基于課程標準的初中生計算思維現(xiàn)狀研究

摘要：隨著《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》的頒布與教學實踐的推進，中小學生的計算思維的發(fā)展越來越受重視。本研究團隊基于信息科技課程標準開發(fā)了初中生計算思維評價工具，并選取部分地區(qū)的初中生進行計算思維發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)查，結(jié)果表明，不同年級的學生的計算思維水平存在顯著差異，且計算思維“模型化”水平發(fā)展較高、自動化和系統(tǒng)化水平偏低。因而說明，目前中小學的信息科技課程對計算思維發(fā)展具有正向作用，但是不同模塊的教學存在偏差，需要調(diào)整。

關鍵詞：課程標準；計算思維；中學生；發(fā)展現(xiàn)狀

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）14-0027-05

引言

西蒙·派珀特教授（Seymour Papert）于1996年首次提出計算思維概念，但被廣泛接受的是周以真教授（Jeannette M.Wing）2006年在Communications of the ACM雜志上對計算思維（Computational Thinking）的界定：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計，以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。[1]在我國，隨著基礎教育改革和教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的推進，計算思維發(fā)展已經(jīng)成為中小學教育的重要內(nèi)容，成為個體在復雜的技術(shù)文化中獲得成功應具備的基本技能。[2]在《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）中，信息科技課程的四大核心素養(yǎng)被明確界定為信息意識、計算思維、數(shù)字化學習與創(chuàng)新以及信息社會責任。特別值得一提的是，新課標將計算思維這一關鍵能力從高中階段下放至中小學階段，此舉旨在為學生打下堅實的計算思維基礎。同時，新課標也清晰地界定了高中與義務教育學段在計算思維發(fā)展上的不同要求，確保教育內(nèi)容的連貫性和針對性。

初中階段對計算思維的著力培養(yǎng)是學生計算思維水平發(fā)展的必要積累，旨在為學生后續(xù)進入高中階段深入學習程序設計和算法打下堅實的基礎。及時了解初中生計算思維發(fā)展現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)存在的問題，可以針對性地解決教學實踐中的問題，促進學生計算思維發(fā)展，同時有利于信息科技課程教學改革發(fā)展與教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型。因此，本研究在團隊合作的基礎上展開了針對部分地區(qū)的初中生計算思維發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)查，并通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)問題，給出了信息科技課程教學改革建議。

研究方法和工具

1.要素界定

計算思維屬于思維范疇，其抽象性使得其定義并不具備直接的操作性。不論是其最初的概念，還是周以真提出的定義，都未能提供教學中可直接運用的具體指導。然而，在計算思維的構(gòu)成上，學者們提出了諸多見解。任友群教授指出，計算思維是一種獨特的解題思路，有助于深入剖析復雜問題，進而構(gòu)建出具有形式化、模塊化、自動化和系統(tǒng)化特征的解決方案。[3]在《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版）》中，同樣看到了計算思維在問題解決中表現(xiàn)為形式化、模型化、自動化和系統(tǒng)化。[4]而新課標則進一步細化了這一過程，強調(diào)了在問題解決中的抽象、分解、建模和算法設計等思維活動。[5]陳興冶的學習設計模型提供了一個更為具體的框架，將問題解決過程劃分為模塊化、形式化、模型化、自動化和系統(tǒng)化等階段[6]……這些觀點和課程標準在很大程度上是重合一致的。

由于初中階段在計算思維培養(yǎng)中起著橋梁作用，需要注重與高中課程標準的對接，因此，為了確保信息科技課程與信息技術(shù)課程在計算思維培養(yǎng)上的連貫性和系統(tǒng)性，筆者采用了陳興冶對計算思維過程的分析，將計算思維的要素分解為模塊化、形式化、模型化、自動化和系統(tǒng)化。

2.研究方法

本研究采用問卷調(diào)查作為主要的研究方法。問卷調(diào)查法，又稱問卷法，是一種系統(tǒng)性的調(diào)查手段，它主要是通過研究者精心設計的問卷，向特定的調(diào)查對象收集信息或征詢意見。此方法的核心在于以書面的形式提出問題，從而有效地收集和分析所需的研究資料。

3.研究工具

本研究采用了研究團隊所開發(fā)的基于課程標準的初中生計算思維測評工具。該測評工具依據(jù)課程標準及本研究對計算思維要素的劃分，確定了模塊化、形式化、模型化、自動化和系統(tǒng)化5個一級指標，然后依據(jù)課程標準對計算思維的學業(yè)質(zhì)量描述，進一步分析提煉出11個二級指標，并在此基礎上，依據(jù)課程標準的內(nèi)容描述以及初中生自身的認知水平與解決問題能力，對每個二級指標的內(nèi)容進行說明，進一步確定了22個測評標準，最終經(jīng)專家審議形成完善的計算思維測評指標體系，具備一定的可測性和科學性。

測評工具以測評指標為依據(jù)，以初中生的相關學科經(jīng)驗、課程經(jīng)驗和問題解決能力經(jīng)驗為支撐，設計了面向七、八年級的兩套測試，每套測試題有15道題目，對應的每個一級指標下各有3道題目，其中題目按照能夠達到初中生能力25%、50%、75%的難度層級設計為易中難各一道，并且由高到低賦予了4個分數(shù)，統(tǒng)計分析后以此來反映學生的計算思維水平。

4.試測

研究團隊選取某中學七年級一班和八年級一班（共75名學生）進行評價工具的試測。試測的評價工具共15道題目，設置35分鐘內(nèi)提交，最終回收64份問卷。試測結(jié)果顯示，大部分學生在規(guī)定時間內(nèi)完成并提交測試題，說明題量的設置較為科學。

（1）信度分析

對測評工具信度進行分析，來驗證測驗結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性。使用克隆巴赫α值來驗證可靠性，它的具體數(shù)值范圍和對應的測評結(jié)果為：在0.9以上則信度極好，介于0.8至0.9之間則信度較好，不用刪減任何題目，介于0.7至0.8之間則可以接受，0.7以下，則該測評工具不能被接受。在本研究中計算思維評價工具的項數(shù)為15，克隆巴赫α值為0.815，說明該測試卷的信度較好。

（2）效度分析

結(jié)構(gòu)效度反映的是實驗能否真正測量出所構(gòu)建的理論，在本研究中用以說明各題項設置是否合理，通過驗證因子分析，來對測試題目進行檢驗。通過檢測，KMO值是0.627，超過了0.5，且顯著性為0.000，小于0.05，說明數(shù)據(jù)適合進行因子分析。

初中生計算思維發(fā)展現(xiàn)狀分析

1.調(diào)研對象基本情況

本次研究調(diào)查集中向3個地區(qū)的七、八年級的學生發(fā)放問卷，其中七年級回收152份問卷，八年級回收155份問卷。學生具體分布如下頁表1所示。

通過分析表1可以得出，A地區(qū)共196人，占比63.84%，B地區(qū)共100人，占比32.57%，C地區(qū)共5人，占比1.64%，其他地區(qū)共6人，占比1.95%，所以有超過一半的學生來自A地區(qū)。男生共147人，占比47.9%，女生共160人，占比52.1%，不論是七年級還是八年級回收的問卷，女生的比例均要比男生高。

2.初中生計算思維發(fā)展現(xiàn)狀及影響因素分析

（1）初中生計算思維發(fā)展現(xiàn)狀分析

研究對象測試得分的總體平均分為15.66分，滿分為20分，表明初中生計算思維總體發(fā)展水平較為優(yōu)秀，說明初中生在計算思維方面已經(jīng)具備了一定的基礎和能力。此外，本研究對研究對象從五個指標維度進行差異性分析，結(jié)果如表2所示。

通過表2可以看出，組間的F值為24.728，且顯著性＜0.01，說明初中生計算思維發(fā)展水平在不同維度之間存在顯著差異。使用事后比較的方法進一步進行比較，發(fā)現(xiàn)初中生計算思維的發(fā)展在自動化和系統(tǒng)化水平之間的差異不顯著，但二者水平顯著低于其他三個維度的水平，此外，模型化發(fā)展水平顯著高于其他維度發(fā)展水平。

（2）初中生計算思維發(fā)展影響因素分析

如表3所示，在深入分析研究對象的自然屬性因素（性別、地區(qū)）和課程屬性因素（年級）時，采用獨立樣本t檢驗和方差分析進行了差異性分析。就性別而言，萊文方差等同性檢驗中p=0.155＞0.05，說明不同性別的學生得分方差相等，平均值等同性t檢驗中顯著性p=0.299＞0.05，意味著不同性別的學生得分差異不具有顯著的統(tǒng)計學意義。對于地區(qū)因素，方差分析中顯著性為p=0.588＞0.05，說明來自不同地區(qū)的學生計算思維得分情況不存在顯著性差異。因此，研究對象的自然屬性因素對初中生計算思維的發(fā)展不存在影響。在年級方面，萊文方差等同性檢驗中p=0.003＜0.05，說明不同性別的學生得分方差不相等，平均值等同性t檢驗中顯著性p＜0.05，意味著不同年級的學生得分差異具有顯著的統(tǒng)計學意義。因此，課程屬性因素，即不同年級的教學內(nèi)容會影響初中生計算思維的發(fā)展。

如表4所示，對研究對象的發(fā)展屬性因素進行相關性分析?？梢钥闯?，五個維度兩兩之間的相關都具有顯著統(tǒng)計意義（p＜0.01或p＜0.05），且均為正相關關系，說明不同維度在初中生計算思維的發(fā)展過程中不是孤立的，而是相互關聯(lián)、相互影響的。因此，在教學過程中，教師應注重這些維度之間的聯(lián)系和整合，從而更好地培養(yǎng)學生的計算思維能力和創(chuàng)造力。

3.結(jié)論

（1）初中生不同年級計算思維水平存在顯著性差異

七年級的課程內(nèi)容旨在夯實基礎，注重邏輯編程和數(shù)據(jù)處理的初步訓練，而學生初涉信息科技，其計算思維尚顯稚嫩。但在解決問題的過程中，學生們開始嘗試將復雜問題拆解為更小、更易于處理的部分，這標志著計算思維中模塊化初步萌芽。然而，他們在運用規(guī)范化語言和符號來描述問題時仍面臨挑戰(zhàn)，形式化表達能力有待提升。

進入八年級，課程內(nèi)容逐漸深化，觸及算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和面向?qū)ο缶幊痰阮I域。學生們在計算思維上取得顯著進步，開始運用抽象模型來分析和解決問題，模型化能力顯著增強。并且隨著對編程的深入理解，他們開始意識到自動化的價值，并嘗試利用計算機技術(shù)實現(xiàn)自動化任務，展現(xiàn)了計算思維的進階應用。

（2）初中生計算思維模型化發(fā)展水平較高

初中生計算思維模型化發(fā)展水平較高。這主要得益于他們所處的青春期的特質(zhì)，他們對新事物充滿好奇與渴望，對計算機編程等技術(shù)懷有濃厚興趣，這種強烈的好奇心與求知欲促使其在學習計算思維時更為投入，進而提升了模型化水平。同時，隨著認知能力的逐漸成熟，他們能夠理解和掌握較為復雜的邏輯關系和抽象概念，在計算思維的學習過程中，能夠較好地將現(xiàn)實生活中的問題抽象成數(shù)學模型，從而進行求解。此外，越來越多的學校開始重視計算思維的培養(yǎng)，開設了編程、機器人等課程，這些課程為學生提供了實踐操作的機會，使他們在實踐中不斷提高模型化水平。

（3）初中生計算思維自動化和系統(tǒng)化發(fā)展水平較低

初中生計算思維自動化和系統(tǒng)化發(fā)展水平較低。首要原因是，初中生處于思維發(fā)展的關鍵階段，他們的邏輯思維和抽象思維能力還在形成中，對復雜的概念和系統(tǒng)可能還無法完全理解和掌握，這導致他們在計算思維自動化和系統(tǒng)化方面存在一定的困難。其次，當前的初中教育體系在計算思維培養(yǎng)方面仍有待加強，雖然許多學校已經(jīng)開始重視計算思維的教學，但整體上，相關課程設置和教學資源仍然有限，無法滿足學生全面發(fā)展的需求。此外，由于初中生處于青春期，部分學生可能存在注意力不集中、自我管理能力較弱等問題，這也影響了他們在計算思維自動化和系統(tǒng)化方面的學習效果。

初中生計算思維培養(yǎng)建議

1.分階段針對性教學

面對初中生不同年級計算思維水平存在的顯著性差異，可以采用分階段且有針對性的教學方法。首先，設計分階段的進階課程，確保學生在掌握前一階段所學內(nèi)容的基礎上，逐漸過渡到下一階段的學習。這樣既能保證學生的學習效果，又能避免因難度跨度過大而影響學生的學習積極性。其次，針對不同年級的學生，制訂差異化的教學計劃。對于七年級學生來說，應重點夯實基礎，通過有趣的編程實例和實踐活動，引導學生理解計算思維的基本概念，如模塊化思維。同時，注重培養(yǎng)學生的形式化表達能力，通過練習使用規(guī)范化語言和符號描述問題，逐步提高其思維嚴謹性。而八年級學生則可以更加注重復雜問題解決和系統(tǒng)化思維的培養(yǎng)。通過項目驅(qū)動的教學方式，培養(yǎng)學生的抽象思維和模型化能力。鼓勵他們利用計算機技術(shù)解決實際問題，提高計算思維的實踐應用能力。

2.增強計算思維自動化和系統(tǒng)化培養(yǎng)

初中生計算思維中的自動化和系統(tǒng)化思維發(fā)展水平相對較低，應加強對其的培養(yǎng)。首先，強化數(shù)學、算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等基礎知識的教學，為自動化和系統(tǒng)化思維打下堅實基礎。其次，引入系統(tǒng)化思維方法，如系統(tǒng)分析、設計、評估等，通過案例分析讓學生領會其精髓。再次，設計實踐項目，鼓勵學生將所學應用于實際問題，通過項目合作提升自動化和系統(tǒng)化能力。同時，教師應注重引導學生從全局出發(fā)，培養(yǎng)系統(tǒng)視角。最后，鼓勵學生自主學習和探索，利用網(wǎng)絡資源或參與競賽，拓寬視野，深化理解，不斷提升計算思維自動化和系統(tǒng)化水平。

結(jié)語

隨著《中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)》的頒布，計算思維成為信息技術(shù)學科的四大核心素養(yǎng)之一[7]，培養(yǎng)計算思維有助于提高學生信息技術(shù)知識與技能，培養(yǎng)學生跨學科綜合問題解決能力。[8]而新課標的頒布，將計算思維從高中階段下沉到中小學階段，初中階段作為小學和高中計算思維培養(yǎng)的過渡階段，起著橋梁的連接作用，有著至關重要的地位，因此，對初中生計算思維發(fā)展現(xiàn)狀的研究極為重要。

本研究順應信息化時代發(fā)展要求，通過研究團隊開發(fā)的基于信息技術(shù)課程標準的初中生計算思維評價工具，對初中生的計算思維能力現(xiàn)狀進行了調(diào)查研究，了解到初中生不同年級計算思維水平存在顯著性差異，初中生計算思維模型化水平較高、自動化和系統(tǒng)化水平較低，并由此給出了初中生計算思維培養(yǎng)建議，以期為我國初中生計算思維教育的發(fā)展提供參考。但由于調(diào)查對象較少，本次調(diào)查研究結(jié)果在普遍性方面有所欠缺，后期需繼續(xù)改進。

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基金項目：面向核心素養(yǎng)的計算思維評價工具研究（S20231081Z）。