基于布鲁姆教育目标分类的计算思维核心要素测评框架构建

李盼盼，张 维，曾鑫耀，宋玲玲，刘建芳

（华中师范大学 人工智能教育学部，湖北 武汉 430079）

0 引言

信息时代下，计算思维作为一种新型思维方式出现在大众视野中。不同于用科学的原理及概念解决问题的理论思维和用想象力进行实验的实验思维，计算思维是侧重于运用计算工具和计算方法求解问题的新型思维方式。目前，计算思维已被越来越多的学者认可，并逐渐发展成为一种通用技能［1］。

关于计算思维的概念最早可追溯到2006年，美国卡内基梅隆大学的Wing［2］将计算思维描述成使用计算机科学的基本概念进行问题解决、系统设计以及理解人类行为的思维活动。随着计算思维概念的提出，计算思维教育逐渐受到了众多国家的支持和关注。美国、澳大利亚、芬兰等多个国家相继发布相关政策文件，强制性推广K12 阶段的计算思维教育［3］。新加坡则是注重兴趣培养，当地信息通信媒体发展局更是从幼儿园开始培养孩子的计算思维能力，为此于2017 年启动Playmaker 的计划［4］。我国新推出的《普通高中信息技术课程标准（2017 年版）》也明确提出将计算思维作为信息技术课程的核心素养之一。可见，在基础教育阶段，发展学生计算思维能力成为全球教育改革的重点。

测评作为计算思维教育的重要环节，不仅可以衡量学生计算思维水平，测试教学后的计算思维培养效果，还能帮助教育者根据测评结果对计算思维相关课程进行研发。尽管目前各国已相继研发出适合不同学龄阶段学习者的计算思维测评方法，但因缺乏科学系统的测评体系和测评框架作为理论基础，导致无法完整有效地测评出学习者的计算思维能力水平［5］。因此，如何验证计算思维培养效果、构建适合测评高中生计算思维水平的测评框架值得研究。

本文在已有研究基础上，以借鉴计算思维三维框架为主，以其他计算思维相关理论为辅，提出计算思维核心要素（CAPV），即概念知识（Concept knowledge）、算法思维（Algorithm thinking）、问题探究（Problem exploration）和价值观念（Values），对计算思维的测评要素进行了更细致的划分。此外，借鉴布鲁姆教育目标分类学理论对计算思维核心要素进行评价描述，以期构建一个合理有效的测评框架以测评高中生的计算思维能力。该测评框架细化了计算思维要素水平，明确了测评层次标准，提高了测评可操作性和适用性，以推动计算思维测评工作全面开展。

1 理论基础

1.1 计算思维相关理论

计算思维作为信息技术学科核心素养的要素之一，对学生的信息处理能力有以下几点要求：①要求学生能够在信息活动中采用信息技术界定问题、对问题特征进行抽象、能建立基本的结构模型并合理地组织数据；②要求学生能够整合各种种类庞杂的信息资源，并使用合理的算法形成问题的解决方案；③要求学生能够总结解决问题的过程与方法，并将其进行迁移［6］。“国际教育技术协会”和“美国计算机科学教师协会”经2011 年联合研究，认为计算思维是一种问题解决过程，其中包括问题分析、数据收集与分析、抽象化、算法开发、问题分解、自动化、模拟、并行化等要素［7］。在国际上享有较高知名度的计算思维三维框架是由美国麻省理工学院MIT 媒体实验室的Brennan［8］等于2012 年提出，三维框架具体指计算概念、计算实践和计算观念。其中，计算概念指计算机基础概念知识，包括顺序、循环、并行、事件、条件、运算符和数据；计算实践指使用计算概念发展实践，包括4 个信息处理能力，即递增和迭代、测试和调试、再利用与再创作、抽象和模块化；计算观念指通过计算形成对世界和自己的观念，包括表达、联系和质疑。

1.2 布鲁姆教育目标分类理论

20 世纪50 年代，美国著名心理学家、教育家本杰明·布鲁姆等人将教学活动的总体目标分为认知、动作技能和情感3 个领域，并从每个领域最终目标的实现中确定了一系列目标序列［9］。其中，布鲁姆对认知领域做了详细阐述，将其划分为6 个目标序列，而对动作技能领域和情感领域而言，布鲁姆及其团队只认识到了它们的存在，并未制定出具体的目标层次。1972 年，辛普森（E.J.Simpson）等人提出对动作技能领域教学目标的分类，将其划分为知觉、定势、指导下的反应等7 个目标序列；1964 年，以克拉斯沃尔（D.R.Krathwohl）为首对情感领域目标作进一步分类，将其划分为接受、反应、形成价值观念等5 个目标序列。在辛普森和克拉斯沃尔等学者的补充完善下，布鲁姆教育目标分类理论变得更加具体。在一段时间内，几乎全世界的大规模考试都以布鲁姆的分类为框架构建考试目标。鉴于此，美国将布鲁姆的分类体系评为20 世纪教育领域中影响最为广泛的事件之一。布鲁姆教育目标各领域划分序列如表1所示。

Table 1 Bloom's educational goal classification and its goal sequence表1 布鲁姆教育目标分类及其目标序列

2 计算思维CAPV测评框架

2.1 计算思维核心要素

确定计算思维核心要素，是顺利开展计算思维测评的前提。梳理已有研究成果不难发现，不少专家学者和学术组织都对计算思维下了不同的定义，但每种定义的背后所表达的计算思维核心要素都有所重叠。因此，本文择其共识，以借鉴在国际上具有较高关注度和认可度的计算思维三维框架理论为主，以其他相关理论为辅，提出计算思维4个核心要素，即概念知识、算法思维、问题探究和价值观念。

2.1.1 概念知识

概念知识指计算机基础概念知识，是学习者进行计算思维实践活动的基础，学习者利用计算机科学的基础概念知识解决实际编程问题［10］。计算思维三维框架是在Scratch 编程环境相关研究中产生，而Scratch 作为少儿编程工具，并不太适用于高年级学生，因此提出的计算概念内容可能存在不完整性。本文在相关理论扩展和其他编程语言概念知识的补充下，对计算概念做了一些补充完善，提出概念知识核心要素包括顺序、循环、并行、事件、条件、运算符、数据、输入和输出。输入和输出在计算机上是指从外部文件中输入数据赋给程序中的变量和将读取的数据输出到设备上。在现实生活中的意义是指将已经知道的条件或线索带入到问题中为输入，问题解决后得到的结果为输出。

2.1.2 算法思维

算法是解决问题形成方案时的一组清晰的指令。算法思维的关注点在于解决问题时的方法细节，这要求学习者能够根据不同的问题构建相应的解决问题的新算法。算法思维应包括理解一系列算法指令并进行算法设计，基于相关理论归纳出算法思维应包含递增、迭代、基本数据组织、模块化和算法设计5个指标。

2.1.3 问题探究

问题探究是指学习者能够利用计算机的方法和思想分析问题。在计算思维研究领域中，众多学者更倾向于认为计算思维就是问题解决的过程，因此，站在“过程要素说”的角度提出问题探究核心要素。问题探究主要包括问题抽象、问题分解、问题自动化解决和问题迁移。问题抽象即学习者能够将现实问题抽象成计算机能解决的问题；问题分解是指学习者通过分离关注点，将大问题分解成小问题，将复杂问题分解成简单问题，从而逐步解决；问题自动化解决指学习者在解决问题时能让计算机自动化处理信息，并建模以形成解决方案，而后通过设计计算机程序和算法解决问题；问题迁移是指学习者能够将解决问题的策略与方法迁移运用到其他问题上。问题探究是指学习者对问题的解决进行探索分析以及对方法的使用进行深化内化的过程。

2.1.4 价值观念

对学生计算思维的培养不仅要关注学生解决问题的能力，还应注重学生在计算思维学习过程中价值观念的形成。在三维框架的计算观念中，Brennan 等［8］分别用表达、联系和质疑来体现学生价值观的形成，具体表现为学习者可以通过接触新的人、项目和想法，以及与他人合作等方式意识到共同创造价值的力量，并且能够通过计算理解世界，敢于对现存技术和世界提出质疑。在此基础上，将价值观念扩充为态度、团队合作、质疑、创新4 个指标。计算思维核心要素及其内涵如表2所示。

2.2 计算思维测评框架CAPV

计算思维核心要素是计算思维教学目标，也是计算思维测评标准。为解决如何衡量计算思维培养效果问题，本文借鉴布鲁姆教育目标分类理论，具体描述核心要素与目标领域的对应关系，构建计算思维核心要素测评框架CAPV，如图1所示。

2.2.1 概念知识层

概念知识是计算思维学习的前提和基础，学生概念知识的培养主要包括对基本概念的理解和应用。概念知识的培育目标是使学习者在学习计算机基本概念之后，能够根据自己的理解解决实际问题。这属于认知领域的初级目标。根据布鲁姆教育目标分类理论中的认知领域，对概念知识的评估包括了解、领会和应用。在了解层级，学习者应知道计算机概念的基本内容，完成基本概念的积累。在领会层级，学习者要理解计算机概念基本内涵，把握计算机概念的意义，包含转化、解释和推断一些基本概念的外延，建构计算思维概念知识的网络体系。在应用层级，学习者要将概念知识应用到解决问题的情境中。

Table 2 Core elements of computational thinking and their connotations表2 计算思维核心要素及其内涵

Fig.1 Computational thinking CAPV assessment framework图1 计算思维CAPV测评框架

2.2.2 算法思维层

算法思维体现在基于问题解决过程中对策略和方法进行阐释、选择并应用的过程。根据布鲁姆教育目标分类理论的认知领域目标，可用分析、综合、评价对算法思维进行评估。在分析层级，学习者能够从现有信息中过滤出有价值的内容，并通过分析获取解决问题所需知识。在综合层级，学习者能够将计算思维零碎的概念知识整合成知识系统，并对问题制定解决计划，抽象出一系列问题解决过程的流程。在评价层级，学习者能按照一定的标准解决问题，在解决问题过程中进行评价和反馈。评价可根据学生解决问题的程度和在解决问题过程中的自我表现和小组合作表现进行评价。

2.2.3 问题探究层

问题探究是运用计算机知识将问题抽象、分解、解决并迁移到其他问题中，是运用计算机知识实践的过程。问题探究体现了学习者计算思维实践方面的综合能力。根据布鲁姆教育目标分类理论，可用一系列动作技能领域目标的实践操作标准对问题探究过程进行评价。比如知觉、定势要求学生在实践前做足心理和思想上的准备工作，指导下的反应指学生能在教师指导下完成对问题的探究，机械动作和复杂的外显反应指在该层次学生已通过教师的指导对实践活动有一定的信心和熟练程度，从而可以高效率地独自模仿完成任务或可以完成此基础上更加复杂的任务，适应和创新指学生能够较快适应新的问题情景并在解决问题的过程中有所创新。

2.2.4 价值观念层

价值观念是学习者在学习计算思维解决问题过程中形成的有关自身和对周围世界的观念，关注的是学习者的学习态度与价值观的形成，这属于布鲁姆教育目标分类理论中情感领域的价值观层面。对应的目标层次有：①接受，指学生愿意接受特殊的现象或新刺激如教师创设的问题场景；②反应指学生能主动参与实践活动并表达自己积极的态度；③形成价值观念指在计算思维的学习过程中，学生可以在信念和态度方面对所学内容表达积极的肯定；④组织价值观念系统指学生可以将自己的计算思维价值观与现有价值观联系整合起来，消除二者的矛盾和冲突，建立内在一致的价值观体系；⑤价值体系个性化指学生通过前4 个阶段的内化过程，将自己所学的知识观念转化为自己统一的价值观，并将其融入自己的性格中，形成属于自己独特的价值观念体系。

2.3 计算思维CAPV测评方法

测评是计算思维教育中至关重要的一环，只有学习者计算思维能力得到及时监控和评价，才能使后续计算思维教学活动得到有效开展。计算思维的测评不仅要全面考察计算思维各要素，还要强调高阶认知技能应用。为了能准确评价出学生在计算机实践中的行为过程、能力表现和学习结果，确定学生在不同维度上的表现性指标（认知、运动技能或情绪）非常重要，因此，有必要建立具有可操作性的等级体系评价标准［11］。基于此，本文将归纳出在各教育目标层次上不同核心要素所适用的测评方法或测评工具。单一的测评方法并不能系统完整地评估学习者的计算思维水平，为了更科学、更严谨地测评学习者计算思维能力，需结合多种测评方法评估学习者计算思维能力。

2.3.1 概念知识测评

概念知识在布鲁姆教育目标分类学中对应的目标层次是了解、领会、应用。教师可根据实际教学情况，采用测试和提问的方式对学生概念知识层次目标进行评价。评价方法多以纸笔为主，考察的形式可以多种多样，比如选择题、判断题等。在了解和领会层面，可选用题目测试法中的CTt（Computational Thinking Test）进行测评，CTt 测试题中包括28 个测试项目，均是采用选择题的形式，比较适用于12-14 岁的学生，题目涉及到基本概念知识，如序列、For 循环、While 语句、If 简单条件（分支）、If/Else 复杂条件、简单函数等［12］。该方法在测评学生了解、领会基本概念知识方面具有良好效果。在应用层级，可以选用基于机器人程序设计课程的测试（Robotics Program Tool），该方法不仅可以测试学习者在非机器人环境中对计算思维概念的理解，还可以测评学习者计算思维概念迁移到不同场景的能力［13］，体现了学生对概念知识的应用能力。

2.3.2 算法思维测评

算法思维的目标领域是测评学习者是否有制定一系列解决问题步骤的能力，有分析、综合、评价3 个认知层次。在分析和综合层面，可选用问卷调查法，前提是要制定一系列探究性问题，让学生将分析问题过程按照主观意愿填写，以此测评学生的分析和综合能力。在评价层面，可选用计算思维评价量表CTS 进行测评，该量表主要从创造力、算法思维、协作等方面测量学习者的计算思维水平能力［14］。可选用该量表中若干能体现学生解决问题情况以及团队合作表现的题目让学生进行测评。

2.3.3 问题探究测评

问题探究测评指标是测评学习者问题抽象、问题分解、问题自动化解决以及问题迁移的能力，所对应的布鲁姆教育目标可概括为学生对问题解决能力的规范和熟练程度。因此，对问题探究的测评可采用更加开放的形式，如可选用基于试题评价的贝布拉斯挑战赛测试（Bebras Tasks）进行测评，Bebras Tasks 侧重于测量学习者利用计算思维解决生活实际问题的能力［15］，不仅提升学习者解决问题的技能，还可以测评学生解决问题的效率及规范程度。

2.3.4 价值观念测评

价值观念在布鲁姆教育目标分类理论中对照情感领域的价值观层面，可整体概括为价值观的形成，因其内容比较抽象、不易量化，在评价上有较大困难。因此，教育者可通过观察访谈法对学生进行测评。观察访谈法是从学生的学习行为出发，学生每进行完一个项目，教师便对学生进行访谈。教师在访谈过程中，可对学生进行一些提问［16］。例如，可询问学生进行该项目时的动机是什么，即为什么想要做这个项目？询问学生在项目创建和进行过程中的具体细节，即你是如何开始准备的？是自己完成还是团队合作完成？在开发过程中项目是如何发展的？在完成项目过程中遇到了什么问题？又是如何解决的？最后针对项目完成情况询问学生还有什么期待和不足，想要改变什么？在项目中自己表现的优点和不足分别是什么？什么是让你感到惊讶的？你还喜欢做哪些与科技相关的事？通过与学习者互动，教师通过学习者的言语和行为表现获得学习者价值观念发展过程。

根据上文不难发现，要想准确测评出学生的计算思维能力只凭一种测评方法是行不通的，教育者在测评学生计算思维能力时，要结合多种测评方法、运用多种测评工具，围绕测评框架CAPV 所对应的目标层次开展测评工作，对计算思维每个层次的测评做到不遗漏、不偏失，从而综合测评学生计算思维水平，具体评价方法如表3所示。

Table 3 Computational thinking evaluation methods表3 计算思维评价方法

3 计算思维CAPV测评框架实施建议

3.1 对概念知识层的实施建议

概念知识作为计算思维实践的基础，具有非常重要的意义。概念知识在教授的过程中必须注重其严谨性和准确性，这就要求教育者们深入理解计算思维的概念，完善计算思维概念知识网络体系，注重学习者对计算概念的学习和理解。概念知识层对应的教学目标是知识、领会和应用，即学生能够了解基本的概念知识，理解其中的内涵，并能将计算机概念知识运用到具体的实践活动中。因此，教师应针对该教学目标制定相应的教学方式。在教授学生计算机概念知识的过程中要注意知识的准确性和知识之间的连贯性，可以通过可视化技术如利用图形、图像、动画等视觉表征手段和视觉认知辅助工具让学生初步了解计算机概念知识。在学生形成初步了解后，教师可将新概念与旧概念建立联系，或要求学生转述概念，将概念精炼化，并能列举出与概念相关的3 个以上的例子，便于学生迅速接受新概念、领悟新概念。随后，通过创设简单的问题情景，让学生将学习的新概念应用到问题情境中，便于学生将概念知识内化。

3.2 对算法思维的实施建议

算法思维关注的是学生在解决问题过程中对相关计算机概念、策略和方法等内容的综合运用，在布鲁姆教育目标分类中所对应的教学目标是分析、综合、评价。即学生具有分析解决问题所需知识的能力，能够整合概念知识并制定一系列解决问题的流程，并且按照标准进行评价与反馈。因此，教育者们可通过多种教学方式，帮助学生通过设计一系列计算机指令解决问题以达到培养学生算法思维的能力。教师可通过项目式教学方式达到培养学生分析、综合、评价的教学目标。项目式教学作为一种由团队合作完成项目任务的新型教学模式，对培养学生的团队协作能力和自我学习能力有十分积极的影响［17］。教师在设计项目式教学任务时需要对相应的计算机概念知识进行重组和编排，将相关知识转化为若干个项目，且项目之间有一定的逻辑联系，最后通过小组合作完成项目。这种教学模式能够有效地培养学生的算法思维能力。

3.3 对问题探究的实施建议

问题探究是学习者运用计算机方法或工具抽象问题、分解问题、自动化解决问题并将知识迁移到其他问题的过程，是学习者在该学科必须掌握的实践要素。在布鲁姆教育目标分类中，实践操作能力评估主要指问题解决过程的熟练和规范程度。因此，教师应鼓励学生多参与实践活动，关注学生在实践活动中的完成情况，并设计适合学习者参与的学习活动，要求学习者运用经算法思维所设计的一系列算法步骤解决问题。此外，教师还帮助学生总结问题解决的过程与方法，从而构建清晰、全面、包容性的认知结构，形成全面系统的知识网络结构，并创造相同类型不同情景的新问题，让学生在新问题与旧问题之间建立联系，以培养学生知识迁移能力，进而实现有意义的学习。

3.4 对价值观念的实施建议

价值观念是学习者在应用计算思维解决问题过程中形成的个人对计算环境的理解，是学习者在实践中对性格塑造与思维习惯养成方面的学习结果［18］。教学目标对应布鲁姆教育目标分类中价值观的形成。价值观念体现在学习者运用计算思维解决问题过程中的合作意识与情感态度两个方面。其中，合作意识体现在学习者之间的沟通交流和共同协作方面。因此，教师在教学过程中创设的多种问题情景应包含符合学生小组合作的问题情景，旨在培养学习者的沟通能力和合作能力。在教学过程中，学生以小组为单位，分别完成由教师指引设计基于工作过程的典型任务项目。此外，情感态度指学习者在学习计算思维过程中所表现出的热情、好奇心、积极性和乐观态度等，且在计算思维发展的不同阶段会产生相应变化。教师更应注重学习者在学习过程中的情绪变化，一旦发现学习者产生畏难情绪或消极情绪，应尽快积极帮助学习者排解，培养其学习计算思维的自信心和可胜任感。

4 结语

计算思维测评框架作为计算思维评价的理论依据和标准，在计算思维能力培养方面起到不可替代的作用。因此，本文将构建计算思维测评框架体系作为测评学习者计算思维能力的重要立足点，在计算思维三维框架及相关理论基础上，提出计算思维核心要素（CAPV）和相关测评指标，并基于布鲁姆教育目标分类理论构建计算思维CAPV测评框架。在内容层次上，本文较全面地考虑了计算思维的内涵及外延，在对各核心要素测评方法和测评工具的选择作了具体阐述，并给出了该框架在具体实施过程中的实践建议。后续研究将结合真实教学案例和实践需求，在实际应用中进一步优化和完善测评框架，挖掘计算思维CAPV 测评框架在教学活动中的实践价值。