博士生导师，研究方向为教育测量与评价、课程与教学论。

收稿日期：2020年10月20日

责任编辑：邢西深