地方高校計(jì)算機(jī)類學(xué)生計(jì)算思維的評(píng)價(jià)探索

康長(zhǎng)青 吳中博 朱麗娟 王敏 胡春陽(yáng)

摘? 要：鑒于對(duì)高校計(jì)算機(jī)類學(xué)生計(jì)算思維能力測(cè)評(píng)研究不足的現(xiàn)狀，形成開展計(jì)算思維能力測(cè)評(píng)的思路。選取抽象建模、算法設(shè)計(jì)、問(wèn)題識(shí)別與分解、自動(dòng)化、概括遷移和合作關(guān)系六個(gè)子能力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于層次分析法構(gòu)建了計(jì)算思維評(píng)價(jià)模型。采集核心專業(yè)課的期末綜合評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，經(jīng)分析得出班級(jí)計(jì)算思維整體表現(xiàn)和個(gè)人計(jì)算思維等級(jí)，同時(shí)闡述了測(cè)評(píng)結(jié)果的應(yīng)用方向，為新時(shí)代計(jì)算機(jī)類專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的評(píng)價(jià)提供一種新路徑。

關(guān)鍵詞：地方高校；計(jì)算思維；計(jì)算思維測(cè)評(píng)；評(píng)價(jià)指標(biāo)；層次分析法

中圖分類號(hào)：TP39；G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）07-0183-04

Abstract： In view of the lack of research on the evaluation of computational thinking ability of computer students in colleges and universities， the idea of developing the evaluation of computational thinking ability is formed. Six sub-capabilities， namely， abstract modeling， algorithm design， problem identification and decomposition， automation， generalization and transfer， and cooperative relationship， are selected as evaluation indicators， and a computational thinking evaluation model is built based on the analytic hierarchy process. Collect the final comprehensive evaluation data of core professional courses， the overall performance of class computational thinking and the level of individual computational thinking are obtained by analysis， and the application direction of the evaluation results is described， providing a new way for the evaluation of the training quality of computer professionals in the new era.

Keywords： local college; computational thinking; computational? thinking evaluation; evaluation index; analytic hierarchy process

0? 引? 言

計(jì)算思維是新時(shí)代高等學(xué)校計(jì)算機(jī)教育領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。自從周以真教授在2006年提出計(jì)算思維的概念后，計(jì)算思維迅速引起國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)科學(xué)界和教育界的廣泛關(guān)注。在我國(guó)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)教育領(lǐng)域，文獻(xiàn)[1]中提出了“計(jì)算思維能力的培養(yǎng)”是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)。文獻(xiàn)[2]中提出了計(jì)算思維是計(jì)算機(jī)類專業(yè)人才的四大專業(yè)基本能力之一。文獻(xiàn)[3]中提出“計(jì)算機(jī)科學(xué)中最具基礎(chǔ)性和長(zhǎng)期性的思想是計(jì)算思維”，明確了對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)中的中心地位。文獻(xiàn)[4]中將計(jì)算思維2.0定義為“所有領(lǐng)域科學(xué)家在應(yīng)用計(jì)算和計(jì)算模型進(jìn)行問(wèn)題求解時(shí)的思維模式，是涵蓋所有學(xué)科的第三種思維范式”。文獻(xiàn)[5]中提出計(jì)算思維是從信息運(yùn)動(dòng)的角度認(rèn)知和理解世界的思想和方法，對(duì)新工科建設(shè)意義重大。文獻(xiàn)[6]提出計(jì)算思維具有“提升工程計(jì)算能力，變革問(wèn)題求解方式；強(qiáng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，促進(jìn)人類行為理解；跨越人才培養(yǎng)鴻溝，塑造專業(yè)創(chuàng)新能力”的作用，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)是實(shí)現(xiàn)新型工科人才培養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)鍵。總的來(lái)說(shuō)，在以上文獻(xiàn)的政策導(dǎo)向和方向指引下，廣大計(jì)算機(jī)教育研究者就計(jì)算思維開展了大量的培養(yǎng)內(nèi)容設(shè)計(jì)與課程實(shí)踐模式研究[7-9]，而計(jì)算思維的能力評(píng)測(cè)研究則是整個(gè)研究工作的核心所在。在國(guó)家深化新時(shí)代高等教育評(píng)價(jià)改革的背景下，開展對(duì)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)類學(xué)生計(jì)算思維的評(píng)價(jià)研究，具有十分重大的意義和價(jià)值。

1? 計(jì)算思維的測(cè)評(píng)現(xiàn)狀

計(jì)算思維的測(cè)評(píng)是計(jì)算機(jī)教育教學(xué)的重要診斷環(huán)節(jié)，更是促進(jìn)專業(yè)教學(xué)質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)的重要組成部分，不僅可以用于考查學(xué)生的知識(shí)技能掌握情況，還可以用于評(píng)價(jià)教師所授課程的教學(xué)質(zhì)量。國(guó)外研究人員已設(shè)計(jì)出各種各樣的計(jì)算思維評(píng)價(jià)工具[9]，而國(guó)內(nèi)學(xué)界自主研發(fā)的計(jì)算思維評(píng)價(jià)工具則非常罕見。由于國(guó)內(nèi)外各個(gè)學(xué)段的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法有所不同，加上研究者們對(duì)計(jì)算思維內(nèi)涵與外延的認(rèn)知不同，導(dǎo)致各自構(gòu)建的評(píng)價(jià)框架和評(píng)價(jià)方法存有差異。文獻(xiàn)[10]構(gòu)建了由三個(gè)一級(jí)指標(biāo)和九個(gè)二級(jí)指標(biāo)組成的初中信息技術(shù)課程計(jì)算思維評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用德爾斐法等方法確定指標(biāo)的權(quán)重值，形成計(jì)算思維評(píng)分表。文獻(xiàn)[11]通過(guò)需求調(diào)查問(wèn)卷，總結(jié)了職業(yè)學(xué)校學(xué)生所應(yīng)具備的包含七大能力十七個(gè)指標(biāo)的計(jì)算思維能力。北京大學(xué)學(xué)習(xí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室基于國(guó)外的評(píng)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開發(fā)了包含五個(gè)維度的線上計(jì)算思維等級(jí)評(píng)測(cè)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[12]針對(duì)中小學(xué)生從認(rèn)知和非認(rèn)知層面將計(jì)算思維分解成六個(gè)計(jì)算思維子能力，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算思維微認(rèn)證評(píng)定?？偟膩?lái)說(shuō)，現(xiàn)有的計(jì)算思維測(cè)評(píng)研究大多針對(duì)K12學(xué)段的學(xué)生設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并基于題目測(cè)試成績(jī)和編程測(cè)試成績(jī)進(jìn)行度量和分析[13]。計(jì)算機(jī)專業(yè)是目前普通高等學(xué)校的熱門專業(yè)，每年畢業(yè)的學(xué)生數(shù)量巨大，高校的計(jì)算機(jī)課程教學(xué)體系和初高中的信息技術(shù)課程差異巨大，大學(xué)生的計(jì)算思維該如何測(cè)評(píng)，是目前非常重要的探索課題。

2? 地方高校計(jì)算思維測(cè)評(píng)實(shí)踐

地方高校計(jì)算思維測(cè)評(píng)是以學(xué)生的綜合表現(xiàn)作為其進(jìn)階依據(jù)，刻畫學(xué)生思維發(fā)展的不同層級(jí)，具有促進(jìn)思維向著更精細(xì)成熟方向發(fā)展的作用，是解決教學(xué)、學(xué)習(xí)和評(píng)價(jià)一致性的有效手段[14]。由于思維的復(fù)雜性，構(gòu)建計(jì)算思維的學(xué)習(xí)進(jìn)階系統(tǒng)需要綜合考慮時(shí)間跨度的選擇、學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的收集、數(shù)據(jù)處理模型的構(gòu)建以及模型結(jié)果的分析和應(yīng)用等因素。

2.1? 計(jì)算思維測(cè)評(píng)的總體思路

地方本科高校計(jì)算機(jī)專業(yè)（包含計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程和物聯(lián)網(wǎng)工程等）的教學(xué)目標(biāo)應(yīng)建立符合學(xué)生學(xué)情的計(jì)算思維培養(yǎng)和評(píng)價(jià)方式。所建立的計(jì)算思維測(cè)評(píng)系統(tǒng)應(yīng)在地方高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)和課程實(shí)施體系的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算思維模型的設(shè)計(jì)，該模型支持?jǐn)?shù)據(jù)的采集和系統(tǒng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)的地方高校計(jì)算思維測(cè)評(píng)系統(tǒng)如圖1所示，即通過(guò)一二級(jí)內(nèi)涵指標(biāo)和指標(biāo)權(quán)重的設(shè)計(jì)，形成計(jì)算思維測(cè)評(píng)模型，通過(guò)將現(xiàn)有的期末綜合評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)輸入測(cè)評(píng)模型，得到測(cè)評(píng)分值并進(jìn)行思維分級(jí)和反饋。

2.2? 一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的設(shè)計(jì)

建立面向地方高校計(jì)算機(jī)類學(xué)生的計(jì)算思維測(cè)評(píng)系統(tǒng)，首先要考慮確定適合地方高校人才培養(yǎng)目標(biāo)的計(jì)算思維評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)計(jì)算思維的內(nèi)涵與外延并沒(méi)有達(dá)成一致，結(jié)合地方計(jì)算機(jī)專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，綜合國(guó)內(nèi)外專家的研究成果，設(shè)計(jì)計(jì)算思維的一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)由抽象建模、算法設(shè)計(jì)、問(wèn)題識(shí)別與分解、自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)、概括遷移以及合作關(guān)系六個(gè)指標(biāo)構(gòu)成，其具體含義如表1所示。

2.3? 二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的設(shè)計(jì)

通常，計(jì)算思維測(cè)評(píng)是針對(duì)每個(gè)指標(biāo)出一套卷子，對(duì)學(xué)生進(jìn)行題目測(cè)試或編程測(cè)試，而現(xiàn)有的大學(xué)課程期末綜合評(píng)價(jià)大多融入題目測(cè)試、編程成績(jī)、項(xiàng)目績(jī)效等形式，具備融合過(guò)程性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)的優(yōu)點(diǎn)?？紤]到測(cè)評(píng)方式的簡(jiǎn)單性、可行性，借鑒OBE工程認(rèn)證的逆向設(shè)計(jì)思路，將計(jì)算思維的指標(biāo)評(píng)價(jià)落實(shí)到課程培養(yǎng)上，通過(guò)課程的綜合測(cè)評(píng)成績(jī)來(lái)支撐學(xué)生計(jì)算思維的達(dá)成度計(jì)算。因此我們選取計(jì)算機(jī)類專業(yè)的公共核心基礎(chǔ)課程，構(gòu)建計(jì)算思維評(píng)價(jià)指標(biāo)，如表2所示。

2.4? 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

計(jì)算思維測(cè)評(píng)模型在確定好一級(jí)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)后還需要進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重分配。層次分析法是對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行定性和定量分析的多屬性決策方法，具有簡(jiǎn)便、實(shí)用、靈活的優(yōu)點(diǎn)[15]。

利用層次分析法構(gòu)建模型一般分為四步：

1）設(shè)計(jì)模型的遞階指標(biāo)體系。

2）構(gòu)造各層次比較判斷矩陣。

3）層次單排序和一致性檢驗(yàn)。

4）層次總排序和一致性檢驗(yàn)。

利用層次分析法確定計(jì)算思維指標(biāo)權(quán)重的具體操作過(guò)程如下：

1）在計(jì)算思維測(cè)評(píng)問(wèn)題層次模型（表2）的基礎(chǔ)上，對(duì)準(zhǔn)則層采用“1—9標(biāo)度法”，構(gòu)建比較判斷矩陣，如表3所示。

2）選擇權(quán)重向量的計(jì)算方法，計(jì)算比較判斷矩陣的特征值和特征向量。根據(jù)特征向量法AW=λmaxW可以求出該矩陣的最大特征值為6.018 4，該矩陣的特征權(quán)向量為W=（0.215 8， 0.203 0， 0.071 9， 0.215 8， 0.215 8）。

3）根據(jù)CI=（λmax-n）/（n-1），計(jì)算一致性指標(biāo)。其中λmax為矩陣的最大特征根，n為矩陣階數(shù)，這里最大特征值為6.018 4，矩陣階數(shù)為6，可以算出CI=0.003 7。

4）利用公式CR=CI/RI，計(jì)算一致性比例，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。其中CI為（3）中的一致性指標(biāo)，RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，當(dāng)n=6時(shí)，RI=1.24，因此可以算出CR=0.003＜0.1，表明比較判斷矩陣（表3）的設(shè)計(jì)通過(guò)了一致性檢驗(yàn)，無(wú)須修正。

上面的整個(gè)計(jì)算過(guò)程可以采用MATLAB編程軟件進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，圖2給出了評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算程序。同理，針對(duì)準(zhǔn)則層的各個(gè)指標(biāo)，在方案層繼續(xù)采用上面的方法，可以求出每個(gè)方案指標(biāo)的權(quán)重，因此計(jì)算思維測(cè)評(píng)模型構(gòu)建完成。

2.5? 計(jì)算思維測(cè)評(píng)與應(yīng)用

利用湖北文理學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程1911班8門核心專業(yè)課的期末綜合評(píng)價(jià)成績(jī)（包含平時(shí)作業(yè)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)、項(xiàng)目成績(jī)、期末考試成績(jī)等）來(lái)驗(yàn)證所建計(jì)算思維測(cè)評(píng)模型的效果。通過(guò)模型測(cè)評(píng)，可以得到全班的平均計(jì)算思維水平和某學(xué)生的計(jì)算思維水平，利用Origin畫圖軟件畫出雷達(dá)圖，如圖3所示。從中可以看出全班的平均抽象建模能力為0.67，平均算法設(shè)計(jì)能力為0.71，平均問(wèn)題識(shí)別與分解能力為0.61，平均自動(dòng)化能力為0.63，平均概括遷移能力為0.63，平均合作關(guān)系能力為0.65，因此可以得到全班計(jì)算思維能力為0.682。將計(jì)算思維分為三個(gè)等級(jí)：小于0.6為不合格，介于0.6和0.8之間為合格，大于0.8為優(yōu)秀。

班級(jí)和專業(yè)的計(jì)算思維測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)可在一定程度上反映學(xué)生整體的計(jì)算思維水平，可以輔助教師進(jìn)行課程教學(xué)的反思和改進(jìn)，教師可以依據(jù)測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)分析學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格和學(xué)習(xí)能力，調(diào)整課堂教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)策略，開展差異化教學(xué)，持續(xù)優(yōu)化教學(xué)方案，不斷提高教學(xué)質(zhì)量。學(xué)生的計(jì)算思維能力數(shù)據(jù)刻畫了學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)后的思維發(fā)展情況，有助于學(xué)生進(jìn)行自我反思，深挖自身潛力，促進(jìn)學(xué)生深層次的認(rèn)知與自我評(píng)價(jià)，提升學(xué)生的計(jì)算思維能力。

3? 結(jié)? 論

新時(shí)代高等教育評(píng)價(jià)應(yīng)該加快推進(jìn)高等教育評(píng)價(jià)技術(shù)和方法的研究，不斷完善基于多元主體的高等教育評(píng)價(jià)體系。本論文利用層次法分析框架，設(shè)計(jì)了地方高校計(jì)算機(jī)類學(xué)生的計(jì)算思維測(cè)評(píng)模型，呈現(xiàn)了學(xué)生學(xué)完8門核心專業(yè)課后的計(jì)算思維水平，豐富了地方高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的評(píng)價(jià)體系，具有一定的借鑒和參考價(jià)值。計(jì)算思維作為計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域最具有基礎(chǔ)性和長(zhǎng)期性的思想，需要更多的計(jì)算機(jī)專業(yè)教師在課程教學(xué)中開展以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維為目標(biāo)的課程教學(xué)改革，不斷進(jìn)行計(jì)算思維相關(guān)理論的研究和應(yīng)用探索，共同推進(jìn)我國(guó)計(jì)算思維教育的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：康長(zhǎng)青（1979—），男，漢族，湖北襄陽(yáng)人，副教授，博士，主要研究方向：程序設(shè)計(jì)課程教育、計(jì)算機(jī)視覺(jué)；通訊作者：胡春陽(yáng)（1975—），男，漢族，湖北襄陽(yáng)人，副教授，博士，主要研究方向：大數(shù)據(jù)處理和云計(jì)算。