流程圖支持下的計(jì)算思維培養(yǎng)實(shí)踐研究

郁曉華 王美玲

【摘要】? ?? 當(dāng)前K-12階段的計(jì)算思維培養(yǎng)中缺乏一種思維加工的輔助工具，用以記錄并顯性化呈現(xiàn)學(xué)習(xí)者的思維從識(shí)別問(wèn)題到形成方案的全過(guò)程。這使得教學(xué)很難深入思維發(fā)展的細(xì)節(jié)部分，做出有針對(duì)性的指導(dǎo)和評(píng)價(jià)，使得計(jì)算思維培養(yǎng)的效果存在局限。本文基于工程設(shè)計(jì)的問(wèn)題解決視角，從問(wèn)題識(shí)別與分解、系統(tǒng)抽象與方案設(shè)計(jì)優(yōu)化、方案實(shí)現(xiàn)和問(wèn)題遷移四個(gè)階段探討了流程圖支持下的計(jì)算思維教學(xué)過(guò)程，并對(duì)來(lái)自上海某中學(xué)6年級(jí)～8年級(jí)的19名學(xué)生開(kāi)展了一個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，結(jié)合流程圖評(píng)價(jià)、能力前后測(cè)、作品評(píng)價(jià)、作品問(wèn)答反饋四種方式，從認(rèn)知和操作層面以及非認(rèn)知層面對(duì)他們的計(jì)算思維發(fā)展進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步顯示，學(xué)生的計(jì)算思維在流程圖的支持下得到了有效提升，并且流程圖得分高和流程圖得分提升幅度大的學(xué)生其提升效果更加顯著。

【關(guān)鍵詞】? 計(jì)算思維;流程圖;程序設(shè)計(jì);問(wèn)題解決;K-12;評(píng)價(jià);人工智能;信息技術(shù);核心素養(yǎng);信息素養(yǎng)

【中圖分類(lèi)號(hào)】? G642.0? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】? A? ? ? ?【文章編號(hào)】? 1009-458x（2019）9-0083-09

引言

計(jì)算思維作為一種解決問(wèn)題的重要技能（Wing， 2006），被認(rèn)為是與閱讀、寫(xiě)作、計(jì)算一樣的當(dāng)代學(xué)習(xí)者自我發(fā)展必備的基本素養(yǎng)之一（Freeman， Adams Becker， Cummins， Davis， & Hall Giesinger， 2017），也是人工智能（artificial intelligence， AI）時(shí)代的獨(dú)特能力要求（王本陸， 等， 2018）。2017年7月，國(guó)務(wù)院（2017）印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確了新時(shí)代下人工智能發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)以及AI人才培養(yǎng)的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。這一文件的出臺(tái)引發(fā)了教育界對(duì)于人工智能教學(xué)和編程教育下計(jì)算思維培養(yǎng)的關(guān)注，尤其是新一輪發(fā)展的落腳點(diǎn)由高等教育向K-12階段的發(fā)展遷移（Bocconi， Chioccariello， Dettori， Ferrari， & Engelhardt， 2016）。計(jì)算思維的培養(yǎng)強(qiáng)調(diào)為學(xué)習(xí)者建立一種以計(jì)算的視角和方法參與問(wèn)題解決全過(guò)程的全新能力（郁曉華， 等， 2018），涉及思維加工過(guò)程在問(wèn)題的識(shí)別與理解、問(wèn)題的分解與重構(gòu)、方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施等多個(gè)環(huán)節(jié)的綜合發(fā)展。但在以往計(jì)算思維培養(yǎng)模式下，學(xué)習(xí)者在解決問(wèn)題時(shí)思維加工的過(guò)程往往是直接隱含在編程開(kāi)發(fā)（方案的實(shí)施環(huán)節(jié)）中，不被重視、被弱化，甚至被忽略，而學(xué)習(xí)者計(jì)算思維的發(fā)展情況又是以最終的編程制品作為評(píng)價(jià)的主要依據(jù)或者是唯一的依據(jù)。由于最終的編程制品只能展現(xiàn)學(xué)習(xí)者思考的結(jié)果而不能呈現(xiàn)學(xué)習(xí)者思考的過(guò)程和變化，這種重結(jié)果輕過(guò)程的培養(yǎng)模式并不利于師生對(duì)計(jì)算思維發(fā)展細(xì)節(jié)的把握，也與計(jì)算思維培養(yǎng)的本質(zhì)不符。由此帶給我們的思考是，能否引入一種思維加工的輔助工具，用以記錄并顯性化呈現(xiàn)學(xué)習(xí)者的思維從識(shí)別問(wèn)題到形成方案的全過(guò)程，從而更好地幫助師生理解學(xué)習(xí)中的過(guò)程性信息，進(jìn)而有針對(duì)性地加以評(píng)價(jià)和調(diào)整，使計(jì)算思維的發(fā)展回歸核心本質(zhì)。在本研究中，流程圖就被選作這樣一種計(jì)算思維加工過(guò)程的可視化承載工具。

一、流程圖作為計(jì)算思維加工過(guò)程的可視化承載工具

（一）計(jì)算思維培養(yǎng)中對(duì)思維加工過(guò)程的忽視

編程教學(xué)作為目前培養(yǎng)計(jì)算思維的最主要手段，在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的實(shí)踐和多元化的發(fā)展。比如，美國(guó)麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室（MIT Media Lab）終身幼兒園研究小組（Lifelong Kindergarten research group）開(kāi)發(fā)了旨在培養(yǎng)計(jì)算思維的Scratch創(chuàng)意計(jì)算課程，該課程體系下每個(gè)學(xué)習(xí)單元中都有不同的情境和任務(wù)，學(xué)習(xí)者經(jīng)過(guò)自主思考后用Scratch探索開(kāi)發(fā)完成任務(wù)（王旭卿， 2014）;DEVTECH研究小組設(shè)計(jì)的KIBO課程，學(xué)習(xí)者在操作動(dòng)手的過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)計(jì)算思維概念的理解（Sullivan， Bers， & Mihm， 2017）。Wang等（2014）提出通過(guò)有形編程工具培養(yǎng)計(jì)算思維，教學(xué)分為演示、練習(xí)、創(chuàng)造開(kāi)發(fā)和訪談四個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)者在有了一定的操作基礎(chǔ)后進(jìn)入創(chuàng)造開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)，自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)自己喜歡的作品;在Atmatzidou等（2016）提出的基于教育機(jī)器人的計(jì)算思維培養(yǎng)模式下，學(xué)習(xí)者在工作表的指導(dǎo)下以小組合作的形式由易到難掌握基本操作，開(kāi)發(fā)機(jī)器人程序，培養(yǎng)計(jì)算思維核心能力。然而，從工程設(shè)計(jì)的視角看（Massachusetts Department of Education， 2006），這些研究普遍把培養(yǎng)的重心放在方案實(shí)現(xiàn)的環(huán)節(jié)，教學(xué)組織上大多是從識(shí)別與理解問(wèn)題直接就進(jìn)入代碼編程實(shí)現(xiàn)的階段，缺乏對(duì)問(wèn)題如何從現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)為抽象的觀察和指導(dǎo);在此操作中，學(xué)習(xí)者對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分解和重組，進(jìn)而進(jìn)行系統(tǒng)抽象和建模，形成設(shè)計(jì)方案的思維加工過(guò)程并沒(méi)有很好地被凸顯出來(lái)，大多被隱沒(méi)在具體的程序編寫(xiě)當(dāng)中。實(shí)際上，計(jì)算思維在實(shí)踐運(yùn)用中繼承了工程思維的統(tǒng)籌特性（郁曉華， 等， 2018），圍繞問(wèn)題的解決，學(xué)習(xí)者要能發(fā)現(xiàn)主客體的屬性以及它們之間的各種價(jià)值邏輯，并將這些關(guān)聯(lián)復(fù)合在一起加以提煉抽象（王榮良， 2008），同時(shí)還要能識(shí)別和評(píng)價(jià)出最佳解決方案。培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維能力并不是為了培養(yǎng)將來(lái)的程序員，而是要幫助他們更好地掌握解決問(wèn)題的思維和方法，建立觀察和理解周邊世界的全新視角（Grover & Pea， 2013; 李鋒，2018）。在計(jì)算思維的核心內(nèi)涵下，強(qiáng)調(diào)解決問(wèn)題的過(guò)程更重于問(wèn)題解決的結(jié)果。因此，從工程設(shè)計(jì)角度出發(fā)的計(jì)算思維教學(xué)過(guò)程應(yīng)至少包括識(shí)別問(wèn)題、分解問(wèn)題、系統(tǒng)抽象、方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化、方案實(shí)現(xiàn)五個(gè)部分。其中，前四個(gè)部分體現(xiàn)了思維的加工過(guò)程，最后一個(gè)部分則呈現(xiàn)了思維發(fā)展的結(jié)果。程序開(kāi)發(fā)只是對(duì)思維結(jié)果的一個(gè)很好的表達(dá)和呈現(xiàn)，而在分解重構(gòu)問(wèn)題、形成方案的過(guò)程中還亟須一個(gè)思維加工過(guò)程的承載工具來(lái)協(xié)助學(xué)習(xí)者進(jìn)行思路的梳理和建構(gòu)，記錄并可視化他們解決問(wèn)題過(guò)程中從現(xiàn)實(shí)向抽象的過(guò)渡與轉(zhuǎn)變。

（二）流程圖與計(jì)算思維過(guò)程的可視化

計(jì)算思維培養(yǎng)中思維加工過(guò)程的弱化甚至缺失，一方面是由于在教學(xué)設(shè)計(jì)當(dāng)中未受到重視，另一方面是由于沒(méi)有尋找到適合的思維承載工具。在已有研究中，主要是通過(guò)訪談或調(diào)查問(wèn)卷的形式呈現(xiàn)學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維加工過(guò)程。比如，布倫南和瑞斯尼克（Brennan & Resnick， 2012）采用基于作品的訪談法了解學(xué)習(xí)者開(kāi)發(fā)作品的過(guò)程性信息，但這種形式耗費(fèi)大量時(shí)間，而且要求學(xué)生保持對(duì)開(kāi)發(fā)過(guò)程的準(zhǔn)確記憶，訪談過(guò)程中容易出現(xiàn)部分學(xué)習(xí)者存在表達(dá)障礙等情況;科爾克馬茲等人（Korkmaz， ?akir， & ?zden， 2017）通過(guò)編制量表來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)者計(jì)算思維技能的發(fā)展，但這種形式容易產(chǎn)生測(cè)驗(yàn)誤差，對(duì)低年級(jí)學(xué)習(xí)者易造成理解困難。思維可視化的出現(xiàn)，有力推動(dòng)了學(xué)習(xí)者的“思維發(fā)聲”，運(yùn)用可視的技術(shù)手段可以將他們隱性的思維過(guò)程清晰地呈現(xiàn)出來(lái)（趙慧臣， 等， 2014），以協(xié)助對(duì)學(xué)習(xí)者的思維加工過(guò)程進(jìn)行理解和認(rèn)識(shí)。思維可視化通過(guò)豐富的圖示符號(hào)展現(xiàn)了主題元素之間的關(guān)系邏輯和過(guò)程演繹，近年來(lái)開(kāi)始逐漸納入計(jì)算思維的培養(yǎng)環(huán)節(jié)之中。例如，Chen等（2015）在計(jì)算思維的培養(yǎng)過(guò)程中引入概念圖幫助教師建構(gòu)教學(xué)問(wèn)題，有效提升了學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維。Repenning等（2016）指出思維導(dǎo)圖可以作為輔助計(jì)算思維培養(yǎng)的工具，將概念捕獲為節(jié)點(diǎn)和鏈接，學(xué)習(xí)者通過(guò)使用思維導(dǎo)圖可視地組織信息，支持問(wèn)題表達(dá)這一概念化的過(guò)程。在各種圖示方式中，流程圖以其特性更適合用于繪制解決問(wèn)題的過(guò)程（劉濯源， 2014），當(dāng)前編程教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用非常多。例如，基于流程圖的編程環(huán)境中將流程圖直接作為一種設(shè)計(jì)工具，幫助學(xué)習(xí)者尤其是編程初學(xué)者實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā);通過(guò)減少對(duì)編程語(yǔ)言和語(yǔ)法的關(guān)注，將設(shè)計(jì)聚焦在解決問(wèn)題的過(guò)程上（Crews & Ziegler， 1998; Powers， et al.， 2006; Hooshyar， Ahmad， Shamshirband， Yousefi， & Horng， 2015）;在正式編寫(xiě)代碼之前，引入繪制流程圖的環(huán)節(jié)，可以促進(jìn)學(xué)習(xí)者理解程序的邏輯關(guān)系，提升編程的學(xué)習(xí)效果（Hu， 2003）。基于此，流程圖可以很好地作為計(jì)算思維過(guò)程抽象表達(dá)的形式化工具，以有效展現(xiàn)問(wèn)題解決的細(xì)節(jié)分解和過(guò)程演繹（Gouws， Bradshaw， & Wentworth， 2013）。此外，還可以作為一種評(píng)價(jià)工具，以考察學(xué)習(xí)者解決問(wèn)題的思考過(guò)程（Chen， et al.， 2017），但現(xiàn)有實(shí)踐在流程圖與計(jì)算思維的結(jié)合上并不多見(jiàn)。

二、流程圖支持下的計(jì)算思維培養(yǎng)實(shí)踐

（一）計(jì)算思維在流程圖中的體現(xiàn)

有效的培養(yǎng)實(shí)踐扎根于對(duì)計(jì)算思維的深度理解。數(shù)十年來(lái)，諸如周以真（Wing， 2006）、美國(guó)師生創(chuàng)新技術(shù)體驗(yàn)機(jī)構(gòu)（Innovative Technology Experiences for Students and Teachers，ITEST）計(jì)算思維工作組（Allan， et al.， 2010）、計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（Computer Science Teachers Association， CSTA）與美國(guó)教育技術(shù)協(xié)會(huì)（International Society for Technology in Education，ISTE）（2011）、美國(guó)麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室的布倫南和瑞斯尼克（Brennan， et al.， 2012）、南安普頓大學(xué)的塞爾比等（Selby & Woollard， 2013）以及中國(guó)教育部（2018）等很多組織和研究人員都對(duì)計(jì)算思維的含義進(jìn)行了不同闡釋。盡管這些闡釋中關(guān)于計(jì)算思維所包含的內(nèi)容和評(píng)估計(jì)算思維發(fā)展的策略不盡相同，但都普遍認(rèn)為計(jì)算思維是一種關(guān)于問(wèn)題解決的復(fù)合思維能力，包含計(jì)算視角下解決問(wèn)題的多個(gè)要素——問(wèn)題識(shí)別、問(wèn)題分解、抽象、算法和邏輯等。而選擇的思維承載工具只有能很好地對(duì)這些要素加以展示，才能有效呈現(xiàn)問(wèn)題解決思維的形成與演變過(guò)程。本研究中，流程圖的使用與計(jì)算思維要素間的映射關(guān)系如表1所示。

（二）教學(xué)實(shí)踐的設(shè)計(jì)

計(jì)算思維是一種建構(gòu)性思維，需要將解決問(wèn)題的思維轉(zhuǎn)化為一系列計(jì)算機(jī)可以理解并執(zhí)行的過(guò)程，再進(jìn)一步建立可自動(dòng)化處理的計(jì)算系統(tǒng)。從認(rèn)知的角度看，計(jì)算思維與問(wèn)題求解密切相關(guān)（龔靜， 等， 2018），計(jì)算思維的提升依賴(lài)于持續(xù)的發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題的過(guò)程，即從一個(gè)問(wèn)題開(kāi)始提出解決這個(gè)問(wèn)題的理論和方法。隨著最初的問(wèn)題解決會(huì)產(chǎn)生新的問(wèn)題，然后提出新的解決方案，以此循環(huán)往復(fù)。這種“從問(wèn)題到問(wèn)題”的原則對(duì)培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維能力具有一定的參考價(jià)值（Chen， et al.， 2015）。本研究中教學(xué)的開(kāi)展基于工程設(shè)計(jì)的問(wèn)題解決視角，圍繞項(xiàng)目主題，使用流程圖作為“思維發(fā)聲”支架，聚焦于學(xué)習(xí)者的思維加工過(guò)程和方法習(xí)得。整個(gè)教學(xué)過(guò)程如圖1所示。

1. 識(shí)別問(wèn)題與分解問(wèn)題

每個(gè)教學(xué)項(xiàng)目本質(zhì)上就是蘊(yùn)含在實(shí)際生活情境中的一個(gè)大的問(wèn)題。教學(xué)從學(xué)習(xí)者熟悉的生活場(chǎng)景或現(xiàn)象導(dǎo)入，使他們能很方便地結(jié)合自身的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)識(shí)別出問(wèn)題的主題，從而將思維加工聚焦于從情境中抽象出待解決的問(wèn)題并加以分解細(xì)化。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)習(xí)者可借助流程圖的不同等級(jí)逐漸呈現(xiàn)他們理解問(wèn)題的層次，以及他們?nèi)绾螌⒁粋€(gè)大問(wèn)題分解為不同粒度的問(wèn)題和對(duì)象的思維過(guò)程。

2. 系統(tǒng)抽象與方案設(shè)計(jì)優(yōu)化

學(xué)習(xí)者自主思考，由簡(jiǎn)單、基礎(chǔ)的子問(wèn)題著手，并借助流程圖中的框線(xiàn)和符號(hào)逐漸抽象、設(shè)計(jì)問(wèn)題解決的計(jì)算邏輯，最終建立起系統(tǒng)化的解決方案。在此過(guò)程中，雖強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者探索的主體作用，但教師適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)以及與同伴的交流互動(dòng)也同樣不可或缺。學(xué)習(xí)者通過(guò)反思不斷更新解決問(wèn)題的思路，進(jìn)而不斷優(yōu)化自己的流程圖設(shè)計(jì)，即系統(tǒng)的程序邏輯，發(fā)現(xiàn)最佳的問(wèn)題解決方案。這一階段所形成的流程圖，不僅呈現(xiàn)了學(xué)習(xí)者抽象和優(yōu)化問(wèn)題解決系統(tǒng)的思維過(guò)程，也為下一步實(shí)現(xiàn)方案的具體程序開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)。教師可以根據(jù)學(xué)習(xí)者繪制的流程圖了解他們解決問(wèn)題的思路，還可以將其作為評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)者計(jì)算思維發(fā)展的重要依據(jù)。

3. 方案實(shí)現(xiàn)

學(xué)習(xí)者在繪制流程圖的基礎(chǔ)上，使用各類(lèi)程序開(kāi)發(fā)工具實(shí)現(xiàn)問(wèn)題解決方案的開(kāi)發(fā)，在呈現(xiàn)思維發(fā)展結(jié)果的同時(shí)，也驗(yàn)證程序邏輯的可行性和效率。學(xué)習(xí)者在完成一個(gè)子問(wèn)題后，再以同樣的方式進(jìn)行下一個(gè)更深層次子問(wèn)題的解決。通過(guò)這種問(wèn)題邏輯的逐層疊加、從簡(jiǎn)單情境到復(fù)雜情境的螺旋式上升方式，最終完成整個(gè)項(xiàng)目問(wèn)題的工程方案設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

4. 問(wèn)題遷移

問(wèn)題遷移是計(jì)算思維培養(yǎng)不可缺失的一環(huán)，是促使項(xiàng)目習(xí)得的思維過(guò)程和解決方法真正吸收內(nèi)化進(jìn)而遷移運(yùn)用的一步。在每個(gè)項(xiàng)目結(jié)束后，通過(guò)反饋問(wèn)答，學(xué)習(xí)者被要求進(jìn)一步根據(jù)程序的運(yùn)行結(jié)果回看流程圖的計(jì)算邏輯，總結(jié)擬定的計(jì)算邏輯在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中所做出的調(diào)整及其原因，同時(shí)提煉自己在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)解決方案的抽象過(guò)程，思考當(dāng)前問(wèn)題的解決模式可否應(yīng)用于生活中的其他問(wèn)題情境，又需要做哪些改變。

（三）教學(xué)實(shí)踐的開(kāi)展

1. 教學(xué)實(shí)踐過(guò)程

本研究的實(shí)驗(yàn)對(duì)象為上海某中學(xué)6年級(jí)～8年級(jí)的學(xué)生，共19人（6年級(jí)5人，7年級(jí)8人，8年級(jí)6人），研究人員利用課外興趣拓展課對(duì)他們進(jìn)行了為期一個(gè)學(xué)期的流程圖支持下的計(jì)算思維培養(yǎng)實(shí)踐。在教學(xué)中，流程圖作為思維過(guò)程的承載工具，對(duì)流程圖的使用遵守美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（American National Standards Institute， ANSI）所提出的規(guī)范，而App Inventor（一款在線(xiàn)Android可視化編程工具軟件）作為思維結(jié)果的呈現(xiàn)工具。研究在項(xiàng)目學(xué)習(xí)前首先對(duì)參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生進(jìn)行了有關(guān)流程圖使用的教學(xué)，然后依次開(kāi)展了涂鴉畫(huà)板（4課時(shí)）、躲避障礙物（8課時(shí)）、手機(jī)通訊錄（6課時(shí)）三個(gè)主題項(xiàng)目的教學(xué)，主題復(fù)雜度依次遞增。

2. 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方式及其數(shù)據(jù)處理

計(jì)算思維的能力培養(yǎng)涉及認(rèn)知層面與操作層面。此外，Snow等人（2017）指出測(cè)評(píng)還需要從認(rèn)知和非認(rèn)知角度進(jìn)行?；谟?jì)算思維概念的復(fù)雜多元性，單一的評(píng)價(jià)手段很難全面呈現(xiàn)學(xué)習(xí)者計(jì)算思維的發(fā)展情況，因此本研究借鑒以往研究中較為成熟的經(jīng)驗(yàn)和方法，整合了流程圖評(píng)價(jià)法、能力測(cè)試題（前后測(cè)法）、作品評(píng)價(jià)法和作品問(wèn)答反饋分析法四種評(píng)價(jià)方式。

（1）流程圖的數(shù)據(jù)

評(píng)分員在預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)流程圖基礎(chǔ)上分別對(duì)學(xué)生在三個(gè)項(xiàng)目中所繪制的流程圖進(jìn)行評(píng)分，每個(gè)項(xiàng)目滿(mǎn)分為12分（如表2所示）。評(píng)分規(guī)則為：①流程圖結(jié)構(gòu)的完整性，即符號(hào)的選用是否正確，是否包含開(kāi)始結(jié)束符，是否包含解決問(wèn)題所必要的一些結(jié)構(gòu);②流程圖結(jié)構(gòu)的合理性，即所示流程邏輯是否清晰，是否能夠有效地解決問(wèn)題;③流程的創(chuàng)新性，即是否包含一些標(biāo)準(zhǔn)之外的獨(dú)特設(shè)計(jì)。流程圖的得分將客觀反映學(xué)生計(jì)算思維的綜合發(fā)展情況。

（2）前后測(cè)的數(shù)據(jù)

本研究參考Román-González等（2017）所編制的計(jì)算思維測(cè)試題，在教學(xué)前后分別進(jìn)行了前后測(cè)。本套測(cè)試題是依靠計(jì)算的基本概念和使用編程語(yǔ)言的邏輯語(yǔ)法來(lái)制定的，由28道單選題組成，適用于5年級(jí)～10年級(jí)的學(xué)生，圖2是翻譯成中文后的計(jì)算思維測(cè)試題目示例及其說(shuō)明。參照測(cè)試題自身的設(shè)置，結(jié)合本研究對(duì)計(jì)算思維的設(shè)定，測(cè)試結(jié)果將從算法、邏輯思維和抽象三個(gè)角度來(lái)客觀反映學(xué)生的計(jì)算思維在認(rèn)知層面的發(fā)展變化。

（3）App作品的數(shù)據(jù)

研究將學(xué)生所提交的App作品下載安裝并進(jìn)行試用，以獲取學(xué)生作品相對(duì)于教師所要求功能的完成情況，以及學(xué)生作品中功能的拓展創(chuàng)新情況，從而了解學(xué)生的計(jì)算思維在操作層面的發(fā)展變化。

（4）作品反饋問(wèn)答的數(shù)據(jù)

研究通過(guò)作品反饋問(wèn)答收集學(xué)生對(duì)參與項(xiàng)目學(xué)習(xí)的自我評(píng)價(jià)，對(duì)所學(xué)問(wèn)題解決的計(jì)算技術(shù)與方法的表述，以及對(duì)這些技術(shù)和方法可遷移用在學(xué)習(xí)或生活中哪些方面的思考。整理學(xué)生的這些觀點(diǎn)或看法，可對(duì)其計(jì)算思維在教學(xué)后在解決問(wèn)題策略、理解問(wèn)題發(fā)散性等非認(rèn)知層面的變化有所了解。

三、流程圖支持下的計(jì)算思維培養(yǎng)實(shí)踐評(píng)價(jià)

隨著三個(gè)項(xiàng)目的教學(xué)實(shí)踐推進(jìn)，流程圖的得分直接映射了學(xué)生的計(jì)算思維在問(wèn)題識(shí)別、問(wèn)題分解、問(wèn)題解決、創(chuàng)意拓展等方面的綜合發(fā)展。研究還進(jìn)一步根據(jù)學(xué)生流程圖的得分對(duì)學(xué)生繪制流程圖的能力水平進(jìn)行了分組，再結(jié)合其他三種評(píng)價(jià)方式探究流程圖支持下不同組別的學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的差異，以及在非認(rèn)知層面的發(fā)展影響。

（一）計(jì)算思維認(rèn)知和操作層面的發(fā)展評(píng)價(jià)

1. 對(duì)流程圖的分析

兩位評(píng)分員基于研究設(shè)定的評(píng)分細(xì)則，分別對(duì)19名學(xué)生在3個(gè)項(xiàng)目中繪制的流程圖進(jìn)行了評(píng)分。評(píng)分的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)分別是，項(xiàng)目一0.756，項(xiàng)目二0.743，項(xiàng)目三0.875，評(píng)分一致性較高。因此，可將兩位評(píng)分員對(duì)每位學(xué)生評(píng)分的平均值認(rèn)定為該生在該項(xiàng)目流程圖上的最終成績(jī)。各年級(jí)學(xué)生在三個(gè)項(xiàng)目上流程圖的平均得分情況如表3所示。

從表中不難看出，學(xué)生在經(jīng)歷了項(xiàng)目1和項(xiàng)目2的學(xué)習(xí)后，到項(xiàng)目3的學(xué)習(xí)時(shí)三個(gè)年級(jí)學(xué)生的流程圖得分都有了明顯的提升，即計(jì)算思維綜合能力得到了有效發(fā)展。

2. 對(duì)前后測(cè)的分析

前后測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，無(wú)論從整體上還是分年級(jí)段，學(xué)生的計(jì)算思維后測(cè)平均成績(jī)均高于前測(cè)。可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)了一學(xué)期的項(xiàng)目教學(xué)后，學(xué)生的計(jì)算思維能力得到了提升。將學(xué)生在三個(gè)項(xiàng)目中的流程圖得分求平均值后與后測(cè)成績(jī)做相關(guān)分析，皮爾森系數(shù)為0.714，呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明學(xué)生計(jì)算思維能力的提升與流程圖的使用相關(guān)聯(lián)。

根據(jù)流程圖得分的高低，研究將學(xué)生分為高、低兩組（三個(gè)流程圖平均得分位于前50%和后50%），排除前后測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)效的3人后每組8人，高分組學(xué)生主要分布在6年級(jí)、8年級(jí)，低分組主要是7年級(jí)學(xué)生。兩組學(xué)生計(jì)算思維的各個(gè)維度在前后測(cè)中的差異如表4所示。在抽象、邏輯以及總成績(jī)方面，高分組進(jìn)步幅度均大于低分組，而且采用配對(duì)樣本T檢驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)高分組在這三方面的提升是顯著的，即流程圖繪制越好計(jì)算思維分?jǐn)?shù)提升幅度越明顯，說(shuō)明流程圖的支持能夠有效促進(jìn)學(xué)習(xí)者計(jì)算思維的發(fā)展。這與已有研究的觀點(diǎn)相符，流程圖能夠幫助學(xué)生將他們思考問(wèn)題的過(guò)程顯性化呈現(xiàn)出來(lái)從而支持思維表達(dá)，提高學(xué)生的認(rèn)知能力（趙慧臣， 等， 2014），并且流程圖的使用與計(jì)算思維要素之間還存在緊密的映射關(guān)系（見(jiàn)表1）。所以高分組學(xué)生流程圖掌握程度好，在其支持下的計(jì)算思維就能夠得到更有效的提升。對(duì)于算法維度，由于前測(cè)時(shí)高分組得分已經(jīng)達(dá)到較高水平，所以進(jìn)步空間有限。

3. 對(duì)學(xué)生作品的分析

在本研究中，最終有12人完整地提交了3個(gè)項(xiàng)目的App作品。研究發(fā)現(xiàn)每個(gè)項(xiàng)目中流程圖得分高的學(xué)生其作品完成度更高，說(shuō)明流程圖能夠幫助他們梳理思路、明確解決方案，減少直接編程帶來(lái)的盲目性。此外，隨著教學(xué)項(xiàng)目的逐步推進(jìn)，越來(lái)越多的學(xué)生開(kāi)始能夠在作品中體現(xiàn)個(gè)人想法，開(kāi)發(fā)拓展功能。其中，83%位于流程圖高分組或流程圖得分提升幅度較大組（項(xiàng)目三之于項(xiàng)目一流程圖得分提升幅度位于前50%）。可見(jiàn)，流程圖掌握好的學(xué)習(xí)者更能夠自主發(fā)現(xiàn)情境中蘊(yùn)含的問(wèn)題，并能結(jié)合所學(xué)知識(shí)開(kāi)發(fā)出解決該問(wèn)題的功能，這也從側(cè)面展現(xiàn)了流程圖的引入能夠使學(xué)習(xí)者利用計(jì)算工具解決問(wèn)題的能力增強(qiáng)，促進(jìn)他們計(jì)算思維的發(fā)展。

（二）計(jì)算思維非認(rèn)知層面的發(fā)展影響

在作品反饋問(wèn)答中，有7名學(xué)生提出習(xí)得的問(wèn)題解決思維和方法可以遷移用在日常的學(xué)習(xí)和生活中（圖3左上）。有2名學(xué)生明確表達(dá)課程發(fā)展了他們的邏輯思維能力，增強(qiáng)了他們學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)等學(xué)科的興趣（圖3右上）。此外，還有7名學(xué)生認(rèn)為在這樣的教學(xué)模式下，自身在解決問(wèn)題的過(guò)程中更愿意堅(jiān)持和探索;有8名同學(xué)表示，面對(duì)項(xiàng)目學(xué)習(xí)中遇到的困難他們不會(huì)立刻求助老師和同學(xué)，而是會(huì)優(yōu)先選擇獨(dú)立思考，自主解決（圖3下）。在這些學(xué)生中，81%的人位于流程圖得分高分組或流程圖得分提升幅度較大組。這也進(jìn)一步說(shuō)明流程圖支持下的計(jì)算思維培養(yǎng)方式的有效性，通過(guò)體驗(yàn)與習(xí)得解決問(wèn)題的思維和方法，學(xué)習(xí)者的探索精神和自主意識(shí)有所增強(qiáng)。

（三）實(shí)踐中的問(wèn)題探討

當(dāng)然，研究中存在不少問(wèn)題。比如，學(xué)生在項(xiàng)目二中的流程圖得分普遍偏低，一方面是因?yàn)轫?xiàng)目二在三個(gè)項(xiàng)目中的算法難度相對(duì)最高，另一方面是因?yàn)闆](méi)有很好地考慮學(xué)生對(duì)流程圖繪制的適應(yīng)過(guò)程。在學(xué)生正式熟悉流程圖應(yīng)用之前，需要適當(dāng)?shù)丶右砸龑?dǎo)，必要時(shí)可以給出部分支架讓學(xué)生以拼圖的形式去建構(gòu)解決問(wèn)題的方案。然后，隨著學(xué)生掌握程度的提高，再逐漸弱化這種引導(dǎo)和支持，以一種循序漸進(jìn)的方式讓流程圖在教學(xué)中取得最好的效果。另外，研究發(fā)現(xiàn)7年級(jí)學(xué)生的流程圖得分相較于其他兩個(gè)年級(jí)偏低，7年級(jí)60%以上的學(xué)生位于流程圖得分低分組。進(jìn)一步聯(lián)系實(shí)踐的課堂觀察分析原因，發(fā)現(xiàn)7年級(jí)的學(xué)生更傾向于動(dòng)手操作，不愿在流程圖繪制上花時(shí)間，因此流程圖的完成度以及完成質(zhì)量都普遍不高。6年級(jí)學(xué)生對(duì)教師的信任感較強(qiáng)，能夠按照課堂要求認(rèn)真完成流程圖繪制任務(wù);8年級(jí)學(xué)生自主性和自制力逐漸增強(qiáng)，對(duì)于有助于自身學(xué)習(xí)的方式方法能夠積極主動(dòng)地貫徹實(shí)施;7年級(jí)學(xué)生在學(xué)習(xí)上處于一種被動(dòng)與主動(dòng)之間的臨界區(qū)域，缺乏持之以恒的態(tài)度，因而導(dǎo)致流程圖得分較低的現(xiàn)象。這在教學(xué)設(shè)計(jì)上帶給研究者的思考是，要注意提升流程圖繪制任務(wù)的趣味性以及問(wèn)題粒度設(shè)置的適當(dāng)性，以此吸引學(xué)生的注意力，讓他們主動(dòng)投入繪制流程圖的環(huán)節(jié)。

四、總結(jié)與展望

人工智能的迅速崛起正在改變世界發(fā)展的態(tài)勢(shì)，而在K-12階段加快計(jì)算思維的培養(yǎng)是這一態(tài)勢(shì)競(jìng)爭(zhēng)的重要一環(huán)。未來(lái)的世界需要能有效理解、應(yīng)用并創(chuàng)造計(jì)算技術(shù)的人。我們需要具備主動(dòng)而非被動(dòng)地借助技術(shù)解決問(wèn)題的思維和能力，這也將是未來(lái)人與人之間的重要區(qū)別（Thorson， 2018）。但在計(jì)算思維的常規(guī)培養(yǎng)模式下，教學(xué)過(guò)于關(guān)注程序的操作開(kāi)發(fā)，強(qiáng)調(diào)思維的結(jié)果，而缺乏顯性化呈現(xiàn)解決問(wèn)題的思維加工過(guò)程，很難深入思維發(fā)展的細(xì)節(jié)做出針對(duì)性的指導(dǎo)和評(píng)價(jià)，從而局限了計(jì)算思維培養(yǎng)的效果。在本研究中，流程圖作為一種思維發(fā)展承載工具被引入教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。

新方式強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者解決每一個(gè)問(wèn)題都伴隨著繪制流程圖，流程圖作為思維發(fā)聲的工具在識(shí)別問(wèn)題、分解重構(gòu)問(wèn)題和形成方案的過(guò)程中發(fā)揮作用，幫助學(xué)習(xí)者梳理思路，記錄他們思維發(fā)展的全過(guò)程。研究初步證明了該方式能夠有效促進(jìn)學(xué)習(xí)者計(jì)算思維中問(wèn)題識(shí)別、問(wèn)題分解、抽象、算法和邏輯等維度的發(fā)展，其中對(duì)流程圖得分高或得分提升幅度大的學(xué)習(xí)者的促進(jìn)效果更加顯著。但該模式想要進(jìn)一步推廣實(shí)踐還存在優(yōu)化改進(jìn)的空間。第一，為減輕學(xué)習(xí)者對(duì)流程圖使用的不適應(yīng)性，教師在問(wèn)題解決過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)提供部分支架以輔助學(xué)習(xí)者完成流程圖繪制，幫助學(xué)習(xí)者減輕認(rèn)知負(fù)荷。第二，教師要注意問(wèn)題粒度設(shè)置的適當(dāng)性和趣味性，以提高學(xué)習(xí)者完成任務(wù)的積極性和注意力集中度。此外，研究所采用的流程圖評(píng)價(jià)法、前后測(cè)測(cè)試法、作品評(píng)價(jià)法以及反饋問(wèn)答題分析法等，全面呈現(xiàn)了學(xué)習(xí)者計(jì)算思維的認(rèn)知和操作層面以及非認(rèn)知層面的發(fā)展情況，能夠?yàn)閷?shí)踐培養(yǎng)中的評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)打開(kāi)新思路。

作為21世紀(jì)的必備素養(yǎng)，K-12階段計(jì)算思維的培養(yǎng)與國(guó)家人才儲(chǔ)備與人才競(jìng)爭(zhēng)息息相關(guān)，但目前這一研究仍處于發(fā)展階段（Freeman， et al.， 2017），需要從不同的視角、結(jié)合不同的手段加以支持和完善。但不管怎樣，只有將思維的形成與演變過(guò)程可視化，才能更好地引導(dǎo)和評(píng)價(jià)思維的發(fā)展。

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收稿日期：2019-01-15

定稿日期：2019-07-02

作者簡(jiǎn)介：郁曉華，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師;王美玲，碩士研究生。華東師范大學(xué)教育學(xué)部教育信息技術(shù)學(xué)系（200062）。

責(zé)任編輯 單 玲