基于課堂觀察平臺(tái)的計(jì)算思維精準(zhǔn)培育實(shí)證研究

計(jì)算思維是信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的要素之一。計(jì)算思維的形成代表學(xué)生能夠采用計(jì)算機(jī)的方式界定問(wèn)題，運(yùn)用合理的算法形成解決問(wèn)題的方案，并遷移到與之相關(guān)的其他問(wèn)題解決中。計(jì)算思維是抽象的意識(shí)與行為表現(xiàn)，但作為考量評(píng)價(jià)的要素，必須有量化指標(biāo)和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。課堂觀察指觀察者帶著明確的目的，憑借自身感官及有關(guān)輔助工具，直接（或間接）從課堂上收集資料，并依據(jù)資料做相應(yīng)的記錄、分析和研究，在此基礎(chǔ)上謀求學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的改善、促進(jìn)教師發(fā)展的專業(yè)活動(dòng)[1]。本研究所采用的觀察工具是南京師范大學(xué)朱雪梅教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的“多元交互式”課堂觀察平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱“交互式觀察平臺(tái)”）。此平臺(tái)將可預(yù)設(shè)、可調(diào)節(jié)的各類專門化觀察量表嵌入數(shù)字平臺(tái)中，采用行為編碼的思路，在聽(tīng)課過(guò)程中采集“教”與“學(xué)”的行為數(shù)據(jù)，通過(guò)后臺(tái)計(jì)算與圖形化處理，為評(píng)課結(jié)論提供客觀的量化證據(jù)，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)的課堂診斷[2]。交互式觀察平臺(tái)在課堂上生成觀察數(shù)據(jù)，并在課后生成關(guān)于觀察主題的大數(shù)據(jù)表，大量的課堂數(shù)據(jù)能為本研究的評(píng)估結(jié)論提供客觀的量化證據(jù)。本文運(yùn)用核心素養(yǎng)觀察量表，著重研究計(jì)算思維，并將計(jì)算思維細(xì)分、量化，不能量化的部分以A、B、C、D、E五個(gè)等級(jí)進(jìn)行評(píng)分，通過(guò)數(shù)據(jù)折算最終生成課堂計(jì)算思維培育效果評(píng)價(jià)。一、基于交互式觀察平臺(tái)的計(jì)算思維精準(zhǔn)培育模型構(gòu)建（一）拆解計(jì)算思維，建立量化模型計(jì)算思維是指?jìng)€(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問(wèn)題解決方案的過(guò)程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)[3]。如何將思維活動(dòng)量化？本研究通過(guò)大量研究分析，將計(jì)算思維細(xì)分為分解思維、模式識(shí)別、抽象化、流程建設(shè)、建模、編碼思維、算法思維、操作思維、優(yōu)化、合作、總結(jié)、遷移12個(gè)步驟。僅僅這12個(gè)計(jì)算思維步驟還無(wú)法通過(guò)交互式觀察平臺(tái)進(jìn)行量化。信息技術(shù)課堂的計(jì)算思維是通過(guò)“學(xué)生活動(dòng)”和“教師活動(dòng)”進(jìn)行傳達(dá)的，而被拆解的12個(gè)計(jì)算思維步驟又能嵌入相應(yīng)的活動(dòng)中，于是我們將這12個(gè)步驟通過(guò)“學(xué)生活動(dòng)”和“教師活動(dòng)”進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，將抽象的思維步驟進(jìn)行模型化、量化拆解。經(jīng)過(guò)對(duì)計(jì)算思維的進(jìn)一步拆解、具象，現(xiàn)在已初步具備了計(jì)算思維量化的可能性。（二）運(yùn)用觀察平臺(tái)，建立觀察量表每個(gè)觀察點(diǎn)主要通過(guò)三種方式進(jìn)行評(píng)價(jià)：次數(shù)、突出行為和總體效果評(píng)價(jià)。我們通過(guò)課堂測(cè)試發(fā)現(xiàn)，二次分解后的計(jì)算思維一定程度上是可以量化的，但計(jì)算思維量化拆解模型（如圖1）屬于抽象模型，在無(wú)法進(jìn)行量化的時(shí)候應(yīng)通過(guò)建立A、B、C、D、E五個(gè)等級(jí)進(jìn)行主觀式量化考核。經(jīng)過(guò)改良交互式觀察量表中的核心素養(yǎng)培育觀察表，我們?cè)O(shè)計(jì)出計(jì)算思維培育行為量化表（如圖2）。其中，次數(shù)是指將計(jì)算思維觀察項(xiàng)目用數(shù)量來(lái)統(tǒng)計(jì)，雖然較為主觀，但從大量樣本中獲得的數(shù)據(jù)還是有一定科學(xué)依據(jù)的。課堂上，一般會(huì)有1～3次計(jì)算思維觀察項(xiàng)目體現(xiàn)；突出的行為是計(jì)算思維量化的依據(jù)，將突出的行為數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的主觀描述，能便于后期的反饋；總體效果評(píng)價(jià)是指對(duì)總體表現(xiàn)進(jìn)行打分，A級(jí)8分，B級(jí)6分，C級(jí)4分，D級(jí)2分，E級(jí)1分。其中，A級(jí)為課堂上對(duì)計(jì)算思維觀察項(xiàng)目展現(xiàn)充分，令人印象深刻；B級(jí)為課堂上有2次以上的體現(xiàn)；C級(jí)為課堂上有1次體現(xiàn)；D級(jí)為課堂上項(xiàng)目模糊體現(xiàn)；E級(jí)為基本無(wú)法體現(xiàn)。通過(guò)加權(quán)分?jǐn)?shù)算法將觀察數(shù)據(jù)折算成分?jǐn)?shù)，筆者將高中信息技術(shù)計(jì)算思維培育分成三個(gè)等級(jí)模型：初級(jí)模型、中級(jí)模型和高級(jí)模型（如圖3）。模型總分100分，每條8分（4分起步）。經(jīng)過(guò)模型測(cè)試計(jì)算，40分為初步模型，60分為中級(jí)模型，80分以上為高級(jí)模型。（三）匯總量化數(shù)據(jù)，分析反饋改進(jìn)本研究通過(guò)平行班測(cè)試，運(yùn)用交互式觀察平臺(tái)收集每節(jié)課的量化數(shù)據(jù)，每一兩個(gè)月建立階段性數(shù)據(jù)庫(kù)，最后通過(guò)量表采樣數(shù)據(jù)進(jìn)一步建立數(shù)據(jù)圖表。我們通過(guò)對(duì)比累計(jì)3年的跟蹤觀察數(shù)據(jù)，得出計(jì)算思維培養(yǎng)方案是否可行，并且為下一階段的測(cè)試改進(jìn)做出判斷。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，我們可以判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，了解教師的教學(xué)效果，幫助觀課者對(duì)課堂上計(jì)算思維的培育質(zhì)量進(jìn)行評(píng)判和提出改進(jìn)意見(jiàn)，進(jìn)而提高教師培育計(jì)算思維的教學(xué)活動(dòng)質(zhì)量。建立計(jì)算思維跟蹤表，不僅能促進(jìn)學(xué)生的有效學(xué)習(xí)，還能幫助教師依據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)、學(xué)情確定教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，從而優(yōu)化課堂教學(xué)。二、基于交互式觀察平臺(tái)的計(jì)算思維精準(zhǔn)培育實(shí)踐以Python編程課程“枚舉算法——‘百錢百雞問(wèn)題”一課為例，教學(xué)內(nèi)容可設(shè)置多樣的教學(xué)活動(dòng)，并且能夠完整體現(xiàn)出信息技術(shù)課堂培育計(jì)算思維的特點(diǎn)，有利于交互式觀察平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)評(píng)價(jià)。信息技術(shù)課堂上運(yùn)用數(shù)字化平臺(tái)進(jìn)行課堂觀察，一方面可以詳盡記錄學(xué)生的參與情況；另一方面，也可以對(duì)教師的教學(xué)行為進(jìn)行診斷。本研究通過(guò)數(shù)字化課堂觀察，為下一階段的教學(xué)提供參考意見(jiàn)，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)教學(xué)，并利于及時(shí)進(jìn)行教學(xué)補(bǔ)償[4]。我們采用一課多上的方式對(duì)兩節(jié)課進(jìn)行分析。教師在備課后第一次上課；上完課后，結(jié)合教研組磨課和課堂觀察平臺(tái)數(shù)據(jù)圖表，研磨修改后第二次上課。觀察比較兩節(jié)課的計(jì)算思維落實(shí)情況，我們得出如下結(jié)論（見(jiàn)表1）。從以上數(shù)據(jù)可以看出，兩次課在計(jì)算思維培育行為方面存在著巨大差距。第二次課上，計(jì)算思維培育行為達(dá)37次，而第一次課僅有19次。總體效果評(píng)價(jià)第二次課為84分（7個(gè)A，4個(gè)B，1個(gè)C），高級(jí)模型（完全具備）；第一次課65分（2個(gè)A，6個(gè)B，3個(gè)C，1個(gè)E），中級(jí)模型（基本具備）。教師基于第一次上課交互式觀察平臺(tái)的相應(yīng)數(shù)據(jù)，在上第二次課時(shí)有針對(duì)性地改進(jìn)教學(xué)行為，更注重計(jì)算思維的培育，次數(shù)也明顯增加。以下從觀察項(xiàng)目進(jìn)行具體對(duì)比分析。分解思維：第一次課，教師將問(wèn)題直接拋給學(xué)生，學(xué)生對(duì)解決一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題感到無(wú)從下手。第二次課，教師通過(guò)問(wèn)題串，引導(dǎo)學(xué)生將大問(wèn)題拆分成一個(gè)個(gè)能解決的小問(wèn)題，培養(yǎng)了學(xué)生的分解思維。建模：第一次課，教師在沒(méi)有鋪墊的情況下就讓學(xué)生嘗試編程，導(dǎo)致很多學(xué)生難以理解問(wèn)題，進(jìn)而無(wú)法解決問(wèn)題。第二次上課，教師引導(dǎo)學(xué)生用連線、畫流程圖的方式，將抽象的問(wèn)題形象化，既能發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性思維，將難懂的嵌套循環(huán)簡(jiǎn)單化，也提升了學(xué)生的建模思維。算法思維：第一次課，教師直接提出了枚舉算法，而不是讓學(xué)生運(yùn)用合理的算法形成解決問(wèn)題的方案。第二次課，教師在教學(xué)程序編寫時(shí)，將枚舉知識(shí)點(diǎn)融入學(xué)習(xí)任務(wù)中讓學(xué)生來(lái)嘗試完成。這既可以讓學(xué)生具備一定的程序編寫與調(diào)試的能力，又能直觀體現(xiàn)學(xué)生的算法思維。遷移：第一次課，教師僅僅將原來(lái)的“百錢百雞”問(wèn)題擴(kuò)展為“m錢n雞”。而第二次課，教師讓學(xué)生回到課堂開(kāi)始的早餐問(wèn)題，并拓展到了其他問(wèn)題的解決。學(xué)生在解決問(wèn)題中總結(jié)了枚舉算法，并遷移到與之相關(guān)的其他問(wèn)題解決中，培養(yǎng)了舉一反三、觸類旁通的遷移思維。診斷的過(guò)程中，教師利用交互式觀察平臺(tái)得出數(shù)據(jù)和專業(yè)判斷，圍繞觀察點(diǎn)對(duì)觀察得到的信息進(jìn)行剖析與反思，基于數(shù)據(jù)提出有針對(duì)性和實(shí)效性的矯正建議。數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式采用描述性分析法：條形圖、餅狀圖、雷達(dá)圖（如圖4）、表格（見(jiàn)表2）等。本研究從教師教的行為、學(xué)生學(xué)的行為、師生交往行為等角度進(jìn)行改進(jìn)，最終指向?qū)W生的計(jì)算思維培育。我們還采用循環(huán)跟進(jìn)式教學(xué)評(píng)價(jià)，由教研組或備課組在某一專題研究中，連續(xù)組織同一內(nèi)容的活動(dòng)。每次活動(dòng)都在交互式評(píng)價(jià)體系基礎(chǔ)上進(jìn)行深入的觀察、比較、分析和評(píng)價(jià)，并提出改進(jìn)意見(jiàn)，緊接著進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過(guò)這樣一個(gè)循環(huán)往復(fù)的評(píng)價(jià)過(guò)程，教師的教學(xué)預(yù)期和教學(xué)能力都會(huì)得到提高。本研究通過(guò)觀察獲得量化數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷，針對(duì)存在的問(wèn)題對(duì)癥下藥，提出改進(jìn)意見(jiàn)，再觀察、診斷、改進(jìn)，如此螺旋式循環(huán)改進(jìn)。三、基于交互式觀察平臺(tái)的計(jì)算思維精準(zhǔn)培育的實(shí)踐思考（一）核心素養(yǎng)觀察的借鑒意義核心素養(yǎng)是可以被“觀察到”的。本研究主要針對(duì)信息技術(shù)學(xué)科四大核心素養(yǎng)之一的計(jì)算思維，后續(xù)可以基于本研究將其他三個(gè)核心素養(yǎng)——信息意識(shí)、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任進(jìn)行相應(yīng)的拆解，建立量表，并且建立起各細(xì)化量表和實(shí)際教學(xué)過(guò)程細(xì)分項(xiàng)目的有機(jī)聯(lián)系。教師要通過(guò)不斷觀察課堂上教學(xué)主體的細(xì)分行為，迭代項(xiàng)目、改進(jìn)方式，達(dá)到培育學(xué)生信息技術(shù)核心素養(yǎng)的目的，幫助學(xué)生運(yùn)用信息技術(shù)學(xué)科的思維方式理解信息世界，正確認(rèn)識(shí)技術(shù)、個(gè)人和社會(huì)的內(nèi)在關(guān)系，發(fā)揮信息技術(shù)的積極作用。（二）思維精準(zhǔn)培育的現(xiàn)實(shí)意義思維是可以被“精準(zhǔn)化”的。以往對(duì)于計(jì)算思維培育行為的研究，主要基于教師的主觀經(jīng)驗(yàn)，這種質(zhì)性研究的重點(diǎn)放在如何進(jìn)行培育，缺少對(duì)計(jì)算思維培育行為的科學(xué)診斷。利用交互式觀察平臺(tái)對(duì)同一教師不同課堂的計(jì)算思維培育行為進(jìn)行分析，為信息技術(shù)教師提供了可以操作的計(jì)算思維培育策略。本研究一方面幫助教師準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)自身教學(xué)行為，從而改進(jìn)教學(xué)；另一方面，能精準(zhǔn)評(píng)價(jià)學(xué)生的計(jì)算思維，從而能針對(duì)不同的計(jì)算思維水平，對(duì)學(xué)生進(jìn)行精準(zhǔn)培育。標(biāo)準(zhǔn)化的觀察量表為計(jì)算思維的評(píng)價(jià)提供了數(shù)據(jù)支持，有利于提升評(píng)價(jià)的科學(xué)性，推動(dòng)教育評(píng)價(jià)的發(fā)展。（三）教育數(shù)字化的戰(zhàn)略意義信息技術(shù)“精準(zhǔn)化