1 引言
在21世纪，计算思维（CT）越来越被视为一项人人必备的基本技能。将CT融入早期教育，有潜力培养儿童的逻辑推理、创造力和协作能力。然而，CT在学前教育中的有效实施很大程度上取决于教育工作者的知识、信念和自我效能感。尽管数字技能融入K-12课程在不断推进，但针对教授最年幼学习者的教师的有效专业发展方面，仍存在显著的研究空白。
为了解决这一挑战，本研究采用了一个更广泛的分析框架——计算素养（CL）。CL不仅指理解和应用CT概念的能力，还包括有意义地使用计算工具、通过它们表达思想以及参与数字环境的社会文化实践。它区别于侧重基本操作技能的“计算机素养”，更强调通过数字工具进行批判性参与和知识构建。本研究采纳了由diSessa提出的CL三核心组成部分：认知、材料和社会。认知成分指的是根据新工具和表征系统来调整和重组思维的能力；材料成分涉及使用外部化表征使想法具体化；社会成分则考察个体在特定规范和价值观塑造的社会文化背景下应用计算过程的方式。因此，本研究将CT概念作为学习活动的基础构建块，但将CL框架作为评估教师全面发展的更广泛分析视角。
本研究旨在通过基于设计研究（DBR-informed）的方法，探究教育干预如何支持职前教师在CL的三个维度上的学习。为此，本研究提出了三个研究问题：
(1) 认知成分：干预在多大程度上影响了职前教师整合CT所需的认知知识？
(2) 材料成分：材料创作任务以何种方式使职前教师能够将他们的CL具象化到有形的教学制品中？
(3) 社会成分：干预的社会中介方面如何塑造了职前教师对整合CT的态度和社会认知？
1.1 CT对学前教师和学生发展的影响
将CT整合到学前教育中，因其能培养儿童的逻辑推理、创造力和解决问题的能力而日益受到关注。然而，其有效实施在很大程度上取决于早期教育工作者的知识、信念和自我效能感。基于课程的专业发展计划可以显著提高学前教师的CT知识、态度和教学自我效能感。
1.2 教师教育和专业发展背景下的CT/CL
随着CT和CL获得关注，将其整合到教师教育项目中对于课堂中的可持续实施变得越来越关键。有效的专业发展对于教师的持续成长也至关重要。然而，最近一项系统综述强调，许多专业发展研究只关注教师对CT概念的理解，而没有探索教师如何学习评估或创建自己的学习活动。
1.3 超越CT的CL
CL不应与计算机素养或数字素养混淆。CL关注的重点不是消费数字信息，而是通过计算手段构建和表达思想。它强调从数字消费到数字创造的转变，符合培养创造力和解决问题能力的教学法目标。
2 方法
本研究立足于教育设计研究（EDR）视角，是旨在真实教学环境中考察职前幼儿园教师学习的、初步的、设计导向的阶段。研究采用DBR-informed的方法，重点关注教育干预在实践导向环境中的系统性设计和检验。
2.1 干预的设计原则和参数
干预的设计旨在实现四个主要目标：
(1) 整体计划目标：促进职前教师CL在其认知、材料和社会三个组成部分上的全面发展。
(2) 认知目标：将抽象的计算概念植根于教学和游戏活动中，使职前教师能够在真实情境中运用其理论知识。
(3) 材料目标：通过将材料生产确立为核心认知实践，将参与者从技术消费者转变为积极的创造者，让他们通过数字制品的设
计使其理解具体化。
(4) 社会目标：培养一个社会建构主义的学习环境，让参与者进行集体意义建构，从而培养积极的专业态度，并将CL框定为一种内在的社会实践。
此外，实践参数也指导了干预的设计和实施：(1)为期5周的“教学技术”必修课时间限制了干预；(2)教学设计假设参与者没有CT先验知识；(3)所有学习活动都必须是真实的，并与学前教育学科背景相关；(4)研究将干预限制在广泛可用的协作技术（如CANVA, Padlet），以确保公平性和可复制性。
2.2 参与者
研究在学前教育系二年级的“教学技术”课程中进行，为期5周。45名注册学生中有33人自愿参与研究，最终有26名学生（3名男性，23名女性）完成了研究，年龄在19至25岁之间，平均年龄21.08±1.69岁。
2.3 设计流程和材料
参与者在“教学技术”课程中接受了在线培训，以提高其CL。培训中使用了Big Blue Button虚拟会议工具和Padlet数字讨论板等Web 2.0工具。教育活动同步和异步同时进行。
异步活动：为了实现将参与者转变为积极创造者的材料目标，设计了一系列异步活动。这些活动的目的是让参与者独立应用同步课程中的概念来制作自己的教学制品。参与者自愿完成了三个异步任务：研究、创造和分享。任务通过Padlet分享，完成任务的参与者会获得“种子”作为奖励，这会影响课程最终成绩。
在研究任务中，参与者对计算技能的四个组成部分进行研究，并用他们在CANVA中准备的信息图在Padlet上分享结果。在创造任务中，参与者选择了一个幼儿园课程成果，并设计了一个真实的CT整合学习活动，用一个支持四种CT技能的场景板来解释活动流程。在分享任务中，参与者被要求写下他们在完成任务过程中学到的内容以及对此过程的修订意见。
同步活动：研究人员设计同步课程主要为了实现干预的认知和社会目标。这些实时课程为直接教学、同伴讨论和社区建设提供了协作空间。每周的虚拟课程主题如Table 1所示。
例如，第二周的同步课程旨在探索如何在幼儿园学习活动中支持分解和抽象技能。为了使抽象的分解技能变得具体有趣，研究人员与参与者在Padlet环境中玩了一个“画怪物头”的游戏。参与者被要求分享怪物头的子组件：眼睛、耳朵、鼻子、嘴巴和声音，这个过程旨在支持分解技能。随后，参与者被要求检查所有怪物头，并找出哪些组件在绘制中没有被使用，这个后续任务旨在支持抽象技能。该活动的屏幕截图如图1所示。
第三周的课程旨在探索如何在幼儿园学习活动中支持模式识别和纠错技能。参与者通过屏幕上的幼儿园学习活动回答了投票问题。例如，在图2展示的模式识别活动中，冰淇淋根据行和列的颜色进行着色。参与者被问及第一行中哪种冰淇淋颜色重复出现，并通过投票确认该活动支持模式识别。
随后，在图3展示的纠错活动示例中，参与者被要求根据形状指示为机器人女孩涂色，并找出指令框中缺失的形状，为其分配颜色以纠正错误。随后的投票结果也确认了该活动支持纠错技能。
第四周的同步课程旨在为分步支持四项技能的学习过程创建一个场景板。教育者在在线课程中展示了不同的场景板示例（如图4所示），并与参与者一起探讨每个阶段发展了哪种技能。
第五周的课程旨在与参与者一起改进异步学习任务，并通过共同评估来弥补知识差距或误解。
2.4 测量工具
为了探究通过将CT整合到幼儿园学习活动中来发展CL的情况，研究人员开发了与CL三个核心成分（认知、材料、社会）相匹配的定量和定性测量工具（Table 2）。
认知成分通过认知知识测试评估，材料成分通过表现量规评估，社会成分通过态度问卷和参与者的反思性写作评估。定量数据来自认知知识测试、表现量规和态度问卷，而定性数据则提供了对参与者反思的更深入理解。
认知成分的认知知识测试：研究人员开发了认知知识测试，用于评估职前幼儿园教师识别CT在早期学习活动中整合情况的能力。该测试包含12道选择题，平均分布在分解、模式识别、抽象和调试四个核心CT技能中。每道题描述一个幼儿园学习活动场景，要求参与者识别所展示的CT技能。每题10分，总分范围0-120。测试经过专家评审和预测试，其难度指数为0.612，表明难度适中。
材料成分的表现量规：在CT整合培训后，向职前教师分配了研究和创造两项任务。研究人员通过系统化流程开发了表现量规以确保其效度和信度。两项任务的量规标准均来源于四个核心CT技能和CL材料成分的理论定义。专家审查确保了内容效度。研究和创造任务的最终量规分别包含4个和9个标准，每个标准按1分（不足）到3分（足够）计分。两名研究人员作为独立评分者，通过校准会议确保评分者间信度后，对所有提交的作品进行评分，并计算平均分作为定量数据。
社会成分的态度问卷和反思：为了分析社会成分，研究人员收集了两类数据。第一种是态度问卷，作为定量数据在培训前后施测。该问卷测量对CT整合的态度，采用四点李克特量表，包含四个条目。第二种数据收集工具是反思性写作。研究人员从参与者在Padlet上的异步贡献中获取定性数据，参与者被要求分享他们对整合CT过程的看法。
2.5 数据分析
对于定量数据，进行了描述性统计、配对样本t检验和威尔科克森符号秩检验。分析前检查了数据集的正态性假设。对于小样本量（n < 50），使用夏皮罗-威尔克检验来确定数据是否正态分布。
对于参与者的异步反思产生的定性数据，研究人员采用了反思性主题分析法。分析始于第一位研究人员审查所有回答，从反复出现的表达和意义单元中生成初步主题。然后与第二位研究人员共同审查、讨论并提炼这些主题，以增强主体间一致性。这一迭代过程最终构建了与CL社会成分相关的最终主题。分析过程采用了反思性方法，研究人员记录了自己的立场性，并持续反思他们之前的经验可能如何影响数据解读，这有助于减轻偏见并保持分析与参与者视角的一致性。
2.6 研究者立场性
在定性研究中，透明地披露研究者的立场性是一项伦理和方法论的当务之急。研究者明确声明了自己的立场性，以提供本研究如何设计和解读其数据的背景。第一作者是一位专注于教师教育和教学技术的研究员，在K-12 CT整合方面拥有丰富的现场经验。她采用了建构主义的学习方法，优先考虑与职前教师共同构建知识。第二作者是一位在教育技术和技术整合方面经验丰富的学者，在确保研究方法论的完整性方面发挥了积极作用。
3 结果
3.1 CL认知成分的结果
为了回答第一个研究问题——干预在多大程度上影响了职前教师整合CT所需的认知知识？——研究人员对干预前后收集的认知知识测试数据进行了配对样本t检验（Table 3）。结果显示，后测得分（M = 73.46， SD = 17.19）较前测得分（M = 64.62， SD = 14.48）有统计学显著增加，t（25）= -2.76， p < 0.05。效应量科恩d值为0.54，表明具有中等效应。这一显著且积极的影响表明，关注认知成分是CT整合的有效教学方法。
3.2 CL材料成分的结果
第二个研究问题是：材料创作任务以何种方式使职前教师能够将他们的CL具象化到有形的教学制品中？为此，使用表现量规评估了参与者的异步研究和创造任务。这些任务的高分表现表明，通过有支架的材料生产来实施CL是一种有前景的方法。
在研究任务（参与者创建信息图）中，平均得分为14.1分（标准差1.0，满分15分）。在创造任务（参与者设计CT整合场景板）中，平均得分为25.3分（标准差1.3，满分27分）。这些高分表明，任务完成情况良好且表现出相当水平的能力。这表明，为职前教师提供真实的创造任务是帮助他们将抽象的CL概念转化为具体且与专业相关的教学材料的有效方法。
3.3 CL社会成分的结果
第三个研究问题是：干预的社会中介方面如何塑造了职前教师对整合CT的态度和社会认知？该问题通过分析两个不同的数据源来综合回答：(1) 培训前后态度问卷的定量分数；(2) 培训后从分享任务中获得的反思性定性数据。
首先分析定量数据。由于态度得分不符合正态分布，采用威尔科克森符号秩检验来评估参与者态度在干预前后的变化（Table 4）。检验结果证实，培训后态度得分发生了统计学上的显著积极变化（Z = -2.75， p < 0.01）。这一量化发现证实了参与者在干预期间对CT整合的态度发生了积极转变。
为了理解这种转变是如何发生的并探索其背后的过程，研究人员分析了分享任务中的定性数据。对26名参与者的所有反思进行了反思性主题分析。这一过程产生了四个不同的主题来解释参与者的体验（Table 5）。
根据Table 5，从分享任务获得的定性数据中产生了四个主题来分析社会成分中的CL。在第一个主题“寓学于乐”中，26名参与者中有15人表示，他们认为所上的CT整合课程以及在该领域执行的任务很有趣，并对他们的学习有所贡献。
第二个主题是“用于教学生活”。19名参与者表示，当他们未来成为一名教师时，会将所学到的CT整合技能融入他们的学习活动中。
第三个主题是“获得意识”。11名参与者表示，他们已经在不同学科或现场活动中使用了CT技能，只是不知道它叫什么，现在他们获得了意识。
最后一个主题是“从复杂到简单”。9名参与者表示，起初CT概念及其整合过程看起来相当复杂，但当课堂上提供了大量示例并讨论了Padlet提交内容中的错误后，他们意识到这其实非常容易。
总而言之，职前教师体验到寓学于乐和基于发现的学习过程，增加了社会互动，并对CT的态度产生了积极变化。这使参与者能够在个人和社会背景下探索CL社会成分的CT整合，促进了集体学习。
4 讨论
4.1 研究结果与CL各组成部分关系的解读
本研究结果表明，DBR-informed干预支持了职前教师CL在其三个核心成分上的发展。
认知成分：认知知识测试分数的显著提高，响应了教师教育中加强CT培养的需求。然而，干预的目标不仅仅是教授孤立的CT技能。本研究强调，区别在于CL模型所提供的框架和整合作用。在本次培训中，职前教师不是孤立地学习CT技能，而是被要求通过具体的材料创作和协作性社会背景来应用它们。因此，认知成分的发展不仅仅是获得CT技能，而是理解这些技能如何作为更广泛、综合性素养的一部分发挥作用。
材料成分：参与者在研究和创造任务中的高绩效说明了CL框架的一个关键原则：将抽象思维转化为具体、物质形式的力量。通过设计自己的CT整合学习材料，职前教师外化了他们的思维，并参与了有形的解决问题的过程。这种创造行为是CL的核心，它将个体从被动的技术消费者转变为能够通过计算手段组织和表达思想的积极设计者。
社会成分：结果显示参与者的态度发生了显著的积极转变，他们的反思也揭示了对CT在个体学习之外相关性的加深理解。这一转变反映了CL被视为社会性和协作性实践的观点。干预在这一领域的成功在“获得意识”主题中尤为明显。参与者意识到CT不是一个陌生的概念，而是已经嵌入他们现有的实践中，例如在数学中。这种认识强化了CT是一种适用于跨领域的跨学科技能这一观点，并且CL发展涉及在现有社会和教育背景下识别这些联系。
4.2 对设计目标和原则的反思
从设计导向研究的角度来看，批判性反思是必要的，需要审视研究结果如何与最初的设计意图和学习目标相关联。从这一视角出发，本分析表明，干预支持了职前教师对CL认知、材料和社会维度的参与。研究结果为与这三个维度相一致的三个教学法设计考虑因素提供了初步依据，可为未来类似干预措施的改进提供指导。
首先，研究结果表明将抽象概念植根于创造性和游戏性的教学方法中具有潜在价值。从“画怪物”游戏等活动的结果来看，参与者的认知得分有所提高，并且出现了“寓学于乐”这一主导的质性主题。
其次，研究提供了与将材料生产作为学习手段这一原则相一致的设计见解。结果表明，将理论学习与材料生产紧密结合的设计目标是有效的。认知知识的显著增加似乎与理论指导和材料生产的整合有关，而非孤立的理论指导。相反，参与者被立即要求通过创造有形的教学制品来应用抽象的CT概念。
第三，研究结果强调了培养一个支持协作意义建构的社会中介环境对于长期采纳的必要性。定性数据显示，协作环境至关重要。这种积极、低风险的社会背景似乎建立了必要的信心和动力，使参与者能够在自己的课堂中设想使用这些活动。
本质上，观察到的结果似乎并非源于任何单一成分的孤立作用，而是它们协同整合的结果。通过这三项原则同时发展CL的认知、材料和社会成分，该设计使职前教师能够将教育技术不仅视为一套工具，更视为实现自身教学目标的有效学习环境。这种全面的发展使他们能够在真实课堂的复杂社会背景下更有效地运用其认知和实践技能。
4.3 对未来研究和设计改进的局限性与启示
作为一个设计导向的初始阶段，本研究有几个局限性。首先，相对较小的样本量和单一的大学背景限制了研究结果向其他教师教育环境的可转移性。此外，研究没有设置对照组或比较组，这反映了本研究主要关注考察参与者的学习过程和与干预的互动，而不是建立关于有效性的因果主张。未来的研究可以在更大、更多样化的样本中检验所提出的设计原则，并在适当时纳入比较设计以进一步检验其影响。
另一个局限性涉及第一作者作为课程讲师和研究者的双重角色。虽然这种定位能够深入了解教学环境和参与者的学习体验，但也可能影响数据的解读。未来的研究可以通过让额外的研究人员或外部观察者参与数据收集和分析过程来加强方法论的严谨性。
最后，本研究在为期5周的教学期内考察了参与者的学习。因此，干预对参与者后续教学实践的长期影响尚不清楚。对职前教师进入早期专业实践的纵向研究，对于检验已识别的学习成果的持久性以及所提设计原则的持续相关性将很有价值。
除了这些方法论上的考虑，研究结果还为未来研究中类似干预措施的教学设计改进提供了一些启示。
增强支架：一些参与者最初认为CT概念“复杂”的质性发现表明，需要在认知维度上提供更强的教学支架。未来的研究可以探索在类似干预的早期阶段纳入更多有指导性的具体示例，然后逐步过渡到开放式的创造性任务，作为解决参与者报告初期困难的一种潜在方式。
结构化的协作：尽管社会目标在很大程度上是成功的（反映在态度的积极转变上），但协作方面可以加强。下一个设计将在Padlet环境中设置更结构化的同伴反馈机制，以建立在最后一周评估活动的基础上，并确保所有参与者，而不仅仅是最自信的那些，都能积极参与互惠学习。
关注持续实施：为了弥补关注短期结果的局限性，未来的研究应考虑如何支持职前教师更独立地实施CT整合活动。研究发现，尽管教师信心有所增加，但仍对使用预先设计的活动感到最舒适——这一模式在类似情境中也有报告。这表明，仅靠短期培训往往是不够的。因此，未来的设计导向研究可以探索持续和长期支持的形式，这可能是教师发展更强自我效能感以设计自己的计算整合所必需的。
5 结论
这项DBR-informed研究提供了初步见解，表明基于特定设计原则的干预可能有助于职前幼儿园教师在认知、材料和社会三个维度上发展CL。研究结果表明，参与者提高了对CT概念的理解，参与了教学材料的创作，并报告了对技术整合更积极的态度。
然而，这项工作的主要贡献超越了考察单一教学干预的结果。它提供了一个基于理论基础的、为教师教育初步阐述的设计框架，该框架建立在以下核心设计原则之上：(1) 将抽象概念植根于创造性和游戏性的教学法中；(2) 使材料生产成为一种有意义的学习手段；(3) 培养一个支持协作意义建构的社会中介环境。
本研究的一个关键贡献在于说明，将CL视为一种多方面的素养，而非一组孤立的技能，可能支持职前教师教育中更全面的教学方法。最终，这项研究提供了情境敏感的见解，可以指导数字时代教师培养计划的持续发展和完善。
