英國K-12階段計算思維教育分析與啟示

李冰 蔡雨蝶 黃靜蕾

摘? ?要：計算思維作為學(xué)習(xí)者應(yīng)對未來社會科技快速變革的必備能力，受到各國教育界的高度重視，并紛紛將其納入國家課程標(biāo)準(zhǔn)，加大了相關(guān)教育投入力度。英國作為教育信息化較為發(fā)達的國家之一，較早關(guān)注到兒童計算思維的培養(yǎng)，并在計算思維教育方面取得不少實踐與研究成果。文章梳理了英國在K-12階段計算思維教育的政策與投入，介紹了英國的計算思維教育評價方式，并從課程標(biāo)準(zhǔn)、教材與跨學(xué)科教學(xué)等方面分析計算思維的教育實踐。在此基礎(chǔ)上，我國對K-12階段的計算思維教育應(yīng)積極整合校內(nèi)外資源搭建計算思維教育平臺，完善信息科技課程評價，重視教師培訓(xùn)，并在多學(xué)科中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。

關(guān)鍵詞：計算思維; K-12教育;信息科技;英國;教學(xué)實踐;評價方式;

中圖分類號：G51? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?DOI：10.3969/j.issn.1672-1128.2023.05.002

計算思維是當(dāng)前計算機領(lǐng)域廣為關(guān)注的重要概念，也是信息技術(shù)教育中的研究熱點。計算思維的概念最初由周以真教授提出，是指運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為，包括一系列反映計算機科學(xué)領(lǐng)域廣度的思維工具。計算思維不僅僅是屬于計算機科學(xué)家的思維方式，也是每個人的基本技能[1]。在計算思維提出后，世界各國開始對計算思維教育展開研究，計算思維也與實證思維和邏輯思維共同組成了三大科學(xué)思維[2]。美國國家科學(xué)基金會指出，計算思維必須像“閱讀、寫作、算術(shù)”一樣普及，成為每個合格公民的必備素質(zhì)[3]。近年來，美國、芬蘭、新加坡等國也從國家政策層面開始推動面向青少年的計算思維培養(yǎng)計劃。英國作為教育信息化起步最早的國家之一，為了保持其在全球數(shù)字經(jīng)濟的競爭優(yōu)勢，推出了一系列培養(yǎng)學(xué)生計算思維的政策和項目，其理論成果和實踐經(jīng)驗對我國K-12階段進一步推進學(xué)生計算思維培養(yǎng)具有一定的借鑒意義。

一、英國計算思維教育的政策與投入

英國較早從國家層面啟動了針對K-12階段的計算思維教育政策和研究項目，并對計算思維教育持續(xù)投入大量資金（見圖1）。

2013年，英國教育部頒布新的國家課程，將原有的中小學(xué)信息通信技術(shù)課（Information Communication Technology，ICT）改名為計算課程（Computing），將計算思維作為新課程的核心目標(biāo)，提出了K-12階段計算課程的四個關(guān)鍵階段的培養(yǎng)目標(biāo)：掌握基本知識;進行簡單操作;理解理論原理;解決實際問題[4]。2014年英國正式實施計算課程，成為世界上第一個將編程作為中小學(xué)義務(wù)教育內(nèi)容的國家。

2015年，英國教育部對普通中等教育證書（General Certificate of Secondary Education，GCSE）中的ICT課程進行了重新規(guī)劃，特別強調(diào)學(xué)生計算思維的發(fā)展，要求學(xué)生理解和應(yīng)用包括抽象、分解、邏輯、算法和數(shù)據(jù)表達在內(nèi)的計算機科學(xué)的基本概念和原理，逐步提高學(xué)生利用計算思維分析及解決問題的能力，使學(xué)生能夠?qū)栴}進行系統(tǒng)分析、設(shè)計合理的解決方案，并通過編程加以實現(xiàn)。同時還在課程中強調(diào)培養(yǎng)與計算機科學(xué)相關(guān)的數(shù)學(xué)技能，體現(xiàn)計算機科學(xué)（Computer Science，CS）課程的跨學(xué)科培養(yǎng)理念[5]。

2016年，英國廣播公司（British Broadcasting Corporation，BBC）Make It Digital節(jié)目針對2013年的英國計算課程改革，聯(lián)合微軟、三星等多家全球頂級科技公司和機構(gòu)共同打造了基于ARM架構(gòu)的單片機——Micro： bit，并為其在BBC線上線下配套了大量的項目教程資源和活動，為每一位七年級的在校學(xué)生提供免費Micro： bit開發(fā)板用于編程學(xué)習(xí)，以激勵學(xué)生發(fā)展計算興趣和數(shù)字創(chuàng)造力，從而提高計算思維[6]。

2018年，英國政府投資8400萬英鎊支持英國計算學(xué)會與劍橋大學(xué)合作組成第一個專家領(lǐng)導(dǎo)的國家計算教育中心以改善計算教學(xué)，同時谷歌也提供了100萬英鎊支持該教育中心。由英國專家領(lǐng)導(dǎo)的國家計算教育中心與英國各地的學(xué)校開展合作，為中小學(xué)提供計算課程資源，并為其計算課程教師提供強化培訓(xùn)方案，以改善并提高中等教育計算機科學(xué)的參與度[7]。

英國不僅注重學(xué)生計算思維培養(yǎng)，同時還注重相關(guān)教師的招聘、保留和發(fā)展。英國皇家學(xué)會（The Royal Society）于2019年八月發(fā)布了《計算教育快照：計算機教師政策簡報》（Computing Education Snapshot： Policy Briefing on Teachers of Computing）。該簡報概述了學(xué)校當(dāng)前計算課程教師的供需和發(fā)展情況，并給出了一系列行動建議。例如，在招聘計算課程教師時要確保其ICT資格，而不是隨意讓其他科目的教師教授計算課程;在發(fā)展教師方面，為他們提供國家計算教育中心（National Centre for Computing Education，NCCE）提供的高質(zhì)量計算教學(xué)培訓(xùn);在保留計算課程教師勞動力方面，該政策提出要減少對教師基于測試的問責(zé)措施的關(guān)注，同時提高對他們的補助，確保新教師能夠獲得每月3000英鎊的免稅工資[8]。

綜上所述，英國不但較早發(fā)布了針對K-12階段的計算思維教育政策，同時還輔以較多項目支持和資金投入。另外，英國政府還與各高校、科技公司合作改善計算教學(xué)，整合資源搭建平臺，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。

二、英國計算思維評價方式

英國對計算思維的測評工具研究較少，研究者多直接采用國外學(xué)者的測評工具，或在國外學(xué)者的研究基礎(chǔ)上進行修訂，使其適應(yīng)英國的實際情況，以滿足英國進一步研究的需求。比較有代表性性的是評價方式為多途徑過程評估以及可視化學(xué)習(xí)分析。

（一）多途徑過程評估

英國倫敦大學(xué)學(xué)院的學(xué)者亞塞明·奧索普（Yasemin Allsop）為倫敦某小學(xué)六年級的學(xué)生設(shè)計了一個使用Scratch和Alice 2.4應(yīng)用程序的游戲制作項目，為期8個月。該項目構(gòu)建了包含“計算概念”“元認(rèn)知實踐”和“學(xué)習(xí)行為”在內(nèi)的計算思維多途徑評估模型。對于計算概念的評估主要依靠研究學(xué)生在編程環(huán)境中完成任務(wù)（如序列、循環(huán)、條件和變量）的編程構(gòu)造。對“元認(rèn)知實踐”的評估主要依靠對學(xué)生言語表達的記錄以及對學(xué)生的半結(jié)構(gòu)化訪談，同時輔以對學(xué)生“問題解決表”的記錄分析，這些“對話”能夠展現(xiàn)學(xué)生的“深層自我”，讓學(xué)生自由表達對問題的理解情況，有效彌補其他測評方式的不足。在“學(xué)習(xí)行為”的評估中，奧索普著重記錄學(xué)生的協(xié)作、毅力、交流、調(diào)試、創(chuàng)造力和問題解決行為。這種用多途徑對計算思維進行評估的方式不僅能夠提供有關(guān)學(xué)生對計算概念理解的深層信息，還能夠收集學(xué)生個人技能發(fā)展的過程證據(jù)，從而對他們的計算思維進行多層次、全過程的深入分析[9]。

（二）可視化學(xué)習(xí)分析

伊娃-蘇菲·卡特費爾特（Eva-Sophie Katterfeldt）等人開發(fā)了具有實時反饋、即插即用和清晰的可視化編程功能語言特點的Talkoo套件，用于學(xué)生的“物理+計算”跨學(xué)科學(xué)習(xí)。此項目受到歐洲跨學(xué)科合作項目（Practice-based Experiential Learning Analytics Research and Support）的支持，為學(xué)生配備了帶有顯示器的白板和圓桌，并集成了學(xué)習(xí)分析支持（Learning Analytics Support，LAS），能夠通過跟蹤學(xué)生的手勢、表情、眼球等來收集學(xué)習(xí)者的活動數(shù)據(jù)，用于各種學(xué)習(xí)分析。具體來說，通過學(xué)習(xí)者佩戴的腕部位置感應(yīng)器，獲取學(xué)習(xí)者是否正在操作、操作何種軟硬件對象、操作頻率等數(shù)據(jù)，再配以時間序列將操作過程劃分為計劃、記錄、反思三個階段;同時，使用攝像頭獲取學(xué)生查看顯示器的次數(shù)和面部表情，進而為學(xué)習(xí)者和教師實時呈現(xiàn)整體可視化界面。調(diào)查結(jié)果顯示，該工具包對學(xué)生的學(xué)習(xí)動機和計算思維能力有積極的推動作用，但學(xué)習(xí)分析數(shù)據(jù)也表明該工具包對學(xué)習(xí)者的協(xié)作支持具有負(fù)面影響。將基于大數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)分析用于計算思維評價，能夠獲得全方位、全程化的學(xué)習(xí)證據(jù)，深入分析和發(fā)掘隱藏的學(xué)習(xí)需求，為計算思維評價提供客觀的數(shù)據(jù)來源[10]。

三、英國計算思維的教育實踐

（一）從課程標(biāo)準(zhǔn)看計算思維培養(yǎng)

在英國2014年出版的國家課程標(biāo)準(zhǔn)（National Curriculum in England： Framework for Key Stages 1 to 4）中，把計算教育放在與核心科目同等重要的地位并貫穿于四個教育階段。在Computing章節(jié)中強調(diào)其學(xué)習(xí)目的是“使學(xué)生能夠利用計算思維和創(chuàng)造力來理解和改變世界”，并以“能夠用計算思維分析問題，并具有編寫計算機程序以解決此類問題的重復(fù)實踐經(jīng)驗”為課程目標(biāo)[11]。

倫敦女王大學(xué)的保羅·柯松（Pual Curzon）教授等人在教育部的支持下提出了計算課程中計算思維的具體框架，包含以下五點[12]。一是算法思維（Algorithmic thinking），指學(xué)生通過明確的步驟來獲得解決復(fù)雜問題的思維方式，相對于具體的運算結(jié)果，算法思維更強調(diào)的是學(xué)生面對復(fù)雜問題的思考方式。二是評估（Evaluation），指學(xué)生對算法優(yōu)劣的鑒別以及評估能力，即需要從一系列的算法方案中選擇一個成本最低、速度最快的理想解決方案。三是分解（Decomposition），指學(xué)生在面對大型項目或復(fù)雜問題時，能夠?qū)⒃既蝿?wù)進行分解，并保證這些被分解的任務(wù)能在后期被有序整合，以完成復(fù)雜任務(wù)或項目。四是抽象（Abstraction），指學(xué)生能夠有效地排除問題中不重要的細節(jié)部分，將問題化繁為簡，其關(guān)鍵在于選擇最優(yōu)表達，不同的表達能夠使問題更加易于思考。五是歸納（Generalization），指學(xué)生通過以前解決的問題，歸納出相應(yīng)的問題解決范式，并根據(jù)新的問題情境進行調(diào)整，使其能夠快速解決同類問題。

（二）從信息技術(shù)教材看計算思維培養(yǎng)

英國高中計算課程對應(yīng)KS4的學(xué)習(xí)，相當(dāng)于我國高一、高二年級，而這兩年的計算課程是為普通中等教育證書（GCSE）考試而設(shè)計的，類似于我國的會考。英國計算課程結(jié)構(gòu)分為必修和選修兩大模塊。針對計算思維的培養(yǎng)，在KS4教師指導(dǎo)手冊中有明確的課程內(nèi)容及課時安排（見表1）。

從教材安排上來看，英國計算課程教材必修內(nèi)容較多，對編程、數(shù)據(jù)、算法較為重視，偏重技術(shù)應(yīng)用。下面將選取英國有關(guān)數(shù)據(jù)部分的教材進行計算思維分析。以英國霍德教育出版社的計算科學(xué)（Computer Science）教材“數(shù)據(jù)的表達”模塊內(nèi)容為例，從英國的課程標(biāo)準(zhǔn)和科爾克馬茲評價測量[13]兩個視角來分析該教材中有關(guān)計算思維的內(nèi)容，具體如表2所示。

分析英國計算課程教材可以發(fā)現(xiàn)，英國較重視計算與技術(shù)，在教學(xué)中通過大量習(xí)題鞏固知識點，促進學(xué)生的思維進入高階層次。從英國計算課程標(biāo)準(zhǔn)對計算思維的定義來看，英國對計算思維的評估（evaluation）維度較為重視，評估是為了引導(dǎo)學(xué)生在解決問題和產(chǎn)生疑問時學(xué)會多角度、全面地分析問題，最終根據(jù)具體需求確定一個最為適宜的解決策略[14]。英國在計算課程教材中通過提供情境性提升練習(xí)，讓學(xué)生使用所學(xué)知識選擇最合適的解決策略，從而提升計算思維。但教材中的文字表征多以封閉性的知識技能講授和練習(xí)為主，缺少啟發(fā)性語言和關(guān)鍵支架，容易導(dǎo)致學(xué)生游離于教材之外，不利于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

從科爾克馬茲的計算思維量表來看英國的計算課程教材可以發(fā)現(xiàn)，教材對于創(chuàng)造力和協(xié)作能力的培養(yǎng)較為薄弱，教材內(nèi)容仍以傳統(tǒng)講授式教學(xué)為主，缺乏讓學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造力合作完成的項目。

（三）從跨學(xué)科教學(xué)看計算思維培養(yǎng)

雖然程序設(shè)計是發(fā)展學(xué)生計算思維的一種重要載體，但計算思維教育的最終目標(biāo)不是讓每個人成為計算機科學(xué)家，而是教會他們應(yīng)用這些共同元素來解決問題，并發(fā)現(xiàn)可以在所有學(xué)科內(nèi)和跨學(xué)科中探索新的問題[15]。

英國倫敦大學(xué)學(xué)院在英國教育基金會的支持下于2014年推出ScratchMaths項目，將Scratch圖形化編程與小學(xué)五至六年級的數(shù)學(xué)課程融合，項目組在計算思維于數(shù)學(xué)思維之間構(gòu)建聯(lián)系，制訂了Explore（探索）、Envisage（預(yù)測）、Explain（解釋）、Exchange（交流）、bridgE（聯(lián)結(jié)）“5E”框架，指導(dǎo)教師進行教學(xué)設(shè)計[16]。研究結(jié)果表明，在為期兩年的SM項目結(jié)束時，SM項目的干預(yù)對學(xué)生的計算思維有積極影響[17]。

2017年，英國倫敦大學(xué)學(xué)院與英國圖書館合作，將計算思維與人文學(xué)科融合，讓初中生基于《貝奧武甫》的閱讀利用MissionMaker（一種類似自然語言的游戲設(shè)計軟件）開發(fā)3D游戲。此項目將編程視為一種表達活動，游戲需要融合動畫、音樂、口語和書面語，這些都需要由計算機程序編排控制。在此項目中，學(xué)生不僅要理解《貝奧武甫》，還需要通過編程展示游戲的美學(xué)和人文水平[18]。

（四）英國優(yōu)秀舉措

1.倫敦計算教學(xué)網(wǎng)站

英國在計算思維的教育上提供了很多網(wǎng)站供學(xué)生和教師自主學(xué)習(xí)。其中，在倫敦學(xué)校卓越基金和教育部的支持下建立的倫敦計算教學(xué)網(wǎng)站（Teaching London Computing），與英國多所高校合作開發(fā)了跨學(xué)科計算資源。該網(wǎng)站有單獨的跨學(xué)科計算專欄，包含計算科學(xué)與文學(xué)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)、哲學(xué)、音樂、歷史等多達12個學(xué)科的整合教學(xué)。例如，在計算機與歷史的課程整合中，從古希臘埃拉托斯特尼的數(shù)篩到都鐸王朝時代的培根密碼（第一次用二進制來表示字符），再到二戰(zhàn)的Colossus計算機，該模塊在講述歷史故事的過程中引導(dǎo)學(xué)生思考其中的計算思維，旨在為英國乃至全球的學(xué)校提供出色而有趣的計算教育，在各個學(xué)科滲透計算思維的培養(yǎng)。

2.女童的計算思維教育

英國在計算機教育中力圖打破性別刻板印象。早在2011年，英國就對信息與通信技術(shù)（ICT）領(lǐng)域的性別失衡做出了統(tǒng)計分析[19]?；菘敌磐谢饡囊豁棃蟾嬷赋?，從7到9年級，計算機是女孩最不喜歡的科目[20]。其他研究表明，與男孩相比，女孩往往被低估了她們在編程方面的表現(xiàn)，并且對自己在計算方面的效能感較低[21]。針對這一點，英國在2018年通過推出提高女生STEM能力的“STEM is for girls”項目，以及旨在讓女生通過學(xué)習(xí)Micro： bit開發(fā)新軟件和應(yīng)用程序從而進一步接觸計算機技術(shù)的“Girl Power Codefest”項目[22]。同時，倫敦計算教學(xué)網(wǎng)站也專門設(shè)置了Women Computing欄目，該欄目提供了近幾十年來計算機領(lǐng)域杰出女性研究人員的詳細資料和相關(guān)文章、小說。這些都能夠幫助女性打破刻板印象，提高其學(xué)習(xí)計算課程的興趣，從而發(fā)展計算思維。

四、英國計算思維教育的啟示

一是國家政策引領(lǐng)，整合資源，搭建平臺。英國在推進計算思維教育過程中，不僅得到了國家方面的政策和資金支持，同時還有來自高校、科技公司、行業(yè)組織等的大力支持。我國也可以參考該模式，整合校內(nèi)外資源，構(gòu)建多方合作的計算思維培養(yǎng)共同體，將正式教育與非正式教育相融合，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，逐步形成計算思維教育生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)計算思維的全方位發(fā)展。

二是完善對信息科技/信息技術(shù)課程的評價，形成“教-學(xué)-評”反饋閉環(huán)，以評促教。英國重視計算課程的評估，認(rèn)為評估應(yīng)該側(cè)重于課程中確定的知識技能，而不是通用能力，同時強調(diào)形成性評價的重要性。研究表明，定期測試能鼓勵學(xué)生主動學(xué)習(xí)，增加他們對學(xué)科內(nèi)容的參與度，減少對考試的焦慮，從而提高學(xué)習(xí)能力[23]。我國當(dāng)前在信息科技/技術(shù)的形成性和總結(jié)性評價上還較為缺乏。目前，我國的計算思維教育基本上是依托信息科技課程（義務(wù)教育階段）和信息技術(shù)課程（高中階段）開展，想要提高學(xué)生的計算思維，勢必要完善對信息科技/技術(shù)課程的評價。我國2022年最新發(fā)布的信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)只提供了計算思維各個學(xué)段的學(xué)習(xí)目標(biāo)，缺乏明確的計算思維評價指標(biāo)，不利于教師分析學(xué)生的計算思維能力水平。由于計算思維概念較為抽象，其測評不僅要考察學(xué)生在算法、抽象、建模、歸納等認(rèn)知層面的能力，還需綜合考慮學(xué)生創(chuàng)造力、協(xié)作交流等非認(rèn)知層面的能力，這就需要注意學(xué)生外顯行為和內(nèi)隱意識的轉(zhuǎn)變。因此，在未來的信息科技課程評價中，應(yīng)該增加對計算思維的過程性和總結(jié)性的評價。如英國的計算課程教材，為信息科技教材提供了配套練習(xí)，同時針對不同學(xué)習(xí)階段的學(xué)生采取側(cè)重點不同的評價方式。

三是在多學(xué)科中培養(yǎng)計算思維。計算思維具有普遍性，需要強調(diào)其跨學(xué)科的運用，即計算思維的培養(yǎng)不能僅僅局限在信息技術(shù)課堂中[24]，它不再是計算機學(xué)科特有的思維，包括人文社科在內(nèi)的所有現(xiàn)代科學(xué)都具備自身特點的計算思維[25]。因此，可以將計算思維整合到STEAM教育中，開展不同形式的跨學(xué)科主題活動，培養(yǎng)學(xué)生運用多學(xué)科知識解決問題的能力。我國對于計算思維的培養(yǎng)重心大多放在STEM相關(guān)學(xué)科，與人文藝術(shù)學(xué)科相融合的教學(xué)實踐較少。從英國計算思維教育與人文社科學(xué)科融合的成功經(jīng)驗來看，我國也可以建立信息科技教育相關(guān)網(wǎng)站，與高校以及相關(guān)科技公司聯(lián)合開發(fā)跨學(xué)科計算思維培養(yǎng)課程，以講故事的形式呈現(xiàn)不同學(xué)科中的計算思維，為學(xué)生提供豐富的計算思維學(xué)習(xí)資源。

四是重視教師培訓(xùn)，提高教師的計算思維。在計算思維教育過程中，教師的計算思維水平直接影響學(xué)生計算思維能力的發(fā)展，為了更好地在各個學(xué)科培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，勢必要提高師范生的計算思維。因此，在師范生的培養(yǎng)方案中應(yīng)該增加與學(xué)科相關(guān)的計算思維課程，以加深未來教師對計算思維與學(xué)科融合的應(yīng)用和理解。同時，還需要對在職教師進行計算思維培訓(xùn)，積極嘗試不插電的計算思維教育實踐，培養(yǎng)教師的游戲化、故事化教學(xué)設(shè)計思維，在具體的學(xué)科教學(xué)活動中，可利用卡片、水杯、動作等不插電工具以促進未來各個學(xué)科計算思維教學(xué)實踐活動的開展。

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