國外中小學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)教與學(xué)的研究綜述

查飛琴 吳偉敏

摘要：本文旨在回顧國外K-12階段計(jì)算思維教與學(xué)內(nèi)容的實(shí)證研究，并在此基礎(chǔ)上探討CT教育的未來研究前景。每篇論文主要考察以下幾個(gè)因素：參與者年級(jí)或者年齡、樣本組、教學(xué)策略、應(yīng)用工具、編程語言、研究內(nèi)容。研究結(jié)果表明：（1）計(jì)算思維的教學(xué)研究對象涉及K-12階段的各個(gè)年級(jí)，從幼兒園到高中，年齡在4-18歲之間，實(shí)驗(yàn)對象主要集中在小學(xué);（2）K-12階段的CT教學(xué)策略具有多元性和創(chuàng)新性，大多數(shù)教學(xué)設(shè)計(jì)采用兩種或兩種以上的教學(xué)策略輔助展開;（3）與編程設(shè)計(jì)相關(guān)的計(jì)算機(jī)語言依然是計(jì)算思維培養(yǎng)中重要的教學(xué)課程?？偟膩碚f，這15篇論文表明CT在K-12中顯示出巨大的教育潛力，具有一定的指導(dǎo)意義。鑒于此，我們展望了我國K-12教育未來的研究方向，提出相關(guān)發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維;教學(xué)活動(dòng);系統(tǒng)化分析;教與學(xué)

一、引言

計(jì)算思維是一種解決問題的方法，這種方法在整個(gè)K-12課程中廣泛適用，隨著CT的普及和相關(guān)性變得越來越明顯，在國外許多國家，州和機(jī)構(gòu)正在將其納入課程，因此教師和學(xué)習(xí)者都應(yīng)該了解這對他們的未來發(fā)展的影響以及它將來如何影響他們教學(xué)方式的多樣性。將CT整合到傳統(tǒng)的核心和選修科目領(lǐng)域可以幫助學(xué)生建立重要的跨課程聯(lián)系，提高他們的學(xué)習(xí)成績，并培養(yǎng)重要的技能，以便提高他們在實(shí)際生活中解決問題的能力。

2006年，周以真為了幫助人們更好地認(rèn)識(shí)機(jī)器智能的不解之謎，首次提出了“計(jì)算思維”這個(gè)概念。周教授認(rèn)為計(jì)算思維是每個(gè)人的基礎(chǔ)技能，不僅僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家。計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算基礎(chǔ)的基礎(chǔ)概念去求解問題、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及理解人類的行為[1]。這一概念的提出引起國際教育學(xué)者的廣泛關(guān)注，同時(shí)也引發(fā)了國內(nèi)外學(xué)者對信息技術(shù)課程的反思與改革。2013 年 12 月 11 日，美國非盈利性組織為配合國家計(jì)算機(jī)科學(xué)教育周發(fā)起了“編程一小時(shí)”倡議和活動(dòng)，旨在通過采用趣味教學(xué)的方式讓中小學(xué)生了解基本的計(jì)算機(jī)程序編寫，并從小培養(yǎng)孩子們對計(jì)算機(jī)的興趣[2]。2014年，在英國重啟了計(jì)算機(jī)科學(xué)的復(fù)興中，引進(jìn)新課程，實(shí)施了一套完整的“計(jì)算思維課程”，包括計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息技術(shù)和所有學(xué)科的數(shù)字文學(xué)[3]，以此來培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維技能。在我國，教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)、中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)等組織較早對計(jì)算思維的概念、定位、目標(biāo)與培養(yǎng)等方面展開了較為深入地探討，先后舉辦了一系列與計(jì)算思維密切相關(guān)的會(huì)議。2010年，國內(nèi)首屆“九校聯(lián)盟計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程研討會(huì)”（C9會(huì)議）發(fā)表了聯(lián)合聲明，把培養(yǎng)學(xué)生的“計(jì)算思維”能力作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的一項(xiàng)重要的，長期的和復(fù)雜的核心任務(wù)[4]。2012年，教育部教高司函{2012}188號(hào)文件正式公布，批準(zhǔn)“以計(jì)算思維為導(dǎo)向的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程研究”等 22個(gè)大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革項(xiàng)目，以培養(yǎng)計(jì)算思維為重點(diǎn)，推動(dòng)大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革[5]。針對中小學(xué)的計(jì)算思維的培養(yǎng)與訓(xùn)練要求與準(zhǔn)則，在2017年新版《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中，進(jìn)一步明確表示：信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)由信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任四個(gè)核心要素組成[6]。由此可見，計(jì)算思維能力的培養(yǎng)日益受到重視。越來越多的國家已經(jīng)正式或正在實(shí)施將計(jì)算思維納入學(xué)校的課程體系之中，計(jì)算思維的課程設(shè)置也從大學(xué)逐步轉(zhuǎn)到k-12階段。

本論文圍繞“如何培養(yǎng)K-12階段孩子們的計(jì)算思維”、“怎樣把計(jì)算思維融入到其他學(xué)科中”、“計(jì)算思維與編程、程序設(shè)計(jì)的關(guān)系”等問題對目前國外學(xué)校如何展開計(jì)算思維的教與學(xué)進(jìn)行描述與總結(jié)。希望通過總結(jié)國外K-12培養(yǎng)計(jì)算思維的教學(xué)方式和應(yīng)用實(shí)踐來為我國的計(jì)算科學(xué)發(fā)展提供一定的借鑒意義，指導(dǎo)我國的教育工作者、教師、研究者更好的展開中小學(xué)生有關(guān)計(jì)算思維訓(xùn)練與培養(yǎng)。

二、研究設(shè)計(jì)與方法

（一）納入納出標(biāo)準(zhǔn)

相較于已有再分析，本研究在篩選文獻(xiàn)時(shí)不限年級(jí)、學(xué)科，不對具體教學(xué)軟件或硬件進(jìn)行區(qū)分。具體來說，本研究文獻(xiàn)納入的標(biāo)準(zhǔn)為：（1）須為關(guān)于計(jì)算思維怎樣展開教與學(xué)的研究，即教學(xué)過程中涉及到教學(xué)方法、教學(xué)工具、策略、應(yīng)用課程等;（2）研究對象為中小學(xué)生以及幼兒，大學(xué)生和成人不予考慮;（3）文獻(xiàn)必須是實(shí)證類論文，綜述類論文不納入考慮;（4）2019年之前正式發(fā)表的研究。

（二）文獻(xiàn)檢索與篩選

本文選取在Web of Science的SSCI上搜索核心期刊中關(guān)于“Computational thinking”的相關(guān)文章。期刊源定位為“Computers&Education”、“Computer in Human Behavior”和“Journal of Educational Computing Research”三種代表性的期刊。檢索日期為2006年到2018年。共檢索出38篇文獻(xiàn)。通過瀏覽38篇文獻(xiàn)的標(biāo)題和摘要后，排除與研究主題無關(guān)的15篇文獻(xiàn)，剩余15篇文獻(xiàn)。因此，本研究總計(jì)納入15篇文獻(xiàn)。

（三）文獻(xiàn)編碼和效應(yīng)量的提取

本研究編碼項(xiàng)分為三類本研究編碼項(xiàng)分為三類：（1）描述性變量，主要包含第一作者和第一作者所在國家、發(fā)表期刊名稱、以及發(fā)表年份;（2）研究問題項(xiàng)，即對該篇論文的研究問題進(jìn)行提煉和總結(jié);（3）教學(xué)情境項(xiàng)，主要包含年級(jí)或年齡、樣本量大小、主題或科目、教學(xué)策略、教學(xué)時(shí)常、學(xué)習(xí)媒體或教學(xué)工具、編程語言、學(xué)習(xí)情境：正式教學(xué)還是非正式教學(xué);（4）研究方法項(xiàng)，主要包括研究設(shè)計(jì)方法、數(shù)據(jù)收集方法、數(shù)據(jù)分析方法;（5）學(xué)習(xí)結(jié)果項(xiàng)，主要包含學(xué)習(xí)結(jié)果和學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)方法。

三、研究結(jié)果的數(shù)量統(tǒng)計(jì)分析

（一）參與者的基本信息

在本次研究種，我們從樣本組、年級(jí)或年級(jí)、以CT教學(xué)過程中采用的教學(xué)工具、編程語言、教學(xué)策略等方面對15篇論文進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，在15篇論文中，所有論文都描述了參與者的年級(jí)或年齡?？偟膩碚f，計(jì)算思維已經(jīng)被廣泛的普及到教育領(lǐng)域，研究對象涉及K-12階段的各個(gè)年級(jí)，從幼兒園到高中，年齡在4-18歲之間，最小的參與者為4歲（Marina Umaschi Bers，2014[7]）。統(tǒng)計(jì)結(jié)果中我們可以看出大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)對象為小學(xué)生，論文篇幅達(dá)到11篇。在選取的15篇文論中，有13論文沒有記錄參與者的數(shù)量，在樣本頻率方面表格 2，最大的群體是五年級(jí)，125人（Chen，Guanhua，2017[8]），4篇論文招募的參與者少于50人，而200人以上的論文只有2篇。這說明在計(jì)算思維的教育研究中參與者的樣本量并不大。比較值得注意的是，Snodgrass，Melinda R（2016）[9]他的樣本容量只有2人，主要是研究如何為特殊兒童包括殘疾人廣大學(xué)習(xí)者提供包含計(jì)算機(jī)教學(xué)和計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)支持。由此可見，學(xué)者們的研究群體朝著更加合理化和完整性的方向發(fā)展，不僅僅只是考慮K-12階段的正常兒童。

（二）所采用的教學(xué)策略分布情況

為了解在CT的教學(xué)活動(dòng)中，教師采用何種教學(xué)策略來引導(dǎo)學(xué)生理解計(jì)算思維，我們又對15篇論文的教學(xué)策略進(jìn)行歸類，教學(xué)策略的分類標(biāo)準(zhǔn)引用Ting-Chia Hsu（2018）[10]論文中總結(jié)的16種教學(xué)策略，以此來確保數(shù)據(jù)分類的可靠性。在選取的15篇論文，有四篇論文的教學(xué)策略不能確定，因此用“其他”來代替，不納入數(shù)據(jù)分析范圍。分析結(jié)果圖1顯示，教學(xué)策略的種類達(dá)到九種。其中，基于項(xiàng)目的教學(xué)、以學(xué)生為中心的教學(xué)和我基于游戲的教學(xué)是在日常研究實(shí)驗(yàn)中最為常見的三種教學(xué)策略，有六篇論文在教學(xué)實(shí)踐中采用兩種或兩種以上的教學(xué)策略相互配合，以此我們可以得出，作為傳統(tǒng)教學(xué)方法“基于項(xiàng)目的教學(xué)”和“以學(xué)生為重的教學(xué)”在計(jì)算思維的培養(yǎng)與貫徹中依然受用，不受學(xué)習(xí)內(nèi)容的影響。而“以游戲?yàn)橹行牡慕虒W(xué)”將編程學(xué)習(xí)與游戲相結(jié)合，既能吸引學(xué)生的注意力也能便于學(xué)生理解計(jì)算思維，將抽象概念形式化。另外，值得注意的是，如“人機(jī)交互教學(xué)”、“基于故事的學(xué)習(xí)”等適用于專門課程的教學(xué)策略也被引入到k-12階段的CT教學(xué)中，由此我們可以推測，隨著研究者們的不斷努力，越來越多的教學(xué)策略嘗試到計(jì)算思維培養(yǎng)計(jì)劃中，以此來開發(fā)出更多能幫助學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的教學(xué)策略，體現(xiàn)了k-12階段的CT教學(xué)設(shè)計(jì)的多元性和創(chuàng)新性。

（三）所教授的編程語言以及應(yīng)用課程分布情況

在傳統(tǒng)的教學(xué)觀念中，許多教育家認(rèn)為，編程語言是教授CT最簡單、最合適的方法，不可否認(rèn)的是計(jì)算思維是可以通過編程活動(dòng)來培養(yǎng)（Lye&Koh，2014）[11]，但通過整理15篇文獻(xiàn)的應(yīng)用課程我們可以得出通過這種刻板的觀點(diǎn)已經(jīng)不完全正確了。事實(shí)上，CT思維已經(jīng)廣泛用于不同學(xué)科，包括數(shù)學(xué)（Benakli，Kostadinov，Satyanarayana，&Singh，2017[12]）、生物學(xué)（Rubinstein&Chor，2014[13]）、計(jì)算機(jī)科學(xué)（Repenning，2012[14]）。

在統(tǒng)計(jì)的文獻(xiàn)中，12篇論文都記錄了應(yīng)用課程，其余三篇沒有描述相關(guān)課程，因此不計(jì)入數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)范圍。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖2所示，與編程設(shè)計(jì)相關(guān)的語言依然是計(jì)算思維培養(yǎng)中重要的教學(xué)課程。值得關(guān)注的是，編程語言的模式不僅僅局限在腳本語言，我們對論文中涉及的編程語言進(jìn)行整理Scratch、App Inventor等基于組塊的編程環(huán)境的使用頻率大于傳統(tǒng)的腳本語言，這種基于組塊的編程環(huán)境可以支持年輕學(xué)習(xí)者在編程活動(dòng)中培養(yǎng)CT，使他們能夠在學(xué)習(xí)過程中通過拖放塊來更多地關(guān)注問題解決過程。由此我們可知，編程課程也在不斷的更新、改革，試圖突破傳統(tǒng)的編程語言的枯燥、冗長，結(jié)合學(xué)生的興趣與特點(diǎn)，個(gè)性化的開發(fā)具有游戲趣味的可視化編程課程。

四、總結(jié)與建議

本研究采用系統(tǒng)化綜述的方法，對K-12階段的CT實(shí)證研究論文進(jìn)行回顧分析和討論。本研究的目的為近十年國外是怎么樣展開思維的教學(xué)與培養(yǎng)，包含使用何種教學(xué)工具、與哪些學(xué)科交叉融合、采用的教學(xué)策略又有哪些、以及相應(yīng)的課程形式。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明計(jì)算思維活動(dòng)主要用于藝術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、機(jī)器人設(shè)計(jì)等課程，因此我們可以得出到在國外，計(jì)算思維相關(guān)的培養(yǎng)與教學(xué)已經(jīng)一種基于基本課程的方式整合到不同主題中。這與周義真提出的概念也想呼應(yīng)。在過去十年研究者學(xué)者提到了兒童學(xué)習(xí)計(jì)算思維的好處，也嘗試了基于計(jì)算機(jī)輔助下的各種學(xué)習(xí)策略和教學(xué)應(yīng)用，包括可視化編程（如Scratch、Alice）、教育機(jī)器人以及低成本編碼設(shè)備（如code.org網(wǎng)站）。未來的研究應(yīng)該嘗試引入不同的學(xué)習(xí)策略，包括腳手架式學(xué)習(xí)策略、講故事學(xué)習(xí)、審美體驗(yàn)等，以多種方式幫助學(xué)習(xí)者在學(xué)科發(fā)展或高層次能力培養(yǎng)方面，如批判性思維和解決問題能力的培養(yǎng)。

綜合以上的分析結(jié)果，對今后我國的計(jì)算思維發(fā)展提出以下建議：（1）在課程設(shè)置方面體現(xiàn)出遷移性。在我國，計(jì)算思維培養(yǎng)主要依賴信息技術(shù)課程，很少關(guān)注跨學(xué)科的應(yīng)用。因此對原有的信息技術(shù)課程內(nèi)容需要進(jìn)行合理的調(diào)整，是替代已有的課程還是開設(shè)全新的課程是未來教育學(xué)者需要考察的問題。（2）擴(kuò)大計(jì)算思維的培養(yǎng)對象的范圍。根據(jù)研究結(jié)果顯示，四歲的兒童就可以學(xué)習(xí)基本的編碼技能，而在我國計(jì)算思維教學(xué)大多數(shù)在初中和高中的課程中展開，這在一定程度上忽略了年齡的優(yōu)勢。如Kong，Siu-Cheung（2018）[15]的研究表明，低年級(jí)學(xué)生比高年級(jí)學(xué)生更能感受到編程的意義。因此，學(xué)前兒童的計(jì)算機(jī)科學(xué)態(tài)度的培養(yǎng)也至關(guān)重要，逐步培養(yǎng)兒童一種看待和處理問題的態(tài)度[16]。此外，特殊兒童的計(jì)算思維訓(xùn)練也是不可忽視的教學(xué)活動(dòng)，根據(jù)神經(jīng)科學(xué)家們的研究表明，雖然特殊兒童在肢體協(xié)調(diào)、腦部活動(dòng)上低于常人，但是不代表他們被剝奪了學(xué)習(xí)權(quán)力。相反由于某些方面的缺失，特殊兒童大腦活躍區(qū)域也異于常人，學(xué)習(xí)特質(zhì)也會(huì)表現(xiàn)出某方面的突出。因此，在計(jì)算思維的教學(xué)活動(dòng)中需要更多的關(guān)注殘障及兒童的培養(yǎng)，開展他們的潛在機(jī)能，給予他們平等的受教育的權(quán)利。（3）建立合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)。在我國最新發(fā)出的2017新版《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》[17]中就提出了將計(jì)算思維分為四個(gè)等級(jí)并對每個(gè)等級(jí)下的計(jì)算思維素養(yǎng)提出指標(biāo)。計(jì)算思維作為一種抽象化的概念，它的評(píng)價(jià)不僅要觀察學(xué)習(xí)者外顯行為的變化，也要關(guān)注內(nèi)顯意識(shí)的轉(zhuǎn)變，這涉及到知識(shí)、態(tài)度和技能各個(gè)方面。在未來的評(píng)價(jià)體系中，評(píng)價(jià)者需要根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)過程的表現(xiàn)，將其放在不同維度的指標(biāo)上，考慮體在不同的學(xué)習(xí)情境中的反應(yīng)，盡可能以全面的角度去展現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的發(fā)展情況和細(xì)節(jié)表現(xiàn)，從而能夠真實(shí)而有效的反應(yīng)學(xué)生的計(jì)算思維水平。

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基金：本文受南京郵電大學(xué)教改項(xiàng)目“STEP工程模式理念下的專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革研究——以數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)為例”資助（項(xiàng)目編號(hào)：JG01718JX47）