高校軟件工程專業學生計算思維評價指標體系的構建

譚翔緯 黃耿生

【摘要】 ? ?隨著我國高校對學生計算思維能力培養的日益重視，如何有效地評價高校學生計算思維發展狀況，逐漸成為高等教育教學研究的熱點。針對高校教師在教學實踐中缺乏評估學生計算思維發展狀況的測量工具這一棘手問題，本文提出了由7個維度的計算思維評價指標體系，并通過兩輪在線問卷調查采集的數據進行統計分析，構建了具有較好信效度的計算思維評測量表。綜合研究結果表明，本文提出的研究結論可以為高校軟件工程專業計算思維能力培養的教學實踐，提供有效的測量工具支持。

【關鍵詞】 ? ?軟件工程 ? ?計算思維 ? ?評價體系 ? ?構建

引言：

隨著我國科教興國、創新驅動發展的國家戰略不斷深入實施，以人工智能、大數據、區塊鏈等為代表的高新信息技術行業需要大量具備良好計算思維能力的高素質人才，因此加強高校學生計算思維能力的培養成為了高校教育的重要內容。本文對計算思維培養的相關理論梳理并總結，通過對調查問卷、數據統計分析得出的數據進行量化分析，得出符合高校軟件工程專業學生計算思維能力構成的關鍵指標，并形成相關的評價體系，為驗證各種教學模式對計算思維能力的培養有效性提供理論支持。

一、計算思維能力的內涵

卡內基-梅隆大學的周以真教授2006年在《Computational Thinking》文中提出，計算思維是一系列思考活動，能夠使用基本的計算機概念系統解決問題與理解人類的行為[1]。這一說法認為計算思維能力是問題形成及尋求問題有效解決方案時的必備思維能力之一，屬于對計算思維能力的廣義定義范疇[2];狹義上的計算思維能力定義是指在不同學科領域內通過計算機編程、專業算法和數據分析來解決問題的能力，突出強調計算思維能力與具體學科之間的關系 [3]。無論是廣義還是狹義，計算思維的本質都是問題的抽象與尋求問題最優化解決方案的思維過程，區別只是在實踐中是以去計算機化為側重點，還是依托計算機工具為側重點。

二、計算思維能力關鍵指標設計

2017年土耳其學者Korkmaz等人編制了可以量度大學生計算思維能力的量表CTs，該量表從創造能力、批判思維能力、問題解決能力、算法思維能力、協作能力等五個維度來量度高校學生的計算思維水平 [4]。但CTs量表中的部分題項與我國高校教育背景不符，且計算機思維能力在高校不同專業、不同年級階段會具有獨特的表現，故本研究采納了CSTA（美國技術科學教師協會）和ISTE（美國國際教育技術協會）共同發布的《CSTA計算機思維教師資源手冊》中的部分觀點[5]，對CTs的五個維度進行分解，確定更具體的7個關鍵指標，如圖1所示。

三、高校軟件工程專業計算思維量表編制

為了明確定義高校軟件工程專業學生的計算思維能力，本研究將量表編制工作分為三個階段實施：

首先為問卷設計階段，主要工作內容為確定問卷維度與題項;

接著為預調研階段，通過發放與回收在線問卷，進行信度與效度分析，刪除不符合標準的題項;

最后為正式調研階段，發放正式的在線調研問卷，進行反復的效度檢驗，直到題項與維度對應清晰且符合專業意義，得到具有較好效度的量表。

第一階段筆者依照圖1所示的計算思維結構圖，每個維度根據其關注點設計3到4道問題。其中在抽象維度主要關注學生把事物的本質與主要內容提取形成可理解的概念的能力;算法維度主要關注學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;分解維度主要關注學生將問題整體分解為若干部分進行研究的能力;態度維度主要從學生的求真、開放思想、認知成熟度、自信心等角度進行評價;協作維度主要關注學生在團隊合作完成任務時，所體現的人際交往社交能力;評估維度主要關注學生是否能選擇一個最恰當的方案來解決問題的能力;概括維度主要關注學生識別共性情景，可以根據不同情景進行方案遷移的能力。依據以上七個維度，在經過專家論證后，設計了包含23題預測問卷，計分方式采用李克特五點計分法，選項分為從不、極少、有時、經常、總是，分別計分為1-5，預測問卷的題項如表1所示。

第二階段隨機挑選了軟件工程專業大一與大二的兩個班級的學生為研究對象，采用問卷星進行在線填答，回收有效問卷97份。對回收的預測問卷采用臨界比值法進行分析，將所有被調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，對高分組和低分組的總分進行獨立樣本T檢驗，分析結果顯示各題項的相關系數在0.452—0.821之間，p<0.001，證明題項具有良好的鑒別力，故全部予以保留。

第三階段采取整群抽樣的方式，挑選修讀《面向對象設計與編程》課程的軟件工程專業學生作為樣本實施正式調研。共回收有效問卷314份，將樣本數據隨機平分為兩半，其中一半157份的樣本數據用于探索性因素分析，結果顯示KMO=0.914，Bartlett球形檢驗達到顯著，采用成分分析法與最大方差法抽取各個維度的因子，總解釋方差計算值為62.014%，特征根大于1，說明七個維度對應的因子對于計算思維的影響力較大，說明由評估、概括、抽象、算法、分解、態度、協作這七個維度因子構成的計算思維指標體系具備較好的結構效度;

另外一半的157份樣本數據用于驗證性因素分析，統計檢驗結果表明：卡方自由度比值χ2/df小于5，標準化殘差均方根SRMR小于0.06，比較擬合指數CFI大于0.9，Tucker-lewis系數TLI大于0.9，近似誤差均方根RMSEA小于0.08，說明量表的結構模型擬合良好，設計合理，信度屬于可以接受的范圍。

綜上，本研究在編制預測問卷的基礎上，通過兩輪在線問卷調研，結合探索性因素與驗證性因素的分析方法，最終確定了包含七個維度，適用于高校軟件工程專業學生計算思維能力評價體系，形成了包含23個題項的計算思維評價量表。

四、結論

本研究從廣義的計算思維概念出發，最終確立了包含評估、概括、抽象、算法、分解、態度、協作這七個維度的計算思維評價體系，并得出了具備較好效度與信度的量表。不過構建準確的計算思維評價指標是復雜的系統性工程，評價對象的知識水平、心理變量對計算思維的量度會產生較大影響，例如大學高年級的學生因其計算思維水平遠高于低年級學生，導致這些樣本數據的測量結果的可靠性較高;另外本研究的樣本均來自工科學科軟件工程專業的學生，會導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與年級的樣本數據分析實踐中進行進一步的迭代優化，以便為高校學生計算思維發展狀況評估提供更準確的判斷工具。

參 ?考 ?文 ?獻

[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：從計算機科學到計算科學[J].中國科學院院刊，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計算機科學教師標準》評介[J].中國信息技術教育， 2020（8）：82-84.

譚翔緯（1982-），男，碩士研究生，副教授，主要研究方向為大數據技術應用、數據挖掘、web應用開發。

黃耿生（1984-）， 男，碩士研究生，講師，主要研究方向為電子商務、大數據技術應用

基金項目：2019年廣州大學華軟軟件學院教學研究和改革項目-“以學生計算思維能力培養為目標的軟件工程專業核心課程實驗教學改革與實踐”（項目編號JYJG201908） 2019年廣東省普通高校青年創新人才類項目--“深度學習在應屆生就業服務的應用研究”（項目編號2019GKQNCX022）