小學(xué)不插電活動中計算思維評估的實證研究
——以二進制數(shù)的學(xué)習(xí)活動為例

丁 珺

（湖南師范大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)系，湖南 長沙410000）

一、研究背景

自2006年卡梅隆大學(xué)計算機系周以真教授[1]正式提出計算思維的概念以來，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。在國內(nèi)外學(xué)者對計算思維的概念、本質(zhì)、特征[2]等問題眾說紛紜時，一線教師則苦于如何將計算思維落地到實際的教學(xué)工作中。

為此，2011年計算機科學(xué)教師協(xié)會（CSTA）和國際教育技術(shù)學(xué)會（ISTE）在NSF 支持下聯(lián)合提出K-12 階段計算思維操作性定義，明確指出計算思維是包含六大能力特征和五大態(tài)度傾向的問題解決過程。2017年我國新版高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)則將計算思維列為學(xué)科核心素養(yǎng)之一，從預(yù)備級、水平1、水平2、水平3 來劃分和描述計算思維水平；同年CSTA 官網(wǎng)發(fā)布包括計算思維在內(nèi)的新的K12 CS 標(biāo)準(zhǔn)，從K-2、3-5、6-8、9-10、11-12 五階段來刻畫學(xué)生應(yīng)該具備的計算思維概念和實踐能力。2012年，美國麻省理工媒體實驗室研究小組開發(fā)了一個計算思維三維框架，包含計算概念、計算實踐、計算觀念三個維度。顯然，這三個維度與我們所熟知的高中信息技術(shù)課程三維目標(biāo)有相似之處。這些舉措為培養(yǎng)和評估K12 階段學(xué)生的計算思維實踐提供了指南。

盡管有越來越多的文獻研究如何將計算思維整合到K-12 課程中，大部分的關(guān)于計算思維的正式評估集中在中學(xué)及以上階段。

二、不插電的計算機科學(xué)活動

“不插電”[3]項目由Tim Bell（新西蘭坎特伯雷大學(xué)）等人開創(chuàng)。他決定開發(fā)教學(xué)方法和材料因為他想為他五歲的孩子展示計算機科學(xué)迷人的一面。相關(guān)研究者在互聯(lián)網(wǎng)上提供了一系列相關(guān)課程視頻以及教材[4]。

不插電的科學(xué)活動（以下簡稱為“不插電活動”）需要學(xué)生動覺參與和情感參與，能夠激發(fā)學(xué)生極大的興趣和熱情，不需要學(xué)生有任何編程經(jīng)驗，活動的開展也不需要使用計算機。將不插電活動與科學(xué)的計算思維評估框架結(jié)合更有利其進入傳統(tǒng)課堂。研究表明，在學(xué)習(xí)相同的概念時，不插電活動比傳統(tǒng)教學(xué)更有效，更讓學(xué)生投入[5][6]。

在知網(wǎng)中進行搜索，檢索條件為“篇名”，搜索關(guān)鍵詞為“不插電”，搜索時間為2018年12月22日，相關(guān)結(jié)果有5 條。說明關(guān)于不插電活動促進計算思維的研究還比較少。且筆者研讀后發(fā)現(xiàn)研究者多從課堂實例展示或者觀察中得出不插電活動對學(xué)生計算思維的積極影響，較為籠統(tǒng)，缺乏實證研究。

不插電活動這種有效的學(xué)習(xí)形式現(xiàn)在主要采用課外活動的形式，很少進入正式的課堂教學(xué)中，是因為不插電的活動本身具有的團隊協(xié)作導(dǎo)向，以及活動的開展需要運用學(xué)生的運動覺，難以進入傳統(tǒng)課堂。還有一個重要的原因就是缺少科學(xué)的評價框架對學(xué)生參與活動后的學(xué)習(xí)效果進行評價。

盡管研究者普遍承認不插電活動提高了學(xué)生的興趣與參與度，實現(xiàn)了“玩中學(xué)，學(xué)中玩”的效果，并且教學(xué)者們在教學(xué)實踐中已經(jīng)逐漸采取不插電的計算機科學(xué)活動（以下簡稱不插電的活動）等形式來培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，但他們主要通過課堂觀察來說明不插電活動提高了學(xué)生的參與積極性，對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果缺乏教學(xué)目標(biāo)的指引和評估，缺少與傳統(tǒng)課堂的對照實驗研究，缺少系統(tǒng)科學(xué)的評估框架。

本研究的教學(xué)內(nèi)容來源于華中科技大學(xué)出版社出版的《不插電的計算機科學(xué)》，并參照cs unplugged 官網(wǎng)上的教學(xué)實例視頻展示，對學(xué)生完成活動后的相關(guān)計算能力的評估做了初步探索，為不插電活動這種新穎有效的信息技術(shù)教學(xué)方式走進傳統(tǒng)課堂作了鋪墊。本研究以不插電活動中二進制的學(xué)習(xí)為例，通過對實驗班和對照班采取不同的教學(xué)方法，并通過課堂觀察和即時測驗的方式來評估教學(xué)效果。用來評估教學(xué)效果的測試題每一題都與布魯姆學(xué)習(xí)目標(biāo)與計算思維對應(yīng)起來。

三、評價方法的確定與二進制教學(xué)過程

（一）計分標(biāo)準(zhǔn)的確定

根據(jù)上學(xué)期期末信息技術(shù)操作水平檢測的結(jié)果，筆者在長沙市雨花區(qū)某小學(xué)選取兩個水平相當(dāng)?shù)囊话啵?9人）和二班（36 人）分別作為實驗組和對照組。實驗組與對照組課堂教學(xué)的唯一變量在鞏固階段,教學(xué)過后即對兩班學(xué)生進行隨堂測試。

在編制二進制測試卷的同時需要確定測試卷的計分標(biāo)準(zhǔn)。二進制測試卷一共為六道題目，“不合格“記為0 分，“待提高“記為1 分，“完全掌握“記為2 分。測試卷的計分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 二進制測試卷計分標(biāo)準(zhǔn)[7]

（二）二進制測試卷與計算思維

在二進制數(shù)課中，學(xué)生學(xué)習(xí)了如何在二進制和十進制數(shù)之間進行轉(zhuǎn)化。二進制測試卷重點測試了用一位、兩位、三位、四位二進制數(shù)能夠表示的最大數(shù)。比如第五題要求學(xué)生能夠用五位二進制數(shù)表示最大值。學(xué)生可以通過將所有的位值（1+2+4+8+16）相加來計算答案，或者注意到由m 位二進制數(shù)能表示的最大數(shù)值比下一位數(shù)值少一。解決這種類型的問題體現(xiàn)了涉及計算思維的思維過程。雖然有多種解決方法，但預(yù)期的方法是讓學(xué)生認識模式，并歸納出解決方案，以便解決測試卷上的所有問題。

測試卷上的每個問題都對應(yīng)著一個或者多個計算思維技能，因此，對測試卷得分進行分析可以反映出學(xué)生對題目潛在的計算思維的理解和掌握程度。如表2所示。

表2 二進制測試題與計算思維

（三）二進制教學(xué)過程

表3展示了二進制教學(xué)過程和相應(yīng)的教學(xué)方法，實驗班和對照班在鞏固環(huán)節(jié)分別采用了游戲法和傳統(tǒng)課堂練習(xí)法。

表3 教學(xué)實驗過程

（四）課堂小結(jié)

1.卡片游戲環(huán)節(jié)促進學(xué)生團隊合作精神，提高課堂趣味性

盡管前兩個環(huán)節(jié)在設(shè)計和實施過程中堅持“以學(xué)生為主”的理念，循循誘導(dǎo)，步步啟發(fā)，仍有小部分學(xué)生不感興趣，或者因內(nèi)容的抽象不愿意接受或者有抵觸心理。通過卡片游戲營造的全班參與氣氛促使在前兩個環(huán)節(jié)中掉隊的學(xué)生重新學(xué)習(xí)游戲所必需具備的技能，即二進制的概念、表征與轉(zhuǎn)化，而這些正是本節(jié)課的教學(xué)技能目標(biāo)，而計算思維數(shù)據(jù)表征的抽象思維也在卡片游戲中得到鍛煉。

2.當(dāng)堂小測引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)不足

缺少了教學(xué)目標(biāo)的指引和評價體系的建立，游戲終究“難登大雅之堂”（進入不了正式課堂的陣地）。而當(dāng)堂小測作為形成性評價的一種，目的在于引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)課堂學(xué)習(xí)中的不足，引發(fā)討論和延伸課堂學(xué)習(xí)。

學(xué)生完成小測后會對測試中的題目進行激烈的討論和再次學(xué)習(xí)，暫時領(lǐng)先的學(xué)生自覺擔(dān)任“小老師”的角色指導(dǎo)暫時落后的學(xué)生。所有的這些學(xué)生都是自覺自發(fā)地進行，不需要教師提示或者強迫。這對課堂是很好地延伸。通過對學(xué)生完成小測后表現(xiàn)的觀察，筆者認為傳統(tǒng)的紙筆測試在學(xué)生尤其是小學(xué)生心中處于神圣地地位，對于紙筆測驗，大部分學(xué)生會更加認真嚴肅和慎重地對待，期待取得高分。

3.學(xué)生可能遇到的問題

當(dāng)將給定的十進制數(shù)轉(zhuǎn)化為二進制時，在教師沒有說明每張卡片（也就是位）的排列位置是固定且唯一的情況下，有學(xué)生可能會通過多次使用某一張（某一位）的方式湊成想要的十進制數(shù)。

四、結(jié)果分析

（一）測驗可靠性

利用SPSS 21 分析工具對實驗班和對照班的測驗分數(shù)進行可靠性分析。如下表4所示，當(dāng)克倫巴赫系數(shù)大于0.9 則表示評價體系信度很好。本套測試題信度系數(shù)為0.937，大于0.9，說明該測試題信度比較好，測試結(jié)果可靠。

表4 可靠性統(tǒng)計量

（二）結(jié)果顯著性檢驗

表5是通過SPSS 21 分析得出的獨立樣本T 檢驗結(jié)果。分析結(jié)論分為兩步，分別是方差齊性檢驗和T 檢驗。若方差齊性檢驗對應(yīng)的p 值大于顯著性水平0.05，則表明方差無顯著性差異，應(yīng)看第一行的T 檢驗結(jié)果；反之看第二行的T 檢驗結(jié)果。由表兩獨立樣本T 檢驗結(jié)果可以看出，p 值遠大于0.05，說明兩種教學(xué)方法沒有顯著差異。此結(jié)果與來自德國多特蒙德技術(shù)大學(xué)的Renate Thies 和Jan Vahrenhold[8]的實驗結(jié)果相同——他們在教室環(huán)境下（而不是在課后活動中）對一半學(xué)生采取不插電活動的學(xué)習(xí)，另一半學(xué)生則使用其他的替代材料學(xué)習(xí)，結(jié)果顯示無顯著差異。

表5 獨立樣本檢驗

表6展示了對照組和實驗組的被試人數(shù)、均值、標(biāo)準(zhǔn)差和均值的標(biāo)準(zhǔn)誤。通過下表中的均值和標(biāo)準(zhǔn)差比較發(fā)現(xiàn)，盡管獨立樣本T 檢驗顯示結(jié)果無顯著差異，但是實驗班的均值略高于對照班，標(biāo)準(zhǔn)差略低于對照班。說明在鞏固環(huán)節(jié)的卡片游戲教學(xué)方法起到一定的效果。

表6 組統(tǒng)計量

五、結(jié)論

克隆巴赫α系數(shù)顯示該測試卷在此次評估中信度佳。研究結(jié)果顯示兩個班的測試成績無明顯差異，但是實驗班成績均值比對照班略高，方差略小。課堂觀察發(fā)現(xiàn)實驗班學(xué)生投入度、參與度和興趣更高，對于后進生的帶動作用更加明顯。究其原因如下。

（一）測驗方式和教學(xué)實驗開展的局限

筆者認為，對照班的練習(xí)題環(huán)節(jié)與測試題形式有相似之處，使學(xué)生提前熟悉了考察形式，有所心理準(zhǔn)備。換句話說，使用紙筆的傳統(tǒng)測驗形式更有利于使用傳統(tǒng)的練習(xí)題方式學(xué)習(xí)的對照班。測試題考察的方式單一，范圍狹隘，涉及的主要是學(xué)生計算思維技能，忽視了學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的情感態(tài)度。此次評估是即時考試，沒有涉及學(xué)生記憶的保留。而能夠在學(xué)生記憶中保留較長時間的恰恰是他們親身參與，有情感參與的，有趣的經(jīng)歷，學(xué)習(xí)過程是否具備了這些特點影響學(xué)生延時的表現(xiàn)。除此之外，課堂40 分鐘時間局促，游戲活動環(huán)節(jié)不能充分施展。

（二）計算思維的培養(yǎng)是一個長期過程

不插電活動可以培養(yǎng)學(xué)生團隊合作精神，提高學(xué)生參與度；但是面對較為傳統(tǒng)的紙筆測驗，不插電活動沒有體現(xiàn)明顯的優(yōu)勢。

因筆者精力和時間有限，沒有開展延時對照組實驗，所以無法探究是否開展不插電學(xué)習(xí)活動的不同學(xué)習(xí)過程對學(xué)生較長期的影響，也沒有探究學(xué)生在學(xué)習(xí)前后對信息技術(shù)態(tài)度的變化。結(jié)果不顯著的原因還包括學(xué)生習(xí)慣于傳統(tǒng)教學(xué)方式，計算思維作為高階思維能力，對計算思維的培養(yǎng)不是一蹴而就的，而應(yīng)該是一個循序漸進的長期過程。