【芥末翻】是芥末堆全新推出的一檔學(xué)術(shù)欄目，由芥末堆海外翻譯社群的小伙伴們助力完成。我們致力于將全球經(jīng)典或是前沿的教育理念、教育技術(shù)、學(xué)習(xí)理論、實(shí)踐案例等文獻(xiàn)翻譯成中文，并希望能夠通過(guò)引進(jìn)這類優(yōu)質(zhì)教育研究成果，在全球教育科學(xué)的推動(dòng)下，讓更好的教育來(lái)得更快！

譯者推薦語(yǔ)：美國(guó)勞工部預(yù)測(cè)，到2018年計(jì)算機(jī)將成為一個(gè)發(fā)展最快的就業(yè)市場(chǎng)，這種嚴(yán)峻形勢(shì)讓人們開始逐漸重視在K-12階段的計(jì)算思維培養(yǎng)。本文介紹了計(jì)算思維定義的發(fā)展演變及一些重要的研究文獻(xiàn)，探討了在K-12教育中如何進(jìn)行計(jì)算思維的培養(yǎng)等話題，對(duì)于從事STEM教育的研究者必有所幫助；對(duì)于其他讀者，也可以通過(guò)此文擴(kuò)展視野，了解計(jì)算思維在K-12領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。

                                                              圖片來(lái)源: Rick & Morty

本文選自Educational Researcher Vol 42, Issue 1,作者Grover1 and Roy Pea1,2，譯者來(lái)妍，編輯允菡。

“不要只是買一個(gè)新的電腦游戲，自己做一個(gè)；不要只是下載最新的應(yīng)用程序，幫助設(shè)計(jì)它；不要單純?cè)谑謾C(jī)上玩，編寫它的代碼。無(wú)論你在城市還是農(nóng)村，電腦將是你未來(lái)的重要組成部分。如果你愿意工作，努力學(xué)習(xí)，未來(lái)將由你們創(chuàng)造?！边@是美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬在2013年“編程一小時(shí)”活動(dòng)開幕時(shí)發(fā)表的講話。

• Q：如今，K-12階段編程教育已經(jīng)蔚然成風(fēng)，那么它的存在核心意義是什么呢？

• A: 編程于K-12階段孩子的意義，是一種觀察世界的全新視角，它的核心的是培養(yǎng)計(jì)算思維。

關(guān)于什么是“計(jì)算思維”我們制作了小短片：

（制圖：允菡）

計(jì)算思維是什么？

1. 計(jì)算思維起源

2006年計(jì)算機(jī)科學(xué)家Jeannette Wing在《ACM通訊》（Communications of ACM）上，發(fā)表了一篇有關(guān)計(jì)算思維的文章。至此，“計(jì)算思維”開始進(jìn)入大眾的視野。

2. 被廣泛接受的概念

在經(jīng)受研討會(huì)、學(xué)術(shù)研究、一線老師反饋等一系列的“蹂躪”之后，大家普遍接受Wing教授（2011）重提此話題時(shí)對(duì)“計(jì)算思維”的定義：計(jì)算思維是指對(duì)問(wèn)題進(jìn)行闡釋和解決的思考過(guò)程，并形成能被信息處理機(jī)構(gòu)有效執(zhí)行的解決方案。

然而，無(wú)論如何定義，它依然逃不過(guò)“分析問(wèn)題”“解決問(wèn)題”這兩個(gè)關(guān)鍵詞，只不過(guò)執(zhí)行這兩件事的主體---人類，需要模仿一下自己的發(fā)明---計(jì)算機(jī)。

（AI：啊，人類在模仿自然界生物之后，開始模仿自己的發(fā)明，咦---好自戀的人類）

現(xiàn)在被廣泛認(rèn)可為構(gòu)成計(jì)算思維的要素，及促進(jìn)其學(xué)習(xí)和發(fā)展的課程基礎(chǔ)的要素如下：

?抽象和模式概括（包括模型和仿真模擬）

?系統(tǒng)性信息處理

?符號(hào)系統(tǒng)和及其展示

? 控制流程的算法概念

? 結(jié)構(gòu)化問(wèn)題分解(模塊化)

? 迭代，遞歸及并行思維

? 條件邏輯

? 效率及性能限制

?調(diào)試和系統(tǒng)錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)

計(jì)算思維培養(yǎng)工具及其測(cè)評(píng)

隨著計(jì)算思維的定義逐漸獲得共識(shí)，近來(lái)研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向更加實(shí)際的問(wèn)題，即如何促進(jìn)和評(píng)估計(jì)算思維的發(fā)展。過(guò)去三十年來(lái)，有大量文獻(xiàn)涉及了編程及計(jì)算思維的教學(xué)法和學(xué)習(xí)策略。然而，大部分研究對(duì)象是本科階段的計(jì)算機(jī)科學(xué)教育。但本文只包含近期關(guān)于21世紀(jì)培養(yǎng)計(jì)算思維的工具和學(xué)齡兒童的研究。

1.培養(yǎng)工具

自LOGO編程語(yǔ)言出現(xiàn)后，“低地板，高天花板”就成為創(chuàng)建兒童編程環(huán)境的指導(dǎo)原則之一。簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，這些編程環(huán)境既需要滿足易于初學(xué)者入門的程序（低地板），同樣要具有具有良好擴(kuò)展性滿足高級(jí)程序員使用（高天花板）。對(duì)學(xué)齡兒童來(lái)說(shuō)，豐富的計(jì)算環(huán)境和有效的計(jì)算思維工具必須具有低門檻和高的上限兩個(gè)特征，此外還需要包含一些腳手架工具，支持編程移植性，支持公平，具有系統(tǒng)性和可持續(xù)性等特征（Repenning，Webb＆Ioannidou，2010）。有幾種編程工具可以不同程度地滿足這些標(biāo)準(zhǔn)：

其中受歡迎的是圖形化編程環(huán)境，如Scratch，Alice，GameMaker，Kodu和Greenfoot；

---基于Web的仿真部署工具，如Agentsheets 和Agentcubes；

---用于教育機(jī)器人、科學(xué)實(shí)驗(yàn)的低成本開放源碼硬件設(shè)備，如Arduino和Gogo Boards。

圖形化編程環(huán)境相對(duì)易于使用，且可以讓早期的體驗(yàn)者專注于設(shè)計(jì)和創(chuàng)造，避免陷入編程語(yǔ)法的難題。比如，通過(guò)讓新手組合代表不同動(dòng)作的代碼塊控制屏幕上演員動(dòng)作來(lái)構(gòu)建程序的方式（例如：Scratch），可以使編程變得更加簡(jiǎn)單。

一般而言，游戲設(shè)計(jì)和機(jī)器人等課程活動(dòng)可以作為迭代探索計(jì)算思維的好方法，不僅利于激勵(lì)和吸引學(xué)齡兒童，也能讓他們了解計(jì)算機(jī)科學(xué)。但是，可視化和可觸摸編程體驗(yàn)往往需要學(xué)習(xí)Python，Java和Scheme等高級(jí)編程語(yǔ)言。

有人建議通過(guò)一些特定的情景吸引女孩對(duì)計(jì)算產(chǎn)生興趣，這些建議也催生了為彌補(bǔ)計(jì)算領(lǐng)域性別差距所開發(fā)的各種工具。這些工具提供了更多計(jì)算思維的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，同時(shí)也能很好的吸引女孩投入其中。比如，電子織物和其他帶精良硬件（如Lilypad Arduino）的“計(jì)算手工”套件，讓孩子們可以將傳統(tǒng)藝術(shù)及縫紉和畫圖等手工藝品與計(jì)算及電子產(chǎn)品相結(jié)合。MITAppInventor是一種可視化編程環(huán)境，使用類似于Scratch的圖形化代碼塊來(lái)搭建Android移動(dòng)應(yīng)用，與其他工具相比，具有無(wú)性別色彩和較高完成度的特點(diǎn)。它不僅降低了創(chuàng)造性應(yīng)用程序搭建的難度（所有青少年，包括女孩都躍躍欲試），同時(shí)融入復(fù)雜的計(jì)算思維概念，包括程序和數(shù)據(jù)抽象，迭代和遞歸思維，結(jié)構(gòu)化任務(wù)分解，條件和邏輯思維，以及調(diào)試等內(nèi)容。

盡管目前計(jì)算思維的研究環(huán)境各不相同，但仍有許多潛在的領(lǐng)域尚未開發(fā)。例如，方便可觸化計(jì)算產(chǎn)品開發(fā)的Fab Labs，Makerspaces和擁有DIY活動(dòng)的Maker Faire 與 Instructables等，其中，后者能夠?yàn)閮和峁┓钦健昂诳汀斌w驗(yàn)或智能手機(jī)的操作活動(dòng)，這些未知的可能性都令人充滿期待。需要注意的是，計(jì)算工具的開發(fā)，不僅需要具備其自身的有效性，還要體現(xiàn)其對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)。此外在滿足人類對(duì)計(jì)算的常規(guī)理解基礎(chǔ)上，也要符合學(xué)習(xí)者的認(rèn)知發(fā)展水平。

2. 評(píng)估方式

如果不進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算思維教育很難成功進(jìn)入任何K-12課程。此外，為了有效評(píng)估計(jì)算思維課程，普遍用作評(píng)估的方法都需要再次驗(yàn)證。

在計(jì)算思維評(píng)估問(wèn)題的最新研究中，Werner，Denner，Campe和Kawamoto（2012）在Alice編程工具的情境式教學(xué)中，用學(xué)生創(chuàng)建的或預(yù)先設(shè)計(jì)的編程工具，來(lái)評(píng)估學(xué)生對(duì)解決問(wèn)題的抽象能力、條件邏輯、算法思維等計(jì)算思維概念的理解和使用。

一直以來(lái)，教育界都呼吁用解構(gòu)、反向工程和調(diào)試程序這些指標(biāo)評(píng)估兒童在計(jì)算環(huán)境下的理解力。Fields，Searle，Kafai和Min（2012）曾通讓學(xué)生調(diào)試預(yù)設(shè)的故障電子織物來(lái)評(píng)估其工程和編程技能。HanKoh，Basawapatna，Bennett和Repenning（2010）則用一些高難度的問(wèn)題對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)估，這種使用潛能激發(fā)式的方法在實(shí)際操作中取得了一些成效。

在過(guò)去二十年中，“學(xué)術(shù)講座”（以類似小型演講的方式進(jìn)行小組展示）被用來(lái)推廣和評(píng)估數(shù)學(xué)和科學(xué)素養(yǎng)。通過(guò)這些富有計(jì)算思維的活動(dòng)，評(píng)估學(xué)生計(jì)算機(jī)科學(xué)詞匯和語(yǔ)言的使用狀況，這也是另一種評(píng)估計(jì)算思維發(fā)展的方式（Grover，2011）。

政策支持

Wilson和Guzdial（2010）認(rèn)為，雖然美國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)加強(qiáng)K-12領(lǐng)域STEM教育的緊迫感已經(jīng)轉(zhuǎn)化為數(shù)十億美元的經(jīng)費(fèi)，但明確用在計(jì)算機(jī)教育方面的經(jīng)費(fèi)仍然不足。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)通過(guò)一些項(xiàng)目對(duì)此進(jìn)行支持，例如CPATH（振興本科計(jì)算機(jī)教育計(jì)劃），BPC（擴(kuò)大計(jì)算教育參與度計(jì)劃），以及最近大力推動(dòng)將計(jì)算思維/計(jì)算機(jī)科學(xué)概念引入中學(xué)的CE21（為21世紀(jì)準(zhǔn)備的計(jì)算教育）項(xiàng)目。此外，另一個(gè)來(lái)自DARPA計(jì)劃舉措，以引導(dǎo)有興趣的初高中生進(jìn)入計(jì)算機(jī)科學(xué)職業(yè)為目的，計(jì)劃中包括CS-STEM和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的FIRE（通過(guò)機(jī)器人探索創(chuàng)新）。

雖然正在進(jìn)行的計(jì)算思維發(fā)展研究將有助于在K-12階段教育中加入計(jì)算課程，但是在培養(yǎng)計(jì)算教育的師資和確保教育性別平等方面仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。

在課程方面，除了美國(guó)大學(xué)預(yù)修課程中設(shè)有“計(jì)算機(jī)科學(xué)原理”之外，計(jì)算機(jī)科學(xué)探究課程也將加入高中生1年制大學(xué)預(yù)科課程。其他用來(lái)將計(jì)算機(jī)科學(xué)引入學(xué)校的舉措包括CS4HS和ComputingintheCore，這兩個(gè)活動(dòng)匯集了來(lái)自學(xué)術(shù)界、國(guó)家機(jī)構(gòu)、以及Microsoft和Google等公司的共同協(xié)作。CSTA的K-12計(jì)算機(jī)科學(xué)示范課程為學(xué)校提供課程建議，用以培養(yǎng)學(xué)生興趣，吸引和激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)。此外，Google的探索性計(jì)算思維網(wǎng)站也擁有大量的計(jì)算思維學(xué)習(xí)資源。ACM最近也在其ACMInroads季刊中引入了新板塊EduBits，展示了ACM及其附屬機(jī)構(gòu)的主要教育活動(dòng)。

未來(lái)：擴(kuò)大實(shí)證研究

近期關(guān)于計(jì)算思維方面的許多工作，主要集中于定義計(jì)算思維的含義和促進(jìn)計(jì)算思維發(fā)展的工具。雖然在確定培養(yǎng)計(jì)算能力的課程和及其發(fā)展評(píng)估的領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但仍然存在很大的不足，還需要實(shí)證研究進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)于學(xué)齡兒童計(jì)算思維的實(shí)證研究，可以充分利用計(jì)算機(jī)科學(xué)本科生在早期編程體驗(yàn)中所面臨問(wèn)題的相關(guān)研究（語(yǔ)法問(wèn)題除外），如在兒童計(jì)算思維能力培養(yǎng)中是否存在明確的障礙或困難（如遞歸）？如果有的話，應(yīng)該如何解決？

還有一個(gè)尚未被充分開發(fā)的領(lǐng)域是，人們對(duì)計(jì)算思維和計(jì)算機(jī)科學(xué)刻板印象的處理，以及這些問(wèn)題的處理對(duì)學(xué)習(xí)者身份認(rèn)同有何影響（Mercier，Barron和O'Connor，2006）。此外，在我們?yōu)閷W(xué)生提供旨在培養(yǎng)計(jì)算思維能力的學(xué)習(xí)體驗(yàn)時(shí)，這些問(wèn)題有多重要？最近關(guān)于學(xué)生對(duì)計(jì)算態(tài)度的調(diào)研，可以更好地了解這些問(wèn)題。

顯然，要想對(duì)兒童計(jì)算能力有更清楚的理論和實(shí)踐了解，還有許多工作要做。例如，如果兒童參加了旨在培養(yǎng)計(jì)算思維的課程，我們期望孩子知道什么或?qū)⑹裁醋龅酶脝幔课覀冃枰诿鞔_這些問(wèn)題的答案之后才能大規(guī)模將計(jì)算思維課程引入學(xué)習(xí)。

>>聲明

本翻譯僅作了解之用，并非用于學(xué)術(shù)研究或商業(yè)決策。芥末堆海外翻譯社群的小伙伴們力求將關(guān)鍵理念與思想更廣泛地傳播至中文區(qū)域，故部分表達(dá)可能與原文有所差異。如需使用，請(qǐng)查證原文。