計算思維評價：概念取向、要素框架與測量方法

王珂 陳剛

摘 要：教育工作者需要開發(fā)與計算思維應(yīng)用場景相適應(yīng)的評估工具和方法，以有效評判計算思維培養(yǎng)成效。根據(jù)已有計算思維評價研究，基于新版信息技術(shù)課程標準中的計算思維定義，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)評價開展的計算思維六維要素框架。結(jié)合Scratch編程教學(xué)介紹具體過程性和總結(jié)性評價工具或方法，并就我國K-12階段計算思維評價工作提出注重思維應(yīng)用多場景性和任務(wù)難度層次性、綜合運用多種評價手段、與教育體系和培養(yǎng)實踐相統(tǒng)一等建議。

關(guān)鍵詞：計算思維;K-12教育;Scratch編程;信息技術(shù)教育

DOI：10. 11907/rjdk. 201402 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

中圖分類號：G433文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）007-0257-05

Evaluation of Computational Thinking： Conceptual Understanding， Framework Elements and Evaluation Methods

——Taking Scratch Programming Course as an Example

WANG Ke，CHEN Gang

（School of Journalism and Communication， Yangzhou University， Yangzhou 225100， China）

Abstract： Educators need to develop evaluation tools and methods suitable for the application scenarios of computational thinking so as to effectively evaluate the cultivation of computational thinking. According to the evaluation of the existing computational thinking， based on the new information technology curriculum standard of computational thinking definition， combining information technology subject core literacy， this article constructs effective computational thinking to guide assessment in six dimensional framework elements， combines with the Scratch of process introduces the concrete programming teaching summative evaluation tools or methods， and puts forward some suggestion to the K-12 stage of computational thinking in China that the evaluation work should pay attention to the application of thinking of multiple scenarios and task difficulty of gradation， the integrated use of a variety of evaluation methods， and the unity with the education system and training practice.

Key Words： computational thinking; K-12 education; scratch programming course; IT education

0 引言

計算思維指計算機科學(xué)領(lǐng)域的問題解決方式和思考邏輯。近年來，計算思維培養(yǎng)活動在世界各地持續(xù)升溫，將計算思維引入現(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[3]）。不難看出，計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，計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)進行了相關(guān)教育探索[4-5]，以推動計算思維教育和現(xiàn)行教育內(nèi)容相融合。

評價是計算思維培養(yǎng)活動的重要一環(huán)，計算思維教學(xué)有效性的關(guān)鍵之一在于學(xué)生計算思維的學(xué)習(xí)結(jié)果得到及時監(jiān)控并評估。已有研究成果表明，實踐中得以應(yīng)用的計算思維評價方法形式多樣，如測試題形式評價（計算思維測試題（CTt）[6]、計算思維量表評價（Computational Thinking Scales）[7]等）、專門工具評價（Dr.Scratch[8]、Scrape軟件、計算思維模式圖（Computational Thinking Pattern）[9]等），以及項目式評價（Brandon[10]利用計算機科學(xué)不插電活動評價學(xué)生不同計算思維維度發(fā)展水平、SRI組織[11]在計算思維實踐中觀察學(xué)習(xí)者行為等）。雖然部分計算思維評價方法的有效性已被驗證，但并不能直接應(yīng)用于我國教育教學(xué)。原因有二：①評價內(nèi)容以本地區(qū)計算思維培養(yǎng)目標為依據(jù)，不同地區(qū)在計算思維概念理解上存在分歧;②評價與實際教學(xué)相統(tǒng)一，需結(jié)合教學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)者知識水平、現(xiàn)有教學(xué)資源和環(huán)境等因素，共同測評學(xué)習(xí)者計算思維發(fā)展水平，調(diào)控計算思維教學(xué)進度。

目前，我國在計算思維領(lǐng)域的研究大多集中于教學(xué)模式方面，對計算思維評價的關(guān)注較少。為此，本文在現(xiàn)有計算思維評價研究進展基礎(chǔ)上，基于新版課程標準中的相關(guān)定義，以K-12階段普遍開設(shè)的Scratch編程課為評價場景，構(gòu)建計算思維要素框架，介紹評價的具體應(yīng)用案例。

1 計算思維評價概念取向

評估方法是否具有科學(xué)性的關(guān)鍵前提是對基本定義把握的準確程度，以及所測量的維度是否為核心概念在不同層次上的體現(xiàn)。目前，計算思維的概念取向可分為3類：①編程語言取向，將計算思維視作使用計算語言表達觀點的過程[12]，強調(diào)學(xué)生能夠使用程序化表征和符號系統(tǒng)解決問題，將算法思維、編程思維視為計算思維的核心;②問題解決取向，計算思維是一種具有廣泛意義的思想方法和問題求解新途徑，是“一個形成問題和制定問題解決方案的思考過程[13]”;③學(xué)習(xí)者發(fā)展取向，計算思維培養(yǎng)需植根于真實、有意義的計算實踐，聚焦參與過程中學(xué)習(xí)者所體現(xiàn)出的相關(guān)行為和態(tài)度等[14]。

上述3種觀點各有側(cè)重。編程語言取向?qū)⒂嬎闼季S視作一種表征方式，通過使用相關(guān)計算符號系統(tǒng)，將知識表達為具體計算成果;問題解決取向強調(diào)計算思維是問題求解過程;學(xué)習(xí)者發(fā)展取向則關(guān)注在進行計算思維相關(guān)實踐后，學(xué)習(xí)者在情感、性格、行為等個體層面產(chǎn)生的變化。這3種概念取向?qū)τ嬎闼季S應(yīng)用范圍的理解逐漸寬泛，由解決編程問題到求解一般問題，再擴展至影響學(xué)習(xí)者個體表現(xiàn)。

我國發(fā)布的2017版《普通高中信息技術(shù)課程標準》[15]對計算思維的界定偏向問題解決取向，強調(diào)利用計算思維分析數(shù)據(jù)、處理加工各種信息，并將計算機科學(xué)問題的解決路徑遷移至與之相關(guān)的其它問題求解過程的能力。本文將該定義作為開發(fā)計算思維評價方法的理論基礎(chǔ)，并將計算思維的應(yīng)用場景設(shè)置為面向編程問題和一般問題，意在將編程視為計算思維發(fā)展重要載體的同時，強調(diào)技能的拓展應(yīng)用。

2 計算思維評價要素框架

對計算思維概念的抽象理解并不能有效指導(dǎo)教學(xué)評價工作，應(yīng)明確計算思維結(jié)構(gòu)體系，為評價活動提供依據(jù)。計算思維評價體系構(gòu)建主要有兩類方法，一是直接采用或改編偏實踐的計算思維定義，以編程語言取向下的計算思維操作性定義[16]和問題解決取向下的計算思維“三維目標說”[17]為例;第二類方法是研究者在某一概念取向指導(dǎo)下，從各類體系標準、研究文獻、專家評述中自行歸納出評價體系，如學(xué)習(xí)者發(fā)展取向下的SRI評價框架[18]。

問題解決取向下，計算思維在求解問題的不同階段表現(xiàn)為不同形態(tài)，據(jù)此可分析得到各組成要素。美國國際教育技術(shù)協(xié)會和計算機科學(xué)教師協(xié)會給出計算思維操作性定義（Operational Definition），指出“計算思維是一種解決問題的過程，該過程包括明確問題、分析數(shù)據(jù)、抽象、設(shè)計算法、評估最優(yōu)方案、遷移解決方法六大要素”;Barr等[19]將應(yīng)用計算思維的問題解決劃分為9個要素;Cohen等[20]構(gòu)建的計算思維評價指標體系包含5個維度。通過綜合問題解決取向下較有代表性的計算思維評價框架，總結(jié)出計算思維六要素框架，并將各要素與Scratch課程中的具體表現(xiàn)進行映射，如表1所示。

3 計算思維評價方法

計算思維是解決問題的思維過程，對計算思維不同角度的解讀決定了研究者在何種情境下開展評價活動，由此構(gòu)建計算思維要素框架并為評價任務(wù)開發(fā)提供指導(dǎo)，以保證所開發(fā)評估項目的科學(xué)性。計算思維評估不僅應(yīng)全面考察計算思維各要素，還應(yīng)強調(diào)高階認知技能應(yīng)用（分析、評價、創(chuàng)造等）。此外，要借鑒已有研究經(jīng)驗，采用多種評價工具和手段，將過程性評價與總結(jié)性評價相結(jié)合，綜合考察學(xué)生在編程場景下的技能應(yīng)用，以及學(xué)生在非計算機科學(xué)領(lǐng)域計算思維的遷移情況。

目前，計算思維培養(yǎng)多依托于編程課程進行，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言以輔助計算思維教育。若編程語言學(xué)習(xí)消耗學(xué)生過多精力或讓其對編程產(chǎn)生逃避心理，不但會影響評價結(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。滿足這些要求的工具中，圖形化/模塊化編程語言應(yīng)用較廣泛，如Scratch、Alice、Kodu、App Inventor等，這類工具能夠有效避免學(xué)習(xí)者陷入編程困境，使他們專注體會算法思維和計算機處理問題的邏輯。本文以Scratch編程課程為例，結(jié)合布魯姆教育目標，介紹幾種具體的計算思維評價策略（見表2）。

（1）觀察訪談法。觀察訪談法指從學(xué)生話語及行為表現(xiàn)中獲取計算思維發(fā)展證據(jù)，要求教師或助教實時監(jiān)控學(xué)生學(xué)習(xí)過程，尤其關(guān)注學(xué)生在完成Scratch作品關(guān)鍵節(jié)點前后的表現(xiàn)。其實施方法有2種：①課堂中設(shè)置多名助教，每位助教負責(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，之后進行分析。還需注意的是，不同水平學(xué)生編程進度不同，如果在授課過程中進行訪談可能會導(dǎo)致課堂失控，在一部分學(xué)生接受訪談的同時，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)束后無事可做的狀態(tài)。但若課后進行訪談，可能出現(xiàn)學(xué)習(xí)者遺忘過程信息，影響訪談效果等情況。

（2）流程圖繪制。流程圖繪制指學(xué)生通過教師描述或親身試玩Scratch項目，用流程圖的形式再現(xiàn)角色運行機制。教師可根據(jù)所繪流程圖獲取學(xué)生的思維邏輯和對Scratch項目的分析能力。實施流程圖需注意，教師應(yīng)提前通過簡單的案例加深學(xué)生對“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“乒乓對抗”項目中，要求學(xué)生完成的“乒乓球”角色對應(yīng)流程圖。

（3）作品分析。作品分析法指通過統(tǒng)計學(xué)生Scratch作品中不同難度代碼（如if…else…，if…else…or…）的使用頻率，判定其計算思維發(fā)展水平。目前已有Scrape和Dr.Scratch兩個軟件支持Scratch作品的代碼塊檢測，其中Dr.Scratch不僅可以統(tǒng)計代碼塊使用情況，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“if-else”語句）、用戶交互性2分（可通過鼠標與角色進行交互）、抽象和問題分解1分（項目中有兩個腳本）、流控制1分（程序由一系列沒有循環(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，若無特定分析工具支持，則過于耗時耗力，且此類工具只強調(diào)最終作品呈現(xiàn)，忽視學(xué)生學(xué)習(xí)過程信息。

（4）糾錯情境設(shè)計。糾錯情境設(shè)計指教師對選取的Scratch案例作部分語句改動或刪除操作，使腳本運行錯誤。學(xué)生需補充或修正代碼，使程序正常運行。此種評價方式要求學(xué)生在理解各部分代碼塊作用的基礎(chǔ)上，分析變量和功能語句的合理性，并根據(jù)正確運行結(jié)果和現(xiàn)有運行結(jié)果的差異進行逆向反推，綜合難度較大。以Scratch“打磚塊”項目為例，在“反彈板”和“球”兩個角色中都設(shè)置錯誤語句，如表3所示。

（5）測試題遷移。測試題遷移重點考察學(xué)生在日常場景中使用計算思維解決問題的能力，幫助學(xué)生建立起編程世界與一般環(huán)境的聯(lián)系。測試題評價操作方便且能很快得出反饋結(jié)果，但題目設(shè)計有一定難度，不僅要求教師能夠從日常場景中識別出計算思維要素，還要求教師根據(jù)Scratch學(xué)習(xí)進度設(shè)計相應(yīng)難度的遷移測試題目。教師可以借鑒Bebras競賽題目設(shè)計思路，Bebras競賽[21]是世界范圍內(nèi)較有代表性的計算思維挑戰(zhàn)賽，與其它專業(yè)競賽不同的是，參與者不需要有編程經(jīng)驗，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Bebras題目。

[Bebras高中的一個班有39名學(xué)生。下面的電話列表是用來傳遞老師的信息的。藍色方框?qū)?yīng)的是學(xué)生。黑線將每個人與他們必須傳遞消息的人連接起來。

每個電話持續(xù)三分鐘。每個人一次只能和一個人通電話。

問題：當老師第一次打電話宣布一條消息時，過了多少分鐘，這條消息才完全傳達給所有39名學(xué)生？

（答案：27分鐘）]

[青蛙在池塘邊跳來跳去來鍛煉身體。它按照如下圖所示的順序從一個睡蓮葉子跳到另一個睡蓮葉子。它從標有s的睡蓮葉子開始跳，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）。每一個黑點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）標記跳轉(zhuǎn)的8個可能方向。][哪個序列描述了青蛙的路徑？

A. 4，1，0，0，0，6，6，4，4，2，2，1

B. 0，0，6，6，6，4，4，2，2，4，4，1

C. 0，0，6，6，6，0，0，2，2，2，2，4，4，4

D. 6，6，4，4，4，2，4，1，1，1]

教育者在評估時，應(yīng)圍繞“計算思維”各要素設(shè)計評估任務(wù)，而不是考察學(xué)生對Scratch等教學(xué)輔助軟件的操作熟練程度。然而，實際教學(xué)活動卻往往重工具使用、輕思維訓(xùn)練。教育者必須明確任何計算機科學(xué)輔助學(xué)習(xí)設(shè)備不等同于學(xué)科本身，學(xué)生計算思維訓(xùn)練過程也是引領(lǐng)他們體悟邏輯思維、抽象思維和算法奧妙的過程，更是培養(yǎng)其對計算機科學(xué)好奇心和求知欲的過程。同時，應(yīng)轉(zhuǎn)變以往注重結(jié)果性評價的教學(xué)思路，積極學(xué)習(xí)國內(nèi)外在計算思維教育領(lǐng)域取得的成功經(jīng)驗，在教學(xué)實踐中不斷探索和嘗試，開發(fā)出適合我國學(xué)生的計算思維評價工具和手段。

4 研究建議

計算思維培養(yǎng)是思維方式和問題解決方法內(nèi)化過程，這種內(nèi)在變化可通過外顯行為觀察并確定其發(fā)展水平。由于計算思維內(nèi)涵的復(fù)雜性和培養(yǎng)方式的多樣性，對學(xué)生計算思維能力進行有效測評并非易事。尤其在我國，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、探索精神和計算思維為目標的創(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)師資隊伍短缺等問題也不容忽視。教師在授課時必須避免以往傳統(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)低年級開設(shè)的樂高課）或程序拖拽（如小學(xué)中高年級開設(shè)的Scratch創(chuàng)意編程或初中開設(shè)的程序設(shè)計語言課），卻不關(guān)注學(xué)生思維變化和學(xué)習(xí)過程。目前，國內(nèi)基礎(chǔ)教育階段對于計算思維教育領(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，計算思維評價有關(guān)研究相對缺乏，而評價是計算思維培養(yǎng)活動有效進行的依據(jù)。

鑒于對上述問題的思考，在梳理現(xiàn)有計算思維評價方法基礎(chǔ)上，提出以下期望和建議：

（1）確定各階段計算思維發(fā)展目標，建立科學(xué)的標準體系指導(dǎo)評價。現(xiàn)有計算思維評價方法源于3種概念取向，教育工作者應(yīng)根據(jù)課程形式確定計算思維評價場景，進而定位到對應(yīng)取向下已有思維要素框架。根據(jù)學(xué)習(xí)者身心發(fā)展水平和知識儲備，構(gòu)建不同要素指標下學(xué)生計算思維發(fā)展目標，為接下來的教學(xué)和評估工作提供指導(dǎo)。

（2）借鑒已有研究成果，開發(fā)適合我國國情的計算思維評價工具。國外針對不同計算思維應(yīng)用場景開發(fā)的多樣化評估工具和手段可為我國帶來思路和方法上的借鑒，如Scratch作品自動化分析軟件、在項目式教學(xué)中進行觀察訪談等，過程性評價和總結(jié)性評價相結(jié)合，兼顧計算思維的專業(yè)屬性和社會屬性。教師需要綜合考慮現(xiàn)有資源、課程實施方法、學(xué)習(xí)者水平和發(fā)展目標等因素，以選擇合適的評估方法。

（3）推動計算思維跨學(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)生計算思維遷移應(yīng)用能力，可采取兩種實踐思路：一是進行跨學(xué)科教學(xué)實踐，將計算思維應(yīng)用到其它學(xué)科的問題解決中;二是在非計算機科學(xué)場景下檢測學(xué)生計算思維水平，如計算思維遷移測試和Bebras競賽等，幫助學(xué)生認識到計算思維適用范圍的廣泛性。

近年來，計算思維在我國的關(guān)注度不斷提升，如白雪梅[22]、鐘柏昌[23]等已進行計算思維評價方法的實踐探索。為使計算思維在我國真正落地，必須開發(fā)適合國情、能夠體現(xiàn)不同年齡計算思維發(fā)展特點和差異的綜合性能力標準體系。為此，廣大教育工作者應(yīng)在實踐中積極探索評價路徑，深刻理解計算思維概念，充分利用現(xiàn)有資源設(shè)計評估框架，確定評估指標，綜合使用多種評價方法和手段，盡可能全面且真實地反映我國學(xué)生計算思維發(fā)展水平。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）