高中學(xué)生計算思維水平現(xiàn)狀調(diào)查與分析*

孫爽 魏文清 趙瑞 陳瑩

（1.吉林師范大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，吉林 四平 136000；2.四平市第一高級中學(xué)，吉林 四平 136000）

一、引言

計算思維最早由麻省理工學(xué)院的西蒙·派珀特（Seymour Papert）教授于1996 年首次提出[1]。2006 年，周以真教授發(fā)表了題為《Computational Thinking》的文章，并對計算思維進(jìn)行了系統(tǒng)的論述[2]。自計算思維概念提出以來，就受到各國的廣泛關(guān)注和高度重視。我國《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》也將計算思維列為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，并且是該學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的核心議題[3]。

計算思維的評價是培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力水平至關(guān)重要的一環(huán)，它不僅是開展教學(xué)活動的依據(jù)，還是檢驗(yàn)計算思維培養(yǎng)成果的重要手段[4]。國際上有關(guān)計算思維評價工具的類型有多種，基于量表的評價，如Korkmaz 等學(xué)者設(shè)計開發(fā)的計算思維量表（Computational Thinking Scale，簡稱CTS[5]）；基于試題的評價，如Bebras Tasks；基于系統(tǒng)環(huán)境的評價，如Dr.Scratch 編程軟件[6][7]。CTS 與其他類型工具相比更關(guān)注對學(xué)生計算思維觀念方面的評價，并且在學(xué)界獲得了較高的認(rèn)可。因此，本文采用Korkmaz 等學(xué)者根據(jù)國際教育技術(shù)協(xié)會（ISTE）定義的計算思維理論框架設(shè)計開發(fā)的，包含創(chuàng)造力、算法思維、批判性思維、協(xié)作學(xué)習(xí)、問題解決五個維度的計算思維量表。并通過相關(guān)性分析和探索性因素分析來檢驗(yàn)量表的合理性，利用單因素ANOVA檢驗(yàn)探究計算思維能力在性別、年級、生活環(huán)境等方面的差異。根據(jù)分析得到的結(jié)果提出相應(yīng)建議，為一線教師在信息技術(shù)課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維提供參考。

二、調(diào)查問卷的設(shè)計

（一）問卷各部分說明

問卷第一部分為學(xué)生基本信息，共3 道題，了解學(xué)生的性別、年級、生活環(huán)境等方面情況。第二部分為計算思維量表，包含創(chuàng)造力、算法思維、協(xié)作能力、批判性思維和問題解決五個維度，共29 道題。量表采用Likert 五點(diǎn)計分法，每題五個選項，包括非常符合、基本符合、有點(diǎn)符合、基本不符、非常不符，分別賦分5 分、4 分、3 分、2 分、1分。計算思維量表各維度題目與描述如表1 所示。

表1 計算思維量表各維度與描述

（二）問卷的預(yù)測與調(diào)整

本次預(yù)測共回收有效問卷314 份，利用SPSS21.0 軟件對回收的有效問卷數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，并對量表進(jìn)行相關(guān)性分析，以相關(guān)性分析為基礎(chǔ)對量表的信度、效度進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而檢驗(yàn)量表中的各個題項是否符合要求，將不符合要求的題刪除，最后形成一份科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膯柧怼?/p>

1.相關(guān)性分析

筆者對量表進(jìn)行項目分析，首先求出該量表中各題項的決斷值（CR 值），再考察各題項與量表總分的相關(guān)性是否顯著，將未達(dá)到顯著水平的題項給予刪除。具體操作是：將314 名學(xué)生所得的總分計算出來，由高到低進(jìn)行排序，把成績中的前27%作為高分組，組別為1，后27%作為低分組，組別為2，再求出高、低兩組學(xué)生在各題項得分的平均值的差異顯著性，利用獨(dú)立樣本T 檢驗(yàn)的方法進(jìn)行檢驗(yàn)。若有題項未達(dá)到顯著水平，應(yīng)將其刪除。本調(diào)查問卷第二部分各個題項得分與量表總分的相關(guān)性如表2 所示。

表2 各題項得分與量表總分的相關(guān)性

從表2 可以發(fā)現(xiàn)，問題解決維度中的PS1 題和PS2 題不能反映出被測試學(xué)生的計算思維能力水平（P＞0.05），這兩道題均未達(dá)到顯著性差異，因此應(yīng)刪除問題解決維度中的這兩道題，刪除后，筆者又對該量表進(jìn)行重新編號。

2.量表效度檢驗(yàn)

通過KMO 和Bartlett 的球形度檢驗(yàn)來判斷量表的有效性。檢驗(yàn)得到KMO=0.923，x2=6861.277，p＜0.001，說明本量表數(shù)據(jù)適合進(jìn)行探索性因子分析。

借鑒阿科約爾探索性序貫設(shè)計研究思路[8]，對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行探索性因子分析。采用主成分分析法提取因子，選取最大方差法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以特征值大于1 作為提取因子的標(biāo)準(zhǔn)，對低載荷值（小于0.40）進(jìn)行忽略。經(jīng)檢驗(yàn)，共提取5 個主成分因子，累積解釋方差為73.013%，各題項的因子載荷系數(shù)均大于0.4，但CA8 和AT1 題項均出現(xiàn)了交叉載荷現(xiàn)象。經(jīng)討論分析后，決定刪除這兩個題項，最終形成共有25 個題目的計算思維能力調(diào)查量表。

3.量表信度檢驗(yàn)

在進(jìn)行效度分析后，為進(jìn)一步驗(yàn)證量表的可靠性，通常采用克隆巴赫α系數(shù)（Cronbach’s α）對量表進(jìn)行信度檢驗(yàn)。結(jié)果顯示：總調(diào)查量表Cronbach’s α 系數(shù)為0.917，各維度系數(shù)依次為αCA=0.901、αAT=0.933、αCL=0.936、αCT=0.875、αPS=0.909，量表不管是總信度系數(shù)還是各維度信度系數(shù)的結(jié)果均在0.8 以上，這說明該調(diào)查量表的可靠性很好。

“互聯(lián)網(wǎng)+”親職教育這一新興領(lǐng)域，是時代變革的產(chǎn)物，是對傳統(tǒng)教育的顛覆，深刻影響了教育的各要素，倒逼教育改革。這一艱巨的任務(wù)，呼喚強(qiáng)有力的主導(dǎo)者來組建活力、規(guī)范、系統(tǒng)的發(fā)展格局，而政府具有義不容辭的責(zé)任。

（三）問卷的正式發(fā)放與回收

根據(jù)前面預(yù)測問卷結(jié)果的分析，將原始問卷中不合理的題項刪除，形成本研究的正式調(diào)查問卷，包括學(xué)生的基本信息和計算思維能力兩部分，共28 道題。本研究的被試對象為某省普通高中一、二年級的學(xué)生，調(diào)查對象共有310 人，回收有效問卷290 份，其中男生110 名，女生180 名。高一年級學(xué)生152 人；高二年級學(xué)生138 人。城市學(xué)生177 人；農(nóng)村學(xué)生113 人。

三、調(diào)查結(jié)果分析

（一）計算思維水平的總體現(xiàn)狀

本研究通過描述性統(tǒng)計對學(xué)生計算思維及各維度能力情況進(jìn)行了分析，其分析結(jié)果如表3 所示。

表3 計算思維能力描述性統(tǒng)計分析表

由表3 可知，計算思維能力的平均分為3.637，而量表中3=有點(diǎn)符合，這表明學(xué)生的計算思維處于中等水平。就計算思維的各維度而言，學(xué)生從高到低的得分依次為：協(xié)作學(xué)習(xí)、創(chuàng)造力、批判性思維、算法思維和問題解決維度。結(jié)果表明高中學(xué)生的協(xié)作學(xué)習(xí)能力較高，可以相互配合開展合作學(xué)習(xí)，這可能是由于近年來基礎(chǔ)教育中各學(xué)科都強(qiáng)調(diào)應(yīng)用小組合作探究的學(xué)習(xí)模式，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中已經(jīng)養(yǎng)成了基本的溝通合作能力。但是學(xué)生的問題解決能力較低，這可能是因?yàn)?003 版課標(biāo)下，教師在教學(xué)過程中雖然注重了三維教學(xué)目標(biāo)的培養(yǎng)，常見以任務(wù)驅(qū)動法進(jìn)行課堂教學(xué)，但是缺乏對教學(xué)內(nèi)容的整體考慮，仍然是以課時為單位進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，學(xué)生基礎(chǔ)知識比較牢固，但是缺乏應(yīng)用情境下的自主計劃、探究和實(shí)施過程，不能把所有學(xué)科知識靈活整合用以解決問題。這一點(diǎn)也反映了學(xué)生計算思維能力的不足，在今后的教學(xué)中需要培養(yǎng)學(xué)生界定問題、抽象問題、分析問題、建立結(jié)構(gòu)模型、運(yùn)用合理的算法解決問題的能力，實(shí)現(xiàn)計算思維培養(yǎng)的終極目標(biāo)。

（二）計算思維水平與學(xué)生基本情況的差異性分析

1.計算思維水平與性別的差異性分析

本研究通過單因素ANOVA 檢驗(yàn)，了解學(xué)生性別對計算思維及其各維度的影響，其分析結(jié)果如表4 顯示。不難發(fā)現(xiàn)，男生的計算思維平均分為3.711，女生的計算思維平均分為3.591，即男生的整體計算思維水平高于女生。由P=0.034＜0.05 可知，學(xué)生的計算思維水平與性別之間存在顯著差異。在各維度方面，除協(xié)作學(xué)習(xí)能力之外，男生在其他維度上的得分均高于女生，尤其是問題解決能力更為顯著，算法思維和批判性思維的差異性基本相當(dāng)。由此可以看出，學(xué)生的計算思維在性別上確實(shí)存在較為明顯的差異，這就需要教師在教學(xué)過程中對任務(wù)分配、內(nèi)容安排進(jìn)行有目的的規(guī)劃和調(diào)整。

表4 計算思維水平與性別的差異性分析

2.計算思維水平與年級的差異性分析

表5 計算思維水平與年級的差異性分析

（續(xù)表）

由表5 可知，高一、高二年級學(xué)生的計算思維平均分分別為3.700 和3.567，即高一學(xué)生計算思維水平略高于高二學(xué)生。由P=0.015＜0.05 可知，不同年級學(xué)生的計算思維水平存在顯著差異。在各維度方面，除創(chuàng)造力之外，高一學(xué)生在其他維度上的得分均略高于高二學(xué)生，且在算法思維和問題解決能力上存在較明顯差異。這可能是因?yàn)楦咧行畔⒓夹g(shù)課程一般都在高一開設(shè)，在必修課結(jié)束后，高二一般就不再進(jìn)行信息技術(shù)課程的學(xué)習(xí)，導(dǎo)致學(xué)生的整體水平稍有下滑。

3.計算思維水平與生活環(huán)境的差異性分析

本研究采用單因素ANOVA 檢驗(yàn)的方法，探究生活環(huán)境對計算思維水平及其各維度的差異，其分析結(jié)果如表6 所示。

表6 計算思維水平與生活環(huán)境的差異性分析

由表6 可知，城市學(xué)生與農(nóng)村學(xué)生的計算思維平均分分別為3.733 和3.485，即城市學(xué)生的計算思維水平明顯高于農(nóng)村學(xué)生。由P=0.000＜0.05 可知，不同生活環(huán)境下學(xué)生的計算思維水平存在顯著差異。在各維度方面，除創(chuàng)造力之外，城市學(xué)生在其他四個維度上的得分均明顯高于農(nóng)村學(xué)生，且存在顯著性差異，尤其是算法思維的差異性最大。這也表明創(chuàng)造力是一種原動力，受學(xué)生的生活環(huán)境影響不大，但是其他方面的維度受學(xué)生的視野大小、教學(xué)環(huán)境、信息素養(yǎng)、培養(yǎng)模式等因素的影響較多。

四、研究結(jié)論與建議

（一）切實(shí)落地新課改，全面提升學(xué)生的計算思維水平

整體上，目前高中學(xué)生的計算思維水平處于中等程度，在各維度方面，學(xué)生的協(xié)作能力較高，創(chuàng)造力和批判性思維能力次之，而算法思維和問題解決能力較低。究其原因，筆者認(rèn)為是近年來各學(xué)科都強(qiáng)調(diào)應(yīng)用小組合作探究的學(xué)習(xí)模式，大大提高了學(xué)生的協(xié)作能力。目前，高中信息技術(shù)課程考核方式仍然以會考為主，過程性考核并沒有真正落地。教師在教學(xué)中雖然注重了三維教學(xué)目標(biāo)的培養(yǎng)，但缺乏對教學(xué)內(nèi)容的整體考慮，仍然以課時為單位進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，學(xué)生缺乏應(yīng)用情境下的自主計劃、探究和實(shí)施過程，導(dǎo)致問題解決能力沒有得到充分鍛煉。這也充分說明新課程標(biāo)準(zhǔn)建議高中信息技術(shù)課堂采用基于項目的學(xué)習(xí)是切實(shí)有效的。教師在教學(xué)中通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，按照“學(xué)主教從、以學(xué)定教、先學(xué)后教”的專業(yè)路徑，把項目整合于課堂教學(xué)中，引領(lǐng)學(xué)生解決生活中的實(shí)際問題。學(xué)會分析問題、批判問題、合理計劃、主動探究，從而有效提高學(xué)生解決問題的能力。

（二）重視影響計算思維的差異性因素，提高學(xué)生在項目活動中的有效參與

學(xué)生的計算思維水平與性別、年級、生活環(huán)境等方面均存在顯著差異。在性別方面，男生整體的計算思維水平略高于女生。就各維度而言，女生的協(xié)作能力明顯高于男生，男生則在問題解決能力上顯著高于女生。這可能是男生相較于女生更具有好奇心，愿意嘗試新事物；更善于發(fā)散思維，尋求解決問題的不同方法。這也啟示教師應(yīng)重視對女生計算思維的培養(yǎng)，教學(xué)中可以根據(jù)學(xué)生的個性差異以及知識水平，將男女生混合分成若干小組，共同開展探究活動，充分發(fā)揮女生的協(xié)作能力，讓學(xué)生通過合作發(fā)散思維，促進(jìn)學(xué)生在學(xué)習(xí)上的互相幫助和共同提高。

在年級方面，高一學(xué)生的整體計算思維水平高于高二學(xué)生，尤其是算法思維和問題解決能力最為顯著。這可能是因?yàn)楦咭粚W(xué)生經(jīng)過一學(xué)年信息技術(shù)課程的學(xué)習(xí)，在算法思維、批判性思維、問題解決能力上有明顯的提高。進(jìn)入高二后學(xué)生各科學(xué)習(xí)任務(wù)不斷加重，而且大多數(shù)學(xué)校不再開設(shè)信息技術(shù)課，這也導(dǎo)致高二學(xué)生的計算思維水平明顯低于高一學(xué)生。因而，建議學(xué)校可以通過STEAM 課程或者其他校本課程的形式提高學(xué)生的信息技術(shù)學(xué)習(xí)機(jī)會和使用機(jī)會，并在學(xué)校大力倡導(dǎo)信息技術(shù)與其他學(xué)科的深度融合，鼓勵教師在教學(xué)中盡可能地為學(xué)生提供參與問題解決的各種機(jī)會和真實(shí)情境。并引導(dǎo)學(xué)生對遇到的問題提出不同的解決方案，讓學(xué)生通過批判性的思考，從多種解決方案中找到最佳方案，進(jìn)而提高學(xué)生的批判性思維和問題解決能力。

在生活環(huán)境方面，城市學(xué)生的計算思維及各維度能力均高于農(nóng)村學(xué)生。這可能是城鄉(xiāng)家庭之間具有一定的經(jīng)濟(jì)差距，每個家庭為學(xué)生提供的信息化設(shè)備和應(yīng)用環(huán)境有所差距，影響了學(xué)生計算思維的發(fā)展；城市學(xué)校與農(nóng)村學(xué)校在師資力量的配備、信息技術(shù)課程的開設(shè)、現(xiàn)代教育技術(shù)的應(yīng)用、教育教學(xué)的理念和模式等方面都存在較大差距，這也是導(dǎo)致城市學(xué)生與農(nóng)村學(xué)生計算思維水平存在顯著差異的原因。從這些影響因素的分析中不難發(fā)現(xiàn)，學(xué)生初始的創(chuàng)造力并沒有明顯的差異，其他四個維度的能力更容易受后期學(xué)習(xí)環(huán)境的影響，這也啟示教師在教學(xué)過程中要充分考慮這些因素，利用小組合作探究學(xué)習(xí)、生活化的項目場景、更合理的技術(shù)手段、先進(jìn)的教育理念提高學(xué)生的計算思維能力，縮小城鄉(xiāng)學(xué)生的差距。