[论文解读] Developing a learning goal framework for computational thinking in computationally integrated physics classrooms

Daniel P. Weller, Theodore E. Bott+2 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2021

Teaching and Learning Programming参考文献 47被引用 7

一句话总结

本文基于对计算整合物理教学中学生小组合作的视频分析，构建了一个包含14项实践、6个类别的计算思维（CT）框架。该框架提供了可操作的评估指标，支持教师设计教学活动，并为研究人员在计算整合的物理学习环境中研究计算思维的发展提供支持。

ABSTRACT

Computational thinking has been a recent focus of education research within the sciences. However, there is a dearth of scholarly literature on how best to teach and to assess this topic, especially in disciplinary science courses. Physics classes with computation integrated into the curriculum are a fitting setting for investigating computational thinking. In this paper, we lay the foundation for exploring computational thinking in introductory physics courses. First, we review relevant literature to synthesize a set of potential learning goals that students could engage in when working with computation. The computational thinking framework that we have developed features 14 practices contained within 6 different categories. We use in-class video data as existence proofs of the computational thinking practices proposed in our framework. In doing this work, we hope to provide ways for teachers to assess their students' development of computational thinking, while also giving physics education researchers some guidance on how to study this topic in greater depth.

研究动机与目标

• 解决入门级物理课程中计算思维（CT）缺乏明确、学科特定学习目标的问题。
• 综合现有计算思维与物理教育文献，识别适用于物理课堂的相关、可操作的计算思维实践。
• 创建一个实用且基于实证的框架，支持教师进行评估，并支持研究人员在物理教学中研究计算思维的发展。
• 通过分析计算整合物理活动的真实课堂视频数据，提供计算思维实践的实证指标。
• 指导未来研究，探讨活动设计、小组构成和教师沟通如何影响计算思维实践的出现。

提出的方法

• 开展有针对性的文献综述，聚焦计算思维在物理教育中的应用及相关计算科学教育框架。
• 整合14项不同的计算思维实践，划分为6个类别：问题分解、模式识别、抽象化、算法设计、模拟和调试。
• 使用计算整合物理课程中学生小组合作的课堂视频记录作为实证证据，证明所提出的计算思维实践的存在与表现形式。
• 分析视频转录文本，识别体现各项计算思维实践的具体学生行为与互动，利用真实课堂数据验证框架。
• 将框架结构化，为每项实践提供可观测指标，支持形成性评估与研究应用。
• 聚焦非编程情境，强调计算思维的概念性与问题解决层面，符合Wing对计算思维作为“像计算机科学家一样思考”的定义，无需编写代码。

实验结果

研究问题

• RQ1 当计算被整合到教学中时，入门级物理课堂中浮现的关键计算思维实践有哪些？
• RQ2 这些计算思维实践在计算整合的物理活动中的真实学生小组合作中如何表现？
• RQ3 教师和研究人员可用于评估与分析的每项计算思维实践的可观测指标是什么？
• RQ4 小组构成、教师沟通和活动设计等因素如何影响特定计算思维实践的出现？
• RQ5 在物理教育中，能否通过课堂视频数据验证一种非编程、概念性的计算思维框架？

主要发现

• 本研究基于实证课堂视频数据，构建了一个全面的14项实践、6个类别的入门级物理计算思维框架。
• 每项计算思维实践均得到源自学生互动的可观测指标支持，例如将问题分解为子任务或识别数据中的模式。
• 视频分析证实，学生在计算建模任务的小组合作中积极开展了如调试、抽象化和算法设计等实践。
• 该框架表明，计算思维可以在不编写代码的情况下被有意义地教授与评估，支持Wing对计算思维的概念性理解。
• 教师的沟通方式与小组内角色分配显著影响学生参与度与对计算思维任务的认知，指令不明确会导致挫败感与参与度下降。
• 该框架为未来研究提供了基础，以探讨教学设计与课堂动态如何影响物理教育中计算思维实践的发展。