k-12學習者習得“計算思維”的理念與策略

楊曉?高雅

摘 要 研究闡明“計算思維”是現代社會認識和解決問題的重要思維方式之一，為解決問題提供了新的思路。雖然“計算思維”的重要價值在國內已經得到了普遍認同，但是我國目前對基礎教育階段學習者“計算思維”的培養還存在很多不足之處。美國支持K-12學習者習得“計算思維”的理念和策略有其獨到之處，對我國基礎教育階段中小學生“計算思維”的培養具有一定的啟示與借鑒意義。

關鍵詞 k-12學習者 “計算思維” 創客空間

2017年《地平線報告》提出，“計算思維”是21世紀教育研究的重要課題之一，也是小學生除了閱讀、寫作、算數之外，必須熟練掌握的一項基本技

能[1]。但是，我國培養學習者習得“計算思維”的方式仍存在不少問題，且研究對象主要集中在大學計算機課程領域。研究美國支持k-12學習者習得“計算思維”的理念和策略，對促進我國基礎教育階段學習者“計算思維”培養方式的發展有重要意義。

一、k-12學習者習得“計算思維”的理念

“計算思維”起源于計算機科學家們在研究和利用計算機進行問題求解過程中常用的思考問題的方法，是被實踐檢驗過的促進計算機和信息技術快速發展的有效的分析問題與解決問題的典型手段與途徑。20世紀60年代，計算機編程因具有改變學生學習方法和發展學生能力的潛在價值被視為一種擴展和增強學生思維的有效方式。直到1996年，“計算思維”才被西蒙·派珀特在雜志上首次作為一個專業名詞提出來[2]。到了21世紀，隨著計算機網絡的發展，美國很多研究組織已經充分認識到“計算思維”的潛在價值，紛紛提出了自己對于“計算思維”潛在價值的新理解。例如，2005年發布的《計算科學：確保美國競爭力》中提到，計算不僅本身可以作為一門學科，同時也具有促進其他學科發展的重要作用。甚至在21 世紀，先進的計算技術和計算科學能促進一些領域最重要的前沿研究得到推進[3]。2008年，《“計算思維”：一個所有課堂問題解決的工具》報告由美國國家計算機科學技術教學者協會（CSTA）發布，詳細論述了“計算思維”的定義及作用。2009年NSF啟動了智能科學發現和技術創新計劃，明確提出：有必要依靠“計算思維”的發展和創新來推動工程技術領域和自然科學領域的革命性創新。2011年，針對基礎教育的“計算思維”課程內容及框架被國際教育技術協會（ISTE）和計算機科學教育協會制定出來。2016年，美國計算機學會、計算機科學教師協會、網絡教育創新中心和其他跨學科團隊合作制定了K-12計算機科學框架，不僅把“計算思維”作為基礎，也確定了計算機課程內容在教育階段的核心地位。

1.培養k-12學習者在學習過程中的主體性

美國在促進k-12學習者習得“計算思維”的過程中強調既要關注學習者的主體性，又要注重培養學習者的創造力。k-12學習者“計算思維”的培養要遵循的主體性原則可以概括為四條：（1）培養不僅僅只是提高中小學生計算機編程的能力，也不是簡單地把解決問題程序化。（2）培養不是刻板的、模板式的按照程序步驟重復操作。（3）培養不是要人學會計算機的工作方式，而是要充分激發和發揮人的創造力和想象力。（4）比起最后的結果，培養更應該關注中小學生本身在培養過程中的發展。

2.促進k-12學習者思維模式的發展

西蒙爾·帕伯特從認知發展理論出發，認為“兒童在使用計算機解決各種事情的過程中，既可以把認知思維具體化，也可以學會學習方法、發展能力”。這種視角下的“計算思維”被稱為“思維技能”說。“思維技能”說認為，“計算思維”是使用計算原理解決問題的一系列心智技能的集合，是多種思維的組合[4]。2006年，周以真第一次提出“計算思維”是一種使用計算機科學的基礎概念解決問題、設計系統和理解人類行為等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動，2008年進一步指出“計算思維”是一種分析思維[5][6]。在此基礎上，許多學者從這個角度提出了自己對于“計算思維”的解讀，例如曼尼拉等學者繼續分析研究，認為“計算思維”是一系列思維技能[7]。2015年，美國國際教育技術協會不僅把“計算思維”解讀為創造力、算法思維和問題解決能力的體現，而且是批判性思維、合作思維和溝通技能的體現[8]。總而言之，“計算思維”的培養目標不是要讓學習者像計算機那樣思考，不是一種單一的思維模式，而是多種思維模式的綜合體。

3.培養k-12學習者解決問題的能力

“計算思維”也被稱為“過程要素說”，主張“計算思維”是解決問題的過程，這個過程可以分為不同階段，每個階段都是組成“計算思維”的要素。而美國精確的針對K-12教育“計算思維”能力的操作性定義明確給出了“計算思維”的六個階段要素：（1）發現問題并使用計算機和其他工具來幫助解決問題;（2）邏輯組織和分析數據;（3）通過抽象（如模型，仿真等）重現數據;（4）通過算法（一系列有序步驟）來支持自動化問題解決方案;（5）識別、分析和實施可能的解決方案，并整合最有效的解決方案和資源;（6）促進和移植問題解決過程得到更廣泛的應用[9]。

概括來說，“計算思維”會對學習者的學習方法進行訓練，并促使學習者形成一種全新的思維方式，自覺將計算機科學的問題解決方式延伸到其他學科，并通過抽象化、模型化等方法分析問題，然后形成可計算化、自動化的解決方案，增加解決問題的可能性[10]。

二、k-12學習者習得“計算思維”的策略

工具和學習環境是美國促進k-12學習者“計算思維”培養的兩大利器。一方面，美國k-12階段學習者“計算思維”的習得，研究主體為k-12階段的學習者，他們大多沒有編程能力，“計算思維”卻是以編程為依托的，而編程對于大部分學習者尤其是中小學生來說是很困難的，這就給“計算思維”的培養帶來了巨大挑戰。因此，有效使用“低門檻”的編程工具是很有必要的。另一方面，技術增強的學習環境逐漸興起，這些環境使用計算機軟件開發工具來增強學生的自主學習和創造力。

1.掌握Logo語言

Logo語言是西蒙·派珀特在二十世紀六十年代末和七十年代初開發的一種與自然語言非常接近的、有利于兒童和缺乏編程基礎的成人學習編程的早期計算機語言。它通過“繪圖”方式對初學者特別是兒童使用樂學樂教的教學方式等來促進學習者學習編程[11]。

（1）Logo語言的理念

Logo語言的理念之一是“低地板，高天花板”，這個理念的初衷是既可以讓自身編程基礎十分有限甚至為零的初學者不用擔心在學習過程中會因自身計算語法水平有限而受限，又對那些有專業知識的人來說幾乎沒有限制，以擴大受眾群體。

（2）Logo語言的優勢

Logo語言編寫程序是模塊結構，語言中的變量允許以任意類型組合，并且具有豐富的畫圖功能、表處理能力、很強的人機對話功能。這些優點都為培養計算語法水平有限的學習者的“計算思維”提供了便利。

（3）Logo語言面臨的挑戰

西蒙·派珀特博士批評在學校中主要是被動和接受的學習方式[12]，提出學生利用Logo進行的項目會激發他們的興趣和熱情。在學習過程中，學生會觀察、欣賞和模仿對方的項目和編碼，隨時改進和即興創作，充分發揮學習者的主體性，讓其成為真正的學習者。然而，按照西蒙·派珀特的理念把Logo工具融于學校的日常教學有很大的困難，需要教師角色發生大規模轉變，教師需要學習使用工具并支持學生使用這些工具;他們還需要熟悉新的、更具挑戰性的、以探究為導向的教學方法[13]。

2. 創設Scratch學習環境

Scratch是一種可視化編程環境，最初是為在課后計算機俱樂部中使用而開發的[14]。隨著“計算思維”的發展，Scratch的優勢逐漸顯現，幾乎所有的孩子都會一眼喜歡上Scratch，建立起做程序的欲望。

（1）Scratch的理念

“低門檻”“高界限”和“闊空間”的特點，使得Scratch在更加容易入門的同時，學生又有機會制作越來越復雜的項目，并且即使是具有不同興趣和學習風格的學生也能同時參與進來，一起完成各種類型的項目[15]。

（2）Scratch的優勢

Scratch有三個目標：①為了讓編碼變得“更容易修補”：讓學生能夠自由編輯程序;②為了使編碼變得“更有意義”：學習者可以自由地處理他們感興趣的問題和項目，增強學習者的學習動機;③為了讓編碼變得“更社會化”：通過將Scratch項目鏈接到一個社區網站上，讓程序可以共享，最重要的是，允許任何Scratch檢查另一個程序，然后修改它或將其納入自己的程序中，重新混合可以進行修補。

Scratch的可視化理念使其成為了以學生為中心的編程環境，不僅以學生的興趣點為學習動機，通過想象、編程、分享、創造性思維、遇到問題、解決問題、測試、實現等步驟，增強學習者的創造力、想象力和解決問題的能力，并且降低了編程語言的難度，使沒有編程基礎的中小學生也可以按照自己的想法自由編程，促進了學生“計算思維”的培養。

（3）Scratch面臨的挑戰

在非正式學習環境中，Scratch的設計理念可以很好的指導學習者完成項目，但在傳統的k-12的教學環境中使用Scratch實現上述目標是很困難的，美國學者為能在正式學習環境中使用Scratch也做了很多研究和思考。2012年布倫南開展了ScratchED項目，試圖探索在正式的k-12教學環境中使用Scratch的影響，并通過與課堂廣泛整合的技術教授“計算思維”，即學生不僅參與課堂學習共同體，而且參與更廣泛的Scratcher（scratch用戶）的全球社區。布倫南通過與學生的交談來了解Scratch編程中是什么因素吸引著他們，甚至積極參與社區活動以及制約scratch發揮作用的因素，比如教師的個人興趣和當前能力;Scratch創作環境和社區網站的提供;家庭及身邊的人的態度和支持;教師自身經歷以及如何影響他們對計算機編程的價值的思考等[16]。

3.建設創客空間

（1）創客空間的理念

創客是指基于興趣愛好，把創意努力轉變為現實的人。創客文化是一種學徒式學習和實踐社區的表現形式，在實踐社區學習是由興趣驅動的，這樣學習者就有動力去克服挑戰。創客空間的工作包括計算機編程和其他小型電子產品，但也有其他非計算領域的材料，以擴大參與和加強對設計思維的關注[18]。

（2）創客空間的優勢

創客空間所提倡的教育是一種基于學生興趣、以數字化工具為基礎進行項目學習的方式，培養跨學科解決問題能力和創新能力的全新教育，真正實現了使學習者成為創造者。最近幾年對創客空間的關注試圖理解他們為何如此強大，然后在這些非正式學習空間和正式教育之間架起橋梁。

（3）創客空間面臨的挑戰

創客空間是21世紀的重要學習領域，但目前創客空間大多存在于正規教育環境之外，因此幫助教師理解如何在正式和非正式的學習空間之間架起橋梁是至關重要的，這也將是一個巨大的挑戰。但是，在創客空間等技術豐富的環境中，以新型教學方式作支撐有效使用編程工具，是培養k-12學習者習得“計算思維”的有效途徑。

三、對我國培養中小學生“計算思維”的啟示

現代社會全面素質教育的重要組成部分之一便是致力于培養學習者信息素質的信息技術教育。“計算思維”的作用在國內日益凸顯，很多學校也已經開始注重學習者“計算思維”的培養。然而，目前國內基礎教育階段的計算機科學課程仍然處于計算機和課堂整合的最低水平。初中和高中的學生不學習如何編程，而是學習計算機應用程序，如Microsoft Office、數據庫程序、創建網站的編寫，以及如何使用計算機控制的繪圖或加工技術等，這些課程被稱為“信息技術教育”[19]。我國對中小學階段學習者“計算思維”的培養仍有許多不足之處，而美國促進k-12學習者習得“計算思維”的理念與策略給我國提供了很多借鑒之處。

1.創新教學方式

目前我國雖然認識到了“計算思維”的重要價值，但培養方式還是以各種工具的學習和訓練為主，在對“計算思維”的認知和培養方法上還需要更深層次的認識、更大力度的改革，必須認識到“計算思維”培養最核心的任務在于思維和解決問題能力的訓練。單純的技術引入，對于學習者的“計算思維”的培養并不會有明顯的促進作用。這就對培養“計算思維”的方式提出了要求，既不能是傳統的老師講學生聽的授課方式，也不能單純地講授具體編程過程，應該在尊重學習者主體性的基礎上進行開放型、靈活型、創新型教學，教師僅提供觀點，學生自主探索是學習過程中的主要內容，學生利用自己的計算機軟件開發工具搜集信息、分析信息、解決問題，最大限度地保證學習者的主體性。

2.建立具體的培養體系

“計算思維”并不是一蹴而就的，而是長久養成的一種思維方式和能力。“計算思維”的培養方式也不是一成不變的，應該與學習者的年齡相適應。CSTA與ISTE聯合推出的“案例指南”中用案例描述了k-12學生在不同年齡階段需要掌握“計算思維”能力水平的具體行為參考表。而在我國，“計算思維”是融合在信息技術課程中的，并沒有獨自成為一個體系。雖然信息技術課程是培養學習者“計算思維”的重要途徑，但并不是唯一途徑，兩者是不可等同的。對于“計算思維”的培養應該強調一體化和階段性，針對不同年齡階段學習者“計算思維”的培養，應該有不同的教學方式、工具以及制定確切的能力標準，而不應該僅僅包含于信息技術課程標準之中。

3.轉向實證研究

相對于美國的實證和案例研究，國內關于“計算思維”的研究主要以理論探索為主。比如，“計算思維”的定義、重要價值以及在信息技術素養中的核心地位和如何在信息技術課程中引入“計算思維”等。對于培養“計算思維”的途徑也多是與原來的教學方法相結合，對于促進“計算思維”培養的效果不明顯。應該由理論研究轉向實證研究，將“計算思維”獨立于信息技術課程，用觀察、訪談、實驗等方式開發專屬于“計算思維”培養的教學模式。

4.增強教師信息素養

信息素養是指信息意識、信息倫理道德修養和主動高效地獲取信息與處理信息的能力。“計算思維”是多種思維的綜合體，培養過程無可避免會涉及到多個領域，單純的計算機專業已經不能保證教師的信息素養，而讓教師掌握所有領域的知識是不現實的。但教師必須具有優秀的信息素養，潛移默化地影響學習者，系統化的教師信息素養培訓必不可少，提高教師信息素養，才能有效培養學習者習得“計算思維”。

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[作者：楊曉（1971-），女，山西運城人，陜西科技大學教育學院，教授，博士;高雅（1995-），女，河北滄州人，山西師范大學教育科學學院，碩士生。]

【責任編輯 郭振玲】