小學(xué)生計(jì)算思維能力調(diào)查研究

王小紅 趙明

摘 要：計(jì)算思維在基礎(chǔ)教育階段受到了廣泛關(guān)注，但其定義以及如何進(jìn)行評(píng)價(jià)目前并沒有形成共識(shí)，關(guān)于小學(xué)生計(jì)算思維能力的情況還處于未知狀態(tài)。文章通過對(duì)計(jì)算思維能力測量工具的驗(yàn)證，采用分層多階段整體隨機(jī)抽樣方法對(duì)西安市小學(xué)3-5年級(jí)542名學(xué)生的計(jì)算思維能力進(jìn)行了調(diào)查，對(duì)其進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)和信效度分析，并分析了小學(xué)生計(jì)算思維能力的性別差異。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維;計(jì)算思維測試;性別差異

中圖分類號(hào)：G434? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1673-8454（2019）24-0014-06

在當(dāng)前信息技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代背景下，處理計(jì)算機(jī)語言成為一種不可避免的技能、一種新的讀寫能力，能讓我們充分有效地參與到信息技術(shù)中。因此，當(dāng)一個(gè)人能夠用計(jì)算機(jī)和其他機(jī)器語言讀寫，并能夠用計(jì)算機(jī)的方式思考時(shí)，就被認(rèn)為是懂代碼的人。計(jì)算思維就是指解決問題的認(rèn)知過程[1]。盡管計(jì)算思維可以轉(zhuǎn)移到不直接涉及編程任務(wù)的各種類型的問題上[2]，但計(jì)算機(jī)編程是使計(jì)算思維活躍起來的基礎(chǔ)方法。

隨著信息技術(shù)的普及，計(jì)算思維越來越被視為創(chuàng)造而不僅僅是消費(fèi)技術(shù)的基本技能[3]，許多國家對(duì)引入計(jì)算思維的興趣重新點(diǎn)燃。計(jì)算思維是新一代學(xué)生需要掌握的一套解決問題的技能，長期以來被認(rèn)為是學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的重要因素[4]，因此許多國家都將其納入到國家教育課程中。英國等一些歐洲國家從小學(xué)開始引入編程教學(xué)，并將計(jì)算思維納入到課程中。2011年，美國計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）和計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（ACM），將計(jì)算思維納入到小學(xué)并且制定了《K-12計(jì)算機(jī)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》。2015年，澳大利將計(jì)算思維納入課程目標(biāo)，上述均反映出各國對(duì)計(jì)算思維重要性的認(rèn)識(shí)。計(jì)算思維已被描述為一項(xiàng)基本的技能，然而業(yè)界對(duì)其定義以及如何測量和評(píng)估尚未達(dá)成共識(shí)。

國外已有研究證明：在計(jì)算思維方面男生和女生存在顯著差異，并且這種現(xiàn)象隨著年級(jí)的增加更加突出[5]，那么在我國的基礎(chǔ)教育階段是否存在這種差異現(xiàn)象呢？因此，本文旨在提供一種新的測量計(jì)算思維能力的工具，調(diào)查在思維初步形成階段的小學(xué)生計(jì)算思維能力現(xiàn)狀，為后續(xù)小學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)打好基礎(chǔ)。陳英和與趙笑梅發(fā)現(xiàn)：3-5年級(jí)學(xué)生在計(jì)算機(jī)上編寫程序時(shí)，已經(jīng)具備類似問題解決的能力[6]，因此本次研究對(duì)象為3-5年級(jí)的小學(xué)生。

一、研究綜述

1.計(jì)算思維定義

計(jì)算思維這一術(shù)語包含著概念和思維過程，這些概念和思維過程有助于在不同的領(lǐng)域以一種計(jì)算機(jī)的方式形成解決方案。2006年，周以真教授首次提出計(jì)算思維并給出正式的定義，認(rèn)為“計(jì)算思維是一種利用計(jì)算機(jī)科學(xué)概念解決問題的方法，不只是計(jì)算機(jī)科學(xué)家應(yīng)該具有的技能，而是所有人都應(yīng)具備的技能”[7]。2011年，其又在此基礎(chǔ)上對(duì)計(jì)算思維定義進(jìn)行了修訂，認(rèn)為“計(jì)算思維是一種解決問題的思維過程”[8]。隨著計(jì)算思維的不斷深入，學(xué)者們紛紛對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行定義。2011年，美國國際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）和計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）聯(lián)合認(rèn)為“計(jì)算思維是通過數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)表示、問題分解、抽象、算法和程序、自動(dòng)化、模擬和并行化等環(huán)節(jié)進(jìn)行問題解決的過程?！?[9]這也是計(jì)算思維最常見的兩種定義，但目前并沒有形成統(tǒng)一。

通過對(duì)已有文獻(xiàn)的梳理發(fā)現(xiàn)，計(jì)算思維定義使用最多的詞匯有：問題解決、抽象、過程、數(shù)據(jù)、概念、算法、求解、自動(dòng)化等[10]。并將計(jì)算思維歸納為問題解決說、系統(tǒng)說、過程說、活動(dòng)及方法說、工具說等[11]。

2.計(jì)算思維評(píng)價(jià)

目前關(guān)于計(jì)算思維的評(píng)價(jià)并沒有統(tǒng)一的工具，然而驗(yàn)證過的測量儀器在任何研究領(lǐng)域都是有價(jià)值的。近年來，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)中小學(xué)的計(jì)算思維進(jìn)行測量和評(píng)估的嘗試是值得關(guān)注的。

Werner等人在研究中使用了一個(gè)基于Alice平臺(tái)的“仙女評(píng)價(jià)”系統(tǒng)，試圖調(diào)查學(xué)生在問題解決過程中對(duì)計(jì)算思維概念的理解和使用情況[12]。然而，該儀器只針對(duì)Alice編程學(xué)習(xí)環(huán)境，并沒有經(jīng)過心理測量學(xué)驗(yàn)證。美國克萊姆森大學(xué)的研究小組提供了一個(gè)互補(bǔ)的觀點(diǎn)。這些學(xué)者提出了一個(gè)動(dòng)覺的學(xué)習(xí)方法（具體學(xué)習(xí)）來評(píng)估五年級(jí)和六年級(jí)學(xué)生的計(jì)算思維。為此，他們?cè)贏lice環(huán)境中運(yùn)行序列編程（舞蹈）活動(dòng)，在物理動(dòng)覺環(huán)境中表示相同的序列。評(píng)估工具也結(jié)合了這兩種設(shè)置，但其心理測量特性尚未報(bào)告。

另外，美國科羅拉多大學(xué)的小組也提供了一個(gè)有趣的研究方向，他們與第一組視頻游戲編程環(huán)境中的學(xué)生合作，在年輕程序員創(chuàng)建視頻游戲的背景下，設(shè)計(jì)了計(jì)算思維模式圖，用于分析學(xué)生編程的游戲，并以圖形化方式與模型相比，每個(gè)游戲涉及不同計(jì)算思維模式的程度[13]。第二組研究試圖評(píng)估學(xué)生是否能夠?qū)⒁曨l游戲編程期間獲得的計(jì)算思維模式轉(zhuǎn)移到科學(xué)模擬編程的新環(huán)境中[14]。針對(duì)這一評(píng)估，他們開發(fā)了計(jì)算思維模型的測試工具，其可靠性或有效性尚未報(bào)告。

同樣，來自西班牙馬德里大學(xué)的學(xué)者介紹了一種Dr.Scratch開源的Web應(yīng)用程序，旨在簡單、自動(dòng)地分析Scratch編程項(xiàng)目[3]，并提供反饋，可用于提高編程技能和發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維。為了給項(xiàng)目一個(gè)整體的計(jì)算思維評(píng)分，Dr.Scratch從七個(gè)維度推斷程序員的計(jì)算思維能力，即問題的抽象、分解、并行、邏輯思維、同步、流程控制、用戶交互和數(shù)據(jù)表示。其并非嚴(yán)格意義上的認(rèn)知測試，而是Scratch程序的形成性評(píng)價(jià)工具。該程序目前正處于驗(yàn)證過程中。

此外，2003年在立陶宛誕生了Bebras（國際計(jì)算思維挑戰(zhàn)賽），目的是通過計(jì)算思維挑戰(zhàn)增強(qiáng)小學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的興趣[15]。其每年比賽都會(huì)提出一套Bebras任務(wù)，通過計(jì)算思維的轉(zhuǎn)移和投射來解決所面臨的問題，這些問題獨(dú)立于任何軟件或硬件，可以提供給任何沒有編程經(jīng)驗(yàn)的人。但是目前Bebras國際比賽只是作為一種推廣計(jì)算思維的活動(dòng)，并不是一個(gè)測量工具。

Buffum等人開發(fā)了一套測量5-10年級(jí)學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展水平的計(jì)算思維能力測試量表，測試總共包括28項(xiàng)題目，依靠計(jì)算概念和使用編程語言的邏輯語法來制定解決問題的能力[16]。目前只有Román-González等 結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化心理測試對(duì)計(jì)算思維能力測試量表進(jìn)行了驗(yàn)證，并分析了計(jì)算思維能力測試量表的效度[5]。

因此，本次調(diào)查將計(jì)算思維能力測試量表進(jìn)行了翻譯，并對(duì)小學(xué)3-5年級(jí)的學(xué)生進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)3、4年級(jí)的學(xué)生是可以完成這份量表的。

3.計(jì)算思維性別差異

國外有研究證明學(xué)生計(jì)算思維能力發(fā)展方面存在性別差異。Espino & González在FLL機(jī)器人競賽調(diào)查中發(fā)現(xiàn)性別分化明顯，男生的人數(shù)多于女生[17]。此結(jié)果可能是由于性別的刻板印象而形成的。Román-González等人在西班牙進(jìn)行計(jì)算思維測驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)計(jì)算思維在性別方面存在顯著的差異，而且會(huì)隨著年級(jí)的增長差距越來越大[5]。而Werner等人在調(diào)查學(xué)生兩年來計(jì)算思維發(fā)展與性別的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)計(jì)算思維與性別之間沒有顯著差異[12]，可能是在本次調(diào)查中女生僅占36%，男女人數(shù)比列差距相對(duì)較大的原因。

關(guān)于性別差異方面的研究，國外大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為存在顯著差異，也有一部分人認(rèn)為沒有差異，但是我國關(guān)于這方面的調(diào)查相對(duì)較少。

二、研究工具

本研究根據(jù)Buffum等人開發(fā)的計(jì)算思維能力測試（CTT）量表，旨在測量學(xué)生的計(jì)算思維能力發(fā)展水平[16]，包含計(jì)算思維的基本概念和使用編程語言的邏輯語法來制定和解決問題的能力。計(jì)算思維的基本概念即序列、循環(huán)、迭代、條件、函數(shù)和變量。這些概念與計(jì)算思維三維框架中強(qiáng)調(diào)的計(jì)算思維概念相一致[18]。計(jì)算思維能力測試量表共28道單選題，每項(xiàng)包括一個(gè)或多個(gè)計(jì)算概念，其中基本序列（4項(xiàng)）、循環(huán)（8項(xiàng)）、條件（12項(xiàng)）、函數(shù)（4項(xiàng)）;界面主要以迷宮（23項(xiàng)）和畫布（5項(xiàng)）的形式呈現(xiàn);選項(xiàng)主要以箭頭（20項(xiàng)）和積木（8項(xiàng)）呈現(xiàn)問題解決方式（如圖1所示）。題目中包含計(jì)算思維概念和計(jì)算思維的實(shí)踐，這與計(jì)算思維三維框架一致。

三、研究對(duì)象與實(shí)施

1.研究對(duì)象

本研究按照地理位置采用分層多階段整體隨機(jī)抽樣方法，把整個(gè)西安市13個(gè)區(qū)縣劃分為中心城區(qū)、郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)三個(gè)區(qū)域。從每個(gè)區(qū)域抽取兩個(gè)區(qū)縣，每個(gè)區(qū)縣再從小學(xué)3-5年級(jí)中隨機(jī)抽取一個(gè)班級(jí)參與測評(píng)。

2.問卷的發(fā)放與回收

問卷是以問卷星的方式進(jìn)行發(fā)放，通過QQ群將問卷鏈接轉(zhuǎn)發(fā)給各個(gè)區(qū)縣的信息技術(shù)教師，教師在信息技術(shù)課程上督促學(xué)生完成或?qū)W生在家自主完成問卷，總共回收550份，其中有效問卷為542份，有效率達(dá)98.5%，不同地區(qū)、不同年級(jí)的學(xué)生樣本如表1所示。

四、結(jié)果分析與討論

1.描述性統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)所收集到的有效數(shù)據(jù)整理分析，如表2所示為整個(gè)樣本的計(jì)算思維能力測試得分的描述性統(tǒng)計(jì)分析，按照28個(gè)題目正確得分之和計(jì)算而得（n=542），其中平均分?jǐn)?shù)為13.81，最高分?jǐn)?shù)為27分，最低分?jǐn)?shù)為4分。

計(jì)算思維能力測試評(píng)分的分布直方圖如圖2所示，評(píng)分分布與正態(tài)分布曲線吻合?？紤]到樣本的容量比較大，分?jǐn)?shù)的雙側(cè)顯著性值為sig=0.000，小于0.05，故拒絕了正態(tài)性的原假設(shè)。

28項(xiàng)題目的成功率或項(xiàng)目難度指數(shù)如圖3所示，證實(shí)了計(jì)算思維能力測試量表漸進(jìn)的難度，在內(nèi)容方面專家們已經(jīng)預(yù)料到了這點(diǎn)。28道題目的平均成功率為0.49（中等難度），范圍從0.13（第23道題具有非常高的難度）到0.95（第1道題難度非常低）。

綜上所述可知：計(jì)算思維能力測試評(píng)分呈正態(tài)分布，顯示出適當(dāng)?shù)淖儺愋?，因此可以為目?biāo)人群構(gòu)建適合的尺度;對(duì)目標(biāo)人群而言，計(jì)算思維能力測試量表具有適當(dāng)?shù)碾y度（中等），而且整個(gè)題目的難度越來越大。

2.不同年級(jí)分析

按照測試者的不同年級(jí)將樣本進(jìn)行分割，得到表3所示的描述性統(tǒng)計(jì)分析。由于六年級(jí)學(xué)生面臨升學(xué)壓力，本次測試的調(diào)查對(duì)象為小學(xué)高年級(jí)中的3-5年級(jí)。

不同年級(jí)學(xué)生計(jì)算思維能力測試得分如圖4所示，四年級(jí)出現(xiàn)了離散值情況，在計(jì)算思維能力測試中獲得了26分的評(píng)分。單因素方差分析顯示計(jì)算思維能力測試得分與年級(jí)在統(tǒng)計(jì)學(xué)上有顯著差異（F=27.419，p<0.01），說明計(jì)算思維能力測試得分隨著年級(jí)的增加而增加，這個(gè)結(jié)果與我們的假設(shè)一致，即計(jì)算思維是一種解決問題的能力，與受試者的認(rèn)知發(fā)展聯(lián)系起來[19]。

3.不同性別分析

如表4所示，在計(jì)算思維能力測試評(píng)分中男女生的得分在統(tǒng)計(jì)學(xué)上有極其顯著的差異（P=0.000， p<0.01）。效應(yīng)量測量Cohen's d為0.51，被認(rèn)為是一種中度效應(yīng)。按照年級(jí)來分析性別差異，計(jì)算思維能力測試評(píng)分中男生的均值始終高于女生，性別差異在四年級(jí)（t=2.507，p<0.05）和五年級(jí)（t=4.452，p<0.01）有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

可見計(jì)算思維能力的性別差異是一個(gè)漸進(jìn)的差異，隨著年級(jí)的升高而增加（如圖5所示）。這與之前Bebras的調(diào)查研究中的性別差異結(jié)果一致[20]。

4.信效度檢驗(yàn)

計(jì)算思維能力測試量表的內(nèi)部一致性信度Alpha的值為0.737（見表5），表明信度良好。對(duì)不同年級(jí)學(xué)生評(píng)分的可靠性進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)四年級(jí)學(xué)生的回答準(zhǔn)確性更低，三年級(jí)的準(zhǔn)確性是最高的，這與年級(jí)越高準(zhǔn)確性越高的結(jié)果呈相反趨勢。

但是對(duì)計(jì)算思維能力測試數(shù)據(jù)來源進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，來源于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)正確性更高，這可能與在教師的監(jiān)督下學(xué)生更認(rèn)真、更集中精力完成測試有關(guān)，避免了學(xué)生隨意填寫的可能性。這一解釋得到了在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算思維能力測試和在手機(jī)上進(jìn)行計(jì)算思維能力測試得分結(jié)果的支持，使用計(jì)算機(jī)的平均得分為13.90，使用手機(jī)的平均得分為13.63。