基于课堂观察平台的计算思维精准培育实证研究

计算思维是信息技术学科核心素养的要素之一。计算思维的形成代表学生能够采用计算机的方式界定问题，运用合理的算法形成解决问题的方案，并迁移到与之相关的其他问题解决中。计算思维是抽象的意识与行为表现，但作为考量评价的要素，必须有量化指标和数据呈现。课堂观察指观察者带着明确的目的，凭借自身感官及有关辅助工具，直接（或间接）从课堂上收集资料，并依据资料做相应的记录、分析和研究，在此基础上谋求学生课堂学习的改善、促进教师发展的专业活动[1]。本研究所采用的观察工具是南京师范大学朱雪梅教授团队设计的“多元交互式”课堂观察平台（以下简称“交互式观察平台”）。此平台将可预设、可调节的各类专门化观察量表嵌入数字平台中，采用行为编码的思路，在听课过程中采集“教”与“学”的行为数据，通过后台计算与图形化处理，为评课结论提供客观的量化证据，以实现科学的课堂诊断[2]。交互式观察平台在课堂上生成观察数据，并在课后生成关于观察主题的大数据表，大量的课堂数据能为本研究的评估结论提供客观的量化证据。本文运用核心素养观察量表，着重研究计算思维，并将计算思维细分、量化，不能量化的部分以A、B、C、D、E五个等级进行评分，通过数据折算最终生成课堂计算思维培育效果评价。一、基于交互式观察平台的计算思维精准培育模型构建（一）拆解计算思维，建立量化模型计算思维是指个体运用计算机科学领域的思想方法，在形成问题解决方案的过程中产生的一系列思维活动[3]。如何将思维活动量化？本研究通过大量研究分析，将计算思维细分为分解思维、模式识别、抽象化、流程建设、建模、编码思维、算法思维、操作思维、优化、合作、总结、迁移12个步骤。仅仅这12个计算思维步骤还无法通过交互式观察平台进行量化。信息技术课堂的计算思维是通过“学生活动”和“教师活动”进行传达的，而被拆解的12个计算思维步骤又能嵌入相应的活动中，于是我们将这12个步骤通过“学生活动”和“教师活动”进行一一对应，将抽象的思维步骤进行模型化、量化拆解。经过对计算思维的进一步拆解、具象，现在已初步具备了计算思维量化的可能性。（二）运用观察平台，建立观察量表每个观察点主要通过三种方式进行评价：次数、突出行为和总体效果评价。我们通过课堂测试发现，二次分解后的计算思维一定程度上是可以量化的，但计算思维量化拆解模型（如图1）属于抽象模型，在无法进行量化的时候应通过建立A、B、C、D、E五个等级进行主观式量化考核。经过改良交互式观察量表中的核心素养培育观察表，我们设计出计算思维培育行为量化表（如图2）。其中，次数是指将计算思维观察项目用数量来统计，虽然较为主观，但从大量样本中获得的数据还是有一定科学依据的。课堂上，一般会有1～3次计算思维观察项目体现；突出的行为是计算思维量化的依据，将突出的行为数据进行简单的主观描述，能便于后期的反馈；总体效果评价是指对总体表现进行打分，A级8分，B级6分，C级4分，D级2分，E级1分。其中，A级为课堂上对计算思维观察项目展现充分，令人印象深刻；B级为课堂上有2次以上的体现；C级为课堂上有1次体现；D级为课堂上项目模糊体现；E级为基本无法体现。通过加权分数算法将观察数据折算成分数，笔者将高中信息技术计算思维培育分成三个等级模型：初级模型、中级模型和高级模型（如图3）。模型总分100分，每条8分（4分起步）。经过模型测试计算，40分为初步模型，60分为中级模型，80分以上为高级模型。（三）汇总量化数据，分析反馈改进本研究通过平行班测试，运用交互式觀察平台收集每节课的量化数据，每一两个月建立阶段性数据库，最后通过量表采样数据进一步建立数据图表。我们通过对比累计3年的跟踪观察数据，得出计算思维培养方案是否可行，并且为下一阶段的测试改进做出判断。通过实验数据对比，我们可以判断学生的学习情况，了解教师的教学效果，帮助观课者对课堂上计算思维的培育质量进行评判和提出改进意见，进而提高教师培育计算思维的教学活动质量。建立计算思维跟踪表，不仅能促进学生的有效学习，还能帮助教师依据平台数据、学情确定教学内容和教学方法，从而优化课堂教学。二、基于交互式观察平台的计算思维精准培育实践以Python编程课程“枚举算法——‘百钱百鸡问题”一课为例，教学内容可设置多样的教学活动，并且能够完整体现出信息技术课堂培育计算思维的特点，有利于交互式观察平台的数据采集，以实现精准评价。信息技术课堂上运用数字化平台进行课堂观察，一方面可以详尽记录学生的参与情况；另一方面，也可以对教师的教学行为进行诊断。本研究通过数字化课堂观察，为下一阶段的教学提供参考意见，以实现精准教学，并利于及时进行教学补偿[4]。我们采用一课多上的方式对两节课进行分析。教师在备课后第一次上课；上完课后，结合教研组磨课和课堂观察平台数据图表，研磨修改后第二次上课。观察比较两节课的计算思维落实情况，我们得出如下结论（见表1）。从以上数据可以看出，两次课在计算思维培育行为方面存在着巨大差距。第二次课上，计算思维培育行为达37次，而第一次课仅有19次。总体效果评价第二次课为84分（7个A，4个B，1个C），高级模型（完全具备）；第一次课65分（2个A，6个B，3个C，1个E），中级模型（基本具备）。教师基于第一次上课交互式观察平台的相应数据，在上第二次课时有针对性地改进教学行为，更注重计算思维的培育，次数也明显增加。以下从观察项目进行具体对比分析。分解思维：第一次课，教师将问题直接抛给学生，学生对解决一个复杂问题感到无从下手。第二次课，教师通过问题串，引导学生将大问题拆分成一个个能解决的小问题，培养了学生的分解思维。建模：第一次课，教师在没有铺垫的情况下就让学生尝试编程，导致很多学生难以理解问题，进而无法解决问题。第二次上课，教师引导学生用连线、画流程图的方式，将抽象的问题形象化，既能发挥学生的创造性思维，将难懂的嵌套循环简单化，也提升了学生的建模思维。算法思维：第一次课，教师直接提出了枚举算法，而不是让学生运用合理的算法形成解决问题的方案。第二次课，教师在教学程序编写时，将枚举知识点融入学习任务中让学生来尝试完成。这既可以让学生具备一定的程序编写与调试的能力，又能直观体现学生的算法思维。迁移：第一次课，教师仅仅将原来的“百钱百鸡”问题扩展为“m钱n鸡”。而第二次课，教师让学生回到课堂开始的早餐问题，并拓展到了其他问题的解决。学生在解决问题中总结了枚举算法，并迁移到与之相关的其他问题解决中，培养了举一反三、触类旁通的迁移思维。诊断的过程中，教师利用交互式观察平台得出数据和专业判断，围绕观察点对观察得到的信息进行剖析与反思，基于数据提出有针对性和实效性的矫正建议。数据呈现方式采用描述性分析法：条形图、饼状图、雷达图（如图4）、表格（见表2）等。本研究从教师教的行为、学生学的行为、师生交往行为等角度进行改进，最终指向学生的计算思维培育。我们还采用循环跟进式教学评价，由教研组或备课组在某一专题研究中，连续组织同一内容的活动。每次活动都在交互式评价体系基础上进行深入的观察、比较、分析和评价，并提出改进意见，紧接着进行调整。经过这样一个循环往复的评价过程，教师的教学预期和教学能力都会得到提高。本研究通过观察获得量化数据，分析数据进行诊断，针对存在的问题对症下药，提出改进意见，再观察、诊断、改进，如此螺旋式循环改进。三、基于交互式观察平台的计算思维精准培育的实践思考（一）核心素养观察的借鉴意义核心素养是可以被“观察到”的。本研究主要针对信息技术学科四大核心素养之一的计算思维，后续可以基于本研究将其他三个核心素养——信息意识、数字化学习与创新、信息社会责任进行相应的拆解，建立量表，并且建立起各细化量表和实际教学过程细分项目的有机联系。教师要通过不断观察课堂上教学主体的细分行为，迭代项目、改进方式，达到培育学生信息技术核心素养的目的，帮助学生运用信息技术学科的思维方式理解信息世界，正确认识技术、个人和社会的内在关系，发挥信息技术的积极作用。（二）思维精准培育的现实意义思维是可以被“精准化”的。以往对于计算思维培育行为的研究，主要基于教师的主观经验，这种质性研究的重点放在如何进行培育，缺少对计算思维培育行为的科学诊断。利用交互式观察平台对同一教师不同课堂的计算思维培育行为进行分析，为信息技术教师提供了可以操作的计算思维培育策略。本研究一方面帮助教师准确认识自身教学行为，从而改进教学；另一方面，能精准评价学生的计算思维，从而能针对不同的计算思维水平，对学生进行精准培育。标准化的观察量表为计算思维的评价提供了数据支持，有利于提升评价的科学性，推动教育评价的发展。（三）教育数字化的战略意义信息技术“精准化