使用多重数值计算方法评估计算思维过程外文翻译资料

 2022-08-08 04:08

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使用多重数值计算方法评估计算思维过程

摘 要：

本文研究的是如何在教学中评估计算思维，来自伦敦一所小学的30个10到11岁的孩子，使用Scratch and Alice 2.4这个应用程序参与了游戏项目制作，历时8个月。针对本文详尽的重点，数据源自于对参与者的观察，非正式的谈话，问题解决表，半主导式采访以及孩子们的游戏完成度。以上谈及的数据用于解释计算思维过程的原理，并且这些方法用于估算此原理在游戏设计过程中的运用。此讨论围绕计算思维包括什么展开，着重强调计算思维的复杂结构以及其原理和人工智能原理，电脑，认知，学习及物理之间的联系。同样，也强调了后设认知在计算思维中的作用。这篇文章还阐释了仅仅用编程结构来估算计算思维是不可能的，因为计算思维为许多其他的技巧和概念提供了机会。因此，在阐述整个计算思维过程的学习范围中应采用多重数值计算方法。在文献综述和数据分析结果的支持下，我提出了一种多方法评估模型，其中将计算概念，元认知实践和学习行为作为计算思维过程的主要要素进行了讨论。除此之外，为了调查在游戏制作过程中的维度，游戏的设计也将包含在多方法评估模型中。

1.简 介

最近，在很多国家包括英国的课外活动都包含了程序概念的学习，为了激起孩子们学习解码，因此老师们开始探索方法，这样他们就能教参与的孩子们编程了。许多学者指出，电脑游戏设计很有趣同时也是一个介绍编程概念的有效方法，然而，证实此可行的实验性证据总是有限的。

除了编码，计算思维也开始逐渐获得关注，这突出了一个重要问题：老师在编写代码时做好准备，传授和评估孩子的学习状况。老师可能能够描述与计算过程有关的术语，或者使用在线计划提供的教案和指导书来教授编码，而无需掌握相应的概念，但是，这并不保证他们能够在以下情况下认识计算思维的技能和概念：他们评估儿童在不同学科中的工作。在以下各节中，我将研究什么是计算机思维以及评估计算思维技能的方法。

2.计算思维的定义

没有关于计算思维及其特征的通用定义。Papert没有提供关于计算思维的定义，但是，他通过关注孩子在LOGO环境中通过编程发展的过程性思维提出了计算思维的想法。Wing率先提出了这个想法，并强调计算思维不仅涉及编码，它还具有使用计算机科学的基本概念来理解人类行为的技能。在2010年，她重新定义了“计算思维”一词，即“参与解决问题及其解决方案的思想过程，以便以一种可由信息处理代理有效执行的形式来表示解决方案”。

许多研究强调计算思维是一种认知过程，而有些研究则将其描述为解决问题的方法。 还强调了元认知在计算思维过程中的作用，并且通过关注计算机系统有效地执行重复任务的信息自动化，已经解释了计算思维与其他思维方式有何不同。 这突出显示了计算思维和人工智能（AI）之间的联系。 人工智能可以定义为“计算机系统学习，思考和执行需要复杂决策的任务的能力” 。 这种重复性任务自动化的核心是算法和抽象，这也是计算思维的关键要素。

Aho将计算思维解释为解决问题的思维过程，因此“他们的解决方案可以表示为计算步骤和算法” 。从心理学角度形成问题的心理表示形式（制定问题），规划和选择解决方案的适当策略（制定解决方案），检查错误（评估）并调试它们，思考如何改善工作（ 监控）是元认知的组成部分，被简单描述为“思考-思考”，Claxton 解释了元认知是一种支持人们更有效地管理思想的方式，这使他们能够更有效地利用自己的资源。

Lu将计算思维形容为“有效使用计算来解决复杂的人类问题所必需的全套心理工具” 。有效地分配这些心理工具来完成一项任务，需要他们自己对这些工具有一定的了解，并知道如何使用它们来执行一项任务，即元认知。一些研究人员还强调了元认知与计算思维之间的关系。 Resnick 提出，建设性的学习环境需要为学习者提供机会，以迭代方式设计解决方案并反思他们自己的学习过程，以促进学习计算机思维能力。 Papert 也支持这一点。他认为创建程序可以鼓励学习者更多地了解他们用于调试问题的策略，并思考改进方法。在最近的一篇论文中，Kafai和Burke讨论了建构主义游戏制作的好处，并强调了编码之外的学习。他们声称，建构主义的游戏制作空间支持儿童思考自己的思维和学习，即“反思或元认知”。

赤足计算程序从概念和方法方面考虑了计算思维。他们将修补，创建，调试，坚持和协作作为学生在计算思维过程中应用和发展的主要方法。 Brennan和Resnick 在术语“计算视角”下讨论了提问，联系和表达。在萨默塞特电子学习与信息管理团队创建的计算思维模型中，错误，毅力，想象力和合作被列为学生在计算思维过程中使用的态度。此外，其他研究发现，在游戏中，学生有机会运用和发展技能，例如协作，创造力，沟通，批判性思维，修修补补，持之以恒。所有这些方法，观点和态度都可以描述为学习行为，因为这些是促进“学习所必需”行为的策略。Powell和Tod 认为学习行为反映了学生的社会，情感和认知发展，并取决于他们以前的学习经验；因此，每个学生的发展方式会有所不同。

如上所述，计算思维过程不仅提供了学习编程结构的能力，还提供了更广阔的范围。通过有关使用相关文献对计算思维构成的讨论，我提出了以下计算思维的定义，旨在设计易于自动化的问题的解决方案。

3.最近有关评估计算思维的书文

近年来，已经进行了一些研究来测量儿童在创建自己的计算机游戏时所发展的CT技能。Werner，Denner和Campe 提出了一种称为游戏计算复杂度（GCS）的三级评估模型，用于评估“爱丽丝”编程环境中儿童的计算学习情况。第一级是关于对编程或制作游戏至关重要的编码块。在第二级，学生使用编码块创建模式。下一阶段是编程构造和模式的结合，即“游戏机制”。尽管他们清晰的游戏机制结构和模式模型使调查由儿童创造的游戏中计算思维技能的证据变得更加容易，但至关重要的是要记住，计算思维包括概念和方法。因此，应与该模型一起使用其他方法，以更详细地概述学习者在制作计算机游戏时所发展的计算思维技能。仅通过查看他们使用的编程结构，就很难了解他们面临的挑战或他们如何管理自己的思维和学习过程。

Brennan和Resnick 提出了一个模型，用于测量儿童在“ Scratch”编程环境中开发游戏时的CT技能。 他们提出了一个具有三个方面的框架。 计算概念，计算实践和计算角度。 计算概念包括序列，循环，并行性，事件，条件，运算符和数据。 计算机思维实践包括关注思维和学习过程，他们如何计划游戏，如何解决问题，使用何种策略等等。 尽管计算思维实践是相对于Scratch编程环境定义的，但可以将其应用于使用其他游戏应用程序的活动。 这个维度可以看作是编码的元认知，因为它涉及元认知技能，例如计划，评估，修改，监控，换句话说思考思维。

布伦南和雷斯尼克（Brennan and Resnick）的用于确保计算思维技能的测验的模型的最终维度称为计算角度，它与孩子们的“对自己的理解，他们与他人的关系以及周围的技术世界” 有关。 他们提出了三种评估计算概念，实践和观点的方法。 项目分析，基于工件的采访和设计方案，各有千秋。 关于布伦南和雷斯尼克的模型，有趣的一点是，计算实践类似于元认知过程，其中涉及的重点是思考和学习过程，他们如何计划游戏，如何解决问题，使用何种策略等等。

4.迈向评估计算思维的多重评估方法

在第二部分中共享的计算思维，我的定义以及在有关评估计算思维技能的文献综述强调了计算思维的复杂结构以及人工智能（AI），计算机，认知，学习和心理学等要素之间的相互作用，同时提供了用于定义计算思维技能评估应包括的多个方面的基础。 Brennan和Resnick 也支持这种多种评估方法，他们强调必须关注儿童经历的过程，而不仅仅是他们的守则。类似的格罗弗不同的计算思维评估方法表明，Conley＆Darl​​ing-Hammond 讨论的“评估系统”将为孩子们学习计算思维技能提供更全面的视角。我同意这种观点，因为不可能使用一种方法来评估计算机，认知，学习和心理科学之间的相互作用。采用多种评估方法不仅可以提供有关儿童对计算概念理解的更深入的信息，而且可以收集儿童个人技能发展的证据，尤其是在结对编码活动中。在这种情况下，我使用“评估”一词来表示对儿童学习的评估，而不是作为一种教育评估工具。

我对计算思维的定义中的术语代表了不同科学之间的相互作用，这些术语用于从三个方面评估学习者的计算思维技能：“计算概念”，“元认知实践”和“学习行为”。 为了在游戏制作环境中研究这些维度，评估模型中还包括了计算机游戏设计。 该模型是半柔性的； 因为在与计算机游戏设计（例如应用程序开发）不同的环境中评估计算思维时，可以排除和替换游戏设计维度。 图1给出了计算机游戏设计环境中计算思维技能的多重评估方法的概述。

计算概念

计算概念是指通常用于完成编程环境（例如序列，循环，条件和变量）中的任务的编程构造。 受Werner及其同事的启发游戏计算复杂性分析程序以及Brennan和Resnicks 提出的计算思维概念，我将序列，循环，事件，并行性，条件，运算符，变量和抽象作为代表计算的编程构造 本研究中的概念。

学习行为

我将学习行为解释为儿童在从事一项促进学习的任务时所表现出的策略，方法和习惯。 鲍威尔和托德将参与，协作，参与，沟通，动机，独立活动，责任感，不满情绪和问题列为学习的主要行为。 在《关于教育和技能的DfES白皮书》中，针对14-19岁的学生的学习行为包括了探究，创造性思维，信息处理，推理和评估。 尽管他没有提到“学习行为”一词，但克拉克斯顿的关于建立学习能力的理论似乎侧重于学校应该帮助儿童学习的类似属性。 这些属性是； 韧性，机智，反思和互惠。

元认知实践

我将元认知定义为一种技能集，使人们能够有效地部署和管理其认知资源，以调节其思维和学习能力。 Stenberg将计划，评估，监控解决问题的活动和适当分配认知资源列为管理元认知过程的主要能力。 Flavell将探索，设定目标，组织，计划，自我提问，选择和运用，监测和管理思维作为元认知技能进行了描述。 许多研究还将计划，监测和评估描述为主要的元认知技能。元认知实践可以被视为调节认知活动的触发和执行控制，包括计划，评估和监控。

元认知实践的核心是“他人”与“自我”之间的对话交流。 Vygotsky还提到私人和内部言语（与自我的对话）和社交言语（与他人的对话）在自我调节中的作用，他指出语言不仅用于交流，而且通过以下方式用于自我调节 规划和监控。 同样，其他一些研究也将这种与自我和其他人的对话交流描述为管理计划，监控，思考和学习过程的工具。

游戏机制

游戏的主要元素通常由游戏机制来解释，游戏机制定义了玩家与游戏的交互方式。Lundgren和Bjork将游戏机制解释为玩家与游戏互动时需要采用的规则。Vincent及其同事将游戏的机制描述为“游戏基础的基本组成部分：材料，规则，明确的目标，基本动作以及可供玩家使用的控制选项”。 Hunicke及其同事指出，力学涉及动作，行为和控制机制。游戏机制的这种复杂结构使得很难为学生制作的游戏创建一套评估标准。 Weise 建议以动词形式编写游戏机制。基本上，在游戏规则范围内完成的动作是一种对创建框架有用的技术。 Werner和同事使用类似的技术来评估儿童使用爱丽丝2创建的计算机游戏中的游戏机制。他们将诸如收集，射击，赛车，猜测，击中移动物体，探索等动作列为游戏机制。此外，它们还包括游戏机制中的谜题，隐藏的对象，导航，级别和回避。

5.方法

本文基于一项具有更广泛关注领域的纵向博士研究，其目的是回答“通过游戏制作评估计算思维技能的最佳方法是什么？”这一问题。这项研究由伦敦大学机构审查委员会的戈德史密斯（Goldsmiths）审查，后来也得到曼彻斯特都市大学伦理委员会的批准。出于这项特殊研究的目的，民族志作为一种纵向和定性的方法被用来检查儿童制作计算机游戏时的计算思维过程。人种学不仅使我能够融合不同的数据收集方法，而且还为我提供了有关儿童学习过程的丰富书面说明。通过长时间在教室里观察正在发生的事情，孩子在说什么，在做什么以及为什么；我能够长期监控儿童推理的变化，这为我提供了详细，深入的发现，理解和非常个人化的经验。

正如Denzin和Lincoln 提出的那样，使用方法学三角剖分可以提高研究的有效性，因此，对于本文的重点，来自参与者的观察，非正式对话，儿童问题解决表， 使用访谈和儿童完成的游戏来理解计算思维过程的要素以及在计算机游戏设计环境中评估这些要素的方法。

5.1参加者的观察和非正式访谈

现场笔记是通过检查儿童在进行“自我”解释和小组讨论时所使用的语言，手势，他们与老师，同龄人以及在教室中与技术的关系的上下文而收集的。 在观察过程中，我进行了非正式或对话式采访，这使我能够讨论发生的问题或在孩子们发生重大事件时对其进行质疑。 因为他们不是正式的面试，所以这使孩子们在回答问题时更加自在和开放。 我用钢笔和A5大小的笔记本记录了我的观察和非正式对话。

5.2半结构式访谈

半结构式访谈被用来展现学生的“更深层次的自我”并收集“真实数据” 。在项目结束时，我分别采访了十个重点孩子。 使用录音机记录访谈内容并进行转录。 每次访谈的时长约为10-15分钟。

5.3期刊和问题解决表

尽管我为孩子们提供了记录他们活动的日记，但是许多孩子发现很难决定在日记中记录什么。 因此，我决定为他们提供一个

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