小學不插電活動中計算思維評估的實證研究
——以二進制數的學習活動為例

丁 珺

（湖南師范大學 現代教育技術系，湖南 長沙410000）

一、研究背景

自2006年卡梅隆大學計算機系周以真教授[1]正式提出計算思維的概念以來，引起了國內外學者的廣泛關注。在國內外學者對計算思維的概念、本質、特征[2]等問題眾說紛紜時，一線教師則苦于如何將計算思維落地到實際的教學工作中。

為此，2011年計算機科學教師協會（CSTA）和國際教育技術學會（ISTE）在NSF 支持下聯合提出K-12 階段計算思維操作性定義，明確指出計算思維是包含六大能力特征和五大態度傾向的問題解決過程。2017年我國新版高中信息技術課程標準則將計算思維列為學科核心素養之一，從預備級、水平1、水平2、水平3 來劃分和描述計算思維水平；同年CSTA 官網發布包括計算思維在內的新的K12 CS 標準，從K-2、3-5、6-8、9-10、11-12 五階段來刻畫學生應該具備的計算思維概念和實踐能力。2012年，美國麻省理工媒體實驗室研究小組開發了一個計算思維三維框架，包含計算概念、計算實踐、計算觀念三個維度。顯然，這三個維度與我們所熟知的高中信息技術課程三維目標有相似之處。這些舉措為培養和評估K12 階段學生的計算思維實踐提供了指南。

盡管有越來越多的文獻研究如何將計算思維整合到K-12 課程中，大部分的關于計算思維的正式評估集中在中學及以上階段。

二、不插電的計算機科學活動

“不插電”[3]項目由Tim Bell（新西蘭坎特伯雷大學）等人開創。他決定開發教學方法和材料因為他想為他五歲的孩子展示計算機科學迷人的一面。相關研究者在互聯網上提供了一系列相關課程視頻以及教材[4]。

不插電的科學活動（以下簡稱為“不插電活動”）需要學生動覺參與和情感參與，能夠激發學生極大的興趣和熱情，不需要學生有任何編程經驗，活動的開展也不需要使用計算機。將不插電活動與科學的計算思維評估框架結合更有利其進入傳統課堂。研究表明，在學習相同的概念時，不插電活動比傳統教學更有效，更讓學生投入[5][6]。

在知網中進行搜索，檢索條件為“篇名”，搜索關鍵詞為“不插電”，搜索時間為2018年12月22日，相關結果有5 條。說明關于不插電活動促進計算思維的研究還比較少。且筆者研讀后發現研究者多從課堂實例展示或者觀察中得出不插電活動對學生計算思維的積極影響，較為籠統，缺乏實證研究。

不插電活動這種有效的學習形式現在主要采用課外活動的形式，很少進入正式的課堂教學中，是因為不插電的活動本身具有的團隊協作導向，以及活動的開展需要運用學生的運動覺，難以進入傳統課堂。還有一個重要的原因就是缺少科學的評價框架對學生參與活動后的學習效果進行評價。

盡管研究者普遍承認不插電活動提高了學生的興趣與參與度，實現了“玩中學，學中玩”的效果，并且教學者們在教學實踐中已經逐漸采取不插電的計算機科學活動（以下簡稱不插電的活動）等形式來培養學生的計算思維，但他們主要通過課堂觀察來說明不插電活動提高了學生的參與積極性，對學生的學習效果缺乏教學目標的指引和評估，缺少與傳統課堂的對照實驗研究，缺少系統科學的評估框架。

本研究的教學內容來源于華中科技大學出版社出版的《不插電的計算機科學》，并參照cs unplugged 官網上的教學實例視頻展示，對學生完成活動后的相關計算能力的評估做了初步探索，為不插電活動這種新穎有效的信息技術教學方式走進傳統課堂作了鋪墊。本研究以不插電活動中二進制的學習為例，通過對實驗班和對照班采取不同的教學方法，并通過課堂觀察和即時測驗的方式來評估教學效果。用來評估教學效果的測試題每一題都與布魯姆學習目標與計算思維對應起來。

三、評價方法的確定與二進制教學過程

（一）計分標準的確定

根據上學期期末信息技術操作水平檢測的結果，筆者在長沙市雨花區某小學選取兩個水平相當的一班（39人）和二班（36 人）分別作為實驗組和對照組。實驗組與對照組課堂教學的唯一變量在鞏固階段,教學過后即對兩班學生進行隨堂測試。

在編制二進制測試卷的同時需要確定測試卷的計分標準。二進制測試卷一共為六道題目，“不合格“記為0 分，“待提高“記為1 分，“完全掌握“記為2 分。測試卷的計分標準如表1所示。

表1 二進制測試卷計分標準[7]

（二）二進制測試卷與計算思維

在二進制數課中，學生學習了如何在二進制和十進制數之間進行轉化。二進制測試卷重點測試了用一位、兩位、三位、四位二進制數能夠表示的最大數。比如第五題要求學生能夠用五位二進制數表示最大值。學生可以通過將所有的位值（1+2+4+8+16）相加來計算答案，或者注意到由m 位二進制數能表示的最大數值比下一位數值少一。解決這種類型的問題體現了涉及計算思維的思維過程。雖然有多種解決方法，但預期的方法是讓學生認識模式，并歸納出解決方案，以便解決測試卷上的所有問題。

測試卷上的每個問題都對應著一個或者多個計算思維技能，因此，對測試卷得分進行分析可以反映出學生對題目潛在的計算思維的理解和掌握程度。如表2所示。

表2 二進制測試題與計算思維

（三）二進制教學過程

表3展示了二進制教學過程和相應的教學方法，實驗班和對照班在鞏固環節分別采用了游戲法和傳統課堂練習法。

表3 教學實驗過程

（四）課堂小結

1.卡片游戲環節促進學生團隊合作精神，提高課堂趣味性

盡管前兩個環節在設計和實施過程中堅持“以學生為主”的理念，循循誘導，步步啟發，仍有小部分學生不感興趣，或者因內容的抽象不愿意接受或者有抵觸心理。通過卡片游戲營造的全班參與氣氛促使在前兩個環節中掉隊的學生重新學習游戲所必需具備的技能，即二進制的概念、表征與轉化，而這些正是本節課的教學技能目標，而計算思維數據表征的抽象思維也在卡片游戲中得到鍛煉。

2.當堂小測引導學生發現不足

缺少了教學目標的指引和評價體系的建立，游戲終究“難登大雅之堂”（進入不了正式課堂的陣地）。而當堂小測作為形成性評價的一種，目的在于引導學生發現課堂學習中的不足，引發討論和延伸課堂學習。

學生完成小測后會對測試中的題目進行激烈的討論和再次學習，暫時領先的學生自覺擔任“小老師”的角色指導暫時落后的學生。所有的這些學生都是自覺自發地進行，不需要教師提示或者強迫。這對課堂是很好地延伸。通過對學生完成小測后表現的觀察，筆者認為傳統的紙筆測試在學生尤其是小學生心中處于神圣地地位，對于紙筆測驗，大部分學生會更加認真嚴肅和慎重地對待，期待取得高分。

3.學生可能遇到的問題

當將給定的十進制數轉化為二進制時，在教師沒有說明每張卡片（也就是位）的排列位置是固定且唯一的情況下，有學生可能會通過多次使用某一張（某一位）的方式湊成想要的十進制數。

四、結果分析

（一）測驗可靠性

利用SPSS 21 分析工具對實驗班和對照班的測驗分數進行可靠性分析。如下表4所示，當克倫巴赫系數大于0.9 則表示評價體系信度很好。本套測試題信度系數為0.937，大于0.9，說明該測試題信度比較好，測試結果可靠。

表4 可靠性統計量

（二）結果顯著性檢驗

表5是通過SPSS 21 分析得出的獨立樣本T 檢驗結果。分析結論分為兩步，分別是方差齊性檢驗和T 檢驗。若方差齊性檢驗對應的p 值大于顯著性水平0.05，則表明方差無顯著性差異，應看第一行的T 檢驗結果；反之看第二行的T 檢驗結果。由表兩獨立樣本T 檢驗結果可以看出，p 值遠大于0.05，說明兩種教學方法沒有顯著差異。此結果與來自德國多特蒙德技術大學的Renate Thies 和Jan Vahrenhold[8]的實驗結果相同——他們在教室環境下（而不是在課后活動中）對一半學生采取不插電活動的學習，另一半學生則使用其他的替代材料學習，結果顯示無顯著差異。

表5 獨立樣本檢驗

表6展示了對照組和實驗組的被試人數、均值、標準差和均值的標準誤。通過下表中的均值和標準差比較發現，盡管獨立樣本T 檢驗顯示結果無顯著差異，但是實驗班的均值略高于對照班，標準差略低于對照班。說明在鞏固環節的卡片游戲教學方法起到一定的效果。

表6 組統計量

五、結論

克隆巴赫α系數顯示該測試卷在此次評估中信度佳。研究結果顯示兩個班的測試成績無明顯差異，但是實驗班成績均值比對照班略高，方差略小。課堂觀察發現實驗班學生投入度、參與度和興趣更高，對于后進生的帶動作用更加明顯。究其原因如下。

（一）測驗方式和教學實驗開展的局限

筆者認為，對照班的練習題環節與測試題形式有相似之處，使學生提前熟悉了考察形式，有所心理準備。換句話說，使用紙筆的傳統測驗形式更有利于使用傳統的練習題方式學習的對照班。測試題考察的方式單一，范圍狹隘，涉及的主要是學生計算思維技能，忽視了學生學習過程中的情感態度。此次評估是即時考試，沒有涉及學生記憶的保留。而能夠在學生記憶中保留較長時間的恰恰是他們親身參與，有情感參與的，有趣的經歷，學習過程是否具備了這些特點影響學生延時的表現。除此之外，課堂40 分鐘時間局促，游戲活動環節不能充分施展。

（二）計算思維的培養是一個長期過程

不插電活動可以培養學生團隊合作精神，提高學生參與度；但是面對較為傳統的紙筆測驗，不插電活動沒有體現明顯的優勢。

因筆者精力和時間有限，沒有開展延時對照組實驗，所以無法探究是否開展不插電學習活動的不同學習過程對學生較長期的影響，也沒有探究學生在學習前后對信息技術態度的變化。結果不顯著的原因還包括學生習慣于傳統教學方式，計算思維作為高階思維能力，對計算思維的培養不是一蹴而就的，而應該是一個循序漸進的長期過程。