房 敏 孫 穎 陳 偉 呂慎敏
(1.天津大學(xué) 教育學(xué)院,天津 300350;2.曲阜師范大學(xué) 教育學(xué)院,山東濟(jì)寧 273100)
人工智能時代需要計(jì)算思維教育。計(jì)算思維(computational thinking)最早由卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真(Wing,2006)給出定義,歷經(jīng)十余年發(fā)展,逐漸被視為一種適應(yīng)信息化社會生存和發(fā)展的重要素質(zhì)。統(tǒng)計(jì)顯示,全世界已有52個國家明確將計(jì)算思維納入小學(xué)課程(Tang et al.,2020a),大量圍繞計(jì)算思維教育的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目覆蓋基礎(chǔ)教育和高等教育,形式與內(nèi)容呈現(xiàn)出多元與泛化的特點(diǎn)。隨著人們對計(jì)算思維認(rèn)識的深入,計(jì)算思維教育從單純依靠信息技術(shù)專門課程走向跨學(xué)科融合教育,越來越多地關(guān)注普遍情境下復(fù)雜問題的計(jì)算化解決,國內(nèi)外學(xué)者先后使用“計(jì)算思維2.0”(陳國良,2020)、“計(jì)算參與”(Yasmin,2016)等詞匯描繪這一趨勢。近兩年來,我國教育部先后發(fā)文,明確將編程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)、多學(xué)科教學(xué)融合,大力培養(yǎng)能夠開展計(jì)算思維教育的中小學(xué)師資,這標(biāo)志著K-12階段的計(jì)算思維教育已不僅是信息技術(shù)教師的工作,也成為各類學(xué)科教師應(yīng)承擔(dān)的重任。
教育者計(jì)算思維能力水平直接影響計(jì)算思維教育質(zhì)量,然而當(dāng)前對學(xué)科教師及師范生計(jì)算思維的發(fā)展與評價研究較薄弱。從國際層面看,學(xué)者指出這一領(lǐng)域的實(shí)證研究偏少,多以質(zhì)性研究為主,量化研究存在樣本數(shù)少、信效度不足等問題(Kong et al.,2020;Tang et al.,2020b)。回顧國內(nèi)研究進(jìn)展可以發(fā)現(xiàn),針對教師及師范生的計(jì)算思維探討更少,已有研究多聚焦于國際計(jì)算思維教育標(biāo)準(zhǔn)引介及對教育者角色責(zé)任的思辨討論,同樣缺少針對計(jì)算思維教育者能力水平和發(fā)展特點(diǎn)的實(shí)證研究。鑒于此,本研究以未來的計(jì)算思維教育者——師范生為對象,從計(jì)算思維評價入手,探析我國師范生計(jì)算思維的特點(diǎn)及影響因素,為后續(xù)研究提供支持。
1.計(jì)算思維的認(rèn)識取向:兩種差異的分析與選擇
研究者對計(jì)算思維組成成分的認(rèn)識存在差異。近年來,有研究將合作、批判、創(chuàng)造力等非智力因素融入抽象、算法、模式識別等傳統(tǒng)的計(jì)算思維智力要素。作為計(jì)算思維的核心成分(Filiz et al.,2016;Korkmaz et al.,2017;Akyol,2019),本研究將非智力因素參與計(jì)算思維成分組成的認(rèn)識差異稱為第一種差異。師范生計(jì)算思維的界定采用何種取向,里昂等(Lyon & Magana,2020)指出,計(jì)算思維操作性定義需要與具體的教學(xué)活動和評價設(shè)計(jì)相結(jié)合才能產(chǎn)生實(shí)際意義。給出一個讓師范生能夠與自身學(xué)科知識和生活經(jīng)驗(yàn)發(fā)生聯(lián)系,還能嵌入學(xué)科教學(xué)活動實(shí)現(xiàn)職業(yè)化理解的定義,對于開展計(jì)算思維評價和提高研究信效度具有重要價值。因此,對這種差異選擇的關(guān)鍵考量是,哪種取向能夠清晰地向師范生解答跨學(xué)科計(jì)算思維教育的作用。一些研究者認(rèn)為,非智力要素的引入有助于研究者和非計(jì)算機(jī)專業(yè)的教育者們跨學(xué)科地遷移解讀計(jì)算思維,不僅能使計(jì)算思維貼近其他學(xué)科知識,也有助于塑造學(xué)習(xí)者的完整人格(Oluk & Korkmaz,2016;房敏等,2021)。本研究更傾向于非智力因素參與的認(rèn)識取向。
基于是否需要思考計(jì)算思維的職業(yè)情境,又產(chǎn)生了第二種認(rèn)識差異:一類觀點(diǎn)從生活應(yīng)用情境出發(fā),將計(jì)算思維視為生存所需的基本能力,在培養(yǎng)與評價上與非師范類學(xué)生無差別。科爾克馬茲等(Korkmaz et al.,2017)從跨學(xué)科角度提出的師范生計(jì)算思維評價體系,費(fèi)爾哈特等(Ferhat & Pinar,2019)從計(jì)算機(jī)學(xué)科角度開展的師范生計(jì)算思維訓(xùn)練研究,均屬這一類。另一類觀點(diǎn)考慮了職業(yè)情境,把計(jì)算思維教學(xué)能力看作師范生計(jì)算思維的重要組成部分。阿科約爾(Akyol,2019)在分析已有計(jì)算思維量表時指出,應(yīng)當(dāng)在具體行業(yè)情境及職業(yè)生涯中探討計(jì)算思維的成分和評價維度。一些研究者通過開展師范生訓(xùn)練活動、開發(fā)計(jì)算思維量表等方式,將這類觀點(diǎn)付諸實(shí)踐(Mouza et al.,2017;Peter et al.,2020)。鑒于計(jì)算思維教育能幫助師范生掌握計(jì)算機(jī)化思考的能力,理解這種思維與所學(xué)專業(yè)知識之間的聯(lián)系,并在未來職業(yè)活動中有效傳播計(jì)算思維,第二類觀點(diǎn)已成為當(dāng)前把握師范生計(jì)算思維內(nèi)涵的主流取向。
2.計(jì)算思維的界定與評價框架構(gòu)建
基于以上分析,本研究形成了對計(jì)算思維解讀的兩個基本觀點(diǎn):1)師范生計(jì)算思維不僅包括計(jì)算思維的一般應(yīng)用能力,還包括相應(yīng)的職業(yè)應(yīng)用能力即教學(xué)能力,后者由前者發(fā)展而來;2)對不同學(xué)科師范生計(jì)算思維基本要素的理解,包括建立信息模型、運(yùn)用算法方法、引入非智力要素和解決模型問題。本研究借鑒科爾克馬茲(2017)對計(jì)算思維的表述,并結(jié)合教師職業(yè)特點(diǎn)認(rèn)為,師范生計(jì)算思維是在一定情境下借助合作形式,運(yùn)用算法方法創(chuàng)造性地解決問題,并能對這一過程進(jìn)行績效改進(jìn)、策略泛化和有效傳播的能力。在此基礎(chǔ)上,本文參照國際主流師范生計(jì)算思維評價設(shè)計(jì)思路,結(jié)合房敏等(2021)面向我國師范生計(jì)算思維評價維度,構(gòu)建了師范生計(jì)算思維評價框架(見圖1)。
圖1 師范生計(jì)算思維評價框架
1.計(jì)算思維發(fā)展的現(xiàn)狀與特點(diǎn)
研究發(fā)現(xiàn),非計(jì)算機(jī)專業(yè)的教師普遍對計(jì)算科學(xué)知識和計(jì)算思維有恐懼感,缺乏技術(shù)使用意識和計(jì)算思維教學(xué)信心,在計(jì)算思維概念理解和教學(xué)方法選擇上也存在困難(Menekse,2015;Bower et al.,2017;Sands et al.,2018;Wang et al.,2020)。實(shí)驗(yàn)表明,絕大多數(shù)師范生能夠經(jīng)過培訓(xùn)快速掌握計(jì)算思維的相關(guān)概念和知識,但缺乏計(jì)算思維教學(xué)興趣,也很難保持這種興趣(Heintz et al.,2017;Zha et al.,2019)。通過分析可以看出,與生活密切相關(guān)的計(jì)算思維被師范生借助原有的信息技術(shù)知識同化發(fā)展后,能夠與自身學(xué)科知識產(chǎn)生聯(lián)系,形成可用于計(jì)算思維教學(xué)案例,但與計(jì)算思維教學(xué)相關(guān)的其他要素,如教學(xué)方法、策略、興趣、態(tài)度等能力的提升不那么簡單。然而,現(xiàn)有的研究結(jié)論幾乎全部來自歐美地區(qū),國內(nèi)關(guān)于師范生計(jì)算思維水平的實(shí)證研究或經(jīng)驗(yàn)性描述一直未見著述。因此,探析國內(nèi)師范生計(jì)算思維的現(xiàn)狀與特點(diǎn),對于完善計(jì)算思維教育體系具有參考價值。
2.人口學(xué)因素對師范生計(jì)算思維的影響
區(qū)域和性別差異是目前探討較多的兩個造成計(jì)算思維差異的人口學(xué)變量。在區(qū)域研究方面,凱爾等(Kale et al.,2018)發(fā)現(xiàn),美國南部三州城鎮(zhèn)教師與鄉(xiāng)村教師在計(jì)算思維知識、技能與教學(xué)能力方面差異顯著。約瑟(Jose,2020)發(fā)布的發(fā)展中國家計(jì)算思維教育調(diào)查報(bào)告顯示,經(jīng)濟(jì)狀況良好的地區(qū)開展計(jì)算思維教育條件更成熟,計(jì)算思維水平也更高。在性別方面,羅曼等(Roman et al.,2016)調(diào)查顯示,男性計(jì)算思維水平顯著高于女性。亞達(dá)夫等(Yadav et al.,2014)發(fā)現(xiàn),性別僅影響計(jì)算思維興趣,而對計(jì)算思維其他成分的影響并不顯著。埃維克等(Evik & Ata,2020)對師范生的調(diào)查發(fā)現(xiàn),計(jì)算思維的各項(xiàng)能力在性別變量上均無顯著差異。性別對計(jì)算思維的影響并未形成統(tǒng)一的結(jié)論,但最新的針對中國社會的人口學(xué)調(diào)查研究顯示,性別對教育的獲得產(chǎn)生顯著影響(吳潔等,2020)。
基于以上分析,本研究提出假設(shè)1:城鄉(xiāng)差異、區(qū)域經(jīng)濟(jì)差異和性別差異會對師范生計(jì)算思維產(chǎn)生顯著影響。
3.學(xué)科專業(yè)對師范生計(jì)算思維的影響
不同學(xué)科背景的教師對計(jì)算思維認(rèn)識不同,且存在能力差別(Jukeviien,2020;Angeli & Giannakos,2020)。在計(jì)算思維研究中,研究者達(dá)成了共識:按學(xué)科類別選擇研究對象或課程科學(xué)合理也更具針對性。里昂等(2020)在系統(tǒng)回顧師范生計(jì)算思維研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,提出將師范生分為理工學(xué)科和以教育學(xué)科、人文學(xué)科為主的“非專業(yè)”學(xué)科(與信息技術(shù)專業(yè)相關(guān)度較低)分類探討。賓等(Bean et al.,2015)將藝術(shù)類(音樂、美術(shù)等)師范生單獨(dú)歸類,與語言類師范生的計(jì)算思維進(jìn)行對比。借鑒已有分類經(jīng)驗(yàn),本研究也將師范生分為理工學(xué)科、人文學(xué)科、教育學(xué)科、藝術(shù)學(xué)科四類。
基于以上分析,本研究提出假設(shè)2:學(xué)科專業(yè)會對師范生計(jì)算思維產(chǎn)生顯著影響。
4.信息技術(shù)學(xué)習(xí)對師范生計(jì)算思維的影響
計(jì)算思維源于編程教育活動。房敏等(2020)通過元分析法發(fā)現(xiàn),學(xué)習(xí)編程的學(xué)段和累計(jì)學(xué)習(xí)編程的時長對計(jì)算思維培養(yǎng)影響顯著??鼱査沟?Qualls & Sherrell,2010)認(rèn)為,培養(yǎng)計(jì)算思維的信息技術(shù)課程應(yīng)在小學(xué)開設(shè),并持續(xù)到中學(xué)及以后。孫立會等(2020)借助皮亞杰(Piaget & Cook,1955)認(rèn)知發(fā)展理論,論證了在中小學(xué)開展計(jì)算思維教育的重要性。近年來,越來越多的研究者開始關(guān)注小學(xué)低年級和學(xué)前階段的計(jì)算思維教育,認(rèn)為計(jì)算思維應(yīng)提早培養(yǎng)(Herrero,2020;Saxena et al.,2020)。從國內(nèi)信息技術(shù)教育體系看,多數(shù)省份已于小學(xué)三年級開設(shè)信息技術(shù)課程,部分地區(qū)自小學(xué)高年級(4-6年級)開始開設(shè),還有部分地區(qū)雖然開設(shè)了此類課程,但往往開而不上(趙健等,2019)。而與信息技術(shù)、計(jì)算思維緊密相關(guān)的自然科學(xué)課程、游戲活動和課外培訓(xùn)項(xiàng)目,受教育競爭意識及歐美發(fā)達(dá)國家科學(xué)教育低齡化趨勢影響(姚建欣等,2017),又存在提前教育的現(xiàn)象。由此看出,一方面國內(nèi)師范生的信息技術(shù)學(xué)習(xí)經(jīng)歷不完全一致,另一方面不同信息技術(shù)學(xué)習(xí)經(jīng)歷對計(jì)算思維產(chǎn)生的效果可能也不同。
基于以上分析,本研究提出假設(shè)3:開始學(xué)習(xí)信息技術(shù)的時間和累計(jì)學(xué)習(xí)信息技術(shù)的時間會對師范生計(jì)算思維產(chǎn)生顯著影響。
5.教育技術(shù)課程對師范生計(jì)算思維的影響
教育技術(shù)課程是面向教師職業(yè)能力塑造、按照嚴(yán)格的職業(yè)能力培養(yǎng)順序嵌入師范教育體系的公共課程,也是培養(yǎng)師范生計(jì)算思維職業(yè)應(yīng)用能力最合適的途徑(Yadav et al.,2017)。近年來,國際教育技術(shù)組織和學(xué)者以教育技術(shù)課程為依托開展了系列計(jì)算思維教育研究。羅梅羅等(Romero et al.,2017)借助教育技術(shù)課程面向基礎(chǔ)教育專業(yè)師范生實(shí)施計(jì)算思維教育,提出了計(jì)算思維評價改進(jìn)方法。金等(Kim et al.,2012)通過使用Scratch、學(xué)習(xí)機(jī)器人等工具變革教育技術(shù)課程教學(xué)方法,提升未來教師適應(yīng)和發(fā)展的能力,同時提出教育技術(shù)課程應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注包含計(jì)算思維在內(nèi)的思維技能培養(yǎng)。埃維克(2020)認(rèn)為,教育技術(shù)課程可以加深師范生對媒體技術(shù)的認(rèn)識,更容易采用并設(shè)計(jì)整合計(jì)算思維的教學(xué)案例。由此推斷,教育技術(shù)課程不僅可以直接或間接地向師范生提供計(jì)算思維知識、技能和觀念;更重要的、也是區(qū)別于信息技術(shù)課程的是,它將師范生的計(jì)算思維延伸到教育職業(yè)領(lǐng)域,并提供遷移經(jīng)驗(yàn)和訓(xùn)練機(jī)會。
基于以上分析,本研究提出假設(shè)4:教育技術(shù)課程會對師范生計(jì)算思維產(chǎn)生顯著影響。
本次調(diào)查時間為2020年6月至2021年1月,采取目的抽樣、分層抽樣和隨機(jī)抽樣相結(jié)合的方式,確保樣本代表性和對無關(guān)變量的控制。調(diào)查以全日制本科在讀師范生為對象,師范生身份認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)為:1)所屬專業(yè)的人才培養(yǎng)方案明確以在各級各類學(xué)校和教育機(jī)構(gòu)從事教育工作為主要就業(yè)目標(biāo);2)人才培養(yǎng)內(nèi)容包含教育學(xué)、教育心理學(xué)、教學(xué)法課程和教育實(shí)習(xí)(或以教育單位為依托的畢業(yè)實(shí)習(xí))。選取地理區(qū)位靠攏、文化習(xí)慣相近、經(jīng)濟(jì)水平有一定差距(以人均GDP衡量,數(shù)據(jù)來自國家統(tǒng)計(jì)局)的天津、河北、山東三地作為樣本抽取的省級行政單位,并至少選擇一所綜合性院校和一所師范院校展開調(diào)研。出于對人口規(guī)模、高等師范教育規(guī)模和免費(fèi)師范生教育政策的考慮,抽樣對象側(cè)重山東地區(qū),最終選取八所高校,其中天津市二所(天津大學(xué)、天津師范大學(xué)),河北省二所(河北大學(xué)、衡水學(xué)院),山東省四所(山東師范大學(xué)、濟(jì)南大學(xué)、山東女子學(xué)院、濟(jì)寧學(xué)院)。專業(yè)覆蓋語文、數(shù)學(xué)、外語、物理、化學(xué)、政治、歷史、信息技術(shù)等基礎(chǔ)教育常見課程,并按學(xué)科專業(yè)分為理工、文史、教育、藝術(shù)四大類(分類標(biāo)準(zhǔn)下文詳述),年級覆蓋大一至大四(以調(diào)研時間點(diǎn)計(jì)算)。調(diào)查抽樣確保每個省級行政區(qū)內(nèi)涵蓋上述四大類,且每個大類的樣本至少包含兩個及以上的年級(絕大多數(shù)為三到四個年級),被調(diào)查者年齡介于16-24歲。班級與學(xué)生以隨機(jī)選取和自愿參與為主,問卷采用現(xiàn)場和網(wǎng)絡(luò)發(fā)放相結(jié)合,最終回收問卷3358份,其中有效問卷3105份,有效率92.47%,被調(diào)查者基本情況見表一。
表一 調(diào)查對象基本信息
本研究對學(xué)科專業(yè)、學(xué)習(xí)學(xué)段等進(jìn)行了分類與編碼。其中,學(xué)科專業(yè)按上文提出的四大類劃分,分類標(biāo)準(zhǔn)參考《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄(2020年版)》、被調(diào)研高校相關(guān)專業(yè)授予學(xué)位類別和已有研究的分類經(jīng)驗(yàn),學(xué)科專業(yè)與大類劃分對應(yīng)關(guān)系見表二,具體編碼工作由調(diào)查對象自行勾選修讀專業(yè)后,再由研究人員對照關(guān)系表實(shí)施。學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)/信息技術(shù)相關(guān)課程的學(xué)段設(shè)計(jì),按照小學(xué)1-3年級、4-5/6年級、初中、高中、大一(計(jì)算機(jī)公共課程)、大二/大三(教育技術(shù)課程)進(jìn)行分類,采用復(fù)選方式供被調(diào)查對象選擇,未勾選項(xiàng)賦值0,勾選的選項(xiàng)賦值1,選項(xiàng)賦值加和用于衡量正式教育中的信息技術(shù)知識累計(jì)學(xué)習(xí)時間,括號內(nèi)課程代表當(dāng)年修習(xí)了該課程,未修習(xí)則不勾選。將計(jì)算機(jī)公共課和教育技術(shù)課作為單獨(dú)學(xué)段賦值計(jì)算基于以下考慮:一是兩者知識體系相對獨(dú)立且完整,分置于不同學(xué)年且有先后修習(xí)關(guān)系;二是兩者知識內(nèi)容豐富,每門課程的授課學(xué)時和內(nèi)容量基本達(dá)到基礎(chǔ)教育階段二年左右的信息技術(shù)課程教育當(dāng)量;三是方便對教育技術(shù)課程修習(xí)效果進(jìn)行檢驗(yàn)。
表二 學(xué)科專業(yè)-大類劃分對應(yīng)關(guān)系
本研究使用房敏等(2021)開發(fā)的師范生計(jì)算思維量表作為評價工具,包括導(dǎo)語和題目兩部分:導(dǎo)語為師范生計(jì)算思維的定義,輔以簡單解釋,確保調(diào)查對象閱讀后能夠理解計(jì)算思維概念。題目共32題,均采用李克特五級量表,涵蓋問題界定與分析(PDA)、問題認(rèn)知與解決(PCS)、教學(xué)策略與實(shí)施(ISI)、教學(xué)興趣與設(shè)計(jì)(IID)、創(chuàng)造力(CA)五個維度(對應(yīng)圖1)。在原研究中,量表總體信度和各維度信度為:αCT=0.955,αPDA=0.910、αPCS=0.897、αISI=0.884、αIID=0.866、αCA=0.766。本研究的量表總體信度和各維度信度為:αCT=0.943,αPDA=0.908、αPCS=0.825、αISI=0.861、αIID=0.873、αCA=0.724。在使用Amos進(jìn)行模型擬合度檢驗(yàn)時,由于樣本數(shù)量大(n>3000),χ2值受樣本數(shù)量影響較大(Kline,2011),因此本研究僅提供χ2/df結(jié)果數(shù)值,不設(shè)參考值,其他各項(xiàng)指標(biāo)均在理想范圍(見表三),表明該量表推廣使用具備良好的信效度。本研究采用主觀匯報(bào)填寫,需要共同方法偏差檢驗(yàn),經(jīng)Harman單因素方法檢驗(yàn),第一主成分因子方差解釋率為37.059%,小于臨界值40%,經(jīng)潛在誤差變量控制法檢驗(yàn),ΔRMSEA小于0.05,其他各指標(biāo)差值小于0.1(見表三),可見本研究共同方法偏差不明顯。
表三 模型擬合度及共同方法偏差檢驗(yàn)
本研究使用SPSS24分析處理數(shù)據(jù),借助P-P圖和Q-Q圖正態(tài)分析各維度及總體得分發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)基本呈正態(tài)分布;偏度、峰度正態(tài)性檢驗(yàn)顯示,各維度和總體得分偏度介于-0.206與-0.018之間,峰度介于3.338與3.902之間,滿足正態(tài)分布判斷條件,但各維度和總體得分呈微弱的負(fù)偏態(tài)、尖峰分布趨勢,表明師范生計(jì)算思維自我評價具有輕微趨同性和偏積極認(rèn)知。各維度和總體得分的描述性統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),師范生在問題認(rèn)知與解決、創(chuàng)造力維度的評價最高(分別為M=3.524,SD=0.553和M=3.524,SD=0.554),其次為教學(xué)策略與實(shí)施(ISI,M=3.413,SD=0.448),問題界定與分析、教學(xué)興趣與設(shè)計(jì)維度的評價得分相近且較低(分別為M=3.316,SD=0.679和M=3.313,SD=0.701)。由此看出,師范生在計(jì)算思維應(yīng)用(問題解決、教學(xué)實(shí)施等)的得分較高,概念、算法、表征等計(jì)算思維知識內(nèi)容和計(jì)算思維教學(xué)興趣態(tài)度得分較低,一定程度上反映了師范生對計(jì)算思維認(rèn)識不足,興趣匱乏,由此可以初步判斷我國師范生與國際研究描述的師范生計(jì)算思維特點(diǎn)相似。
1.人口學(xué)變量的影響
對省市、城鄉(xiāng)和性別變量的單因素方差檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),部分分組數(shù)據(jù)存在方差不齊,故采用Welch方法檢驗(yàn)判斷,使用Scheffe方法對方差齊性分組進(jìn)行事后檢驗(yàn),使用Games-Howell方法對方差不齊分組進(jìn)行事后檢驗(yàn),結(jié)果見表四。本研究對三個省級行政區(qū)的政治、文化、經(jīng)濟(jì)分析發(fā)現(xiàn),三省(市)地域毗連,互為高考生源地,教育政策、文化習(xí)慣相近,結(jié)合全國2005-2019年(此階段基本覆蓋調(diào)查對象接受學(xué)校教育的時間)人均GDP經(jīng)濟(jì)面板數(shù)據(jù)來看,三地存在較大的經(jīng)濟(jì)差異。從數(shù)據(jù)結(jié)果看,省域間的區(qū)域經(jīng)濟(jì)差異未對師范生計(jì)算思維發(fā)展水平帶來顯著影響(pCT=0.365)。從城鄉(xiāng)視角看,來自城市的師范生計(jì)算思維發(fā)展水平顯著高于來自鄉(xiāng)鎮(zhèn)的師范生(pCT=0.000,η2p=0.023)。從性別看,性別變量對教學(xué)興趣與設(shè)計(jì)維度影響顯著(pIID=0.000),但效應(yīng)較弱(η2p=0.008),在其他維度和總體得分差異不顯著。
表四 省市、城鄉(xiāng)、性別變量對計(jì)算思維的影響
2.學(xué)科專業(yè)的影響
對學(xué)科專業(yè)大類分組進(jìn)行單因素方差分析結(jié)果見表五。數(shù)據(jù)表明,除問題認(rèn)知與解決維度外,計(jì)算思維其他維度和總體水平均在大類分組上呈顯著差異。在問題界定與分析維度,理工類顯著高于其他三類(分別為pPDA=0.025,0.006,0.008);在教學(xué)策略與實(shí)施維度,文史類顯著高于教育、藝術(shù)類(分別為pISI=0.017,0.021);在教學(xué)興趣與設(shè)計(jì)維度,理工、教育類顯著高于文史、藝術(shù)類(分別為理工類pIID=0.000,0.000和教育類pIID=0.035,0.039);在創(chuàng)造力維度,理工類顯著高于教育類(pCA=0.006)。總體而言,理工類顯著高于教育、藝術(shù)類(分別為pCT=0.019,0.006)。由此看出,不同學(xué)科專業(yè)的師范生,計(jì)算思維水平存在差別,學(xué)科專業(yè)確實(shí)對計(jì)算思維產(chǎn)生了顯著影響,但結(jié)合效應(yīng)值判斷,影響并不大。
表五 學(xué)科專業(yè)對計(jì)算思維的影響
3.信息技術(shù)學(xué)習(xí)經(jīng)歷的影響
本研究設(shè)計(jì)了最早學(xué)習(xí)信息技術(shù)的時段(Et)和累計(jì)學(xué)習(xí)信息技術(shù)的時段(St)兩個變量探析信息技術(shù)學(xué)習(xí)經(jīng)歷對計(jì)算思維的影響。依據(jù)教育政策和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)推斷,兩個變量存在相關(guān)和交互關(guān)系。經(jīng)斯皮爾曼相關(guān)性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),兩變量顯著相關(guān)且達(dá)到中度相關(guān)性(p=0.000,r=0.700)。采用多變量兩因素方差分析檢驗(yàn)的結(jié)果見表六,可以看出,最早學(xué)習(xí)信息技術(shù)的時段和累計(jì)學(xué)習(xí)信息技術(shù)的時段對計(jì)算思維總體水平影響顯著(pCT=0.000),且二者對計(jì)算思維的影響存在交互作用,但交互效應(yīng)較弱(η2p=0.009)。經(jīng)主效應(yīng)和簡單效應(yīng)事后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),累計(jì)學(xué)習(xí)信息技術(shù)的時段對計(jì)算思維水平影響較大,學(xué)習(xí)時段越長,計(jì)算思維水平越高。最早學(xué)習(xí)信息技術(shù)時段的影響較復(fù)雜,事后檢驗(yàn)結(jié)果見表七。總體看,小學(xué)和初中階段開始學(xué)習(xí)信息技術(shù)對計(jì)算思維的培養(yǎng)效果顯著優(yōu)于高中后,且開始學(xué)習(xí)的學(xué)段越低,效果越明顯;問題界定與分析、問題認(rèn)知與解決維度的檢驗(yàn)結(jié)果與總體水平表現(xiàn)基本一致,小學(xué)低年級階段開始學(xué)習(xí)信息技術(shù)的作用效果更明顯;因教學(xué)策略與實(shí)施維度在最早學(xué)習(xí)信息技術(shù)的時段分組上的效應(yīng)檢驗(yàn)不顯著,故不進(jìn)行事后分析,而教學(xué)興趣與設(shè)計(jì)維度僅在高中階段出現(xiàn),明顯低于其他階段的特異性,可以判斷教學(xué)策略與實(shí)施、教學(xué)興趣與設(shè)計(jì)兩個維度受最早學(xué)習(xí)信息技術(shù)的時段變量影響較?。辉趧?chuàng)造力維度,小學(xué)階段開始學(xué)習(xí)效果顯著。交互檢驗(yàn)輪廓圖(見圖2)清晰顯示,從小學(xué)至初中階段,學(xué)習(xí)階段越早,學(xué)習(xí)時間越久,計(jì)算思維水平越高;高中及以后學(xué)習(xí)信息技術(shù),短期時間提升計(jì)算思維的效果并不明顯;計(jì)算思維教學(xué)能力受信息技術(shù)起始學(xué)習(xí)時間影響較小。
表六 信息技術(shù)學(xué)習(xí)經(jīng)歷對計(jì)算思維的影響
表七 最早學(xué)習(xí)信息技術(shù)時段對計(jì)算思維影響的事后檢驗(yàn)
圖2 交互檢驗(yàn)輪廓圖
4.教育技術(shù)課程對計(jì)算思維的影響
師范生培養(yǎng)方案將教育技術(shù)課程定位于促進(jìn)師范生信息化教學(xué)能力的發(fā)展,那么教育技術(shù)課程對計(jì)算思維培養(yǎng)是否發(fā)揮了作用,是否對所有專業(yè)的師范生都發(fā)揮了作用?為了回答這些問題,本研究采用多變量兩因素方差分析,探討教育技術(shù)課程對不同類別師范生計(jì)算思維發(fā)展的影響,結(jié)果見表八。由此看出,教育技術(shù)課程的主效應(yīng)及與學(xué)科大類的交互效應(yīng)均對計(jì)算思維各維度產(chǎn)生顯著作用(p<0.01),特別是在教學(xué)興趣與設(shè)計(jì)維度上(η2p>0.02)。這說明教育技術(shù)課程確實(shí)對不同學(xué)科產(chǎn)生了不同作用,差異作用的事后檢驗(yàn)結(jié)果見表九。由此看出,教育技術(shù)課程對文史類師范生的計(jì)算思維各維度影響不顯著(p>0.05),對教育、藝術(shù)類師范生的計(jì)算思維各維度影響顯著(p<0.01),對理工類師范生計(jì)算思維的問題界定與分析、教學(xué)策略與實(shí)施和教學(xué)興趣與設(shè)計(jì)維度影響顯著(分別為p=0.001,0.007,0.000),而在問題認(rèn)知與解決、創(chuàng)造力維度并無顯著影響(p>0.05)。
表八 教育技術(shù)課程對計(jì)算思維的影響
表九 不同類別師范生學(xué)習(xí)教育技術(shù)對計(jì)算思維影響的事后檢驗(yàn)
本研究反映了國內(nèi)師范生計(jì)算思維發(fā)展水平的現(xiàn)狀和特點(diǎn),揭示了影響師范生計(jì)算思維發(fā)展的部分因素,以及計(jì)算思維教育體系存在的問題。本部分將數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果、訪談時發(fā)現(xiàn)的線索與推斷存在的問題結(jié)合起來討論,以更好地呈現(xiàn)研究價值。
1.分裂與異化:計(jì)算思維發(fā)展不均衡與對“快餐化”教育的質(zhì)疑
通過分析數(shù)據(jù),本研究發(fā)現(xiàn)師范生計(jì)算思維能力發(fā)展不均衡,在面向?qū)嶋H問題的操作能力自我評價上更積極,而在計(jì)算思維概念、知識、方法,以及在教育情境應(yīng)用計(jì)算思維信心不足。研究者嘗試借助不同教學(xué)方法通過短期訓(xùn)練提高師范生的計(jì)算思維知識水平和教學(xué)效能(Adler,2017;Piedade,2020),然而政府的跟蹤調(diào)查項(xiàng)目質(zhì)疑了這類訓(xùn)練的長效性(Heintz,2017),特別是對知識熟練度、教學(xué)興趣和意愿的保持作用。從圖2看,雖然累計(jì)學(xué)習(xí)信息技術(shù)的時段對計(jì)算思維作用顯著,但低累計(jì)學(xué)習(xí)時段對計(jì)算思維的提升作用并不明顯,這反映了計(jì)算思維并非速成能力。此外,分析圖2的小學(xué)折線走勢可以發(fā)現(xiàn),低累計(jì)學(xué)習(xí)學(xué)段向高累計(jì)學(xué)習(xí)學(xué)段過渡期間相應(yīng)的計(jì)算思維水平增長明顯,斜率較大,說明計(jì)算思維教育出現(xiàn)學(xué)段斷層會對計(jì)算思維發(fā)展產(chǎn)生明顯的不利影響,尤其是在興趣培養(yǎng)和概念形成方面,造成了后續(xù)教育技術(shù)的授課困境。
根據(jù)問卷調(diào)查數(shù)據(jù)和已有研究判斷(趙健等,2019),中學(xué)學(xué)段信息技術(shù)教育缺失是造成低累計(jì)學(xué)段值的主要原因。在功利的辦學(xué)向標(biāo)下,信息技術(shù)教育價值的人為弱化割裂了學(xué)生信息技術(shù)能力發(fā)展的完整性,造成了計(jì)算思維能力體系中科學(xué)與人文品質(zhì)的非和諧統(tǒng)一。美國計(jì)算思維數(shù)字徽章項(xiàng)目正嘗試在學(xué)校教育體系外,通過提供完整的開放教育資源,支持學(xué)生和教育者完整而持續(xù)地發(fā)展,并期望通過混合認(rèn)證的方式激勵學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動機(jī)(Hunsaker & West,2019)。我國具有適宜的組織優(yōu)勢進(jìn)行類似嘗試,但與正式教育體系相關(guān)課程關(guān)系還需深入探討和厘清??傮w來講,師范生的計(jì)算思維培養(yǎng)需要科學(xué)系統(tǒng)、完整持久的發(fā)展體系,一是對于優(yōu)秀的短期項(xiàng)目,宜圍繞教育對象的能力短板進(jìn)行改造與吸收,納入國內(nèi)師范生計(jì)算思維的培養(yǎng)體系和課程方案;二是加強(qiáng)基礎(chǔ)教育階段信息技術(shù)課程師資建設(shè),落實(shí)信息技術(shù)課程質(zhì)量保障監(jiān)督機(jī)制;三是改變單純依靠學(xué)校,或以學(xué)校為主商業(yè)機(jī)構(gòu)為輔的教育局面,推動開放教育系統(tǒng)及地方電教部門合作建立標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、形式多元的計(jì)算思維教育及認(rèn)證體系。
2.性別與經(jīng)濟(jì):社會環(huán)境對單一因素決定論的反證與解釋
通過對性別變量的檢驗(yàn),本研究發(fā)現(xiàn)性別對計(jì)算思維影響較小,僅對教學(xué)興趣與設(shè)計(jì)維度影響顯著。對K-12階段學(xué)生計(jì)算思維性別差異的追溯可以更好地解釋這一結(jié)論。埃斯皮諾等(Espino & González,2015)發(fā)現(xiàn),幼兒階段兒童計(jì)算思維同質(zhì)性明顯,當(dāng)前多數(shù)研究認(rèn)為小學(xué)階段男女生的計(jì)算思維興趣存在差異但不顯著,且這種差異在不同研究中各有高低(Master et al.,2017;Sun et al.,2021),而進(jìn)入更高學(xué)段后,性別維度產(chǎn)生了顯著的興趣預(yù)測作用(Yadav et al.,2014),本研究也發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)。社會視角研究認(rèn)為,兒童自學(xué)前段就開始接受了具有性別差異的職業(yè)引導(dǎo)(Fulcher,2008),男性在接受技術(shù)教育過程中得到了更多的支持和鼓勵(吳潔等,2020;Sun et al.,2021),潛移默化地影響了女性的技術(shù)興趣和參與意愿。由此看出,社會的分工需要與環(huán)境要素的刻板暗示,導(dǎo)致了性別維度的計(jì)算思維興趣差異。因此,在基礎(chǔ)教育階段保持女童計(jì)算思維的興趣,尤為重要。
通過對省市和城鄉(xiāng)變量的檢驗(yàn),本研究發(fā)現(xiàn)存在一定經(jīng)濟(jì)差距但教育政策、文化習(xí)慣具有相當(dāng)同質(zhì)性的省份之間計(jì)算思維差異并不明顯,而在省域內(nèi)部的城鄉(xiāng)變量上差異較大。出于對人口學(xué)變量交互作用的考慮,本研究再次進(jìn)行了協(xié)變量控制的多元線性回歸分析,得到了相同的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)一步證實(shí)省域間無差異,僅有城鄉(xiāng)變量存在顯著區(qū)別,這一結(jié)論否定了經(jīng)濟(jì)差異會造成師范生計(jì)算思維發(fā)展差異的觀點(diǎn)。很多研究認(rèn)為經(jīng)濟(jì)是影響教育水平的核心要素,并通過財(cái)政分配影響教育政策實(shí)施(Jose,2020;王善邁等,2013)。而近年的教育研究顯示,經(jīng)濟(jì)要素的影響在減弱,教育政策、社會文化及人口結(jié)構(gòu)等社會因素的影響在不斷提升(李穎等,2015)。當(dāng)經(jīng)濟(jì)水平達(dá)到一定高度后,基礎(chǔ)教育所需財(cái)政支持不會造成沉重的負(fù)擔(dān),因此與教育密切相關(guān)的其他因素表現(xiàn)出更強(qiáng)的作用。本研究選取的省份雖存在較大的經(jīng)濟(jì)差異,但均在平均水平之上,就很好地說明了這一點(diǎn)。針對城鄉(xiāng)變量的研究發(fā)現(xiàn),來自鄉(xiāng)鎮(zhèn)的師范生普遍接受信息技術(shù)教育較晚,學(xué)習(xí)“斷檔”現(xiàn)象嚴(yán)重,且教師信息化教學(xué)能力顯著弱于城市(孫妍妍等,2021),這些都解釋了師范生計(jì)算思維為何在城鄉(xiāng)變量上差異明顯(η2p>0.02),也證明了綜合社會環(huán)境因素在師范生計(jì)算思維發(fā)展上起重要作用。
3.生活與職業(yè):計(jì)算思維發(fā)展關(guān)鍵期及早期教育價值的探討
通過對信息技術(shù)學(xué)習(xí)經(jīng)歷變量的檢驗(yàn),本研究發(fā)現(xiàn)最早學(xué)習(xí)時間和累計(jì)學(xué)習(xí)時間對師范生計(jì)算思維產(chǎn)生顯著而獨(dú)特的影響。從一般能力看,研究者普遍認(rèn)為5-6歲和10-11歲是發(fā)展數(shù)理思維的關(guān)鍵階段(Piaget,1955;劉曉明等,1999;Hermans & Aivaloglou,2017),后一個年齡段基本對應(yīng)我國小學(xué)3-6年級(按6或7周歲入學(xué))。結(jié)合本研究結(jié)果分析,小學(xué)階段開始學(xué)習(xí)信息技術(shù)的效果明顯優(yōu)于其他學(xué)段,特別是小學(xué)低年級開始接觸信息技術(shù)知識效果更突出,反映了小學(xué)低年級階段更可能是兒童計(jì)算思維發(fā)展的關(guān)鍵期。對于具體在幾年級開始進(jìn)行計(jì)算思維教育活動最合適,研究者并未形成一致的觀點(diǎn)。部分國外實(shí)證研究表明,小學(xué)2-3年級開設(shè)信息技術(shù)課程最合適,還有部分研究者認(rèn)為,對計(jì)算思維的有意識培養(yǎng)應(yīng)以游戲化的形式提前至學(xué)前階段的中大班(Denner et al.,2019)。然而,國內(nèi)研究表明,兒童計(jì)算認(rèn)知能力在小學(xué)1-3年級階段發(fā)展迅速,但個體差異遠(yuǎn)大于年級差異(龔少英等,2004),本研究采納了這一觀點(diǎn),從兒童認(rèn)知發(fā)展差異和教育公平的角度出發(fā),未對小學(xué)低學(xué)段再做細(xì)化,也不期望提出更具體的時間節(jié)點(diǎn),將探索和設(shè)計(jì)的空間留給地方教育部門和學(xué)校更合適。
從職業(yè)能力看,根巴特(Guenbatar,2019)發(fā)現(xiàn)師范生進(jìn)入職業(yè)領(lǐng)域后運(yùn)用計(jì)算思維解決問題的能力成長變緩甚至停滯,而其他與教育活動密切相關(guān)的計(jì)算思維能力會繼續(xù)得到發(fā)展。與之相似,本研究揭示的作為專門培養(yǎng)計(jì)算思維教育應(yīng)用能力的教育技術(shù)課程,在問題界定、分析、解決等維度產(chǎn)生的作用明顯弱于對教育應(yīng)用能力培養(yǎng)的作用。此外,通過對大四(經(jīng)歷教育實(shí)習(xí),修習(xí)了教育技術(shù)課程)與大二、大三(未經(jīng)歷教育實(shí)習(xí),修習(xí)了教育技術(shù)課程)的單因素方差分析也發(fā)現(xiàn),他們之間問題解決能力差異并不明顯(大四-大三:pPCS=0.191,大四-大二:pPCS=0.064),而計(jì)算思維教育應(yīng)用能力有顯著提升(pISI=0.000,pIID=0.000),說明教育實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)同樣更多地在職業(yè)能力發(fā)展上產(chǎn)生作用。不可忽視的是,教育技術(shù)課程和教育實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)同樣提供了發(fā)展計(jì)算思維一般能力的機(jī)會,但這些努力并未產(chǎn)生期望的效果。以上數(shù)據(jù)為計(jì)算思維不同子能力存在發(fā)展關(guān)鍵期提供了佐證,同時也說明計(jì)算思維教育體系的設(shè)計(jì)應(yīng)在不同階段重點(diǎn)關(guān)注不同能力的培養(yǎng),在基礎(chǔ)教育階段重點(diǎn)發(fā)展計(jì)算思維生活應(yīng)用能力,在高等教育中后段側(cè)重發(fā)展職業(yè)應(yīng)用能力。
4.現(xiàn)實(shí)與超越:教育技術(shù)課程價值的失落與變革
通過對教育技術(shù)學(xué)習(xí)經(jīng)歷在不同學(xué)科專業(yè)的作用效果檢驗(yàn),本研究發(fā)現(xiàn)教育技術(shù)課程對教育、藝術(shù)類師范生的計(jì)算思維提高作用顯著,對理工類師范生的問題認(rèn)知與解決和創(chuàng)造力、文史類師范生全部維度作用微弱。脫離自身學(xué)科專業(yè)知識,理工、教育、藝術(shù)類師范生都能夠在課程體系中找到與專業(yè)發(fā)展相關(guān)的技術(shù)內(nèi)容(如計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)等),而文史類專業(yè)師范生由于知識貫通點(diǎn)較少,技術(shù)興趣和創(chuàng)新冒險(xiǎn)意識較弱(見表五),很難產(chǎn)生知識共鳴。有研究者指出,現(xiàn)有的教育技術(shù)課程往往專注于教學(xué)技術(shù)工具的講解演示,未能與學(xué)科知識和其他教育課程的教學(xué)法知識融合(Yadav et al.,2017),也未能有效建立TPACK-CT的能力關(guān)聯(lián)(Shinas et al.,2015)。國內(nèi)調(diào)查也反映了我國教師上課時往往更關(guān)注于信息技術(shù)應(yīng)用,而非思維能力的培養(yǎng)(郭芳等,2008),教育技術(shù)發(fā)力點(diǎn)的錯位引發(fā)了“教育技術(shù)危機(jī)”的討論(吳剛,2020)。
為更好地發(fā)揮教育技術(shù)課程的作用,一些致力于嵌入式計(jì)算思維教育的學(xué)者開展了融合教育課程改革的嘗試,將計(jì)算思維作為方法而非技術(shù)嵌入不同教育技術(shù)學(xué)習(xí)模塊中,讓學(xué)生設(shè)計(jì)最基本的學(xué)科教學(xué)案例,集中進(jìn)行大量的教學(xué)展示(Mouza et al.,2017)。這種“低標(biāo)準(zhǔn)、寬口徑、高強(qiáng)度”的課程設(shè)計(jì)形式有助于學(xué)生發(fā)展計(jì)算思維與自身學(xué)科之間的聯(lián)系,形成實(shí)踐性知識。此外,將可視化編程工具(如Scratch)作為課程獨(dú)立模塊,幫助構(gòu)建基本的計(jì)算思維概念和激發(fā)學(xué)習(xí)興趣(Lehtinen et al., 2016),對于非理工類師范生是可以嘗試的選擇,但這類學(xué)習(xí)工具不適合連續(xù)或長時間在課程教學(xué)中應(yīng)用(Kim et al., 2012;Mouza et al.,2017;房敏等,2020)??梢灶A(yù)見,未來教育技術(shù)課程將進(jìn)一步走向技術(shù)分化和知識泛化,更靈活地適應(yīng)技術(shù)進(jìn)步對未來教師提出的能力訴求(Manches et al.,2020),然而其面向的核心素質(zhì)不會發(fā)生改變。面對大班制混專業(yè)授課困境,加強(qiáng)教育技術(shù)教師思維而非技術(shù)教學(xué)的意識和能力,打造面向不同學(xué)科師范生的經(jīng)典計(jì)算思維教學(xué)案例,提供更多訓(xùn)練和展示的機(jī)會,是基于現(xiàn)實(shí)條件的可行選擇。
本研究來源于對計(jì)算思維教育價值的反思和完善計(jì)算思維教育體系的現(xiàn)實(shí)需要,在“學(xué)科教育+”計(jì)算思維的背景下,結(jié)合當(dāng)前師范生計(jì)算思維發(fā)展路徑和研究結(jié)論,抽取關(guān)鍵要素深入探討師范生計(jì)算思維發(fā)展的外部動因,論證國際研究普遍關(guān)注的若干作用變量的本土實(shí)證意義。所以放棄分步多元線性回歸分析,一是諸多研究已論證了部分變量作用的獨(dú)立性,即使有交互作用的變量也可采用協(xié)變量控制、主效應(yīng)和交互效應(yīng)分析進(jìn)行探索;二是本研究分類變量較多,多元回歸反而不利于展示和論述變量的作用機(jī)制;三是對多元回歸的事后檢驗(yàn)與探討,依然要回到方差分析的技術(shù)層面。為進(jìn)一步證明效度水平,本研究再次實(shí)施了對以上七個變量的分步多元線性回歸分析,在顯著水平上得出了與方差分析一致的結(jié)果。
本研究認(rèn)為,師范生計(jì)算思維發(fā)展存在不均衡的特點(diǎn),社會環(huán)境的綜合作用、信息技術(shù)教育體系的科學(xué)完整性以及教育技術(shù)課程的形式內(nèi)容都對其產(chǎn)生了作用。對人口學(xué)變量的檢驗(yàn)結(jié)果否定了社會上存在的“性別決定論”“經(jīng)濟(jì)決定論”觀點(diǎn)。作為高階復(fù)合能力的計(jì)算思維,從單一的內(nèi)、外生變量做出決定性論斷顯然是不科學(xué)的。對信息技術(shù)和教育技術(shù)學(xué)習(xí)經(jīng)歷的檢驗(yàn)結(jié)果認(rèn)同了計(jì)算思維是一種可培養(yǎng)的素質(zhì),計(jì)算思維不同子能力的發(fā)展存在不同的關(guān)鍵期,當(dāng)前研究更多地關(guān)注了計(jì)算思維一般能力發(fā)展的黃金時期,而對職業(yè)能力發(fā)展選擇了思辨討論或直接忽視。從這一角度看,致力于發(fā)展計(jì)算思維職業(yè)應(yīng)用能力的教育技術(shù)課程應(yīng)當(dāng)被賦予更豐富的內(nèi)涵。對教育技術(shù)課程在各學(xué)科類別的檢驗(yàn)結(jié)果反映了其現(xiàn)實(shí)價值的缺陷,教學(xué)條件的制約與技術(shù)的飛速發(fā)展為教育技術(shù)課程帶來了實(shí)踐層面的嚴(yán)峻考驗(yàn),面向不同專業(yè)的教育活動,降低準(zhǔn)入基線與提高技術(shù)水平產(chǎn)生矛盾點(diǎn),化解的關(guān)鍵在于圍繞思維教學(xué)目標(biāo)校準(zhǔn)課程靶向和提升課程精度,課改的路徑亦應(yīng)在科學(xué)化的價值審視和檢驗(yàn)中不斷得到論證、調(diào)整和發(fā)展。