高校軟件工程專業(yè)學(xué)生計(jì)算思維評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

譚翔緯 黃耿生

【摘要】 ? ?隨著我國高校對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)的日益重視，如何有效地評(píng)價(jià)高校學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展?fàn)顩r，逐漸成為高等教育教學(xué)研究的熱點(diǎn)。針對(duì)高校教師在教學(xué)實(shí)踐中缺乏評(píng)估學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展?fàn)顩r的測(cè)量工具這一棘手問題，本文提出了由7個(gè)維度的計(jì)算思維評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并通過兩輪在線問卷調(diào)查采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，構(gòu)建了具有較好信效度的計(jì)算思維評(píng)測(cè)量表。綜合研究結(jié)果表明，本文提出的研究結(jié)論可以為高校軟件工程專業(yè)計(jì)算思維能力培養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐，提供有效的測(cè)量工具支持。

【關(guān)鍵詞】 ? ?軟件工程 ? ?計(jì)算思維 ? ?評(píng)價(jià)體系 ? ?構(gòu)建

引言：

隨著我國科教興國、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的國家戰(zhàn)略不斷深入實(shí)施，以人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等為代表的高新信息技術(shù)行業(yè)需要大量具備良好計(jì)算思維能力的高素質(zhì)人才，因此加強(qiáng)高校學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)成為了高校教育的重要內(nèi)容。本文對(duì)計(jì)算思維培養(yǎng)的相關(guān)理論梳理并總結(jié)，通過對(duì)調(diào)查問卷、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析，得出符合高校軟件工程專業(yè)學(xué)生計(jì)算思維能力構(gòu)成的關(guān)鍵指標(biāo)，并形成相關(guān)的評(píng)價(jià)體系，為驗(yàn)證各種教學(xué)模式對(duì)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)有效性提供理論支持。

一、計(jì)算思維能力的內(nèi)涵

卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)的周以真教授2006年在《Computational Thinking》文中提出，計(jì)算思維是一系列思考活動(dòng)，能夠使用基本的計(jì)算機(jī)概念系統(tǒng)解決問題與理解人類的行為[1]。這一說法認(rèn)為計(jì)算思維能力是問題形成及尋求問題有效解決方案時(shí)的必備思維能力之一，屬于對(duì)計(jì)算思維能力的廣義定義范疇[2];狹義上的計(jì)算思維能力定義是指在不同學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)通過計(jì)算機(jī)編程、專業(yè)算法和數(shù)據(jù)分析來解決問題的能力，突出強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維能力與具體學(xué)科之間的關(guān)系 [3]。無論是廣義還是狹義，計(jì)算思維的本質(zhì)都是問題的抽象與尋求問題最優(yōu)化解決方案的思維過程，區(qū)別只是在實(shí)踐中是以去計(jì)算機(jī)化為側(cè)重點(diǎn)，還是依托計(jì)算機(jī)工具為側(cè)重點(diǎn)。

二、計(jì)算思維能力關(guān)鍵指標(biāo)設(shè)計(jì)

2017年土耳其學(xué)者Korkmaz等人編制了可以量度大學(xué)生計(jì)算思維能力的量表CTs，該量表從創(chuàng)造能力、批判思維能力、問題解決能力、算法思維能力、協(xié)作能力等五個(gè)維度來量度高校學(xué)生的計(jì)算思維水平 [4]。但CTs量表中的部分題項(xiàng)與我國高校教育背景不符，且計(jì)算機(jī)思維能力在高校不同專業(yè)、不同年級(jí)階段會(huì)具有獨(dú)特的表現(xiàn)，故本研究采納了CSTA（美國技術(shù)科學(xué)教師協(xié)會(huì)）和ISTE（美國國際教育技術(shù)協(xié)會(huì)）共同發(fā)布的《CSTA計(jì)算機(jī)思維教師資源手冊(cè)》中的部分觀點(diǎn)[5]，對(duì)CTs的五個(gè)維度進(jìn)行分解，確定更具體的7個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，如圖1所示。

三、高校軟件工程專業(yè)計(jì)算思維量表編制

為了明確定義高校軟件工程專業(yè)學(xué)生的計(jì)算思維能力，本研究將量表編制工作分為三個(gè)階段實(shí)施：

首先為問卷設(shè)計(jì)階段，主要工作內(nèi)容為確定問卷維度與題項(xiàng);

接著為預(yù)調(diào)研階段，通過發(fā)放與回收在線問卷，進(jìn)行信度與效度分析，刪除不符合標(biāo)準(zhǔn)的題項(xiàng);

最后為正式調(diào)研階段，發(fā)放正式的在線調(diào)研問卷，進(jìn)行反復(fù)的效度檢驗(yàn)，直到題項(xiàng)與維度對(duì)應(yīng)清晰且符合專業(yè)意義，得到具有較好效度的量表。

第一階段筆者依照?qǐng)D1所示的計(jì)算思維結(jié)構(gòu)圖，每個(gè)維度根據(jù)其關(guān)注點(diǎn)設(shè)計(jì)3到4道問題。其中在抽象維度主要關(guān)注學(xué)生把事物的本質(zhì)與主要內(nèi)容提取形成可理解的概念的能力;算法維度主要關(guān)注學(xué)生是否具有將某一具體問題的解決方案用于解決一系列類似問題的能力;分解維度主要關(guān)注學(xué)生將問題整體分解為若干部分進(jìn)行研究的能力;態(tài)度維度主要從學(xué)生的求真、開放思想、認(rèn)知成熟度、自信心等角度進(jìn)行評(píng)價(jià);協(xié)作維度主要關(guān)注學(xué)生在團(tuán)隊(duì)合作完成任務(wù)時(shí)，所體現(xiàn)的人際交往社交能力;評(píng)估維度主要關(guān)注學(xué)生是否能選擇一個(gè)最恰當(dāng)?shù)姆桨竵斫鉀Q問題的能力;概括維度主要關(guān)注學(xué)生識(shí)別共性情景，可以根據(jù)不同情景進(jìn)行方案遷移的能力。依據(jù)以上七個(gè)維度，在經(jīng)過專家論證后，設(shè)計(jì)了包含23題預(yù)測(cè)問卷，計(jì)分方式采用李克特五點(diǎn)計(jì)分法，選項(xiàng)分為從不、極少、有時(shí)、經(jīng)常、總是，分別計(jì)分為1-5，預(yù)測(cè)問卷的題項(xiàng)如表1所示。

第二階段隨機(jī)挑選了軟件工程專業(yè)大一與大二的兩個(gè)班級(jí)的學(xué)生為研究對(duì)象，采用問卷星進(jìn)行在線填答，回收有效問卷97份。對(duì)回收的預(yù)測(cè)問卷采用臨界比值法進(jìn)行分析，將所有被調(diào)查者的問卷得分總和按高低順序排列，得分前27%者劃分為高分組，得分后27%者劃分為低分組，對(duì)高分組和低分組的總分進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，分析結(jié)果顯示各題項(xiàng)的相關(guān)系數(shù)在0.452—0.821之間，p<0.001，證明題項(xiàng)具有良好的鑒別力，故全部予以保留。

第三階段采取整群抽樣的方式，挑選修讀《面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)與編程》課程的軟件工程專業(yè)學(xué)生作為樣本實(shí)施正式調(diào)研。共回收有效問卷314份，將樣本數(shù)據(jù)隨機(jī)平分為兩半，其中一半157份的樣本數(shù)據(jù)用于探索性因素分析，結(jié)果顯示KMO=0.914，Bartlett球形檢驗(yàn)達(dá)到顯著，采用成分分析法與最大方差法抽取各個(gè)維度的因子，總解釋方差計(jì)算值為62.014%，特征根大于1，說明七個(gè)維度對(duì)應(yīng)的因子對(duì)于計(jì)算思維的影響力較大，說明由評(píng)估、概括、抽象、算法、分解、態(tài)度、協(xié)作這七個(gè)維度因子構(gòu)成的計(jì)算思維指標(biāo)體系具備較好的結(jié)構(gòu)效度;

另外一半的157份樣本數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證性因素分析，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果表明：卡方自由度比值χ2/df小于5，標(biāo)準(zhǔn)化殘差均方根SRMR小于0.06，比較擬合指數(shù)CFI大于0.9，Tucker-lewis系數(shù)TLI大于0.9，近似誤差均方根RMSEA小于0.08，說明量表的結(jié)構(gòu)模型擬合良好，設(shè)計(jì)合理，信度屬于可以接受的范圍。

綜上，本研究在編制預(yù)測(cè)問卷的基礎(chǔ)上，通過兩輪在線問卷調(diào)研，結(jié)合探索性因素與驗(yàn)證性因素的分析方法，最終確定了包含七個(gè)維度，適用于高校軟件工程專業(yè)學(xué)生計(jì)算思維能力評(píng)價(jià)體系，形成了包含23個(gè)題項(xiàng)的計(jì)算思維評(píng)價(jià)量表。

四、結(jié)論

本研究從廣義的計(jì)算思維概念出發(fā)，最終確立了包含評(píng)估、概括、抽象、算法、分解、態(tài)度、協(xié)作這七個(gè)維度的計(jì)算思維評(píng)價(jià)體系，并得出了具備較好效度與信度的量表。不過構(gòu)建準(zhǔn)確的計(jì)算思維評(píng)價(jià)指標(biāo)是復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，評(píng)價(jià)對(duì)象的知識(shí)水平、心理變量對(duì)計(jì)算思維的量度會(huì)產(chǎn)生較大影響，例如大學(xué)高年級(jí)的學(xué)生因其計(jì)算思維水平遠(yuǎn)高于低年級(jí)學(xué)生，導(dǎo)致這些樣本數(shù)據(jù)的測(cè)量結(jié)果的可靠性較高;另外本研究的樣本均來自工科學(xué)科軟件工程專業(yè)的學(xué)生，會(huì)導(dǎo)致研究成果在其他群體的適用性較差。因此，研究成果今后需要在高校不同專業(yè)與年級(jí)的樣本數(shù)據(jù)分析實(shí)踐中進(jìn)行進(jìn)一步的迭代優(yōu)化，以便為高校學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展?fàn)顩r評(píng)估提供更準(zhǔn)確的判斷工具。

參 ?考 ?文 ?獻(xiàn)

[1] Jeannette J M.Computational Thinking[J].Communications of the ACM， 2006 （3） ：33-35.

[2] Maciej M.Sys?o， Kwiatkowska A B . Informaticsfor all high school students： a computational thinking approach[C]// International Conference on Informatics in Schools：， Situation， Evolution， & Perspectives. 2013.43-56

[3]周宏仁.信息化：從計(jì)算機(jī)科學(xué)到計(jì)算科學(xué)[J].中國科學(xué)院院刊，2016，31（6）：591-598.

[4] Korkmaz ?，?akir R，et al.A validity and reliability study of the Computational Thinking Scales（CTS） [J].Computers in Human Behavior，2017，（72）：558-569.

[5]凌偉. 美國《CSTA計(jì)算機(jī)科學(xué)教師標(biāo)準(zhǔn)》評(píng)介[J].中國信息技術(shù)教育， 2020（8）：82-84.

譚翔緯（1982-），男，碩士研究生，副教授，主要研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)挖掘、web應(yīng)用開發(fā)。

黃耿生（1984-）， 男，碩士研究生，講師，主要研究方向?yàn)殡娮由虅?wù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用

基金項(xiàng)目：2019年廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院教學(xué)研究和改革項(xiàng)目-“以學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)為目標(biāo)的軟件工程專業(yè)核心課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐”（項(xiàng)目編號(hào)JYJG201908） 2019年廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才類項(xiàng)目--“深度學(xué)習(xí)在應(yīng)屆生就業(yè)服務(wù)的應(yīng)用研究”（項(xiàng)目編號(hào)2019GKQNCX022）