中學生計算思維結構建模與多層次培養評估路徑

[中圖分類號]G434 [文獻標志碼]A

[作者簡介]龔鑫（1999—），女，重慶人。博士研究生，主要從事編程教育研究。E-mail：gongxinjyjs @163.com 。為通信作者，E-mail：qiaoal@126.com。

一、引 言

計算思維（Computational Thinking，CT）已經成為21世紀必備的基本技能。學者們對CT的理解主要有三種觀點：復合能力觀、編程技能觀和思維過程觀。其中，Brennan和Resnick基于Scratch編程環境提出的CT三維框架（計算概念、實踐和觀念）作為編程技能觀被廣泛采納，為教育實踐提供了可操作性指南。然而，當前的CT教學與測評研究仍存在諸多不足。在研究對象上，研究多聚焦于大學生和小學生，而對中學生的CT評估相對匱乏，導致縱向追蹤研究出現斷層，難以揭示CT發展的關鍵銜接期特征。在評估維度構建上，現有模式多局限于“概念一實踐—觀念\"的松散線性排列8，尚未形成多層關聯的立體目標體系。此外，過程性評價與結果性評價[的割裂運用，使CT能力進階的認知呈現片段化，無法全面把握其動態發展規律。更為關鍵的是，教學與測評環節相互脫節，未能形成有效的協同機制，制約了CT的進階發展。《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》提出以核心素養為導向的\"教—學—評”一致性原則[，強調通過知識融合實現CT的螺旋式進階發展。參照思維進階的規律，構建一個結構清晰、層次分明的CT框架，是推進思維導向的“教一學一評”一體化落地的關鍵舉措。因此，應對CT進行認知層級劃分以外化表現，并結合過程評價性和結果性評價來綜合刻畫中學生的思維水平。

根據皮亞杰的認知發生理論，思維借助其過程既塑造知識結構，也構建思維結構[12]。而將對知識結構的層級化等同于對CT的層級化[3，或直接用思維結構層級表征CT層級[14-I5]，皆未從知識和思維結構融合層面構建CT的進階結構。鑒于此，本研究引入觀察學習結果結構（Structure of the Observed LearningOutcome，SOLO）分類理論（前、單點、多點、關聯和抽象擴展結構）劃分CT思維結構層級[1，并結合知識三重內涵（符號、邏輯、意義）說明CT知識結構水平[，以問題解決為途徑聯結知識和思維結構[14-15]。同時，依循證據中心設計 （Evidence-Centered Design，ECD）[17]的能力一任務一證據邏輯，搭建培養與評估的循環迭代體系，使CT思維結構、知識結構與問題解決途徑緊密聯動，高效達成CT培養目標。能力模型縱向匹配SOLO分類理論和知識三重標準，設計CT層級化進階式目標體系。任務模型在培養CT時根據威廉霍頓的活動理論設計學習一實踐站，在評估CT時設計聯結站，以確保任務的適切性。證據模型綜合過程性和結果性兩方面進行全面鑒定，借此為中學生在編程領域的CT培養和評估提供一個更加系統和有效的路徑。

二、計算思維層次化結構表征

（一）計算思維層次內涵

計算思維層次結構可以分為知識結構和思維結構兩個維度[18]。知識結構指所涉及的知識，思維結構表示對知識加工、利用或調動后形成的動態關系網。基于覆蓋度視角，覆蓋廣度指思維的廣泛程度，從CT的知識結構來看，表示從橫截面補充與拓展知識，延伸知識體系的前后內容，通常用“知識點\"的多少進行量化[。在思維運行時，個體自發激活知識的數量越多，則CT覆蓋越廣。覆蓋深度泛指思維的深度，從CT的思維結構來看，表示從縱向豐富知識點與知識點之間的“關聯\"，通常用各子能力的水平來判斷。在思維運行時，個體積累的知識點關系越復雜，CT覆蓋越深。

計算思維層次結構模型如圖1所示，以覆蓋廣度為XY截面，以覆蓋深度為Z軸。從XY截面來看，每多增加一點或者一種連接，意味著個體能激活更多種類的知識點且綜合應用各種知識點的能力得到加強；從Z軸來看，運用SOLO分類理論的五個等級（前、單點、多點、關聯和抽象擴展結構）刻畫思維結構建模水平，運用知識三重內涵（符號、邏輯、意義）闡釋知識結構建模水平[。其中，符號是知識的純粹形式化概念，邏輯是知識間的相關性，意義是知識的應用及產生的效果。綜合來看，學生通過問題解決過程五步驟（問題識別、問題分解、抽象建模、問題解決和問題遷移）連接層與層，呈現出螺旋式上升的狀態。每一層的橫截面積越大，說明思維結構水平越高，學生問題解決過程中所必需的知識點及知識點間的連接越復雜。由此，計算思維層次結構經問題解決驅動，構建起知識結構顯性編碼與思維結構隱性圖式的雙向映射機制，推動思維實現跨層級的螺旋式進階。

（二）計算思維能力拆分

為培養和評估學生在編程環境下應用CT解決問題的能力，本研究借鑒并選取了博南等提出的CT三維框架中與我國信息技術課程標準對CT的內涵及外延的界定較為契合的前兩個維度[2，即計算概念（編程中形成的跨情境遷移技能或知識）與計算實踐（計算學習或編程練習中形成的解題策略）。本研究綜合編程技能觀中CT三維框架的子能力和思維過程觀中的抽象、分解、算法思維、概括、評估等核心要素，并參考了李鋒等構建的K-12計算思維“目標一內容\"評價框架2I]，最終確定了CT能力框架（見表1）。

計算概念拆分實質上就是細化知識結構，分析研究文獻中計算概念相關的評價案例，將計算概念維度中粒度較大的要素進行多層切分細化。受編程教學觀念影響，程序及相關內容仍為計算概念主要評價要點，數據結構次之。本研究將計算概念劃分為：數據（數據收集、數據組織、數據分析、數據表示）和程序（順序、循環、條件和函數）。

計算實踐是在應用CT解決問題的過程中對計算概念的綜合應用。本研究將計算實踐劃分為：問題分析（問題識別、問題分解、抽象建模、問題解決、問題遷移）和作品開發（方案制定、遞增迭代、重用與模塊化、迭代調試、運行評估）。

三、中學生計算思維能力水平多層次培養與評估路徑設計

考慮到CT多層次發展機制主要以計算概念和計算實踐的培養和考核評價為核心，本研究引入ECD評價設計模式作為CT培養和評估的理論框架[2，遵循ECD的能力一任務一證據的設計邏輯，以此實現CT培養目標與評估標準的精準對接，達成“教一學—評\"的一體化設計。

計算思維多層次培養與評估循環路徑如圖2所示。培養和評估相互連通構成“α”，包含三層循環：培養內循環、評估內循環和培養一評估外循環。培養CT時，除教師講解計算概念外，也涉及學生對計算概念的練習實踐（計算實踐），這一過程中教師可以隨時對學生的CT表現進行評價和反饋，這構成了培養內循環。評估CT時，知識結構涵蓋三重內涵，學生對概念及其邏輯關系的掌握隨層次提升而更加系統化。思維結構對應SOLO分類理論的五個等級，學生的思維水平從簡單到復雜逐級質變。計算思維整體呈現出從單一節點到結構化網絡的“螺旋狀\"發展脈絡。這一過程中對學生計算實踐表現進行評估的同時，也能促進學生計算概念的掌握和實踐能力的提升，這構成了評估內循環。而最終評估的結果又會反作用于CT的培養，這就構成了培養一評估外循環。三層循環相互配合，將知識結構與思維結構有機統一，實現CT的培養和評估層級化的目標。

（一）計算思維能力水平認證

能力模型關注所要掌握的CT內容。本研究已經明確了計算思維能力框架，即計算概念（數據和程序）和計算實踐（問題分析和作品開發）。在此基礎上，厘清CT能力與其對應的不同水平等級觀測指標的實質性聯系。具體來說，依據計算思維層次結構模型，針對知識結構的評價標準，選用知識內在結構的三重內涵作為可操作行為觀測指標，并依據概念節點數量和概念間關系復雜程度劃分低、中、高三個等級。針對思維結構，選用SOLO分類理論作為運用知識結構解決問題時的層級依據。本研究將“知識結構三重內涵\"標準與SOLO分類法相結合，分別從知識和思維結構界定可觀察的行為及其操作性定義（見表2），以此進一步支持CT的培養和評估。

（二）計算思維層級化任務

任務模型指引任務情境設計，激發學生行為表現，進而系統獲取學習證據。參考威廉霍頓的學習活動設計23]，自左向右分別設置兩個進階站點，包括學習一實踐站點和聯結站點（如圖2所示）。

一方面，在培養CT時，學習一實踐站點融合了吸收型（Absorb-Type）與實踐型（Do-Type）活動，吸收型活動主要依賴于教師對計算概念單個要素的系統講解，實踐型活動則讓學生通過具體的生活實例和簡單的任務自主練習已學知識點，這兩種活動循環進行，有效促進對計算概念多知識點的掌握。

另一方面，在評估CT時，聯結站點旨在依據“計算思維層級標準及其對應的可觀察行為\"設置包含不同難度層級任務的聯結型活動（Connect-Type）。通過收集學生繪制的概念圖（畫出各層級任務涉及的計算概念及概念間的關系）并觀察學生完成任務的過程，研究者能夠建立起行為表現與計算概念和實踐各成分之間的關聯，并在此基礎上，準確判斷學生行為反應的等級水平。

（三）計算思維證據類型與標準

證據模型包含測量模式和證據規則，即什么樣的行為表現能夠為測量的內容提供證據。評價證據類型與評價方式相關，為防止對CT的理解產生偏差，本研究采用過程性評價和總結性評價。通過對學生的編程過程進行定性與定量的挖掘，從中理解學生的編程學習以及判斷學生對計算概念與實踐的掌握。

一方面，在培養CT時，過程性評價證據類型為教師課堂行為觀察記錄，能夠實時捕捉學生的學習動態和參與度，有助于教師及時調整教學策略。總結性評價證據類型為課堂知識點測試，評估學生對計算知識的掌握程度，確保學習目標的達成。

另一方面，在評估CT時，針對知識結構的評估，總結性評價證據為聯結型活動任務中所涉及計算概念的概念圖，借助“計算思維層級標準及其對應的可觀察行為\"知識結構維度的低、中、高三個層次標準能夠有效評估學生對知識的掌握情況。針對思維結構的評估，過程性評價證據主要采用后臺日志數據，記錄學生在獲得正確答案之前的嘗試次數和達到的任務等級水平等。依據“計算思維層級標準及其對應的可觀察行為”思維結構維度設計的層級任務本身就可以作為CT評價標準，既能精準甄別學生在任務各環節調用的思維技能差異，又能明晰任務執行中需完成的步驟與行為，從而精準定位學生的思維進階層級，而非僅以模糊分數進行評判。此外，CT測試題（ComputationalThinkingTest，CTT）[憑借其涵蓋基本的計算概念，以及依托可視化編程界面的高度可操作性設計，適宜作為評估學生CT的總結性評價證據。

四、中學生計算思維層次化培養評估實踐

（一）實踐概況

1.研究對象

本研究選擇了某中學七年級的35名學生為研究對象，平均年齡為13.49歲（ SD=0.50） ，其中，男生21人（占 60.0% ）女生14人（占 40.0% ）。所有參與學生之前沒有任何的編程經驗，他們在計算機教室完成了6周的CT層級化培養和評估認證實踐。項目由一名具備專業學科知識與技能、經驗豐富的信息科技教師開展教學。

2.研究過程

本研究遵循CT層級化培養和評估循環模型，對學生CT能力水平進行培養和測評，以檢驗CT層級化機制應用于教學的合理性和有效性。項目分為兩個階段，第一階段（4周）為培養階段。教師在學習一實踐站點講解Python語言的基本知識，學生學習順序、選擇、循環和函數等計算概念，并通過簡單的問題探究來關聯計算概念。經過4周的學習，學生已經具備利用計算機解決問題的基本能力，并學習完成了Python語言的基本知識和實踐運用。

第二階段（2周）為評估階段。首先，能力模型以CT能力拆分框架（計算概念的程序維度和計算實踐的作品開發維度）為依據。其次，任務模型設置了三個難度逐級上升的聯結型活動—SOLO層次任務（見表3），該任務設計依托于Lightbot的\"關卡編輯器\"24，學生需要在有限的程序空間中借助編程指令設計路徑來控制機器人移動，并繪制對SOLO層級任務中涉及的計算概念理解的概念圖，解決所有任務預計需要30～60分鐘。最后，在證據模型中，過程性評價依托編程平臺，全面記錄了學生的編程行為操作數據（見表4）。而總結性評價則綜合采用了CT測試題與概念圖。其中，CTT由28道測試題組成，總計103分。它涵蓋了順序、循環（簡單和直到型）、條件（if、if-else、while）、函數等4種結構下的7個計算概念，解題過程中充分展現了調試和糾錯、再利用和再創作、抽象化和模塊化等3種計算實踐。

（二）結果分析

第一，本研究呈現學生的CTT測試結果，發現35名學生在順序結構上的平均得分為3.48（ _SD=0.15） ！循環結構平均得分為3.39（ SD=0.39 ），條件結構平均得分為2.65（ SD=0.48） ，函數結構平均得分為3.73（SD=0.41） 。

第二，為了深入分析學生的CT能力層級，通過描述性統計對“SOLO層次任務\"行為數據進行分析。建立行為反應與CT層級化級別標準（見表3）各級別間的關聯，并在此基礎上判斷學生行為反應的等級水平。針對思維結構，采用SOLO層次任務日志記錄，計算所有關卡涉及變量的平均值，發現35名學生平均花費18.15分鐘用于編程（TPT： SD=5.02 ，平均編碼次數為1.73次（NAA： SD=0.76 ），平均使用9.76個代碼塊（NAU： SD=0.94 ），SOLO層次任務最高達到3.57層 ?NML：SD=0.49? 。針對知識結構，需要進一步描述學生的知識結構層級，概念圖反映了學生對學習內容（主要為學科事實性知識和概念原理性知識）內在邏輯聯系的理解程度。

所有學生都完成了M級，依據不同學生達到的思維結構水平分別選取R級的1名學生（甲同學）和EA級的1名同學（乙同學），詳細描述他們的知識結構所達到的等級（如圖3所示）。甲同學僅完成了編程任務的R級，從程序本身來看，他能夠使用基本的控制邏輯（如\"如果·那么，否則\"和“重復執行”）來操縱機器人進行移動和跳躍。盡管他的程序能夠實現目標功能，但在代碼優化方面存在不足，沒有充分利用函數封裝重復代碼，導致代碼效率不高和冗余。此外，在概念圖的表現上，甲同學對順序的基本理解尚可，但對循環和函數的關系理解不夠深人，顯示出對這些計算概念的掌握還不夠全面，僅符合中等水平表現。總體來說，甲同學CTT得分為84分，在思維結構達到了R級，知識結構為中等水平，在循環和函數的深入理解上需要進一步提高。

乙同學在編程任務中表現出色，完成了編程任務的EA級。他熟練運用了邏輯運算和循環結構，通過函數封裝優化了代碼，提高了代碼的可讀性和效率，調試次數僅為1.25次。在概念圖繪制方面，乙同學展現了對循環和函數結構的深刻理解，其概念圖結構復雜且準確，顯示了他對編程概念的深人掌握和靈活應用。總體來看，乙同學CTT綜合得分為99.5分，思維結構達到EA級，知識結構為高水平。

五、結束語

本研究在CT框架的構建、培養與評估方面實現了理論與實踐的雙重創新，為計算機科學教育提供了新視角。理論上，通過深入剖析SOLO分類理論與CT的內在聯系，構建了層次清晰、結構完整的CT層級化進階式目標體系，明確了學習方向和進階路徑。同時，結合ECD的設計理念，實現了CT\"教—學—評\"的一體化，確保了CT教學與評估的同步進行和相互促進。實踐上，以威廉霍頓的活動理論為基礎，創新性地設計了學習一實踐站點和聯結站點，讓學生在編程實踐中鍛煉CT，促進綜合能力提升。此外，引入了SOLO層級游戲關卡作為評估工具，通過游戲化的方式激發學生的學習興趣，同時確保評估的全面性和精確性。

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Modeling the Computational Thinking Structure of Middle School Students and A Multi-level Cultivation and Evaluation Pathway

GONG Xin1， LIU Yuyu1， XU Jie2， QIAO Ailing1 （1.College ofEducation， Capital Normal University，Beijing 1O0048; 2.College of Education， Zhejiang University， Hangzhou Zhejiang ）

[Abstract] Exploring the progression path of computational thinking， one of the core competencies for middle school students，helps provide more precise and effective instructional support for students. However， the current assessment framework lacks the necessary hierarchy to characterize students' computational thinking level，thereby restricting the development and assessment efects of students\" thinking.The study，based on the nature of thinking，first matches the knowledge structure and thinking structure of computational thinking with computational conceptsand computational practices respectively， and draws on the SOLO taxonomy theory and the criterion of intrinsic structure of knowledge to model the hierarchical structure of computational thinking. Subsequently，the study adopts an evidence-based design to construct a dual-line，triple-loop pathway for developing and assessing computational thinking.This pathway includes three interactive models： a competency model demonstrates the thinking and knowledge structure based on the computational thinking hierarchy model; a task model achieves the triple cycle of development and assessment through advanced activity design learning-to-practice and linkage sites;an evidence model integrates the formative and summative evaluations to comprehensively provide practice evidence and measurement standards.The study provides empirical experiences on the assssment path of computational thinking ability development，aiming to provide both theoretical and practical guidance for the assessment of computational thinking development of middle school students，and help students to improve their computational thinking in a comprehensive way.

[Keywords] Computational Thinking; SOLO Taxonomy Theory;Evidence-based Design; Structural Modeling;Middle School Student