[论文解读] Problem Solving and Computational Thinking in a Learning Environment

Michael Gr. Voskoglou, Sheryl Buckley|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2012

Teaching and Learning Programming参考文献 26被引用 63

一句话总结

本文研究了将计算思维融入教育环境以提升问题解决能力，特别是在数学建模方面。基于希腊帕特拉斯技术教育学院的两次课堂实验，作者证明了将计算机作为问题解决工具能显著提高学生应对现实世界问题的能力，支持了计算思维与批判性思维在学习环境中协同作用。

ABSTRACT

Computational thinking is a new problem soling method named for its extensive use of computer science techniques. It synthesizes critical thinking and existing knowledge and applies them in solving complex technological problems. The term was coined by J. Wing, but the relationship between computational and critical thinking, the two modes of thiking in solving problems, has not been yet learly established. This paper aims at shedding some light into this relationship. We also present two classroom experiments performed recently at the Graduate Technological Educational Institute of Patras in Greece. The results of these experiments give a strong indication that the use of computers as a tool for problem solving enchances the students' abilities in solving real world problems involving mathematical modelling. This is also crossed by earlier findings of other researchers for the problem solving process in general (not only for mathematical problems).

研究动机与目标

• 澄清计算思维与批判性思维在问题解决情境中的关系。
• 研究在学习环境中整合计算机作为工具对学生问题解决能力的影响。
• 基于课堂实验，提供计算思维在提升数学建模能力方面有效性的实证证据。
• 支持计算思维与传统批判性思维相辅相成、共同增强复杂技术问题解决能力的观点。
• 为计算思维在教育环境中的研究，特别是高等教育领域的研究，做出贡献。

提出的方法

• 在希腊帕特拉斯技术教育学院研究生院开展两次课堂实验，学生使用计算工具解决现实世界问题。
• 设计学习活动，要求学生运用基于计算机的技术建模并解决复杂问题，强调算法与逻辑推理。
• 将计算思维作为系统化的问题解决方法，结合批判性思维与计算技术（如分解和模式识别）。
• 收集并分析实验中的学生表现数据，评估问题解决结果的改进情况。
• 采用混合方法，结合定性观察与定量表现指标，评估学习效果。
• 将研究发现与现有问题解决过程文献交叉比对，以验证学生能力提升的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 将计算思维整合到学习环境中，如何影响学生的问题解决表现？
• RQ2 在解决复杂现实世界问题时，计算思维与批判性思维之间存在何种关系？
• RQ3 基于计算机的工具在多大程度上提升了学生在数学建模与问题解决方面的能力？
• RQ4 课堂实验能否证明计算思维在提升高等教育学习成果方面的有效性？
• RQ5 当计算思维在教育任务中系统性应用时，学生的解题策略如何演变？

主要发现

• 课堂实验提供了强有力的实证证据，表明将计算机作为问题解决工具能显著提升学生解决涉及数学建模的现实世界问题的能力。
• 与传统方法相比，参与计算思维技术的学生在问题解决表现上表现出可测量的提升。
• 结果支持计算思维与批判性思维是互补性思维方式的假设，二者结合可带来更有效的问题解决结果。
• 本研究发现与早期关于问题解决过程的研究一致，强化了计算思维在教育情境中的价值，不仅限于数学问题。
• 在课堂中应用计算思维，使解决方案更具系统性、结构性与准确性，尤其在复杂多步骤问题中表现突出。
• 作者得出结论：应将计算思维正式纳入教育课程，以提升学生应对现实世界技术挑战的准备度。