地方高校計算機類學生計算思維的評價探索

康長青 吳中博 朱麗娟 王敏 胡春陽

摘? 要：鑒于對高校計算機類學生計算思維能力測評研究不足的現狀，形成開展計算思維能力測評的思路。選取抽象建模、算法設計、問題識別與分解、自動化、概括遷移和合作關系六個子能力作為評價指標，基于層次分析法構建了計算思維評價模型。采集核心專業課的期末綜合評價數據，經分析得出班級計算思維整體表現和個人計算思維等級，同時闡述了測評結果的應用方向，為新時代計算機類專業人才培養質量的評價提供一種新路徑。

關鍵詞：地方高校；計算思維；計算思維測評；評價指標；層次分析法

中圖分類號：TP39；G642? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-4706（2023）07-0183-04

Abstract： In view of the lack of research on the evaluation of computational thinking ability of computer students in colleges and universities， the idea of developing the evaluation of computational thinking ability is formed. Six sub-capabilities， namely， abstract modeling， algorithm design， problem identification and decomposition， automation， generalization and transfer， and cooperative relationship， are selected as evaluation indicators， and a computational thinking evaluation model is built based on the analytic hierarchy process. Collect the final comprehensive evaluation data of core professional courses， the overall performance of class computational thinking and the level of individual computational thinking are obtained by analysis， and the application direction of the evaluation results is described， providing a new way for the evaluation of the training quality of computer professionals in the new era.

Keywords： local college; computational thinking; computational? thinking evaluation; evaluation index; analytic hierarchy process

0? 引? 言

計算思維是新時代高等學校計算機教育領域的研究熱點之一。自從周以真教授在2006年提出計算思維的概念后，計算思維迅速引起國內外計算機科學界和教育界的廣泛關注。在我國高等學校計算機教育領域，文獻[1]中提出了“計算思維能力的培養”是計算機基礎教學的核心任務。文獻[2]中提出了計算思維是計算機類專業人才的四大專業基本能力之一。文獻[3]中提出“計算機科學中最具基礎性和長期性的思想是計算思維”，明確了對學生計算思維的培養在大學計算機基礎課程教學中的中心地位。文獻[4]中將計算思維2.0定義為“所有領域科學家在應用計算和計算模型進行問題求解時的思維模式，是涵蓋所有學科的第三種思維范式”。文獻[5]中提出計算思維是從信息運動的角度認知和理解世界的思想和方法，對新工科建設意義重大。文獻[6]提出計算思維具有“提升工程計算能力，變革問題求解方式；強化系統設計能力，促進人類行為理解；跨越人才培養鴻溝，塑造專業創新能力”的作用，加強對學生計算思維能力的培養是實現新型工科人才培養目標的關鍵。總的來說，在以上文獻的政策導向和方向指引下，廣大計算機教育研究者就計算思維開展了大量的培養內容設計與課程實踐模式研究[7-9]，而計算思維的能力評測研究則是整個研究工作的核心所在。在國家深化新時代高等教育評價改革的背景下，開展對高等學校計算機類學生計算思維的評價研究，具有十分重大的意義和價值。

1? 計算思維的測評現狀

計算思維的測評是計算機教育教學的重要診斷環節，更是促進專業教學質量持續改進的重要組成部分，不僅可以用于考查學生的知識技能掌握情況，還可以用于評價教師所授課程的教學質量。國外研究人員已設計出各種各樣的計算思維評價工具[9]，而國內學界自主研發的計算思維評價工具則非常罕見。由于國內外各個學段的教學目標、教學內容和教學方法有所不同，加上研究者們對計算思維內涵與外延的認知不同，導致各自構建的評價框架和評價方法存有差異。文獻[10]構建了由三個一級指標和九個二級指標組成的初中信息技術課程計算思維評價指標體系，采用德爾斐法等方法確定指標的權重值，形成計算思維評分表。文獻[11]通過需求調查問卷，總結了職業學校學生所應具備的包含七大能力十七個指標的計算思維能力。北京大學學習科學實驗室基于國外的評測系統，設計開發了包含五個維度的線上計算思維等級評測系統。文獻[12]針對中小學生從認知和非認知層面將計算思維分解成六個計算思維子能力，實現了計算思維微認證評定。總的來說，現有的計算思維測評研究大多針對K12學段的學生設計評價指標，并基于題目測試成績和編程測試成績進行度量和分析[13]。計算機專業是目前普通高等學校的熱門專業，每年畢業的學生數量巨大，高校的計算機課程教學體系和初高中的信息技術課程差異巨大，大學生的計算思維該如何測評，是目前非常重要的探索課題。

2? 地方高校計算思維測評實踐

地方高校計算思維測評是以學生的綜合表現作為其進階依據，刻畫學生思維發展的不同層級，具有促進思維向著更精細成熟方向發展的作用，是解決教學、學習和評價一致性的有效手段[14]。由于思維的復雜性，構建計算思維的學習進階系統需要綜合考慮時間跨度的選擇、學生學習數據的收集、數據處理模型的構建以及模型結果的分析和應用等因素。

2.1? 計算思維測評的總體思路

地方本科高校計算機專業（包含計算機科學與技術、軟件工程和物聯網工程等）的教學目標應建立符合學生學情的計算思維培養和評價方式。所建立的計算思維測評系統應在地方高校應用型人才培養目標和課程實施體系的基礎上進行計算思維模型的設計，該模型支持數據的采集和系統目標的實現。因此，我們設計的地方高校計算思維測評系統如圖1所示，即通過一二級內涵指標和指標權重的設計，形成計算思維測評模型，通過將現有的期末綜合評價數據輸入測評模型，得到測評分值并進行思維分級和反饋。

2.2? 一級評價指標的設計

建立面向地方高校計算機類學生的計算思維測評系統，首先要考慮確定適合地方高校人才培養目標的計算思維評價指標。由于國內外研究者對計算思維的內涵與外延并沒有達成一致，結合地方計算機專業應用型人才培養目標，綜合國內外專家的研究成果，設計計算思維的一級評價指標由抽象建模、算法設計、問題識別與分解、自動化實現、概括遷移以及合作關系六個指標構成，其具體含義如表1所示。

2.3? 二級評價指標的設計

通常，計算思維測評是針對每個指標出一套卷子，對學生進行題目測試或編程測試，而現有的大學課程期末綜合評價大多融入題目測試、編程成績、項目績效等形式，具備融合過程性評價和總結性評價的優點。考慮到測評方式的簡單性、可行性，借鑒OBE工程認證的逆向設計思路，將計算思維的指標評價落實到課程培養上，通過課程的綜合測評成績來支撐學生計算思維的達成度計算。因此我們選取計算機類專業的公共核心基礎課程，構建計算思維評價指標，如表2所示。

2.4? 評價指標權重的計算

計算思維測評模型在確定好一級二級評價指標后還需要進行評價指標權重分配。層次分析法是對實際問題進行定性和定量分析的多屬性決策方法，具有簡便、實用、靈活的優點[15]。

利用層次分析法構建模型一般分為四步：

1）設計模型的遞階指標體系。

2）構造各層次比較判斷矩陣。

3）層次單排序和一致性檢驗。

4）層次總排序和一致性檢驗。

利用層次分析法確定計算思維指標權重的具體操作過程如下：

1）在計算思維測評問題層次模型（表2）的基礎上，對準則層采用“1—9標度法”，構建比較判斷矩陣，如表3所示。

2）選擇權重向量的計算方法，計算比較判斷矩陣的特征值和特征向量。根據特征向量法AW=λmaxW可以求出該矩陣的最大特征值為6.018 4，該矩陣的特征權向量為W=（0.215 8， 0.203 0， 0.071 9， 0.215 8， 0.215 8）。

3）根據CI=（λmax-n）/（n-1），計算一致性指標。其中λmax為矩陣的最大特征根，n為矩陣階數，這里最大特征值為6.018 4，矩陣階數為6，可以算出CI=0.003 7。

4）利用公式CR=CI/RI，計算一致性比例，進行一致性檢驗。其中CI為（3）中的一致性指標，RI為平均隨機一致性指標，當n=6時，RI=1.24，因此可以算出CR=0.003＜0.1，表明比較判斷矩陣（表3）的設計通過了一致性檢驗，無須修正。

上面的整個計算過程可以采用MATLAB編程軟件進行編程實現，圖2給出了評價指標的計算程序。同理，針對準則層的各個指標，在方案層繼續采用上面的方法，可以求出每個方案指標的權重，因此計算思維測評模型構建完成。

2.5? 計算思維測評與應用

利用湖北文理學院物聯網工程1911班8門核心專業課的期末綜合評價成績（包含平時作業、實驗成績、項目成績、期末考試成績等）來驗證所建計算思維測評模型的效果。通過模型測評，可以得到全班的平均計算思維水平和某學生的計算思維水平，利用Origin畫圖軟件畫出雷達圖，如圖3所示。從中可以看出全班的平均抽象建模能力為0.67，平均算法設計能力為0.71，平均問題識別與分解能力為0.61，平均自動化能力為0.63，平均概括遷移能力為0.63，平均合作關系能力為0.65，因此可以得到全班計算思維能力為0.682。將計算思維分為三個等級：小于0.6為不合格，介于0.6和0.8之間為合格，大于0.8為優秀。

班級和專業的計算思維測評數據可在一定程度上反映學生整體的計算思維水平，可以輔助教師進行課程教學的反思和改進，教師可以依據測評數據分析學生的學習風格和學習能力，調整課堂教學設計和教學策略，開展差異化教學，持續優化教學方案，不斷提高教學質量。學生的計算思維能力數據刻畫了學生專業學習后的思維發展情況，有助于學生進行自我反思，深挖自身潛力，促進學生深層次的認知與自我評價，提升學生的計算思維能力。

3? 結? 論

新時代高等教育評價應該加快推進高等教育評價技術和方法的研究，不斷完善基于多元主體的高等教育評價體系。本論文利用層次法分析框架，設計了地方高校計算機類學生的計算思維測評模型，呈現了學生學完8門核心專業課后的計算思維水平，豐富了地方高校應用型人才培養的評價體系，具有一定的借鑒和參考價值。計算思維作為計算機科學領域最具有基礎性和長期性的思想，需要更多的計算機專業教師在課程教學中開展以培養學生計算思維為目標的課程教學改革，不斷進行計算思維相關理論的研究和應用探索，共同推進我國計算思維教育的長遠發展。

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作者簡介：康長青（1979—），男，漢族，湖北襄陽人，副教授，博士，主要研究方向：程序設計課程教育、計算機視覺；通訊作者：胡春陽（1975—），男，漢族，湖北襄陽人，副教授，博士，主要研究方向：大數據處理和云計算。