程妙婷 李艷 孫丹 賴曉嫣 楊軍 郭俊業(yè)

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)特別是人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，人們的生產(chǎn)生活方式正經(jīng)歷著前所未有的變化，這對(duì)未來人才所應(yīng)具備的適應(yīng)信息時(shí)代的素養(yǎng)提出了新要求。計(jì)算思維（Computational Thinking）作為信息時(shí)代的一種基本素養(yǎng)，其培養(yǎng)受到全球范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，并逐漸從高等教育延伸到K-12 教育領(lǐng)域，呈現(xiàn)出愈加“低齡化”的趨勢（周佳偉等，2018）。美國、英國、澳大利亞等國均發(fā)布了促進(jìn)K-12 階段學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的相關(guān)政策文件（孫丹等，2019），我國也在《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《信息科技新課標(biāo)》）和《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中將計(jì)算思維作為學(xué)科核心素養(yǎng)之一（中華人民共和國教育部，2020；2022），并在義務(wù)教育各學(xué)段明確了對(duì)應(yīng)的課程目標(biāo)（中華人民共和國教育部，2022）?；A(chǔ)教育階段（尤其是小學(xué)階段）學(xué)生正處于行為、習(xí)慣形成的關(guān)鍵時(shí)期，必須格外重視其計(jì)算思維的培養(yǎng)（范文翔等，2018），而科學(xué)有效的計(jì)算思維測評(píng)則是檢驗(yàn)培養(yǎng)效果和監(jiān)測學(xué)生相關(guān)能力發(fā)展的關(guān)鍵。然而，現(xiàn)有的計(jì)算思維測評(píng)工具多聚焦于學(xué)習(xí)者的主觀自我評(píng)價(jià)或編程能力測試，缺少對(duì)其計(jì)算思維發(fā)展的全方位測量（惠恭健等，2020）。因此，有學(xué)者指出應(yīng)考慮計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)科學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)等領(lǐng)域的復(fù)雜關(guān)聯(lián)，從“普適化”和“計(jì)算機(jī)科學(xué)”相結(jié)合的視角對(duì)學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維水平進(jìn)行綜合測評(píng)（Polat et al.，2021）。基于此，本研究以融合計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐和計(jì)算觀念的計(jì)算思維三維框架為基礎(chǔ)，整合計(jì)算思維的“普適化”和“計(jì)算機(jī)科學(xué)”視角，構(gòu)建面向小學(xué)生的計(jì)算思維綜合測評(píng)方案，并實(shí)證分析該方案的有效性，旨在為我國小學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)和測評(píng)提供借鑒和啟示。

一、文獻(xiàn)綜述

1.計(jì)算思維的內(nèi)涵

計(jì)算思維概念自提出以來便引發(fā)研究者的廣泛關(guān)注，并形成了一系列經(jīng)典定義。2006 年，周以真（Jeannette M. Wing）對(duì)西蒙·派珀特（Seymour Papert）于1980年首次提出的“計(jì)算思維”進(jìn)行了界定，指出“計(jì)算思維就是利用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本理念來進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和理解人類行為等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)”（Wing，2006）。2008 年，周以真再次對(duì)該定義進(jìn)行了修正，認(rèn)為“計(jì)算思維是與形式化問題及其解決方案相關(guān)的思維過程，其解決問題的表示形式應(yīng)該能有效地被信息處理代理執(zhí)行”（Wing，2008）。2011 年，美國計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）和國際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）發(fā)布了《K-12 教育計(jì)算思維的操作性定義》（Operational Definition of Computational Thinking for K-12 Education），其中闡釋了解決計(jì)算問題時(shí)運(yùn)用計(jì)算思維而表現(xiàn)出的能力，包括但不限于：對(duì)問題的理解、闡述與抽象；算法設(shè)計(jì)；收集、分析與組織數(shù)據(jù)；歸納并泛化成可以解決其他問題的方法（ISTE & CSTA，2011）。Denning（2017）指出，計(jì)算思維是學(xué)生在解決計(jì)算機(jī)科學(xué)或編程相關(guān)問題時(shí)所需的特定知識(shí)或技能。也有研究者指出，計(jì)算思維應(yīng)該被視為一種思維過程（Guzdial，2008），它是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中必須具備的基本素養(yǎng)和能力（Duncan et al.，2015），并且能被嵌入不同的學(xué)科領(lǐng)域（Denning，2007），具有廣泛的適用性和“人人受益”的價(jià)值。在我國學(xué)者關(guān)于計(jì)算思維內(nèi)涵的闡釋中，朱亞宗（2009）認(rèn)為其是人類三大科學(xué)思維方式（包括理論思維、實(shí)驗(yàn)思維、計(jì)算思維）之一。蔣宗禮（2013）認(rèn)為，計(jì)算思維是一種與計(jì)算機(jī)及其特有的問題求解方式緊密相關(guān)的思維形式，即有意識(shí)地使用計(jì)算機(jī)科學(xué)家們所采用的思想、方法、技術(shù)和工具。任友群等（2016）也指出，計(jì)算思維能夠?yàn)榉治龊徒鉀Q工作、學(xué)習(xí)和生活中的各種問題提供新的視角，是支持個(gè)體終身發(fā)展的重要素養(yǎng)。

通過梳理計(jì)算思維的內(nèi)涵不難發(fā)現(xiàn)，學(xué)界主要基于兩種視角來界定計(jì)算思維：一種是從計(jì)算機(jī)科學(xué)視角出發(fā)，強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維與解決計(jì)算機(jī)科學(xué)和編程相關(guān)問題的聯(lián)系；另一種則從普適化視角出發(fā)，將計(jì)算思維泛化，并將其與日常生活和學(xué)習(xí)中解決問題所需的能力相關(guān)聯(lián)。因此，面向計(jì)算思維的測評(píng)也可以通過整合這兩種視角來展開，從而更全面地了解學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維發(fā)展。

2.K-12 階段計(jì)算思維測評(píng)工具

通過梳理計(jì)算思維的內(nèi)涵可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)算思維涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)以及普適化問題解決兩個(gè)方面，因此，其測評(píng)應(yīng)當(dāng)從多角度全面反映學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維水平（Grover，2015；馬宗兵等，2021）。計(jì)算思維測評(píng)工具的開發(fā)需要一定的理論作為指導(dǎo)，這是其科學(xué)性與有效性的重要保證（惠恭健等，2020）。在眾多的計(jì)算思維理論模型中，較為典型的是Brennan 等提出的計(jì)算思維三維框架，具體包含計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐和計(jì)算觀念三個(gè)維度。其中，計(jì)算概念指的是基于編程語言的一系列概念，如序列、循環(huán)、條件等；計(jì)算實(shí)踐指的是在編程過程中運(yùn)用編程概念解決問題的一些常規(guī)做法，如調(diào)試、測試等；計(jì)算觀念指的是個(gè)體對(duì)自己、與他人的關(guān)系以及對(duì)周圍數(shù)字世界的理解，如利用計(jì)算思維進(jìn)行問題的抽象、分解等（Brennan et al.，2012）。

本研究基于計(jì)算思維三維框架，對(duì)國內(nèi)外K-12 階段的典型計(jì)算思維測評(píng)工具進(jìn)行梳理，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯瑥挠?jì)算機(jī)科學(xué)視角開展的測評(píng)多針對(duì)計(jì)算概念和計(jì)算實(shí)踐兩個(gè)維度，此類測評(píng)多采用特定編程系統(tǒng)環(huán)境作為測評(píng)介質(zhì)，需結(jié)合相應(yīng)的課程教學(xué)方能實(shí)施，難以在大規(guī)模測評(píng)中進(jìn)行遷移和應(yīng)用。少數(shù)采用在線測試的測評(píng)工具，其試題也大多結(jié)合課程教學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)?；谟?jì)算機(jī)科學(xué)視角的測評(píng)工具中，僅有Román-González 等（2017） 所設(shè)計(jì)的CTT （Computational Thinking Test）試題不需要結(jié)合特定的課程教學(xué)即可實(shí)施。CTT試題的開發(fā)充分考慮以下三個(gè)原則：一是清晰的目標(biāo)定位，即從計(jì)算機(jī)科學(xué)視角出發(fā)測量學(xué)生的計(jì)算思維發(fā)展，測量涵蓋了最基本的計(jì)算概念；二是測量的可操作性，即試題基于可視化編程語言界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，題目以迷宮或畫布的形式呈現(xiàn)，選項(xiàng)則采用可視化箭頭和可視化方塊，這使得測試能夠不依靠具體課程教學(xué)而開展；三是明確的目標(biāo)群體，即試題所針對(duì)的目標(biāo)群體為5~10 年級(jí)的學(xué)生，全部28道試題的完成時(shí)間約為45分鐘，可等分為兩套完整的試題，能夠應(yīng)用于前后測或較短時(shí)長的大規(guī)模測試中。

從普適化視角開展的測評(píng)大多以學(xué)習(xí)結(jié)果為導(dǎo)向，即將計(jì)算思維視作學(xué)生高階思維能力發(fā)展的結(jié)果，涉及創(chuàng)造力、批判思維、問題解決能力、算法思維和合作能力等，實(shí)際測量的維度是計(jì)算觀念。Korkmaz 等（2017）基于ISTE 對(duì)計(jì)算思維的理論框架分析和前人研究開發(fā)了較為經(jīng)典的計(jì)算思維量表（Computational Thinking Scale，CTS），該量表涉及創(chuàng)造力、算法思維、合作能力、批判性思維和問題解決能力5 個(gè)維度，共計(jì)29 道題目。白雪梅等（2019）將Korkmaz 等的CTS 翻譯成中文，并應(yīng)用于高中生的計(jì)算思維評(píng)價(jià)，研究結(jié)果表明其在我國高中學(xué)段具有較好的適用性。張屹等（2020）將Korkmaz 等的CTS 在小學(xué)階段進(jìn)行本土化應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)其信效度不高，于是僅采用原始CTS中的算法思維和合作能力維度題目，其余3個(gè)維度的題目則改編自其他成熟量表，針對(duì)3~6年級(jí)小學(xué)生開展的調(diào)查結(jié)果顯示，該量表可有效測評(píng)我國小學(xué)生的計(jì)算思維水平。

充分考慮學(xué)生的思維過程是有效培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的重要前提，然而在當(dāng)前研究中，鮮有研究從思維過程的維度對(duì)小學(xué)生的計(jì)算思維進(jìn)行測評(píng)。Kukul等（2019）從思維過程出發(fā)，將計(jì)算思維分解為推理、抽象、分解和泛化四個(gè)維度，并基于此設(shè)計(jì)了面向初中生的測量量表。Tsai 等（2020）基于已有研究開發(fā)了以思維過程為導(dǎo)向的CTS，其包括5個(gè)基本要素：抽象，即關(guān)注問題解決的關(guān)鍵信息而非細(xì)節(jié)；分解，即將問題分解成易于處理的子問題；算法思維，即通過分步程序來設(shè)計(jì)問題解決方案；評(píng)價(jià)，即通過比較找到最佳問題解決方案；泛化，即掌握解決特定問題的模式并將其應(yīng)用于類似問題的解決。實(shí)證結(jié)果表明，該量表能夠?qū)πW(xué)生群體在思維過程中表現(xiàn)出的計(jì)算觀念進(jìn)行有效測量（Tsai et al.，2022）。

綜上可知，從計(jì)算機(jī)科學(xué)視角出發(fā)的計(jì)算思維測評(píng)工具多從計(jì)算概念和計(jì)算實(shí)踐維度進(jìn)行測量。此類測量工具中，Román-González 等（2017）開發(fā)的CTT因遵循清晰的原則故更適用于小學(xué)生群體計(jì)算思維的大規(guī)模測評(píng)；而從普適化視角出發(fā)設(shè)計(jì)的計(jì)算思維評(píng)價(jià)工具則多針對(duì)計(jì)算觀念維度，相較而言，Tsai 等（2020）的CTS 通過聚焦思維過程來測量學(xué)生的計(jì)算思維，能更好地反映學(xué)生在認(rèn)知層面的計(jì)算思維發(fā)展。然而，目前還鮮有結(jié)合計(jì)算機(jī)科學(xué)和普適化視角的計(jì)算思維綜合測評(píng)方案，因此，本研究從計(jì)算思維三維框架出發(fā)， 基于Román-González 等（2017）的CTT 和Tsai 等（2020）的CTS開發(fā)了針對(duì)小學(xué)生的計(jì)算思維綜合測評(píng)方案。

二、研究設(shè)計(jì)

1.研究對(duì)象

2019年，教育部將S市作為首批開展中小學(xué)校人工智能教育試點(diǎn)的5 個(gè)城市之一。S 市從3 年級(jí)開始設(shè)置信息技術(shù)課程，學(xué)生從4年級(jí)開始學(xué)習(xí)機(jī)器人及編程相關(guān)知識(shí)，整體而言其編程教育普及較好。本研究選取S市已接受編程教育的4~6年級(jí)小學(xué)生作為研究對(duì)象，原因如下：第一，該市小學(xué)生雖從3年級(jí)開始學(xué)習(xí)信息技術(shù)課程，但尚未接觸編程相關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容，且未具備足夠的理解能力以完成測評(píng)；第二，小學(xué)4年級(jí)的學(xué)生能夠初步理解計(jì)算思維相關(guān)概念及相關(guān)測評(píng)量表和試題的含義；第三，不同年級(jí)小學(xué)生處于認(rèn)知發(fā)展不同階段，選取多年級(jí)學(xué)生有助于發(fā)現(xiàn)計(jì)算思維和認(rèn)知發(fā)展的關(guān)聯(lián)。本研究共收集到樣本數(shù)據(jù)1304 份，其中有效樣本數(shù)據(jù)1030 份，包括男生517 人（占50.20%），女生513 人（占49.80%）；4 年級(jí)學(xué)生251 人（占24.37%），5 年級(jí)學(xué)生575 人（占55.83%），6 年級(jí)學(xué)生204人（占19.80%）。

2.研究工具

本研究通過整合計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)科學(xué)和普適化視角，從計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐和計(jì)算觀念三個(gè)維度出發(fā)，構(gòu)建了面向小學(xué)生的計(jì)算思維綜合測評(píng)方案（見圖1）。在計(jì)算概念和計(jì)算實(shí)踐的測評(píng)方面，選取Román-González 等（2017）開發(fā)的計(jì)算思維測試題（簡稱CTT）。原版CTT 共28 道測試題，分為7組（每組4題），涉及順序結(jié)構(gòu)、簡單循環(huán)結(jié)構(gòu)、直到型循環(huán)結(jié)構(gòu)、if 條件結(jié)構(gòu)、if-else 條件結(jié)構(gòu)、while 條件結(jié)構(gòu)以及簡單函數(shù)等7 種計(jì)算概念，在運(yùn)用計(jì)算概念完成測評(píng)試題過程中主要體現(xiàn)了調(diào)試和糾錯(cuò)、再利用和再創(chuàng)作、抽象化和模塊化等3種計(jì)算實(shí)踐，試題滿分為28 分。通過前期預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，小學(xué)生往往難以在常規(guī)課堂時(shí)間內(nèi)完成完整測試，故參考應(yīng)用CTT開展小學(xué)生計(jì)算思維測評(píng)的相關(guān)研究（Tsarava et al.，2022），將其拆分為兩套各14題的分割版測試題（A、B卷，在實(shí)際測評(píng)時(shí)隨機(jī)分配），兩套測試題測評(píng)的計(jì)算概念和計(jì)算實(shí)踐相同，滿分均為14 分。在計(jì)算觀念的測評(píng)方面，選取Tsai 等（2020）開發(fā)的計(jì)算思維量表（簡稱CTS），共有19道采用五點(diǎn)李克特量表的試題。

圖1 基于三維框架的小學(xué)生計(jì)算思維綜合測評(píng)方案

為確保測評(píng)方案有效應(yīng)用于本土化情境，筆者將原始CTT 的可視化界面遷移到中文編程軟件中，并遵循中文表達(dá)習(xí)慣對(duì)原始CTT 和CTS 進(jìn)行翻譯。隨后，邀請(qǐng)兩位精通英語的教育技術(shù)學(xué)專家對(duì)翻譯后的測量工具進(jìn)行校驗(yàn)，并隨機(jī)抽取5名小學(xué)生進(jìn)行預(yù)測試，而后根據(jù)反饋意見對(duì)測量工具進(jìn)行完善。本土化遷移后的CTT測試題示例如圖2所示。

圖2 CTT測試題示例

三、數(shù)據(jù)分析

1.CTT信效度分析

為檢驗(yàn)將CTT 分割為A、B 卷后是否產(chǎn)生難度系數(shù)差異，本研究采用“試卷得分均值/試卷總分”的方式計(jì)算A、B 卷的難度系數(shù)，其中A 卷的難度系數(shù)為0.5764，B 卷的難度系數(shù)為0.5757，可見，A、B兩套試卷的難度系數(shù)相當(dāng)。從不同年級(jí)的答題情況來看，總體呈現(xiàn)年級(jí)越高得分越高的趨勢，4~6年級(jí)的得分分別為7.63、8.19、8.24。此外，A、B卷的得分均符合正態(tài)分布，且所有學(xué)生均能在20分鐘內(nèi)完成所有的題項(xiàng)。研究采用Spearman-Brown公式對(duì)CTT進(jìn)行信度檢驗(yàn)，該公式通過納入由于測試題量改變而造成的測量誤差，對(duì)Cronbach’s α系數(shù)進(jìn)行修正，從而更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)測試題的信度。其計(jì)算方式為，其中n為總題量與當(dāng)前題量的比值。研究首先針對(duì)A卷和B卷進(jìn)行內(nèi)部一致性檢驗(yàn)，其Cronbach’s α 系數(shù)分別為0.569 和0.512，根據(jù)Spearman-Brown 公式（n＝2）修正后的Cronbach’s α系數(shù)分別為0.725 和0.677（均大于0.6），故A、B卷均具有良好的信度。

2.CTS信效度分析

研究將數(shù)據(jù)隨機(jī)均分成兩個(gè)部分，一部分?jǐn)?shù)據(jù)（n＝515）用于探索性因子分析，另一部分?jǐn)?shù)據(jù)（n＝515）用于驗(yàn)證性因子分析。Barlett’s 球形檢驗(yàn)結(jié)果顯示，KMO＝0.95（＞0.8），χ2（171）＝6484.3，p＜0.001，故適合開展探索性因子分析。進(jìn)而通過主成分分析提取因子（預(yù)設(shè)因子數(shù)為5），旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣顯示“抽象”維度測量指標(biāo)AB1的歸類結(jié)果與原量表不一致，且“算法思維”和“評(píng)價(jià)”兩個(gè)維度的測量指標(biāo)被歸類到同一成分。進(jìn)一步分析相關(guān)性矩陣發(fā)現(xiàn)，AB1與“抽象”維度的其他測量指標(biāo)相關(guān)性較低，故考慮刪除AB1。刪除AB1 后的探索性因子分析結(jié)果顯示，各測量指標(biāo)因子負(fù)荷均大于0.6，且歸類結(jié)果均與原量表一致，累計(jì)解釋變異量達(dá)75.11%（見表2），表明刪除AB1 后的量表具有較好的結(jié)構(gòu)效度。驗(yàn)證性因子分析結(jié)果亦顯示，樣本數(shù)據(jù)與CTS的5因子結(jié)構(gòu)模型擬合良好（IFI＝0.983，CFI＝0.983，NFI＝0.973，GFI＝0.963，均大于0.9）。

表2 CTS的探索性因子分析結(jié)果

對(duì)調(diào)整后的CTS進(jìn)行內(nèi)部一致性檢驗(yàn)（見表3），結(jié)果顯示各維度的Cronbach’s α系數(shù)及組合信度（Composite Reliability，CR）均大于0.8，表明5 個(gè)因子的內(nèi)部一致性良好；平均方差萃取量（Average of Variance Extracted，AVE）均大于0.5，表明調(diào)整后的CTS各維度具有較好的收斂效度。

表3 調(diào)整后的CTS內(nèi)部一致性檢驗(yàn)結(jié)果

利用AVE的平方根來分析調(diào)整后的CTS的5個(gè)維度之間的區(qū)分效度，如表4所示。其中，對(duì)角線上的值為各維度的AVE 平方根，該值均大于與其他維度的相關(guān)系數(shù)，表明調(diào)整后的CTS具有較好的區(qū)分效度。

表4 調(diào)整后的CTS的區(qū)分效度

上述分析表明，調(diào)整后的CTS具有良好的模型擬合度、收斂效度和區(qū)分效度，這進(jìn)一步支持了探索性因子分析的結(jié)果，說明調(diào)整后的CTS可以有效測量小學(xué)生群體的計(jì)算觀念。

3.小學(xué)生計(jì)算思維總體狀況及差異分析

（1）總體狀況分析

小學(xué)生計(jì)算思維總體狀況如表5所示。從CTT得分來看（滿分14分），平均值為8.06分，其中得分達(dá)到合格水平線（1.2 分）的有簡單循環(huán)結(jié)構(gòu)（1.43分）、順序結(jié)構(gòu)（1.42分）和直到型循環(huán)結(jié)構(gòu)（1.20分），而簡單函數(shù)（1.19分）、if條件結(jié)構(gòu)（1.04分）、if-else條件結(jié)構(gòu)（1.01分）和while條件結(jié)構(gòu)（0.77分）則未達(dá)到及格水平。從CTS測評(píng)結(jié)果來看，平均值為65.37，從高到低依次為算法思維（14.80）、評(píng)價(jià)（14.74）、泛化（14.47）、抽象（10.85）和分解（10.51），每個(gè)維度均達(dá)到中上水平。綜上可見，小學(xué)生在計(jì)算概念和計(jì)算實(shí)踐維度上的表現(xiàn)部分達(dá)標(biāo)，在涉及條件結(jié)構(gòu)各指標(biāo)上的表現(xiàn)距離達(dá)標(biāo)有一定差距，在計(jì)算觀念維度上的表現(xiàn)較佳。

表5 小學(xué)生計(jì)算思維總體狀況

（2）性別及年級(jí)差異分析

研究采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)考察不同性別學(xué)生在計(jì)算思維上的差異，結(jié)果如表6 所示?？梢钥闯觯猩贑TT和CTS上的表現(xiàn)均顯著優(yōu)于女生。具體從CTS各子維度來看，男生在抽象、算法思維、評(píng)價(jià)維度上的分值顯著高于女生。

表6 小學(xué)生計(jì)算思維在性別上的差異分析

研究采用單因素方差分析考察不同年級(jí)學(xué)生在計(jì)算思維上的差異，結(jié)果如表7 所示?？梢钥闯?，5 年級(jí)和6 年級(jí)學(xué)生在CTT 上的得分顯著優(yōu)于4 年級(jí)學(xué)生，5 年級(jí)學(xué)生在CTS 的5 個(gè)子維度上的分值均高于4 年級(jí)和6 年級(jí)學(xué)生，且事后檢驗(yàn)結(jié)果表明，5年級(jí)學(xué)生在抽象和泛化維度上的分值分別顯著高于6年級(jí)和4年級(jí)學(xué)生。

表7 小學(xué)生計(jì)算思維在年級(jí)上的差異分析

四、結(jié)果討論

1.基于三維框架的綜合測評(píng)方案可用于評(píng)價(jià)小學(xué)生計(jì)算思維

針對(duì)目前缺乏綜合計(jì)算機(jī)科學(xué)和普適化視角對(duì)我國小學(xué)生計(jì)算思維水平進(jìn)行全面測評(píng)的現(xiàn)狀，本研究以計(jì)算思維三維框架為理論基礎(chǔ)，建構(gòu)了整合計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐和計(jì)算觀念的小學(xué)生計(jì)算思維綜合測評(píng)方案。在計(jì)算機(jī)科學(xué)視角方面，考慮到測評(píng)對(duì)象實(shí)際情況，將計(jì)算思維測試題CTT拆分成A、B卷，難度系數(shù)分析和內(nèi)部一致性檢驗(yàn)結(jié)果顯示拆分后的CTT 能夠有效測量小學(xué)生計(jì)算概念和計(jì)算實(shí)踐。在普適化視角方面，針對(duì)計(jì)算思維量表CTS進(jìn)行的探索性因子分析發(fā)現(xiàn)，“抽象”維度的測量指標(biāo)AB1與其他題項(xiàng)相關(guān)性不佳，其原因可能有二：一是小學(xué)生更加關(guān)注解決問題的細(xì)節(jié)，而不太擅長從整體的角度思考問題；二是該指標(biāo)需要通過逆向思維做出選擇，這對(duì)小學(xué)生的認(rèn)知可能具有一定挑戰(zhàn)。調(diào)整后的CTS包含抽象、分解、算法思維、評(píng)價(jià)和泛化等5個(gè)維度的18個(gè)指標(biāo)，能夠?qū)πW(xué)生計(jì)算觀念進(jìn)行有效測量?？傮w上，該計(jì)算思維綜合測評(píng)方案可以用于評(píng)價(jià)小學(xué)生的計(jì)算思維，從而幫助教師更為全面地了解學(xué)生的計(jì)算思維發(fā)展水平。

2.整體計(jì)算思維水平表現(xiàn)中等且在部分維度上仍有待提升

《信息科技新課標(biāo)》明確了小學(xué)5~6 年級(jí)需掌握的計(jì)算思維學(xué)段目標(biāo)，即“對(duì)于給定的任務(wù)，能將其分解為一系列的實(shí)施步驟，使用順序、分支、循環(huán)三種基本控制結(jié)構(gòu)簡單描述實(shí)施過程”（中華人民共和國教育部，2022）。本研究發(fā)現(xiàn)，小學(xué)生在計(jì)算概念和計(jì)算實(shí)踐上的表現(xiàn)部分達(dá)到《信息科技新課標(biāo)》的計(jì)算思維學(xué)段目標(biāo)，但在分支結(jié)構(gòu)（if、if-else、while等條件結(jié)構(gòu)）和簡單函數(shù)方面未達(dá)到及格水平。在編程中，條件結(jié)構(gòu)以條件判斷為起始點(diǎn)，根據(jù)條件是否成立決定執(zhí)行哪一個(gè)處理步驟（李建華，2004）。條件結(jié)構(gòu)和簡單函數(shù)往往涉及“嵌套”元素，這可能使小學(xué)生對(duì)其理解感到吃力。因此，教師在編程課程中應(yīng)當(dāng)針對(duì)條件結(jié)構(gòu)開展循序漸進(jìn)的教學(xué)，例如可在教授循環(huán)結(jié)構(gòu)時(shí)融入簡單的條件結(jié)構(gòu)，然后再進(jìn)行多重條件結(jié)構(gòu)的教學(xué)。此外，教師在開展函數(shù)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)前，應(yīng)當(dāng)明確學(xué)生對(duì)三種基本控制結(jié)構(gòu)的掌握程度，并按照學(xué)情適當(dāng)?shù)貙⒑笳呷谌胂嚓P(guān)知識(shí)點(diǎn)的講授。

測評(píng)結(jié)果表明，小學(xué)生在計(jì)算觀念上的表現(xiàn)中等，基本達(dá)到了《信息科技新課標(biāo)》關(guān)于計(jì)算思維的學(xué)段目標(biāo)。《信息科技新課標(biāo)》要求，3~4年級(jí)學(xué)生應(yīng)具備“在簡單問題的解決過程中，有意識(shí)地把問題劃分為多個(gè)可解決的小問題，通過解決各個(gè)小問題，實(shí)現(xiàn)整體問題解決”的能力，5~6年級(jí)學(xué)生應(yīng)具備“在問題解決過程中，能將其分解為可處理的子問題”以及“對(duì)于給定的任務(wù)，能將其分解為一系列的實(shí)施步驟”的能力（中華人民共和國教育部，2022）。相較其他計(jì)算觀念子維度而言，本研究發(fā)現(xiàn)各年級(jí)學(xué)生在“分解”維度上的表現(xiàn)仍有較大提升空間。因此，在面向小學(xué)學(xué)段的計(jì)算觀念培養(yǎng)過程中，教師需適當(dāng)加強(qiáng)對(duì)“分解”觀念的培養(yǎng)，通過訓(xùn)練學(xué)生將大目標(biāo)拆分成多個(gè)有機(jī)組成的階段性目標(biāo)的能力，更好地促進(jìn)其計(jì)算思維發(fā)展。

3.小學(xué)生計(jì)算思維在性別和年級(jí)上存在顯著差異

測評(píng)結(jié)果顯示，男生在計(jì)算概念和計(jì)算實(shí)踐上的得分顯著高于女生，這與Korkmaz等（2017）的研究發(fā)現(xiàn)相一致。就計(jì)算觀念而言，男生在抽象、算法思維和評(píng)價(jià)子維度上的表現(xiàn)亦顯著優(yōu)于女生。值得注意的是，隨著年級(jí)的增長，男女生間的計(jì)算思維水平差異呈現(xiàn)出減小的趨勢。前人研究指出，女生對(duì)自己在這些方面的能力不夠自信或者女生確實(shí)在這些方面存在一定劣勢（白雪梅等，2019），并且女生需要更多的訓(xùn)練時(shí)間才能在STEM課程中達(dá)到與男孩相似的計(jì)算思維技能水平（Atmatzidou et al.，2016）。因此，在小學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)過程中，應(yīng)該更多地鼓勵(lì)女生參與相關(guān)實(shí)踐活動(dòng)，尤其應(yīng)當(dāng)重視對(duì)女生抽象、算法思維及評(píng)價(jià)等維度能力的培養(yǎng)。

從不同年級(jí)小學(xué)生間的差異來看，5 年級(jí)和6年級(jí)學(xué)生在計(jì)算概念和計(jì)算實(shí)踐上的得分顯著高于4 年級(jí)的學(xué)生。發(fā)展心理學(xué)認(rèn)為，個(gè)體自5 年級(jí)（11~12 歲）開始發(fā)展出較為復(fù)雜的邏輯分析和推理能力，這往往是4年級(jí)（10歲）以下學(xué)生所欠缺的（Clement et al.，1986），這為5、6年級(jí)學(xué)生在CTT得分上優(yōu)于4 年級(jí)學(xué)生提供一定的解釋。5 年級(jí)學(xué)生在計(jì)算觀念上的分值高于4 年級(jí)和6 年級(jí)學(xué)生，這說明隨年齡增長而獲得的認(rèn)知發(fā)展并不能直接轉(zhuǎn)換為學(xué)生在計(jì)算觀念上的提升（張屹等，2020）。具體來看，5年級(jí)學(xué)生在抽象和泛化子維度上的得分顯著高于6年級(jí)和4年級(jí)學(xué)生。抽象思維反映出學(xué)生對(duì)解決問題核心要素的提取能力，泛化思維則強(qiáng)調(diào)將特定問題的解決模式應(yīng)用到類似問題的解決中，此類高階思維技能往往與自我效能感密切相關(guān)。5年級(jí)學(xué)生開始接觸Scratch編程等內(nèi)容，在此階段他們對(duì)編程抱有濃厚興趣，隨著年級(jí)的增加，學(xué)生反而感覺編程學(xué)習(xí)沒有了初次接觸時(shí)吸引力，編程的自我效能也隨之降低（Kong et al.，2018），這或許是5年級(jí)學(xué)生在上述兩個(gè)維度顯著優(yōu)于其他年級(jí)學(xué)生的原因?？梢?，激發(fā)小學(xué)生對(duì)編程的熱情和興趣，對(duì)于培養(yǎng)其計(jì)算思維具有重要作用。

五、研究啟示

隨著《信息科技新課標(biāo)》的實(shí)施落地，計(jì)算思維已經(jīng)成為義務(wù)教育全學(xué)段的培養(yǎng)目標(biāo)，其有效測評(píng)成為落實(shí)新課標(biāo)的關(guān)鍵。通過梳理計(jì)算思維內(nèi)涵可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)算思維不僅涉及從計(jì)算機(jī)科學(xué)視角出發(fā)強(qiáng)調(diào)解決編程相關(guān)問題的能力，還涉及從普適化視角出發(fā)解決日常學(xué)習(xí)與生活問題的能力，因此，應(yīng)綜合運(yùn)用多種測評(píng)工具方能全面客觀地反映學(xué)生真實(shí)的計(jì)算思維水平。本研究構(gòu)建了小學(xué)生計(jì)算思維綜合測評(píng)方案，從計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐和計(jì)算觀念等維度對(duì)小學(xué)生計(jì)算思維水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，基于研究發(fā)現(xiàn)得出如下啟示：

1.注重從多角度綜合測評(píng)小學(xué)生的計(jì)算思維水平

首先，計(jì)算思維的測評(píng)應(yīng)當(dāng)從原理理解和項(xiàng)目實(shí)踐兩方面構(gòu)建評(píng)價(jià)體系（任友群等，2016），既反映個(gè)體對(duì)計(jì)算機(jī)學(xué)科核心概念和方法的掌握，又反映將其運(yùn)用于解決普適化問題的能力。其次，在測評(píng)工具的選擇上，需要合理采用基于自我報(bào)告的量表和面向計(jì)算機(jī)學(xué)科知識(shí)的測試題等多種形式，從概念、實(shí)踐和觀念等維度對(duì)小學(xué)生的計(jì)算思維水平進(jìn)行全面測量。再次，在測評(píng)內(nèi)容的呈現(xiàn)上，應(yīng)當(dāng)充分考慮到小學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展特點(diǎn)，盡量采用圖文結(jié)合的呈現(xiàn)形式以便于其理解（Román-González et al.，2017），此外也可采用游戲化的測評(píng)方式以激發(fā)學(xué)生興趣。最后，在測評(píng)的實(shí)施過程中，還需要考慮到小學(xué)課堂的實(shí)際情境，從編程環(huán)境、測試時(shí)長、答題方式等方面對(duì)測評(píng)方案進(jìn)行細(xì)致設(shè)計(jì)。

2.注重通過情境問題解決促進(jìn)小學(xué)生計(jì)算思維培育

編程實(shí)踐是培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的有效途徑。本研究發(fā)現(xiàn)，5年級(jí)學(xué)生在計(jì)算觀念上的整體表現(xiàn)優(yōu)于4、6年級(jí)學(xué)生，這或許與5年級(jí)學(xué)生剛開始接觸Scratch等可視化編程工具時(shí)抱有較高學(xué)習(xí)興趣有關(guān)。因此，教師在信息科技課程的教學(xué)過程中，應(yīng)當(dāng)將順序結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)和簡單函數(shù)等編程知識(shí)的講授與具體的情境化問題解決相結(jié)合，激發(fā)和保持學(xué)生學(xué)習(xí)編程的興趣和熱情。值得注意的是，當(dāng)前小學(xué)階段的信息科技課程仍以信息技術(shù)操作技能作為主要學(xué)習(xí)內(nèi)容，這導(dǎo)致學(xué)生在算法思維和問題解決能力上的表現(xiàn)不佳（張屹等，2020）。因此，教師在設(shè)計(jì)課程內(nèi)容時(shí)，應(yīng)當(dāng)將問題分解、抽象等計(jì)算思維培養(yǎng)目標(biāo)與真實(shí)情境相結(jié)合，以培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維解決跨學(xué)科問題的能力。

3.針對(duì)不同性別學(xué)生采取差異化計(jì)算思維培養(yǎng)策略

本研究發(fā)現(xiàn)，小學(xué)生在計(jì)算思維綜合測評(píng)中體現(xiàn)出顯著的性別差異，具體表現(xiàn)為男生在計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐以及計(jì)算觀念的抽象、算法思維和評(píng)價(jià)子維度均優(yōu)于女生。這意味著教師需要正視男女生在計(jì)算思維發(fā)展上的差異，并在培養(yǎng)策略上有所側(cè)重：首先，在抽象、算法思維以及評(píng)價(jià)維度的計(jì)算思維培養(yǎng)上，教師可以通過設(shè)置分層任務(wù)，給予女生足夠的參與機(jī)會(huì)和練習(xí)時(shí)間（Atmatzidou et al.，2016）。其次，教師可以在課程活動(dòng)中有針對(duì)性地為男女生分配不同的任務(wù)角色，如鼓勵(lì)男生參與更具操控性的課程活動(dòng)，而讓女生承擔(dān)更需要團(tuán)隊(duì)協(xié)作的設(shè)計(jì)活動(dòng)（Angeli et al.，2020），并通過增加女生感興趣的學(xué)習(xí)主題等形式鼓勵(lì)其參與。