新课标背景下小学生技术与工程实践能力
评价框架的建构及其应用研究
原文刊载于《中国考试》2023年第4期第50—58页。
作 者
王俊民，重庆师范大学初等教育学院副教授。
摘 要：技术与工程实践能力是科学课程要求培养的学生核心素养的重要组成部分。结合国内外研究成果，从技术与工程实践的过程出发，建构小学生技术与工程实践能力的评价框架，包括界定问题、设计方案、动手操作、分工协作、测试改进、交流评价6个评价要素，具体表现性评价按学段分两级。以某小学2年级学生作为研究对象，采用自编的表现性评价任务，通过现场操作并录像的方式收集信息，对小学生的技术与工程实践能力进行评价。结果发现，低学段小学生的技术与工程实践能力发展较好，但各维度发展不均衡，具体表现为：界定问题和测试改进的能力发展良好，具有一定的动手操作能力和参与意识；设计方案能力不足，材料选择和制作过程易与方案设计脱节；表达交流的语言有待丰富和科学化。研究为小学技术与工程实践能力的教学和评价提供一定参考。
关键词：义务教育科学课程标准；技术与工程实践能力；评价框架；核心素养
2022年4月，我国颁布的《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称《科学新课标》）将“探究实践”列为科学课程的核心素养之一。《科学新课标》提出的“探究实践”主要指在了解和探索自然、获得科学知识、解决科学问题以及技术与工程实践过程中，形成的科学探究能力、技术与工程实践能力和自主学习能力[1]5。技术与工程实践能力首次出现在义务教育阶段科学课程标准中。目前，关于技术与工程实践能力的相关研究还很少，对于什么是技术与工程实践能力、如何评价学生的技术与工程实践能力尚在探索阶段。本研究从技术与工程实践能力的内涵出发，构建评价框架，采用表现性评价调查小学生的技术与工程实践能力发展水平，以期对新课标背景下科学课程的教学与评价改革有所启发。
1 技术与工程实践能力的内涵
在高等教育领域，工程实践能力是工科专业广泛使用的一个词，其概念范畴非常宽泛，包括从对工程实践的感知到介入，从工程项目的实施到工程产品的改进及整体优化，从项目成果的鉴定、验收、归档到工程文档资料的再利用。有研究将其概括为工程设计、工程实施、工程控制、发现问题、沟通协作、批判创新、文档梳理7个方面[2]；也有研究将其概括为提出问题、设计方案、实施方案、试验调试、提交文档和沟通与协作6个方面[3]。在基础教育领域，美国《新一代科学课程标准》对科学与工程实践能力作出界定，包括提出问题和界定任务、开发与使用模型、计划和实施调查、分析和解释数据、运用数学和计算思维、构建解释和设计解决方案、基于证据进行论证以及获取、评价和交流信息8个要素[4]。2020年，美国技术与工程教育协会发布的《技术与工程素养标准：STEM教育中技术与工程的作用》提出技术和工程实践包括系统思维、创造力、制作、批判性思维、乐观、合作、沟通与关注伦理[5]。由此可知，无论是高等教育领域，还是基础教育领域，国内外研究主要从工程实践的过程描述技术与工程实践能力，可以概括为界定问题、设计方案、实施计划、检验作品、改进完善、发布成果等环节，而系统思维、批判性思维、协作沟通、创造力、乐观等核心素养是学生进行技术与工程实践必须调用的关键能力和必备品格。例如，设计方案需要系统思维、创造力以及成员之间的沟通，实施计划需要个体的操作能力和乐观坚毅的品质以及成员之间的协作，改进完善需要批判性思维等。
《科学新课标》提出的技术与工程实践能力主要体现为：了解技术与工程实践的一般过程和方法，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[1]5。这一标准也从工程实践过程角度描述技术与工程实践能力，涉及的要素包括明确问题、提出并筛选方案、加工制作、修改迭代和验证展示。胡卫平等将技术与工程实践能力确定为构思与设计、操作与实现、验证与优化等要素[6]。基于上述研究，本研究认为，技术与工程实践能力是与科学探究能力同等重要的一种过程性能力，包括界定问题、设计方案、加工制作、测试改进、交流评价5个要素。其中：界定问题指从真实或建构的问题情境中发现问题，且最大限度地定义需要解决的问题，分析问题的限制条件和需求，比如可以使用的材料、作品的外观和功能等，为设计制作提供一个基本的标准或限制条件，要求能够对情境进行整体分析，对问题进行准确的描述；设计方案指针对问题提出可行方案并依据需求或限制条件进行优化，涉及测量记录、选择材料、模型建构、绘画表达、比较权衡、分析综合等多个方面的操作和思维能力；加工制作指能利用工具和材料完成加工制作，生产出基本满足条件的作品，涉及正确安全地使用工具、百折不挠的品质、有效利用材料的意识、与人协作和解决冲突的能力等；测试改进是指能根据实际效果或测试结果对作品进行修改完善，要求具有测试改进的意识和接受不足的勇气，能发现问题并坚持不懈地解决问题；交流评价指能用自制的简单装置或实物模型验证或展示某些原理、现象或设想，要求能通过多种形式表达观点，同时能够与他人交流，评价他人的观点、作品或反思自己的作品与实践过程。
2 技术与工程实践能力评价框架
国际上，技术与工程实践能力的评价多体现在“技术素养”“技术与工程素养”等测评框架中。美国NAEP技术与工程素养评估从领域和实践两个维度构建评价内容，领域包括技术和社会、设计和系统、信息和通信技术，实践包括理解技术原则、设计方案实现目标、合作与交流。其中，设计和系统体现了工程素养要求，与实践形成工程实践能力的二维模型，包括描述、举例、解释、分析系统或过程等技术原则，设计制作、生产方案、评估、作出决策、改进等实现设计方案目标的过程，以及呈现、运用、展示等交流与合作的能力[7]。澳大利亚昆士兰州技术与设计评估项目从知识理解、过程与生产两个维度评价小学生的技术设计素养，其中，过程与生产维度包括调查与界定、生成与设计、加工与实施、评价、合作与管理5个方面[8]。新西兰技术素养测评项目中的技术素养包括技术知识、技术实践和技术本质3个维度，其中的技术实践对应技术与工程实践能力，具体包括制订实践计划、简述开发过程与产品、成果开发与评价3个方面[9]。
由此可知，国际测评项目中的技术与工程实践主要通过工程实践过程确定测评内容。在我国，有研究从工程实践的过程构建指标，包括提出工程问题、设计解决方案、运用材料和工具、基于证据解释、评估/改进设计5个过程性能力[10]，还有研究从自主学习能力、分析能力、思维能力、实践操作能力、沟通协作能力、创造与创新能力6个方面构建大学生工程实践能力的评价指标[11]。
基于《科学新课标》对技术与工程实践能力的表述，结合国内外相关研究成果，本研究从技术与工程实践的过程出发，将系统思维、沟通协作等核心素养渗透其中，构建小学生（中低学段）技术与工程实践能力的评价框架，见表1。该框架包括6个内容要素，分别是界定问题、设计方案、动手操作、分工协作、测试改进和交流评价。其中，动手操作是对《科学新课标》中“加工制作”要素的进一步区分，关注的是学生使用工具和材料进行制作的能力。分工协作被单独列为评价要素，一方面是考虑小组合作的重要性，应在研究过程中给予更多关注；另一方面是分工协作不仅体现在加工制作的过程中，也体现在设计方案和测试改进的过程中，单独评价有利于整体把握。
在明确技术与工程实践能力的评价要素后，本研究从评价要素的具体内容出发，依据科学课程学业质量标准，同时参考《科学新课标》“探究实践”的学段目标，确定每个评价要素的具体表现水平，将其分为两级，一级为低学段（1~2年级）小学生应达到的水平，二级为中学段（3~4年级）小学生应达到的水平。
3 小学生技术与工程实践能力的应用研究
3.1 设计评价任务
以低学段（1~2年级）小学生为研究对象，依据学生的认知发展水平和课程标准设计两个评价任务，分别为“制作一个文具盒”（任务一）和“制作鸡蛋保护器”（任务二），这两个任务均设计有教师工作单和学生记录单。
教师工作单主要用于指导教师的现场操作，包括操作环节说明、教师行为（比如发放材料、记录等）和语言、评价内容及其他注意事项。以任务一为例，教师工作单的流程和具体内容见表2。
学生记录单主要辅助学生完成操作过程并记录相关信息，包括任务要求、画图要求和材料清单，其中的任务要求是学生自己界定问题后，由教师统一提出作品要求。以任务一为例（图1），其中：“任务要求”对文具盒的大小、质量、功能、美观性、成本5个方面提出设计要求；“材料清单”列出学生可以选择的材料、规格及单价，学生根据需要勾选材料并计算成本。
3.2 设计评价标准
为了判断学生的具体表现水平，根据具体任务要求对表1中的表现水平进行细化，形成针对具体任务的评价标准。以任务一为例，评价标准见表3。
3.3 试测与修订
选取某小学2年级学生进行试测，其目的主要是检测教师工作单、学生记录单的流程与内容是否合适，学生是否有不认识的字、不理解的信息等问题。
每个任务随机抽取4名学生（分两组），在教师引导下完成整个操作，试测地点为该小学的实验室，每个任务的试测时间为1.2~1.5小时。教师严格按照教师工作单的环节和要求进行，包括发放与回收学生记录单、发放操作材料、记录观察信息、个别信息提示等。
现场操作结束后，研究者对录制的视频进行分析；同时，结合教师反馈对教师工作单和学生记录单进行完善，结合学生表现对评价标准进一步修订完善。具体包括：1）将初步规划的任务时间由0.5小时延长为1小时以上，以保证学生能有充足的时间完成操作任务；2）增加录制设备以保证录像质量；3）在任务开始前和制作过程中提醒学生大声交流，在任务完成过程中注意记录学生有代表性的语言；4）重新设置材料规格、价格，删除超出学生认知范围的单位；5）修改、完善测评标准，如在交流评价能力中将能说出5种以上材料标定为二级水平，在设计方案能力中考虑设计图、材料选择之间的关联性等。
3.4 评价实施流程
首先，随机选取某小学2年级学生40人（非试测学生）作为研究对象，其中参加任务一的男生12人、女生8人，参加任务二的男生8人、女生12人。为了便于观察和记录信息，评价地点为该学校内单独的实验室。
其次，确定小组构成形式为男女组合、男男组合、女女组合，每个小组2人，且两个任务小组同时操作，每次时间持续1.2~1.5小时。操作过程由一位经过培训的教师全程参与，包括发放与回收学生记录单、发放操作材料、记录学生操作信息、个别信息提示等。操作过程全程录像，由两台独立的摄像机分别记录每组的操作过程。
最后，研究者对录制的20个视频进行分析，综合分析学生在任务中的行为表现及学生记录单填写情况，对照每个任务的评价标准进行评价，然后对所有学生的技术与工程实践能力进行综合分析。具体评价方法如下：未全部满足一级水平，评定为0.5级水平；全部满足一级标准但不满足二级标准，评定为一级水平；全部满足二级标准，评定为二级水平。
3.5 评价结果
表4为样本学生技术与工程实践能力的综合评价结果。
1）界定问题能力。55%的学生达到一级水平，45%的学生达到二级水平。学生的具体表现显示学生界定问题的视角比较单一。在任务一中：所有学生都考虑到文具盒装笔的功能，但几乎没有人对该功能进行细化，更多停留在外观层面，比如“文具盒要好看”；个别小组具有参照实物考虑模型尺寸大小的意识，并考虑其功能，如装铅笔、橡皮擦，坚固耐用，不能被笔戳破等。在任务二中，多数小组能考虑到保护器保护鸡蛋的功能，但仅有个别小组会讨论“要按照鸡蛋的形状来设计”（保证鸡蛋能放进去），或用直尺粗略测量鸡蛋大小以帮助界定等。
2）设计方案能力。40%的学生未达到一级水平，30%学生达到一级水平，30%的学生达到二级水平，说明学生设计方案能力差异较大，部分学生该能力有待提升。具体表现为：①多数学生不会使用长度等数据表达自己的设计，图纸设计不规范。例如：任务一中很多小组的草图绘制不清晰、未进行标注，所有组都未进行长度标注；任务二中多数小组的草图能呈现保护器的形状，经教师提醒进行标注，但标注内容都是材料而非数据。②学生缺少系统思维，不能将材料选择与草图设计相结合，不考虑材料规格和成本，且学生对草图的价值认识不足，选择材料不以草图为依据，多依靠个人经验。如任务二中多数小组选材料的依据不是设计需要，而是哪些材料能直接保护鸡蛋。③学生大多基于已有的知识和经验进行设计，创新设计比较欠缺。例如：任务一多集中于外观性设计，创新多局限在外观装饰；任务二仅有个别小组能联系多个材料进行设计，比如让被包裹的鸡蛋落下后掉在装有棉花的塑料杯中。
3）动手操作能力。达到一级、二级水平的学生均为35%，同时有30%的学生未达到一级水平，说明学生的动手操作能力差异较大，部分学生的动手操作能力有待提升。主要表现为多数学生能安全、规范使用剪刀、胶水等基本工具或材料，但很多小组不能依据草图施工。在两个任务中：①部分学生对直尺的使用不规范或绘图不用直尺等辅助工具；②存在用嘴撕透明胶、使用剪刀吃力、不能区别使用双面胶和透明胶、手工胶使用不当等现象；③多数小组制作过程脱离草图，缺少系统规划，不断重复“自由尝试—修改—放弃”的过程，浪费了很多材料和时间。
4）分工协作能力。85%的学生达到一级水平及以上，15%的学生未达到一级水平，说明大部分学生具有较好的团队意识，但少量学生的分工协作能力有待提升。主要表现为学生基本能参与到制作任务中，但协作能力和应对冲突的能力有待加强。在两个任务中：①所有学生都能在团队中扮演一定角色，但大部分学生没有明确的合作意识和分工意识，多数小组为一人主导，部分学生容易走神、关注其他组，少量学生主动找教师交流，但忽略组员；②任务二中，少数小组在制作过程中存在争吵和推卸责任的情况，比如一名男同学在自己尝试失败后，处于半放弃状态，在旁边观望和催促，并自言自语“不想做了”，交流评价时责怪其他组员。
5）测试改进能力。25%的学生为一级水平，75%的学生达到二级水平，说明学生都有初步的改进意识，多数小组能对作品进行简单改进：任务一中，学生主动将笔放进文具盒测试，能根据观察和反思进行改进；任务二中，学生能积极地测试鸡蛋是否会破。但大部分小组只进行了一次测试，缺乏改进、再测试的意识，且部分小组存在问题不准确或改进方法不合理等现象，如对文具盒的改进多是美观问题，对鸡蛋不能精准掉入塑料杯的问题未能解决等。
6）交流评价能力。80%的学生达到一级以上水平，20%的学生未能达到一级水平，说明学生的交流评价能力发展不均衡，少量学生的交流评价能力需要提升。表现为：①所有学生都能使用简单的语言表达自己的观点，但语言多为词汇且简短、笼统、不够具体，不会举例，甚至不够科学；②表达形式比较单一，多基于作品进行表达，忽视其他工具的应用；③大部分学生具有评价他人的意识，但语言较欠缺，相比之下，评价自己的作品和他人的作品时语言较为丰富，还能通过比较等方式进行说明或提出一些改进建议。
4 结论与讨论
综合来看，低学段小学生的技术与工程实践能力发展较好，少数学生甚至达到二级水平，但部分学生的相关能力还有待提高。本研究可以得出两个方面的主要结论。其一，低学段小学生的技术与工程实践能力基本达到应达到的一级水平。主要表现包括：能从产品的功能出发界定简单问题；能从形状和大小等角度设计简单的草图，部分地满足任务界定，能根据需要选择一些材料；能在教师指导下安全地使用简单的工具或材料（如剪刀、胶水等）收集信息或进行加工；基本能参与到制作任务中，在团队中扮演一定的角色；能在作品完成后进行简单测试；能使用简单的语言表达自己的观点或评价他人作品。其二，低学段小学生的技术与工程实践能力在各维度上发展不均衡。主要表现为：学生界定问题和测试改进能力发展较好，具有一定的动手操作和参与意识；设计方案的能力不足，图纸设计规范性不够，方案设计过程中还不具备总体谋划的系统思维，创新表现在外观装饰上；材料选择和制作过程容易与方案设计脱节；表达交流的语言比较简单、笼统，有待丰富和科学化。
本研究为小学技术与工程实践能力的教学和评价提供一定参考。基于科学课程学业质量标准对小学生的技术与工程实践能力进行表现性评价，为新课标背景下基于学业质量标准的评价提供了实践经验，为技术与工程实践能力的评价提供了可操作的思路和框架。本研究得出的2年级小学生在界定问题、设计方案、分工协作等方面的表现，有利于教师基于学情进行教学设计并在工程实践过程中理解学生的行为。研究发现可以为小学中高年级开展教学提供一定的诊断评价信息，如研究发现大部分2年级学生没有明确的合作意识和分工意识，即学生虽然在角色上认可了自己的同伴或团队，但在实际行动中无法与团队成员进行较好的分工合作，为小学中高学段教学中关注分工合作策略提供了证据支持。
由于研究工具、实施方式和样本的局限，小学生技术与工程实践能力的发展水平研究还有待进一步改进和深化。
首先，评价任务的设计有待进一步完善。评价任务的设计是小学生技术与工程实践能力评价的一个难点，既要保证评价任务能够全面真实地反映学生的行为表现，又要保证研究者能够依据行为表现准确判断其水平。本研究中部分评价任务要素的表现水平描述还需要进一步的证据支撑，如将“图纸设计满足任务的3个及以上要求”作为任务一的二级水平，虽然在操作层面比较方便，但以“3个”作为分界点是依据该任务的复杂性和试测学生的表现作出的判断，缺少其他证据支撑。
其次，从研究过程来看，本研究采用的表现性评价是在课堂教学之外的专门活动，这种评价方式和环境虽然避免了课堂教学中无关因素的干扰，有利于研究者更加准确地捕捉信息，但学生可能为了讨好教师而过度表现或受到环境影响而发挥失常，如75%的学生测试改进能力已经达到二级水平，即能在完成作品后主动进行测试，并基于测试结果进行改进。《科学新课标》要求3~4年级学生“能发现所制作模型的问题，并进行适当的改进”[1]114；那么，究竟是小学生出于好奇心或成就感而在学习科学课程后确实具备了测试的意识和适当改进的能力，还是在研究实施过程中受到教师行为或语言暗示才主动测试与修改的，还有待进一步研究。
最后，本研究选择的40名学生来自重庆市某周边城区的一所小学，虽然能反映区县普通学校的学生水平，但无法代表中心城区和乡村学校2年级学生的真实水平；因此，还需要对不同经济水平地区的学生表现进行广泛研究。
参考文献：
