初中科学技术与工程测评试题命制研究*

胡晴霞|浙江省杭州市西湖区教育发展研究院

技术是人类为实现社会需要而创造和发展起来的手段、方法和技能的总和。工程是运用科学原理和技术手段创造人造物的过程。工程与技术以及科学虽有区别，但在实践中却密不可分［1］。《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称“《课程标准》”）将“技术、工程与社会”“工程设计与物化”列入13 个科学核心概念之中，它们涉及技术与工程的特点、技术与工程对人们生产和生活产生影响等科学概念，同时涉及结构与功能、系统与模型、物质与能量等跨学科概念。通过技术与工程实践的教学设计，可以帮助学生形成科学观念，培养初步的科学思维能力、探究实践能力，树立正确的科学态度与社会责任。通过对相关内容的评价，可以检测学生的科学素养，考查学生跨学科知识的综合水平，促进教师进行指向技术与工程科学教学的设计和实施。

一、技术与工程测评试题的命制依据

试题的命制通常要考虑测量目标、刺激情境、任务设计、参考答案四个方面。测量目标、刺激情境、任务设计为试题的三要素，它们之间相互关联、高度融合。测量目标主要为技术与工程实践能力；刺激情境虽然多样化，但大多为生产、生活、学习中的相关事件；任务设计则是基于测量目标，立足情境而设计相关问题。与一般试题的命制不同，技术与工程试题的测量目标、刺激情境、任务设计均围绕工程实践过程展开，涉及结构与功能、系统与模型、物质与能量等跨学科概念。

（一）技术与工程实践的要素分析

美国《新一代科学教育标准》中指出了八大“科学与工程实践”要素，包括：提出问题与确定问题；开发与使用模型；计划与进行研究；分析与解释数据；使用数学与计算思维；构建解释与设计解决方案；参与基于证据的论证；获取、评估与交流信息［2］。《课程标准》明确提出技术与工程实践需要学生“了解技术与工程的一般过程和方法，针对实际需要明确问题，提出有创意的方案，并根据科学原理或限制条件进行筛选；实施计划，利用工具和材料进行加工制作；根据实际效果进行修改迭代；用自制的简单装置及实物模型验证或展示某些原理、现象和设想”。综上所述，笔者在技术与工程实践能力要求的基础上进一步分析、归纳和提炼，构建了技术与工程实践要素模型（如图1所示）。

图1 技术与工程实践要素模型

（二）技术与工程测评试题命制模型

根据试题的组成要素，结合技术与工程学业要求，可形成一核三维命题模型（如图2 所示）。一核指的是“模型物化”，三维指的是技术与工程实践要素、科学概念、情境。X轴代表能综合运用所学的科学核心概念和跨学科概念，识别模型的基本原理和方法。Y轴代表技术与工程实践的基本要素，从多学科、跨学科的角度，遵循构思、设计、优化、实施、检验、修改等过程，设计制作简单的装置，开展相关的技术与工程实践。Z轴代表试题的情境素材，结合现实生活中所遇到的真实情境，基于技术与工程实践问题需求，选择、确定适合学生解决的技术与工程问题。

图2 技术与工程一核三维命题模型

在命题时，首先要根据学业要求，确立考查的科学概念和规律，考虑科学方法和思维的考查水平。其次，要结合学生已有的认知、能力储备，选择适合学生的技术与工程实践问题，用简洁易懂的文字对问题进行编辑，抽象出主要问题。最后，要聚焦于考查科学关键能力问题的设置，可以根据物化模型，对模型的科学原理、设计、应用等进行问题设置。

二、技术与工程测评试题的命制实践

（一）选取技术与工程测评试题的命题素材

试题情境是学生解题时的首要感知，是测量目标的有效承载，是任务设计的重要素材。测评情境以基于学生的经验与生活、面向真实的技术世界为理念［3］。在技术与工程类试题的命制中，选择具有实际意义的真实情境，通常能够结合科学知识，实现科学原理向实用工程技术的转化，从而可以考查学生将科学原理应用于技术与工程的能力。

1.素材类型

情境材料多种多样，基于技术与工程类试题的特征，命题者可重点关注以下几类素材。

日常用品类。在日常生活中我们总是会用到各种各样的器具，如电热水壶、消毒喷壶、打印机、空调支架、移动晾衣架等。以这些素材来创设情境，不仅能考查学生对知识的理解和应用能力，也能引导学生关注生活、关注社会。

科技发明类。当今世界科技发展日新月异，如转基因技术、超导技术、人工智能技术以及各种发明创造。以这些素材来创设情境，可以加强学生对新事物的理性判断，培养学生的技术理性和伦理观念。

重大工程类。社会的进步离不开工程，工程问题是综合性问题，命题者可以挖掘其中适合初中生识别的部分，如与青藏铁路建设有关的冻土层热管技术、杭州西溪湿地综合保护工程、都江堰水利工程等，将其整理加工后作为试题情境。这种情境可以增强学生对保护环境、推动生态文明建设和可持续发展的责任感，激发其民族自豪感。

2.情境特征

刺激情境承载着考查目的，隐含着价值追求。将技术与工程实践素材选作试题情境时，要关注以下特征。

真实性。工程情境要真实可靠，最好来自实际生活或者权威资料，对于通过互联网等途径所获得的素材，命题者要做好考证甄别。同时，筛选时要考虑不同地域、不同层次学生的知晓度，留意不同领域素材的均衡性，为公平考查奠基。

导向性。技术与工程实践是影响社会、改造自然的活动，命题者在通过试题引导学生关注实际问题的同时，要关注技术与工程活动蕴含的思想观念、思维方法、伦理道德，要使其有利于产生积极的育人价值。

关键性。技术与工程情境涉及科学核心知识，指向技术与工程实践的关键要素，隐含结构与功能、系统与模型、稳定与变化等跨学科概念，具有考查学生科学关键能力的潜质。

（二）技术与工程测评试题的任务设计

美国《K-12教育中的工程：理解现状和提升未来》报告指出，K-12工程教育应该强调工程设计，应该发展性地体现相关的且重要的数学、科学和技术的知识与技巧［4］。因此，命制技术与工程试题，要关注技术与工程实践基本要素，并通过工程任务，对学生的认知水平、科学思维、探究实践进行评价。试题应着重从以下三方面进行命制：一是指向技术与工程的模型理解，考查学生将科学和技术与工程关联的能力；二是指向工程模型设计，考查学生方案设计和建模能力；三是指向技术与工程方案的评价与优化，考查学生分析能力和创新思维。

1.指向模型理解的技术与工程的任务设计

任何一项工程设计背后都有科学原理的支持，工程模型的设计过程一般从需求出发，在科学概念及原理的指导下，基于已有的技术手段，设计出解决问题的工程模型。在试题命制时，可以选择合适的工程模型，用文字表述、结构图形、表格等呈现工程模型形成的基本过程，展示工程模型所具备的基本功能，设置科学原理性问题，考查学生从功能到结构再到科学原理的反向推导能力。初中生具备了初步的科学知识以及应用能力，但是要解决一项实际意义上的工程问题，其知识储备、技能涵养是不足的，故可以选择对工程设计类问题的解释、原理解读等来进行测评。因此选择合适的工程模型，来考查学生科学、技术、工程的关联能力尤为重要。

【例1】［2020年浙江省初中学业水平考试科学（温州市卷）第30 题］英国物理学家斯特林于1816年发明了“斯特林发动机”。斯特林发动机气缸内工作介质易汽化、易液化，该介质经过吸热膨胀、冷却压缩的循环过程输出动力，因此又被称为热气机。某工程师按照“斯特林发动机”原理设计了如图甲（图略）所示的模型机，工作过程中飞轮持续旋转如图乙（图略）。请结合所学知识解释飞轮能持续转动的工作原理。

【分析】该题以学生对于教材中四冲程热机工作原理的认识，以及工作示意图的理解为基础，选择“斯特林发动机”的工程模型为情境，通过文字、示意图等形式，阐述该发动机工作的过程。从科学思维角度，考查学生信息获取和分析的能力，比如在图乙的四幅图中，需要学生通过辨识理解上下两个活塞的运动方向和飞轮、连杆之间存在什么关系，四幅静态原理图如何连贯运行，工程结构是如何实现功能的等诸多问题。该题所考查的科学知识包括能量的转化、运动和力的相关知识，突破关注零碎知识和技能的测评方式，着重考查学生的信息获取能力、分析能力、归纳能力等。

2.指向模型设计的技术与工程的任务设计

技术与工程是人类将所掌握的科学知识转化为技术应用终端的方式。在转化过程中需要根据应用目的，结合应用环境，在已有科学技术的基础上提出工程设计，让学生在学习时感受科学学习的作用。对科学实际应用的模型设计进行测评，能帮助学生树立正确的科学观，因此对于技术与工程模型设计的考查显得尤为重要。形式上，可以通过“表述是否清晰”“设计原理是否科学”“结构设计是否合理”“功能设计能否达成”等方面对测评工程方案进行问题设置。基于学生的基本认知，在选择模型情境时，可以选择与学业相关的简单机械模型，或某一复杂模型的部分结构。该类题型的问题设置模式多样，可以是工程中的结构设计，也可以结合具体需求，通过草图的绘制、文字的表述等形式进行可视化的工程设计。

【例2】［2022年浙江省初中学业水平考试科学（丽水市卷）第31 题］如图甲（图略）是清代的手持消防水枪，它在消防灭火中发挥过一定作用，其部分结构如图乙（图略）：枪身由内外两个套筒组成，外筒底部是进水口，内筒顶端是喷水口、底部有活塞。使用时将进水口浸没在水中，先向上提内筒吸水，再向下压内筒喷水，如此反复。

【原理分析】使用消防水枪吸水时，主要是利用了____。

【方案设计】如图丙和丁（图均略）是小丽设计的消防水枪进水口的两种结构，合理的是____。

【分析】该题基于手持消防水枪模型，通过图片加文字的描述，概括了水枪的用途和功能。第一问为原理分析；第二问给出两幅设计图，让学生判断哪幅图合理，主要考查内容为单向阀门的应用，需要学生从给出的信息中确定消防水枪工作时的基本过程，从功能上来讲需要实现“水枪吸水时，阀门向上打开，喷水时阀门闭合”，该种阀门在九年级科学热机的结构图中有所提及。学生如果能够明确消防水枪吸水和喷水的功能，即可从功能去推测结构。这有助于促进学生对“结构与功能”观念的理解。

命制技术与工程试题，首先，在设置结构、设计问题时需要明确设计的意义，这里的意义指能够体现学生的科学知识和实际应用能力。其次，作为纸笔测试的试题考查，需要选择适合测试的作答方式，作答的形式可以有多种，如选择、填空、简答。最后，在设置问题时，可以根据所选取的工程模型，对其设计的合理性、科学性、目的性进行考查。工程样品的设计考查，除了对模型结构进行设问外，还可以从材料或药品选择、工作过程等方面进行提问。

【例3】［2022年浙江省初中学业水平考试科学（杭州市卷）第32题］

（1）呼吸气路的设计：自救呼吸器使用时，需用鼻夹夹住鼻子，用嘴咬合呼吸软管进行呼吸。在正常呼气时，单向阀A和B的开闭情况是___（选填“A 打开，B 闭合”或“A 闭合，B 打开”）。

（2）生氧药品的选择：小金查阅资料发现超氧化物（用MO2表示，其中M为+1价）可与人呼出气中的CO2、H2O反应生成O2，其反应的化学方程式为：

X 的化学式为____。500 g 超氧化钾（KO2）和500 g 超氧化钠（NaO2）的生氧性能如图（图略）所示。小金依据人正常呼吸时需要生氧药品的生氧速度不低于1 L/min，并结合自救呼吸器的结构和生氧药品的生氧性能，选取了KO2作为生氧药品。选取KO2的优点是____。（写出1点）

（3）影响自救呼吸器有效防护时间的因素有___（选填序号）。

①生氧药品的质量 ②外界有毒有害气体浓度 ③外界氧气浓度 ④生氧药品的种类

【分析】该题基于实际需求，以缺氧或高浓度有害气体环境下的自救呼吸器为载体，从技术与工程的设计原理、材料及药品选择、产品设计评价等方面，对学生的学科关键能力进行考查。第（1）小题要求学生利用气压相关知识，分析生氧装置的工作过程，考查模型设计技术。第（2）小题要求学生根据质量守恒定律，写出化学式，并根据所给出的图像，对药品选择作出科学解释。第（3）小题要求学生对于装置的适用环境、影响因素作出判断。上述内容体现了工程设计要基于一定的科学原理，符合此类试题命制的要求。

3.指向方案评价与优化的技术与工程的任务设计

工程产品受限于当时的技术水平和科学认知，不同时代的产品能够体现出时代特色，也能反映出时代的科技水平，是一个逐步发展、进步、修正、完善的过程。工程实践的发展过程，也为工程情境提供了较多可用素材，命题者可以由古论今，也可以由今论古，对所选择的工程样品进行评价与优化。在设置试题问题时，可以根据所给的工程模型从工程设计的科学性、工程设计的合理性、工程技术的安全性、工程结构的功能性、工程实用的经济性等角度进行评价，并可以针对原有模型中的不足之处提出自己的意见，同时完成方案的优化。

【例4】［2021年浙江省初中学业水平考试科学（丽水市卷）第34 题］小科和小思在爷爷家看到不能移动的土灶（如图甲，图略）……了解到其内部结构如图乙（图略）所示：木柴添加通道与烟囱相连，通风道与木柴添加通道通过中间铁栅连通。于是分别设计了移动式土灶（如图丙和丁，图略）。

（1）为使木柴充分燃烧，移动式土灶设计更合理的是___（填“丙”或“丁”）。

（2）土灶设计烟囱的作用是___。

（3）资料显示：1 千克干木柴在土灶中燃烧，能产生约12.5克固体粉尘。从环境保护的角度，提出一条合理建议____。

【分析】该题以生活中的土灶为情境，构建出土灶模型图。第（1）小题要求学生对移动土灶的两种设计方案作出评价，需要学生从所给的图像信息中发现两种设计（丙和丁）的不同之处，丁装置有一个通风口，能进入更多的空气，使木材充分燃烧。第（2）小题要求学生对土灶烟囱设计作出评价，从科学的角度进行分析，学生需要答出：这样的设计有利于冷热空气形成对流，有利于可燃物充分燃烧，有利于排出气体和烟尘。第（3）小题要求学生对原有设计从环保角度作出方案的优化改进，可以填写“加装除尘装置或改进土灶结构”等。此类考题既能让学生感知技术与工程的发展，又渗透保护环境的意识，能强化学生的责任感，培养创新思维。

三、评述与讨论

对于技术与工程测评，各地中考试题的纸笔测试中都有所体现。纸笔评价方式适用于考查学生知识的掌握情况、思维水平的层次，但是对于学生的实际操作能力、解决问题的能力缺乏对应效果。纸笔测试难以全面评价学生的关键能力，学生可能出现会写不会做、会做不会写的情况。为此，需要在教学过程中对该类测评进行及时评价，如可以通过模型设计、模型制作、模型应用、模型优化等过程，对技术与工程进行有效评价。当下，由于缺乏工程实践评估素材，导致难以开展有效的工程实践评估活动，无法体现初中科学的学科特质，因此我们更需要积极探索技术与工程实践能力评估工具的开发和应用，从而真正落实核心素养的培育。