edscienceОбразование и наукаThe Education and science journal1994-56392310-5828RSVPU10.17853/1994-5639-2024-2-35-59edscience-3545Research ArticleПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕVOCATIONAL EDUCATIONВычислительное мышление в контексте высшего образования: аналитический обзорComputational thinking in the context of higher education: Analytical reviewhttps://orcid.org/0000-0002-6397-4465ХеннерЕ. К.KhennerE. K.

Хеннер Евгений Карлович – доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент Российской академии образования, профессор кафедры информационных технологий

Пермь

Evgeniy K. Khenner – Dr. Sci. (Physics and Mathematics), Corresponding Member of the Russian Academy of Education, Professor, Department of Information Technologies

Perm

ehenner@psu.ruПермский государственный национальный исследовательский университетPerm State National Research University2024130220242623559Copyright © Хеннер Е.К., 20242024Хеннер Е.К.Khenner E.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.edscience.ru/jour/article/view/3545Введение

Введение. Вычислительное мышление – одна из тех категорий, которыми в настоящее время оценивается качество подготовленности людей к жизни, учебной и професси­ональной деятельности в современном мире, насыщенном информационными технологиями и цифровыми инструментами. Многие вопросы, связанные с тематикой вычислительного мышления применительно к студентам вузов, остаются пока недостаточно изученными, существенно слабее, чем применительно к общему образованию.

Целью статьи является как обсуждение сущности понятия «вычислительное мышление», так и главным образом состава его структурных элементов, способов их формирования и оценивания на уровне высшего образования. Дополнительная цель – сопоставить требования к имеющим сходства и различия вычислительному мышлению и цифровым компетенциям студентов вузов.

Методология, методы и методики. Исследование носит обзорный характер и имеет теоретический и прикладной аспекты. За исключением нескольких принципиально важных работ общего характера, в которых раскрывается само понятие «вычислительное мышление», проанализированы в основном обзорные публикации не старше пяти лет с целью выявить и систематизировать современные решения, относящиеся к цели работы.

Результаты и научная новизна. Анализ базовых понятий, связанных с вычислительным мышлением, показал, что на уровне определений, в силу их определенной абстрактности, вычислительное мышление студентов вузов не обладает особой спецификой перед вычислительным мышлением школьников. Такая специфика проявляется на уровне перечня когнитивных и некогнитивных навыков, ассоциируемых с вычислительным мышлением, требований к уровню их сформированности и способов оценивания. В вычислительном мышлении когнитивные навыки – это абстрагирование, декомпозиция, распознавание закономерностей, алгоритмизация, визуализация, логическое мышление, способность к коммуницированию, представлению, структури­рованию и анализу данных и некоторые другие. Среди некогнитивных навыков выделяют веру в себя, коммуникабельность, гибкость и другие.

Среди методов оценивания сформированности вычислительного мышления студентов фи­гурируют результаты решения задач в средах блочного программирования, таких как Scrath; тесты на знания/навыки, самооценочные шкалы/опросы; тесты на знание основ вычислительного мышления, интервью и наблюдения; собеседования, оценки за задания/курсы, опросы/анкеты, решение проблем, внешних по отношению к классу; использование специального программного окружения, использование критериев оценки вычислительного мышления и/или психометрических инструментов; оценки, основанные на решении роботизированных задач или оценивания артефактов, созданных в процессе игры, и другие.

Сопоставление вычислительного мышления с цифровыми компетенциями на уровне навыков приводит к выводу, что в вычислительном мышлении навыки представляют собой некоторый фиксированный набор метанавыков, необходимых студенту безотносительно к решению конкретных задач (например, навык абстрагирования), а в цифровых компетенциях они специфицируются по многочисленным видам и носят более конкретный характер.

Практическая значимость

Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы при проектирова­нии программ формирования вычислительного мышления и цифровых компетенций студентов вузов.

Introduction

Introduction. Computational thinking is one of the categories that currently assess the quality of people’s preparedness for life, educational and professional activities in the modern world, saturated with information technologies and digital tools. Many issues related to university students’ computational thinking remain insufficiently studied as applied to general education.

Aim

Aim. The present research aims to discuss the essence of the concept of “computational thinking” and, mainly, the composition of its structural elements, methods of their formation and assessment at the level of higher education; and to compare the requirements for university students’ computational thinking and digital competencies, which have similarities and differences.

Methodology and research methods. The present review article has theoretical and applied aspects. Except for several fundamentally important works of general studies, which reveal the concept of “com­putational thinking”, the author analysed mainly review articles published in the past five years in order to identify and systematise modern solutions related to the purpose of the work.

Results and scientific novelty. An analysis of the basic concepts associated with computational think­ing showed that at the level of definitions, due to their certain abstractness, the computational think­ing of university students does not have much specificity compared to the computational thinking of schoolchildren. This specificity is manifested at the level of the list of cognitive and non-cognitive skills associated with computational thinking, requirements for the level of their development and assess­ment methods. In computational thinking, cognitive skills include abstraction, decomposition, pattern recognition, algorithmisation, visualisation, logical thinking, communicative competence, the ability to present, structure and analyse data, and some others skills. Non-cognitive skills include self-confidence, communication skills, flexibility, and others.

Methods for assessing the maturity of students’ computational thinking include the results of solv­ing problems in block programming environments such as Scrath; knowledge/skill tests, self-assessment scales/surveys; tests on knowledge of the basics of computational thinking, interviews and observations; interviews, grades for assignments/courses, surveys/questionnaires, solving problems external to the class; the use of a special software environment, the use of criteria for assessing computational thinking and/or psychometric tools; assessments based on solving robotic problems or evaluating artifacts creat­ed during the game, and others.

A comparison of computational thinking with digital competencies at the skill level leads to the conclusion that in computational thinking, skills represent a certain fixed set of meta-skills needed by a student regardless of solving specific problems (for example, abstraction skills). In digital competencies, skills are specified according to numerous types and are more specific.

Practical significance

Practical significance. The results of this study can be used in the design of programmes for develop­ing computational thinking and digital competencies of university students.

вычислительное мышлениестуденты вузовметоды оцениванияцифровые компетенцииcomputational thinkinguniversity studentsassessment methodsdigital competenciesReferencesWing J. M. Computational thinking // Communications of the ACM. 2006. Vol. 49, Issue 3. P. 33– 35. DOI: 10.1145/1118178.1118215Wing J. M. Computational thinking. Communications of the ACM. 2006; 49 (3): 33–35. DOI: 10.1145/1118178.1118215Hubwieser P., Giannakos M. N., Berges M., Brinda, T., Diethelm I., Magenheim J., Pal Y., Jackova J., Jasute E. A Global Snapshot of Computer Science Education in K-12 Schools // ITICSE-WGR ‘15: Pro­ceedings of the 2015 ITiCSE on Working Group Reports. 2015. P. 65–83. DOI: 10.1145/2858796.2858799Hubwieser P., Giannakos M. N., Berges M., Brinda T., Diethelm I., Magenheim J., Pal Y., Jackova J., Jasute E. A global snapshot of computer science education in K-12 Schools. In: ITICSE-WGR ‘15. Pro­ceedings of the 2015 ITiCSE on Working Group Reports. 2015. p. 65–83. DOI: 10.1145/2858796.2858799Босова Л. Л. Вычислительное мышление как стратегическая цель общего образования в области информатики и информационных технологий // Актуальные проблемы методики обучения информатике и математике в современной школе: материалы международной научно- практической интернет-конференции. 2019. С. 10–17. URL: https://elibrary.ru/download/elibrary_41517554_63361642.pdf (дата обращения: 01.11.2023).Bosova L. L. Computational thinking as a strategic goal of general education in the field of computer science and information technology. In: Aktual’nye problemy metodiki obuchenija informatike i matematike v sovremennoj shkole: materialy mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj internet-konferencii = Current Problems in Teaching Computer Science and Mathematics in Modern School. Proceedings of the International Scientific and Practical Internet Conference [Internet]. Moscow, Russia: 2019 [cited 2023 Nov 01]; p. 10–17. Available from: https://elibrary.ru/download/elibrary_41517554_63361642.pdf (In Russ.)Хеннер Е. К. Вычислительное мышление // Образование и наука. 2016. № 2. С. 16–33. DOI: 10.17853/1994-5639-2016-2-18-33Khenner E. K. Computational thinking. Obrazovanie i nauka = The Education and Science Journal. 2016; 2: 16-33. DOI: 10.17853/1994-5639-2016-2-18-33 (In Russ.)Denning P. J., Tedre M. Computational Thinking: A Disciplinary Perspective // Informatics in Ed­ucation. 2021. Vol. 20, No. 1. P. 361–390. DOI: 10.15388/infedu.2021.21Denning P. J., Tedre M. Computational thinking: A disciplinary perspective. Informatics in Educa­tion. 2021; 20 (1): 361–390. DOI: 10.15388/infedu.2021.21Denning P. J., Tedre M. Computational Thinking. Cambridge, MA: The MIT Press, 2019. Se­ries: The MIT press essential knowledge series. 199 p. URL: http://repository.universitasbumigora.ac.id/2217/1795/2019%20Computational%20Thinking%20by%20Peter%20J.%20Denning%2C%20Matti%20Tedre.pdf (дата обращения: 01.11.2023).Denning P. J., Tedre M. Computational thinking [Internet]. Cambridge, MA: The MIT Press; 2019 [cited 2023 Nov 01]. 199 p. Available from: http://repository.universitasbumigora.ac.id/2217/1795/2019%20Computational%20Thinking%20by%20Peter%20J.%20Denning%2C%20Matti%20Tedre.pdfSondakh D. E. Review of Computational Thinking Assessment in Higher Education // 9th Inter­national Schoolar’s Conference Proceedings. Saraburi, Thailand: Asia-Pacific International University. 2022. P. 808–815. URL: https://repository.unai.edu/id/eprint/344/1/Full%20Paper%20Proceeding%209ISC%202022.pdf (дата обращения: 01.11.2023).Sondakh D. E. Review of computational thinking assessment in higher education. In: 9th Inter­national Schoolar’s Conference Proceedings [Internet]; 2022 Oct. Saraburi, Thailand: Asia-Pacific Interna­tional University; 2022 [cited 2023 Nov 01]; p. 805–813. Available from: https://repository.unai.edu/id/eprint/344/1/Full%20Paper%20Proceeding%209ISC%202022.pdfDe Jong I., Jeuring J. Computational Thinking Interventions in Higher Education: A Scoping Lit­erature Review of Interventions Used to Teach Computational Thinking // 20th Koli Calling International Conference on Computing Education Research. 2020. Article number 35. DOI: 10.1145/3428029.3428055De Jong I., Jeuring J. Computational thinking interventions in higher education: A scoping literature review of interventions used to teach computational thinking. In: 20th Koli Calling Inter­national Conference on Computing Education Research. Article number 35. New York: ACM; 2020. DOI: 10.1145/3428029.3428055Agbo F. J., Oyelere S.S., Simonen J., Adewumi S. A Systematic Review of Computational Thinking Approach for Programming Education in Higher Education Institutions // 19th Koli Calling International Conference on Computing Education Research. 2019. Article number 12. DOI: 10.1145/3364510.3364521Agbo F. J., Oyelere S. S., Simonen J., Adewumi S. A systematic review of computational think­ing approach for programming education in higher education institutions. In: 19th Koli Calling Inter­national Conference on Computing Education Research. Article number 12. New York: ACM; 2019. DOI: 10.1145/3364510.3364521Castro L. M. C., Douglas K. A. Computational Thinking frameworks used in Computational Thinking assessment in higher education. A systematized literature review // 2021 ASEE Virtual Annual Conference. DOI: 10.18260/1-2--36824Castro L. M. C., Douglas K. A. Computational thinking frameworks used in computational think­ing assessment in higher education. A systematized literature review. In: 2021 ASEE Virtual Annual Con­ference, ASEE 2021; 2021 Jul 26–29; Minneapolis, USA. DOI: 10.18260/1-2-36824Lyon J. A, Magana A. J. Computational thinking in higher education: A review of the literature // International journal engineering education. 2020. Vol. 36. P. 101–116. DOI: 10.1002/cae.22295Lyon J. A., Magana A. J. Computational thinking in higher education: A review of the literature. International Journal Engineering Education. 2020; 36: 101–116. DOI: 10.1002/cae.22295Zhang X., Specht M. A Review of Reviews on Computational Thinking Assessment in Higher Education // Conference CTE-STEM2022. The Netherlands. 2022. DOI: 10.34641/ctestem.2022.472Zhang X., Specht M. A review of reviews on computational thinking assessment in high­er education. In: Conference CTE-STEM 2022. Delft, Netherlands; 2022. p. 98–103. DOI: 10.34641/ct­estem.2022.472Lu Ch., Macdonald R., Odell B., Kokhan V., Epp C. D., Cutumisu M. A scoping review of compu­tational thinking assessments in higher education // Journal of Computing in Higher Education 2022. Vol. 34. P. 416–461. DOI: 10.1007/s12528-021-09305-yLu Ch., Macdonald R., Odell B., Kokhan V., Epp C. D., Cutumisu M. A scoping review of compu­tational thinking assessments in higher education. Journal of Computing in Higher Education. 2022; 34: 416–461. DOI: 10.1007/s12528-021-09305-yLiu S., Peng Ch., Srivastava G. What influences computational thinking? A theoretical and em­pirical study based on the influence of learning engagement on computational thinking in higher edu­cation // Computer Applications in Engineering Education. 2023. Vol. 31, № 6. DOI: 10.1002/cae.22669Liu S., Peng Ch., Srivastava G. What influences computational thinking? A theoretical and em­pirical study based on the influence of learning engagement on computational thinking in higher edu­cation. Computer Applications in Engineering Education. Wiley Periodicals LLC. 2023; 31 (6): 1–24. DOI: 10.1002/cae.22669Klunnikova M. M., Bazhenova I. V., Pak N. I. Kirgizova E. V. Developing students computational thinking with a recursive polydisciplinary approach // Journal of Physics. Conference Series. 2020. DOI: 10.1088/1742-6596/1691/1/012190Klunnikova M. M., Bazhenova I. V., Pak N. I. Kirgizova E. V. Developing students computation­al thinking with a recursive polydisciplinary approach. Journal of Physics. Conference Series. 2020. DOI: 10.1088/1742-6596/1691/1/012190Клунникова М. М. Методика развития вычислительного мышления студентов при изучении курса «Численные методы» на основе смешанного обучения // Информатика и образование. 2019. № 6. С. 34–41. DOI: 10.32517/0234-0453-2019-34-6-34-41Klunnikova M. M. Methodology for developing students’ computational thinking when studying the “Numerical Methods” course based on blended learning. Informatika i obrazovanie = Informatics and Education. 2019; 6: 34–41. DOI: 10.32517/0234-0453-2019-34-6-34-41 (In Russ.)Baranov A. V. Forming Computational Thinking and Computer Modeling Project Activities in the Physics Course of the Technical University // ITM Web of Conferences. 2020. Vol. 35. DOI: 10.1051/itmconf/20203503002Baranov A. V. Forming computational thinking and computer modeling project activities in the physics course of the technical university. In: ITM Web of Conferences. 2020. Vol. 35. p. 1–12. DOI: 10.1051/itmconf/20203503002Баранов А. В. Дидактический потенциал учебных физических задач в формировании вычислительного мышления студентов IT-направлений // Научно-педагогическое обозрение. 2019. № 1. С. 144–150. DOI: 10.23951/2307-6127-2019-1-144-150Baranov A. V. Didactic potential of educational physical problems in the formation of compu­tational thinking of IT students. Nauchno-pedagogicheskoe obozrenie = Scientific and Pedagogical Review. 2019; 1: 144–150. DOI: 10.23951/2307-6127-2019-1-144-150 (In Russ.)Баранов А. В. Контекстное формирование вычислительного мышления в университетском курсе физики // Современное образование: качество образования и актуальные проблемы современной высшей школы: материалы международной научно-методической конференции. Томск. Изд-во ТУСУРа, 2019. С. 25–26. URL: https://nmk.tusur.ru/storage/125574/conference-2019.pdf (дата обращения: 01.11.2023).Baranov A. V. Contextual formation of computational thinking in a university physics course In: Sovremennoe obrazovanie: kachestvo obrazovanija i aktual’nye problemy sovremennoj vysshej shkoly: ma­terialy mezhdunarodnoj nauchno-metodicheskoj konferencii = Modern Education: Quality of Education and Current Problems of Modern Higher Education. Proceedings of the International Scientific and Methodological Conference [Internet]. Tomsk, Russia; 2019 [cited 2023 Nov 01]; p. 25–26. Available from: https://nmk.tusur.ru/storage/125574/conference-2019.pdf (In Russ.)Чигиринская Н. В., Григорьева О. Е., Бочкин А. М., Андреева М. И. Вычислительное мышление будущего инженера: понятийный аппарат и опыт формирования в техническом вузе // Современные наукоемкие технологии. 2023. № 2. С. 205–211. DOI: 10.17513/snt.39546Chigirinskaya N. V., Grigor’eva O. E., Bochkin A. M., Andreeva M. I. Computational thinking of the future engineer: Conceptual apparatus and experience of formation at a technical university. Sovre­mennye naukoemkie tekhnologii = Modern High Technology. 2023; 2: 205–211. DOI: 10.17513/snt.39546 (In Russ.)Бровка Н. В., Филимонов Д. В. О развитии вычислительного мышления при обучении студентов математике и программированию // Современные проблемы математики и математического образования: сборник научных статей Международной научной конференции: к 225-летию Герценовского университета. Санкт-Петербург, 2022. С. 47–51. URL: https://rep.herzen.spb.ru/file_viewer/351 (дата обращения: 01.11.2023).Brovka N. V., Filimonov D. V. On the development of computational thinking when teaching students mathematics and programming. In: Sovremennye problemy matematiki i matematicheskogo obra­zovanija: sbornik nauchnyh statej Mezhdunarodnoj nauchnoj konferencii: k 225-letiju Gercenovskogo uni­versiteta = Modern Problems of Mathematics and Mathematics Education. Collection of Scientific Articles of the International Scientific Conference for the 225th Anniversary of Herzen University [Internet]. Saint-Pe­tersburg, Russia; 2022 [cited 2023 Nov 01]. p. 47–51. Available from: https://rep.herzen.spb.ru/file_view­er/351 (In Russ.)Филимонов Д. В. О развитии вычислительного мышления и Agile-практиках в образовательном процессе учреждений высшего образования // Университетский педагогический журнал. 2022. Т. 2. С. 61–65. URL: https://elib.bsu.by/bitstream/123456789/293553/1/61-65.pdf (дата обращения: 01.11.2023).Filimonov D. V. On the development of computational thinking and Agile practices in the ed­ucational process of higher education institutions. Universitetskij pedagogicheskij zhurnal = University Pedagogical Journal [Internet]. 2022 [cited 2023 Nov 01]; 2: 61–65. Available from: https://elib.bsu.by/bitstream/123456789/293553/1/61-65.pdf (In Russ.)Loureiro A. C., Meirinhos M., Osório A. J., Valente L. Computational Thinking in Teacher Dig­ital Competence Frameworks // Revista Prisma Social. 2022. Vol. 38, № 3. P. 77–93. URL: https://www.researchgate.net/publication/362343333_computationalthinkinginteacherdigitalcompetenceframeworks#fullTextFileContent (дата обращения: 01.11.2023).Loureiro A. C., Meirinhos M., Osório A. J., Valente L. Computational thinking in teacher digital competence frameworks. Revista Prisma Social [Internet]. 2022 [cited 2023 Nov 01]; 38 (3): 77–93. Availa­ble from: https://www.researchgate.net/publication/362343333_computationalthinkinginteacherdigitalcompetenceframeworks#fullTextFileContentEsteve-Mon F. M., Ángeles Llopis M., Adell-Segura J. Digital Competence and Computational Thinking of Student Teachers // International Journal of Emerging Technologies in Learning. 2020. Vol. 15, № 02. P. 29–41. DOI: 10.3991/ijet.v15i02.11588Esteve-Mon F. M., Llopis M. A., Adell-Segura J. Digital competence and computational thinking of student teachers. International Journal of Emerging Technologies in Learning. 2020; 15 (02): 29–41. DOI: 10.3991/ijet.v15i02.11588Juskeviciene A., Dagiene V. Computational Thinking Relationship with Digital Competence // Informatics in Education. 2018. Vol. 17, № 2, 265–284. DOI: 10.15388/infedu.2018.14Juskeviciene A., Dagiene V. Computational thinking relationship with digital competence. Infor­matics in Education. 2018; 17 (2): 265–284. DOI: 10.15388/infedu.2018.14Хеннер Е. К. Профессиональные знания и профессиональные компетенции в высшем образовании // Образование и наука. 2018. Т. 20, № 2. С. 9–31. DOI: 10.17853/1994-5639-2018-2-9-31Khenner E. K. Professional knowledge and professional competencies in higher education. Obrazovanie i nauka = The Education and Science Journal. 2018; 20: 9–31. DOI: 10.17853/1994-5639-2018-2-9-31 (In Russ.)Универсальные компетентности и новая грамотность: от лозунгов к реальности / Под ред. М. С. Добряковой, И. Д. Фрумина [Электрон. ресурс] Москва: Высшая школа экономики, 2020. 468 с. URL: https://ioe.hse.ru/mirror/pubs/share/360763569.pdf (дата обращения: 01.11.2023)Universal’nye kompetentnosti i novaja gramotnost’: ot lozungov k real’nosti = Universal com­petencies and new literacy: From slogans to reality [Internet]. Edited by M. S. Dobryakova, I. D. Frumin. Moscow: Publishing House of Higher School of Economics; 2020 [cited 2023 Nov 01]. 458 p. Available from: https://ioe.hse.ru/mirror/pubs/share/360763569.pdf (In Russ.)Tzafilkou K., Perifanou M, Economides A.A. Development and validation of students’ digital competence scale // International Journal of Education Technology in Higher Education. 2022. Article number 30. DOI: 10.1186/s41239-022-00330-0Tzafilkou K., Perifanou M., Economides A. A. Development and validation of students’ digital competence scale (SDiCoS). International Journal of Education Technology in Higher Education. 2022; 19: 30. DOI: 10.1186/s41239-022-00330-0

The authors declare that there are no conflicts of interest present.