小學(xué)不插電活動(dòng)中計(jì)算思維評(píng)估的實(shí)證研究
——以二進(jìn)制數(shù)的學(xué)習(xí)活動(dòng)為例

丁 珺

（湖南師范大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)系，湖南 長(zhǎng)沙410000）

一、研究背景

自2006年卡梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)系周以真教授[1]正式提出計(jì)算思維的概念以來(lái)，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。在國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)計(jì)算思維的概念、本質(zhì)、特征[2]等問(wèn)題眾說(shuō)紛紜時(shí)，一線教師則苦于如何將計(jì)算思維落地到實(shí)際的教學(xué)工作中。

為此，2011年計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）和國(guó)際教育技術(shù)學(xué)會(huì)（ISTE）在NSF 支持下聯(lián)合提出K-12 階段計(jì)算思維操作性定義，明確指出計(jì)算思維是包含六大能力特征和五大態(tài)度傾向的問(wèn)題解決過(guò)程。2017年我國(guó)新版高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)則將計(jì)算思維列為學(xué)科核心素養(yǎng)之一，從預(yù)備級(jí)、水平1、水平2、水平3 來(lái)劃分和描述計(jì)算思維水平；同年CSTA 官網(wǎng)發(fā)布包括計(jì)算思維在內(nèi)的新的K12 CS 標(biāo)準(zhǔn)，從K-2、3-5、6-8、9-10、11-12 五階段來(lái)刻畫(huà)學(xué)生應(yīng)該具備的計(jì)算思維概念和實(shí)踐能力。2012年，美國(guó)麻省理工媒體實(shí)驗(yàn)室研究小組開(kāi)發(fā)了一個(gè)計(jì)算思維三維框架，包含計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐、計(jì)算觀念三個(gè)維度。顯然，這三個(gè)維度與我們所熟知的高中信息技術(shù)課程三維目標(biāo)有相似之處。這些舉措為培養(yǎng)和評(píng)估K12 階段學(xué)生的計(jì)算思維實(shí)踐提供了指南。

盡管有越來(lái)越多的文獻(xiàn)研究如何將計(jì)算思維整合到K-12 課程中，大部分的關(guān)于計(jì)算思維的正式評(píng)估集中在中學(xué)及以上階段。

二、不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)活動(dòng)

“不插電”[3]項(xiàng)目由Tim Bell（新西蘭坎特伯雷大學(xué)）等人開(kāi)創(chuàng)。他決定開(kāi)發(fā)教學(xué)方法和材料因?yàn)樗霝樗鍤q的孩子展示計(jì)算機(jī)科學(xué)迷人的一面。相關(guān)研究者在互聯(lián)網(wǎng)上提供了一系列相關(guān)課程視頻以及教材[4]。

不插電的科學(xué)活動(dòng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為“不插電活動(dòng)”）需要學(xué)生動(dòng)覺(jué)參與和情感參與，能夠激發(fā)學(xué)生極大的興趣和熱情，不需要學(xué)生有任何編程經(jīng)驗(yàn)，活動(dòng)的開(kāi)展也不需要使用計(jì)算機(jī)。將不插電活動(dòng)與科學(xué)的計(jì)算思維評(píng)估框架結(jié)合更有利其進(jìn)入傳統(tǒng)課堂。研究表明，在學(xué)習(xí)相同的概念時(shí)，不插電活動(dòng)比傳統(tǒng)教學(xué)更有效，更讓學(xué)生投入[5][6]。

在知網(wǎng)中進(jìn)行搜索，檢索條件為“篇名”，搜索關(guān)鍵詞為“不插電”，搜索時(shí)間為2018年12月22日，相關(guān)結(jié)果有5 條。說(shuō)明關(guān)于不插電活動(dòng)促進(jìn)計(jì)算思維的研究還比較少。且筆者研讀后發(fā)現(xiàn)研究者多從課堂實(shí)例展示或者觀察中得出不插電活動(dòng)對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的積極影響，較為籠統(tǒng)，缺乏實(shí)證研究。

不插電活動(dòng)這種有效的學(xué)習(xí)形式現(xiàn)在主要采用課外活動(dòng)的形式，很少進(jìn)入正式的課堂教學(xué)中，是因?yàn)椴徊咫姷幕顒?dòng)本身具有的團(tuán)隊(duì)協(xié)作導(dǎo)向，以及活動(dòng)的開(kāi)展需要運(yùn)用學(xué)生的運(yùn)動(dòng)覺(jué)，難以進(jìn)入傳統(tǒng)課堂。還有一個(gè)重要的原因就是缺少科學(xué)的評(píng)價(jià)框架對(duì)學(xué)生參與活動(dòng)后的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

盡管研究者普遍承認(rèn)不插電活動(dòng)提高了學(xué)生的興趣與參與度，實(shí)現(xiàn)了“玩中學(xué)，學(xué)中玩”的效果，并且教學(xué)者們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中已經(jīng)逐漸采取不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)活動(dòng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)不插電的活動(dòng)）等形式來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，但他們主要通過(guò)課堂觀察來(lái)說(shuō)明不插電活動(dòng)提高了學(xué)生的參與積極性，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果缺乏教學(xué)目標(biāo)的指引和評(píng)估，缺少與傳統(tǒng)課堂的對(duì)照實(shí)驗(yàn)研究，缺少系統(tǒng)科學(xué)的評(píng)估框架。

本研究的教學(xué)內(nèi)容來(lái)源于華中科技大學(xué)出版社出版的《不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)》，并參照cs unplugged 官網(wǎng)上的教學(xué)實(shí)例視頻展示，對(duì)學(xué)生完成活動(dòng)后的相關(guān)計(jì)算能力的評(píng)估做了初步探索，為不插電活動(dòng)這種新穎有效的信息技術(shù)教學(xué)方式走進(jìn)傳統(tǒng)課堂作了鋪墊。本研究以不插電活動(dòng)中二進(jìn)制的學(xué)習(xí)為例，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班采取不同的教學(xué)方法，并通過(guò)課堂觀察和即時(shí)測(cè)驗(yàn)的方式來(lái)評(píng)估教學(xué)效果。用來(lái)評(píng)估教學(xué)效果的測(cè)試題每一題都與布魯姆學(xué)習(xí)目標(biāo)與計(jì)算思維對(duì)應(yīng)起來(lái)。

三、評(píng)價(jià)方法的確定與二進(jìn)制教學(xué)過(guò)程

（一）計(jì)分標(biāo)準(zhǔn)的確定

根據(jù)上學(xué)期期末信息技術(shù)操作水平檢測(cè)的結(jié)果，筆者在長(zhǎng)沙市雨花區(qū)某小學(xué)選取兩個(gè)水平相當(dāng)?shù)囊话啵?9人）和二班（36 人）分別作為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組課堂教學(xué)的唯一變量在鞏固階段,教學(xué)過(guò)后即對(duì)兩班學(xué)生進(jìn)行隨堂測(cè)試。

在編制二進(jìn)制測(cè)試卷的同時(shí)需要確定測(cè)試卷的計(jì)分標(biāo)準(zhǔn)。二進(jìn)制測(cè)試卷一共為六道題目，“不合格“記為0 分，“待提高“記為1 分，“完全掌握“記為2 分。測(cè)試卷的計(jì)分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 二進(jìn)制測(cè)試卷計(jì)分標(biāo)準(zhǔn)[7]

（二）二進(jìn)制測(cè)試卷與計(jì)算思維

在二進(jìn)制數(shù)課中，學(xué)生學(xué)習(xí)了如何在二進(jìn)制和十進(jìn)制數(shù)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化。二進(jìn)制測(cè)試卷重點(diǎn)測(cè)試了用一位、兩位、三位、四位二進(jìn)制數(shù)能夠表示的最大數(shù)。比如第五題要求學(xué)生能夠用五位二進(jìn)制數(shù)表示最大值。學(xué)生可以通過(guò)將所有的位值（1+2+4+8+16）相加來(lái)計(jì)算答案，或者注意到由m 位二進(jìn)制數(shù)能表示的最大數(shù)值比下一位數(shù)值少一。解決這種類(lèi)型的問(wèn)題體現(xiàn)了涉及計(jì)算思維的思維過(guò)程。雖然有多種解決方法，但預(yù)期的方法是讓學(xué)生認(rèn)識(shí)模式，并歸納出解決方案，以便解決測(cè)試卷上的所有問(wèn)題。

測(cè)試卷上的每個(gè)問(wèn)題都對(duì)應(yīng)著一個(gè)或者多個(gè)計(jì)算思維技能，因此，對(duì)測(cè)試卷得分進(jìn)行分析可以反映出學(xué)生對(duì)題目潛在的計(jì)算思維的理解和掌握程度。如表2所示。

表2 二進(jìn)制測(cè)試題與計(jì)算思維

（三）二進(jìn)制教學(xué)過(guò)程

表3展示了二進(jìn)制教學(xué)過(guò)程和相應(yīng)的教學(xué)方法，實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班在鞏固環(huán)節(jié)分別采用了游戲法和傳統(tǒng)課堂練習(xí)法。

表3 教學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（四）課堂小結(jié)

1.卡片游戲環(huán)節(jié)促進(jìn)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作精神，提高課堂趣味性

盡管前兩個(gè)環(huán)節(jié)在設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中堅(jiān)持“以學(xué)生為主”的理念，循循誘導(dǎo)，步步啟發(fā)，仍有小部分學(xué)生不感興趣，或者因內(nèi)容的抽象不愿意接受或者有抵觸心理。通過(guò)卡片游戲營(yíng)造的全班參與氣氛促使在前兩個(gè)環(huán)節(jié)中掉隊(duì)的學(xué)生重新學(xué)習(xí)游戲所必需具備的技能，即二進(jìn)制的概念、表征與轉(zhuǎn)化，而這些正是本節(jié)課的教學(xué)技能目標(biāo)，而計(jì)算思維數(shù)據(jù)表征的抽象思維也在卡片游戲中得到鍛煉。

2.當(dāng)堂小測(cè)引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)不足

缺少了教學(xué)目標(biāo)的指引和評(píng)價(jià)體系的建立，游戲終究“難登大雅之堂”（進(jìn)入不了正式課堂的陣地）。而當(dāng)堂小測(cè)作為形成性評(píng)價(jià)的一種，目的在于引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)課堂學(xué)習(xí)中的不足，引發(fā)討論和延伸課堂學(xué)習(xí)。

學(xué)生完成小測(cè)后會(huì)對(duì)測(cè)試中的題目進(jìn)行激烈的討論和再次學(xué)習(xí)，暫時(shí)領(lǐng)先的學(xué)生自覺(jué)擔(dān)任“小老師”的角色指導(dǎo)暫時(shí)落后的學(xué)生。所有的這些學(xué)生都是自覺(jué)自發(fā)地進(jìn)行，不需要教師提示或者強(qiáng)迫。這對(duì)課堂是很好地延伸。通過(guò)對(duì)學(xué)生完成小測(cè)后表現(xiàn)的觀察，筆者認(rèn)為傳統(tǒng)的紙筆測(cè)試在學(xué)生尤其是小學(xué)生心中處于神圣地地位，對(duì)于紙筆測(cè)驗(yàn)，大部分學(xué)生會(huì)更加認(rèn)真嚴(yán)肅和慎重地對(duì)待，期待取得高分。

3.學(xué)生可能遇到的問(wèn)題

當(dāng)將給定的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制時(shí)，在教師沒(méi)有說(shuō)明每張卡片（也就是位）的排列位置是固定且唯一的情況下，有學(xué)生可能會(huì)通過(guò)多次使用某一張（某一位）的方式湊成想要的十進(jìn)制數(shù)。

四、結(jié)果分析

（一）測(cè)驗(yàn)可靠性

利用SPSS 21 分析工具對(duì)實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班的測(cè)驗(yàn)分?jǐn)?shù)進(jìn)行可靠性分析。如下表4所示，當(dāng)克倫巴赫系數(shù)大于0.9 則表示評(píng)價(jià)體系信度很好。本套測(cè)試題信度系數(shù)為0.937，大于0.9，說(shuō)明該測(cè)試題信度比較好，測(cè)試結(jié)果可靠。

表4 可靠性統(tǒng)計(jì)量

（二）結(jié)果顯著性檢驗(yàn)

表5是通過(guò)SPSS 21 分析得出的獨(dú)立樣本T 檢驗(yàn)結(jié)果。分析結(jié)論分為兩步，分別是方差齊性檢驗(yàn)和T 檢驗(yàn)。若方差齊性檢驗(yàn)對(duì)應(yīng)的p 值大于顯著性水平0.05，則表明方差無(wú)顯著性差異，應(yīng)看第一行的T 檢驗(yàn)結(jié)果；反之看第二行的T 檢驗(yàn)結(jié)果。由表兩獨(dú)立樣本T 檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，p 值遠(yuǎn)大于0.05，說(shuō)明兩種教學(xué)方法沒(méi)有顯著差異。此結(jié)果與來(lái)自德國(guó)多特蒙德技術(shù)大學(xué)的Renate Thies 和Jan Vahrenhold[8]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同——他們?cè)诮淌噎h(huán)境下（而不是在課后活動(dòng)中）對(duì)一半學(xué)生采取不插電活動(dòng)的學(xué)習(xí)，另一半學(xué)生則使用其他的替代材料學(xué)習(xí)，結(jié)果顯示無(wú)顯著差異。

表5 獨(dú)立樣本檢驗(yàn)

表6展示了對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的被試人數(shù)、均值、標(biāo)準(zhǔn)差和均值的標(biāo)準(zhǔn)誤。通過(guò)下表中的均值和標(biāo)準(zhǔn)差比較發(fā)現(xiàn)，盡管獨(dú)立樣本T 檢驗(yàn)顯示結(jié)果無(wú)顯著差異，但是實(shí)驗(yàn)班的均值略高于對(duì)照班，標(biāo)準(zhǔn)差略低于對(duì)照班。說(shuō)明在鞏固環(huán)節(jié)的卡片游戲教學(xué)方法起到一定的效果。

表6 組統(tǒng)計(jì)量

五、結(jié)論

克隆巴赫α系數(shù)顯示該測(cè)試卷在此次評(píng)估中信度佳。研究結(jié)果顯示兩個(gè)班的測(cè)試成績(jī)無(wú)明顯差異，但是實(shí)驗(yàn)班成績(jī)均值比對(duì)照班略高，方差略小。課堂觀察發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)班學(xué)生投入度、參與度和興趣更高，對(duì)于后進(jìn)生的帶動(dòng)作用更加明顯。究其原因如下。

（一）測(cè)驗(yàn)方式和教學(xué)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的局限

筆者認(rèn)為，對(duì)照班的練習(xí)題環(huán)節(jié)與測(cè)試題形式有相似之處，使學(xué)生提前熟悉了考察形式，有所心理準(zhǔn)備。換句話說(shuō)，使用紙筆的傳統(tǒng)測(cè)驗(yàn)形式更有利于使用傳統(tǒng)的練習(xí)題方式學(xué)習(xí)的對(duì)照班。測(cè)試題考察的方式單一，范圍狹隘，涉及的主要是學(xué)生計(jì)算思維技能，忽視了學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的情感態(tài)度。此次評(píng)估是即時(shí)考試，沒(méi)有涉及學(xué)生記憶的保留。而能夠在學(xué)生記憶中保留較長(zhǎng)時(shí)間的恰恰是他們親身參與，有情感參與的，有趣的經(jīng)歷，學(xué)習(xí)過(guò)程是否具備了這些特點(diǎn)影響學(xué)生延時(shí)的表現(xiàn)。除此之外，課堂40 分鐘時(shí)間局促，游戲活動(dòng)環(huán)節(jié)不能充分施展。

（二）計(jì)算思維的培養(yǎng)是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程

不插電活動(dòng)可以培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作精神，提高學(xué)生參與度；但是面對(duì)較為傳統(tǒng)的紙筆測(cè)驗(yàn)，不插電活動(dòng)沒(méi)有體現(xiàn)明顯的優(yōu)勢(shì)。

因筆者精力和時(shí)間有限，沒(méi)有開(kāi)展延時(shí)對(duì)照組實(shí)驗(yàn)，所以無(wú)法探究是否開(kāi)展不插電學(xué)習(xí)活動(dòng)的不同學(xué)習(xí)過(guò)程對(duì)學(xué)生較長(zhǎng)期的影響，也沒(méi)有探究學(xué)生在學(xué)習(xí)前后對(duì)信息技術(shù)態(tài)度的變化。結(jié)果不顯著的原因還包括學(xué)生習(xí)慣于傳統(tǒng)教學(xué)方式，計(jì)算思維作為高階思維能力，對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)不是一蹴而就的，而應(yīng)該是一個(gè)循序漸進(jìn)的長(zhǎng)期過(guò)程。