面向核心素養(yǎng)的計(jì)算思維智能綜合評(píng)測(cè)方法研究

面向核心素養(yǎng)的計(jì)算思維智能綜合評(píng)測(cè)方法研究摘要：教育工作者需要開(kāi)發(fā)與計(jì)算思維應(yīng)用場(chǎng)景相適應(yīng)的評(píng)估工具和方法，以有效評(píng)判計(jì)算思維培養(yǎng)成效。根據(jù)已有計(jì)算思維評(píng)價(jià)研究，基于新版信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算思維定義，結(jié)合信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)要求，構(gòu)建出能夠有效指導(dǎo)評(píng)價(jià)開(kāi)展的計(jì)算思維六維要素框架。結(jié)合Scratch編程教學(xué)介紹具體過(guò)程性和總結(jié)性評(píng)價(jià)工具或方法，并就我國(guó)K-12階段計(jì)算思維評(píng)價(jià)工作提出注重思維應(yīng)用多場(chǎng)景性和任務(wù)難度層次性、綜合運(yùn)用多種評(píng)價(jià)手段、與教育體系和培養(yǎng)實(shí)踐相統(tǒng)一等建議。關(guān)鍵詞：計(jì)算思維;K-12教育;Scratch編程;信息技術(shù)教育0引言計(jì)算思維指計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的問(wèn)題解決方式和思考邏輯。近年來(lái)，計(jì)算思維培養(yǎng)活動(dòng)在世界各地持續(xù)升溫，將計(jì)算思維引入現(xiàn)行教育體系的方式大致分為3種：作為一門全新課程引入、在信息技術(shù)課程中嵌入相關(guān)內(nèi)容[1-2]、與其它學(xué)科融合（如音樂(lè)[3]）。不難看出，計(jì)算思維正作為一種普適性思維滲透并延伸至其它學(xué)科領(lǐng)域。在我國(guó)，計(jì)算思維已被列入信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，廣大教師已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)教育探索[4-5]，以推動(dòng)計(jì)算思維教育和現(xiàn)行教育內(nèi)容相融合。評(píng)價(jià)是計(jì)算思維培養(yǎng)活動(dòng)的重要一環(huán)，計(jì)算思維教學(xué)有效性的關(guān)鍵之一在于學(xué)生計(jì)算思維的學(xué)習(xí)結(jié)果得到及時(shí)監(jiān)控并評(píng)估。已有研究成果表明，實(shí)踐中得以應(yīng)用的計(jì)算思維評(píng)價(jià)方法形式多樣，如測(cè)試題形式評(píng)價(jià)（計(jì)算思維測(cè)試題（CTt）[6]、計(jì)算思維量表評(píng)價(jià)（ComputationalThinkingScales）[7]等）、專門工具評(píng)價(jià)（Dr.Scratch[8]、Scrape軟件、計(jì)算思維模式圖（ComputationalThinkingPattern）[9]等），以及項(xiàng)目式評(píng)價(jià)（Brandon[10]利用計(jì)算機(jī)科學(xué)不插電活動(dòng)評(píng)價(jià)學(xué)生不同計(jì)算思維維度發(fā)展水平、SRI組織[11]在計(jì)算思維實(shí)踐中觀察學(xué)習(xí)者行為等）。雖然部分計(jì)算思維評(píng)價(jià)方法的有效性已被驗(yàn)證，但并不能直接應(yīng)用于我國(guó)教育教學(xué)。原因有二：①評(píng)價(jià)內(nèi)容以本地區(qū)計(jì)算思維培養(yǎng)目標(biāo)為依據(jù)，不同地區(qū)在計(jì)算思維概念理解上存在分歧;②評(píng)價(jià)與實(shí)際教學(xué)相統(tǒng)一，需結(jié)合教學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)者知識(shí)水平、現(xiàn)有教學(xué)資源和環(huán)境等因素，共同測(cè)評(píng)學(xué)習(xí)者計(jì)算思維發(fā)展水平，調(diào)控計(jì)算思維教學(xué)進(jìn)度。目前，我國(guó)在計(jì)算思維領(lǐng)域的研究大多集中于教學(xué)模式方面，對(duì)計(jì)算思維評(píng)價(jià)的關(guān)注較少。為此，本文在現(xiàn)有計(jì)算思維評(píng)價(jià)研究進(jìn)展基礎(chǔ)上，基于新版課程標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)定義，以K-12階段普遍開(kāi)設(shè)的Scratch編程課為評(píng)價(jià)場(chǎng)景，構(gòu)建計(jì)算思維要素框架，介紹評(píng)價(jià)的具體應(yīng)用案例。1計(jì)算思維評(píng)價(jià)概念取向評(píng)估方法是否具有科學(xué)性的關(guān)鍵前提是對(duì)基本定義把握的準(zhǔn)確程度，以及所測(cè)量的維度是否為核心概念在不同層次上的體現(xiàn)。目前，計(jì)算思維的概念取向可分為3類：①編程語(yǔ)言取向，將計(jì)算思維視作使用計(jì)算語(yǔ)言表達(dá)觀點(diǎn)的過(guò)程[12]，強(qiáng)調(diào)學(xué)生能夠使用程序化表征和符號(hào)系統(tǒng)解決問(wèn)題，將算法思維、編程思維視為計(jì)算思維的核心;②問(wèn)題解決取向，計(jì)算思維是一種具有廣泛意義的思想方法和問(wèn)題求解新途徑，是“一個(gè)形成問(wèn)題和制定問(wèn)題解決方案的思考過(guò)程[13]”;③學(xué)習(xí)者發(fā)展取向，計(jì)算思維培養(yǎng)需植根于真實(shí)、有意義的計(jì)算實(shí)踐，聚焦參與過(guò)程中學(xué)習(xí)者所體現(xiàn)出的相關(guān)行為和態(tài)度等[14]。上述3種觀點(diǎn)各有側(cè)重。編程語(yǔ)言取向?qū)⒂?jì)算思維視作一種表征方式，通過(guò)使用相關(guān)計(jì)算符號(hào)系統(tǒng)，將知識(shí)表達(dá)為具體計(jì)算成果;問(wèn)題解決取向強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維是問(wèn)題求解過(guò)程;學(xué)習(xí)者發(fā)展取向則關(guān)注在進(jìn)行計(jì)算思維相關(guān)實(shí)踐后，學(xué)習(xí)者在情感、性格、行為等個(gè)體層面產(chǎn)生的變化。這3種概念取向?qū)τ?jì)算思維應(yīng)用范圍的理解逐漸寬泛，由解決編程問(wèn)題到求解一般問(wèn)題，再擴(kuò)展至影響學(xué)習(xí)者個(gè)體表現(xiàn)。我國(guó)發(fā)布的2017版《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》[15]對(duì)計(jì)算思維的界定偏向問(wèn)題解決取向，強(qiáng)調(diào)利用計(jì)算思維分析數(shù)據(jù)、處理加工各種信息，并將計(jì)算機(jī)科學(xué)問(wèn)題的解決路徑遷移至與之相關(guān)的其它問(wèn)題求解過(guò)程的能力。本文將該定義作為開(kāi)發(fā)計(jì)算思維評(píng)價(jià)方法的理論基礎(chǔ)，并將計(jì)算思維的應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)置為面向編程問(wèn)題和一般問(wèn)題，意在將編程視為計(jì)算思維發(fā)展重要載體的同時(shí)，強(qiáng)調(diào)技能的拓展應(yīng)用。2計(jì)算思維評(píng)價(jià)要素框架對(duì)計(jì)算思維概念的抽象理解并不能有效指導(dǎo)教學(xué)評(píng)價(jià)工作，應(yīng)明確計(jì)算思維結(jié)構(gòu)體系，為評(píng)價(jià)活動(dòng)提供依據(jù)。計(jì)算思維評(píng)價(jià)體系構(gòu)建主要有兩類方法，一是直接采用或改編偏實(shí)踐的計(jì)算思維定義，以編程語(yǔ)言取向下的計(jì)算思維操作性定義[16]和問(wèn)題解決取向下的計(jì)算思維“三維目標(biāo)說(shuō)”[17]為例;第二類方法是研究者在某一概念取向指導(dǎo)下，從各類體系標(biāo)準(zhǔn)、研究文獻(xiàn)、專家評(píng)述中自行歸納出評(píng)價(jià)體系，如學(xué)習(xí)者發(fā)展取向下的SRI評(píng)價(jià)框架[18]。問(wèn)題解決取向下，計(jì)算思維在求解問(wèn)題的不同階段表現(xiàn)為不同形態(tài)，據(jù)此可分析得到各組成要素。美國(guó)國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)和計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)給出計(jì)算思維操作性定義（OperationalDefinition），指出“計(jì)算思維是一種解決問(wèn)題的過(guò)程，該過(guò)程包括明確問(wèn)題、分析數(shù)據(jù)、抽象、設(shè)計(jì)算法、評(píng)估最優(yōu)方案、遷移解決方法六大要素”;Barr等[19]將應(yīng)用計(jì)算思維的問(wèn)題解決劃分為9個(gè)要素;Cohen等[20]構(gòu)建的計(jì)算思維評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包含5個(gè)維度。通過(guò)綜合問(wèn)題解決取向下較有代表性的計(jì)算思維評(píng)價(jià)框架，總結(jié)出計(jì)算思維六要素框架，并將各要素與Scratch課程中的具體表現(xiàn)進(jìn)行映射，如表1所示。3計(jì)算思維評(píng)價(jià)方法計(jì)算思維是解決問(wèn)題的思維過(guò)程，對(duì)計(jì)算思維不同角度的解讀決定了研究者在何種情境下開(kāi)展評(píng)價(jià)活動(dòng)，由此構(gòu)建計(jì)算思維要素框架并為評(píng)價(jià)任務(wù)開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)，以保證所開(kāi)發(fā)評(píng)估項(xiàng)目的科學(xué)性。計(jì)算思維評(píng)估不僅應(yīng)全面考察計(jì)算思維各要素，還應(yīng)強(qiáng)調(diào)高階認(rèn)知技能應(yīng)用（分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造等）。此外，要借鑒已有研究經(jīng)驗(yàn)，采用多種評(píng)價(jià)工具和手段，將過(guò)程性評(píng)價(jià)與總結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合，綜合考察學(xué)生在編程場(chǎng)景下的技能應(yīng)用，以及學(xué)生在非計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域計(jì)算思維的遷移情況。目前，計(jì)算思維培養(yǎng)多依托于編程課程進(jìn)行，但由于學(xué)習(xí)者年齡較小、抽象思維發(fā)展欠缺等，教育者需要考量選取何種編程語(yǔ)言以輔助計(jì)算思維教育。若編程語(yǔ)言學(xué)習(xí)消耗學(xué)生過(guò)多精力或讓其對(duì)編程產(chǎn)生逃避心理，不但會(huì)影響評(píng)價(jià)結(jié)果，還不利于他們后續(xù)學(xué)習(xí)興趣和積極性保持。因此，選擇的編程語(yǔ)言多以“低地板、高天花板”為基本原則，并具有公平性、系統(tǒng)性、可移植性、可持續(xù)性等特點(diǎn)。滿足這些要求的工具中，圖形化/模塊化編程語(yǔ)言應(yīng)用較廣泛，如Scratch、Alice、Kodu、AppInventor等，這類工具能夠有效避免學(xué)習(xí)者陷入編程困境，使他們專注體會(huì)算法思維和計(jì)算機(jī)處理問(wèn)題的邏輯。本文以Scratch編程課程為例，結(jié)合布魯姆教育目標(biāo)，介紹幾種具體的計(jì)算思維評(píng)價(jià)策略（見(jiàn)表2）。（1）觀察訪談法。觀察訪談法指從學(xué)生話語(yǔ)及行為表現(xiàn)中獲取計(jì)算思維發(fā)展證據(jù)，要求教師或助教實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程，尤其關(guān)注學(xué)生在完成Scratch作品關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)前后的表現(xiàn)。其實(shí)施方法有2種：①課堂中設(shè)置多名助教，每位助教負(fù)責(zé)2～4名學(xué)生;②不設(shè)置助教，用錄像設(shè)備拍攝課堂全景，之后進(jìn)行分析。還需注意的是，不同水平學(xué)生編程進(jìn)度不同，如果在授課過(guò)程中進(jìn)行訪談可能會(huì)導(dǎo)致課堂失控，在一部分學(xué)生接受訪談的同時(shí)，必然有另一部分學(xué)生的注意力受到干擾或?qū)W習(xí)處于訪談結(jié)束后無(wú)事可做的狀態(tài)。但若課后進(jìn)行訪談，可能出現(xiàn)學(xué)習(xí)者遺忘過(guò)程信息，影響訪談效果等情況。（2）流程圖繪制。流程圖繪制指學(xué)生通過(guò)教師描述或親身試玩Scratch項(xiàng)目，用流程圖的形式再現(xiàn)角色運(yùn)行機(jī)制。教師可根據(jù)所繪流程圖獲取學(xué)生的思維邏輯和對(duì)Scratch項(xiàng)目的分析能力。實(shí)施流程圖需注意，教師應(yīng)提前通過(guò)簡(jiǎn)單的案例加深學(xué)生對(duì)“流程”概念的理解，促使學(xué)生掌握流程圖繪制方法。圖1為Scratch“乒乓對(duì)抗”項(xiàng)目中，要求學(xué)生完成的“乒乓球”角色對(duì)應(yīng)流程圖。（3）作品分析。作品分析法指通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)生Scratch作品中不同難度代碼（如if…else…，if…else…or…）的使用頻率，判定其計(jì)算思維發(fā)展水平。目前已有Scrape和Dr.Scratch兩個(gè)軟件支持Scratch作品的代碼塊檢測(cè)，其中Dr.Scratch不僅可以統(tǒng)計(jì)代碼塊使用情況，還可區(qū)分Scrarch新手和熟練學(xué)習(xí)者，并給出學(xué)習(xí)建議。圖2展示了Dr.Scratch給分為8分的Scratch代碼塊：邏輯思維2分（包含一個(gè)“if-else”語(yǔ)句）、用戶交互性2分（可通過(guò)鼠標(biāo)與角色進(jìn)行交互）、抽象和問(wèn)題分解1分（項(xiàng)目中有兩個(gè)腳本）、流控制1分（程序由一系列沒(méi)有循環(huán)的指令組成）、并行性和同步維度0分。應(yīng)注意，使用該種方式時(shí)，若無(wú)特定分析工具支持，則過(guò)于耗時(shí)耗力，且此類工具只強(qiáng)調(diào)最終作品呈現(xiàn)，忽視學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程信息。（4）糾錯(cuò)情境設(shè)計(jì)。糾錯(cuò)情境設(shè)計(jì)指教師對(duì)選取的Scratch案例作部分語(yǔ)句改動(dòng)或刪除操作，使腳本運(yùn)行錯(cuò)誤。學(xué)生需補(bǔ)充或修正代碼，使程序正常運(yùn)行。此種評(píng)價(jià)方式要求學(xué)生在理解各部分代碼塊作用的基礎(chǔ)上，分析變量和功能語(yǔ)句的合理性，并根據(jù)正確運(yùn)行結(jié)果和現(xiàn)有運(yùn)行結(jié)果的差異進(jìn)行逆向反推，綜合難度較大。以Scratch“打磚塊”項(xiàng)目為例，在“反彈板”和“球”兩個(gè)角色中都設(shè)置錯(cuò)誤語(yǔ)句，如表3所示。（5）測(cè)試題遷移。測(cè)試題遷移重點(diǎn)考察學(xué)生在日常場(chǎng)景中使用計(jì)算思維解決問(wèn)題的能力，幫助學(xué)生建立起編程世界與一般環(huán)境的聯(lián)系。測(cè)試題評(píng)價(jià)操作方便且能很快得出反饋結(jié)果，但題目設(shè)計(jì)有一定難度，不僅要求教師能夠從日常場(chǎng)景中識(shí)別出計(jì)算思維要素，還要求教師根據(jù)Scratch學(xué)習(xí)進(jìn)度設(shè)計(jì)相應(yīng)難度的遷移測(cè)試題目。教師可以借鑒Bebras競(jìng)賽題目設(shè)計(jì)思路，Bebras競(jìng)賽[21]是世界范圍內(nèi)較有代表性的計(jì)算思維挑戰(zhàn)賽，與其它專業(yè)競(jìng)賽不同的是，參與者不需要有編程經(jīng)驗(yàn)，題目取材于生活，且根據(jù)挑戰(zhàn)者年齡有難度上的區(qū)別。圖3和圖4展示了兩個(gè)Bebras題目。[Bebras高中的一個(gè)班有39名學(xué)生。下面的電話列表是用來(lái)傳遞老師的信息的。藍(lán)色方框?qū)?yīng)的是學(xué)生。黑線將每個(gè)人與他們必須傳遞消息的人連接起來(lái)。每個(gè)電話持續(xù)三分鐘。每個(gè)人一次只能和一個(gè)人通電話。問(wèn)題：當(dāng)老師第一次打電話宣布一條消息時(shí)，過(guò)了多少分鐘，這條消息才完全傳達(dá)給所有39名學(xué)生？（答案：27分鐘）][青蛙在池塘邊跳來(lái)跳去來(lái)鍛煉身體。它按照如下圖所示的順序從一個(gè)睡蓮葉子跳到另一個(gè)睡蓮葉子。它從標(biāo)有s的睡蓮葉子開(kāi)始跳，到現(xiàn)在的這片睡蓮葉子上結(jié)束（圖中的青蛙已經(jīng)跳完了）。每一個(gè)黑點(diǎn)都代表著青蛙降落的睡蓮葉子。下面的圖例用整數(shù)（從0到7）標(biāo)記跳轉(zhuǎn)的8個(gè)可能方向。][哪個(gè)序列描述了青蛙的路徑？A.4，1，0，0，0，6，6，4，4，2，2，1B.0，0，6，6，6，4，4，2，2，4，4，1C.0，0，6，6，6，0，0，2，2，2，2，4，4，4D.6，6，4，4，4，2，4，1，1，1]教育者在評(píng)估時(shí)，應(yīng)圍繞“計(jì)算思維”各要素設(shè)計(jì)評(píng)估任務(wù)，而不是考察學(xué)生對(duì)Scratch等教學(xué)輔助軟件的操作熟練程度。然而，實(shí)際教學(xué)活動(dòng)卻往往重工具使用、輕思維訓(xùn)練。教育者必須明確任何計(jì)算機(jī)科學(xué)輔助學(xué)習(xí)設(shè)備不等同于學(xué)科本身，學(xué)生計(jì)算思維訓(xùn)練過(guò)程也是引領(lǐng)他們體悟邏輯思維、抽象思維和算法奧妙的過(guò)程，更是培養(yǎng)其對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)好奇心和求知欲的過(guò)程。同時(shí)，應(yīng)轉(zhuǎn)變以往注重結(jié)果性評(píng)價(jià)的教學(xué)思路，積極學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外在計(jì)算思維教育領(lǐng)域取得的成功經(jīng)驗(yàn)，在教學(xué)實(shí)踐中不斷探索和嘗試，開(kāi)發(fā)出適合我國(guó)學(xué)生的計(jì)算思維評(píng)價(jià)工具和手段。4研究建議計(jì)算思維培養(yǎng)是思維方式和問(wèn)題解決方法內(nèi)化過(guò)程，這種內(nèi)在變化可通過(guò)外顯行為觀察并確定其發(fā)展水平。由于計(jì)算思維內(nèi)涵的復(fù)雜性和培養(yǎng)方式的多樣性，對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力進(jìn)行有效測(cè)評(píng)并非易事。尤其在我國(guó)，K-12階段的信息技術(shù)教育“培養(yǎng)學(xué)生使用數(shù)字化工具能力”的觀念正逐漸轉(zhuǎn)變，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力、探索精神和計(jì)算思維為目標(biāo)的創(chuàng)客空間、STEM特色課程在中小學(xué)逐步推廣。然而，這期間出現(xiàn)的理論體系不完善、教學(xué)方法不具體、專業(yè)師資隊(duì)伍短缺等問(wèn)題也不容忽視。教師在授課時(shí)必須避免以往傳統(tǒng)以結(jié)果為導(dǎo)向的教學(xué)方式，如只關(guān)注學(xué)生是否完成了積木搭建（如小學(xué)低年級(jí)開(kāi)設(shè)的樂(lè)高課）或程序拖拽（如小學(xué)中高年級(jí)開(kāi)設(shè)的Scratch創(chuàng)意編程或初中開(kāi)設(shè)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言課），卻不關(guān)注學(xué)生思維變化和學(xué)習(xí)過(guò)程。目前，國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)教育階段對(duì)于計(jì)算思維教育領(lǐng)域的關(guān)注大多集中在概念研究、教學(xué)模式和教學(xué)方法探索方面，計(jì)算思維評(píng)價(jià)有關(guān)研究相對(duì)缺乏，而評(píng)價(jià)是計(jì)算思維培養(yǎng)活動(dòng)有效進(jìn)行的依據(jù)。鑒于對(duì)上述問(wèn)題的思考，在梳理現(xiàn)有計(jì)算思維評(píng)價(jià)方法基礎(chǔ)上，提出以下期望和建議：（1）確定各階段計(jì)算思維發(fā)展目標(biāo)，建立科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)體系指導(dǎo)評(píng)價(jià)?，F(xiàn)有計(jì)算思維評(píng)價(jià)方法源于3種概念取向，教育工作者應(yīng)根據(jù)課程形式確定計(jì)算思維評(píng)價(jià)場(chǎng)景，進(jìn)而定位到對(duì)應(yīng)取向下已有思維要素框架。根據(jù)學(xué)習(xí)者身心發(fā)展水平和知識(shí)儲(chǔ)備，構(gòu)建不同要素指標(biāo)下學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展目標(biāo)，為接下來(lái)的教學(xué)和評(píng)估工作提供指導(dǎo)。（2）借鑒已有研究成果，開(kāi)發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的計(jì)算思維評(píng)價(jià)工具。國(guó)外針對(duì)不同計(jì)算思維應(yīng)用場(chǎng)景開(kāi)發(fā)的多樣化評(píng)估工具和手段可為我國(guó)帶來(lái)思路和方法上的借鑒，如Scratch作品自動(dòng)化分析軟件、在項(xiàng)目式教學(xué)中進(jìn)行觀察訪談等，過(guò)程性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合，兼顧計(jì)算思維的專業(yè)屬性和社會(huì)屬性。教師需要綜合考慮現(xiàn)有資源、課程實(shí)施方法、學(xué)習(xí)者水平和發(fā)展目標(biāo)等因素，以選擇合適的評(píng)估方法。（3）推動(dòng)計(jì)算思維跨學(xué)科融合，真正提升學(xué)生STEM素養(yǎng)。為了更好地培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維遷移應(yīng)用能力，可采取兩種實(shí)踐思路：一是進(jìn)行跨