基于TPACK的中小学信息技术教师计算思维教学能力现状调查

林泽珊 魏轶娜 赵腾任

摘 要：提升教师的计算思维教学能力是实现学生计算思维发展的关键，而掌握教师计算思维教学能力现状是提出有效发展策略重要的依据。文章通过对264名中小学信息技术教师的计算思维教学能力进行问卷调查，了解和分析中小学信息技术教师的计算思维教学能力现状，并提出对策。调查结果显示，中小学信息技术教师的计算思维教学能力整体处于中等水平，教师的计算思维教学能力在TPACK不同维度上具有差异性，在计算思维教学内容（CK—CT）和计算思维教学法（PK—CT）方面较为薄弱。此外，学历较高的教师计算思维教学能力明显高于学历较低的教师;城市学校的教师计算思维教学能力明显高于乡镇学校的教师;参加过计算思维教学培训的教师计算思维教学能力明显高于未参加过培训的教师。

关鍵词：教师发展;TPACK;计算思维教学;现状调查

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：2096-0069（2021）06-0070-07

引言

人工智能、互联网、云计算、大数据等成为近年科技发展的重要研究方向与热点，新技术的运用与人类计算思维的拓宽密不可分，因而计算思维也受到越来越广泛的关注。卡内基·梅隆大学计算机科学系主任周以真教授将计算思维（Computational Thinking，简称CT）定义为运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及理解人类行为的涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动[1]。计算思维被视为21世纪学生所必须具备的基本素养，在中小学课程学习和实践中开展培养学生计算思维的时代已经到来。《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》将计算思维作为学科核心素养，指出应培养学生计算思维，提高其问题解决能力[2]。而培养学生计算思维的任务主要落在教师的肩上，有效培养学生计算思维必然需要教师自身具备扎实的专业基础知识、教学法知识、对计算思维工具的操作和应用知识。国际教育技术协会（International Society for Technology in Education，简称ISTE）于2018年发布的《教育者标准：计算思维能力》也对教师的计算思维教学能力提出了相关的要求，旨在帮助教学者更好地开展计算思维教育实践[3]。目前，关于教师计算思维教学相关研究主要集中在计算思维教学模式和教学策略上，而国内外对教育者胜任计算思维教育工作的评估研究近乎空白[4]。在教学实践中，大部分教师的计算思维的相关教学知识和技能仍相对薄弱[5]，计算思维相关教学资源和培训力度有待进一步完善和加强[6][7]，尤其在新课改背景下，中小学信息技术教师需要明确在计算思维教学中自身应具备的教学知识与能力，在教学实践中有意识、有计划地完善自身的知识结构，提升专业技能，这将直接影响到学生计算思维发展的效果。

整合技术的学科教学知识（Technological Pedago-gical Content Knowledge，简称TPACK）作为教师课堂教学中有效进行信息技术整合所需的知识框架，已经成为新时期教师发展的要求与标准，教师应具备使用适合内容和教学法开展学习活动的能力，TPACK理论框架为实现教师在计算思维教育领域的专业发展提供了途径[8][9]，也为教师计算思维教学能力的测量提供了理论框架。在TPACK框架中共包含了三个核心元素和四个互动元素，核心元素分别是技术知识（Technological Knowledge，简称TK）、教学法知识（Pedagogical Knowledge，简称PK）以及学科内容知识（Content Knowledge，简称CK）;互动元素包括学科教学知识（Pedagogical Content Knowledge，简称PCK）、整合技术的学科内容知识（Technological  Content Knowledge，简称TCK）、整合技术的教学法知识（Technological Pedagogical Knowledge，简称TPK）、整合技术的学科教学知识（TPACK）。詹纳科斯.米切尔（Giannakos Michail）[10]等验证了TPACK在计算思维教育中的七个维度。计算思维教学需要教师能够使用计算思维教学技术与工具，了解计算思维教学策略与教学方法，理解计算思维学科内容。江绍祥[11]进一步定义了在与编程教学相关的计算思维教学情境中的TK、PK、CK、PCK、TCK、TPK、TPACK要素。相关研究结果均表明，计算思维教学与教师的TPACK知识结构高度相关，TPACK结构具有明显层次性。

基于此，本研究以发展较为成熟的TPACK理论框架为基础，结合计算思维教学特点，开发计算思维教学评估工具，对中小学信息技术教师计算思维教学能力进行测量，针对存在的问题提供对策，以期为中小学信息技术教师计算思维教学能力的提升提供操作路径，进而推进21世纪学生核心素养在常规课堂落地。

一、研究方法

（一）调查工具

借鉴ISTE发布的《教育者标准：计算思维能力》，结合国内实际情况，编制基于TPACK的中小学信息技术教师计算思维教学能力调查问卷。问卷题目包括两个部分：第一部分是中小学信息技术教师个人基本信息，包括问卷填写者所在的地区、性别、年龄范围、教龄范围、教育培训及学校的信息化建设与师资培训等共9个题项。第二部分是中小学信息技术教师的计算思维教学能力方面内容，以ISTE发布的《教育者标准：计算思维能力》为指导，参考国内外相关研究成果编制而成。题项经过精删之后确定为29个题项，其中，技术知识（TK—CT）3题、教学法知识（PK—CT）5题、学科内容知识（CK—CT）4题、学科教学知识（PCK—CT）5题、整合技术的学科内容知识（TCK—CT）4题、整合技术的教学法知识（TPK—CT）4题、整合技术的学科教学知识（TPACK—CT）4题。问卷主体内容采用李克特五级量表法，教师根据自身情况选择符合与否，各项目均为1～5计分，得分越高则表示符合程度越高，完全不符合为“1”，完全符合为“5”。第三部分是开放式问题部分，主要了解教师在开展培养学生计算思维教学中的主要困难，以及教师参加计算思维教学培训的意愿。在调研前邀请TPACK研究经验丰富的专家和具有一定计算思维教学经验的教师对问卷内容进行讨论，经修改与完善，初步确定问卷题项为30题。

（二）预试情况

预试对象人数以问卷中包括最多题项的“分量表”的 3～5 倍人数为原则。本次调查收集的预试问卷有效样本数为152份，并抽取部分教师就量表内容进行访谈，进一步明确所有题项的含义。采用SPSS 20.0对回收的量表进行信度、效度检验。

在信度检验方面，量表在TPACK7个维度的Cron-bach’s  α系数均在0.8以上，总量表Cronbach’s α系数为0.975，因而说明研究数据信度很高。针对“已删除的α系数”，如果删除第4题“我能够在互联网上创建社交环境（比如讨论板、Web博客、电子文档共享），我创建的环境有助于学生解决问题和交流协作”，信度系数会有较为明显的上升，此外，考虑到有填答问卷者反映此题在表达上不够具体明确，因此对此题进行删除处理。

在效度檢验方面，采用因子分析方法进行效度检验，分别通过KMO值、共同度、方差解释率值、因子载荷系数值等指标进行综合分析，以验证数据的效度水平情况。KMO值为0.956，意味着研究数据效度非常好。另外，旋转后累积方差解释率为78.23%，大于50%，即这7 个因子可以解释78.23%的变异量，解释力度理想，意味着研究项的信息量可以有效地提取出来。

（三）调查对象

根据调研目标明确受试对象为中小学信息技术教师，样本抽取涵盖小、初、高各学段与城乡学校等，经过一个月的数据回收，共收回问卷269份，有效问卷264份，问卷的有效率为 98.14%。调研对象主要分布在广东、湖南、北京等地区，其中，男教师97人（36.7%），女教师167人（63.3%）;年龄在20～29岁133人（50.4%），30～39岁85人（32.2%），40～49岁40人（15.2%），50岁以上6人（2.3%）;教龄在5年及以下134人（50.8%），6～10年33人（12.5%），11～15年37人（14.0%），16年及以上60人（22.7%）;专科学历2人（0.8%），本科学历220人（83.3%），硕士及以上学历42人（15.9%）;小学教师92人（34.8%），初中教师129人（48.9%），高中教师43人（16.3%）;来自乡镇学校的教师116人（43.9%），来自城市学校的教师148人（56.1%）;参加过计算思维教学相关培训的132人（50.0%），未曾参加过的132人（50.0%）。

二、数据处理与分析

（一）数据收集与处理

经过预试题项的修订和删题处理，正式问卷共有29个题项，采用网络问卷发放形式进行随机抽样，各题均设置为必答题。利用SPSS 20.0软件进行数据统计与分析，对调研对象的基本信息、计算思维教学能力水平、计算思维教学过程中的主要困难以及培训意愿等调查结果进行描述性统计分析，为了解调研对象的特征和地区分布对计算思维教学能力的差异性，进一步采用独立样本T检验和方差分析比较不同性别、不同年龄、不同学历、是否参加过计算思维教学培训的教师的计算思维教学能力是否存在差异，掌握中小学信息技术教师的计算思维教学能力现状。

（二）结果分析

1.总体情况

为了分析目前中小学信息技术教师计算思维教学能力的总体情况，计算TPACK框架各维度的算术平均数，得出相应的样本在该维度上的得分，各维度上的样本与总体样本均值和标准差见表1。调查数据显示，中小学信息技术教师计算思维教学能力总得分为105.29±17.66，满分145分，各条目均分为3.63±0.61，整体处于中等水平。其中，得分在29～67分的有8名（3.0%），68～106分的有116名（43.9%），107～145分的有6名（2.3%）。调查数据显示，在TK—CT、PK—CT、CK—CT、PCK—CT、TCK—CT、TPK—CT、TPACK—CT 7个维度上的平均分分别为3.61、3.59、3.51、3.61、3.63、3.77、3.70，各维度得分由高到低依次为TPK—CT、TPACK—CT、TCK—CT、TK—CT、PCK—CT、PK—CT、CK—CT。

从得分排名可以看出，得分较高的3个维度都与技术知识相关，说明信息技术学科的教师关于计算思维教学技术知识处于中等偏上的水平，能够不断地适应教育技术的更新与变化，对技术与学科内容的融合具有一定的自信心，这与调查结果相符。在计算思维技术知识（TK—CT）方面可知，教师愿意主动学习和了解用于培养学生计算思维的技术和工具，能够在课堂上应用编程软件、思维导图、流程图、多媒体、互联网等，相对而言，在“我能够熟悉操作有关培养学生计算思维的技术工具”题项中得分最低，均值为3.46，说明教师具备应用技术培养学生计算思维的意识以及掌握技术工具的基本操作，但是目前仍无法对技术工具进行灵活深入的应用，对技术与计算思维教育的融合是计算思维教学能力的短板之一。

在TPACK各维度中，得分较低的维度是计算思维学科教学知识（PCK—CT，3.61分）、计算思维教学法知识（PK—CT，3.59分）、计算思维学科内容知识（CK—CT，3.51分），表明教师在PCK—CT、PK—CT、CK—CT三个方面还有待加强。

得分最低的是计算思维学科内容知识（CK—CT），这与我国计算思维教育实际情况相符，在我国计算思维是以学科核心素养的形式被结合到信息技术学科中的，而在信息技术学科中，又主要在算法与程序设计的单元模块中渗透这一学科素养，对于“计算思维教育应该教什么”有待长期深入的实践探索。具体来说，在CK—CT方面可知，教师对“关于计算机解决问题的过程体现在生活中的各种实例”有一定程度上的认知，能够较好地掌握，但“计算思维相关概念和核心知识（如问题解决、收集和分析数据、抽象、算法设计等）”一题得分最低，均值为3.40，说明教师对计算思维学科内容的认知仍处于较浅的层面，尚未能够全面理解计算思维内涵与学科内容。同样地，在TPACK维度中，得分排名倒数第二的是计算思维教学法知识（PK—CT）。相对而言，在“我能够采用合适的教学方法帮助学生学会分析问题”题项得分最高，均值达3.74，说明教师能够开展基于问题的教学活动，让学生在分析解决问题过程中发展计算思维，但在“如果不使用计算机技术或者不在计算机编程环境下，我也知道如何选择有效的教学方法和组织活动来培养学生的计算思维”题项中得分最低，均值为3.47。此外，得分较低的是教学法知识（PK）以及学科内容知识（CK），在“认为影响教师开展计算思维教学的主要困难”一题中，超过一半的教师认为对于“计算思维教育应该教什么和如何教”的问题感到困惑，认为是开展计算思维学科的主要困难之一。通过综合分析得知，以上调查结果相互印证，计算思维学科内容和教学法是中小学信息技术教师在实施以培养计算思维为导向的教学中较为薄弱的部分，也是目前计算思维教学发展过程中亟待解决的问题。

2.不同特征的教师计算思维教学能力得分比较

将样本按性别、职称、身份、年龄、教龄、学历、学校类型、参加培训情况，比较不同组教师的计算思维教学能力得分。结果显示：不同性别、职称、身份、年龄、教龄的教师间的差异均不显著。其中，在性别方面，男性信息技术教师拥有更高的计算思维教学水平;在职称方面，职称越高，则教师的计算思维教学能力越高;从学段上，高中教师的计算思维教学能力最高，其次是初中教师，小学教师的计算思维教学能力相对薄弱，究其原因，可能与高中信息技术新课程标准和教学内容有关，政策的导向和教学的要求使得以计算思维为导向的教学实施更为顺利。在年龄方面，30～39岁教师的计算思维教学水平最高，其次是40～49岁，而50岁以上的教师对自己进行计算思维教学水平的评估得分最低，究其原因，可能是30～49岁的教师相比其他年龄段的教师而言，这个年龄段的教师具有一定的教学经验，容易掌握新的技术和乐于接受新的教学理念，面对教学方式的改变和教学技术的变革以及教学模式的重构等新的一轮课程改革要求，有足够的自信心迎接新的改变。从教龄方面的数据亦可佐证此观点，教龄在6～10年的教师具有一定的教学经验，此时教师正处于30～49岁之间，能够作为课程改革和推进信息技术课程中的计算思维教学的主力军。此外，6～10年教龄的老师与5年以下和16年以上的教师相比，其均值差的显著性水平p<0.05，具有显著性差异。

对不同学历、学校地理位置、是否参加过计算思维教学培训的教师计算思维教学能力得分进行比较得知，结果均显示差异显著（p<0.05），如表2（见下页）所示。其中，高学历的教师计算思维教学能力得分明显高于学历较低的教师;城市学校教师计算思维教学能力得分明显高于乡镇学校教师;参加过计算思维教学培训的教师计算思维教学能力得分明显高于未参加过培训的教师。

此外，对开放式问题“您觉得影响计算思维教学的主要困难有哪些？”进行编码分类和频次统计，计算思维教学困难关键词频次统计结果如图1（见下页）所示，教师提到的频次最高的依旧是“软硬件设备不合适，缺乏教学环境的支持”这样基础设施方面的问题，其次是“缺乏计算思维教学相关培训”，频次并列第三的是“缺乏教学策略和方法的指导”“学生的计算机基础薄弱，水平不一”“课时限制”。也有部分老师提到了缺乏相关的案例资源的支持，对计算思维的内涵理解不够深入，自身的理论知识无法指导个人有效开展计算思维教学。整体来看，学校的软硬件设备投入、教学策略和方法的指导、课时限制是直接或间接影响教师计算思维教学能力提升的重要影响因素。而这些因素归根结底可以通过教师的实际需求开展计算思维教学培训，从理论到实践案例，从教学方法指导到教师个人教学艺术分享。此外，大多数教师提到的“信息技术目前非主科，学校领导不重视，教师平常除完成教学任务外还会有许多杂事需要处理，很大程度上影响自己教学备课的时间”这一问题不容忽视，因此，计算思维教学培训需根据教师的个人实际情况，培训时间安排上应有利于教师作弹性灵活的调整。

三、结论与建议

（一）结论

通过调查研究团队掌握了中小学信息技术教师计算思维教学能力整体现状和制约其发展的主要相关因素。得出以下结论：中小学信息技术教师的计算思维教学能力整体处于中等水平，计算思维教学内容体系尚不完善，教师在计算思维学科内容知识（CK—CT）和计算思维教学法知识（PK—CT）方面较为薄弱。此外，在性别方面，男性信息技术教师拥有更高的计算思维教学水平;在职称方面，职称越高，则教师的计算思维教学能力越高;从学段上，高中教师的计算思维教学能力最高，其次是初中教师，小学教师的计算思维教学能力相对薄弱;在年龄方面，30～39岁教师的计算思维教学水平最高，其次是40～49岁，而50岁以上的教师对自己进行计算思维教学水平的评估得分最低。年龄方面的数据与教龄方面的数据相互佐证，在教龄方面，教龄在6～10年的教师具有一定的教学经验，此时教师正处于30～49岁之间，能够作为课程改革和推进信息技术课程中的计算思维教学的主力军。教师学历、学校地理位置、是否参加过计算思维教学培训的教师计算思维教学能力均存在显著性差异：学历较高的教师计算思维教学能力高于学历较低的教师;城市学校的教师计算思维教学能力高于乡镇学校的教师;参加过计算思维教学培训的教师计算思维教学能力高于未参加过培训的教师。整体来看，学校的软硬件设备投入、教学策略和方法的指导、课时限制是直接或间接影响教师计算思维教学能力提升的重要影响因素。

（二）建议

针对调查结果和计算思维教学存在的问题，本研究提出以下建议以提升中小学信息技术教师计算思维教学能力：

第一，将计算思维教育纳入职前教师培养体系。加强师范生计算思维教育，将计算思维融入师范生现有课程体系中[12]，不断渗透计算思维教学理念，让师范生和在职教师共同合作，相互促进，实现学习共同体的成长，促进我国中小学信息技术教师计算思维教学能力水平的整体发展。

第二，全面加強教师计算思维教学培训。由“参加过计算思维教学培训的教师拥有更高的计算思维教学水平”的分析结果可知，计算思维教学培训是教师专业能力发展的主要影响因素，应该开展相关的计算思维教学培训[13]。在“是否愿意参加计算思维教学相关培训”的题项中，几乎所有的教师均表示愿意主动参与此类培训，可见教师对计算思维的提升具有明确的意愿。然而，教师同时面临一个现实问题，即教学任务的繁重、参与培训的时间不足。为此，建议将计算思维的培训纳入教师信息技术能力培训体系中，组织开展线上专家讲座、案例研讨，以及线下开展工作坊进行实践，线上、线下相结合的形式开展计算思维教学培训。通过专家讲座或者专题课程提升对计算思维理论知识的理解，促进观念意识的转变;通过线上案例研讨，与不同地区的信息技术教师之间的交流和学习互相借鉴，缩小地区城乡教学水平差异，实现计算思维教育均衡发展;通过线下教师工作坊的定期开展，以专家带领教师，通过教学实践和磨课，形成计算思维优秀教学案例，并将实践生成的案例作为计算思维教学资源的重要组成部分，进行推广使用和迭代深化。

第三，選用合适的教学策略与教学方法。针对“计算思维教学策略与方法指导欠缺，尤其是学生的编程基础差，编程教学能力不足”的问题，中小学信息技术教师应根据教学实际选用合适的教学策略。目前，培养中小学生计算思维的策略主要包括：类比教学法、思维导图的应用、不插电的编程、流程图的应用、结对编程、日志反思等。

第四，尽早出台计算思维教育课程标准。课程标准是明确课程实施目的、内容与教学建议的指导性文件。当前我国已经出台了《普通高中信息技术课程标准（2017版）》，但义务教育阶段的信息技术课程标准尚未出台，呼唤尽早出台相关课标，一方面，为课程实施提供纲领性指导意见，保障课程的有效实施，指导教师将计算思维与学科内容进行有效融合;另一方面，政策的出台能够加强学校对信息技术课程的重视，加大学校领导的支持力度，进一步实现计算思维教育在常规课堂中的有效落地，进而加快培养学生21世纪素养的步伐。

参考文献

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（責任编辑 孙志莉）

The Status Survey of Computational Thinking Teaching Ability of Information Technology Teachers of Primary and Secondary Schools Based on TPACK

LIN Zeshan1，WEI Yina2，ZHAO Tengren3

（1.School of Information Technology in Education，South China Normal University，Guangzhou，Guangdong，China 510631;

2.The Institute of Educational Information and Data Statistics，National Institute of Education Sciences，Beijing，China 100088;

3.Beijing Academy，Beijing，China 100020）

Abstract：  Improving teachers’ computational thinking teaching ability is the key to realize the development of students’ computational thinking.While mastering the current situation of teachers’ computational thinking teaching ability is the important basis of putting forward effective development strategy.This paper has done a questionnaire to the computational thinking teaching ability of 264 teachers of information technology in primary and secondary schools，understood and analyzed the current situation of computational thinking teaching ability of teachers of information technology in primary and secondary schools，and put forward strategies.The results show that the overall computational thinking teaching ability of teachers of information technology in primary and secondary schools is at medium level，teachers’ computational thinking teaching ability has differences in different dimensions of TPACK，and are rather weak in computational thinking teaching content （CK-CT） and computational thinking teaching （PK-CT）.In addition，the computational thinking teaching ability of higher-educated teachers is obviously higher than less educated teachers;the computational thinking teaching ability of urban school teachers is obviously higher than rural school teachers;the computational thinking teaching ability of teachers who have participated in the computational thinking teaching training is obviously higher than those teachers who haven’t.

Key words： teacher development;TPACK;computational thinking teaching;status survey