初中生計(jì)算思維能力的現(xiàn)狀調(diào)查及對(duì)策研究

張菊芳?王海燕

摘 要：隨著2017版《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》的制定和頒布，計(jì)算思維的培養(yǎng)越來(lái)越受到學(xué)校教育的關(guān)注。為了探討如何加強(qiáng)初中與高中學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)的銜接工作，本文以八年級(jí)學(xué)生為研究對(duì)象，從計(jì)算思維的內(nèi)涵出發(fā)，以計(jì)算思維的概念框架為線索，設(shè)計(jì)了與計(jì)算思維五要素——算法、分解、抽象、評(píng)估和概括相關(guān)的問卷，通過問卷調(diào)查分析學(xué)生的計(jì)算思維能力，并以此提出相應(yīng)的對(duì)策建議，旨在為學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù);計(jì)算思維;現(xiàn)狀調(diào)查;對(duì)策研究

中圖分類號(hào)：G434文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：2096-0069（2018）06-0046-05

一、設(shè)計(jì)與調(diào)查

計(jì)算思維由麻省理工學(xué)院的西蒙·派珀特（Seymour Papert）教授于1996年最早提出[1]，最受關(guān)注的代表人物是美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的周以真教授（Jeannette M.

Wing）。2006年，周以真教授在美國(guó)計(jì)算機(jī)權(quán)威雜志上公開定義了計(jì)算思維的概念。她認(rèn)為，計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[2]。

2013年，英國(guó)南安普敦大學(xué)的辛西婭·塞爾比

（Cynthia Selby）博士和約翰·伍拉德（John Woollard）博士根據(jù)一項(xiàng)調(diào)查發(fā)展了計(jì)算思維的定義。他們認(rèn)為計(jì)算思維是一種活動(dòng)，是一個(gè)認(rèn)知或思考的過程，是一種以產(chǎn)品為導(dǎo)向又不局限于解決問題的過程，并借助一個(gè)表格總結(jié)了12個(gè)有關(guān)計(jì)算思維定義的核心要素，通過排除某些因素縮小了定義的范圍，最終得出計(jì)算思維包含5個(gè)方面，即算法思維（Algorithmic Thinking）的能力、分解（Decomposition）角度思考的能力、抽象（Abstraction）思維的能力、在評(píng)估（Evaluation）方面思考的能力以及概括（Generalisation）思維能力。這個(gè)定義將解決問題的算法、分解、抽象、評(píng)估、概括的思想過程密切聯(lián)系在一起[3]。

本文試圖基于筆者所在實(shí)習(xí)學(xué)校使用的西安交大版八年級(jí)下冊(cè)的信息技術(shù)教材，借助計(jì)算思維的概念框架和教材第二章——認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)程序的教學(xué)內(nèi)容來(lái)設(shè)計(jì)教學(xué)的前測(cè)問卷，以期了解初中生計(jì)算思維能力的現(xiàn)狀。在數(shù)據(jù)調(diào)查和統(tǒng)計(jì)過程中，先選2個(gè)班進(jìn)行問卷的信度和效度檢驗(yàn)，刪除未達(dá)標(biāo)題項(xiàng)，最后得出克隆巴赫系數(shù)（Cronbachs α）為0.779，大于0.7，KMO值（用于判斷是否有效度）為0.769，在0.7到0.8之間，意味著問卷的信效度可行，因此可以對(duì)正式問卷做進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析。以另外8個(gè)班共448名學(xué)生作為研究對(duì)象發(fā)放問卷，借助Excel和SPSS 22.0，針對(duì)400份有效問卷對(duì)學(xué)生的計(jì)算思維能力進(jìn)行分析。

本研究中問卷所起到的作用，一方面是調(diào)查八年級(jí)學(xué)生的計(jì)算思維能力，另一方面是作為本章學(xué)習(xí)內(nèi)容的引導(dǎo)性材料。問卷除對(duì)學(xué)生的性別和年級(jí)基本情況進(jìn)行調(diào)查外，還包括學(xué)生對(duì)計(jì)算思維的認(rèn)識(shí)和態(tài)度傾向及與計(jì)算思維五要素相關(guān)的測(cè)試題目。

調(diào)查具體項(xiàng)目緊緊圍繞計(jì)算思維五要素——算法、分解、抽象、評(píng)估和概括展開。其中，“算法”主要了解學(xué)生學(xué)習(xí)解決問題的具體步驟和方法的能力;“分解”主要了解學(xué)生將問題分成若干個(gè)子問題，使復(fù)雜問題得以模塊化解決的能力;“抽象”主要了解學(xué)生明確問題要求后分析問題，然后再把問題抽象成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型的能力;“評(píng)估”主要是了解學(xué)生對(duì)自己提出的解決方案不斷論證和判斷的能力;“概括”主要了解學(xué)生把抽象出來(lái)的事物的本質(zhì)屬性相聯(lián)系，運(yùn)用遷移獲得新知識(shí)的能力。

二、調(diào)查結(jié)果分析

（一）學(xué)生對(duì)計(jì)算思維的基本認(rèn)識(shí)

經(jīng)調(diào)查得知，學(xué)生對(duì)計(jì)算思維大多比較陌生，其中知道這個(gè)概念的學(xué)生才占17.65%。認(rèn)為計(jì)算思維非常重要的學(xué)生占35.51%，可見大多數(shù)學(xué)生并未意識(shí)到計(jì)算思維的重要性。在接受計(jì)算思維相關(guān)訓(xùn)練方面，專門針對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的相關(guān)訓(xùn)練較少，接近一半的學(xué)生表示從來(lái)沒有接受過相關(guān)訓(xùn)練，而認(rèn)為經(jīng)?；蛘呖偸墙邮苡?xùn)練的學(xué)生只有13.5%左右。針對(duì)以上分析，可以得出學(xué)生對(duì)計(jì)算思維的重要性認(rèn)識(shí)不足，相關(guān)培養(yǎng)工作更是非常欠缺。

（二）學(xué)生在計(jì)算思維方面的能力現(xiàn)狀

這部分主要以問卷典型的題目為例，借助圖表和數(shù)據(jù)對(duì)學(xué)生思維方面的能力進(jìn)行具體分析（題目考察角度原因，在此就把算法思維放后面和評(píng)估思維一起論述）。

1.分解思維

“你用什么方法計(jì)算1-2+3-4+…+99-100的結(jié)果？”這道題需要用分解思維，調(diào)查得知，兩兩相減再求和是最快的解決方案，有239名學(xué)生選擇正確，占到總?cè)藬?shù)的59.8%，即一半左右的學(xué)生答對(duì)，整體分解思維能力一般，并且這種思維能力大多從數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中獲得，在程序設(shè)計(jì)中還須通過應(yīng)用實(shí)現(xiàn)遷移才可以達(dá)到培養(yǎng)的目的。

2.抽象思維

“求數(shù)列1、1、2、3、5、8、13、21、X、55中X的值”這道題目考查學(xué)生抽象思維能力。經(jīng)分析不難發(fā)現(xiàn)，這個(gè)數(shù)列的規(guī)律是第3個(gè)數(shù)等于前2個(gè)數(shù)的和，將其公式化為Fn=Fn-1+Fn-2（n>2），所以X的值為13+21=34。調(diào)查可知，49.8%的學(xué)生可以找出數(shù)列的規(guī)律，即幾乎有一半的學(xué)生答對(duì)，抽象思維能力一般。

3.算法和評(píng)估思維

問卷題目：有一商品價(jià)格在40元以內(nèi)，采取什么策略能在較短的時(shí)間內(nèi)猜出正確的價(jià)格？（假設(shè)商品價(jià)格為15元）

在數(shù)學(xué)領(lǐng)域中，二分法是針對(duì)區(qū)間[a，b]上連續(xù)不斷且f（a）·f（b）<0的函數(shù)y=f（x），通過不斷地把函數(shù)f（x）的零點(diǎn)所在的區(qū)間一分為二，使區(qū)間的兩個(gè)端點(diǎn)逐步逼近零點(diǎn)，進(jìn)而得到零點(diǎn)近似值的方法。同理，在編程語(yǔ)言中二分法的基本理念是假設(shè)數(shù)據(jù)是升序排列的，在尋找給定值x時(shí)，從序列的中間位置開始比較，如果中間值等于x，則查找成功;若x小于中間值，則在數(shù)列的前半段的中間位置繼續(xù)查找;若x大于中間值則在數(shù)列的后半段中繼續(xù)查找，直到找到為止。在設(shè)計(jì)算法時(shí)，針對(duì)較大的數(shù)據(jù)量則適宜采用該方法。采用二分法查找時(shí)，數(shù)據(jù)需是排好序的。上述這個(gè)問題應(yīng)用了二分法的理念，解決這個(gè)問題的過程既體現(xiàn)算法思維，又體現(xiàn)評(píng)估思維，設(shè)計(jì)算法就是要提出具體的操作步驟;評(píng)估思維主要用于反思和判斷自己的算法是否合理和最佳，猜一個(gè)指定范圍的商品價(jià)格通常是可以按步驟完成的。

商品價(jià)格是15元，猜在40元之內(nèi)的商品價(jià)格的具體步驟主要分為三步：第一步，商品價(jià)格是20元（用二分法找指定范圍的中間值，即0—40的中間值），主持人說太高;第二步，商品價(jià)格是10元（0—20的中間值），主持人說太低;第三步，商品價(jià)格是15元（10—20的中間值），主持人說猜對(duì)了。

調(diào)查可知有44%的學(xué)生得出正確的方案，可見不到一半的學(xué)生對(duì)二分法基本了解，能夠設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的算法，并且個(gè)人能夠?qū)@個(gè)過程進(jìn)行評(píng)估。

4.概括思維

因?yàn)槎址ㄊ菙?shù)學(xué)領(lǐng)域的術(shù)語(yǔ)，大多數(shù)學(xué)生已經(jīng)有了這方面的基礎(chǔ)，此處只是檢驗(yàn)學(xué)生的遷移能力，所以此處主要是檢驗(yàn)學(xué)生是否會(huì)用二分法解決問題。

問卷題目：有24個(gè)小球，其中有一個(gè)質(zhì)量比其他的輕，利用天平測(cè)量至少通過多少次能找到這個(gè)小球？

調(diào)查得知，有68%的學(xué)生找出了方案，即這些學(xué)生能將以前所學(xué)的二分法的技巧應(yīng)用于解決這個(gè)問題，當(dāng)然也不排除學(xué)生靠經(jīng)驗(yàn)和直覺解決問題，即使他們并不知道什么是二分法。所以得出結(jié)論，一半以上的學(xué)生表現(xiàn)出了概括思維能力。

由上所述，從整體來(lái)看，學(xué)生對(duì)計(jì)算思維的認(rèn)識(shí)不足，接受的訓(xùn)練不夠，對(duì)計(jì)算思維五要素的理解遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到課標(biāo)的要求，因此需在后續(xù)的教學(xué)及研究中繼續(xù)探索。

三、建議對(duì)策

（一）教師要重視計(jì)算思維的培養(yǎng)，在教學(xué)中積極挖掘有關(guān)計(jì)算思維的內(nèi)容

教師需要在教學(xué)過程中積極挖掘培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的內(nèi)容，并用生活實(shí)例來(lái)展現(xiàn)這些內(nèi)容，讓學(xué)生理解計(jì)算思維，更好地在問題應(yīng)用中培養(yǎng)計(jì)算思維。

第一，以計(jì)算思維五要素為框架實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的模塊化。如在“認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)程序”這一章中，教材內(nèi)容主要包括算法、流程圖設(shè)計(jì)及VB（一門計(jì)算機(jī)語(yǔ)言）的三種基本結(jié)構(gòu)，所有的知識(shí)點(diǎn)都可以歸類到計(jì)算思維五要素之下，因此教師可用計(jì)算思維理念組織教學(xué)設(shè)計(jì)，將教學(xué)內(nèi)容按模塊或環(huán)節(jié)歸類到五要素之中，其中每個(gè)要素可包含若干類活動(dòng)，如表1所示算法思維為線索的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)。

第二，針對(duì)知識(shí)點(diǎn)，提煉計(jì)算思維的各要素。如“S=1-2+3-4+…+99-100，求S的值”這道題體現(xiàn)的計(jì)算思維要素主要有：①分解轉(zhuǎn)換公式——分解思維;②設(shè)計(jì)算法——算法思維;③判斷算法是否最優(yōu)——評(píng)估思維;等等。

教師要勤于探索研究，選擇恰當(dāng)?shù)姆椒ㄅ囵B(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，本著將課堂還給學(xué)生的理念，在講授知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)要讓學(xué)生自己探究學(xué)習(xí)，利用小組合作和自身努力獲取實(shí)際生活所需的知識(shí)技能，如利用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)開展課堂活動(dòng)就體現(xiàn)了這樣的理念。有關(guān)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的定義較多，本文引用美國(guó)巴克教育研究所的觀點(diǎn)，即項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是一套系統(tǒng)的教學(xué)方法，通過對(duì)復(fù)雜或真實(shí)問題進(jìn)行探究、精心設(shè)計(jì)項(xiàng)目作品、規(guī)劃和實(shí)施項(xiàng)目任務(wù)，讓學(xué)生掌握所需的知識(shí)和技能的過程[4]。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)主要包括提出符合學(xué)生興趣的問題、針對(duì)問題制訂解決方案、形成與方案相對(duì)應(yīng)的作品和對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行交流評(píng)估四個(gè)環(huán)節(jié)，以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)法培養(yǎng)計(jì)算思維，將更有利于提高學(xué)生的綜合能力。

為了培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，以“認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)程序”為例開展項(xiàng)目，本章主要有6節(jié)教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)計(jì)劃分為7個(gè)課時(shí)，設(shè)計(jì)用4個(gè)課時(shí)來(lái)完成項(xiàng)目的前期準(zhǔn)備，目的是為學(xué)生開展項(xiàng)目提供知識(shí)和工具，普及計(jì)算思維的基本知識(shí)，主要分為三部分：

首先，基于項(xiàng)目的學(xué)前培訓(xùn)，引導(dǎo)學(xué)生完成有關(guān)計(jì)算思維的前測(cè)問卷（0.5課時(shí)）。

其次，初識(shí)VB及編程（成果實(shí)現(xiàn)的工具）（1.5課時(shí)）。

再次，選擇算法中的典型案例（至少包含計(jì)算思維的兩大要素），引導(dǎo)學(xué)生探索。其中，案例1（1課時(shí)）：S=1-2+3-4+…+99-100，求S的值。知識(shí)點(diǎn)包括轉(zhuǎn)換式子（分解思維）、算法及流程圖設(shè)計(jì)（算法思維）、程序編碼（多種思維解決問題）。案例2（1課時(shí)）：同表1活動(dòng)設(shè)計(jì)中寄快遞的案例。知識(shí)點(diǎn)：列分段函數(shù)（抽象思維）、算法及流程圖設(shè)計(jì)（算法思維）、程序編碼（多種思維解決問題）。

要求：設(shè)計(jì)恰當(dāng)算法，通過流程圖描述，能將算法轉(zhuǎn)換成程序語(yǔ)言并且通過VB設(shè)計(jì)出作品。項(xiàng)目的具體實(shí)施過程按照確定問題、制訂方案、形成作品、交流評(píng)估四個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行。

（二）選擇可測(cè)量的評(píng)價(jià)方式有效地評(píng)價(jià)計(jì)算思維

計(jì)算思維的評(píng)價(jià)不僅會(huì)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行反饋，同時(shí)會(huì)指導(dǎo)教師改進(jìn)教學(xué)中出現(xiàn)的問題，因此評(píng)價(jià)是非常重要的。如針對(duì)上面提到的項(xiàng)目式教學(xué)案例，通過項(xiàng)目作品綜合評(píng)價(jià)、計(jì)算思維和算法等相關(guān)知識(shí)點(diǎn)測(cè)試來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生計(jì)算思維方面的學(xué)習(xí)成效，具體測(cè)量方法如表2所示[5]。

當(dāng)然，有關(guān)計(jì)算思維的評(píng)價(jià)方式多種多樣，單憑一種測(cè)量方式對(duì)計(jì)算思維能力進(jìn)行評(píng)價(jià)是有偏差的，因此針對(duì)不同的教學(xué)情境可以選擇不同的評(píng)價(jià)方式，如通過前后測(cè)問卷、反饋性訪談以及學(xué)生課堂交互觀察等進(jìn)行全程評(píng)價(jià);設(shè)置模擬現(xiàn)實(shí)的游戲化情境，通過查看問題的完成情況、分析源代碼或者操作心理等也可以對(duì)學(xué)生的計(jì)算思維能力進(jìn)行評(píng)價(jià)[6]。

四、結(jié)語(yǔ)

計(jì)算思維的培養(yǎng)作為當(dāng)前教育教學(xué)關(guān)注的焦點(diǎn)，人們不再僅僅關(guān)注大學(xué)或者高中階段這種思維的培養(yǎng)，對(duì)中小學(xué)或者幼兒園的思維啟發(fā)更加關(guān)注，所以在教學(xué)中對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)要循序漸進(jìn)，注意學(xué)生的水平和接受能力。針對(duì)思維意識(shí)較強(qiáng)的高年級(jí)學(xué)生要有意識(shí)地提供一些高難度的問題，來(lái)培養(yǎng)他們的思維品質(zhì);對(duì)于低年級(jí)的學(xué)生可以以問題解決和啟發(fā)為主，激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性。通過實(shí)施靈活的教學(xué)手段，從而讓各個(gè)年齡階段的學(xué)生學(xué)會(huì)這種思維方式，以培養(yǎng)他們靈活解決各種問題的能力。

參考文獻(xiàn)

[1]PAPERT S.An Exploration in the Space of Mathematics Edu-cations[J].International Journal of Computers for Mathematical Learning（S1382-3892），1996，1（1）：95-123.

[2]WING J M.Computational Thinking[J].Communication of the ACM（S0001-0782），2006，49（3）：33-35.

[3]SELBY C，WOOLLARD? J.Computational Thinking：the?Developing Definition[C].Special Interest Group on Computer Science Education，Atlanta，2013.

[4]巴克教育研究所.項(xiàng)目學(xué)習(xí)教師指南：21世紀(jì)的中學(xué)教學(xué)法（第2版）[M].任偉，譯.北京：教育科學(xué)出版社，2008.

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

[6]陳鵬，黃榮懷，梁躍，等.如何培養(yǎng)計(jì)算思維：基于2006—2016年研究文獻(xiàn)及最新國(guó)際會(huì)議論文[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究，2018，（1）：98-112.

Investigation on the Status Quo of Junior Middle School Students Computational Thinking Ability and Countermeasures

ZHANG Jufang，WANG Haiyan

（School of Education，Shaanxi Normal University，Xian，Shaanxi，China 710062）

Abstract： With the formulation and promulgation of the 2017 edition of Standards for Information Technology Courses in Ordinary High Schools，the cultivation of computational thinking has received more and more attention from school education.In order to explore how to strengthen the connection work between the computational thinking ability of junior high school and high school students，this study takes the eighth grade students as the research subjects，and starts from the connotation of computational thinking，and uses the conceptual framework of computational thinking as a clue to design a questionnaire which is related to the five elements of computational thinking：algorithm，

decomposition，abstraction，evaluation and generalization.It analyzes students computational thinking ability through the questionnaire survey.Based on this status quo survey，we propose some corresponding countermeasures，aiming to provide references for the cultivation of students computational thinking.

Key words： information technology;computational thinking;status quo survey;countermeasure research