基于課堂觀察平臺的計算思維精準(zhǔn)培育實證研究

計算思維是信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的要素之一。計算思維的形成代表學(xué)生能夠采用計算機的方式界定問題，運用合理的算法形成解決問題的方案，并遷移到與之相關(guān)的其他問題解決中。計算思維是抽象的意識與行為表現(xiàn)，但作為考量評價的要素，必須有量化指標(biāo)和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。課堂觀察指觀察者帶著明確的目的，憑借自身感官及有關(guān)輔助工具，直接（或間接）從課堂上收集資料，并依據(jù)資料做相應(yīng)的記錄、分析和研究，在此基礎(chǔ)上謀求學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的改善、促進教師發(fā)展的專業(yè)活動[1]。本研究所采用的觀察工具是南京師范大學(xué)朱雪梅教授團隊設(shè)計的“多元交互式”課堂觀察平臺（以下簡稱“交互式觀察平臺”）。此平臺將可預(yù)設(shè)、可調(diào)節(jié)的各類專門化觀察量表嵌入數(shù)字平臺中，采用行為編碼的思路，在聽課過程中采集“教”與“學(xué)”的行為數(shù)據(jù)，通過后臺計算與圖形化處理，為評課結(jié)論提供客觀的量化證據(jù)，以實現(xiàn)科學(xué)的課堂診斷[2]。交互式觀察平臺在課堂上生成觀察數(shù)據(jù)，并在課后生成關(guān)于觀察主題的大數(shù)據(jù)表，大量的課堂數(shù)據(jù)能為本研究的評估結(jié)論提供客觀的量化證據(jù)。本文運用核心素養(yǎng)觀察量表，著重研究計算思維，并將計算思維細分、量化，不能量化的部分以A、B、C、D、E五個等級進行評分，通過數(shù)據(jù)折算最終生成課堂計算思維培育效果評價。一、基于交互式觀察平臺的計算思維精準(zhǔn)培育模型構(gòu)建（一）拆解計算思維，建立量化模型計算思維是指個體運用計算機科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動[3]。如何將思維活動量化？本研究通過大量研究分析，將計算思維細分為分解思維、模式識別、抽象化、流程建設(shè)、建模、編碼思維、算法思維、操作思維、優(yōu)化、合作、總結(jié)、遷移12個步驟。僅僅這12個計算思維步驟還無法通過交互式觀察平臺進行量化。信息技術(shù)課堂的計算思維是通過“學(xué)生活動”和“教師活動”進行傳達的，而被拆解的12個計算思維步驟又能嵌入相應(yīng)的活動中，于是我們將這12個步驟通過“學(xué)生活動”和“教師活動”進行一一對應(yīng)，將抽象的思維步驟進行模型化、量化拆解。經(jīng)過對計算思維的進一步拆解、具象，現(xiàn)在已初步具備了計算思維量化的可能性。（二）運用觀察平臺，建立觀察量表每個觀察點主要通過三種方式進行評價：次數(shù)、突出行為和總體效果評價。我們通過課堂測試發(fā)現(xiàn)，二次分解后的計算思維一定程度上是可以量化的，但計算思維量化拆解模型（如圖1）屬于抽象模型，在無法進行量化的時候應(yīng)通過建立A、B、C、D、E五個等級進行主觀式量化考核。經(jīng)過改良交互式觀察量表中的核心素養(yǎng)培育觀察表，我們設(shè)計出計算思維培育行為量化表（如圖2）。其中，次數(shù)是指將計算思維觀察項目用數(shù)量來統(tǒng)計，雖然較為主觀，但從大量樣本中獲得的數(shù)據(jù)還是有一定科學(xué)依據(jù)的。課堂上，一般會有1～3次計算思維觀察項目體現(xiàn)；突出的行為是計算思維量化的依據(jù)，將突出的行為數(shù)據(jù)進行簡單的主觀描述，能便于后期的反饋；總體效果評價是指對總體表現(xiàn)進行打分，A級8分，B級6分，C級4分，D級2分，E級1分。其中，A級為課堂上對計算思維觀察項目展現(xiàn)充分，令人印象深刻；B級為課堂上有2次以上的體現(xiàn)；C級為課堂上有1次體現(xiàn)；D級為課堂上項目模糊體現(xiàn)；E級為基本無法體現(xiàn)。通過加權(quán)分?jǐn)?shù)算法將觀察數(shù)據(jù)折算成分?jǐn)?shù)，筆者將高中信息技術(shù)計算思維培育分成三個等級模型：初級模型、中級模型和高級模型（如圖3）。模型總分100分，每條8分（4分起步）。經(jīng)過模型測試計算，40分為初步模型，60分為中級模型，80分以上為高級模型。（三）匯總量化數(shù)據(jù)，分析反饋改進本研究通過平行班測試，運用交互式觀察平臺收集每節(jié)課的量化數(shù)據(jù)，每一兩個月建立階段性數(shù)據(jù)庫，最后通過量表采樣數(shù)據(jù)進一步建立數(shù)據(jù)圖表。我們通過對比累計3年的跟蹤觀察數(shù)據(jù)，得出計算思維培養(yǎng)方案是否可行，并且為下一階段的測試改進做出判斷。通過實驗數(shù)據(jù)對比，我們可以判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，了解教師的教學(xué)效果，幫助觀課者對課堂上計算思維的培育質(zhì)量進行評判和提出改進意見，進而提高教師培育計算思維的教學(xué)活動質(zhì)量。建立計算思維跟蹤表，不僅能促進學(xué)生的有效學(xué)習(xí)，還能幫助教師依據(jù)平臺數(shù)據(jù)、學(xué)情確定教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，從而優(yōu)化課堂教學(xué)。二、基于交互式觀察平臺的計算思維精準(zhǔn)培育實踐以Python編程課程“枚舉算法——‘百錢百雞問題”一課為例，教學(xué)內(nèi)容可設(shè)置多樣的教學(xué)活動，并且能夠完整體現(xiàn)出信息技術(shù)課堂培育計算思維的特點，有利于交互式觀察平臺的數(shù)據(jù)采集，以實現(xiàn)精準(zhǔn)評價。信息技術(shù)課堂上運用數(shù)字化平臺進行課堂觀察，一方面可以詳盡記錄學(xué)生的參與情況；另一方面，也可以對教師的教學(xué)行為進行診斷。本研究通過數(shù)字化課堂觀察，為下一階段的教學(xué)提供參考意見，以實現(xiàn)精準(zhǔn)教學(xué)，并利于及時進行教學(xué)補償[4]。我們采用一課多上的方式對兩節(jié)課進行分析。教師在備課后第一次上課；上完課后，結(jié)合教研組磨課和課堂觀察平臺數(shù)據(jù)圖表，研磨修改后第二次上課。觀察比較兩節(jié)課的計算思維落實情況，我們得出如下結(jié)論（見表1）。從以上數(shù)據(jù)可以看出，兩次課在計算思維培育行為方面存在著巨大差距。第二次課上，計算思維培育行為達37次，而第一次課僅有19次?？傮w效果評價第二次課為84分（7個A，4個B，1個C），高級模型（完全具備）；第一次課65分（2個A，6個B，3個C，1個E），中級模型（基本具備）。教師基于第一次上課交互式觀察平臺的相應(yīng)數(shù)據(jù)，在上第二次課時有針對性地改進教學(xué)行為，更注重計算思維的培育，次數(shù)也明顯增加。以下從觀察項目進行具體對比分析。分解思維：第一次課，教師將問題直接拋給學(xué)生，學(xué)生對解決一個復(fù)雜問題感到無從下手。第二次課，教師通過問題串，引導(dǎo)學(xué)生將大問題拆分成一個個能解決的小問題，培養(yǎng)了學(xué)生的分解思維。建模：第一次課，教師在沒有鋪墊的情況下就讓學(xué)生嘗試編程，導(dǎo)致很多學(xué)生難以理解問題，進而無法解決問題。第二次上課，教師引導(dǎo)學(xué)生用連線、畫流程圖的方式，將抽象的問題形象化，既能發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性思維，將難懂的嵌套循環(huán)簡單化，也提升了學(xué)生的建模思維。算法思維：第一次課，教師直接提出了枚舉算法，而不是讓學(xué)生運用合理的算法形成解決問題的方案。第二次課，教師在教學(xué)程序編寫時，將枚舉知識點融入學(xué)習(xí)任務(wù)中讓學(xué)生來嘗試完成。這既可以讓學(xué)生具備一定的程序編寫與調(diào)試的能力，又能直觀體現(xiàn)學(xué)生的算法思維。遷移：第一次課，教師僅僅將原來的“百錢百雞”問題擴展為“m錢n雞”。而第二次課，教師讓學(xué)生回到課堂開始的早餐問題，并拓展到了其他問題的解決。學(xué)生在解決問題中總結(jié)了枚舉算法，并遷移到與之相關(guān)的其他問題解決中，培養(yǎng)了舉一反三、觸類旁通的遷移思維。診斷的過程中，教師利用交互式觀察平臺得出數(shù)據(jù)和專業(yè)判斷，圍繞觀察點對觀察得到的信息進行剖析與反思，基于數(shù)據(jù)提出有針對性和實效性的矯正建議。數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式采用描述性分析法：條形圖、餅狀圖、雷達圖（如圖4）、表格（見表2）等。本研究從教師教的行為、學(xué)生學(xué)的行為、師生交往行為等角度進行改進，最終指向?qū)W生的計算思維培育。我們還采用循環(huán)跟進式教學(xué)評價，由教研組或備課組在某一專題研究中，連續(xù)組織同一內(nèi)容的活動。每次活動都在交互式評價體系基礎(chǔ)上進行深入的觀察、比較、分析和評價，并提出改進意見，緊接著進行調(diào)整。經(jīng)過這樣一個循環(huán)往復(fù)的評價過程，教師的教學(xué)預(yù)期和教學(xué)能力都會得到提高。本研究通過觀察獲得量化數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)進行診斷，針對存在的問題對癥下藥，提出改進意見，再觀察、診斷、改進，如此螺旋式循環(huán)改進。三、基于交互式觀察平臺的計算思維精準(zhǔn)培育的實踐思考（一）核心素養(yǎng)觀察的借鑒意義核心素養(yǎng)是可以被“觀察到”的。本研究主要針對信息技術(shù)學(xué)科四大核心素養(yǎng)之一的計算思維，后續(xù)可以基于本研究將其他三個核心素養(yǎng)——信息意識、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任進行相應(yīng)的拆解，建立量表，并且建立起各細化量表和實際教學(xué)過程細分項目的有機聯(lián)系。教師要通過不斷觀察課堂上教學(xué)主體的細分行為，迭代項目、改進方式，達到培育學(xué)生信息技術(shù)核心素養(yǎng)的目的，幫助學(xué)生運用信息技術(shù)學(xué)科的思維方式理解信息世界，正確認(rèn)識技術(shù)、個人和社會的內(nèi)在關(guān)系，發(fā)揮信息技術(shù)的積極作用。（二）思維精準(zhǔn)培育的現(xiàn)實意義思維是可以被“精準(zhǔn)化”的。以往對于計算思維培育行為的研究，主要基于教師的主觀經(jīng)驗，這種質(zhì)性研究的重點放在如何進行培育，缺少對計算思維培育行為的科學(xué)診斷。利用交互式觀察平臺對同一教師不同課堂的計算思維培育行為進行分析，為信息技術(shù)教師提供了可以操作的計算思維培育策略。本研究一方面幫助教師準(zhǔn)確認(rèn)識自身教學(xué)行為，從而改進教學(xué)；另一方面，能精準(zhǔn)評價學(xué)生的計算思維，從而能針對不同的計算思維水平，對學(xué)生進行精準(zhǔn)培育。標(biāo)準(zhǔn)化的觀察量表為計算思維的評價提供了數(shù)據(jù)支持，有利于提升評價的科學(xué)性，推動教育評價的發(fā)展。（三）教育數(shù)字化的戰(zhàn)略意義信息技術(shù)“精準(zhǔn)化