虚拟CAT工具：革新义务教育中算法思维评估的数字解决方案

为解决义务教育中算法思维(AT)评估工具缺乏普适性、可扩展性和年龄适配性的问题，研究人员开发了虚拟Cross Array Task(CAT)——一种基于手势和视觉编程界面的多模态数字平台。通过迭代设计、专家评估和参与式研究，该工具在4-12岁学生中验证了其可用性、可访问性及大规模自动化评估能力，为教育系统整合AT评估提供了标准化解决方案，推动21世纪技能培养的数字化转型。

　　

在当今数字化社会中，算法思维(Algorithmic Thinking, AT)已成为解决问题的核心能力，不仅是计算机科学领域的关键技能，更渗透至日常生活与跨学科应用。随着全球教育课程改革，AT被广泛纳入义务教育体系，例如瑞士通过MITIC(媒体与信息技术)学科推动其教学。然而，现有评估工具存在显著局限：多数聚焦高年龄段或特定编程环境，缺乏适合低龄学习者的发展适应性工具；评估过程依赖人工操作，难以实现大规模标准化；且工具设计忽略多语言环境和社会文化差异，导致资源分配不均衡。这些问题阻碍了AT技能的系统性培养和精准教育干预，凸显开发普适、自动化评估工具的迫切性。

为突破这些瓶颈，瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究团队开展了虚拟Cross Array Task(CAT)的开发研究。该工具基于实体CAT活动——一项要求学生在十字点阵上设计着色算法指令的评估任务，通过数字化改造实现多模态交互和自动化分析。研究人员通过三级迭代设计（初始原型、专家优化、参与式验证）构建平台，最终证明其能有效评估3-16岁学习者的AT技能，并将成果发表于《International Journal of Child-Computer Interaction》。研究发现，虚拟CAT不仅支持手势界面(CAT-GI)和视觉编程界面(CAT-VPI)，还可自动捕捉算法复杂性维度（0D单点着色至2D镜像模式），为教育者提供实时数据反馈，显著提升评估效率和包容性。

研究采用的核心技术方法包括：1) 迭代UX设计生命周期（理解-制作-评估循环），结合专家评审优化界面；2) 参与式设计，在瑞士提契诺州两所学校招募31名4-12岁学生，通过观察和反馈会收集可用性数据；3) Flutter框架开发，构建跨平台应用并集成CAT编程语言解释器，实现动作到算法的自动转译；4) 多语言支持系统，适配德、法、意、英语境，确保文化包容性。

研究结果通过结构化验证逐步呈现：

• 平台开发与架构：基于Dart语言的虚拟解释器将用户交互（如拖拽区块或手势操作）转化为标准化指令（如paintPattern(color, repetition)），并通过响应式设计确保iPad设备的兼容性。技术栈选择Flutter框架，兼顾跨平台部署和实时热加载功能。
• 原型迭代优化：初始原型经UX和教学专家评估后，重构为三栏布局（命令区-工作区-参考矩阵），并增加符号化区块（如_镜像命令图标）降低低龄用户认知负荷。参与式测试中，学生反馈驱动添加“跳过任务”按钮和进度条，提升操作自由度。
• **实证