小學生STEM素養(yǎng)測評工具的開發(fā)與修正探析

1、小學生STEM素養(yǎng)測評工具的開發(fā)與修正探析【摘 要】STEM素養(yǎng)的測量與評價對于檢驗和改進STEM教育教學具有重要的意義。過 對國內外大量文獻的梳理，明確STEM素養(yǎng)的定義，構建STEM素養(yǎng)測評框架。在此基礎上，開 發(fā)一套面向小學高年級學生的STEM素養(yǎng)測評工具，包括STEM知識、STEM能力測試卷以及 STEM思維、STEM態(tài)度測評問卷。測評工具經過口頭報告法、專家咨詢法以及在246名小學生 的初步試測三輪迭代修正，結果顯示，該測評工具的信度和效度達到心理測量學可接受的水平， 可用于小學生STEM素養(yǎng)的鑒別?！娟P鍵詞】STEM素養(yǎng)；測評工具；STEM教育以全球視野縱觀時代發(fā)展，推動學生核心

2、素養(yǎng)全面發(fā)展，以培養(yǎng)學生STEM素養(yǎng)為導向 的STEM教育已然成為全球性教育發(fā)展趨勢。 STEM素養(yǎng)是21世紀學生應該提升的素養(yǎng)之一, 是技術競爭日益激烈的現代社會生活中人們必 備條件和核心競爭力。小學是學生智力發(fā)展的 關鍵時期，亦是培養(yǎng)學生STEM素養(yǎng)的黃金時 期。美國教育部發(fā)布STEM2026: STEM教育 中的創(chuàng)新愿景）!*指出，開發(fā)創(chuàng)新、可操作的學 習測量方法是指導STEM融合的原則，強調 STEM測量的重要性。隨著STEM教育的開展, 如何有效地對學生的STEM素養(yǎng)進行測評成為 難題，素養(yǎng)測評研究也成為近年來教育工作者 們關注的重點。從已有研究來看，我國尚未形 成一套面向小學生的S

3、TEM素養(yǎng)測評工具，同 時也缺乏相關的實證研究。因此，本研究嘗試 在梳理STEM素養(yǎng)的定義以及分析現有STEM 素養(yǎng)測評工具的基礎上，構建STEM素養(yǎng)測評 框架，開發(fā)一套面向國內小學生的STEM素養(yǎng) 測評工具，以期豐富STEM素養(yǎng)理論研究，為 STEM教育測評理論體系的發(fā)展提供借鑒。一、STEM素養(yǎng)定義及現有的測評工具（一）STEM素養(yǎng)定義STEM素養(yǎng)的定義決定STEM素養(yǎng)測評的內 容、方法。目前關于STEM素養(yǎng)的定義國內外 尚未形成統(tǒng)一的標準，綜合來看可以劃分為兩 種視角。一種是分解論視角，將STEM素養(yǎng)分 解為科學素養(yǎng)、技術素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數學素 養(yǎng)四部分；另一種是跨學科整合的視角，STE

4、M 素養(yǎng)整合了科學、技術、數學和工程四門學科 相互關聯和互補的部分。目前學者Bybee、 Zollman 以及機構 National Governors Association （美國國家政府協(xié)會）、National Research Council （美國國家研究院）關于STEM素養(yǎng)的定義是在 國際上被引用最多，也是具有代表性的定義, 如表1所。表1國外學者及政府機構對STEM素養(yǎng)的定義研究者STEM素養(yǎng)定義BybeeSTEM素養(yǎng)指的是：獲取科學、技術、工程和數學知識， 并利用該知識識別問題，獲取新知 識，并將知識應用于STEM相關 問題將STEM學科的特征表述為人類活 動的形式，包括探究、

5、設計和分析 過程認識到STEM學科如何塑造我們的 物質，知識和文化世界參與STEM相關問題以及擁有科學、 技術、工程和數學的思想，作為一 個熱心，熱情以及批判性的公民Zollman)4*STEM素養(yǎng)是一種包含技能、能力、事 實性知識、程序、概念和元認知能力 的深層次學習方式NationalGovernorsAssociation)5*STEM素養(yǎng)指的是個人能夠應用自身知 識理解世界是如何在四個相互關聯的 領域內和跨越四個相互關聯領域運作 的能力NationalResearch廠-1(6*CouncilSTEM素養(yǎng)是對科學和數學概念的理 解，以及個人決策，參與公民文化事 務以及所有學生的經濟生產

6、力所需的 過程雖然STEM素養(yǎng)的定義紛繁多樣，但是定 義之間多存在共性，比如整合四大學科的知識, 跨學科地解決實際問題是所有定義中都提到和 強調的。綜合以上觀點，筆者對STEM素養(yǎng)的 定義采用Bybee的觀點并在此基礎上進行了拓 展，確定STEM素養(yǎng)指的是學習者綜合獲取和 融合應用科學、技術、工程和數學知識，識別 并解決STEM有關問題，基于證據做出決策的 能力。在此過程中綜合運用和提升跨學科思維、 批判性思維、創(chuàng)造性思維，并且對STEM持有 積極態(tài)度，認為STEM學習有價值，愿意參與 到STEM相關領域的學習中。（二）STEM素養(yǎng)現有的測評工具國際上具有代表性的STEM素養(yǎng)測評是 OECD

7、（經濟合作與發(fā)展組織）面向全球15歲 學生開展的PISA測試，主要測量學生的科學、 數學和閱讀素養(yǎng)。雖然PISA測試沒有直接指向 STEM素養(yǎng)，但卻被許多專家學者認同為STEM 素養(yǎng)測評的導向和標桿，其所展現的理念、方 法適用于義務教育各階段。以PISA 2015為例, 素養(yǎng)的測評領域包括情境、知識、能力和態(tài)度; 測評包括五種題型：選擇題、封閉式問答題、 簡答題、復合選擇題以及開放式問答題。在我國，研究者普遍認同“知識、能力、 思維和態(tài)度”四元素養(yǎng)測評理論模型，并據此 開展STEM素養(yǎng)的測評探索。蔡海云從STEM 知識、STEM）力、STEM思維和STEM態(tài)度四 個維度編制了一套1STEM素養(yǎng)

8、調查問卷，用 于測量）二學生的STEM素養(yǎng)。劉雪（8）采用李 克特五級量表從STEM化學知識、STEM化學） 力、STEM思維和STEM化學態(tài)度四個維度調查 延邊市中學生基于化學學科的STEM素養(yǎng)。綜上所述，國內外STEM素養(yǎng)測評工具多 面向中學生，專門指向小學生STEM素養(yǎng)的研 究不多，缺乏相關的測評工具。由于中學生和 小學生心理特質的差異，面向中學生開發(fā)的 STEM素養(yǎng)測評工具難以遷移。因此，開發(fā)一 套面向小學生的STEM素養(yǎng)測評工具十分 必要。二、STEM素養(yǎng)測評框架的組成依據“知識、能力、思維和態(tài)度”四元素 養(yǎng)測評理論模型以及STEM素養(yǎng)的定義，根據 小學生STEM教學現狀，在參考已開

9、發(fā)的STEM 素養(yǎng)測評框架基礎上傾10*,本研究從測評情 境、測評領域、測評要點等構建STEM素養(yǎng)測 評框架（如表2所示）。表2 STEM素養(yǎng)測評框架測評情境測評領域測評要點STEM知識科學、技術、工程、數學知識）學科知識獲得知識的能力個人情境X會情境全球情境STEM思維STEM態(tài)度STEM能力識別STEM相關的事件或概 念的能力整合應用STEM的能力使用STEM解決問題的能力基于STEM制定決策的能力批判性思維 創(chuàng)造性思維 ）學科思維意識自我效能感價值傾向測評情境涵蓋各級各類STEM活動開展所 基于的情景，是STEM問題產生所依賴的環(huán)境, 是STEM素養(yǎng)必不可少的部分。測評情境要求 學生具備

10、應對不同復雜環(huán)境中的問題解決的能 力。PISA測評指出評價結果的真實、可靠依賴 于預設的情境范圍。本素養(yǎng)測評的情境吸納了 PISA提供的個人情境、社會情境及全球情境。測評領域包括STEM知識、STEM能力、 STEM思維、STEM態(tài)度四大部分。其中， STEM知識是STEM素養(yǎng)的根基，包括四門基本 學科知識和跨學科知識。需要說明的是，跨學 科知識采用的是缽一代科學教育標準中定 義的七大跨學科概念：模式，原因和結果，大 小、數量與比例，系統(tǒng)和系統(tǒng)模型，能量和物 質，結構和功能，穩(wěn)定與變化（11）； STEM能力 是STEM中涉及問題解決和學生發(fā)展的主要能 力，是STEM素養(yǎng)中最核心的部分，主要包

11、括 獲得知識的能力、識別STEM相關的事件或概 念的能力、整合應用STEM的能力、使用STEM 解決問題的能力以及基于STEM制定決策的能 力。其水平高低受制于STEM知識、STEM態(tài)度 和STEM思維的共同發(fā)展；STEM思維是在解決 STEM相關問題中涉及到的主要思維，包括批判 性思維、創(chuàng)造性思維和跨學科思維；STEM態(tài)度 是學習者在參與STEM學習活動中產生的心理 傾向及言行表現，是STEM素養(yǎng)重要組成部分。 Mahoney）12）指出STEM態(tài)度可以從意識、自我效 能感、價值、傾向四方面進行測量，積極的 STEM態(tài)度可以促進學生更好地開展STEM學科 的學習。三、小學生STEM素養(yǎng)測評工

12、具的 開發(fā)測評工具的開發(fā)以測評框架為藍圖而展開, 但可以根據研究對象的不同加以調整。本研究 的研究對象為小學五、六年級學生，在充分考 慮學生心理特征的基礎上，參照國際大型素養(yǎng) 測評項目PISA，采用“試卷+問卷”的形式全 面測量小學生的STEM素養(yǎng)。其中采用試卷作 為STEM知識、STEM能力的測評工具，問卷作 為STEM態(tài)度、STEM思維的測評工具。（一）STEM知識、STEM能力測評試卷的 編制STEM素養(yǎng)的測評旨在考察學生在真實情境 下運用STEM知識和STEM能力解決問題的表 現情況。與平時的學校終結性考試不同，此測 試更注重問題的情境性、真實性，強調學生運 用跨學科知識解決問題的綜合

13、能力。義務教育 小學科學課程標準2017版（商是國內第一部 STEM學科課程標準，本研究以此課標為指導, 參考義務教育小學數學課程標準，進一步細 化小學生高年級考察的知識和能力點，初步形 成了 STEM知識和STEM能力測驗的雙向細目 表。然后根據雙向細目表，按照難度分布合理 的出題原則，從現有的STEM素養(yǎng)測評題庫中 抽取和改編樣題，以符合本研究需求，構建學 生STEM素養(yǎng)測評題庫，形成一套涵蓋三大問 題情境的四個單元測試，共計21道單選題的 STEM知識、能力測試卷。在每個小單元的考查 之前會提供一段引導性的閱讀材料，在此基礎 上，考查學生的獲得知識，以及識別STEM相 關的事件或概念、整

14、合應用跨學科知識問題、 制定決策的能力。STEM知識、STEM能力測試 樣題舉例如下：建造溫室廣州白云山云臺花園是全國最大的園林式 花園，其中有一個較為出名的參觀景點 玻 璃溫室。玻璃溫室占地面積為1200平方米，是 一個袖珍的熱帶植物園。溫室內分為高、中、 低三個區(qū)，分別是仙人掌與多漿植物區(qū)、棕桐 科區(qū)、蘭花區(qū)。植物的生長需要充足的養(yǎng)分、 光照、適合的溫度、水和空氣。在溫室在側墻 和屋脊能看到設有通風窗，幫助排除溫室的余 熱及溫室內的水分，調整溫室內空氣成分，排 除有害氣體，使溫室內的環(huán)境溫度、濕度和空 氣等條件適宜植物生長的要求。1-1溫室里有各種各樣的生物和非生物， 生物具有區(qū)別非生物的

15、基本特征是：生物的 生活需要營養(yǎng)；生物能進行呼吸；生物能 排出身體內產生的廢物；$生物能對外界刺激 作出反應；生物能生長和繁殖；生物都有 遺傳和變異的特性；除病毒以外，生物都是 由細胞構成的，具備生物特征的就是生物，否 則就是非生物。 TOC o 1-5 h z 小紅同學在雨后的草葉上發(fā)現了一些能運 動的綠色小點，下列說法不能作為小紅判斷小 點是生物的依據是：（）能生長與繁殖B.能呼吸C.碰下會縮成一團 D.體小且綠色1 -2為了觀察這些綠色的小點的細胞結構，她需要用到的工具是？（）A.電子顯微鏡B.放大鏡C.平面鏡1 -3小紅對植物在溫室里生長的條件產生 了極大興趣，請問光照會影響植物的生長

16、”是 否可以在實驗室里通過科學探究來測試？（）不同種類植物生長所需要的條件不同”是否可 以在實驗室里通過科學探究來測試？（）可以在實驗室里進行探究不可以在實驗室里進行探究1 -4為了研究植物生長與水和肥料間的關 系，小紅在5個花盆中分別種植了大小相同的 同種蘭花（花盆中的土壤取自相同的環(huán)境），每 天向花盆內澆適量的水和液體肥料。做如下 處理：花盆澆水量施肥量1與以前相同與以前相同2比以前減少1/2比以前減少1/23比以前減少1/2與以前相同4與以前相同比以前增加1/25不澆水比以前減少1/2如果想要說明過多施肥會引起植物枯萎, 可比較哪兩個花盆？（）A. 1 與 2B. 1 與 42 與 3D

17、. 4 與 51 -5溫室2015 -2018四年蘭花產量情況如 下圖所示：3500=1500:1000 :蘭500=2015 年2016 年2017 年2018 年請問這四年來平均每年的產量是多少？（）A. 2200B. 2500C. 3000D. 35001 -6小紅在了解植物生長所需的條件，準 備像工程師一樣開始設計制作溫室。設計溫室 的主要步驟如下所示：選擇材料制作模型 設計溫室各部分 結構改進溫室測試溫室的功能以下順序正確的是（）A.B.C.D.（二）STEM思維、STEM態(tài)度測評問卷的 編制STEM思維和STEM態(tài)度的測評問卷采用的 是五級李克特量表的形式，根據研究的需求, 在參考

18、臺灣學者陳萩卿（14）編制的 斜、學生批判 性思維量表、Williams創(chuàng)造力傾向量表、陳小 敏（15）編制的跨學科思維測評量表的基礎上，初 步編制了包含26道題的STEM思維測評問卷。 關于STEM態(tài)度的測量，主要采用Mahoney開 發(fā)的跨學科STEM態(tài)度測量問卷，從“意識” “價值“自我效能感”和“傾向”四個維度測 量學生的STEM態(tài)度，共12道題。為了更好地 分析STEM素養(yǎng)的影響因素，加入對學生自身 情況、STEM相關學習經歷、父母對待STEM的 態(tài)度等背景信息的調查。自此，初步形成了一套包含10個背景信 息、21道測評STEM知識、能力試題以及38道 測評 STEM 思維、態(tài)度問卷

19、的小學生 STEM 素 養(yǎng)測評工具。四、小學生STEM素養(yǎng)測評工具的 修正為了保證初步編制的測評工具擁有較高的 信效度，本研究團隊運用口頭報告法、專家咨 詢法以及試測分析法開展了三輪迭代修正。（一）口頭報告法口頭報告法是目前評估個體認知過程的主 要方法之一，通過被試的口頭報告可以了解測 評工具的表述是否引起小學生認知理解障礙, 被試表現出來的素養(yǎng)要素和考查的知識、能力 是否與預設相匹配。因此，本研究從實驗校隨 （抽取4名被試（五六年級學生各2名，男女 生各2名，均未參加過類似的研究），被試在完 成 0TEM知識、STEM）力測評試卷每一個 單元題目后立即報告自己思維加工過程。最后 比對測試過程

20、中的錄音文件、測評試卷和研究 者觀察的記錄，消除觀察與報告行為之間的 差異。數據分析的結果顯示：（1）部分題干的表 述需要進一步修改。例如，對于選非題，小學 生由于粗心，容易選擇其他錯誤的選項，故對 題干中的“C能,，“C進行著重號提醒。 部分材料中由于印刷導魚表格不夠清晰的問題， 統(tǒng)一對材料中所有的表格進行加粗和關鍵部分 重點突出處理；（2）題3 -3難度較大。有 75%的被試反映題3 -3很難作答，故將此題保 留。擬結合第二輪專家咨詢和第三輪初步試測 的結果再決定是否將此題刪除。（二）專家咨詢法筆者邀請10位專家老師對STEM知識、 STEM）力測評試卷題目難度、每道題考察 知識與能力的適

21、切度以及對測評工具的認可度 進行問卷調查，他們分別是STEM領域的專家2 名、從事STEM學科、數學學科、科學學科以 及信息技術學科教學的一線小學教師各2名。1. 難度分析難度反映試題的難易程度。將1。位專家對 測評工具每道題的難度判斷求平均數，可以得 到如圖1結果。可以看出，整體測評問卷難度系數為3. 16, 難度）中且分布合理。其中，有6道題難度較 高，專家打分的平均數大于3. 5 ,分別是題1 % 2、1-4、1-6、2-2、3-3、4-2,其余項目 難度值均在2.3 -3.5之間。2.適切度分析在本研究中通過平均數和中位數檢驗測評 工具考察的知識、能力與實際情況匹配程度。 將匹配程度根

22、據平均數、中位數大小劃分為高、 中、低三個等級，操作如表3所示。表3測評工具考察知識、能力與實際匹配度等級劃分表）16 *等級達到該等級 所需要的條件采取措施級平均數、中位數全部# 4保留該題項考察的知識、 能力中級3 平均數、中位數任意一項4依照專家意見酌情修改和 調整考察的知識、能力低級3#平均數、中位 數任意一項依照專家意見修改或刪除該題項根據小學生STEM知識、能力測驗中的 題目雙向細目表，每道測評題均有預先設定的 考察知識和能力。研究者在STEM素養(yǎng)測評 題專家意見咨詢表中清楚地注明每道題所考 察的知識和相應的能力內容，請專家評判是否 符合實際考察的知識與能力。數據分析的結果圖2 S

23、TEM素養(yǎng)測評工具適切度情況STEM素養(yǎng)知識、能力測評試題中，題2- 2、2-5、3 -4這三道題的匹配度等級為中級, 需要根據專家建議對考察的知識、能力進行 調整。3.認可度分析認可度是專家對STEM素養(yǎng)測評工具能有 效地測評學生STEM素養(yǎng)的認可程度。數值越 高，表明專家越肯定該測評工具的有效性。經 統(tǒng)計，10位專家的認可度平均數為4. 125，比 較贊同該STEM素養(yǎng)測評工具的效用性。為了 進一步檢驗專家認可度的一致性，采用標準差” 對進行判定。專家一致性劃分表如表4所示。表4 專家一致性劃分表一致性達到該等級所具備條件非常一致0. 8基本一致1.0#)0.8不一致)1.2標準差經計算，

24、專家認可度的標準差為0.33,小 于0.8 ,表明10位專家的建議非常一致，專家 咨詢的結果也較為可信。（三）試測分析1-試測對象初步試測的對象選擇G市三所辦學水平各 異的小學，包括省一級學校、市一級學校和普 通民辦學校，在每所學校五、六年級各隨機抽 取1個班。采用紙筆測試的形式，測評試題卷 當場回收，測試時間約45分鐘。統(tǒng)共發(fā)放試卷 248份，回收有效試卷246份，有效回收率為 99. 2%。樣本的基本情況如表5所示。表5試測對象基本情況頻數百分比學校省一級學校7229.3%市一級學校8534.6%普通民辦學校8936. 1%年級五年級13354. 1%六年級11345.9%性別男11647

25、. 1%女13052.9%是否參加有STEM 有關的學習經歷是16868. 3%否7831.7%項目分析項目分析目的在于探究高低兩種水平的被 試者在每個題項的差異，分析結果可以用于刪 除或修改某個題項，從而提高題項的質量。首 先使用SPSS19. 0對246名被試STEM知識和能 力測試卷中的21個項目及STEM思維和態(tài)度測 評問卷中的38個項目進行數據分析。然后將所 有被試填答的題項求和，按照總分排序，找出 排在前27% （高分組）及后27% （低分組）的 被試得分，求出兩組被試在每個題項上的平均 得分。隨后將高分組編碼為1，低分組編碼為 2,對兩組被試在每一題平均分上的差異進行獨 立樣本T

26、檢驗。檢驗結果顯 ，題目1 %3、 3-3、4-1, 11、12、35顯著性差異不顯著，需 要刪除。緊接著進行皮爾遜相關分析，計算各 題項與總分的關系，結果顯示項目1-2、2-1， 2、4、9、37與總分相關程度較低（i0.3）, 需要刪除。最后，剩余47個項目與總分的相關 系數范圍為0. 345 -0. 689。信度分析運用SPSS19. 0對246份樣本進行信度分 析，結果顯示STEM知識和STEM）力測試卷 克倫巴赫（Cronbach）（信度系數為0. 696，分 半信度為0. 728$ STEM思維和STEM態(tài)度測評 問卷克倫巴赫（Cronbach）（信度系數為 0. 921，分半信度

27、為0.836，均大于0.6，屬于 可接受的信度范圍，表明該測評工具各部分都 具有良好的信度。效度分析效度測量的方法是多樣的，考慮到本研究 開發(fā)的測評工具形式多樣性（包括試卷和量表 兩種形式），決定采納內容效度來檢驗測評工具 的效度。STEM素養(yǎng)測評工具的編制全程嚴格按 照心理與教育測驗的要求，試題的編制經過專 家和一線教師的多次論證與審議，故而測評工 具擁有較好的效度。五、討論學生STEM素養(yǎng)作為檢驗STEM教育質量 的重要因素，如何有效測量和評價STEM素養(yǎng) 成為近年來研究的熱點話題。STEM素養(yǎng)的培養(yǎng) 依賴于STEM教育，然而由于STEM教育教學 的跨學科性、綜合性，STEM素養(yǎng)本身具有的復 雜性，使得STEM素養(yǎng)測評工具的編制面臨較 大的挑戰(zhàn)。為了克服困難，編制出一套科學、 合理、操作性強的STEM素養(yǎng)測評工具，本研 究進行了以下探索。一是在測評工具編制之前，進行了大量文 獻研究工作夯實測評理論基礎。首先是通過梳 理國內外高被引用的STEM素養(yǎng)有關的文獻, 力求準確把握STEM素養(yǎng)的定義和內涵；其次 是參考已有研究，構建STEM素養(yǎng)測評框架, 為后續(xù)STEM素養(yǎng)測評工具