高中信息技術課程算法思維評價模型探究

鞏昕 張聰品 王藝 葉思齊

摘? ? ? 要?計算思維的提出有助于培養學生從計算機視角解決問題的思維能力，但在實際落地時存在教學資源匱乏、評價難以開展等問題。《普通高中信息技術課程標準》中明確計算思維的核心是算法思維，通過深入研究課標中廣義算法思維和計算思維的定義和能力構成，提煉出狹義算法思維的概念，將其作為發展高一學生信息技術核心素養的首要思維能力和評價對象。依據SOLO分類理論探究算法思維的層次水平，提取高中課程中算法部分的評價要素，確定以評價要素為內容區分，融合知識技能、能力表現、思維過程和情感態度的評價方式，構建出高中生算法思維的評價模型，從而促進高中生信息技術核心素養的發展。

關 鍵 詞 算法思維? 計算思維? SOLO分類理論? 高中信息技術

引用格式 鞏昕，張聰品，王藝，等.高中信息技術課程算法思維評價模型探究[J].教學與管理，2023（24）：104-108.

《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課標》）明確了信息技術學科的核心素養包括計算思維等四個方面，并依據學生發展規律，明確培養高中生計算思維的核心與基礎是發展其算法思維。根據《課標》中“評價是信息技術教學的有機組成部分”。本文結合高中信息技術課程開展現狀，創造多元化的評價環境，在實踐探究中構建了一個完整的、切合高中生的算法思維評價模型。該模型能夠幫助學生從思維層面明確自己的不足和努力方向，更好地發揮評價的導向作用，從而促進高中信息技術課程的教學，提升高中生的算法思維水平。

一、算法思維的概念界定

根據“算法”概念的演變定義了廣義的算法思維和狹義的算法思維，同時結合河南省信息技術學科教學的發展現狀明確了評價對象——狹義的算法思維，并對其進行定義和分解。

1.廣義的算法思維

“Algorithm”一詞來源于數學家花剌子模，代指阿拉伯數字的數學運算規則。在計算機出現后，“算法”一詞被賦予了新的意義，通常指使用計算機來解決某一類問題的明確、可行且有限的程序或步驟。計算機科學家戴維·哈雷爾將算法定義為一個抽象的“菜譜”，人或者計算機都能夠執行其規定的程序步驟。例如當按照菜譜做菜時，菜譜上的所有步驟就是一個算法；按照說明書拼砌樂高時，說明書上的所有圖例也是一個算法。由此可見，算法不僅限于數學和計算機領域，算法思維也成為人類在尋求解決問題途徑的過程中產生的思維活動，即廣義算法思維。它是一種以解決問題為底層支撐，將人腦作為數據存儲和計算核心的思維方式，具有以機械化方式進行計算的特征，其能力構成如圖1所示。

圖1中各內容的解釋如下：問題分析，即剖析問題的組成要素及各要素間的關系，從整體上把握問題的結構的能力；問題抽象，即從復雜的信息中剝離出問題本質的能力；問題的分解，即將一個問題分解成若干相對簡單的問題；問題變換，即將一個問題轉換為另一個等價問題的能力；算法制定，即根據問題分析的結果制定解決步驟的能力；算法應用，即具體執行算法解決問題的能力；算法優化，即在執行過程中根據具體情況對算法進行改進和完善的能力；算法遷移，即將解決一個問題的方法用于解決其他同類問題的能力。

2.狹義的算法思維

“計算思維”一詞最早由周以真教授在2006年提出，計算思維作為信息技術學科的核心素養之一，一直受到學界的重視。《課標》將計算思維定義為：個體運用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動。經濟合作與發展組織（OECD）指出，計算思維的核心要素主要包括抽象、算法思維、自動化、分解、調試、概括等[1]；國際教育技術協會（ISTE）也將計算思維劃分為創造力、算法思維、批判性思維、問題解決、合作及交流技能五種技能[2]；《課標》在發展計算思維的目標中提出，要讓學生了解算法在解決問題過程中的作用，領會算法的價值，學會使用簡單算法，利用計算機實現問題的自動化求解。由此可見，算法思維從屬于計算思維，是計算思維的重要組成部分。《課標》中提到的算法思維即狹義的算法思維，學生只有掌握了狹義算法思維才具備以計算機視角解決問題的能力，從而在解決問題的過程中理解以圖靈機為底層支撐的信息處理方式[3]，形成使用計算機科學領域的思想方法界定問題、分析問題的能力，更好地發展計算思維。因此，本文將計算思維的核心要素——狹義算法思維作為評價對象構建評價模型，旨在引導學生在利用計算機解決問題的過程中掌握計算機的工作原理，推動高中生信息技術核心素養評價體系的發展建設。

（1）狹義算法思維定義

國內外關于算法思維已有頗多研究。祝智庭教授認為算法思維是人與機器共同擁有的解決問題的一種思維形式[4]；Hsu將算法思維定義為構建新算法以解決給定問題的能力[5]；Wong認為算法思維是計算思維的重要子技能之一，與個人制定抽象概念的能力密切相關[6]；Fanchamps認為算法思維是計算思維和自我效能的一部分[7]。

參考國內外研究，結合以學生發展為本的評價觀，定義了狹義的算法思維，簡稱為“算法思維”，即個體以計算機視角，通過清晰界定步驟和順序，獲得問題解決方案的思維方式。算法思維弱化了廣義的算法思維中對問題進行分析、抽象和分解的部分，強化了計算思維中對自動化的要求，更加注重算法的制定、應用、優化和遷移過程。

（2）算法思維能力構成

構建高中生算法思維評價模型時，需要對算法思維進行能力劃分。參考廣義算法思維能力的構成，結合《課標》將對問題分析、抽象、分解和變換的能力剝離，并在“應用”中賦予自動化的表述，算法思維的能力構成分為四個部分：制定、應用、優化、遷移。如圖2所示，這些能力不僅構成了算法思維，更是信息技術學科核心素養中計算思維的重要能力組成。

算法的制定能力即根據具體問題以計算機視角構建算法的能力，包括對已有算法的改進和制定新算法兩個部分；算法的應用能力主要為算法的自動化能力，即將構建的算法在計算機上運行的能力；算法的優化能力包括對算法時間效率和空間效率的優化，也包括對其可讀性、魯棒性的優化；算法的遷移能力即將某一個問題的算法應用到其他同類問題中的能力。

二、算法思維評價的理論基礎

在確定了算法思維的定義和能力構成后，需要對其進行合理的評價。“可觀察的學習成果結構”即SOLO，是個體在實際回答某個具體問題時表現出來的思維結構，被描述為個體更概括化的思維過程。因此，國內學者主要進行了SOLO分類理論在信息技術教學中的應用研究。學者馬瑋瓊根據SOLO分類理論對八年級信息技術的課程目標進行分層，分別設計教學任務，結合課堂觀察和作品評價等對學生的能力水平進行分類，構建了一個教學目標體系[8]；學者孔慧結合SOLO分類理論分析了全國青少年軟件編程等級考試的試題，提取評價要素并對試題進行水平劃分，制定了相應的評價標準[9]；學者徐晨將SOLO分類理論應用到中學生Python編程的評價中，根據《課標》提取知識要素，按照SOLO分類理論進行層次劃分，構建出一套結合課堂提問、試題評價和作品評價的評價體系[10]。上述研究表明，在信息技術課程中結合SOLO分類理論對學生進行評價具有可行性和有效性。

對高中生來說，在信息技術測試中處理相關問題時，“問題”是新輸入的信息，“算法”是在學習和生活中形成的認知結構，不同學生在面對相同問題時，即使給出的結果相同，其解決問題的思維過程也不盡相同。傳統的評價方式注重對結果的評價而忽略了思維過程的個體差異，通過一道試題將學生進行二元分化的效率高但效果較差，不能精準反映學生的思維水平，不利于學生核心素養發展。

根據SOLO分類理論將算法思維按照能力、思維操作、一致性與收斂性分為五個層次水平，同時標明了對應的算法思維能力。其中，能力指高中生在面對具體問題時對問題中素材和線索的注意廣度和深度；思維操作指學生將問題線索和回答聯系起來的方式，包括單線、歸納、演繹等；一致性指學生的回答與問題素材、線索的一致性以及學生回答中不同論點的一致性；收斂性指學生迅速得出答案的能力，如在前結構中，學生立刻回答“不會”即表現出高度的收斂性。為了更清楚地說明學生回答表現，以冒泡排序的算法設計為例對學生可能出現的回答表現進行說明，并將劃分結果與教學經驗豐富的中學信息技術教師進行訪談，經修改后最終結果見表1。

三、基于新課標構建高中生算法思維評價模型

新一輪課改將我國基礎教育的總目標落實到“學生發展核心素養”，根據《課標》可知，計算思維是高中信息技術課程的核心素養。通過對高中信息技術課程的調研發現，由于升學壓力等客觀原因，學校在信息技術課程上投入的資源相對較少，加之部分學校的信息技術教師身兼輿情管理、學校公眾平臺運營等任務，導致教師在信息技術課堂上以指導學生操作為主，在計算思維培養方面發揮的作用有限，造成已有的計算思維評價模型難以落地的局面。因此，為了解決在有限的時間和資源條件下提高學生計算思維的教學困境，將計算思維的核心——算法思維作為評價對象，構建評價模型。

1.根據課標提取評價要素

根據河南省某中學的教學用書，選取廣東教育出版社高中信息技術必修一《數據與計算》中算法相關章節的知識點進行提取，得到了基本概念、編程基礎、控制結構和綜合執行四個評價要素，分別確定其考查方式和學生能夠達到的最高結構水平（見表2）。

基本概念主要評價學生對算法基礎知識和基本定義的掌握情況，以考察學生記憶能力為主，在回答問題時不需要對知識進行加工，沒有多余的思維活動，因此最高為單點結構水平。編程基礎主要評價學生對python程序設計中各個對象的定義及使用規則的掌握情況，綜合考察了學生的記憶和理解能力，在回答問題時需要將多個孤立的線索和素材相聯系，因此最高為多點結構。控制結構主要評價學生對順序、選擇、循環三種控制結構的掌握情況，考察學生使用不同控制結構解決簡單良構問題的能力。綜合應用主要評價學生對三種控制結構的綜合掌握情況，考查學生綜合使用控制結構解決復雜良構問題的能力，不僅需要制定正確的算法，還應具備一定的算法遷移能力，因此最高為抽象拓展結構水平。

2.根據評價要素制定良構問題

計算思維指運用計算機科學領域的思想方法形成解決問題方案的過程中所包含的一系列思維活動，它包括抽象、算法思維、自動化、分解、調試、概括，其中算法思維主要包括算法的制定、應用、優化、遷移。因此，對計算思維和算法思維進行評價時，區別主要在問題的抽象和分解兩個方面。

評價學生的計算思維時，需要學生能夠采用計算機可以處理的方式界定問題，提取問題的抽象特征并建立模型、組織數據。高中生計算思維的評價模型需要從劣構問題入手，即在制定問題時以項目式題目為主，不需要明確給出問題的條件，只需對部分條件加以限定。在解決劣構問題時，學生首先要對問題進行全面分析、抽象、分解和變換，收集組織相關數據，同時可以選擇更多的解決方法和途徑，最終獲得一定范圍內的解。

評價學生的算法思維時，可以忽略對問題處理的考察，將重點放在算法相關的部分，從而突出算法思維。針對高中生算法思維的評價可以從良構問題入手，即在制定問題時簡化、明確問題的條件，確保學生面對的是已經抽象、易于分析和分解的問題，并且能夠在限定時間和步驟內用流程圖、偽代碼、代碼等多種方式得到問題同一解[11，12]。

3.基于SOLO分類理論構建算法思維評價模型

SOLO分類理論已廣泛應用于為確定復雜的學習過程層次提供通用框架，然而，SOLO分類理論也存在自身的局限性，即評價結果容易受到學生的情緒干擾和動機影響，因此，通過了解學生在成就動機、學習興趣、自我效能感和學習態度等方面的表現，判斷學生在評價中所發揮的認知功效。算法思維評價模型如圖3所示。首先，依據SOLO分類理論對算法思維的層次水平進行劃分；其次，結合《課標》要求從教材中提取出算法思維相關的評價要素；然后，以評價要素為內容、以算法思維層次水平為評價標準制定良構問題，通過過程性和終結性評價相結合的方式對學生的算法思維進行評價；最后，從成就動機、學習興趣、自我效能感和學習態度四個方面收集學生的信息，對算法思維的評價結果進行調整。

四、高中生算法思維評價模型的實施

《課標》在評價建議部分指出，要強化過程性評價，完善終結性評價，在考察學生知識與技能掌握情況的同時，注重分析學生能力表現、思維過程和情感態度的發展狀況。

1.高中生算法思維的評價方式

在傳統的教學評價中，過程性評價往往從課堂內容入手考察學生對基本知識和基礎技能的掌握情況，終結性評價主要從階段學習內容入手側重考察學生的能力水平，兩者的評價標準不盡相同，缺乏整體統一的評價對象。以評價要素為內容區分過程性評價與終結性評價，將算法思維作為評價對象將兩者結合起來，在《課標》算法思維層次水平的指導下編制統一的評價標準，將學生的知識技能、能力表現、思維過程和情感態度貫穿于整個評價過程，構建以學生為中心圍繞核心素養的評價方式。算法思維的具體評價方式，如圖4所示。

過程性評價以隨堂測驗為主，方法以課堂問答、選擇、填空為主，主要考察學生對基本概念和編程基礎的掌握程度，即評價學生算法思維的前結構、單點結構和多點結構水平。

終結性評價以算法設計為主，線上考試使用python語言編程，紙筆測試使用流程圖、偽代碼等回答問題，主要考察學生對控制結構和綜合執行的掌握程度，即評價學生算法思維的多點結構、關聯結構和抽象拓展結構水平。

調查問卷和訪談作為補充，在過程性評價中插入設計好的自評量表，讓學生對自己的成就動機、學習興趣、自我效能感進行評價。在終結性評價后由教師從每個層次水平中抽取6名學生進行焦點小組訪談，了解學生在學習和測試中的態度，記錄和分析學生在學習興趣和自我效能感的變化。

2.分析評價結果制定學生核心素養發展策略

算法思維評價模型將學生分為五個層次后，需要對不同層次的學生給予不同的指導策略，以期提升高中生的信息技術學科核心素養。

對于前結構和單點結構的學生，教師要激發其對于算法的學習興趣，以典型題目為例引導學生厘清問題的素材和線索，提高學生的自我效能感；對于多點結構的學生，教師需要將重點放在學生的成就動機上，提高學生對已經識別的要點的融合能力；對于關聯結構的學生，教師可以通過設置同要素不同情景的任務幫助學生進行反證，從而幫助其對結果進行完善；對于抽象拓展結構的學生，教師則可以為其提供更高階段的算法要求，鼓勵學生建立更加豐富的任務模型。

教育評價的內容決定著學生的發展方向，作為信息技術發展的核心思維和計算思維最重要的組成部分，對算法思維評價的研究有助于培養高中生以計算機視角解決問題的思維方式，發展信息技術核心素養。結合《課標》要求，依據SOLO分類理論構建的高中生算法思維評價模型，能夠幫助教師在有限的資源條件下制定更精準的評價標準，使用更合理的評價方法全面評價學生的算法思維層次水平，進而給予相應的教學指導，幫助學生更好地理解計算機的底層工作原理，形成以計算機視角認知世界的思維習慣，提高利用信息技術思維方式解決實際問題的能力，從而為國家培養所需人才。

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[作者：鞏昕（1996-），男，河南洛陽人，河南師范大學計算機與信息工程學院，碩士生；張聰品（1968-），女，河北衡水人，河南師范大學計算機與信息工程學院，教授，碩士生導師；王藝（1998-），女，河南太康人，河南師范大學計算機與信息工程學院，碩士生；葉思齊（1999-），女，河南虞城人，河南師范大學計算機與信息工程學院，碩士生。]

【責任編輯? 郭振玲】