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王荣良:计算思维的教学评价方法探析

作者:djzx 来源:中国信息技术教育 发布日期:2020年09月18日 浏览次数:

一、计算思维教学评价因素分析

评价是教学实施的重要环节。随着计算思维教育在中小学的深入开展,如何开展计算思维的教学评价,自然成为广大教师十分关心的问题。教学评价,简单地说,就是对教学对象进行的价值判断,即依据一定的原则,依靠一定的证据,在系统、科学、全面地分析教学信息的基础上,对教学对象的价值、过程、特点等进行判断,从而调整教学内容,改进教学方法,提高教育质量。一线教师尤其关注学业成就评价,即在一定的阶段性学习时间内进行的、对学生所获得的学习结果的测量与评价。

标准、证据和结果是教学评价的三个要素。标准来源于教学目标,证据是评价教学现象和对象的直接材料,评价结果反映教学目标是否达成、教学效果如何、学生在学习中存在什么问题,这是指导教学内容调整、教学方法改进的依据。寻找合适的证据,是实施教学评价的关键。

针对思维品质的评价是开展思维教育中教学评价的一个重要方面。所谓思维品质是人们在思维活动中表现出不同方面的特点和差异的反映,思维品质也反映了一个人的思维质量。例如,在一次关于信息共享性特征讨论的教学活动中,学生A认为物质具有共享性,其论据是,一本纸质图书,可以同时供多人共同阅读,反映了书这一物质是可共享的;学生B则认为,两人同时阅读一本书,本质上是获得书中文字表述的内容,这正反映了信息的共享性。

从该事例可以看出,学生B的思维品质更具有深刻性,反映了对知识的理解程度和问题思考的深刻程度。深刻性就是衡量思维品质的一个维度。正是因为思维具有深刻性,才促使教师从书中信息的共享性来组织学生进一步探索信息具备了与物质和能量不一样的不守恒性,反映了在信息的传递过程中,对信息的持有者来说,信息不会损失。在这一教学过程中,学生在关于书的共享性讨论中的表现,可以成为评价学生思维品质的证据。通过对学生思维深刻性的考察,可以指导教师进行信息特征的深入教学。

深刻性、灵活性、广阔性、独创性、批判性等特性,都是对思维品质的描述。计算思维的深刻性,反映了个体在解决计算问题或相关问题的过程中,能够深刻理解学科概念,专心深入地思考,挖掘问题的本质特征和条件之间的内在联系,合理地给出问题解答过程。也就是说,对计算思维的教学评价,既要考虑计算思维的思维品质属性,也要考虑计算思维的学科属性。针对计算思维品质的教学评价,可以反映学生掌握与运用计算思维的深度、广度以及灵活度等方面的状况。针对计算思维的学科属性评价,则反映了学生是否能够正确地运用计算思维,即是否能够正确理解计算机学科的思想方法,是否能够形成合理的问题解决方案。

计算思维教育是在计算机学科教育过程中实现的,学生的计算思维是学生在学习与运用计算机学科知识、方法过程中逐步形成的,是与计算机学科相关能力同步发展的,计算思维的形成是需要计算机学科知识、学科方法以及能力支撑的。同样,关于计算思维的教学评价,也需要对计算机学科知识、方法、能力等方面进行综合考察。

二、学科知识在计算思维教学评价中的作用

从知识与思维的关系来看,知识是思维的材料,掌握必要的知识是开展思维教育的基础。一个具备计算思维的人,通常会掌握相对应的计算机学科知识。因此,在计算思维教育中,开展计算机学科知识的教学评价,可以了解学生有关计算思维的基础。

知识的表征是指信息在人脑中记载和呈现的方式。学生在学习了一段语言或文字符号材料以后,其头脑中留下的是这段材料表达的意义,而非语言或文字符号本身。这一方面说明学生能否完整叙述知识的文字符号表征是知识评价的证据,另一方面也说明用知识表征评价思维的局限性,因为机械地再现知识的文字符号表征不一定能客观反映学生的思维活动。

知识可分为两类:一类称为陈述性知识,其主要以命题的形式表征;另一类称为程序性知识,其表征是一套办事的操作步骤,是关于“怎么办”的知识,可以支配人的认知活动。个体有效运用程序性知识是以掌握陈述性知识为基础的,反映程序性知识的证据也更接近个体的思维活动。计算机学科方法就是一种程序性知识,学科方法也是思维的工具,可以指明思维的路径、过程和陈述性知识的使用,促进思维的发展。

例如,以程序设计为载体,在对客观事物的分析抽象中建立模型、设计算法、编写程序,运用计算机自动化地解决实际问题,是一种已被广大学者和教师认同的学生计算思维培养途径。在此教学过程中,程序设计语言的语法规则、具体算法、程序设计的一般工作流程,都是需要学习与掌握的学科知识与方法,针对这些学科知识和方法的教学评价可以成为计算思维教学评价的基础性工作,但不能简单地用知识评价来取代思维评价。同时,对评价知识的选取要尽可能与计算思维活动有相关性,即这些知识是在计算机学科框架下促进学生的计算思维形成与发展的。因此,认清学科知识,包括陈述性知识和程序性知识与计算思维活动的相关性,既有利于计算思维的准确评价,也可以指导计算思维的教学。

程序设计不是唯一的计算思维培养载体,计算机应用的普及以及以计算机为核心原理的数码产品广泛使用,为我们提供了更多的用计算机解决实际问题的学习素材。笔者在《计算思维教育实施过程中的冷思考》一文中曾经讨论过使用电子地图与掌握计算思维的关系,本文仍以此为例讨论有关计算思维的知识评价证据。

证据1,考查学生是否能熟练地放大或缩小电子地图。证据2,考查学生是否能熟练运用电子地图选择合理的出行方案。这两项证据都是反映学生操纵电子地图的熟练程度或操作技能,也反映了学生掌握关于操纵电子地图的相关知识,但与计算思维关联度低。证据2是典型的用计算机类产品解决生活实际问题的实例,提供多种出行方案是电子地图的基本功能,操纵电子地图的方法是程序性知识,但不属于计算机学科方法。

证据3,考查学生是否知道电子地图是由多个图层重叠而成的。这里,“电子地图是由多个图层重叠而成的”是反映事实的陈述性知识,该证据与计算思维的关联度,取决于运用这些知识的价值取向。如果依据这一陈述性知识,学生能够知道电子地图是在每个图层上标识不同的文字图符,并且引导学生进一步理解电子地图处理这些数据的方法,这样与计算思维就有一定的关联度,其关联度的高低取决于该数据处理方法与计算机学科方法的关系。如果学生运用该陈述性知识可以随意地放大或缩小电子地图的显示比例,方便查阅与选择出行线路,则关联度不高。因为从表面上看,该学生是在理解电子地图由多图层组成原理方法的基础上,完成了出行方案的规划,但实际上,理解电子地图多图层的原理并不是选择出行线路的必要条件,一个没掌握这些知识的普通人完全可以依据电子地图的功能解决出行规划问题。

证据4,考查学生是否知道电子地图由多图层重叠而成的,电子地图可以在程序的控制下依据预设的算法根据用户需要自动地切换显示合适的图层。同样涉及“电子地图是由多个图层重叠而成的”这一陈述性知识,该证据与计算思维的关联度高,是因为尽管多图层代替单图层不是计算的核心问题,但多图层的自动切换则是计算思维的精髓。也就是说,一个学生在理解和运用上述知识和方法解决问题时,体现计算思维的关键点不是多图层的简单应用,而是不同图层的自动切换。由此可见,用作评价证据的知识与计算思维的关联度,体现在知识运用产生新知识的过程中是否涉及计算机学科方法。

综上所述,计算机学科的知识评价与计算思维的教学评价不等同,不能用知识评价简单取代计算思维的教学评价;针对计算机学科的知识评价反映学生计算思维的基础,特别是程序性知识即计算机学科方法,可以成为计算思维教学评价的一种证据;知识评价的证据选取应满足与计算思维的高关联度,体现计算思维的学科特征。

三、指向计算思维的问题解决能力评价

问题求解是指人们在生产、生活中面对新的问题时,由于缺乏现成的有效对策所引起的一种积极寻求答案的活动过程。思维产生于问题,只有意识到问题的存在,产生解决问题的主观愿望,才能进入解决问题的思维过程。问题求解的活动是十分复杂的,不仅包括整个认识活动,而且渗透了许多非智力因素的作用,但思维活动是解决问题的核心。

问题求解是计算机科学的根本目的,计算机科学就是在问题求解的实践中发展起来的。问题解决能力是一种综合能力,也是计算思维的一种能力表现:灵活运用计算机学科知识作出正确的判断,合理选择学科方法制订相应的操作规则或步骤,解决计算问题或相关目标问题。因此,有效运用计算机学科知识与方法解决问题的能力是计算思维教学评价的一个维度。

进一步分析,问题是指在目标确定的情况下不明确达到目标的途径或手段;问题解决就是要把问题的给定状态转化为目标状态。在问题解决过程中,为了达到特定的目标,人们会运用已有的知识、经验、技能,借助于各种思维活动和行动来处理问题,使问题得到解决。问题解决能力就是一种面对问题的习惯和处理问题的能力。这种能力体现在:一个人在遇到问题时,能自主地、主动地谋求解决,能有计划、有方法、有步骤地处理问题,并能适宜地、合理地、有效地解决问题。这种能力必定是在问题解决过程中展现出来的,如果仅仅通过解决问题的成功率来对学生的问题解决能力进行评价可能并不准确。

表现性评价是一种适合考察学生能力的评价方法。表现性评价是通过观察学生在完成实际任务时的表现来评价学生取得的学业成就的评价。在面对真实或模拟的任务时,学生必须运用已有的知识和技能产生一定的创造性方案来解决问题,即构成一种原创性反应。因此,学生在这一过程中的表现是真实的或接近真实的,可以表现出学生是否真正掌握知识与技能的能力。运用表现性评价方法评价学生的解决问题能力,需要对理解和表征问题阶段、寻求答案阶段、执行计划或尝试某种解答阶段、评价结果阶段等解决问题的四个阶段中学生的表现进行观察。

以下是一个运用表现性评价方法对学生解决计算机学科问题能力的评价实例。某学生在平时听课或听讲座时,经常会录音可以方便事后回放学习。但是在实际回放操作过程中,这位学生发现查找内容很不方便,因此开发了一个具有语音识别搜寻功能的录音APP。这是一个学生创新实践项目活动,下表所示是依据表现性评价方法设计的、贯穿项目活动始终的、反映解决问题能力的计算思维教学评价。针对学生每一个活动环节,教师可以通过观察学生的行为,或采用问答日志方式,记录学生的行为表现。

需要注意的是,理性的思维都是以解决问题为目标的,在能力表现上,一定会反映在问题解决能力上。因此,针对计算思维教学评价的问题解决能力,一定是指向计算思维的,特别需要关注其是否具有计算机学科特征。仍以电子地图的使用为例,一个人熟练地使用电子地图缩放地图显示比例,依据距离、时间等因素选择合适的出行线路,是基于他的生活经验和电子地图固有功能提供的帮助所做出的决策,可以体现出个体思维的敏捷性和灵活性,也体现了朴素的运筹学原理的运用,但并没有明显地表现出个体运用计算机学科知识与方法设计解决问题方案所开展的思维活动。因此,在实际的问题解决能力评价实践中,可以重点考察概括能力、构造能力、推演能力等具有计算机学科特征的能力指标,反映可计算问题的解决。

四、SOLO分类理论支持的计算思维教学评价

SOLO分类理论是一种可以针对科学思维进行表现性评价的评价理论。计算思维的教学评价可以尝试采用SOLO分类理论开展评价。SOLO(Structure of the Observed Learning Outcome)意为“可观察的学习成果结构”,是目前在国际上已被广泛应用于如科学、数学等学科的测评方法。SOLO分类理论认为一个人回答某个问题时所表现出来的思维结构是可检测的,并且可以分为五个不同的思维水平层次,即前结构层次、单点结构层次、多点结构层次、关联结构层次和抽象扩展结构层次。其中,前结构层次表现为拒绝回答问题或者重新叙述问题;单点结构层次表现为仅根据某一事件进行概括;多点结构层次表现为能根据有限的、孤立的事件进行概括;关联结构层次表现为能在设定的情境或已有的知识范围内利用相关知识进行概括;抽象扩展结构层次表现为能对未经历的情境进行抽象概括。SOLO分类理论体现了思维的认知过程,是实施科学思维评价的一种测量方法。

以下是使用SOLO分类理论评测计算思维的一个实例。在查找算法学习单元,教师布置了这样一个学习任务:某学校有一组5000人左右的学生数据存储于学籍数据库之中,学籍数据以学生姓名为关键词增序排列存储,现在要求设计一个查询系统,输入学生姓名,能够显示正确的学生学籍数据。教师设计了学生学习行为与SOLO分类层级对照表,采用SOLO分类理论检测学生的计算思维水平,如下表所示。 

SOLO分类理论只是开展思维教学评价的一种方法,运用SOLO分类理论开展计算思维的教学评价有待于进一步实践与论证,同时也需要探索更多的思维评价方法来丰富计算思维的教学评价手段。

五、计算思维教学评价的时空观

脱离计算机学科知识、技能、方法学习的计算思维教育是不存在的,同理,计算思维的教学评价是一种多元化的综合评价。计算思维教学评价的时空观,反映在其评价由计算机学科知识、技能、方法、能力的评价等多维度组成,同时也跨越计算思维教学实践的全过程,而不是单一地采用传统的、适用于知识评价的终结性测量手段。

知识的评价作为计算思维教学评价的一个基础性维度,丰富了计算思维教学评价手段,同时也方便针对不同学段的学生以及不同学习内容设计具体的、合适的计算思维评价指标,避免用高中生计算思维教学目标要求作为小学生计算思维评价指标。但是,基于知识的评价不是计算思维教学评价的唯一评价维度。在计算思维教学评价中,过分强调知识评价可能会削弱思维教育的意义,也会导致在教学活动中将计算思维当作知识来教授。

计算思维的学科属性和思维品质属性是计算思维教学评价的两个重要方面。例如,“能够总结利用计算机解决问题的过程与方法,并将这些方法迁移到与之相关的其他问题解决中”,其中,能够利用计算机解决问题的方法,反映了计算思维的学科属性,体现了运用计算思维解决问题过程中与其他思维方式不一样的学科特征,这就需要在制订评价标准、收集评价证据时,始终以计算机科学与技术作为学科起点。而将这些方法迁移到其他问题解决中,则体现的是思维深度、灵活性等特征,反映了计算思维的思维品质属性,涉及思维教学评价中的一般性问题。如何系统地开展思维品质的教学评价,也是一个值得深入研究的问题。

教学评价的目标,是为了更好地指导教育教学的落实。开展计算思维教育评价的研究,有利于厘清计算思维的概念,明确计算思维的教学目标,清晰教学实施的效果,避免出现类似“计算思维是个筐,什么都往里面装”的泛化现象。



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