SOLO理論下初中計(jì)算思維量表設(shè)計(jì)：物聯(lián)網(wǎng)編程例析

中圖分類號(hào)：G434文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674—2117（2025）19-0097-04

問題提出

隨著《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）的頒布，計(jì)算思維培養(yǎng)已成為信息科技課程的核心教學(xué)目標(biāo)。物聯(lián)網(wǎng)作為“數(shù)據(jù)與編碼”“人工智能初步”等模塊的實(shí)踐載體，其教學(xué)評(píng)價(jià)體系是否科學(xué)合理，直接關(guān)系到學(xué)生數(shù)字化問題解決能力是否能順利形成。然而，當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)編程教學(xué)普遍存在“重結(jié)果輕過程”的評(píng)價(jià)傾向，這與新課標(biāo)提出的“強(qiáng)化素養(yǎng)導(dǎo)向的多元評(píng)價(jià)和過程性評(píng)價(jià)”的要求嚴(yán)重不符。出現(xiàn)以上問題的主要原因在于傳統(tǒng)評(píng)價(jià)工具無法捕捉學(xué)生思維發(fā)展的動(dòng)態(tài)過程。雖然現(xiàn)有研究提出了一些與編程有關(guān)的計(jì)算思維評(píng)價(jià)框架，但它們主要集中于編程作品評(píng)價(jià)和Dr.Scratch工具[]。另外，傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方式往往只依靠片段化的觀察記錄，缺少具有說服力的過程性證據(jù)對(duì)學(xué)生的真實(shí)能力進(jìn)行推論。[3]基于此，本研究借助SOLO分類理論構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)編程專項(xiàng)評(píng)價(jià)量規(guī)，旨在解決兩個(gè)關(guān)鍵問題： ① 如何把SOLO理論中的抽象層級(jí)轉(zhuǎn)化為可觀測的物聯(lián)網(wǎng)編程行為指標(biāo)； ② 怎樣設(shè)計(jì)出兼具診斷和發(fā)展功能的計(jì)算思維評(píng)價(jià)工具。

理論基礎(chǔ)與模型構(gòu)建

1.理論基礎(chǔ)

（1）SOLO分類理論適配性分析

SOLO（Structure of theObserved Learning Outcome）分類理論由約翰·比格斯提出，該理論將學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)或解決問題時(shí)的思維結(jié)構(gòu)發(fā)展劃分為前結(jié)構(gòu)、單點(diǎn)結(jié)構(gòu)、多點(diǎn)結(jié)構(gòu)、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)和抽象拓展結(jié)構(gòu)五個(gè)水平。前結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生對(duì)問題缺乏基本理解；單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生能抓住單一信息，憑借直覺做出回答；多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生可找到多個(gè)信息，但無法建立它們之間的聯(lián)系；關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生能夠?qū)⑿畔㈥P(guān)聯(lián)起來解決問題；抽象拓展結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生則能超越給定信息，進(jìn)行創(chuàng)新拓展。

在初中物聯(lián)網(wǎng)編程教學(xué)中，學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展與SOLO分類理論高度契合。在解決物聯(lián)網(wǎng)編程問題時(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)的過程恰好對(duì)應(yīng)SOLO分類理論的五個(gè)水平。因此，該理論為評(píng)價(jià)學(xué)生的計(jì)算思維提供了清晰的層次框架。

（2）計(jì)算思維與表現(xiàn)性評(píng)價(jià)的內(nèi)涵及關(guān)系

計(jì)算思維是在思維過程中參與制訂問題并給出解決方案的能力，其核心在于通過理解和生成一系列算法步驟來解決問題。表現(xiàn)性評(píng)價(jià)要求學(xué)生在實(shí)際或模擬情境中完成復(fù)雜任務(wù)以展示其知識(shí)與技能，這種方法能更有效地落實(shí)信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)。兩者在目標(biāo)、方法與過程上高度契合：表現(xiàn)性評(píng)價(jià)為計(jì)算思維提供了具體的呈現(xiàn)方式，通過可觀測的行為指標(biāo)，將學(xué)生的思維層級(jí)清晰地展現(xiàn)出來，并且借助SOLO分類理論實(shí)現(xiàn)對(duì)思維發(fā)展的動(dòng)態(tài)追蹤。因此，在新課標(biāo)背景下采用表現(xiàn)性評(píng)價(jià)測定學(xué)生的計(jì)算思維水平具有充分的可行性。

2.模型構(gòu)建

（1）評(píng)價(jià)指標(biāo)確定

本研究以真實(shí)任務(wù)為基礎(chǔ)建構(gòu)四維評(píng)價(jià)模式，借助能夠被觀察、量化的檢測方法測評(píng)學(xué)生思維的層次級(jí)別，同時(shí)體現(xiàn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程的及時(shí)反饋和個(gè)性化指導(dǎo)的思考。 ① 硬件連接：理解設(shè)備間的關(guān)系，這是計(jì)算思維的一種具象呈現(xiàn)。 ② 算法設(shè)計(jì)：將問題從現(xiàn)實(shí)中解構(gòu)為具體的計(jì)算步驟，這是邏輯構(gòu)建的過程。 ③ 系統(tǒng)調(diào)試：將解決問題的能力進(jìn)一步體現(xiàn)，包括問題發(fā)現(xiàn)、錯(cuò)誤定標(biāo)以及問題解決。 ③ 創(chuàng)新遷移：將學(xué)到的知識(shí)遷移應(yīng)用于新的情境中，這是計(jì)算思維培養(yǎng)的最終目標(biāo)。通過上述四個(gè)評(píng)價(jià)維度，基本可以反映出學(xué)生在物聯(lián)網(wǎng)編程中計(jì)算思維的發(fā)展水平。

（2）評(píng)價(jià)指標(biāo)概述

本評(píng)價(jià)量表從硬件連接、算法設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試、創(chuàng)新遷移四個(gè)維度對(duì)初中學(xué)生的計(jì)算思維進(jìn)行評(píng)估，每個(gè)維度根據(jù)SOLO分類理論各層級(jí)的特點(diǎn)，分別設(shè)定了各評(píng)價(jià)維度在五個(gè)結(jié)構(gòu)水平上的不同表現(xiàn)（如下表）。

在使用此表時(shí)，教師可以參考表內(nèi)相應(yīng)的描述判斷學(xué)生的具體情況處于哪一個(gè)層級(jí)，并結(jié)合四個(gè)方面的權(quán)重，綜合評(píng)價(jià)學(xué)生計(jì)算思維水平。從“前結(jié)構(gòu)水平”至“抽象拓展結(jié)構(gòu)水平”等級(jí)，分?jǐn)?shù)從10到50依次遞增。因此，學(xué)生最終計(jì)算思維得分為：硬件連接得分 ?×0.2+ 算法設(shè)計(jì)得分 ?×0.3+ 系統(tǒng)調(diào)試得分 ×0.25+ 創(chuàng)新遷移 ?×0.25

（3）德爾菲法在評(píng)價(jià)量表設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

為保證評(píng)價(jià)量表科學(xué)合理并具有權(quán)威性，本研究利用德爾菲法進(jìn)行兩輪專家論證，并對(duì)初始構(gòu)建的評(píng)價(jià)維度、層級(jí)描述及權(quán)重分配結(jié)果進(jìn)行了修正和確定。

① 專家組的組建。選取教育評(píng)價(jià)、計(jì)算思維研究、物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)領(lǐng)域的15名專家作為本研究使用的專家?guī)臁?/p>

② 首輪問卷設(shè)計(jì)與意見征詢。首輪問卷包含三部分內(nèi)容：展示初始評(píng)價(jià)維度及權(quán)重；不同層次維度下的SOLO行為描述；邀請(qǐng)專家補(bǔ)充缺少維度、調(diào)整權(quán)重和層面上的描述等。問卷中采用李克特5級(jí)量表測量專家對(duì)現(xiàn)有框架的認(rèn)可度，并配有文字回復(fù)框。

③ 首輪結(jié)果分析與修訂。首輪有效問卷共回收13份（回收率：86.7% 。數(shù)據(jù)分析結(jié)果為：a.從四個(gè)維度的認(rèn)可度情況來看，各維度均超過閾值4.0；b.從權(quán)重分配上看，有3名專家認(rèn)為系統(tǒng)調(diào)試與創(chuàng)新遷移權(quán)重相同（0.25）會(huì)導(dǎo)致調(diào)試權(quán)重的弱化，因此建議提高系統(tǒng)調(diào)試權(quán)重至0.3，降低創(chuàng)新遷移權(quán)重至0.2；c.從層級(jí)描述的角度看，在“硬件連接”方面有3名專家認(rèn)為可以增加“通信協(xié)議適配性”的描述，在“創(chuàng)新遷移”方面有4名專家提出需要對(duì)“跨領(lǐng)域應(yīng)用”進(jìn)行界定。

研究組根據(jù)以上意見對(duì)量表進(jìn)行修訂：a.調(diào)整權(quán)重，變?yōu)橛布B接（0.2）、算法設(shè)計(jì)（0.3）、系統(tǒng)調(diào)試（0.3）、創(chuàng)新遷移（0.2）；b.在硬件連接的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層級(jí)補(bǔ)充“能根據(jù)通信協(xié)議調(diào)整連接方式”；c.將創(chuàng)新遷移的抽象拓展層級(jí)描述改為“提出跨學(xué)科的創(chuàng)新方案”。

④ 第二輪問卷驗(yàn)證與定稿。將修訂后的量表發(fā)給專家們確認(rèn)是否對(duì)調(diào)整后的內(nèi)容達(dá)成共識(shí)。結(jié)果顯示，權(quán)重調(diào)整后的認(rèn)可度與層級(jí)描述清晰度評(píng)分均超過4.3；在開放性意見提出中，有2位專家提到在“系統(tǒng)調(diào)試”維度上應(yīng)增加“錯(cuò)誤預(yù)測能力”指標(biāo)最終，在兩輪德爾菲法后，所有專家基本表達(dá)了對(duì)量表結(jié)構(gòu)、權(quán)重分配及層級(jí)描述的高度認(rèn)可。（Kendall協(xié)調(diào)系數(shù) W=0.82，Plt;0.01）

評(píng)價(jià)量表在物聯(lián)網(wǎng)硬件編程中的應(yīng)用

1.硬件連接維度的評(píng)價(jià)實(shí)踐

例如，在“智能植物澆水系統(tǒng)”案例中，硬件連接涉及連接引腳的問題。由于前結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生不能辨別傳感器數(shù)字引腳和模擬引腳，從而導(dǎo)致安裝的元器件無法成功啟動(dòng)；單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生雖然能實(shí)現(xiàn)初步傳輸?shù)墓δ埽捎谖磳?duì)電源線路進(jìn)行合理的敷設(shè)，留下很多隱患；多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生能準(zhǔn)確連接多個(gè)設(shè)備，但由于沒有考慮到電壓穩(wěn)定性，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)偶發(fā)故障；關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生可以設(shè)計(jì)出獨(dú)立電路，并且會(huì)使用萬用表檢驗(yàn)電路的負(fù)載能力，使得所有設(shè)備在任何情況下都能穩(wěn)定工作；抽象擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的學(xué)生會(huì)考慮如何將整個(gè)系統(tǒng)做得更加完善。

2.算法設(shè)計(jì)維度的分層評(píng)價(jià)

例如，“校園圖書自助借還系統(tǒng)項(xiàng)目旨在讓學(xué)生設(shè)計(jì)算法和編程完成對(duì)圖書的自助借還及信息管理功能，該項(xiàng)目邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，對(duì)學(xué)生算法設(shè)計(jì)能力要求高。前結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生只能標(biāo)記書名，對(duì)算法邏輯完全不了解；單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生，可簡單處理借還流程，但是無法解決書已借出、學(xué)號(hào)無效等問題；多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生會(huì)增加反應(yīng)機(jī)制，如當(dāng)書被借走后會(huì)提示“已借出”，但如果要同時(shí)處理多本圖書則容易混亂；關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生能從容應(yīng)對(duì)多種圖書狀態(tài)，多并發(fā)操作也能保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；抽象拓展結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生，除了能完成基本流程的算法設(shè)計(jì)外，還能設(shè)計(jì)出如人臉識(shí)別等借還方式，并能依據(jù)借書記錄推薦書籍等。

3.系統(tǒng)調(diào)試能力的動(dòng)態(tài)評(píng)估

例如，在“家庭安防報(bào)警裝置”項(xiàng)目中，需要將人體紅外傳感器和蜂鳴器聯(lián)動(dòng)起來進(jìn)行調(diào)試，這個(gè)過程對(duì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐操作和問題解決能力要求較高。在裝置出錯(cuò)時(shí)，前結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生會(huì)直接換設(shè)備，不知道出錯(cuò)的原因，也沒有辦法做系統(tǒng)的調(diào)試；單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生會(huì)選擇斷電重啟，不理解問題原因，也不能徹底解決問題；多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生能用串口監(jiān)視器查看傳感器數(shù)據(jù)，但是只能處理簡單問題，無法從本質(zhì)上解決問題；關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生會(huì)通過調(diào)整傳感器靈敏度閾值和算法來有效降低系統(tǒng)誤觸發(fā)的頻率，使系統(tǒng)運(yùn)行得更加安全可靠；抽象拓展結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生能在處理完當(dāng)前問題后整合Wi-Fi模塊，實(shí)現(xiàn)云端報(bào)警日志和云上遠(yuǎn)程通知等功能。

4.創(chuàng)新遷移能力的跨項(xiàng)目驗(yàn)證

創(chuàng)新遷移能力可通過跨項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，現(xiàn)以“智能植物澆水系統(tǒng)”與“魚缸水質(zhì)監(jiān)測”兩個(gè)項(xiàng)目為例，說明學(xué)生思維水平從低到高的表現(xiàn)情況。

前結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生無法理解項(xiàng)目遷移的概念。例如，在完成“智能植物澆水系統(tǒng)”后，當(dāng)教師布置下一個(gè)任務(wù)是制作“魚缸水質(zhì)監(jiān)測”時(shí)，他們找不到這兩個(gè)項(xiàng)目之間的聯(lián)系，更無法從前項(xiàng)目中借鑒經(jīng)驗(yàn)。單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生面對(duì)同樣的遷移任務(wù)，可能會(huì)把原來的濕度傳感器換成PH傳感器，但是忽略其他部分的邏輯聯(lián)系，新的系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)雜亂的現(xiàn)象。多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生會(huì)把數(shù)據(jù)采集的時(shí)間改為更合理的數(shù)值，但是忽略了這個(gè)值會(huì)影響數(shù)據(jù)分析之后的報(bào)警值，以至于不能很好地檢測魚缸的水質(zhì)情況。關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生不僅可以替換傳感器以及更改參數(shù)值，還可以按照項(xiàng)目的新要求對(duì)原有邏輯進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷暮驼{(diào)整，使其正常使用。拓展抽象水平的學(xué)生可以設(shè)計(jì)PH與溫度聯(lián)動(dòng)預(yù)警的多參數(shù)協(xié)同報(bào)警系統(tǒng)，以及智能花盆和氣象數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)的跨領(lǐng)域優(yōu)化方案，并考慮因季節(jié)及天氣變化帶來的差別，給出精準(zhǔn)的控制方法。

評(píng)價(jià)量表應(yīng)用策略

1.基于教學(xué)流程的嵌入式評(píng)價(jià)策略

（1）項(xiàng)目前診斷性評(píng)價(jià)在開展項(xiàng)目前，教師可以運(yùn)用評(píng)價(jià)量表診斷學(xué)生的初始水平。以“智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)”為例，通過基礎(chǔ)硬件連接與算法設(shè)計(jì)任務(wù)，識(shí)別學(xué)生起點(diǎn)層級(jí)。可向前結(jié)構(gòu)和單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平學(xué)生提供針對(duì)性基礎(chǔ)知識(shí)輔導(dǎo)，使其構(gòu)建必要的認(rèn)知基礎(chǔ)，然后再進(jìn)行后續(xù)學(xué)習(xí)。

（2）項(xiàng)目中形成性評(píng)價(jià)

在項(xiàng)目實(shí)施階段，教師可實(shí)施動(dòng)態(tài)觀察評(píng)估。例如，在“智慧交通信號(hào)燈”項(xiàng)目中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平學(xué)生存在硬件協(xié)同規(guī)劃不足的問題時(shí)，即時(shí)引導(dǎo)學(xué)生優(yōu)化方案，推動(dòng)其向關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平發(fā)展。同步跟進(jìn)算法設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試及創(chuàng)新遷移表現(xiàn)，通過適時(shí)反饋促進(jìn)思維進(jìn)階。

（3）項(xiàng)目后總結(jié)性評(píng)價(jià)

在項(xiàng)目完成后，教師計(jì)算出學(xué)生計(jì)算思維的綜合得分和各維度層級(jí)，結(jié)合評(píng)價(jià)結(jié)果可以了解學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的優(yōu)勢、缺陷等，并作為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)中評(píng)價(jià)、反饋和改進(jìn)的實(shí)證基礎(chǔ)，促進(jìn)“評(píng)價(jià)一反饋一改進(jìn)”三循環(huán)機(jī)制的運(yùn)行。

2.促進(jìn)學(xué)生參與的評(píng)價(jià)策略

（1）學(xué)生自評(píng)

教師需要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)照量表開展自評(píng)，如在完成“家庭安防報(bào)警裝置”任務(wù)后，學(xué)生依據(jù)系統(tǒng)調(diào)試維度反思自身表現(xiàn)。當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)僅能重啟設(shè)備解決問題（多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平）時(shí)，激發(fā)其思考故障深層原因，主動(dòng)尋求優(yōu)化方案，深化對(duì)計(jì)算思維的理解與應(yīng)用。

（2）學(xué)生互評(píng)

學(xué)生可以通過量表維度評(píng)判其他同學(xué)作品的優(yōu)劣，分享自己的經(jīng)驗(yàn)，并且從各個(gè)維度反觀自身項(xiàng)目，尋找提升的方向。互評(píng)能培養(yǎng)學(xué)生批判性思維、溝通表達(dá)和協(xié)同工作的能力，從而形成“評(píng)價(jià)一反思一提升”的閉環(huán)鏈條。

3.評(píng)價(jià)結(jié)果反饋與教學(xué)改進(jìn) 策略

教師應(yīng)將量表的評(píng)價(jià)結(jié)果及時(shí)反饋給學(xué)生（指出得分、所處的層級(jí)及具體的優(yōu)點(diǎn)和不足之處等），并對(duì)學(xué)生進(jìn)行針對(duì)性指導(dǎo)，還應(yīng)根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)的問題，改進(jìn)教學(xué)策略。

結(jié)論

本研究依據(jù)SOLO分類理論建立初中計(jì)算思維表現(xiàn)性評(píng)價(jià)量表，解決了物聯(lián)網(wǎng)硬件編程教學(xué)中計(jì)算思維難以評(píng)量的問題。

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