支持我國信息技術課程評價體系構建的計算思維描述框架設計

馮友梅 王珊 王昕怡 周彤彤

[摘? ?要] 信息技術課程計算思維評價體系的構建需要以系統的評價目標體系為基礎，但此評價目標體系很難形成。直接原因為：作為評價目標確定的重要依據，既有計算思維描述框架中“過程”維度的要素不能進行多層粒度細化。深層原因則為：認知心理學對“思維過程”與“思維內容”的人為割裂。鑒于此，為從根本上突破計算思維評價困境，文章以“知識與思維內在統一”為基本立場，將“計算思維過程”與“計算思維內容”還原為完整的動態計算思維，在此基礎上尋找與動態計算思維內在一致的靜態知識結構。經過層層剝離、轉換，最終形成包含“計算概念”與“計算策略”兩個維度的計算思維二維描述框架。該描述框架中各維度的要素集合亦是具有信息技術學科本質特征的核心知識集，其不僅可以支持從宏觀到微觀的多層計算思維評價目標體系以及評價體系的構建，而且可以為信息技術課程“單元群—單元—課”整體教學設計提供必要抓手。

[關鍵詞] 計算思維; 計算策略; 描述框架; 信息技術課程; 評價體系

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

[作者簡介] 馮友梅（1983—），女，河北香河人。講師，博士，主要從事信息技術課程與教學、基于清晰圖形語義的思維可視化研究。E-mail：youmeifeng2008@163.com。

一、引? ?言

作為信息技術課程的重要學科核心素養，計算思維的評價問題備受關注。經過上一輪基礎教育課程改革的洗禮，發展性評價的理念已深入人心。以促進學生發展為旨歸，我國K-12階段信息技術課程的計算思維評價便不能僅是長時間學習結束后的粗粒度的水平測量，而應是由細粒度的微觀評價、中粒度的中觀評價以及粗粒度的宏觀評價共同構成評價體系。其中，系統設計的細粒度微觀評價尤為重要。顯然，此計算思維評價體系在我國尚未形成。事實上，雖然國際范圍內對計算思維的評價問題關注已久，且已形成大量評價方案及案例，但評價普遍聚焦宏觀層面，與“體系”相距甚遠。

眾所周知，計算思維描述框架（Computational Thinking Framework）是抽象的計算思維定義與具體評價實踐之間的橋梁，是評價設計的重要指導和依據。故本文認為，計算思維評價難成“體系”，極有可能根源于計算思維描述框架?；诖?，本文系統梳理既有計算思維描述框架，深入分析其存在的問題及原因，在此基礎上構建可支持K-12階段信息技術課程計算思維評價體系設計的計算思維描述框架。

二、既有計算思維描述框架存在的問題及歸因

（一）既有計算思維描述框架梳理

目前國際范圍內有較高影響力和認同度的當屬博南與雷斯尼克（Karen Brennan & Mitchel Resnick）于2012年提出的計算思維描述框架（下文簡稱“博南框架”），該框架聚焦編程領域，包含計算概念、計算實踐及計算觀念三個維度[1]。其中，計算概念指從事編程實踐時所涉及的基本概念，包括“序列”“循環”“事件”“并行”“條件”“操作符”“數據”;計算實踐指基于計算概念發展的、存在于但不限于編程領域的實踐，包括“增量與迭代”“測試與調試”“重用與重組”“抽象與模塊化”;計算觀念則指在計算實踐過程中逐漸形成的對自身、自身與他人的關系以及周遭技術世界的基本觀念，包括“表達”“連接”“質疑”[1]?？紤]計算概念、計算實踐兩維度與我國信息技術課程對計算思維的內涵及外延的界定較為契合，故本文僅就這兩個維度展開深入探討①。如果從過程視角審視，那么計算概念便可看作計算思維運轉過程中被調動、利用的“資源”，計算實踐則指向運轉過程本身。正如該框架的設計者所言，“計算實踐聚焦思維與學習的過程，它指向學生如何學習，而非學到了什么”[1]。較之計算概念，計算實踐顯然是計算思維更為核心的構成要素。

與僅面向過程的操作性定義（單維度框架），如“抽象、分解、算法思維、概括和模式化、評價、邏輯思維”[2]，“界定問題、抽象特征、建立模型、形成問題解決方案、總結遷移”[3]等相比，博南框架對計算思維進行了更為細致的要素切分，對于實踐而言也更具操作性，因此，一經推出便吸引了眾多研究者和實踐者的關注，近年來國際范圍內亦不斷出現各種改良版本。例如：鐘柏昌等在保持博南框架基本結構（三維結構）不變的前提下，對各維度要素做了細微調整，具體為：在計算概念維度增加了“對象”“指令”兩個要素;將計算實踐維度的四個要素調整為五個，分別為“規劃與設計”“抽象與建?！薄澳K化與重用”“迭代與優化”“測試與調試”;計算觀念維度也從三個要素被調整為四個要素[4]。Grover和Pea 則將三維結構調整為兩維結構——計算概念和計算實踐，且與博南框架中計算概念維度僅面向編程領域不同，該框架中計算概念面向更廣泛的計算實踐領域，要素包括“算法和算法思維”“模式和模式識別”“自動化”等;計算實踐維度則與博南框架大體一致，包含“問題分解”“測試與調試”“迭代細化”等[5]。

其他改良版本不再一一列舉?？傮w來看，雖然在維度或維度包含的要素等方面存在差異，但博南框架的一個重要特征——各維度的基本指向，卻被各改良版本所繼承，即在各改良版本中，計算概念均指向計算思維運轉過程中被調動、利用的“資源”，計算實踐則指向動態運轉過程本身。本文將博南框架及其改良版本統稱為“博南風格計算思維描述框架”（簡稱“博南風格框架”）。

（二）博南風格框架的問題分析

國際范圍內關于思維的研究由來已久，研究者一般將思維過程（形式）和思維材料（內容）作為思維的兩個重要組成部分。其中，思維材料即是知識，思維過程則是對知識的加工、利用或調動過程，包括“分析”“綜合”“分類”等，思維水平由思維過程水平和思維材料（知識）水平共同決定[6]?？梢?，博南風格框架中關于計算概念和計算實踐的界定與既有思維研究的觀點一致。以其為指導，計算概念維度的評價實質上就是知識評價。知識評價多年來一直是K-12階段教學評價的主要內容，基本思路為：對作為學科教學內容的知識進行分層，使知識粒度細化至課堂級別，最終形成學段、學期、單元、課堂四個層面的粒度不斷細化的知識金字塔結構，此知識分層結構與布魯姆教育目標分類體系（或修訂版）相結合，便可形成不同層面的評價目標體系，進而支持系統評價體系的構建。事實上，計算概念維度已經形成的評價體系，如FACT's Systems of Assessments等[7]便是按照以上思路形成的。而依照該思路之所以可形成系統的、可具體到課堂層面的評價體系，關鍵在于評價實踐者可將計算概念維度粒度較大的要素（知識）進行多層切分細化。

反觀計算實踐維度，該維度的評價是面向計算思維過程本身的評價。以可操作性為目的，博南風格框架亦將完整的計算思維過程進行初步切分，形成如前文所述的若干要素。同樣，為了更有效地指導評價實踐，計算實踐維度的若干要素又被進一步細化。例如：將“抽象”細化為“刪除”“過濾”“提取”“符號化”四個要素，將“分解”細化為“分解”“有序”“遞歸”三個要素，等等[8]。又如：將“重用與重組”細化為“從新問題或新目標的角度評價既有問題或問題解決方案”“在新的問題情境中重用既有方案”“部分或整體調整既有方案以適應新問題”“在重用、重組、再造之間做評估和權衡”四個要素，等等[9]。然而問題在于，在既有文獻或評價實例中，計算實踐維度諸要素均只做了如上文所述的一層細化，尚未有如“知識金字塔結構”的、將計算實踐維度的要素進行多層細化的“過程金字塔結構”，因此，難以為微觀層面的評價提供具體明確的評價目標。

綜上，計算思維評價難成體系，實則是計算思維的計算實踐維度評價難成體系，其直接原因是此維度的評價目標難成體系。換言之，實踐者無法以博南風格框架計算實踐維度的要素為依據，形成從宏觀到微觀的評價目標體系，這是計算實踐維度難以形成系統可行的評價體系的重要原因，亦是博南風格框架的問題所在。

（三）博南風格框架的問題歸因

事實上，不僅針對計算思維過程，以可教可評為目的，學界對思維過程進行要素切分的嘗試由來已久。如前文所述，將思維過程劃分為“分析”“綜合”“分類”“抽象”“概括”“類比”等要素，但要素粒度始終未能小到如知識粒度般可操作的程度，以至于難以形成有關思維教育的系統可行的目標體系，進而導致其在實踐領域至今仍作為知識教育的點綴。此種情況難免讓人產生如下疑惑：是否我們的努力方向，即“直接面向思維過程把握思維發展的脈絡（評定思維發展的水平）”本身就值得商榷？換句話說，就計算思維過程（計算實踐）評價而言，可以嘗試采用如下“迂回”策略以突破困境：找到與計算思維過程發展脈絡及水平具有實質關聯的特定知識（知識結構），通過該知識（知識結構）的發展水平間接推斷計算思維過程的發展水平。該“迂回”策略的可操作性表現為以下兩個方面：首先，知識粒度可以實現多層細化，進而形成從宏觀到微觀的目標體系;其次，在實際教學中，我們能樸素地覺察到，如果學生形成了由策略性、概念性、技能性等類型的知識復雜關聯而成的知識結構后，便會表現出高水平的計算思維過程。

遺憾的是，以上“迂回”策略被如下論斷直接否定：“知識是訓練思維的材料，是思維（思維過程）調動、利用的資源?！盵10]此論斷在教育領域被普遍認同，其言下之意為，思維過程和思維內容（知識）間僅是調用與被調用的關系，二者在發展脈絡及水平方面并無內在實質關聯。計算實踐維度的評價也因此論斷再次陷入僵局。

計算思維評價落地的緊迫性促使我們不得不進一步追問：以上論斷是否禁得起推敲？眾所周知，心理學是教育學的直接理論基礎，教育領域的核心論斷或觀點均與心理學存在淵源關系。經系統追溯分析，“思維過程與思維內容（知識）無內在實質關聯”的論斷直接承自于認知心理學關于學習核心機制的“信息加工”隱喻。該隱喻認為，學習過程便是信息加工過程，是作為“程序”的“思維”對作為“信息”的“知識”的加工過程，“程序”與被其加工的“信息”間無內在實質關聯[11]，我們將其稱為學習的“過程+內容”模型[12]。然而，讓人頗為驚訝的是，作為認知心理學的根基，此信息加工隱喻竟來源于與計算機科學的簡單類比[12]。因此，我們便有理由懷疑認知心理學對于學習核心機制的信息加工隱喻的合理性，進而也有可能推翻教育領域關于“思維過程與思維內容（知識）無內在實質關聯”的論斷，從而為計算思維評價順利走向實踐掃清障礙。

三、支持評價體系構建的計算思維描述框架設計

自2016年至今，筆者及團隊成員從核心素養的落地困境入手，層層追溯，最終發現認知心理學關于學習核心機制的“信息加工”隱喻的局限性。在此基礎上，從皮亞杰發生認識論（“新理論”）之哲學精髓處獲得啟發，得到關于思維過程與思維內容間關系的全新認識：思維過程與思維內容是本質上不可分的統一整體（并無獨立于思維內容的思維過程），這一整體可表現為兩種狀態：靜態與動態。其中，靜態即是知識，是陳述性知識與程序性知識復雜交織的知識結構;動態即是思維，是以既有知識結構為基礎的知識結構再建構過程，其結果是新的知識結構的形成，此知識結構又是下一次思維運轉的基礎，如此螺旋上升，使得知識與思維具有內在一致性，表現為靜態的知識結構與動態的思維結構在發展過程與水平方面的同步和統一[13]。

以“知識與思維內在統一”為基本立場，博南風格框架的困境的突破口便不是尋找與計算思維過程（計算實踐）內在一致的知識，而是尋找與作為整體（過程與內容的整體）的動態計算思維內在一致的靜態知識結構，此知識結構便是系統的計算思維評價目標體系乃至評價體系的構建依據。

（一）從作為“社會需求”的計算思維到作為“教育目標”的計算思維

與計算思維動靜交替、內在一致的究竟是什么樣的知識？此問題的有效回答始于對計算思維內涵的系統梳理。

計算思維概念于2006年被周以真教授首次正式提出，她認為，計算思維就是“用計算機科學的基礎概念解決問題、設計系統及理解人類行為，即像計算機科學家一樣思考”[14]?？梢?，彼時計算思維與“計算機”的關系頗為密切。隨著計算思維理論與實踐研究的不斷深入，計算思維也逐漸從計算機科學領域走向更廣泛的實踐領域。例如：2014年，周以真教授將計算思維的定義修訂為，“計算思維是一種思維過程，包括兩個方面，即建構問題模型，以及用人或機器可以有效執行的方式表示問題解決方案”[15]，同時，她特別強調，“人們不利用計算機也可以學習計算思維”[15]。再如：我國《普通高中信息技術課標標準（2017版）》中也指出，“利用計算機解決問題的過程與方法（計算思維）可以遷移到其他領域問題解決過程中”[3]。同時，眾多面向過程的計算思維操作性定義（如界定問題、抽象特征、建立模型、形成問題解決方案、總結遷移[3]）以及頗有影響力的國際計算思維挑戰賽（Bebras）的命題取向，均將計算思維泛化為“解決問題的思維過程”。由此難免讓人產生如下疑惑：計算思維的邊界究竟在哪里？

如果計算思維僅作為社會對教育的需求，作為人們“議論”教育時的談資，則沒有必要深究其邊界問題。然而，當下計算思維已經從社會需求轉化為教育目標，更具體地轉化為信息技術課程的核心目標，那么厘清其邊界對于課程建設及教學實踐而言均至關重要。所謂厘清邊界，即是對如下問題作出審慎回答：當社會向基礎教育領域提出“計算思維”的教育需求時，基礎教育真正缺失的是什么？亦即，從看似無所不包的計算思維中，提煉、剝離出其真正的教育指向，由此，將作為“社會需求”的計算思維轉化為作為“教育目標”的計算思維。

（二）計算思維的教育指向——策略性知識體系

計算思維究竟指向基礎教育的何種缺失？筆者認為，既然思維與知識具有內在一致性，且我們的最終目的是尋找作為計算思維的運轉基礎及與其內在一致的知識，那么以上問題便可進一步轉換為：計算思維指向基礎教育的何種“知識”缺失？

基礎教育的最終目的是賦予學生“能夠適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力”[16]。其中，必備品格大體對應價值觀，關鍵能力則大體對應世界觀和方法論。換句話說，經過基礎教育后，學生應在頭腦中形成特定的世界觀、方法論及價值觀體系。反觀我國基礎階段的課程設置，首先，科學類課程（如物理、化學、生物、歷史等）占比較大，無論是自然科學還是社會科學類課程，其目的均是引導學生從不同角度理解世界，在此基礎上形成世界觀體系;其次，以語文、政治（道德與法治）等學科為主陣地，其他所有學科為輔，亦能支持學生價值觀體系的建構;最后，對于方法論體系，雖然其對學生未來發展的重要性從未被質疑，但在計算思維走進課程標準之前，沒有任何課程或課程群支持其系統建構。

這里需要特別強調，方法論具有層次結構，由上到下分別為哲學方法論、一般科學方法論、具體科學方法論。以為學生的未來發展奠基為目的，本文中的“方法論體系”指一般科學方法論體系及其上層的哲學方法論，如“分治”“變治”“減治”“統籌”“迭代”“可視化”等，不包括具體科學方法論。從心理學視角，以上方法論體系又可稱為“策略性知識體系”[17]。顯然，策略性知識體系對于學生終身發展和未來發展至關重要，但截至目前，該類知識在K-12階段并未得到足夠重視，僅在個別課程中偶有涉及，如語文學科中“曹沖稱象”內含變治策略，數學學科中的“數形結合”內含可視化策略，信息技術學科中的“信息系統開發過程”內含分治策略等，其結果便是，學生頭腦中僅有零散的策略性知識，遠未形成策略性知識體系，以至于在面對復雜問題時缺少系統規劃的意識和能力，難以給出高效的問題解決方案。這顯然有悖于“核心素養”的初衷。

綜上所述，當下接受完基礎教育的學生，其知識結構中缺少一類非常重要的知識——策略性知識體系。此類知識體系是學生有效解決復雜問題的必要且重要的基礎，其缺失已經導致學生解決復雜問題的能力不足。至此，經過層層分析、剝離和轉換，我們最終提煉出計算思維提出者意欲表達、但尚未厘清的教育指向——策略性知識體系。也就是說，解決復雜問題的動態思維過程需要各種類型的靜態知識體系作為基礎和支撐，其中最為核心的便是策略性知識體系，但這恰是目前學生的短板所在。作為教育目標，計算思維便聚焦于此。

（三）計算思維二維描述框架——計算概念與計算策略

1. 計算思維的知識基礎：計算概念和計算策略

承接前文，作為信息技術學科核心素養，計算思維指向策略性知識體系。然而，策略性知識體系并非獨立于其他類型的知識，而是作為知識網絡的一部分與其他類型的知識復雜交織在一起[18]。因此，策略性知識體系的建構亦需其他類型的知識作為必要支撐。如果我們把信息技術學科的所有學科對象的集合定義為“信息技術世界”，那么從信息技術世界自身的角度，這些處于支撐地位的知識包括有關信息技術世界內部的各種對象及其屬性的知識、各類信息系統運行過程及其控制機制的知識;從人與信息技術世界之關系的角度，包括各種實踐過程及其目標的知識。策略性知識體系便“鑲嵌”于以上各類知識之中。借鑒博南風格框架的描述方式及概念指向，我們將以上所有處于支撐地位的知識稱為“計算概念（Computational Thinking Concepts）”，相應地，將策略性知識體系稱為“計算策略（Computational Thinking Strategies）”。這兩類知識作為靜態知識基礎，支持動態計算思維過程的運轉，并與其動態統一。由此，便形成了計算思維描述框架的兩個維度：計算概念和計算策略。

2. 計算思維描述框架：計算概念及計算策略兩維度及其核心要素

顯然，作為計算思維的兩個維度，計算概念與計算策略均屬于知識范疇。依前文所述，知識可以被多層細化和切分，因此，以上兩個維度均可形成從宏觀到微觀的評價目標體系，從而支持系統的、可落地的計算思維評價體系的構建。當然，作為評價的一種方向性指引，計算思維描述框架僅給出以上兩個維度的核心要素（頂層要素）即可，無須給出完整的要素金字塔結構。

對于計算概念與計算策略維度核心要素的提取，我們采用自上而下與自下而上相結合的方式進行。

首先，從K-12階段信息技術學科的上游學科——計算機科學與技術學科中尋找要素提取的線索和依據。事實上，自20世紀90年代起，國際范圍內高等教育領域計算機科學與技術學科便開始了對如下問題的追問：“作為一門學科，計算機科學與技術應該讓學生了解哪些富有智慧的核心思想？亦即計算機科學與技術學科中具有共同、本質特征的內容是什么?！盵19]經過若干年的探索和努力，現已提煉出學科核心概念、核心方法以及核心知識領域。其中，學科核心概念包括“算法”“程序”“硬件”“軟件”“效率” “安全性”等;學科核心方法包括“分解”“封裝”“模塊化”“遞歸”“迭代”“折衷”“重用”等;學科核心知識領域包括“離散結構”“程序設計基礎”“算法和復雜性”“操作系統”“網絡計算”“圖形學和可視化計算”“信息系統”“軟件工程”等[20]。以上計算機科學與技術學科核心方法是信息技術學科計算策略維度核心要素提取的重要依據，核心概念和核心知識領域則是計算概念維度核心要素提取的重要依據。

然后，以計算機科學與技術學科的核心知識領域、核心概念和方法為方向性指引，系統梳理分析國際范圍內（以我國為中心，包括英國、美國、澳大利亞、日本等國家）K-12階段信息技術課程標準、教材及典型課例，從中歸納和提取共有的、具有學科本質特征的內容。在梳理、歸納、提取的過程中，一方面，以上游學科（計算機科學與技術）的研究成果為依據，對既有課標、教材中缺失的（或未顯性提出的）、具有學科本質特征的內容做必要提煉和補充;另一方面，以K-12階段信息技術學科的基本理念和學生特點為依據，將上游學科核心知識領域、核心概念和方法做取舍與調整后向下映射。以上兩條路徑同時進行，最終匯聚形成計算概念維度和計算策略維度的核心要素集合。

計算策略維度共包含13個核心要素，分別為“分治”“減治”“變治”“封裝”“重用”“可視化”“迭代”“統籌”“折衷”“貪心”“蠻干”“回溯”“動態規劃”。顯然，一方面，以上計算策略均可在信息技術學科找到實例，如“信息系統自頂向下的開發過程”“遞歸算法”“網絡體系結構”等都內含分治策略，“折半查找算法”“快速排序算法”等內含減治策略，“蒙特卡洛算法”內含變治策略;另一方面，這些計算策略對于學生發展而言又有超越信息技術學科的更為基礎的意義和價值。也就是說，以信息技術學科知識（計算概念）為支撐，此策略性知識體系（知識結構）一旦在學生頭腦中形成，便可向其他學科及生活領域遷移，從而表現出高水平的計算思維過程。

依前文所述，計算概念是計算策略的支撐，剝離出策略性知識后，剩余的所有信息技術學科知識均歸屬于計算概念范疇。因計算概念維度包含的知識類型較多，為有效指導評價實踐，我們將此維度進一步細分為三個子維度，分別為：“對象與屬性”“過程與控制”“目標與實踐”。其中，“對象與屬性”及“過程與控制”子維度是從信息技術世界自身角度提煉的結果，“目標與實踐”子維度則是從人與信息技術世界關系的角度提煉的結果。同時，“對象與屬性”維度的四個核心要素——“信息技術工具”“數據”“算法”“信息系統”又分別指向信息技術學科的四個核心知識領域。

至此，我們完整給出了計算策略及計算概念維度的所有核心要素，以上兩個維度（包括子維度）及其核心要素統稱為“計算思維二維描述框架”，如圖1所示。該描述框架是對我國信息技術課程標準的進一步凝練，描述框架中的所有要素均與課程標準中的特定內容相呼應。因此，本文給出的“計算思維二維描述框架”可以作為既有信息技術課程標準和教材的有效輔助，共同支持計算思維評價的穩妥落地。

四、結? ?語

本文從我國信息技術課程計算思維的評價困境出發，經過層層追溯、歸因、剝離、轉換等邏輯過程，最終形成包含“計算概念”和“計算策略”兩個維度的計算思維二維描述框架。該描述框架可支持信息技術課程計算思維評價目標體系的構建，進而使計算思維評價真正落地。因篇幅所限，本文未給出基于該描述框架的評價體系設計思路及實例，這些問題將在另文詳解。

多年來，信息技術課程存在的必要性和不可替代性一直飽受質疑，本文給出的計算思維二維描述框架正是對以上質疑的有力回應。該描述框架中的所有要素均是具有學科本質特征的核心知識，其計算策略維度的諸要素更是具有對學生發展而言至關重要的、不能被其他學科所替代的價值，這便是信息技術課程的立足之本。期待有更多關注信息技術學科發展的同行能夠對本計算思維二維描述框架提出寶貴意見，并攜手通過對核心知識的細化和豐富以形成學科穩定的知識體系，在此基礎上進一步形成信息技術學科特有的教學、評價方法論及方法體系，使一路艱難前行的信息技術課程真正站穩腳跟，釋放其對于學生終身發展和社會發展而言獨特的、不可替代的支持力量。

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