基于課堂觀察平臺的計算思維精準培育實證研究

俞達峰 劉玲萍 張強

計算思維是信息技術學科核心素養的要素之一。計算思維的形成代表學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，并遷移到與之相關的其他問題解決中。計算思維是抽象的意識與行為表現，但作為考量評價的要素，必須有量化指標和數據呈現。課堂觀察指觀察者帶著明確的目的，憑借自身感官及有關輔助工具，直接（或間接）從課堂上收集資料，并依據資料做相應的記錄、分析和研究，在此基礎上謀求學生課堂學習的改善、促進教師發展的專業活動^[1]。本研究所采用的觀察工具是南京師范大學朱雪梅教授團隊設計的“多元交互式”課堂觀察平臺（以下簡稱“交互式觀察平臺”）。此平臺將可預設、可調節的各類專門化觀察量表嵌入數字平臺中，采用行為編碼的思路，在聽課過程中采集“教”與“學”的行為數據，通過后臺計算與圖形化處理，為評課結論提供客觀的量化證據，以實現科學的課堂診斷^[2]。

交互式觀察平臺在課堂上生成觀察數據，并在課后生成關于觀察主題的大數據表，大量的課堂數據能為本研究的評估結論提供客觀的量化證據。本文運用核心素養觀察量表，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，通過數據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培育模型構建

（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領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產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、建模、編碼思維、算法思維、操作思維、優化、合作、總結、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。信息技術課堂的計算思維是通過“學生活動”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的活動中，于是我們將這12個步驟通過“學生活動”和“教師活動”進行一一對應，將抽象的思維步驟進行模型化、量化拆解。經過對計算思維的進一步拆解、具象，現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、突出行為和總體效果評價。我們通過課堂測試發現，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通過建立A、B、C、D、E五個等級進行主觀式量化考核。

經過改良交互式觀察量表中的核心素養培育觀察表，我們設計出計算思維培育行為量化表（如圖2）。其中，次數是指將計算思維觀察項目用數量來統計，雖然較為主觀，但從大量樣本中獲得的數據還是有一定科學依據的。課堂上，一般會有1～3次計算思維觀察項目體現；突出的行為是計算思維量化的依據，將突出的行為數據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充分，令人印象深刻；B級為課堂上有2次以上的體現；C級為課堂上有1次體現；D級為課堂上項目模糊體現；E級為基本無法體現。通過加權分數算法將觀察數據折算成分數，筆者將高中信息技術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）匯總量化數據，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課的量化數據，每一兩個月建立階段性數據庫，最后通過量表采樣數據進一步建立數據圖表。我們通過對比累計3年的跟蹤觀察數據，得出計算思維培養方案是否可行，并且為下一階段的測試改進做出判斷。

通過實驗數據對比，我們可以判斷學生的學習情況，了解教師的教學效果，幫助觀課者對課堂上計算思維的培育質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活動質量。建立計算思維跟蹤表，不僅能促進學生的有效學習，還能幫助教師依據平臺數據、學情確定教學內容和教學方法，從而優化課堂教學。

二、基于交互式觀察平臺的計算思維精準培育實踐

以Python編程課程“枚舉算法——‘百錢百雞問題”一課為例，教學內容可設置多樣的教學活動，并且能夠完整體現出信息技術課堂培育計算思維的特點，有利于交互式觀察平臺的數據采集，以實現精準評價。信息技術課堂上運用數字化平臺進行課堂觀察，一方面可以詳盡記錄學生的參與情況；另一方面，也可以對教師的教學行為進行診斷。本研究通過數字化課堂觀察，為下一階段的教學提供參考意見，以實現精準教學，并利于及時進行教學補償^[4]。

我們采用一課多上的方式對兩節課進行分析。教師在備課后第一次上課；上完課后，結合教研組磨課和課堂觀察平臺數據圖表，研磨修改后第二次上課。觀察比較兩節課的計算思維落實情況，我們得出如下結論（見表1）。

從以上數據可以看出，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數據，在上第二次課時有針對性地改進教學行為，更注重計算思維的培育，次數也明顯增加。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生，學生對解決一個復雜問題感到無從下手。第二次課，教師通過問題串，引導學生將大問題拆分成一個個能解決的小問題，培養了學生的分解思維。

建模：第一次課，教師在沒有鋪墊的情況下就讓學生嘗試編程，導致很多學生難以理解問題，進而無法解決問題。第二次上課，教師引導學生用連線、畫流程圖的方式，將抽象的問題形象化，既能發揮學生的創造性思維，將難懂的嵌套循環簡單化，也提升了學生的建模思維。

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，教師在教學程序編寫時，將枚舉知識點融入學習任務中讓學生來嘗試完成。這既可以讓學生具備一定的程序編寫與調試的能力，又能直觀體現學生的算法思維。

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。學生在解決問題中總結了枚舉算法，并遷移到與之相關的其他問題解決中，培養了舉一反三、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據和專業判斷，圍繞觀察點對觀察得到的信息進行剖析與反思，基于數據提出有針對性和實效性的矯正建議。數據呈現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、學生學的行為、師生交往行為等角度進行改進，最終指向學生的計算思維培育。我們還采用循環跟進式教學評價，由教研組或備課組在某一專題研究中，連續組織同一內容的活動。每次活動都在交互式評價體系基礎上進行深入的觀察、比較、分析和評價，并提出改進意見，緊接著進行調整。經過這樣一個循環往復的評價過程，教師的教學預期和教學能力都會得到提高。本研究通過觀察獲得量化數據，分析數據進行診斷，針對存在的問題對癥下藥，提出改進意見，再觀察、診斷、改進，如此螺旋式循環改進。

三、基于交互式觀察平臺的計算思維精準培育的實踐思考

（一）核心素養觀察的借鑒意義

核心素養是可以被“觀察到”的。本研究主要針對信息技術學科四大核心素養之一的計算思維，后續可以基于本研究將其他三個核心素養——信息意識、數字化學習與創新、信息社會責任進行相應的拆解，建立量表，并且建立起各細化量表和實際教學過程細分項目的有機聯系。教師要通過不斷觀察課堂上教學主體的細分行為，迭代項目、改進方式，達到培育學生信息技術核心素養的目的，幫助學生運用信息技術學科的思維方式理解信息世界，正確認識技術、個人和社會的內在關系，發揮信息技術的積極作用。

（二）思維精準培育的現實意義

思維是可以被“精準化”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驗，這種質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確認識自身教學行為，從而改進教學；另一方面，能精準評價學生的計算思維，從而能針對不同的計算思維水平，對學生進行精準培育。標準化的觀察量表為計算思維的評價提供了數據支持，有利于提升評價的科學性，推動教育評價的發展。

（三）教育數字化的戰略意義

信息技術“精準化課堂”是可以被推廣的。黨的二十大報告明確提出“推進教育數字化”。教育數字化意味著評價監測多樣化、培養個性化。利用數字技術推動教育轉型升級，改進教育手段、變革教育模式，信息技術課堂是各學科的先行者。圍繞“立德樹人”教育總目標下的各學科核心素養培育的精準研究，未來必定朝著平臺更為整合、數據收集更為便捷、數據整理更為規范、數據分析更為高效精準的方向發展，本研究組將繼續為此而努力。

參考文獻

[1] 張蓓，朱雪梅.基于數字化觀察的地理教師專業表達行為評估研究：以“中國的地理差異”為課例[J].中學地理教學參考，2016（9）：38-40.

[2] 賈峰.新手教師與熟練教師課堂師生交往之差異與改進：基于“多元交互式”課堂觀察平臺的課例研究[J].中小學數字化教學，2019（11）：65-67.

[3] 中華人民共和國教育部.普通高中信息技術課程標準：2017年版2020年修訂[S].北京：人民教育出版社，2020.

[4] 曹唯實.基于數字化課堂觀察的精準教學研究：以英語綜合技能課為例[J].現代中小學教育，2018（6）：16-20.