基于STEM項目的學生高階思維測評研究

楊地雍 首新

摘要： 研究建構指向STEM學習目標的高階思維測試任務，擬合Rasch模型進行完善。結果發現，基于STEM項目的高階思維進階結構可分為四個層級，這為STEM課程設計提供了理論依據；基于STEM項目的高階思維層級水平與年級發展一致、與性別交互作用顯著。最后，從STEM課程規劃和教學實施等方面提出若干建議。

關鍵詞： STEM教育； 跨學科學習； 高階思維； 測評

文章編號： 10056629（2024）01001807

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

STEM教育是指整合科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）等學科知識和內容進行的跨學科教育。STEM學習過程始于創設真實的社會情境，與工業生產或日常生活發生聯系，圍繞解決一個實際問題進行創造性設計或產品改進，逐步培養學生的問題解決能力和科技素養。在“以數學為基礎，通過工程設計理解科學和技術”的學習中，學生從不同視角、應用不同方法進行設計和產品完善，發展創造性思維；從諸多工程設計方案中擇優選擇其中一個，通過試測逐步反思設計缺陷，優化產品功效，發展批判性思維。因此，STEM學習目標是發展學生的高層次認知的過程。本研究通過對高階思維本質的探討，通過測試題有效表征STEM學習中高層次認知過程，以評促教，達成“為高階思維而教”的STEM學習目標。

1 高階思維的本質與STEM學習目標

目前，主要從三種視角闡述高階思維。從科學哲學視角，主要揭示具有高階思維的人的品質，如早期觀點認為，具備高階思維的人善于利用先驗知識做出推斷并解決問題［1］。從認知心理學視角，主要反映高層次的認知過程。在復雜而困惑的情境中，當記憶中的已知信息與新信息之間相互關聯，重新排列，擴展延伸以達到某一目的或進行問題解決時，高階思維就被激活［2］。從教育學視角，主要通過描述目標行為展現高階思維學習結果。教育界普遍認為布魯姆教育認知目標中的分析、綜合、評價（或創造）屬于高階思維，若學生在學習活動中經歷這些認知過程，則高階思維得到了訓練。

美國國家研究委員會提出，若問題解決過程需要高認知的細微判斷、較為復雜、缺乏既有的規則路徑、運用多個標準的，具有自調性和不確定性，那么就觸及高階思維過程。Parness等人認為［3］，問題解決過程都經歷了創造性思維（主要是思維發散）到批判性思維（主要是思維聚合）的過程（如圖1），如尋找事實的過程中，采取多種手段搜集與問題相關的信息或資料主要是創造性（發散）思維過程，而旁求博考各方證據將問題清晰定義則是批判性思維過程；搜集想法的過程中，基于研究問題進行頭腦風暴，盡可能獲取多種可行的設想，這主要是創造性思維，而判定想法的合理性，基于可操作性對想法做進一步清理，獲取最優化的想法，這主要是批判性思維?？梢?，問題解決經歷了從創造到批判的過程，本質上是創造性思維（多種組合的、多樣序列的思維能力）、批判性思維（理性的反思、審慎的評判）的互動和共融，最終使問題得到解決。

從學習過程來看，STEM教育項目要促進學生創造性思維到批判性思維的變化，進而達成發展高階思維的學習目標。在著眼于設計的STEM活動中，創造性思維有助于激發尚未形成規范的設計靈感；批判性思維則更注重反思設計的合理性，尋求更切合各項標準的方案、策略等，促進產品的標準化。因此，STEM學習中所要培養的高階思維是指在基于項目的或基于任務的問題解決學習過程中，以跨學科STEM知識為基礎，順利運用創造性思維和批判性思維為核心的高層次認知過程進行科學思維的認知或智力活動。這一界定為測量STEM活動中高階思維提供了方法論基礎，即可依據跨學科知識背景將創造性思維和批判性思維施以相對獨立而又相互融合的測試任務，以此測評高階思維。

2 基于STEM項目的高階思維測評維度構建

基于STEM學科內容設計測試題評價創造性思維到批判性思維的認知過程，以此表征高階思維的本質。創造性思維主要表現為思維的發散性，從思維的流暢性、靈活性、獨創性等維度評估創造性思維。參考Ennis［4］、 Halpern［5］等人的觀點，我們認為批判性思維的核心是推理、分析與預測、評價，因此從這三個方面評估批判性思維（一個測試任務一般只包含其中一個方面）。依據科學探究要素論、青少年科學創造力結構模型，以及有關科學教科書“科學探究”設計廣度的研究［6］，本研究從問題提出、方案設計、證據搜集、信息解釋、物體應用、產品改進、反思評價等7個思維表現結果設計具體書面測試任務。

最終，基于STEM項目的高階思維測評框架由三個維度構成，即STEM學科內容、高階思維認知過程、思維表現結果，測評框架模型如圖2。模型表達的基本涵義是基于STEM項目的高階思維測評應基于STEM學科內容，就本研究而言，要基于小學科學、數學、信息技術等課程內容設計體現STEM學科整合理念的測試任務。第二，基于STEM測試任務，可從7個思維表現結果選擇其中1個視角進行具體內容研制。第三，測試任務的問題要考查從創造性思維到批判性思維的認知過程。由此，三個維度形成了具有一定邊界的有效系統，高階思維認知過程與STEM測試任務融合在了一起。

3 基于STEM項目的高階思維測試題研制

3.1 測評過程及樣本

利用兩輪試測修訂試題，形成有效測評工具，然后進行第三輪正式測評。測試題均是以2、 4、 6年級科學、數學、信息技術等課程內容為基礎設計的STEM內容，試題問題則導向高階思維認知過程，如基于科學數學領域設計的面向4年級的“磁鐵的推理”一題，依據義務教育科學課程標準對4年級學業質量要求“能利用磁鐵的基本性質解釋某些生活現象”，以及義務教育數學課程標準對4年級學業質量要求“能在真實情境中，合理利用等量的等量相等進行推理”進行設計。測試題突出STEM情境，基于課程標準要求進行整合性的設計，確保符合學生的認知水平和知識基礎。第一輪、第二輪測試樣本為方便取樣，以完善測試工具，第三輪正式測評選取小學兩所（市區、鄉鎮小學各一所），再在兩所學校選取2、 4、 6年級各一個班共6個班264名學生為樣本。所選市區小學的綜合評價在所在地處于中等水平，所選鄉鎮小學為鎮上兩所小學之一，樣本中包括市區/鄉鎮小學，旨在減小因城鄉差異而引發的相關變量對測評結果的影響。

3.2 測試題設計及賦分標準

根據測評維度模型，測試題開發程序包括：第一，挖掘小學STEM真實材料設計試題情境，基于小學科學、數學、信息技術等課程尋找符合學生認知水平的STEM內容，并形成具有一定開放性的試題情境，以激發高層次認知過程。第二，明確試題STEM內容與高階思維認知水平的關系，試題STEM內容要具有一定跨學科知識廣度，保持每個測試題均涉及STEM學科內容，且知識具有相對獨立性，試題之間沒有較大重疊。為了實現依據認知過程考查高階思維的目的，STEM知識范圍要適用于引發從創造性思維到批判性思維的認知過程，且表現出認知過程的進階性。第三，明確試題STEM內容與思維表現結果的關系，本研究所述7個思維表現結果要素是出題具體方向，它們都可與STEM內容結合在一起，使每個測試題凸顯1個思維表現結果?；谏鲜龀绦蛟O計了測試工具，樣題示例見表1。

下面以從“信息解釋”視角設計的一題為例具體說明（如表2）。信息解釋是將獲取的核心證據（信息）與最優決策方案建立有效聯結，基于證據進行有說服力的解釋。基于這一過程，設計生活化STEM學科情境，再利用情境化問題激發高階思維認知過程。問題（1）考察以思維發散為主的創造性思維，問題（2）考察以思維聚合為主的批判性思維（樣題指向其中的“分析與預測”），要求學生對問題（1）中的開放結果進行有邊界的解釋。

問題（2）：你認為最可能是哪一個？請說明原因。（考察批判性思維-分析與預測）

表3是其初始評分標準。首先評估創造性思維。思維流暢性方面，該生回答了3個原因，第1個不合理，舍去，計1分。思維靈活性方面，該生分別從2個類別（人為因素、自然因素）進行了說明，計1分。思維獨創性方面，施測完成統計發現，該生第3個答案頻數在5%-10%范圍（為6.53%），第2個答案頻數大于10%（為12.81%），計1分。其次評估批判性思維，該生認為“鐵門下部與地面長期摩擦，導致容易生銹”，并沒有抓住鐵生銹本質，計0分。最終，該同學得分：1+1+1+0=3分。值得注意的是，評分標準并非一成不變，根據第一輪試測結果，本研究會擬合部分賦值Rasch模型對開放題評分標準進行修訂。

3.3 試題質量分析

本研究基于第一輪試測結果修訂試題內容、水平以及評分標準，然后基于第二輪試測結果驗證試題修訂質量，形成有效測評工具，為第三輪正式測評奠定基礎。采用部分賦值Rasch模型的計算方法，利用擬合指標、懷特圖、等級概率曲線等信息評估題目。

第一輪試測后分析發現，部分題目由于太簡單或太難而沒有學生能力與之匹配，主要采用三種修訂方式：第一，對于難度小而沒有學生能力匹配的試題，直接用較大難度的試題替換；第二，對于預設水平與實測水平不符的試題，要么修改預設水平符合實測水平，要么修改試題符合預設水平；第三，對于難度較大的題目，修改內容以與預設水平相符。修訂試題之后，第二輪建立懷特圖發現，題目難度與被試能力匹配較好，且題目基本正態分布。另外，第一輪試測發現某些題目評分標準不合理，分值序列與平均參數估計Rasch值不匹配，等級概率曲線中的某些分值“門檻”過高或過低。主要采用兩種修訂方式：第一，合并某些序列等級，重新定義其含義；第二，根據學生作答情況舍棄某些維度評分，如“石橋”一題，第一輪試測后發現體現思維“靈活性”較少，于是將1分的標準從“畫出1～2個形狀”修改成“畫出1形狀”，且由于該題繪制形狀并不涉及“獨創性”，因而只從兩個維度評分。

修訂之后，第二輪測試顯示絕大部分題目的加權、未加權擬合MNSQ值在0.7～1.3之間，T值在-2～+2之間，符合Rasch擬合指標，可見第一輪試題修改較為成功。隨后對質量不太好的試題HI5、PR3進一步進行了修訂。最后從性別、城鄉等方面檢驗測評工具的功能差異，發現性別差異、城鄉差異均不顯著（p1=0.053， p2=0.562）。測評工具分離度3.82（>2），內部信度0.94，具有較好的信效度，能有效測評小學生基于STEM項目的高階思維。

4 基于STEM項目的高階思維測評實踐

4.1 基于STEM項目的高階思維層級進階結構

Rasch模型將被試能力與試題難度匹配在同一量尺上，因而可透過試題分布表征學生的高階思維水平。從分步評分懷特圖發現，修訂后的評分標準與被試能力發展水平基本呈對應關系，對2～6年級學生具有較為合適的測評廣度，評分等級（1～4分）分布基本與被試能力（從低到高）發展一致。進一步深入測試題分析學生在4個評分等級上的得分及表現，初步勾勒出小學階段基于STEM項目的高階思維層級進階結構：

處于水平1（-2.23～-0.98分

此處為Rasch分值，總體分布為均值為0，標準差為0.78。）的學生對概念之間的位屬關系不時仍有疑問，這源于該水平學生采用孤立的觀點分析跨學科的問題。當面對具體現象和事物時，有時能提出一些新想法，但多趨于想象，經不起精細的邏輯推理。因此，思維雖表現出較好的流暢性，但靈活性不足，與基本標準時有沖突，缺乏實踐性。思維的遷移程度不高，解釋過程多為重復表述，或表述不完整，推理過程存在臆斷，評價過程缺少有力的知識和證據支持，因而分析過程合理性還較為欠缺，預測精準性不足。

處于水平2（-0.97～-0.08分）的學生基本能辨析相似概念之間的關系，但這一結果是基于對具體現象與事物的觀察和比較，若脫離具體操作或視覺模型，他們的思維精細化水平、流暢性、推理水平會大幅度下滑。因而，思維以新穎性為主，還不具備獨創性，想象成分居多，非形式推理過程中證據掌握具有一定片面性，能進行較為合理的分析，但預測的可能性不高，反思和評價過程多需要他人督促，自主性還不高。

處于水平3（-0.07～0.78分）的學生已經能綜合學科概念之間的聯系分析一類事物的特征，能從條件、過程、原因等角度進行判斷。他們能合理展現思維靈活性，具有一些獨創性的新想法，但具體實施過程的精致程度還有待提高。因而，支撐遷移與運用過程的概念模型成熟度還不夠，思維以靈活性為主，同時兼顧合理性，已形成能規范、正確地基于證據的推理，能掌握一定的手段對信息進行分析和解釋。評價過程能兼顧他人觀點，對過程已具備一定的自我監控和反思意識，但主觀性仍然較強。

處于水平4（0.79～1.75分）的學生對學科概念系統及系統之間的結構、功能、變化及相互關系已有所考慮，不再停留在新想法，而是有具體的實施方案進行支撐。因而，能基于已有知識經驗展現思維靈活性，且具有一定的獨創性，并兼顧了其他可能的存在，對新情境中的問題也有一定的指導性，并能及時分析與預測，進而調整，適應新情境中的標準、規范等。推理過程注重證據的權威性以及證據自身的局限，反思過程已能充分調動內部認知策略，但由于知識結構的限制，對新問題的驗證過程仍有一定的局限。

4.2 基于STEM項目的高階思維水平差異

進一步進行4個水平之間的單因素方差分析，結果顯示F（3， 260）=406.110， p<0.01，說明4個水平之間有顯著差異，反映出本研究構建的高階思維進階層級不存在交叉，能表征基于STEM項目的高階思維進階層級路徑。

各年級信息如表4，各水平學生基本呈正態分布，2/3水平學生居多。6年級學生基于STEM項目的高階思維能力與2、 4年級相比已有明顯變化，低水平學生減少，而高水平學生增加。深入各年級測試題分析發現，低年級學生多囿于思維想象，或局限于情境之中，

思維表現出一定的流暢性，但多不能運用經驗遷移創造性地解決問題，推理過程時有跳躍性，或強行基于經驗進行分析。高年級學生由于認知經驗的增長，合理化的思維靈活性程度增加，且部分學生能進行情境遷移，提出獨到的觀點，推理過程有依賴知識經驗的意識，逐步認識到證據的重要性，且展現出一定的邏輯過程，但由于生理仍處于不斷發展之中，高年級學生合理評價、自我管理等思維意識仍處于較低水平。但整體而言，采用3（2、 4、 6年級）×4（1、 2、 3、 4水平）兩因素方差分析比較發現，年級與水平的交互作用不顯著，F（6， 251）=1.794， p=0.101，說明隨著年級的增長，學生基于STEM項目的高階思維在增長。

4.3 基于STEM項目的高階思維性別差異

采用4（1、 2、 3、 4水平）×2（男、女）兩因素比較性別差異。發現性別的主效應不顯著，男生略低于女生（-0.346<-0.189）。這主要是由于小學生經驗認知過程處于快速發展之中，思維想象中的自我評價不斷占據重要地位，表現出逐步向高層次認知過程過渡，男女生都表現出不斷向前發展，導致差異不大。性別與水平之間交互作用顯著，F（3， 255）=2.739， p=0.04<0.05，具體表現在3、 4水平男生的高階思維要顯著低于3、 4水平女生，這與我們對基于STEM項目的高階思維水平界定有關，從水平2開始，學生的思維就從具體向抽象發展，能進行基于證據的分析和預測，而到了水平4，要求學生能從事物結構、功能、變化及相互關系等角度拓展新想法，思維抽象性進一步提高。而有關學齡兒童（7～12歲）認知發展研究顯示，女生思維想象和對事物的看法比男生更為豐富，因而出現了上述結果，但隨著男生智力發育的成熟，小學高年級男生的推理能力、發散性思維等均值均又高于女生［7］。

5 討論與總結

5.1 基于學生認知發展特征分段分層培養高階思維

研究結果顯示，低年級學生在思維發散為主的過程能進行大膽、靈活的想象，也能利用概念解釋現象，具有尋找證據的意識，思維具有一定新穎性和流暢性，但學生的作答反應較為混亂，缺乏考慮合理性，這反映出思維聚合過程中自我反饋的不足，以及對證據的不重視；高年級學生作答反應普遍重視證據和題目中規定的標準，是在兼顧合理性基礎上進行創造或遷移，有一定的科學方法意識，能依靠推理和判斷過濾不合理的思維想象。可見，低年級學生的思維具有自發創造性，思維的想象成分較明顯，隨著生理的成熟（到了高年級），思維的理性創造、基于證據的批判等逐步占有重要地位，也就是批判性思維的重要性愈發凸顯。這提醒教師對不同年齡段學生的思維特征要有清晰認識，在進行STEM教學時，針對低年級學生，要讓他們充分發揮想象，提出自己的想法，但同時也要注意觀點恰當，符合一定的邏輯；針對高年級學生，要注意激發基于知識經驗的發散思維，讓他們進行自主性創造設計，還要鼓勵以反饋、評價、論證等過程進行多輪測試與改進，以統整的視角發展高階思維。

5.2 正視學生高階思維發展過程的性別差異

研究結果顯示，基于STEM項目的高階思維具有性別差異，水平越高，男女生之間差異越大。個體發展水平是造成這一差異的重要原因。有研究顯示［8］，小學四年級是發散思維早期發展的關鍵期，此時女生發散思維水平明顯高于男生，但隨著男生視空間加工與圖形創造性優勢的凸顯，高中階段男女生創造性測驗得分并無顯著差異。這提醒教師在進行跨學科STEM教學時，一方面要充分發揮女生的言語發散思維優勢，讓她們敢于表達觀點、推陳出新，進行有創意的類比、遷移，但同時也要引導她們進行反思和評價，尋求觀點的適切性；另一方面，要關注男生對問題的看法，引導他們積極審視、評價方案的可行性，在形成多樣的觀點或方案時，鼓勵他們進行批判和評價。誠然，高階思維的性別差異在早期更為明顯，教師在進行STEM教學時，更應該將男女生組成異質性的小組，讓他們在和諧、自主的學習氛圍中開闊問題解決的思路，各抒己見，形成思維的互補和協調發展。

參考文獻：

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［5］Halpern D. The Halpern Critical Thinking Assessment： Manual ［M］. Mdling， Austria： Schuhfried GmbH， 2010.

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［8］He J， Wong W. Gender Differences in Creative Thinking Revisited： Findings from Analysis of Variability ［J］. Personality & Individual Differences， 2011， 51（7）： 807～811.