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设计与智造专题 |高中生计算思维水平 现状调查与对策分析

来源:中国信息技术教育 作者:中国信息技术教育 浏览数:1152 发布时间:2020-11-08

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  • 高中技术教育是学生技术素养形成的重要途径,对落实立德树人根本任务、实施国家创新驱动战略和提高全民技术素养都具有重要作用。为此,笔者利用问卷调查的方式,掌握高中生的计算思维水平现状,为接下来的课程整合和教学实践提供参考依据,同时也能与教学实践后的后测数据进行比较,验证培养的有效性,探讨提升学生计算思维的有效途径。



    问卷设计与调查


    1.问卷的研究对象

    本次问卷以笔者所在学校高一年级17个班的学生为研究对象,利用“问卷星”平台,通过网址分享的形式发放问卷。本次问卷一共收集了467份,有效问卷为452份,有效率为96.79%。

    2.问卷的设计

    问卷内容来源于2017版课标中计算思维的四个水平,并将这四个水平的表现根据定义划分整合到计算思维的四方面能力,以形成最终问卷的题干。除此之外,问卷还包括学生的基本情况(学生班级和性别)以及计算思维运用意识,对回收的问卷数据采用SPSS24.0软件进行可靠性分析。本问卷的总Cronbach's Alpha信度系数为0.834,说明问卷的整体信度较好。再对问卷的效度进行分析,使用KMO和巴特利特检验,结果KMO=0.865>0.6,巴特利特球形检验的p=0.000<0.001,说明问卷整体效度良好。



    调查结果分析


    1.计算思维各能力水平均较为薄弱

    (1)问题分析与分解能力、评估与概括能力一般。

    从问题分析与分解能力现状统计结果来看,只有一半多的学生这方面能力较好,说明整体问题分析与分解能力一般,并且这种思维多从数学中习得,这一点可以从计算思维运用意识方面得到验证,只有23%的学生意识到要使用循环算法,31%的学生对计算机的工作原理有一定的了解,差不多一半的学生会使用数学思维解决问题。

    从评估与概括能力现状调查结果来看,有48%的学生能在一个问题有多重解决方法时选出一个最节省时间和精力的方法,具备较好的评估能力;有58%的学生具备较好的概括迁移能力,能总结出同类问题的解决办法,并迁移运用到类似问题中去。这说明只有一半左右的学生能权衡比较出较优方法或方案,并能根据实际情况总结完善、迁移应用,学生概括与评估能力水平一般。

    (2)抽象与转化能力不足。

    调查可知,有39%的学生具备良好的问题抽象与转化能力,能够将问题的特征抽象出来并进行建模。学生抽象能力的均值为3.27,而转化能力的均值为3.19,得分较低,说明学生的抽象转化能力比问题分析与分解能力还弱,有待提升。

    (3)算法思维能力最为缺乏。

    算法思维能力从考察学生对计算机解决问题的方法的了解程度来体现。从调查结果来看,有38%的学生可以把自然语言描述的步骤转化成流程图,仅有10%的学生能把程序的流程图转化成一种代码语言,较之其他能力的均值,数值最低。数据结果表明,学生的算法思维能力呈现较低的水平,大部分学生并没有相关学习基础,对计算机处理问题的方法、计算机的工作原理完全不了解,是最缺乏的一种能力维度。



    2.计算思维差异性分析

    (1)男生在计算思维能力的多个维度上优于女生。

    问卷在高一年级的17个班发放,自由填写,故男女生比例差距不大,男生243人,女生209人。本研究采用独立样本T检验的方法,研究不同性别的学生计算思维的差异性。数据结果表明(如下表),问题分析能力(p=0.001<0.05)、抽象能力(p=0.000<0.05)、算法思维能力2(p=0.000<0.05)、评估能力(p=0.042<0.05)和概括能力(p=0.027<0.05)在性别上存在显著差异,女生在这几方面的能力均弱于男生,特别是问题分析能力和算法思维能力。其他几方面能力维度不存在显著差异。





    (2)学生计算思维能力的班级差异显著。

    本研究中,17个班有4个层次,分别为7个成志班、5个强化班、4个普通班和1个艺术班,他们的入学成绩是:成志班>强化班>普通班>艺术班。艺术班只有1个,不再单独分类,故纳入普通班进行分析。数据结果表明(如下图),成志班的学生的计算思维各方面能力水平均高于其他学生,特别是转化能力和算法思维方面有显著优势,这一方面说明成志班的学生对计算机的工作方法有更好的了解,可能具备相关学习基础。而强化班与普通班的数据比较结果发现,强化班的学生的问题分析与分解能力、抽象能力、评估能力与概括能力要稍高于普通班,而其他方面却偏弱,总体来说这两个层次班级的学生计算思维能力水平差异较小。



    建议与对策分析



    1.加深教师认识,关注学生差异

    对学生计算思维应用意识的调查结果发现,学生在问题解决过程中不倾向于使用计算机解决问题的方法,还不能很好地依据计算机解决问题的方法来将问题形式化。而事实上,不仅是学生,教师对计算思维的认识也有待加深。所以,在当今计算机技术全面“占领”生活方方面面的社会中,学生要想更好地适应生活,必须掌握计算思维能力,而教师更应该加深对计算思维的认识,拓宽视野,提升自身能力,在教学过程中,积极挖掘计算思维内容,用生活实例深入浅出地展现,让学生理解计算思维,更好地在问题解决过程中应用和锻炼计算思维。

    同时,上述调查研究数据表明,学生的性别和班级差异都导致了计算思维能力水平的差异,故针对不同的学生群体,教师要积极探索研究,在教学内容上要有所区别并要有针对性,选择恰当的教学方法和策略,培养学生的计算思维。



    2.结合思维与操作,整合课程内容

    作为一种思维培养,计算思维并不是单纯的编程教学,更不是被动的知识灌输,它关注的是学生依据计算机解决问题的方法,分析与分解问题,抽象问题特征,建立结构模型,权衡评估、总结概括,形成利用数字化工具自动解决问题的方案,并能迁移至类似问题解决中去的能力。因此,在课程内容方面,笔者认为不应只是单纯的信息技术教学,可以打破学科界限,将通用技术与信息技术的知识内容进行优化整合,形成一个统整的课程体系。通用技术课程中很多知识内容与信息技术有千丝万缕的关系,如通用技术选择性必修《技术与创造》中的《产品三维设计与制造》与信息技术选择性必修《三维设计与创意》都是有关三维设计的知识内容。而通用技术的教学理念是“做中学,学中做”,核心素养包括技术意识、工程思维、创新设计、图样表达和物化能力,更强调在实践操作中培养学生的各方面能力与学科核心素养。

    因此,笔者认为可以将思维与操作深度融合,合理运用统整理念,整合信息技术、通用技术国家课程和校本课程,整合线上教学、课堂教学、选修课程等不同教学形式,从设计和智造两个维度来构建笔者所在学校特色的“设计与智造”课程体系,形成计算思维、工程思维、设计思维共同发展的课程形式。倡导学生通过以“设计与智造”为目标的学习过程了解技术的本质,引领学生面向真实世界,在实践体验中综合运用多学科知识来解决实际问题,发展学生主动利用计算思维的意识,从而培养会设计、能智造的高素质人才。



    3.以项目式教学为主,调动学生兴趣

    研究表明,项目教学法对学生计算思维能力的提升具有显著作用,有利于提升学生理解算法思维、运用计算思维分析和解决问题的能力。采用项目式教学方法,从面向实际的真实问题情境出发引导学生培养问题分析、分解能力,进而抽象出问题特征,建立结构模型,形成利用数字化工具自动解决问题的方案,并将方案物化,最后在此基础上进行权衡评估、概括总结,迁移至类似问题解决中去,这将有利于深度培养计算思维,让计算思维成为学生必备的品质。而在此过程中,需要注意以下几点:①项目主题的选择至关重要;②注重教师指导;③关注学生个性因素。



    结语



    在数据分析的基础上,笔者为接下来的课程整合和教学实践提供了一些建议与对策,希望通过整合高中技术课程模块与内容,开发“设计与智造”学习项目,以项目学习为主开展“设计与智造”教学实践,引领学生在实践体验中综合运用数字化工具来解决实际问题,从而提升学生的计算思维素养,培养会设计、能智造的高素质技术创新人才。同时,前测数据也能与教学后的测试数据进行比较,以验证培养方案的有效性,探讨学生计算思维培养的有效途径。

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