學習進階理論視域下的小學生計算思維測評框架

【摘 要】有效的測評是科學、有序地推進小學階段計算思維教育的必備條件。基于學習進階理論，依據(jù)結構中心設計法，構建小學生計算思維測評框架。測評框架包含進階變量、成就水平和學習表現(xiàn)，其中進階變量分為計算概念、計算實踐和計算觀念，成就水平從低到高依次為識別、理解、設計和問題解決。測評框架開發(fā)與使用促進了學生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

【關鍵詞】計算思維；學習進階；測評框架；小學生

【中圖分類號】G434 ?【文獻標志碼】A ?【文章編號】1005-6009（2023）26-0068-05

【作者簡介】鄧志賢，甘肅省武山縣城關鎮(zhèn)上街子小學（甘肅武山，741300）教師，一級教師。

信息技術的快速發(fā)展重塑了人們溝通交流的時空觀念，改變了人們的思維方式。當前，計算思維作為信息化社會中數(shù)字公民所應具備的基本素養(yǎng)，備受重視。［1］115我國《普通高中信息技術課程標準（2017版）》已明確將計算思維列為信息技術學科的核心素養(yǎng)之一。小學是我國義務教育的起始階段，從小學階段開始實施計算思維教育，對提升學生數(shù)字公民素養(yǎng)、推動社會信息化發(fā)展具有重要價值，而科學、有序地推進計算思維教育發(fā)展的重要依據(jù)在于對學生學習過程和結果開展有效的測評。傳統(tǒng)測評框架在構建方法和組成要素上強調(diào)了依據(jù)學科知識邏輯確立維度和指標，對學生真實的思維發(fā)展過程重視不夠。基于學習進階理論構建的測評框架不僅能對學生所學知識和技能的掌握程度進行有效的“測”，還能對其計算思維能力水平進行精準的“評”，對我國小學生計算思維測評具有重要的借鑒意義。

一、相關概念與理論基礎

1.計算思維

計算思維并不是一個新的概念，早在1980年，西蒙·派珀特首次使用了計算思維一詞，其指代算法思維和程序思維，強調(diào)思維的邏輯性，并提出應用計算機可提高思維能力、改變知識建構的模式。盡管早期計算思維的相關研究已萌芽，但是直到2006年，周以真教授發(fā)表了題為《計算思維》的文章，計算思維才正式作為一個研究對象受到人們的重視。周以真教授認為，計算思維是利用計算機科學的基礎概念解決問題、設計系統(tǒng)和理解人類行為的思維過程和方法，其本質是抽象的。雖然該定義較為經(jīng)典，但其權威性并未得到業(yè)界的一致認可，尤其是計算思維的本質、內(nèi)涵及外延等都不是很明確。因此，眾多研究者又從不同角度提出了計算思維的定義，但都并未形成共識，存在“活動及方法說”“系統(tǒng)說”“過程說”和“問題解決說”等界定。［1］116-117布倫南等人基于對Scratch編程實踐的研究提出了計算思維三維框架——計算概念、計算實踐和計算觀念。由于該框架具備較強的可操作性和通用性，被廣泛地應用于計算思維的研究和測評中。

2.學習進階

學習進階這一術語是美國國家研究理事會在2005年K-12年級科學成就測驗政府工作報告中提出的。報告將學習進階界定為“對學生在一定時間跨度內(nèi)學習和探究某一主題時依次進階、逐級深化的思維方式的描述”。構建學習進階的本質是針對科學大概念，通過實證測量以確定學習者的認知發(fā)展路徑。學習進階一般包含5個組成要素：學習目標、進階變量、成就水平、學習表現(xiàn)和評估工具。學習目標是學生達到一個階段進階終點時的表現(xiàn)；進階變量是指核心概念以及基于核心概念的關鍵實踐；成就水平是思維發(fā)展過程中的多個中間層級；學習表現(xiàn)是處于不同發(fā)展層級的學生完成相應任務時的表現(xiàn)；評估工具是指一套基于假設模型的測量學生發(fā)展的工具。學習進階的開發(fā)一般采用結構中心設計法。［2］結構中心設計法的“結構”是指學生的心理構造，通過它來建構學生的認知要素及發(fā)展模型，即結構必須闡述需從哪些方面刻畫學生學習的心理狀態(tài)，這些方面隨著時間的發(fā)展分為哪幾個關鍵的進階層級。結構中心設計法包含5個步驟：明確目標、展開描述、提出進階、收集數(shù)據(jù)和分析結論。結構中心設計法能詳細說明如何對結構進行拆解，如何確定預期的學習進階，并在這個過程中注重利用已有研究成果以及提供教學策略。

3.SOLO分類理論

SOLO分類理論是約翰·B.彼格斯等人在皮亞杰認知發(fā)展階段理論的基礎上提出的一種高階思維能力形成過程的層級框架。彼格斯認為，一個人回答某個問題時所表現(xiàn)出的思維結構是可以檢測的，并稱之為“可觀察的學習成果結構”。據(jù)此，彼格斯將學生回答問題時的思維結構分為5個層次，分別為前結構、單點結構、多點結構、關聯(lián)結構以及抽象擴展結構。［3］前結構是指學生對問題的理解處于感知階段，依靠感覺經(jīng)驗回答問題；單點結構是指學生能根據(jù)單個問題線索給出解決問題的思路；多點結構是指學生能根據(jù)多個問題線索給出解決問題的思路，但是線索之間是孤立的，沒有聯(lián)系的；關聯(lián)結構是指學生不僅能根據(jù)多個問題線索給出解決問題的思路，還能對多個問題線索進行歸納總結；抽象擴展結構是指學生能將問題線索進行概括，并綜合應用系統(tǒng)化、抽象化的理論分析解決問題。從前結構到單點結構，再到多點結構，是思維結構量變的過程；從多點結構到關聯(lián)結構，再到抽象擴展結構，是思維結構質變的過程。SOLO分類理論對學生思維發(fā)展和學習表現(xiàn)之間的關系進行了深入的闡釋，由此成為學習進階開發(fā)的重要理論基礎。

二、小學生計算思維測評框架構建

學習進階理論為當前我國小學生計算思維測評框架構建提供了方法和內(nèi)容上的參考。研究依據(jù)結構中心設計法，遵循“理論預設—驗證分析—修改完善”的基本思路，通過“進階要素的確定—進階變量的提取—成就水平的劃分—學習表現(xiàn)的描述—專家和教師驗證”5個步驟構建小學生計算思維測評框架。

1.進階要素的確定

學習進階的5個要素中，學習目標也是進階終點，與最高階的成就水平具有內(nèi)在的一致性，在本研究中并不作為單獨的進階要素；成就水平需要基于學習進階開發(fā)具體的學習進階測評工具，是對學習進階的驗證和操作化實施，將會在示例部分進行闡釋，在本研究中也不作為單獨的進階要素。依據(jù)研究問題和研究目的，最終確定3個進階要素用于構建測評框架：進階變量、成就水平和學習表現(xiàn)。

2.進階變量的提取

進階變量的提取過程是確定測評框架的維度和指標的過程，其經(jīng)歷了以下4個步驟：一是依據(jù)布倫南等人提出的計算思維三維框架確定3個進階變量——計算概念、計算實踐和計算觀念，即測評維度；二是結合美國計算機科學教師協(xié)會等機構發(fā)布的計算思維概念框架和我國2017年頒布的高中信息技術課程標準，以及部分已有實證研究的成果，確定組成各進階變量的核心要素，即測評指標；三是對各個核心要素內(nèi)涵進行理論分析，刪除或合并內(nèi)涵重疊的要素，完善進階變量；四是對進階變量及其核心要素進行歸類整理，并描述解釋，確立進階變量。核心要素是對各個進階變量的進一步細化和描述，旨在為各個進階變量在不同成就水平上的學習表現(xiàn)描述提供依據(jù)。

在進階變量與核心要素提取的過程中，本研究依據(jù)以下4個標準對相關概念進行了刪選：一是概念本身過于泛化，不夠明確，不具備計算思維的顯著特征，如邏輯思維、系統(tǒng)思維等；二是概念并不是計算思維過程的一部分，只是應用計算思維進行問題解決的結果或特征，如模塊化等；三是概念所代表的實踐可被其他實踐代替，不具備獨立性，如遞增與迭代、評估等；四是概念超出小學生認知發(fā)展水平，盡管能被學生簡單了解，但不能作為計算思維測評的內(nèi)容，如系統(tǒng)以及理解復雜系統(tǒng)。最終確立了進階變量與核心要素（如表1所示）。

[進階變量 核心要素 解釋 計算概念 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)操作，變量、常量、運算符 算法與

程序 為解決問題或實現(xiàn)目標而采取的一系列有序步驟 計算實踐 問題分解 將一個問題或任務分解成更小的部分，以實現(xiàn)更容易或更好的解決方案 抽象與

建模 減少復雜性，定義主要特征，開發(fā)現(xiàn)實世界問題、系統(tǒng)或情景的表示的過程 復用與

合成 利用他人已有的作品進行再創(chuàng)作 測試與

調(diào)試 查找并糾正程序中的錯誤，優(yōu)化程序運行效率 計算觀念 聯(lián)系 借助交流促進自身的實踐 表達與

質疑 反思自身和他人的設計過程或作品，并表達自己的想法 用戶交互 設計以用戶為中心 ][表1 進階變量及其核心要素的解釋]

3.成就水平的劃分

成就水平描述了學生在某一概念或實踐上的思維發(fā)展階段，也就是學習進階中不同的“階”。維爾納等人將計算思維發(fā)展水平劃分為理解、設計和問題解決3個層次，依據(jù)SOLO分類理論，其分別對應多點結構、關聯(lián)結構和抽象擴展結構。維爾納強調(diào)的是利用編程解決問題能力的階段劃分，因此對于前結構和單點結構層次并未做詳細闡釋。學生在達到理解水平之前，還需經(jīng)歷對編程的特征認識階段，也就是SOLO分類理論中的單點結構。另外，前結構層次描述了學生面對問題情景時的初始狀態(tài)，考慮到學生的個體差異和測評的可操作性，前結構水平并不作為單一成就水平層次進行劃分。因此，最終確定小學生計算思維成就水平包括“識別”“理解”“設計”“問題解決”4個層次（如圖1所示）。

水平1“識別”是指認識程序與編程，能操作程序單個指令。處于這一水平的學生能認識程序的基本結構和編程的過程，并對編程的指令模塊進行單獨操作，但還不能描述程序的執(zhí)行過程，也不能理解一個完整的程序。水平2“理解”是指理解程序并能對單個程序指令進行簡單改動。處于這一水平的學生能通過學習概念和簡單編程案例，描述程序的執(zhí)行流程并預測簡單程序的結果，對單個指令能進行改動，但還不能獨立設計程序。水平3“設計”是指能從模式集合中構建程序，并使用過程技巧解決問題。處于這一水平的學生能對多個案例程序進行模仿，并能改變其屬性值或參數(shù)，得到不同的結果，但是不能編程解決新的問題。水平4“問題解決”是指學習可轉移的問題解決技能，并在新的和不同的問題情境中使用。處于這一水平的學生能從學習的特定編程案例中總結出一般的編程模式和技巧，使之系統(tǒng)化，并能創(chuàng)造性地解決問題。

4.學習表現(xiàn)的描述

Scratch編程工具在小學階段的計算思維相關課程中使用較為普遍，而已有關于計算思維測評的實證研究也多采用Scratch作為測評環(huán)境，評估學生的計算思維發(fā)展水平。因此，本研究采用Scratch工具作為計算思維能力外顯的實踐環(huán)境，描述學生的學習表現(xiàn)。研究從Scratch在線社區(qū)中挑選了不同階段的小學生作品，以及從我國實施計算思維教育的小學校收集的大量Scratch作品案例，重點對不同階段學生的編程設計模式、使用編碼塊類型、代碼復雜程度等進行對比分析，最終確定學習表現(xiàn)的描述內(nèi)容，初步構建了小學生計算思維測評框架。

5.專家和教師驗證

本研究通過訪談收集專家和一線教師對測評框架的意見和建議，修改并完善框架。依據(jù)研究目的和研究問題，訪談選取的對象包括國內(nèi)高校從事計算思維教育研究的專家4名，以及從事小學計算思維教育的一線教師5名。訪談內(nèi)容圍繞“進階變量與核心要素的確定、成就水平的劃分、學習表現(xiàn)的描述”3個方面展開。依據(jù)專家和教師訪談結果，研究對測評框架進行了如下修改：一是一線教師普遍表示，計算觀念中的部分“用戶交互”在小學各階段中的表現(xiàn)并不明顯，不適合作為小學生計算思維測評內(nèi)容，因此刪除了“用戶交互”指標；二是以“問題解決過程的表示”為核心進一步明確了“抽象和建模”指標的學習表現(xiàn)描述；三是以“問題解決過程解釋”為核心進一步明確了“算法與程序”指標的學習表現(xiàn)描述。另外，依據(jù)訪談結果，對測評框架中學習表現(xiàn)的描述也進行了修改和完善，最終確立了基于學習進階的小學生計算思維測評框架（如表2所示）。

有效的測評是科學推進計算思維教育的重要基礎。本研究依據(jù)學習進階理論，基于計算思維三維框架，構建小學生計算思維測評框架，開發(fā)測評試題示例，分析了測評的方法和實施過程。與傳統(tǒng)的測評框架相比，基于學習進階構建的測評框架更重視學生在不同維度和指標上的學習表現(xiàn)和思維發(fā)展過程，測評的目的定位為以促進學生發(fā)展為核心的形成性評價，而非總結性評價。基于本研究，未來的研究重點將聚焦在從認知科學的視角探究計算思維的思維本質和能力結構，驗證測評框架在理論上的科學性；基于心理測量學理論開發(fā)計算思維測評工具，實施大規(guī)模測評，驗證測評框架在實踐中的有效性。

【參考文獻】

［1］張立國，王國華.計算思維：信息技術學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的核心議題［J］.電化教育研究，2018（5）：115-121.

［2］王磊，黃鳴春.科學教育的新興研究領域：學習進階研究［J］.課程·教材·教法，2014（1）：112-118.

［3］約翰·B.彼格斯，凱文·F.科利斯.學習質量評價：SOLO分類理論［M］.高凌飚，張洪巖，譯.北京：人民教育出版社，2010.