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计算思维评价：概念取向、要素框架与测量方法

范文

王珂陈刚

摘要：教育工作者需要开发与计算思维应用场景相适应的评估工具和方法，以有效评判计算思维培养成效。根据已有计算思维评价研究，基于新版信息技术课程标准中的计算思维定义，结合信息技术学科核心素养要求，构建出能够有效指导评价开展的计算思维六维要素框架。结合Scratch编程教学介绍具体过程性和总结性评价工具或方法，并就我国K-12阶段计算思维评价工作提出注重思维应用多场景性和任务难度层次性、综合运用多种评价手段、与教育体系和培养实践相统一等建议。

关键词：计算思维;K-12教育;Scratch编程;信息技术教育

DOI：10. 11907/rjdk. 201402 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：G433文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2020）007-0257-05

Evaluation of Computational Thinking： Conceptual Understanding， Framework Elements and Evaluation Methods

——Taking Scratch Programming Course as an Example

WANG Ke，CHEN Gang

（School of Journalism and Communication， Yangzhou University， Yangzhou 225100， China）

Abstract： Educators need to develop evaluation tools and methods suitable for the application scenarios of computational thinking so as to effectively evaluate the cultivation of computational thinking. According to the evaluation of the existing computational thinking， based on the new information technology curriculum standard of computational thinking definition， combining information technology subject core literacy， this article constructs effective computational thinking to guide assessment in six dimensional framework elements， combines with the Scratch of process introduces the concrete programming teaching summative evaluation tools or methods， and puts forward some suggestion to the K-12 stage of computational thinking in China that the evaluation work should pay attention to the application of thinking of multiple scenarios and task difficulty of gradation， the integrated use of a variety of evaluation methods， and the unity with the education system and training practice.

Key Words： computational thinking; K-12 education; scratch programming course; IT education

0 引言

計算思维指计算机科学领域的问题解决方式和思考逻辑。近年来，计算思维培养活动在世界各地持续升温，将计算思维引入现行教育体系的方式大致分为3种：作为一门全新课程引入、在信息技术课程中嵌入相关内容[1-2]、与其它学科融合（如音乐[3]）。不难看出，计算思维正作为一种普适性思维渗透并延伸至其它学科领域。在我国，计算思维已被列入信息技术学科核心素养之一，广大教师已经进行了相关教育探索[4-5]，以推动计算思维教育和现行教育内容相融合。

评价是计算思维培养活动的重要一环，计算思维教学有效性的关键之一在于学生计算思维的学习结果得到及时监控并评估。已有研究成果表明，实践中得以应用的计算思维评价方法形式多样，如测试题形式评价（计算思维测试题（CTt）[6]、计算思维量表评价（Computational Thinking Scales）[7]等）、专门工具评价（Dr.Scratch[8]、Scrape软件、计算思维模式图（Computational Thinking Pattern）[9]等），以及项目式评价（Brandon[10]利用计算机科学不插电活动评价学生不同计算思维维度发展水平、SRI组织[11]在计算思维实践中观察学习者行为等）。虽然部分计算思维评价方法的有效性已被验证，但并不能直接应用于我国教育教学。原因有二：①评价内容以本地区计算思维培养目标为依据，不同地区在计算思维概念理解上存在分歧;②评价与实际教学相统一，需结合教学内容、学习者知识水平、现有教学资源和环境等因素，共同测评学习者计算思维发展水平，调控计算思维教学进度。

目前，我国在计算思维领域的研究大多集中于教学模式方面，对计算思维评价的关注较少。为此，本文在现有计算思维评价研究进展基础上，基于新版课程标准中的相关定义，以K-12阶段普遍开设的Scratch编程课为评价场景，构建计算思维要素框架，介绍评价的具体应用案例。

1 计算思维评价概念取向

评估方法是否具有科学性的关键前提是对基本定义把握的准确程度，以及所测量的维度是否为核心概念在不同层次上的体现。目前，计算思维的概念取向可分为3类：①编程语言取向，将计算思维视作使用计算语言表达观点的过程[12]，强调学生能够使用程序化表征和符号系统解决问题，将算法思维、编程思维视为计算思维的核心;②问题解决取向，计算思维是一种具有广泛意义的思想方法和问题求解新途径，是“一个形成问题和制定问题解决方案的思考过程[13]”;③学习者发展取向，计算思维培养需植根于真实、有意义的计算实践，聚焦参与过程中学习者所体现出的相关行为和态度等[14]。

上述3种观点各有侧重。编程语言取向将计算思维视作一种表征方式，通过使用相关计算符号系统，将知识表达为具体计算成果;问题解决取向强调计算思维是问题求解过程;学习者发展取向则关注在进行计算思维相关实践后，学习者在情感、性格、行为等个体层面产生的变化。这3种概念取向对计算思维应用范围的理解逐渐宽泛，由解决编程问题到求解一般问题，再扩展至影响学习者个体表现。

我国发布的2017版《普通高中信息技术课程标准》[15]对计算思维的界定偏向问题解决取向，强调利用计算思维分析数据、处理加工各种信息，并将计算机科学问题的解决路径迁移至与之相关的其它问题求解过程的能力。本文将该定义作为开发计算思维评价方法的理论基础，并将计算思维的应用场景设置为面向编程问题和一般问题，意在将编程视为计算思维发展重要载体的同时，强调技能的拓展应用。

2 计算思维评价要素框架

对计算思维概念的抽象理解并不能有效指导教学评价工作，应明确计算思维结构体系，为评价活动提供依据。计算思维评价体系构建主要有两类方法，一是直接采用或改编偏实践的计算思维定义，以编程语言取向下的计算思维操作性定义[16]和问题解决取向下的计算思维“三维目标说”[17]为例;第二类方法是研究者在某一概念取向指导下，从各类体系标准、研究文献、专家评述中自行归纳出评价体系，如学习者发展取向下的SRI评价框架[18]。

问题解决取向下，计算思维在求解问题的不同阶段表现为不同形态，据此可分析得到各组成要素。美国国际教育技术协会和计算机科学教师协会给出计算思维操作性定义（Operational Definition），指出“计算思维是一种解决问题的过程，该过程包括明确问题、分析数据、抽象、设计算法、评估最优方案、迁移解决方法六大要素”;Barr等[19]将应用计算思维的问题解决划分为9个要素;Cohen等[20]构建的计算思维评价指标体系包含5个维度。通过综合问题解决取向下较有代表性的计算思维评价框架，总结出计算思维六要素框架，并将各要素与Scratch课程中的具体表现进行映射，如表1所示。

3 计算思维评价方法

计算思维是解决问题的思维过程，对计算思维不同角度的解读决定了研究者在何种情境下开展评价活动，由此构建计算思维要素框架并为评价任务开发提供指导，以保证所开发评估项目的科学性。计算思维评估不仅应全面考察计算思维各要素，还应强调高阶认知技能应用（分析、评价、创造等）。此外，要借鉴已有研究经验，采用多种评价工具和手段，将过程性评价与总结性评价相结合，综合考察学生在编程场景下的技能应用，以及学生在非计算机科学领域计算思维的迁移情况。

目前，计算思维培养多依托于编程课程进行，但由于学习者年龄较小、抽象思维发展欠缺等，教育者需要考量选取何种编程语言以辅助计算思维教育。若編程语言学习消耗学生过多精力或让其对编程产生逃避心理，不但会影响评价结果，还不利于他们后续学习兴趣和积极性保持。因此，选择的编程语言多以“低地板、高天花板”为基本原则，并具有公平性、系统性、可移植性、可持续性等特点。满足这些要求的工具中，图形化/模块化编程语言应用较广泛，如Scratch、Alice、Kodu、App Inventor等，这类工具能够有效避免学习者陷入编程困境，使他们专注体会算法思维和计算机处理问题的逻辑。本文以Scratch编程课程为例，结合布鲁姆教育目标，介绍几种具体的计算思维评价策略（见表2）。

（1）观察访谈法。观察访谈法指从学生话语及行为表现中获取计算思维发展证据，要求教师或助教实时监控学生学习过程，尤其关注学生在完成Scratch作品关键节点前后的表现。其实施方法有2种：①课堂中设置多名助教，每位助教负责2～4名学生;②不设置助教，用录像设备拍摄课堂全景，之后进行分析。还需注意的是，不同水平学生编程进度不同，如果在授课过程中进行访谈可能会导致课堂失控，在一部分学生接受访谈的同时，必然有另一部分学生的注意力受到干扰或学习处于访谈结束后无事可做的状态。但若课后进行访谈，可能出现学习者遗忘过程信息，影响访谈效果等情况。

（2）流程图绘制。流程图绘制指学生通过教师描述或亲身试玩Scratch项目，用流程图的形式再现角色运行机制。教师可根据所绘流程图获取学生的思维逻辑和对Scratch项目的分析能力。实施流程图需注意，教师应提前通过简单的案例加深学生对“流程”概念的理解，促使学生掌握流程图绘制方法。图1为Scratch“乒乓对抗”项目中，要求学生完成的“乒乓球”角色对应流程图。

（3）作品分析。作品分析法指通过统计学生Scratch作品中不同难度代码（如if…else…，if…else…or…）的使用频率，判定其计算思维发展水平。目前已有Scrape和Dr.Scratch两个软件支持Scratch作品的代码块检测，其中Dr.Scratch不仅可以统计代码块使用情况，还可区分Scrarch新手和熟练学习者，并给出学习建议。图2展示了Dr.Scratch给分为8分的Scratch代码块：逻辑思维2分（包含一个“if-else”语句）、用户交互性2分（可通过鼠标与角色进行交互）、抽象和问题分解1分（项目中有两个脚本）、流控制1分（程序由一系列没有循环的指令组成）、并行性和同步维度0分。应注意，使用该种方式时，若无特定分析工具支持，则过于耗时耗力，且此类工具只强调最终作品呈现，忽视学生学习过程信息。

（4）纠错情境设计。纠错情境设计指教师对选取的Scratch案例作部分语句改动或删除操作，使脚本运行错误。学生需补充或修正代码，使程序正常运行。此种评价方式要求学生在理解各部分代码块作用的基础上，分析变量和功能语句的合理性，并根据正确运行结果和现有运行结果的差异进行逆向反推，综合难度较大。以Scratch“打砖块”项目为例，在“反弹板”和“球”两个角色中都设置错误语句，如表3所示。

（5）测试题迁移。测试题迁移重点考察学生在日常场景中使用计算思维解决问题的能力，帮助学生建立起编程世界与一般环境的联系。测试题评价操作方便且能很快得出反馈结果，但题目设计有一定难度，不仅要求教师能够从日常场景中识别出计算思维要素，还要求教师根据Scratch学习进度设计相应难度的迁移测试题目。教师可以借鉴Bebras竞赛题目设计思路，Bebras竞赛[21]是世界范围内较有代表性的计算思维挑战赛，与其它专业竞赛不同的是，参与者不需要有编程经验，题目取材于生活，且根据挑战者年龄有难度上的区别。图3和图4展示了两个Bebras题目。

[Bebras高中的一个班有39名学生。下面的电话列表是用来传递老师的信息的。蓝色方框对应的是学生。黑线将每个人与他们必须传递消息的人连接起来。

每个电话持续三分钟。每个人一次只能和一个人通电话。

问题：当老师第一次打电话宣布一条消息时，过了多少分钟，这条消息才完全传达给所有39名学生？

（答案：27分钟）]

[青蛙在池塘边跳来跳去来锻炼身体。它按照如下图所示的顺序从一个睡莲叶子跳到另一个睡莲叶子。它从标有s的睡莲叶子开始跳，到现在的这片睡莲叶子上结束（图中的青蛙已经跳完了）。每一个黑点都代表着青蛙降落的睡莲叶子。下面的图例用整数（从0到7）标记跳转的8个可能方向。][哪个序列描述了青蛙的路径？

A. 4，1，0，0，0，6，6，4，4，2，2，1

B. 0，0，6，6，6，4，4，2，2，4，4，1

C. 0，0，6，6，6，0，0，2，2，2，2，4，4，4

D. 6，6，4，4，4，2，4，1，1，1]

教育者在评估时，应围绕“计算思维”各要素设计评估任务，而不是考察学生对Scratch等教学辅助软件的操作熟练程度。然而，实际教学活动却往往重工具使用、轻思维训练。教育者必须明确任何计算机科学辅助学习设备不等同于学科本身，学生计算思维训练过程也是引领他们体悟逻辑思维、抽象思維和算法奥妙的过程，更是培养其对计算机科学好奇心和求知欲的过程。同时，应转变以往注重结果性评价的教学思路，积极学习国内外在计算思维教育领域取得的成功经验，在教学实践中不断探索和尝试，开发出适合我国学生的计算思维评价工具和手段。

4 研究建议

计算思维培养是思维方式和问题解决方法内化过程，这种内在变化可通过外显行为观察并确定其发展水平。由于计算思维内涵的复杂性和培养方式的多样性，对学生计算思维能力进行有效测评并非易事。尤其在我国，K-12阶段的信息技术教育 “培养学生使用数字化工具能力”的观念正逐渐转变，以培养学生创造力、探索精神和计算思维为目标的创客空间、STEM特色课程在中小学逐步推广。然而，这期间出现的理论体系不完善、教学方法不具体、专业师资队伍短缺等问题也不容忽视。教师在授课时必须避免以往传统以结果为导向的教学方式，如只关注学生是否完成了积木搭建（如小学低年级开设的乐高课）或程序拖拽（如小学中高年级开设的Scratch创意编程或初中开设的程序设计语言课），却不关注学生思维变化和学习过程。目前，国内基础教育阶段对于计算思维教育领域的关注大多集中在概念研究、教学模式和教学方法探索方面，计算思维评价有关研究相对缺乏，而评价是计算思维培养活动有效进行的依据。

鉴于对上述问题的思考，在梳理现有计算思维评价方法基础上，提出以下期望和建议：

（1）确定各阶段计算思维发展目标，建立科学的标准体系指导评价。现有计算思维评价方法源于3种概念取向，教育工作者应根据课程形式确定计算思维评价场景，进而定位到对应取向下已有思维要素框架。根据学习者身心发展水平和知识储备，构建不同要素指标下学生计算思维发展目标，为接下来的教学和评估工作提供指导。

（2）借鉴已有研究成果，开发适合我国国情的计算思维评价工具。国外针对不同计算思维应用场景开发的多样化评估工具和手段可为我国带来思路和方法上的借鉴，如Scratch作品自动化分析软件、在项目式教学中进行观察访谈等，过程性评价和总结性评价相结合，兼顾计算思维的专业属性和社会属性。教师需要综合考虑现有资源、课程实施方法、学习者水平和发展目标等因素，以选择合适的评估方法。

（3）推动计算思维跨学科融合，真正提升学生STEM素养。为了更好地培养学生计算思维迁移应用能力，可采取两种实践思路：一是进行跨学科教学实践，将计算思维应用到其它学科的问题解决中;二是在非计算机科学场景下检测学生计算思维水平，如计算思维迁移测试和Bebras竞赛等，帮助学生认识到计算思维适用范围的广泛性。

近年来，计算思维在我国的关注度不断提升，如白雪梅[22]、钟柏昌[23]等已进行计算思维评价方法的实践探索。为使计算思维在我国真正落地，必须开发适合国情、能够体现不同年龄计算思维发展特点和差异的综合性能力标准体系。为此，广大教育工作者应在实践中积极探索评价路径，深刻理解计算思维概念，充分利用现有资源设计评估框架，确定评估指标，综合使用多种评价方法和手段，尽可能全面且真实地反映我国学生计算思维发展水平。

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（责任编辑：孙娟）

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