Reasoning on Childrenrsquo;s Cognitive Skills in an Informatics Contest: Findings and Discoveries from Finland, Lithuania, and Sweden

Valentina Dagiene1 , Linda Mannila2 , Timo Poranen3 , Lennart Rolandsson4 , and Gabriele Stupuriene1

1 Vilnius University, Lithuania 2 ˚Abo Akademi University, Finland; Linkuml;oping University, Sweden 3 University of Tampere, Finland 4 KTH Royal Institute of Technology, Sweden

Abstract. In this paper, we present the results from a multi-national study of studentsrsquo; results in the international IT contest ”Bebras”. Bebras provides motivating and game-like tasks in the format of multiplechoice questions and interactive problems to students in grades 2–12. Our study focuses on the results of nearly 8 000 students aged 10–13 in Finland (n=852), Sweden (n=201) and Lithuania (n=7 022), using gender, task and country as the underlying variables. In addition to presenting the overall results of the three student groups, we also analyse a subset of tasks in common according to Bloomrsquo;s taxonomy and put forward detailed results for these tasks with regard to gender and country. The results show that there is no difference in performance between boys and girls in this age group. Our findings also indicate that there was a slight mismatch between the difficulty level of the tasks used in the contest and studentsrsquo; actual abilities; finding more efficient and trustworthy ways of evaluating difficulty levels upfront and choosing a suitable task set is hence important for upcoming contests.

Keywords: Informatics education, computer science education, computing education, competitions, “Bebras” contest, tasks, cognitive skills.

1.Introduction

The current status of informatics1 education is unsatisfactory in many countries [12]. Although computers, applications and information technology (IT) in general is an increasingly natural part of the everyday work at schools, focus is mainly put on basic digital literacy skills while the underlying principles are left uncovered. This situation has been recognised as a problem in many countries [17] and recently the introduction of computing in the curriculum in e.g. the UK [4] and Estonia [16] has resulted in an increased debate throughout Europe. Another problematic issue concerns the view of computing as a male-dominated field, with girls losing interest in (or never even considering) computing as a career already at an early stage.

Bringing informatics to schools through curriculum changes in the form of a formal track is essential but this can also be supported in informal ways. Lately, we have witnessed an increased number of initiatives (e.g. code.org, Codeacademy, Hour of Code) aiming at making programming accessible to everyone. Similarly, the number of voluntary activities around informatics grows steadily through e.g. clubs such as CoderDojos, CodeClubs and MakerSpaces. Another similar activity is contests, for instance ”Bebras”, which is an international informatics contest providing motivating and game-like tasks in the format of multiple-choice questions and interactive problems to students in grades 2–12.

In this paper, we will focus on one specific age group (age 10–13) and analyse and compare the results of students in three countries: Finland, Sweden and Lithuania. Our goal is to bring light on the following questions:

Are there notable differences in student performance among a) the three countries and b) boys and girls at this age? – What cognitive skills are addressed in a set of Bebras tasks?

In the following we briefly discuss the status of informatics education in Finland, Sweden and Lithuania respectively. Next we describe the Bebras contest, after which we present the study setting and the results from analysing studentsrsquo; contest results. The paper ends with a discussion and some final words.

2.Informatics education in Finland, Sweden and Lithuania

Students in all three countries commonly start school at the age of seven, when they enter comprehensive school. The structure and content of the education is based on national core curricula, which are renewed on a regular basis.

In Finland, informatics (including e.g. programming) was a compulsory subject at upper secondary level until 1994. Today informatics is not included as an independent subject in the current core curriculum for basic education (grades 1–9) [11], nor for upper secondary school level [10]. Instead IT is to be integrated in a given set of focus areas, which essentially means that students should learn to use technology in a responsible way and to use computers, software and networks for various purposes in different subjects. New core curricula will come into force in 2016 and are currently being drafted. A larger focus on both the use of informatics as well as e.g. programming, is to be expected.

In Lithuania, education is divided into three stages: primary (grades 1–4), lower secondary (grades 5–10) and upper secondary (grades 11–12). In 1986–2005 informatics was a mandatory subject at upper secondary level, with a strong focus on programming and algorithmic thinking (e.g. using Logo) [5]. In 2005 the subject was renamed to IT and the revisions resulted in less informatics topics being covered, focusing more on satisfying user needs and developing computer literacy. The curricula does, however, still include mandatory courses including e.g. programming. In grades 5–6 students should have approximately 15 lessons on Logo or Scratch. Similarly, in grades 9–10, there is a mandatory IT subject with several optional modules covering algorithms and programming. In grades 11–12, students can choose to learn several subjects at extended level, for instance programming modules preparing for studies at tertiary level. Students can also take an IT maturity exam, which mainly focuses on programming. New curricula are expected to be developed in 2016, and guideline

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在信息学竞赛中对儿童认知技能的推理：芬兰、立陶宛和瑞典的发现

瓦伦蒂娜·达吉妮、琳达·曼尼拉、蒂莫·波兰尼、伦纳特·罗兰德斯和加布里埃尔·斯图普里涅

立陶宛维尔纽斯大学

芬兰坦佩雷大学

瑞典皇家理工学院

摘要：本文介绍了国际上一项对学生成绩的跨国研究结果，并对其结果进行了分析。Bebras以2-12年级学生的多选题和互动问题的形式为学生提供激励和游戏式的任务。我们的研究主要集中在芬兰(n=852)、瑞典(n=201)和立陶宛(n=7 022)的近8000名学生，他们使用性别、任务和国家作为基础变量。除了展示三个学生群体的总体结果之外，我们还根据Bloom的分类法分析了一个常见的任务子集，并针对性别和国家提出了这些任务的详细结果。结果显示，在这个年龄组中，男孩和女孩的表现没有差异。我们的发现还表明，比赛中所使用任务的难度水平与学生实际能力之间存在轻微的不匹配;寻找更有效和可靠的方法来评估困难程度，并选择合适的任务集对于即将到来的比赛是非常重要的。

关键词:信息学教育；计算机科学教育；计算机教育；认知技能。

1.介绍

在许多国家，信息教育的现状并不令人满意^[12]。尽管计算机、应用程序和信息技术(IT)通常是学校日常工作中越来越自然的一部分，但重点主要放在基本的数字读写技能上，而基本原则却没有被发现。这种情况在许多国家都被认为是一个问题^[17]，最近在课程中引入了计算技术。

例如，在美国，“计算机科学”是一个被广泛承认的术语，而英国在几年前开始使用“计算”。英国^[4]和爱沙尼亚^[16]在整个欧洲引起了越来越多的争论。另一个有问题的问题是，计算是一个男性主导的领域，女孩们对计算(甚至从来没有考虑过)在早期阶段的职业生涯失去了兴趣。通过课程改革将信息带到学校是必要的，但这也可以通过非正式的方式得到支持。最近，我们看到了越来越多的计划(例如code.org, Codeacademy, Hour of Code)，目的是让所有人都能访问编程。类似地，信息学周围的志愿活动的数量也在稳步增长，例如CoderDojos、CodeClubs和makerspace。另一个类似的活动是竞赛，例如“Bebras”，它是一个国际信息学竞赛，为2-12年级的学生提供多项选择题和互动问题的形式的激励和游戏式的任务。在本文中，我们将重点关注一个特定年龄组(10-13岁)，并分析和比较三个国家的学生的结果:芬兰、瑞典和立陶宛。我们的目标是为以下问题带来光明:

在这个年龄的3个国家男孩和女孩的学生表现有显著的不同吗?在一组“Bebras”任务中，需要处理哪些认知技能?

因此，我们分别简要讨论了芬兰、瑞典和立陶宛的信息教育的现状。接下来，我们描述了“Bebras”比赛，在此之后，我们展示了研究的设置和分析学生比赛结果的结果。文章最后以一个讨论和一些最后的结论。

2.芬兰、瑞典和立陶宛的信息学教育

这三个国家的学生通常在7岁进入综合学校就读。教育的结构和内容以国家核心课程为基础，并定期更新。在芬兰，在1994年以前，信息学(包括编程)是高级中学的必修科目。今天的信息学在基础教育的核心课程(1 - 9年级)^[11]和高中^[10]的核心课程中不包括。相反，它将被整合到一个特定的集中领域，这意味着学生应该学会以一种负责任的方式使用技术，并在不同的科目中使用计算机、软件和网络来实现各种目的。新的核心课程将于2016年生效，目前正在起草中。对信息的使用和编程都有一个更大的关注。在立陶宛，教育分为三个阶段:小学(1-4年级)，初中(5-10年级)和高中(11-12年级)。在1986-2005年，信息学是高中的必修科目，重点是编程和算法思维(例如使用Logo)^[5]。在2005年，这个主题被重新命名，而修订导致了信息的减少。

主题被涵盖，更多的关注满足用户需求和发展计算机文化。然而，课程仍然包括强制性课程，包括编程。在5-6年级学生应该有大约15课的标志或Scratch。类似地，在9-10年级，有一个强制性的IT主题，有几个可选模块，包括算法和编程。在11-12年级，学生可以选择在扩展的水平上学习几个科目，例如为第三级的学习准备的编程模块。学生还可以参加一个IT成熟度考试，主要集中在编程方面。新课程预计将在2016年制定，并在目前正在起草的所有学校水平的信息和信息技术指南。目前瑞典的教育设计是在20世纪70年代建立的。九年的综合学校(小学和初中教育)之后是三到四年的高中教育。信息和通信技术通常被用作初级和中级水平的工具，用于其他科目和读写能力的问题解决。然而，在学校里没有这样的科目，比如计算机或IT，因为他们在7到9年级的技术教育中提供。在高学阶段，教育被分为不同的项目，例如关注自然科学、技术、美学或电子学。编程课程主要由高学提供，在两门独立的课程中，学生参加了技术、自然科学或电子学的三个课程之一。因此，只有少数学生参加编程课程。

3.Bebras——一场国际信息竞赛

不同的比赛和奥运会^[15,13]的目的是向学生介绍编程和其他信息领域。竞赛使编程教学对学生更有吸引力^[18]。在竞赛中，学生们可以与来自其他学校、地区或国家的同学见面并比较他们的技能^[6,7]。自2004年以来，在许多国家(29个国家参加了2013年)举办了关于信息和计算机流利性的国际Bebras^[3]竞赛。该竞赛于2004年首次在立陶宛举行，而芬兰在2010年加入了网络，2012年又加入了瑞典。Bebras竞赛的主要目标是激发所有学生在早期阶段对信息学的兴趣，激发他们学习和掌握技术，并发展他们的计算思维能力^[9]。该比赛于11月的第二周在所有参赛国家举办。国与国之间的竞赛安排略有不同，一般情况下，教师在课堂上对任务进行在线辅导。比赛分为五个年龄组:小河工(芬兰/瑞典2-3年级，立陶宛3-4年级)，本杰明(4-5年级)，Cadet(6-7年级)，初级(8-9年级)和高年级学生。根据国家的不同，比赛包括每个年龄组的15-21个任务，学生有45-60分钟的时间来完成比赛。有些国家只使用4个年龄组，可能有其他一些细微的差别，因为参与国家有自由根据他们的学校制度调整任务集。在一个国际研讨会上，在英语中创建和讨论了Bebras任务，然后每个国家将这些任务转换为当地语言，以便在当地比赛中使用。2大部分的问题是关于信息理解、算法思维、计算机系统、组合学、离散结构、谜题或信息通信技术和社会的4个选择题^[8]。尤其是年轻人群,也有激励互动任务,学生回答通过拖放对象,画线,点击物品,答案写在文本框,等。一场比赛有太多困难的任务风险令人沮丧的许多参与者,反之亦然,太多简单的任务将会提供一个错误的信息。因此，任务是根据三个难度等级划分的——难的、中等的和简单的——意图在每个年龄组中提供一组平衡的任务。得分与这些难度水平有关，如果正确的话，答案会被映射到5、4或3点，如果不正确，则分别为-1、25、-1和-0,75分。一个未回答的问题根本不影响分数。最初的分数被给予，所以回答所有的问题都是0分。应该指出的是，有些国家使用的评分系统略有不同。

4.研究设置

4.1数据收集

这项研究是基于对2013年11月在芬兰、瑞典和立陶宛举行的Bebras比赛结果的分析。这三个国家的参与者总数分别列于表1，以及相应的男孩和女孩分布情况。为了回答我们的研究问题(第一节)，我们决定把注意力集中在一个年龄组。我们选择Benjamin(在表1中以灰色高亮显示)有以下几个原因:

在这三个国家中，这个群体的性别分布最平等(如果不考虑Minis)。学生的年龄仍然低于对电脑和ICT的态度发生变化的年龄^[14]。根据IT课程，这个年龄的立陶宛学生应该至少有15个关于Scratch或Logo的必修课。

显然，在这三个国家中，本杰明的数量有很大的差异:立陶宛有7000多名参与者，芬兰大约有850人，瑞典人有大约50人。

在这个过程中，自然可能会有一些不同的翻译，这仍然是相同的，但是由于翻译阶段的解释或误解，这可能会使学生变得更容易或更复杂。芬兰和瑞典准备了任务和翻译，因此芬兰和瑞典的任务描述之间应该只有极小的差别。

表1. 2013年芬兰，瑞典和立陶宛的参加人数

然而，当我们在这些国家执行相同的任务时，我们认为语言和学校系统的差异有助于研究确定具体概念的研究。在芬兰和瑞典，本杰明的年龄在10-11岁(4-5年级)，而立陶宛的本杰明则稍微年长一些(11-13岁，5-6年级)。这个年龄段的学生需要在立陶宛的45分钟内完成21项任务，同时在芬兰和瑞典完成15项任务。在分析数据时要记住这点很重要，但另一方面，立陶宛的学生年龄稍大一些，他们可能也有一些从他们的教育中获得信息的经验，这可能会使情况更糟。

4.2方法

我们的分析分为两部分:首先，我们分别对每个国家的本杰明结果进行概述，并将其进行比较。第二，我们选择了三个国家共有的12个任务来进行更细致的检查。如第3节所述，所有的Bebras任务都是基于问题类型(算法、计算机使用、拼图等)和在国际研讨会上的难度级别进行分类的。在这项研究中，我们还想尝试引入一个共同的框架来分类基于认知技能水平的任务。我们选择了Bloom的分类法^[1]，它被广泛用于分类教育目标，并使用任务描述的内容分析来进行分类。布鲁姆分类法中的认知领域包含六个层次的层次，从简单记忆到更复杂的认知技能开始:

1.记忆:回忆以前学过的信息

2.理解:理解指令和问题的意义、翻译、插值和解释。

3.应用:在新情况下使用一个概念，或者不受提示地使用抽象概念。

4.分析:将材料或概念分离成组成部分，以便理解其组织结构。区分事实和推论。

5.评价:判断思想或材料的价值。

6.创建:从不同的元素构建一个结构或模式。把部分放在一起形成一个整体，强调创造一个新的意义或结构。

5结果

5.1本杰明年龄组的整体表现

图1、图2和图3分别给出了三个国家的本杰明总分的分布情况。

图1。获得给定分数的立陶宛本杰明比例(7 022人，21项任务，最高105分)

图2获得一定数量的芬兰本杰明的比例(852名参与者，15项任务，最高192分)

正如我们从立陶宛和芬兰图中所看到的(图1和图2)，这些国家的结果几乎符合正态分布。在立陶宛，任务的整体难度水平可能太高了。

年龄组随着钟形曲线向左微动，然而，这条曲线表明，任务集是很平衡的:几乎没有学生得到零分，很少学生达到最高分。芬兰的曲线更以中点为中心，但在描绘男孩的结果的图表中显示了一些有趣的下降。

图3获得一定数量的瑞典本杰明的比例(201名参与者，15项任务，最高192分)

如上所述，这三个国家的参与者人数有很大的不同:立陶宛的图表是基于来自7000多名参与者的竞赛数据，而芬兰的图表显示了850多名学生的成绩。然而，在瑞典，本杰明的数量却少了(201)。这是很自然的，因为这是比赛的第二次举行。尽管参与者的数量很低，但图表仍然像一个正常分布的曲线，有一些尖峰，然后向左移动。在未来，当比赛将吸引更多的参与者时，结果和曲线可以预期更平滑。

5.2基于认知领域的选择任务分析

传统上，布鲁姆的分类法已被用于将特定的教学或培训元素与特定的认知领域关联起来。例如，多选题测试通常被认为是第一级的例子，记住或回忆信息。当为Bebras创建多项选择题时，每项任务应针对给定的认知技能，重点关注学生的学习和理解，而不仅仅是回忆已知的事实。 Benjamins在芬兰，瑞典和立陶宛执行的任务有12项共同任务：10项多项选择和2项互动项目。我们根据三种观点的复杂性分析了这些任务的描述：a什么类型的信息学概念隐藏在任务中b任务按理解的顺序是多么复杂，c学生需要遵循8篇作者由于篇幅过长而被抑制，只有给定的说明或者他们是否也应用从任务描述中获得的新知识？分析结果见表2。

5.3进一步分析12项共同任务

这12个任务的正确答案比例如图4和图5所示。任务按照难度级别（由比赛组织者分配）从容易到难度排列。

图4六个共同任务在性别和国家方面存在差异。 难题简写为e = 简单，m =中，h =难

图5 剩下的六项任务在性别和国别方面存在差异。 难题简写为e = 简单，m =中，h =难

如图所示，分配的难度级别与许多任务（例如前两个简单任务和所有不同任务）的实际难题级别相匹配，而某些任务似乎更容易（例如“Balls Trigger”）或更难以理解 （例如“Zebra Tunnel”）。 芬兰和瑞典的“Zebra Tunnel”任务描述与立陶宛相比略有不同。 在芬兰和瑞典需要完成这项任务

表2.共同的12个Beebras任务，用认知领域描述（修正的Blooms分类法）

学生从四种选择（多项选择）中选择正确的答案，而立陶宛学生计算答案并在文本框中提交（简答）。因此，人们可以认为，这项特殊任务对于立陶宛学生来说更为困难，因为他们需要精确地解决任务，而无需从任务中提供的备选答案获得任何帮助。这种差异可能解释立陶宛学生在这项任务中的表现突然下降（立陶宛学生和芬兰/瑞典学生之间的差异几乎达到10％）。正确答案比例最高的两项任务（男孩和女孩70％以上都能正确回答）是芬兰学生管理得很好的“冰淇淋机”和“森林中”。这些任务的前者从理解领域处理技能，而后者则映射到更高级别的领域（分析）。有趣的是，立陶宛和瑞典的学生在这

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