圖片來源：Unsplash

摘要：《K-12計算機科學框架》描述了K-12階段學生學習計算機科學需要掌握的概念和具備的技能，發(fā)布此框架是美國數(shù)字經(jīng)濟時代加強學生計算機科學技能和信息素養(yǎng)的重要舉措。文章對《K-12計算機科學框架》的背景、特點和主要內容進行了深入分析與解讀，并結合《K-12計算機科學框架》的特點和我國當前中小學信息技術教育存在的問題，總結得出我國中小學信息技術教育的努力方向，即注重對學生計算思維的培養(yǎng)，規(guī)范信息技術課程設置、評估與實施途徑，提升教師專業(yè)發(fā)展能力等。

關鍵詞：計算機科學教育；K-12；美國；計算思維；信息技術課

引言

2016年10月，美國《K-12計算機科學框架》（K-12 Computer Science Framework）正式發(fā)布（下文簡稱《框架》）[1]?！犊蚣堋访枋隽擞嬎銠C科學概念和實踐的基本集合，是美國新版國家計算機科學教育標準研制的基礎。同年，美國在《框架》的基礎之上發(fā)布了《CSTA K-12計算機科學臨時標準》（下文簡稱《K-12臨時標準》），規(guī)定了一整套K-12計算機科學課程核心學習目標，旨在為K-12階段學生提供完整的計算機科學課程并為該課程的實施奠定基礎?！犊蚣堋访鞔_界定了K-12教育中每個階段學生必須掌握的計算技能，使學生在計算機科學領域應該“了解什么”和能夠“做什么”有了統(tǒng)一的標準。我國《教育信息化“十三五”規(guī)劃》強調積極探索信息技術在“眾創(chuàng)空間”、跨學科學習、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應用，著力提升學生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力[2]；我國信息技術學科新一輪課改的目標是發(fā)展學生核心素養(yǎng)，包括信息意識、計算思維、數(shù)字化學習與創(chuàng)新、信息責任，這與《框架》提倡的“實施計算機科學教育與培養(yǎng)學生計算思維”的核心觀點不謀而合。因此，深入分析《框架》，了解美國計算機科學教育改革的最新發(fā)展動態(tài)，把握其內在規(guī)律與發(fā)展趨勢，對深化我國中小學信息技術課程改革具有重要的借鑒意義。

一 《框架》核心內容

• 1 《框架》核心概念

2011年，美國計算機科學教師協(xié)會（CSTA）和計算機協(xié)會（ACM）在全美中小學計算機教育調研基礎上研制了《K-12計算機科學標準》（下文簡稱《2011標準》），從“計算思維”、“合作”、“計算實踐與編程”、“計算機和交流設備”以及“社區(qū)、全球化和倫理影響”五個方面制定了K-12階段中小學生需要達成的計算機科學學習標準，并建議以“核心課程”的方式在中小學開設計算機科學教育[3]。《框架》將《2011標準》中“計算實踐與編程”調整為“算法與編程”，并結合美國計算機科學教育的發(fā)展現(xiàn)狀，提出由多個子核心概念組成的核心概念，如圖1所示?！犊蚣堋返暮诵母拍钊谌肓恕坝嬎闼季S”，是計算機科學領域的主要內容。

圖1  核心概念圖

• 2 《框架》核心實踐

《框架》除了重視對核心概念的培養(yǎng)，也強調培養(yǎng)接受計算科學教育的學生的實踐能力，具體概括了7項核心實踐，如圖2所示。其中，計算思維是計算機科學實踐的核心，通過實踐3～實踐6來描述，而實踐1、2與實踐7是計算機科學中對計算思維進行補充、獨立、通用的實踐。通過核心實踐，具備計算機知識的學生能夠更好地適應具有豐富數(shù)據(jù)的當今世界。與核心概念不同的是，《框架》中的核心實踐沒有直接和每個年級學生一一對應，沒有提供每個年級具體的課程目標與計劃，而是直接描述從幼兒園到高中階段學生需要達到的目標。以實踐3“識別和確定可計算的問題”為例，核心實踐要求學生在高中畢業(yè)時達到以下目標：①確定可以用計算解決的復雜、跨學科的現(xiàn)實世界問題；②把復雜、跨學科的現(xiàn)實世界問題分解成現(xiàn)有解決方案或程序的子問題；③評估計算解決問題方法是否合適、可行?！禟-12臨時標準》則依據(jù)《框架》的目標，詳細描述了每個年級學生的課程目標與計劃，更加清楚、具體和可操作、可衡量。

圖2  包含計算思維的核心實踐圖

除核心概念與核心實踐之外，跨學科概念也非常重要——它主要指計算機科學的核心概念與其它學科交叉融合（如圖3所示），其核心是將其它學科的問題轉化為一個計算問題，從計算思維的視角揭示這些問題的本質，實現(xiàn)一系列新的科學發(fā)現(xiàn)與技術創(chuàng)新。但在《框架》中跨學科概念不是一個獨立維度，而是融入核心概念的學習之中。因此，《框架》既保留了跨學科概念的價值，又更便于受眾理解與實施。

圖3  跨學科概念圖

二《框架》主要特征

• 1 強調學前教育計算機科學的重要性

隨著美國《面向所有人的計算機科學教育》（Computer Science For All）新計劃的提出，在未來幾年美國政府將向每一名K-12學生提供計算機課程和數(shù)學課程，為他們未來的工作做好準備。與《2011標準》不同，《框架》特別指出需要擴大計算機科學教育的覆蓋面，強調早期兒童教育增加計算機科學教育。正如兒童在年幼時期學習語言、數(shù)學和科學活動一樣，他們也可以在很小的時候進行計算機科學基礎知識的學習。如在學前教育階段的文學、數(shù)學和科學三項核心內容中嵌入計算機科學模式、問題解決、表示與排序四個重要理念，在游戲化的學習環(huán)境中發(fā)展社會和情感理念（如圖4所示）。Resnick[4]曾說，計算機科學非常適合幼兒教育，它為兒童提供了一個可以“在玩耍中學習，在學習中玩?！钡沫h(huán)境。

圖4  計算機科學和學前教育理念的融合圖  

• 2 擁有完整的計算機學習進程體系

《框架》提出了一個完整的K-12學習進程體系，以計算機科學核心概念為主線，整合了跨學科概念與實踐，為學生參與計算機科學教育提供了完整的內容體系，并根據(jù)學科核心概念設計了以學段為節(jié)點的發(fā)展進程?！?011標準》將K-12劃分為K-6、7-9與10-12三個階段，《框架》進一步細化為K-2、3-5、6-8與9-12四個學段，以此來描述學生的學習進程。以核心概念“計算系統(tǒng)”的子概念“設備”為例，各階段學生的學習進程如表1示，學生在低年段的學習內容為“學生學習計算設備常見應用和功能”，高年段需要學習“連接系統(tǒng)以及人和設備之間的交互是如何影響設計的”。《框架》的概念陳述也是相互聯(lián)系的，如在“計算系統(tǒng)”的子概念“故障排除”中，K-2學段“清楚地描述每一個問題”為3-5學段“算法和編程”不斷審查程序是否按預期工作提供了基礎。

表1  有關“計算系統(tǒng)”學習進程的設計 

• 3 計算思維是核心觀念

《2011標準》將計算思維、計算實踐和編程納入學科基本主線，幫助學生拓寬計算視野，理解計算機科學的基本原理和方法?！犊蚣堋费永m(xù)《2011標準》的思想，結合現(xiàn)代信息社會的發(fā)展，把計算思維作為核心觀念融入實踐進程中。計算思維反映了計算機科學的核心概念與核心實踐，而計算機科學為學生發(fā)展計算思維提供了獨特的機會?！犊蚣堋穼τ嬎闼季S的描述超出了教育中使用計算機和技術的一般情況，將概念延伸到了一些特定能力，如設計算法、分解問題和建?，F(xiàn)象等，為計算思維在其它學科的發(fā)展提供了機會。2006年3月，美國卡耐基·梅隆大學計算機科學系主任周以真教授[5]在美國計算機權威期刊《美國計算機學會通訊》（Communications of the ACM）上對計算思維進行如下定義：計算思維是指運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。本質上它是一個問題解決的過程，包括充分利用計算機設計問題解決方案。計算思維是所有人都應具備的基本技能，不僅僅是計算機科學家的專利。它可以提供一種能夠廣泛應用于工作、學習、生活的組織和分析問題的新視角，將計算思維融入兒童的分析能力中，能讓他們更好地閱讀、寫作和算數(shù)，并學會使用計算思維來解決身邊的社會或自然問題。

三《框架》對我國信息技術教育的啟示

• 1 在實踐中注重對計算思維的培養(yǎng)

計算思維培養(yǎng)是信息技術教育發(fā)展的新趨勢。2015年12月10日，美國總統(tǒng)在白宮簽署名為“讓每個學生取得成功的法案”（Every Student Succeeds Act，ESSA）。該法案將以計算思維培養(yǎng)為核心的計算機科學課程提高到與數(shù)學、英語等同的重要地位，并投入巨資在美國廣泛推行?？梢钥闯觯绹呀?jīng)認識到以技術應用為取向的信息技術課程的落后性，開始積極推動培養(yǎng)計算思維的項目，將“計算科學”納入中小學學科體系，并將其作為STEAM教育的重要部分。計算思維是一種適合現(xiàn)代社會的方式與方法。周以真[6]提出“計算思維面向所有的人、所有的領域”。對學生而言，養(yǎng)成計算科學的思維方式、問題解決和創(chuàng)造的習慣是難能可貴的。我國的中小學信息技術學科常常被認為是“小科”，其重要性往往被人們忽視，單純由“簡單的信息素養(yǎng)”觀念主導的信息技術教育已越來越不適應當前國內外中小學信息技術教育重視計算思維培養(yǎng)的發(fā)展趨勢，“我們應該意識到信息技術課程培養(yǎng)計算思維的獨特性之于社會、個人發(fā)展的非凡價值”[7]。因此，為了幫助學生正確理解信息社會的本質特征并創(chuàng)造性使用信息技術，我國的信息技術教育不能只停留在工具運用的層面，而應在計算機科學實踐中關注計算思維的培養(yǎng)。

（1）將計算機思維培養(yǎng)融入到具體的實踐活動中

信息技術課程培養(yǎng)重點是讓學生運用計算機科學的基礎概念進行問題求解，強調培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力，發(fā)展人文底蘊等核心素養(yǎng)?！犊蚣堋访枋隽擞嬎銠C科學的核心概念和核心實踐，并對每一項實踐的內涵、目標和學習進程進行了詳細描述。教師在進行信息技術教學時，應當以《框架》的實踐目標為標準，注重引導學生在信息技術課程中接觸計算機科學，將計算思維融入有意義的實踐活動中，而不僅僅只是灌輸概念性知識，更需要理解技術背后的知識和原理。

（2）增強教學工具軟件的趣味性

國內傳統(tǒng)的計算機科學教育在追求嚴謹、科學等目標的時候，忽略了對初學者非常重要的詼諧有趣、直觀明了、可操作性良好的實踐活動和教學工具的設計。如我國信息技術教學長期使用Logo、Java、Visual Basic等程序設計軟件工具，對低齡學童而言不僅難度較大、趣味性不足，而且理論知識抽象難懂，很難引起學生學習的興趣[8]。關注并投入娛教技術研究與應用實踐，為教育技術開辟了一個新領地，對于促進教育技術學科的發(fā)展具有重大意義[9]。動手動腦的實踐是STEAM教育的一大特色，Scratch、Audrino、Kodu等一系列隱含計算思維的軟件、游戲、玩具的出現(xiàn)使得低齡學生借助工具接觸計算思維成為現(xiàn)實。我國一些發(fā)達城市已經(jīng)開始注意到使用App Inventor開展小學信息技術課程，并圍繞編程游戲實施信息技術教學，培養(yǎng)學生的計算思維。近幾年來，Scratch、Audrino等工具開始出現(xiàn)在江蘇等省市小學信息技術教材中，但就全國而言，普及面尚不廣泛。我國信息技術教育應該通過課堂實踐驅動編程工具的使用，培養(yǎng)學生的計算思維，豐富中小學信息社會學課程資源與工具，改善學習方式。在實踐中，注重培養(yǎng)學生解決基礎問題的新方法，幫助其更好地理解計算思維在生活中的作用，同時也能應用到其它學科和興趣課程中。作為學習和表達的工具，計算思維可以使每一位學生成為計算機技術的使用者和創(chuàng)造者。

（3）從低年段開始培養(yǎng)學生的計算思維

實踐證明，計算思維培養(yǎng)可以從幼齡階段抓起。美國計算機教育中程序設計類課程低齡化趨勢明顯，眾多針對低齡學童的程序設計軟件出現(xiàn)，甚至一些隱含計算思維的玩具也出現(xiàn)在小學甚至幼兒園階段。如Aggarwal等[10]設計課程介紹Scratch、App Inventor和Kodu等編程環(huán)境，用于培養(yǎng)K-12階段學生的計算思維；Stolee等[11]的微軟Kodu游戲實驗室支持學生學習如何編程和開發(fā)游戲，他們發(fā)現(xiàn)，3-5學段學生能夠認識、理解、建設和使用游戲編程設計模式。由此可見，在基礎教育過程中可以逐級引入計算思維理念。具體來說，可以從小學開始，利用App Inventor、Scratch等編程工具，以任務為驅動引導低齡學生學習編程的教學與研究；到高年級時，學生可以運用掌握的技能創(chuàng)建項目、游戲、應用程序、程序機器人等，鼓勵學生在使用、修改和創(chuàng)作的過程中學習編程，使計算思維、趣味編程、創(chuàng)意設計、兒童數(shù)字文化、游戲化教學等課程逐步走進中小學信息技術課堂，開啟具有創(chuàng)造、創(chuàng)新精神的信息技術教育之門。

• 2 規(guī)范信息技術課程設置、評估和實施途徑

信息技術作為一種高新技術，發(fā)展迅速。但目前學者很少對計算思維引入信息技術課程教學進行系統(tǒng)研究。我國對信息技術課程中的計算思維教育仍處于摸索階段，沒有系統(tǒng)科學的教學標準?！犊蚣堋分袑τ嬎銠C科學教育的描述，對于我國信息技術課程設置、評估和實施途徑具有重要的借鑒意義。

（1）增強課程設置的連貫性、清晰性與整體性

《框架》的編寫者認為計算機科學教育的連貫性、清晰性與整體性對保證計算思維教學至關重要?！犊蚣堋穱@一定的實踐、跨學科概念或核心概念擬定2年級、5年級、8年級和12年級學段末的學習進展和成果要求，使學生擁有完整的學習進程，這種學習進程有利于課程設計與教學實施在各年級之間的順利過渡。我國課程框架由國家統(tǒng)一制定，就整個基礎教育階段的信息技術教育而言，義務教育階段與高中階段的銜接存在問題，義務教育階段本身也存在一定問題。我國在制定信息技術教育標準時要有全局觀，考慮相關框架、標準之間的聯(lián)系與交叉；課標修訂組之間需要建立協(xié)商機制，并進行統(tǒng)一規(guī)劃，會更有利于學生全面素養(yǎng)的提升；同時，對新舊課標之間的變化進行清晰比照，則更有助于一線教師理解并正確指導課程的實施。

（2）充分利用計算環(huán)境，構建注重“能力”的課程評價體系

設計與課程內容相適應、可操作性良好、有效的能力評估方法，是實現(xiàn)課程目標的重要保障。目前，我國中小學階段普遍使用的學業(yè)評價方式是標準化測試，如多選題、簡答題測試等。結合計算思維能力培養(yǎng)的特點，課程考核方式應以“能力”為主，建議從項目實踐和原理理解兩方面構建評價體系，綜合評估學生的思維水平，開發(fā)更多“非傳統(tǒng)”的測量。如績效任務和學生小組任務，可利用具有豐富性和創(chuàng)造性的計算環(huán)境，在課程配套實驗方案中提出技能方面的要求，適當安排設計項目，提升學習者的興趣和成就感。與其它科目相比，計算機科學提供了一個獨特的機會：學生可以充分利用在線學習環(huán)境進行計算化評估。如學生可以在平臺中創(chuàng)建游戲、應用程序和模擬程序，這些環(huán)境可以收集數(shù)據(jù)、分析成果，并向學生和教師傳達進度。除了重視編程能力的評估，也需注意學生對計算機科學其它方面的原理理解，評估的時候需要同時兼顧多個概念。

（3）探索多種信息技術課程實施途徑

我國大部分地區(qū)中小學的信息技術課程實施途徑單一，因此，在一些條件允許的地區(qū)實施信息技術課程時要探索多種課程實施途徑。如圖5所示，小學、初中、高中分別對計算機科學進行基本接觸、適當接觸和深入接觸。具體來說，小學計算機科學可以融入一般的學科課堂，如當學生制作數(shù)字音樂、動畫等藝術作品時，可融入計算系統(tǒng)的概念和框架，也可將其作為一個特殊的學科（類似于音樂、藝術和體育），學生通過專門的課程學習計算機科學；在初中，可將計算機科學納入數(shù)學和科學課堂，使用視頻游戲編程的方法講授諸如畢達哥拉斯定理、距離公式等主題，也可作為特定年級一學期或一年的課程；在高中，計算機科學可以作為大學入門課程、AP計算機科學課程（提供給高中生獲得大學計算機課程的大學學分）、特定課程、網(wǎng)絡安全、游戲設計或智能技術等專業(yè)課程，也可以在不影響其他科目教學時間的情況下下獨立設置計算機科學課程。

圖5  實施K-12計算機科學的途徑

• 3 提升教師專業(yè)發(fā)展能力
  

我國信息技術教師普遍認為計算思維教育增加了學習難度，擔心學生難以接受。其實計算思維教育的難點并不在于學生能否接受，而在于教師自身的能力和素養(yǎng)，如教師需要具備廣闊的知識面，在教學時能做到深入淺出。為了更好地開展信息技術課程，需要從以下幾個方面提升信息技術教師的專業(yè)發(fā)展能力，建設符合現(xiàn)代信息技術快速發(fā)展趨勢的教師隊伍：首先，實施計算機科學教師認證，開發(fā)或采用計算機科學教師執(zhí)照考試認證，除了認證、激勵和加速專業(yè)教師培養(yǎng)，還將有助于解決計算機科學教師的短期和長期需求；其次，制定教師培訓計劃，在高等教育機構創(chuàng)設獎勵，為職前教師提供計算機科學知識，將計算機科學內容納入所有教育專業(yè)的必修課程；最后，借鑒《框架》對教師專業(yè)發(fā)展的設計，教師可以積極準備好促進個人專業(yè)發(fā)展的知識，幫助其擴展計算機科學知識的廣度和深度，以滿足不同學生的需求。

本文轉自微信公眾號“現(xiàn)代教育技術雜志”，作者邱美玲、李海霞、羅丹、岳賽賽、王冬青。文章為作者獨立觀點，不代表芥末堆立場。