初中科学技术与工程测评试题命制研究

ϵ摘    要：技术与工程测评试题的命制要围绕工程实践过程，对测量目标、刺激情境、任务设计这三要素进行设计，以发挥评价的指导作用，促进学生科学素养的发展。命题者可基于对技术与工程实践要素的分析构建模型，并根据试题的组成要素，结合技术与工程学业要求，形成试题命制模型。命题者还需要根据素材类型、情境特征选取具有实际意义的真实情境，着重从指向技术与工程的模型理解、模型设计、方案评价与优化三方面，考查学生将科学和技术与工程关联的能力、方案设计和建模能力、分析能力和创新思维。

关键词：初中科学技术与工程；试题命制；科学素养

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）。

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工程实践]

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。

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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］