初等教育中scratch编程的计算思维：系统回顾

Janne Fagerlund,University of Jyvauml;skylauml;, Finlan

摘要：计算机编程正被引入教育课程中，甚至在初等教育学段也是如此。实施计算机编程的其中一个目的是教授计算思维（CT），因为CT可能适用于各种计算问题的情况。然而，在初等教育中，计算思维的教学目标有些不明确：不同国家的课程定义了计算机科学、计算机、计算、编程或数字素养等主题的学习目标，但没有专门针对计算思维的。此外，在具体和全面的定义以及操作方面，即使在初等教育中使用当下流行的编程Scratch软件，在教授、学习和评估CT方面也存在混淆。为了应对计算思维日益增长的需求，本研究通过对K-9中使用Scratch的研究进行文献综述，调查了在初等教育阶段的Scratch中评估了什么类型的计算思维。作为综述的理论背景，我们定义了一个切实的教育目标，全面引入计算思维，并将计算思维涉及的基本技能和理解领域具体为其“核心教育原则”。结果总结了学生能力范围内的Scratch编程内容和他们可以参与的培养计算思维的活动。此外，还探讨了如何通过学生Scratch项目和编程过程，对其计算思维进行形成性评价的方法。研究结果表明，总结的“计算思维培养”编程内容和活动是广泛多维的。本研究的下一步是通过改进有教学意义的方法来评估学生Scratch项目和编程过程中的计算思维。

关键词：评估；计算思维；初等教育学校；编程；Scratch

一、引言

计算机和计算机科学在现代社会迅速发展。与此同时，芬兰、英国和爱沙尼亚等国家已经将计算机编程作为初等教育（K-9）的必修课程。用Scratch来编程，一个图形化的，基于模块的编程语言，在这个年龄段尤为欢迎，这为教育研究提供了一个潜在的影响背景。然而，一些学者认为编程教育本身并非目的，而是为了培养计算思维（即其中涉及的认知任务），尽管不是排他性的。计算思维是一个总称术语，它体现了理解计算世界、使用本学科和跨学科的多维问题解决技能所必需的知识基础。

尽管计算思维十分流行，但围绕计算思维也存在一些不足和不确定性。如关于计算思维教育的目标和意图。事实上，不同国家的课程针对计算思维、计算机、编程或数字素养等主题提出了不同的教育目标，但并非专门针对计算思维的。相关地，尽管以前的文献描述了一些特殊的概念和做法（如“算法”、“问题分解”），可以塑造学生在计算思维方面的技能和理解，且有助于实现其教育目标，但具体说明学校在计算思维方面的教学、学习和评价方面一直存在不足。然而，比如在使用Scratch等工具编程时，计算思维通常被认为是学生在他们的项目中使用的代码结构，这可以被断言为代表单纯的编程能力，而不是可预测的高层次计算思维。在使用Scratch这样的工具时，学生操作的各种编程内容和他们参与的编程活动可以以不同的方式建立计算思维所涵盖的技能和理解领域。以前的文献并没有系统而彻底地研究Scratch中的实际编程能力是如何体现和发展与计算思维相关的多种技能和理解领域的。

本研究的目的是全面介绍Scratch编程环境下初等教育课堂教学中的计算思维，并探讨在此背景下通过Scratch进行计算思维的评估。在实践中，我们回顾了K-9中涉及Scratch评估的文献研究。基于之前的文献，我们为初等教育中的编程背景下的计算思维定义了一个切实的教育目标。此外，作为研究Scratch中计算思维的技能和理解领域的跳板，我们将CT的核心教育原则(CEPs)——基本计算事实、概念思想和技术——从早期研究中提出的CT概念和实践。审理的目标是收集Scratch编程的内容和活动。以CEPs为视角，将其具体视为 '培养CT的内容和活动，并探讨如何在课堂上对它们进行形式化的评估。

二、在初等教育中，通过编程来实现的计算思维

1. 教育目标

Wing最初将CT定义为“制定问题及其解决方案所涉及的思维过程，从而使解决方案以一种可以由信息处理代理有效地执行的形式表示”。Michaelson强调，CT是一种理解问题的方式，而CS为CT提供了概念，以寻找实践的方法。Aho重新审视Wing的最早的定义，强调CT相关的解决方案就是算法。然而，CT仍然没有坚实的核心定义。它被视为一种能力，一种思维过程，一套技能和一个问题解决过程。然而人们一致认为，它利用了CS的核心学科概念和模型，并利用了计算的能力。

初等教育的目的是为了了解世界，为以后的学习和工作生活做准备。尽管CT在解决问题方面的转移性受到了质疑，Wing认为CT作为一种横向技能和知识的集合，对每个人都是必要的。Lonka等人强调，无论学生将来从事何种职业，学生都应该学会确定编程的核心原则和实践，并了解它们如何影响了日常生活。

为了将CT的这些基本特征和目的切实地纳入初级教育，我们为它定义了以下教育目标：学生学会理解计算可以/不可以做什么，理解计算机如何做它们所做的事情，并应用计算工具、模型和思想来解决各种背景下的问题。根据最近对各国课程的调查，这种教育思想在学校里通过计算机科学教育是有意义的。编程或嵌入到不同的科目中，但没有专门针对CT的。通过探索计算，学生也应该获得某些态度和观点，比如理解计算原理。然而，本研究通过关注CT的关键概念和实践，限制了其范围，这些概念在以前的文献中经常被强调来描述计算的基本理解领域和解决计算问题解决的技能。

CT的关键概念和实践的定义在以前的文献中是不同的。例如在Scratch的背景下，Brennan和Resnick提出了一个具体的CT框架，其中包括概念（例如，循环，变量），实践（例如，调试，迭代）和观点（例如，表达、质疑）。尽管对CT来说很有意义，但这种针对特定环境的框架可能不适合在不同的编程环境中构建CT，也不适合促进更深层次的编程。因此，基于先前的研究，以更广泛的方式构建CT的概念和实践，我们将CT的基本技能和理解领域作为其核心教育原则(CEPs)为背景。

一些研究以各种方式将CT的关键概念和实践更普遍地框定在编程、计算或 CS的各种方式。CT是一个难以捉摸的术语，它一直在寻找明确的边界。它所涉及的领域可以被解释为是“中心”或“边缘”的。简洁的CT观点可能以编程为中心，而忽略了一般CT中潜在的重要领域。反过来，丰富的观点可能与其他能力领域重叠，如数学。通过在以前的几项工作的基础上构建我们的CT观点，我们努力采用一个相对丰富的观点，而不是一个简洁的观点。这么做的动机是因为更丰富的观点被采用的次数较少，它们可以扩大我们对通过K-9中的Scratch进行CT评估的潜在意义边界的理解，并且根据需要，可以适当缩小范围。

Settle和Perkovic开发了一个概念性框架，以在本科教育中实施CT课程。在2009年，国际教育技术协会和计算机科学教师协会设计了一个关于CT概念和能力的操作性定义，以促进其在K-12教室的应用。2014年，在英国学校引入计算机后，Czismadia等人开发了一个框架，指导教师在计算机课堂上教学与CT相关的概念、方法和技术。与此相关，Angeli等人设计了一个K-6的CT课程包括CT技能和对教师知识的影响。为了揭开CT的非结构化性质的神秘面纱，Shute等人回顾了CT相关文献，并展示了其在K-12定义、干预和评价的例子。同样地，Hsu等人回顾了先前的文献，并讨论了如何在K-12阶段教授和学习CT。为了进一步阐明CT在不同背景下的应用，Grover和Pea阐述了CT包括哪些概念和实践。

为了将与CT概念和实践相关的技能和理解领域作为原子元素，使其在Scratch中的系统背景化，这些概念和实践的定义可以总结为包括CT在初等学校阶段的教学经验。

·抽象化。一系列的数字设备可以成为运行程序的计算机。编程语言、算法和数据是现实世界现象的抽象。通过减少不必要的细节和专注于重要的部分（例如，通过使用数据结构和适当的符号），使解决复杂的问题变得更加容易。

·算法。程序员用一组指令来解决问题的指令集来解决问题，这些指令从一个初始状态开始，经过一系列的中间状态并达到最终的目标状态。序列、选择和重复是算法的基本构成部分。递归解决方案是解决同一问题的较简单版本。

·自动化。自动化计算可以解决问题。程序员设计的程序用计算机代码设计程序，让计算机来执行。计算机可以使用一系列的输入和输出设备。

·协作。程序员划分任务，并交替角色。程序员在彼此的项目上构建。程序员将解决方案分发给其他人。

·协调和平行。计算机可以执行分割的指令集并行执行。参与进程的计算时间需要控制。

·创造性。程序员采用不同的方法来解决问题和“发散性思维”。创建项目是一种创造性的表达形式。

·数据。程序员从各种来源和多层次的数据集中寻找和收集数据，这些数据集是相互关联的。程序与各种数据类型（如文本、数字）一起执行。程序存储、移动并对数据进行计算。程序将数据存储在各种数据结构（例如，变量、表、列表、图）。

·效率。算法没有多余的或不必要的步骤。设计的解决方案易于人们使用。设计的解决方案能够完美地工作，并促进积极的用户体验。设计的解决方案在任何情况下都能正确运作。

·迭代。程序员通过设计、测试和调试来完善解决方案，直到获得理想的结果。

·逻辑。程序员分析情况并检查事实来进行和验证预测，做出决定和得出结论。制定的指令 包括条件逻辑、布尔逻辑、算术操作和其他逻辑框架。

·建模和设计。程序员设计人类可读的算法设计表示和模型，这在以后可以被编程。程序员组织好系统的结构、外观和功能。视觉模型、模拟和动画表示了一个系统如何操作。

·模式和归纳。数据和信息结构包括基于其相似性和差异性的重复模式。重复模式形成一般水平的解决方案，适用于一类问题。一般性的想法和解决方案可以解决新情况和新领域中的问题。

·问题分解。大型的问题和工作分解成较小和较简单的部分，可以分别解决。大型系统是由更小的有意义的部分组成。程序包括对象、主程序和函数。

·测试和调试。程序员根据自己的想法评价和根据他们所期望的结果、目标或设定的标准，对解决方案的适当性进行评价和验证。程序员评价解决方案的功能准确性并使用观察的方法发现缺陷。观察运行中的作品并比较相似的作品。程序员追踪代码，设计和运行测试计划和测试案例，并运用启发式方法来分开错误并完善。程序员在没有价值和约束的复杂情况下做出公平和诚实的判断。

在实践中，各种编程任务可以促进对CEPs所描述的CT的思维和行动方式的技能和理解。在Scratch中，学生操作程序内容，也就是在他们的项目中建立计算过程的对象和逻辑结构，并在设计上述项目时从事在设计上述内容时进行某些编程活动内容。因此，在实践中研究各种Scratch编程内容和活动如何关联CEPs是有意义的。

1. 在Scratch中评估

Scratch是一个免费的基于网络的编程工具，允许创建媒体项目，如游戏、互动故事和动画，与年轻人的个人兴趣和经验相关。兴趣和经验。项目是通过组合图形块来设计数字角色（“精灵”）的行为。基于图形块的语言通常有一个“低底线”：学生不能有句法上的错误，因为只有共同适用的块才能组合成指令的算法集（“脚本”）。

尽管图形化工具的支持，但编程在认知上还是复杂的，丰富的概念心理模型可能不会自发出现。一种“及时”的教学法，在必要时通过各种基于项目的活动介绍新知识，是一种流行的方法。然而，它需要仔细制定真实的问题和选择项目（即通过编程内容和活动适当地介绍CT）。此外，学习可以得到形成性评价的支持，形成性评价可以确定“学习者要去哪里”，“学习者现在在哪里”以及“如何到达那里”。在实践中，教育者应该明确成功的意图和标准，引出学生能够理解的证据，并提供适当的反馈，推动学习的发展。编程是一个潜在的富有成效来实现这些过程的平台，因为它展示了学生的CT，并提供了一个及时和有针对性的学习支持。

以前的一些实证研究部分显示了如何在具体编程内容和活动进行评价。然而，在CT中几乎没有对内容和活动进行背景分析。为了研究如何在K-9（初等教育）的Scratch中全面介绍和评估CT，本研究回顾了先前关于评估K-9中Scratch内容和活动的文献，并根据归纳的CEPs，将它们与CT的概念和实践联系起来。总结的CEPs（见第2.2节）。其目的是为了衍生出初级的促进CT的学习内容和活动并探索适当的方法对其进行形成性评价。因此，研究问题是：

哪些Scratch编程内容和活动在K-9中被评价过？

如何评价Scratch编程的内容和活动？

不同的Scratch编程内容和活动是如何通过CEPs将CT概念和实践结合起来的？

1. 方法
2. 搜索过程

为了回答研究问题，我们进行了文献检索，以寻找到侧重于以下方面的同行评议研究。

对K-9的Scratch编程内容和活动的评价（图 1）。首先，以“计算思维”和 'Scratch '为关键词在ScienceDirect、ERIC、SCOPUS和ACM数据库中进行搜索。检索的文献最早可以追溯到2007年，Scratch发布时。在2019年11月27日搜索的结果是432项研究（ScienceDirect中98项，ERIC中27项，SCOPUS中217项，ACM中90项），重复的和无法获取的文献被排除在外。

对其余研究的摘要进行了筛选。实证性的和非实证性的研究都被包括在内，只要它们涉及到Scratch（或高度相似的编程语言）在K-9阶段的评价。如果Scratch和初等教育被包括在内，那么概念化的通用评估框架也被包括在内。其他或不明确的教育层次的研究被排除在外，以保持对初等教育的关注。用英语以

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

英语原文共 17 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[593555]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word