我国小学生计算思维量表研发与应用
作者：张屹 莫尉 张岩 高晗蕊 李妞 林郁菲
来源：《中国电化教育》2020年第10期
摘要：隨着计算思维相关研究的日益升温，全球计算思维培养呈现出“低龄化”和“跨学科”的整体发展趋势。针对目前缺乏小学阶段计算思维量表的研究现状，该研究通过对844名小学生问卷调查，综合运用探索性因素分析和验证性因素分析方法，编制了我国小学生计算思维量表;并采用多组验证性分析，检验了该量表跨性别、跨年级水平的测量等值性。研究结果显示：最终量表共包含23个测量项目，分属于创造力、批判思维、问题解决能力、算法思维、合作能力等五个维度，五个维度可以有效地聚合到计算思维二阶因子上。该量表克隆巴赫系数达0.928，各维度平均方差萃取量（AVE）在0.506-0.725之间，满足跨性别和跨年级水平的严格等值性。综合研究结果表明，该量表具有良好的信效度，可用于我国小学生体计算思维能力评测。最后，研究对我国小学生计算思维量表进行了初步应用，结果发现：小学生计算思维能力在高、中年级水平与性别间均不存在显著差异;计算思维能力能够显著预测学生数学和语文学业成绩，且其影响存在学科差异。
关键词：小学生;计算思维;量表;等值性检验;影响因素;学业成绩中国在线编程
中图分类号：G434
文献标识码：A
随着计算机、信息技术的发展，人们的社会生活发生着日新月异的变化。面向未来的教育，应是让学生为迎接未来的生活做好准备，让他们有能力使用目前还未发明的技术来解决未来的问题[1]。为此，卡梅隆大学周以真教授2006年重新描述了Papert于1980年提出的计算思维（ComputationalThinking）概念，将其定义为“运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动”[2]，为信息化时代的问题解决增加了新的内涵。自该概念提出以来，计算思维获得了全球范围的广泛关注，被认为是一项“每个人都应该学会与使用的一种应用态度与技能”[3]，对于为未来世界做好准备至关重要。
为“确保所有人理解和应用计算思维提供一个共同而坚实的基础”[4]，将有效、公平的计算思维教育引入小学阶段便显得十分必要。目前，全球计算思维培养已呈现出“低龄化”和“跨学科”的整体发展趋势[5]。我国在《高中信息技术课程标准》中将计算思维确立为信息技术学科四大核心素养之一[6]，并采取了系列举措着力推动计算思维培养向中小学阶段的过渡。美国、新加坡、澳大利亚、欧洲各国等均在K12人才培养计划和课程体系中纳入计算思维相关内容。同时，发展心理学的研究结果已确切表明，小学生不能被简单地看作是较年长青年的能力较弱版本，他们有其特殊的认知特点与学习需求，应当在教学及相
应的评价过程中适当地反映出来[7]。然而，作为近年来才被广泛关注的概念，目前关于小学生计算思维发展特点的研究还较少，更加缺乏具有针对性的评价量规，为计算思维教育的开展带来障碍。基于此，本研究将在现有研究基础上：（1）按照科学的量表编制程序，开发小学生计算思维量表;（2）在对所开发量表的跨性别及跨年级水平测量等值性检验的基础上，探讨影响小学生计算思维的因素;（3）探索计算思维能力对学生学业成绩的影响。旨在为后续相关研究做更深入的探讨提供理论参考及工具支持。
一、文献综述
（一）计算思维定义及概念维度
目前，国内外研究者们围绕计算思维定义的讨论，分为狭义层面和广义层面两种脉络。狭义层面突出强调计算思维与具体学科的关系，认为计算思维是通过使用编程、高效率专用算法和数值分析培养起来的心智习惯[8][9]，在不同学科领域内表现出独特内涵[10]。广义层面概念则抽象于具体学科外，倾向于计算思维的通用化和普适性，认为计算思维是在形成问题及其快速有效解决方案时所必备的思维能力[11]。其中，美国国际教育技术协会（简称ISTE）2015年提出的定义是较为典型的代表，认为计算思维是能够“有效结合
数字技术与人类思想，解决复杂现实问题的一系列心智工具集”[l2]。在该广义定义的基础上，为深入分析概念内涵和结构表征，ISTE联合美国计算机科学教师协会（简称CSTA）及美国国家科学基金会（简称NSF）在一项旨在指导K-12阶段教育者如何帮助学生获得计算思维技能的项目中，拟定了计算思维通用框架[13]。框架从能力观的角度出发，将计算思维视为包含创造力、算法思维、批判性思维、问题解决、合作能力及其相互作用的复合能力，为教育者在所有年级和所有学科领域教授计算思维提供理论依据，是对计算思维进行的最为全面的解析。在此框架基础上，可以脱离编程环境开展研究与讨论，适宜于作为计算思维通用测评量表开发的理论依据，从而为大范围了解特定对象体计算思维整体状况奠定基础。
（二）计算思维量表研究
计算思维的测量一直是该研究领域的难点，特别是针对计算思维的量表开发处于较滞后的状态。现有计算思维量表编制主要以更成熟的体为研究对象，尚缺少针对小学生体的计算思维量表。土耳其研究者Korkmaz等人在2017年编制了计算思维量表CTS[14]，该量表能够实现对大学生计算思维的测量，是目前国际上使用和引证最为广泛的量表。Kor
kmaz还针对初中学生编制了计算思维量表CTLS[15]，该量表与CTs-样包含创造力、批判思维、问题解决能力、算法思维、合作能力等5个维度，但在CTs的基础上从29道题缩减为22题。与CTs相比，CTLS更加凸显中学的情境性及被试体特点。华东师大顾小清团队在CTLS量表基础上进行了[16]，对量表信效度进行了较为全面的检验，验证了在高中阶段的适用性。本研究也曾在CTs的基础上进行本土化研究，但该量表所选用的分维度量表与小学生体的认知水平、教育情境相差较大，经两轮迭代修订后问卷信效度仍难以通过检验。这也证明了计算思维在不同教育阶段具有其独特性的表现，针对小学阶段，编制适当量表是具有理论与实践意义的研究工作。
（三）性别、年级水平等因素对计算思维的影响研究
分析学习者计算思维影响因素是制定相关教育政策、设计具有针对性教学策略的前提。现有研究探讨了性别、年级水平对计算思维能力的影响。Atmatzidou[17]结合问卷调查与质性分析，对初、高中生计算思维水平进行研究，发现男女生之间不存在显著差异，且初中和高中组的整体计算思维能力处于相同水平，仅在分解、一般化等分维度上表现出与认知成熟度相关的差异。Werner[18]对10-14岁学生在游戏编程任务中的计算思维表现进行
评估，也未发现计算思维能力与性别、年级水平存在相关性。但另一些研究则有不同结论。白雪梅、顾小清[19]通过问卷调查发现我国高中男生计算思维能力显著高于同年级女生，同时随着年级水平的提高计算思维能力显著下降。Roman_Gonzalez[20]通过CTT测试考察西班牙学生计算思维概念水平，研究表明中小学男女生之间存在差异，并发现5-6年级与7-8年级没有编程经验的学生计算思维能力与年级水平为正相关关系。Seiter等人[21]对150名一到六年级小学生编写的程序进行分析，发现计算思维概念应用的熟练程度随年级水平增长的趋势。由此可见，现有研究结论未呈现一致性，且性别、年级水平对小学生体的影响展现出与青年和成年学习者不同的特征。众说纷纭的研究结果，一方面说明了学习计算思维技能的过程对于不同年级、性别的学生而言都是一项挑战，另一方面也说明了需要从计算思维评价工具的科学性人手，进一步确定性别、年级水平对计算思维能力的影响程度和差异。
二、小学生计算思维量表编制、预测试及项目分析
（一）量表编制
为克服计算思维研究中的挑战，Weintrop等人建议“有必要将计算思维分解为一组定义
明确且可衡量的技能、概念或实践”[22]。因此，本研究采用ISTE五维能力框架，将计算思维理解为：在计算任务和活动中，所涉及的相关认知技能的概括性集合。形成如下页图1所示的计算思维能力结构图。
首先，（1）在创造力维度关注学生从事创造性活动时的认知过程，包括：针对特定问题产生大量想法和思路的能力;考虑特定项目尽可能多的用途的能力;产生具有独创性想法的能力;通过与新想法结合，扩充和改进已有方案的能力。（2）小学生处于批判思维能力启蒙阶段，主要表现在评价、分析能力的提升以及抽象、推理和归纳能力的发生。因此，应着重关注学生塑造和评估自己想法的过程，从寻真相、开放思想、分析能力、系统化能力等角度进行评价。（3）问题解决能力维度主要考察学习者问题解决策略的使用，通过判断在问题分类、问题理解、问题处理方式等方面的差异来确定小学生问题解决能力水平。（4）本研究将算法思维界定为个人在解决问题的过程中详尽列出解决方案步骤的认知过程。结合小学教育特点，简化“算法可解性”的要求，侧重于评价学生对数据处理流程和数据间关系的把握，以及是否具有“一种解决问题的步骤可以用于解决一系列类似问题”的意识。（5）本研究综合教育领域相关研究的主流观点，认为“合作能力”是小组活动和团队任务中个体的人际交往能力或社交技能，包含合作意识、合作技能、合作品质。
以上述小学生计算思维各维度分析为基础，本研究通过查阅文献和咨询专家意见，进行了量表题项的初步编制。为确保量表的信度和效度，各维度题项通过直接引用或改编已有成熟评价项目的方式完成。题项首先由1位教育技术学博士生及2位教育技术学硕士生进行单独选择，然后对所选项目进行比较，并达成共识。接着，采用专家法进行所选题项内容效度检验。专家组由5人构成，包括3位高校教育信息技术领域专家（教授、副教授、讲师各1位），1位中小学信息技术教研员以及1位教育技术学在读博士生。语言评估由1位小学语文教师辅助研究者进行。最后遴选出42道测试题项，均采用Likert 5点计分。各维度具体参照如表1所示。
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