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)造開發(fā)環(huán)節(jié)，自主設(shè)計(jì)開發(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。

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，使用各類程序開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)問(wèn)題解決方案的開發(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)，然后依次開展了涂鴉畫板（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)?？梢?，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)生開始能夠在作品中體現(xiàn)個(gè)人想法，開發(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%）?？梢?，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。

[參考文獻(xiàn)]

龔靜，侯長(zhǎng)林，張新婷. 2018. 計(jì)算思維能力發(fā)展模型與教學(xué)程序研究[J]. 現(xiàn)代教育技術(shù)，28（4）：48-54.

國(guó)務(wù)院. 2017-07-20. 新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃[EB/OL]. [2018- 11-06]. http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm

教育部. 2018. 普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M]. 北京： 人民教育出版社.

李鋒. 2018. 中小學(xué)計(jì)算思維教育：STEM課程的視角[J]. 中國(guó)遠(yuǎn)程教育（2）：44-49，78-79.

劉濯源. 2014. 思維可視化：減負(fù)增效的新支點(diǎn)[J]. 中小學(xué)管理（6）：10-13.

王本陸，千京龍，盧億雷，等. 2018. 簡(jiǎn)論中小學(xué)人工智能課程的建構(gòu)[J]. 教育研究與實(shí)驗(yàn)（4）：37-43.

王榮良. 2008. 機(jī)器人教育與工程思維關(guān)系之研究[J]. 中國(guó)教育信息化（24）：27-29.

王旭卿. 2014. 面向三維目標(biāo)的國(guó)外中小學(xué)計(jì)算思維培養(yǎng)與評(píng)價(jià)研究[J]. 電化教育研究，35（7）：48-53.

楊超培. 1999. 程序化：一種重要的標(biāo)準(zhǔn)化方法[J]. 電子標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量（1）：25-28.

郁曉華，肖敏，王美玲. 2018. 計(jì)算思維培養(yǎng)進(jìn)行時(shí)：在K-12階段的實(shí)踐方法與評(píng)價(jià)[J]. 遠(yuǎn)程教育雜志，36（2）：18-28.

趙慧臣，王玥. 2014. 我國(guó)思維可視化研究的回顧與展望：基于中國(guó)知網(wǎng)2003—2013年論文的分析[J]. 中國(guó)電化教育（4）：10-17.

Allan， W.， Coulter， B.， Denner， J.， Erickson， J.， Lee， I.， Malyn-Smith， J.， et al. （2010）. Computational thinking for youth. Retrieved November 12， 2018， from http：//stelar.edc.org/sites/stelar.edc.org/files/Computa tional_Thinking_paper.pdf

Atmatzidou， S.， & Demetriadis， S. （2016）. Advancing students computational thinking skills through educational robotics： A study on age and gender relevant differences. Robotics and Autonomous Systems， 75， 661-670.

Bocconi， S.， Chioccariello， A.， Dettori， G.， Ferrari， A.， & Engelhardt， K. （2016）. Developing computational thinking in compulsory education-Implications for policy and practice. Retrieved November 12， 2018， from http：//publications.jrc.ec.europa.eu/repository/bitstream/JRC104188/jrc104188_computhinkreport.pdf

Brennan， K.， & Resnick， M. （2012， April）. New frameworks for studying and assessing the development of computational thinking. In Proceedings of the 2012 annual meeting of the American Educational Research Association， Vancouver， Canada （Vol. 1， p. 25）.

Chen， W.， Li， Z.， Bao， A.， & Tang， Y. （2015， November）. Curriculum design for computational thinking training based on concept map. In 2015 7th International Conference on Information Technology in Medicine and Education （ITME） （pp. 413-416）. IEEE.

Chen， G.， Shen， J.， Barth-Cohen， L.， Jiang， S.， Huang， X.， & Eltoukhy， M. （2017）. Assessing elementary students computational thinking in everyday reasoning and robotics programming. Computers & Education， 109， 162-175.

Crews， T.， & Ziegler， U. （1998， November）. The flowchart interpreter for introductory programming courses. In FIE98. 28th Annual Frontiers in Education Conference. Moving from ‘Teacher-Centered to ‘Learner-Centered Education. Conference Proceedings （Cat. No. 98CH36214） （Vol. 1， pp. 307-312）. IEEE.

CSTA & ISTE. （2011）. Operational definition of computational thinking for K-12 education. Retrieved November 12， 2018， from http：//www.iste.org/docs/pdfs/Operational-Definition-of-Computational-Thinking.pdf

DeCaprio， S. A. （1981）. Flowcharting： A method of problem solving. Retrieved November 12， 2018， from http：//teachersinstitute.yale.edu/curriculum/units/1981/6/81.06.03.x.html

Freeman， A.， Adams Becker， S.， Cummins， M.， Davis， A.， & Hall Giesinger， C. （2017）. NMC/CoSN Horizon Report： 2017 K-12 Edition. Retrieved November 12， 2018， from https：//cdn.nmc.org/media/2017-nmc-cosn-horizon-report-k12-EN.pdf

Gouws， L. A.， Bradshaw， K.， & Wentworth， P. （2013， July）. Computational thinking in educational activities： An evaluation of the educational game light-bot. In Proceedings of the 18th ACM conference on innovation and technology in computer science education （pp. 10-15）. ACM.

Grover， S.， & Pea， R. （2013）. Computational thinking in K-12： A review of the state of the field. Educational Researcher， 42（1）， 38-43.

Hooshyar， D. A. N. I. A. L.， Ahmad， R. B.， Shamshirband， S.， Yousefi， M.， & Horng， S. J. （2015）. A flowchart-based programming environment for improving problem solving skills of Cs minors in computer programming. The Asian International Journal of Life Sciences， 24（2）， 629-646.

Hu， M. （2003， July）. A case study in teaching adult students computer programming. In Proceedings of the 16th Annual NACCQ （Vol. 287）.

Izu， C.， & Weerasinghe， A. （2014）. Flowcharts： A tool for computational thinking. Conference Proceedings of the Australian Computers in Education Conference 2014. Australia， 305-313.

Korkmaz， ?.， ?akir， R.， & ?zden， M. Y. （2017）. A validity and reliability study of the computational thinking scales （CTS）. Computers in Human Behavior， 72， 558-569.

Massachusetts Department of Education （2006， October）. Massachusetts science and technology/engineering curriculum framework. Retrieved November 12， 2018， from https：//files.eric.ed.gov/fulltext/ED508413.pdf

Powers， K.， Gross， P.， Cooper， S.， McNally， M.， Goldman， K. J.， Proulx， V.， et al. （2006， March）. Tools for teaching introductory programming： What works？ In ACM SIGCSE Bulletin （Vol. 38， No. 1， pp. 560-561）. ACM.

Repenning， A.， Basawapatna， A.， & Escherle， N. （2016， September）. Computational thinking tools. In 2016 IEEE Symposium on Visual Languages and Human-Centric Computing （VL/HCC） （pp. 218-222）. IEEE.

Román-González， M.， Pérez-González， J. C.， & Jiménez-Fernández， C. （2017）. Which cognitive abilities underlie computational thinking？ Criterion validity of the Computational Thinking Test. Computers in Human Behavior， 72， 678-691.

Selby， C. C.， & Woollard， J. （2013）. Computational thinking： The developing definition. Retrieved November 12， 2018， from https：//eprints.soton.ac.uk/356481/1/Selby_Woollard_bg_soton_eprints.pdf

Snow， E.， Tate， C.， Rutstein， D.， & Bienkowski， M. （2017）. Assessment design patterns for computational thinking practices in exploring computer science. Retrieved November 12， 2018， from https：//pact.sri.com/downloads/AssessmentDesignPatternsforComputationalThinking%20PracticesinECS.pdf

Sullivan， A. A.， Bers， M. U.， & Mihm， C. （2017）. Imagining， playing， and coding with KIBO： Using robotics to foster computational thinking in young children. Siu-cheung KONG The Education University of Hong Kong， Hong Kong， 110-115.

Thorson， K. （2018， March 18）. Early learning strategies for developing computational thinking skills. Retrieved November 12， 2018， from https：//www.gettingsmart.com/2018/03/early-learning-strategies-for- developing-computational-thinking-skills/

Wang， D.， Wang， T.， & Liu， Z. （2014， February 25）. A tangible programming tool for children to cultivate computational thinking. The Scientific World Journal， 2014， Article 428080. Retrieved November 12， 2018， from https：//www.hindawi.com/journals/tswj/2014/428080/

Wing， J. M. （2006）. Computational thinking. Communications of the ACM， 49（3）， 33-35.

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