STEM立意的初中科学命题导向与教学改进

金隆

摘    要：STEM立意的评价是引导教育培养综合型、复合型人才的重要抓手。针对STEM立意的试题命题导向，初中科学教师在教学中应以构建科学大概念、引入生活现象真情境、开展科技小发明小制作、聚焦电磁机械学、推进项目化研究性学习等方式，结合数理分析、逻辑推理以及技术应用，改进教学。

关键词：STEM;初中科学;命题导向;教学改进

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立意的試题命题导向

（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）

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。

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

如圖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。

【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