基于課程標準的初中生計算思維現狀研究

摘要：隨著《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》的頒布與教學實踐的推進，中小學生的計算思維的發展越來越受重視。本研究團隊基于信息科技課程標準開發了初中生計算思維評價工具，并選取部分地區的初中生進行計算思維發展現狀調查，結果表明，不同年級的學生的計算思維水平存在顯著差異，且計算思維“模型化”水平發展較高、自動化和系統化水平偏低。因而說明，目前中小學的信息科技課程對計算思維發展具有正向作用，但是不同模塊的教學存在偏差，需要調整。

關鍵詞：課程標準；計算思維；中學生；發展現狀

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）14-0027-05

引言

西蒙·派珀特教授（Seymour Papert）于1996年首次提出計算思維概念，但被廣泛接受的是周以真教授（Jeannette M.Wing）2006年在Communications of the ACM雜志上對計算思維（Computational Thinking）的界定：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計，以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。[1]在我國，隨著基礎教育改革和教育數字化轉型的推進，計算思維發展已經成為中小學教育的重要內容，成為個體在復雜的技術文化中獲得成功應具備的基本技能。[2]在《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）中，信息科技課程的四大核心素養被明確界定為信息意識、計算思維、數字化學習與創新以及信息社會責任。特別值得一提的是，新課標將計算思維這一關鍵能力從高中階段下放至中小學階段，此舉旨在為學生打下堅實的計算思維基礎。同時，新課標也清晰地界定了高中與義務教育學段在計算思維發展上的不同要求，確保教育內容的連貫性和針對性。

初中階段對計算思維的著力培養是學生計算思維水平發展的必要積累，旨在為學生后續進入高中階段深入學習程序設計和算法打下堅實的基礎。及時了解初中生計算思維發展現狀，發現存在的問題，可以針對性地解決教學實踐中的問題，促進學生計算思維發展，同時有利于信息科技課程教學改革發展與教育數字化轉型。因此，本研究在團隊合作的基礎上展開了針對部分地區的初中生計算思維發展現狀調查，并通過數據分析發現問題，給出了信息科技課程教學改革建議。

研究方法和工具

1.要素界定

計算思維屬于思維范疇，其抽象性使得其定義并不具備直接的操作性。不論是其最初的概念，還是周以真提出的定義，都未能提供教學中可直接運用的具體指導。然而，在計算思維的構成上，學者們提出了諸多見解。任友群教授指出，計算思維是一種獨特的解題思路，有助于深入剖析復雜問題，進而構建出具有形式化、模塊化、自動化和系統化特征的解決方案。[3]在《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》中，同樣看到了計算思維在問題解決中表現為形式化、模型化、自動化和系統化。[4]而新課標則進一步細化了這一過程，強調了在問題解決中的抽象、分解、建模和算法設計等思維活動。[5]陳興冶的學習設計模型提供了一個更為具體的框架，將問題解決過程劃分為模塊化、形式化、模型化、自動化和系統化等階段[6]……這些觀點和課程標準在很大程度上是重合一致的。

由于初中階段在計算思維培養中起著橋梁作用，需要注重與高中課程標準的對接，因此，為了確保信息科技課程與信息技術課程在計算思維培養上的連貫性和系統性，筆者采用了陳興冶對計算思維過程的分析，將計算思維的要素分解為模塊化、形式化、模型化、自動化和系統化。

2.研究方法

本研究采用問卷調查作為主要的研究方法。問卷調查法，又稱問卷法，是一種系統性的調查手段，它主要是通過研究者精心設計的問卷，向特定的調查對象收集信息或征詢意見。此方法的核心在于以書面的形式提出問題，從而有效地收集和分析所需的研究資料。

3.研究工具

本研究采用了研究團隊所開發的基于課程標準的初中生計算思維測評工具。該測評工具依據課程標準及本研究對計算思維要素的劃分，確定了模塊化、形式化、模型化、自動化和系統化5個一級指標，然后依據課程標準對計算思維的學業質量描述，進一步分析提煉出11個二級指標，并在此基礎上，依據課程標準的內容描述以及初中生自身的認知水平與解決問題能力，對每個二級指標的內容進行說明，進一步確定了22個測評標準，最終經專家審議形成完善的計算思維測評指標體系，具備一定的可測性和科學性。

測評工具以測評指標為依據，以初中生的相關學科經驗、課程經驗和問題解決能力經驗為支撐，設計了面向七、八年級的兩套測試，每套測試題有15道題目，對應的每個一級指標下各有3道題目，其中題目按照能夠達到初中生能力25%、50%、75%的難度層級設計為易中難各一道，并且由高到低賦予了4個分數，統計分析后以此來反映學生的計算思維水平。

4.試測

研究團隊選取某中學七年級一班和八年級一班（共75名學生）進行評價工具的試測。試測的評價工具共15道題目，設置35分鐘內提交，最終回收64份問卷。試測結果顯示，大部分學生在規定時間內完成并提交測試題，說明題量的設置較為科學。

（1）信度分析

對測評工具信度進行分析，來驗證測驗結果的可靠性和穩定性。使用克隆巴赫α值來驗證可靠性，它的具體數值范圍和對應的測評結果為：在0.9以上則信度極好，介于0.8至0.9之間則信度較好，不用刪減任何題目，介于0.7至0.8之間則可以接受，0.7以下，則該測評工具不能被接受。在本研究中計算思維評價工具的項數為15，克隆巴赫α值為0.815，說明該測試卷的信度較好。

（2）效度分析

結構效度反映的是實驗能否真正測量出所構建的理論，在本研究中用以說明各題項設置是否合理，通過驗證因子分析，來對測試題目進行檢驗。通過檢測，KMO值是0.627，超過了0.5，且顯著性為0.000，小于0.05，說明數據適合進行因子分析。

初中生計算思維發展現狀分析

1.調研對象基本情況

本次研究調查集中向3個地區的七、八年級的學生發放問卷，其中七年級回收152份問卷，八年級回收155份問卷。學生具體分布如下頁表1所示。

通過分析表1可以得出，A地區共196人，占比63.84%，B地區共100人，占比32.57%，C地區共5人，占比1.64%，其他地區共6人，占比1.95%，所以有超過一半的學生來自A地區。男生共147人，占比47.9%，女生共160人，占比52.1%，不論是七年級還是八年級回收的問卷，女生的比例均要比男生高。

2.初中生計算思維發展現狀及影響因素分析

（1）初中生計算思維發展現狀分析

研究對象測試得分的總體平均分為15.66分，滿分為20分，表明初中生計算思維總體發展水平較為優秀，說明初中生在計算思維方面已經具備了一定的基礎和能力。此外，本研究對研究對象從五個指標維度進行差異性分析，結果如表2所示。

通過表2可以看出，組間的F值為24.728，且顯著性＜0.01，說明初中生計算思維發展水平在不同維度之間存在顯著差異。使用事后比較的方法進一步進行比較，發現初中生計算思維的發展在自動化和系統化水平之間的差異不顯著，但二者水平顯著低于其他三個維度的水平，此外，模型化發展水平顯著高于其他維度發展水平。

（2）初中生計算思維發展影響因素分析

如表3所示，在深入分析研究對象的自然屬性因素（性別、地區）和課程屬性因素（年級）時，采用獨立樣本t檢驗和方差分析進行了差異性分析。就性別而言，萊文方差等同性檢驗中p=0.155＞0.05，說明不同性別的學生得分方差相等，平均值等同性t檢驗中顯著性p=0.299＞0.05，意味著不同性別的學生得分差異不具有顯著的統計學意義。對于地區因素，方差分析中顯著性為p=0.588＞0.05，說明來自不同地區的學生計算思維得分情況不存在顯著性差異。因此，研究對象的自然屬性因素對初中生計算思維的發展不存在影響。在年級方面，萊文方差等同性檢驗中p=0.003＜0.05，說明不同性別的學生得分方差不相等，平均值等同性t檢驗中顯著性p＜0.05，意味著不同年級的學生得分差異具有顯著的統計學意義。因此，課程屬性因素，即不同年級的教學內容會影響初中生計算思維的發展。

如表4所示，對研究對象的發展屬性因素進行相關性分析。可以看出，五個維度兩兩之間的相關都具有顯著統計意義（p＜0.01或p＜0.05），且均為正相關關系，說明不同維度在初中生計算思維的發展過程中不是孤立的，而是相互關聯、相互影響的。因此，在教學過程中，教師應注重這些維度之間的聯系和整合，從而更好地培養學生的計算思維能力和創造力。

3.結論

（1）初中生不同年級計算思維水平存在顯著性差異

七年級的課程內容旨在夯實基礎，注重邏輯編程和數據處理的初步訓練，而學生初涉信息科技，其計算思維尚顯稚嫩。但在解決問題的過程中，學生們開始嘗試將復雜問題拆解為更小、更易于處理的部分，這標志著計算思維中模塊化初步萌芽。然而，他們在運用規范化語言和符號來描述問題時仍面臨挑戰，形式化表達能力有待提升。

進入八年級，課程內容逐漸深化，觸及算法、數據結構和面向對象編程等領域。學生們在計算思維上取得顯著進步，開始運用抽象模型來分析和解決問題，模型化能力顯著增強。并且隨著對編程的深入理解，他們開始意識到自動化的價值，并嘗試利用計算機技術實現自動化任務，展現了計算思維的進階應用。

（2）初中生計算思維模型化發展水平較高

初中生計算思維模型化發展水平較高。這主要得益于他們所處的青春期的特質，他們對新事物充滿好奇與渴望，對計算機編程等技術懷有濃厚興趣，這種強烈的好奇心與求知欲促使其在學習計算思維時更為投入，進而提升了模型化水平。同時，隨著認知能力的逐漸成熟，他們能夠理解和掌握較為復雜的邏輯關系和抽象概念，在計算思維的學習過程中，能夠較好地將現實生活中的問題抽象成數學模型，從而進行求解。此外，越來越多的學校開始重視計算思維的培養，開設了編程、機器人等課程，這些課程為學生提供了實踐操作的機會，使他們在實踐中不斷提高模型化水平。

（3）初中生計算思維自動化和系統化發展水平較低

初中生計算思維自動化和系統化發展水平較低。首要原因是，初中生處于思維發展的關鍵階段，他們的邏輯思維和抽象思維能力還在形成中，對復雜的概念和系統可能還無法完全理解和掌握，這導致他們在計算思維自動化和系統化方面存在一定的困難。其次，當前的初中教育體系在計算思維培養方面仍有待加強，雖然許多學校已經開始重視計算思維的教學，但整體上，相關課程設置和教學資源仍然有限，無法滿足學生全面發展的需求。此外，由于初中生處于青春期，部分學生可能存在注意力不集中、自我管理能力較弱等問題，這也影響了他們在計算思維自動化和系統化方面的學習效果。

初中生計算思維培養建議

1.分階段針對性教學

面對初中生不同年級計算思維水平存在的顯著性差異，可以采用分階段且有針對性的教學方法。首先，設計分階段的進階課程，確保學生在掌握前一階段所學內容的基礎上，逐漸過渡到下一階段的學習。這樣既能保證學生的學習效果，又能避免因難度跨度過大而影響學生的學習積極性。其次，針對不同年級的學生，制訂差異化的教學計劃。對于七年級學生來說，應重點夯實基礎，通過有趣的編程實例和實踐活動，引導學生理解計算思維的基本概念，如模塊化思維。同時，注重培養學生的形式化表達能力，通過練習使用規范化語言和符號描述問題，逐步提高其思維嚴謹性。而八年級學生則可以更加注重復雜問題解決和系統化思維的培養。通過項目驅動的教學方式，培養學生的抽象思維和模型化能力。鼓勵他們利用計算機技術解決實際問題，提高計算思維的實踐應用能力。

2.增強計算思維自動化和系統化培養

初中生計算思維中的自動化和系統化思維發展水平相對較低，應加強對其的培養。首先，強化數學、算法和數據結構等基礎知識的教學，為自動化和系統化思維打下堅實基礎。其次，引入系統化思維方法，如系統分析、設計、評估等，通過案例分析讓學生領會其精髓。再次，設計實踐項目，鼓勵學生將所學應用于實際問題，通過項目合作提升自動化和系統化能力。同時，教師應注重引導學生從全局出發，培養系統視角。最后，鼓勵學生自主學習和探索，利用網絡資源或參與競賽，拓寬視野，深化理解，不斷提升計算思維自動化和系統化水平。

結語

隨著《中國學生發展核心素養》的頒布，計算思維成為信息技術學科的四大核心素養之一[7]，培養計算思維有助于提高學生信息技術知識與技能，培養學生跨學科綜合問題解決能力。[8]而新課標的頒布，將計算思維從高中階段下沉到中小學階段，初中階段作為小學和高中計算思維培養的過渡階段，起著橋梁的連接作用，有著至關重要的地位，因此，對初中生計算思維發展現狀的研究極為重要。

本研究順應信息化時代發展要求，通過研究團隊開發的基于信息技術課程標準的初中生計算思維評價工具，對初中生的計算思維能力現狀進行了調查研究，了解到初中生不同年級計算思維水平存在顯著性差異，初中生計算思維模型化水平較高、自動化和系統化水平較低，并由此給出了初中生計算思維培養建議，以期為我國初中生計算思維教育的發展提供參考。但由于調查對象較少，本次調查研究結果在普遍性方面有所欠缺，后期需繼續改進。

參考文獻：

[1]WING J M.Computational Thinking[J].Communication of the ACM（S0001-0782），2006，49（03）：33-35.

[2]傅騫，解博超，鄭婭峰.基于圖形化工具的編程教學促進初中生計算思維發展的實證研究[J].電化教育研究，2019，40（04）：122-128.

[3]任友群，隋豐蔚，李鋒.數字土著何以可能？——也談計算思維進入中小學信息技術教育的必要性和可能性[J].中國電化教育，2016（01）：2-8.

[4]中華人民共和國教育部.普通高中信息技術課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[5]中華人民共和國教育部.義務教育信息科技課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[6]陳興冶，馬穎瑩.本土化計算思維測評指標體系的構建與探索——基于1410名高中生的樣本分析與驗證[J].遠程教育雜志，2020，38（05）：70-80.

[7]張曉晴，李鵬，文昌，等.基于Scratch校本課程對初中生計算思維培養的研究[J].中國教育信息化，2019（10）：26-29.

[8]陳鵬，黃榮懷，梁躍，等.如何培養計算思維——基于2006—2016年研究文獻及最新國際會議論文[J].現代遠程教育研究，2018（01）：98-112.

基金項目：面向核心素養的計算思維評價工具研究（S20231081Z）。