高中信息技术课程算法思维评价模型探究

高中信息技术课程算法思维评价模型探究《普通高中信息技术课程标准（xx年版xx年修订）》（以下简称《课标》）明确了信息技术学科的核心素养包括计算思维等四个方面，并依据学生发展规律，明确培养高中生计算思维的核心与基础是发展其算法思维。根据《课标》中“评价是信息技术教学的有机组成部分”。本文结合高中信息技术课程开展现状，创造多元化的评价环境，在实践探究中构建了一个完整的、切合高中生的算法思维评价模型。该模型能够帮助学生从思维层面明确自己的不足和努力方向，更好地发挥评价的导向作用，从而促进高中信息技术课程的教学，提升高中生的算法思维水平。一、算法思维的概念界定根据“算法”概念的演变定义了广义的算法思维和狭义的算法思维，同时结合河南省信息技术学科教学的发展现状明确了评价对象——狭义的算法思维，并对其进行定义和分解。1.广义的算法思维“Algorithm”一词来源于数学家花剌子模，代指阿拉伯数字的数学运算规则。在计算机出现后，“算法”一词被赋予了新的意义，通常指使用计算机来解决某一类问题的明确、可行且有限的程序或步骤。计算机科学家戴维·哈雷尔将算法定义为一个抽象的“菜谱”，人或者计算机都能够执行其规定的程序步骤。例如当按照菜谱做菜时，菜谱上的所有步骤就是一个算法；按照说明书拼砌乐高时，说明书上的所有图例也是一个算法。由此可见，算法不仅限于数学和计算机领域，算法思维也成为人类在寻求解决问题途径的过程中产生的思维活动，即广义算法思维。问题分析，即剖析问题的组成要素及各要素间的关系，从整体上把握问题的结构的能力；问题抽象，即从复杂的信息中剥离出问题本质的能力；问题的分解，即将一个问题分解成若干相对简单的问题；问题变换，即将一个问题转换为另一个等价问题的能力；算法制定，即根据问题分析的结果制定解决步骤的能力；算法应用，即具体执行算法解决问题的能力；算法优化，即在执行过程中根据具体情况对算法进行改进和完善的能力；算法迁移，即将解决一个问题的方法用于解决其他同类问题的能力。2.狭义的算法思维“计算思维”一词最早由周以真教授在xx年提出，计算思维作为信息技术学科的核心素养之一，一直受到学界的重视。《课标》将计算思维定义为：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。经济合作与发展组织（OECD）指出，计算思维的核心要素主要包括抽象、算法思维、自动化、分解、调试、概括等；国际教育技术协会（ISTE）也将计算思维划分为创造力、算法思维、批判性思维、问题解决、合作及交流技能五种技能；《课标》在发展计算思维的目标中提出，要让学生了解算法在解决问题过程中的作用，领会算法的价值，学会使用简单算法，利用计算机实现问题的自动化求解。由此可见，算法思维从属于计算思维，是计算思维的重要组成部分。《课标》中提到的算法思维即狭义的算法思维，学生只有掌握了狭义算法思维才具备以计算机视角解决问题的能力，从而在解决问题的过程中理解以图灵机为底层支撑的信息处理方式，形成使用计算机科学领域的思想方法界定问题、分析问题的能力，更好地发展计算思维。因此，本文将计算思维的核心要素——狭义算法思维作为评价对象构建评价模型，旨在引导学生在利用计算机解决问题的过程中掌握计算机的工作原理，推动高中生信息技术核心素养评价体系的发展建设。（1）狭义算法思维定义国内外关于算法思维已有颇多研究。祝智庭教授认为算法思维是人与机器共同拥有的解决问题的一种思维形式；Hsu将算法思维定义为构建新算法以解决给定问题的能力；Wong认为算法思维是计算思维的重要子技能之一，与个人制定抽象概念的能力密切相关；Fanchamps认为算法思维是计算思维和自我效能的一部分。参考国内外研究，结合以学生发展为本的评价观，定义了狭义的算法思维，简称为“算法思维”，即个体以计算机视角，通过清晰界定步骤和顺序，获得问题解决方案的思维方式。算法思维弱化了广义的算法思维中对问题进行分析、抽象和分解的部分，强化了计算思维中对自动化的要求，更加注重算法的制定、应用、优化和迁移过程。（2）算法思维能力构成构建高中生算法思维评价模型时，需要对算法思维进行能力划分。参考广义算法思维能力的构成，结合《课标》将对问题分析、抽象、分解和变换的能力剥离，并在“应用”中赋予自动化的表述，算法思维的能力构成分为四个部分：制定、应用、优化、迁移。算法的制定能力即根据具体问题以计算机视角构建算法的能力，包括对已有算法的改进和制定新算法两个部分；算法的应用能力主要为算法的自动化能力，即将构建的算法在计算机上运行的能力；算法的优化能力包括对算法时间效率和空间效率的优化，也包括对其可读性、鲁棒性的优化；算法的迁移能力即将某一个问题的算法应用到其他同类问题中的能力。二、算法思维评价的理论基础在确定了算法思维的定义和能力构成后，需要对其进行合理的评价。“可观察的学习成果结构”即SOLO，是个体在实际回答某个具体问题时表现出来的思维结构，被描述为个体更概括化的思维过程。因此，国内学者主要进行了SOLO分类理论在信息技术教学中的应用研究。学者马玮琼根据SOLO分类理论对八年级信息技术的课程目标进行分层，分别设计教学任务，结合课堂观察和作品评价等对学生的能力水平进行分类，构建了一个教学目标体；学者孔慧结合SOLO分类理论分析了全国青少年软件编程等级考试的试题，提取评价要素并对试题进行水平划分，制定了相应的评价标准；学者徐晨将SOLO分类理论应用到中学生Python编程的评价中，根据《课标》提取知识要素，按照SOLO分类理论进行层次划分，构建出一套结合课堂提问、试题评价和作品评价的评价体系。上述研究表明，在信息技术课程中结合SOLO分类理论对学生进行评价具有可行性和有效性。对高中生来说，在信息技术测试中处理相关问题时，“问题”是新输入的信息“，算法”是在学习和生活中形成的认知结构，不同学生在面对相同问题时，即使给出的结果相同，其解决问题的思维过程也不尽相同。传统的评价方式注重对结果的评价而忽略了思维过程的个体差异，通过一道试题将学生进行二元分化的效率高但效果较差，不能精准反映学生的思维水平，不利于学生核心素养发展。根据SOLO分类理论将算法思维按照能力、思维操作、一致性与收敛性分为五个层次水平，同时标明了对应的算法思维能力。其中，能力指高中生在面对具体问题时对问题中素材和线索的注意广度和深度；思维操作指学生将问题线索和回答联系起来的方式，包括单线、归纳、演绎等；一致性指学生的回答与问题素材、线索的一致性以及学生回答中不同论点的一致性；收敛性指学生迅速得出答案的能力，如在前结构中，学生立刻回答“不会”即表现出高度的收敛性。三、基于新课标构建高中生算法思维评价模型新一轮课改将我国基础教育的总目标落实到“学生发展核心素养”，根据《课标》可知，计算思维是高中信息技术课程的核心素养。通过对高中信息技术课程的调研发现，由于升学压力等客观原因，学校在信息技术课程上投入的资源相对较少，加之部分学校的信息技术教师身兼舆情管理、学校公众平台运营等任务，导致教师在信息技术课堂上以指导学生操作为主，在计算思维培养方面发挥的作用有限，造成已有的计算思维评价模型难以落地的局面。因此，为了解决在有限的时间和资源条件下提高学生计算思维的教学困境，将计算思维的核心——算法思维作为评价对象，构建评价模型。1.根据课标提取评价要素根据xx省某中学的教学用书，选取xx教育出版社高中信息技术必修一《数据与计算》中算法相关章节的知识点进行提取，得到了基本概念、编程基础、控制结构和综合执行四个评价要素，分别确定其考查方式和学生能够达到的最高结构水平。基本概念主要评价学生对算法基础知识和基本定义的掌握情况，以考察学生记忆能力为主，在回答问题时不需要对知识进行加工，没有多余的思维活动，因此最高为单点结构水平。编程基础主要评价学生对python程序设计中各个对象的定义及使用规则的掌握情况，综合考察了学生的记忆和理解能力，在回答问题时需要将多个孤立的线索和素材相联系，因此最高为多点结构。控制结构主要评价学生对顺序、选择、循环三种控制结构的掌握情况，考察学生使用不同控制结构解决简单良构问题的能力。综合应用主要评价学生对三种控制结构的综合掌握情况，考查学生综合使用控制结构解决复杂良构问题的能力，不仅需要制定正确的算法，还应具备一定的算法迁移能力，因此最高为抽象拓展结构水平。2.根据评价要素制定良构问题计算思维指运用计算机科学领域的思想方法形成解决问题方案的过程中所包含的一系列思维活动，它包括抽象、算法思维、自动化、分解、调试、概括，其中算法思维主要包括算法的制定、应用、优化、迁移。因此，对计算思维和算法思维进行评价时，区别主要在问题的抽象和分解两个方面。评价学生的计算思维时，需要学生能够采用计算机可以处理的方式界定问题，提取问题的抽象特征并建立模型、组织数据。高中生计算思维的评价模型需要从劣构问题入手，即在制定问题时以项目式题目为主，不需要明确给出问题的条件，只需对部分条件加以限定。在解决劣构问题时，学生首先要对问题进行全面分析、抽象、分解和变换，收集组织相关数据，同时可以选择更多的解决方法和途径，最终获得一定范围内的解。评价学生的算法思维时，可以忽略对问题处理的考察，将重点放在算法相关的部分，从而突出算法思维。针对高中生算法思维的评价可以从良构问题入手，即在制定问题时简化、明确问题的条件，确保学生面对的是已经抽象、易于分析和分解的问题，并且能够在限定时间和步骤内用流程图、伪代码、代码等多种方式得到问题同一解。3.基于SOLO分类理论构建算法思维评价模型SOLO分类理论已广泛应用于为确定复杂的学习过程层次提供通用框架，然而，SOLO分类理论也存在自身的局限性，即评价结果容易受到学生的情绪干扰和动机影响，因此，通过了解学生在成就动机、学习兴趣、自我效能感和学习态度等方面的表现，判断学生在评价中所发挥的认知功效。首先，依据SOLO分类理论对算法思维的层次水平进行划分；其次，结合《课标》要求从教材中提取出算法思维相关的评价要素；然后，以评价要素为内容、以算法思维层次水平为评价标准制定良构问题，通过过程性和终结性评价相结合的方式对学生的算法思维进行评价；最后，从成就动机、学习兴趣、自我效能感和学习态度四个方面收集学生的信息，对算法思维的评价结果进行调整。四、高中生算法思维评价模型的实施《课标》在评价建议部分指出，要强化过程性评价，完善终结性评价，在考察学生知识与技能掌握情况的同时，注重分析学生能力表现、思维过程和情感态度的发展状况。1.高中生算法思维的评价方式在传统的教学评价中，过程性评价往往从课堂内容入手考察学生对基本知识和基础技能的掌握情况，终结性评价主要从阶段学习内容入手侧重考察学生的能力水平，两者的评价标准不尽相同，缺乏整体统一的评价对象。以评价要素为内容区分过程性评价与终结性评价，将算法思维作为评价对象将两者结合起来，在《课标》算法思维层次水平的指导下编制统一的评价标准，将学生的知识技能、能力表现、思维过程和情感态度贯穿于整个评价过程，构建以学生为中心围绕核心素养的评价方式。过程性评价以随堂测验为主，方法以课堂问答、选择、填空为主，主要考察学生对基本概念和编程基础的掌握程度，即评价学生算法思维的前结构、单点结构和多点结构水平。终结性评价以算法设计为主，线上考试使用python语言编程，纸笔测试使用流程图、伪代码等回答问题，主要考察学生对控制结构和综合执行的掌握程度，即评价学生算法思维的多点结构、关联结构和抽象拓展结构水平。调查问卷和访谈作为补充，在过程性评价中插入设计好的自评量表，让学生对自己的成就动机、学习兴趣、自我效能感进行评价。在终结性评价后由教师从每个层次水平中抽取6名学生进行焦点小组访谈，了解学生在学习和测试中的态度，记录和分析学生在学习兴趣和自我效能感的变化。2.分析评价结果制定学生核心素养发展策略算法思维评价模型将学生分为五个层次后，需要对不同层次的学生给予不同的指导策略，以期提升高中生的信息技术学科核心素养。对于前结构和单点结构的学生，教师要激发其对于算法的学习兴趣，以