CTSkills 應用程式：測量學生在計算思維中問題分解能力的工具

Khái niệm cốt lõi

文章介紹了一個名為 CTSkills 的網路應用程式，旨在評估學生在計算思維中至關重要的問題分解能力，並探討了不同年級學生在問題分解能力方面的表現差異。

Tóm tắt

研究論文摘要

文獻資訊: Assaf, D., Adorni, G., Lutz, E., Negrini, L., Piatti, A., Mondada, F., ... & Gambardella, L. M. (2024). The CTSkills App -- Measuring Problem Decomposition Skills of Students in Computational Thinking. arXiv preprint arXiv:2411.14945v1.

研究目標: 本研究旨在探討如何在 K-12 教育環境中評估學生的問題分解能力，並了解 4-9 年級學生在問題分解能力方面的表現差異。

研究方法: 研究人員開發了一個名為 CTSkills 的網路應用程式，該應用程式包含三個級別的互動式遊戲，每個級別後有四個問題，用於評估學生在物質分解、關係分解和抽象化方面的能力。研究人員招募了 75 名 4-9 年級的學生參與測試，並收集了他們在使用應用程式時的表現數據。

主要發現: 研究結果顯示，隨著年級的增長，學生的問題分解能力整體呈現上升趨勢，但 9 年級學生的表現卻意外地低於 8 年級。此外，不同問題類型的難度存在差異，其中與物質分解和抽象化相關的問題更容易被學生理解和解決。

主要結論: CTSkills 應用程式是一個有效的計算思維評估工具，可用於測量學生在問題分解能力方面的表現。研究結果表明，問題分解能力的發展與學生的年齡和認知發展水平相關，教師需要針對不同年級學生的特點設計相應的教學活動，以促進他們問題分解能力的提升。

研究意義: 本研究為計算思維教育提供了一個新的評估工具，並揭示了學生在問題分解能力發展方面的一些規律，對於教師設計教學活動和制定教學策略具有一定的參考價值。

研究限制與未來研究方向: 本研究的樣本量較小，且僅關注 4-9 年級的學生，未來需要擴大樣本量並納入更多年級的學生。此外，研究中使用的評分方法也需要進一步完善，以更全面地評估學生的問題分解能力。

Thống kê

研究樣本包括 75 名 10-17 歲的學生，分佈在 4-9 年級。
除了第一組學生外，所有學生都有一定的 Scratch 程式設計經驗。
研究結果顯示，8 年級學生的平均得分顯著高於 4 年級學生。
9 年級學生的平均得分卻意外地低於 8 年級學生。
問題 2 的平均得分顯著高於問題 1。
問題 3 的平均得分顯著低於問題 2。
問題 4 的平均得分顯著低於問題 1 和問題 2。

Trích dẫn

"Problem decomposition is frequently regarded as a starting point for problem-solving, encompassing computational problem-solving and many other fields."
"This study presents “CTSkills”, a web-based skill assessment tool developed to measure students’ problem decomposition skills."
"This pilot study aims to demonstrate the feasibility of assessing problem decomposition skills in the classroom and gain further insights for future work."

Thông tin chi tiết chính được chắt lọc từ

The CTSkills App -- Measuring Problem Decomposition Skills of Students in Computational Thinking

by Dorit Assaf,... lúc arxiv.org 11-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.14945.pdf

Yêu cầu sâu hơn

CTSkills 應用程式如何應用於課堂教學，以幫助教師更好地評估和提升學生的問題分解能力？

CTSkills 應用程式可以作為一種有效的評估工具，幫助教師了解學生在問題分解能力方面的優缺點，並根據評估結果調整教學策略。以下是一些具體的應用方式：
1. 診斷性評估： 在開始教授新的計算思維概念之前，教師可以使用 CTSkills 應用程式對學生的問題分解能力進行診斷性評估。這可以幫助教師了解學生的起點水平，以及他們在哪些方面需要額外的支持。
2. 形成性評估： 在教學過程中，教師可以定期使用 CTSkills 應用程式對學生的學習進度進行形成性評估。這可以幫助教師及時發現學生的學習困難，並調整教學策略以滿足學生的個別需求。例如，教師可以根據學生的評估結果，提供更具針對性的練習題，或者將學生分成不同的小組進行差異化教學。
3. 總結性評估： 在一個教學單元結束時，教師可以使用 CTSkills 應用程式對學生的學習成果進行總結性評估。這可以幫助教師了解學生對問題分解能力的掌握程度，以及教學目標的達成情況。
4. 促進學生反思： CTSkills 應用程式可以記錄學生的操作過程和解題思路，教師可以利用這些數據幫助學生反思自己的解題策略，找出問題並改進。例如，教師可以讓學生觀看自己操作應用程式的錄影，並引導他們思考：哪些地方做得比较好？哪些地方可以做得更好？
5. 設計教學活動： 教師可以參考 CTSkills 應用程式中的題目設計，設計更多類似的問題分解練習，並融入到實際的程式設計教學中。例如，教師可以讓學生利用 Scratch 等程式設計軟體，將 CTSkills 應用程式中的遊戲場景設計出來，並編寫相應的程式碼。
總之，CTSkills 應用程式可以作為一種靈活的教學工具，幫助教師更好地評估和提升學生的問題分解能力。教師可以根據教學目標和學生的實際情況，選擇合適的方式將其應用到課堂教學中。

除了問題分解能力之外，還有哪些計算思維能力對學生的學習和發展至關重要？如何評估這些能力？

除了問題分解能力（Problem Decomposition）之外，以下幾種計算思維能力也對學生的學習和發展至關重要：

抽象化 (Abstraction): 將複雜問題簡化，提取關鍵信息，忽略不相關細節的能力。

評估方式: 可以通過觀察學生能否將具體問題轉化為模型、圖表或程式碼來評估。例如，讓學生設計一個演算法來解決特定問題，並觀察他們能否將問題抽象成一系列步驟和規則。

模式識別 (Pattern Recognition): 識別數據中的規律和趨勢的能力。

評估方式: 可以通過讓學生找出序列、圖像或程式碼中的規律來評估。例如，讓學生預測數列中的下一個數字，或者找出程式碼中重複出現的程式碼片段。

演算法設計 (Algorithm Design): 設計解決問題的步驟和規則的能力。

評估方式: 可以通過讓學生編寫程式碼、設計流程圖或使用偽代碼來解決特定問題來評估。例如，讓學生設計一個演算法來排序一組數字，或者讓他們設計一個演算法來搜尋迷宮中的路徑。

自動化 (Automation): 將重複性任務自動化的能力。

評估方式: 可以通過觀察學生能否使用迴圈、條件語句等程式設計結構來簡化程式碼，以及能否使用電腦程式來自動化完成特定任務來評估。例如，讓學生編寫一個程式來自動生成乘法表，或者讓他們編寫一個程式來自動處理數據文件。

評估 (Evaluation): 評估解決方案的效率和正確性的能力。

評估方式: 可以通過讓學生比較不同解決方案的優缺點，並分析其時間複雜度和空間複雜度來評估。例如，讓學生比較兩種不同的排序演算法，並分析哪種演算法在不同數據量下的效率更高。

教師可以通過設計不同的教學活動、項目和評估方式，來培養和評估學生的這些計算思維能力。例如，可以使用 unplugged 的活動、程式設計項目、機器人搭建等方式，讓學生在實踐中運用和提升這些能力。

在人工智慧技術快速發展的背景下，如何培養學生利用計算思維解決現實問題的能力？

在人工智慧時代，培養學生利用計算思維解決現實問題的能力比以往任何時候都更加重要。以下是一些建議：

將計算思維融入各個學科: 計算思維不應該僅僅局限於計算機科學課程，而應該融入到各個學科的教學中。例如，在數學課上，可以引導學生使用計算思維來解決數學建模問題；在語文課上，可以引導學生使用計算思維來分析文本數據；在科學課上，可以引導學生使用計算思維來設計實驗和分析數據。

強調真實問題的解決: 教學中應該注重讓學生利用計算思維解決真實世界中的問題，而不是僅僅停留在理論層面。例如，可以讓學生參與一些與社區相關的項目，例如設計一個應用程式來幫助老年人使用智能手機，或者設計一個系統來監測環境污染。

培養學生的批判性思維: 人工智慧技術的發展也帶來了一些倫理和社會問題，教師應該引導學生批判性地思考這些問題，並利用計算思維來尋找解決方案。例如，可以讓學生討論人工智慧的倫理問題，例如演算法歧視、隱私洩露等，並思考如何利用技術來解決這些問題。

利用人工智慧工具輔助教學: 教師可以利用一些人工智慧工具來輔助教學，例如使用機器學習平台來分析學生的學習數據，或者使用自然語言處理技術來開發智能化的教學助手。

持續學習和適應變化: 人工智慧技術發展迅速，教師也需要不斷學習新的知識和技能，才能更好地引導學生。教師可以參加一些專業培訓、閱讀相關書籍和文章，或者參與線上論壇和社群，與其他教育工作者交流學習。

總之，在人工智慧時代，培養學生利用計算思維解決現實問題的能力需要教育工作者不斷探索新的教學方法和策略，幫助學生掌握應對未來挑戰所需的知識和技能。