美國高中計算機教育對我國相應教育的啟示

楊曉春，張 錦，蔡美玲，胡子達，陸玟冰

（1.上海成趣信息科技有限公司，上海 200000；2.湖南師范大學信息科學與工程學院，湖南長沙 410081）

0 引言

計算機科學是推動世界發展的技術、生產力和創新引擎，其思維方式、問題解決方式和創造方式極大地改變了我們的世界。隨著計算機科學影響的不斷深入，為適應基礎教育的需求，21 世紀以來，中國和美國都發布了針對中小學教育的計算機科學框架。2000 年，我國教育部提出在中小學中普及信息技術教育［1］，同時發布的《小學信息技術課程指導綱要（試行）》指出中小學信息技術課程的主要任務為培養學生對信息技術的興趣和意識，讓學生了解和掌握信息技術基本知識和技能，了解信息技術的發展及其應用對人類日常生活和科學技術的深刻影響。通過信息技術課程使學生具有獲取信息、傳輸信息、處理信息和應用信息的能力，教育學生正確認識和理解與信息技術相關的文化、倫理和社會等問題，負責任地使用信息技術；培養學生良好的信息素養，把信息技術作為支持終身學習和合作學習的手段，為適應信息社會的學習、工作和生活打下必要的基礎［2］。2017 年，我國發布《普通高中信息技術課程標準》，指出普通高中信息技術課程是一門旨在全面提升學生信息素養，幫助學生掌握信息技術基礎知識與技能、增強信息意識、發展計算思維、提高數字化學習與創新能力、樹立正確的信息社會價值觀和責任感的基礎課程［3］。

2016 年10 月，美國K-12 計算機科學框架（K-12 Computer Science Framework）正式發布［4］，該框架在美國新版國家計算機科學教育標準的基礎上描述了計算機科學概念和實踐的主要集合。同年，美國在K-12 計算機科學框架的基礎上發布了《CSTA K-12 計算機科學暫行標準》（簡稱“K-12 暫行標準”），其中規定了K-12 計算機科學課程的一系列核心學習目標。

針對兩國的計算機教育框架，國內研究者進行了相關研究。盧蓓蓉等［5］介紹了美國框架的核心概念和核心實踐，并提出美國框架對我國的啟發是推進我國計算機科學教育應提高中小學計算機科學課程地位，在學前教育中恰當引入計算機科學教育，注重中小學計算機科學課程的系統性與實踐性，強調重視計算機科學教育研究及其成果的運用。趙中建等［6］以美國框架為基礎，梳理了計算機科學在美國成為一門正式學科的背景要素，同時詳細闡述了計算機科學在美國K-12 階段的核心概念和核心實踐，介紹了美國中小學開設計算機科學課程的實施條件，并從宏觀角度提出美國框架的面世是信息社會技術發展的必然需求，是美國教育倡導公平的一項舉措；美國框架的面世符合作為一門學科存在的內在要素和邏輯，并且源自于政府、企業和教育三方的合力，對中國中小學計算機教育有一定啟發。趙蔚等［7］通過解讀框架和梳理核心概念、核心實踐、實施過程，挖掘計算思維培養在中小學計算機科學教育中的重要性，以及科學、技術、工程和數學（Science，Technology，Engineering，Mathematics，STEM）教育在節約時間與師資、減輕學生學習負荷、強化知識技能等方面的作用，并在此基礎上提出該框架對我國中小學信息技術教育的啟示是：融合STEM 教育，拓展計算思維培養空間；多學段多年級聯動，構建計算思維培養體系；創設仿真環境，完善計算思維培養過程。邱美玲等［8］深入分析和解讀了美國框架的背景、特點和主要內容，并結合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，規范信息技術課程設置、評估與實施途徑，提升教師專業發展能力等。譚靜儀等［9］研究了兩國大學計算機先修課程的基本內容及特點，并對比了中美兩國在計算機科學原理課程評估、目標、內容等方面的主要差異，指出我國大學先修課的問題，即計算機課程在我國先修課程體系中地位較低、計算機大學先修課程體系尚未統一、高校間對大學先修課的標準及學分認證機制未達成共識、線上考試分數不具高說服力等。針對我國大學計算機先修課程制度的改革方向，譚靜儀等［9］提出教育部門需要提高計算機相關科目的地位，使之具備先修課考試資格，并且明確計算機先修課建設中不同主體（包括高校、高中、教育管理部門等）的職責，特別是需要完善學分互認制度，理清大學計算機先修課程與高中信息知識體系之間的關系。

綜上所述，研究者們均對美國的計算機教育框架進行了詳細解讀，同時結合我國中小學計算機教育的實際情況，提出了提升計算機課程地位等決策層建議以及發展計算思維等宏觀理念，并對大學先修課程的發展提出了相應建議，但是缺乏具體的兩國計算機教育的異同比較，以及高中與大學階段計算機教育銜接的分析。不同于以上研究者的工作，本文嘗試比較兩國計算機教育框架、計算機課程標準細節的異同，并以算法和程序實現為例，詳細分析兩國高中課程標準中的具體差別，為高中計算機教育提出建議。本文還分析了兩國高中計算機教育對大學計算機教育的影響和挑戰，針對教育目標、內容和方式提出了相應建議，以促進高中到大學計算機教育的順利銜接。

1 中美兩國計算機教育框架介紹

1.1 中美兩國計算機教育框架的目標和組成

美國的框架為K-12 學生提供了完整的計算機科學課程，并為課程實施奠定了基礎。框架明確定義了學生在K-12 教育的每個階段必須掌握的計算技能，從而使學生對計算機科學領域的“理解”和“能做”具有統一標準。該框架為標準和課程、專業發展以及計算機科學途徑的實施提供了信息。

美國K-12 計算機科學框架［4］的目標是使學生們能：①批判地參與有關計算機科學主題的公開討論；②發展為計算機科學知識和工件的學習者、用戶和創造者；③更好地了解計算在他們周圍世界中的作用；④在其他學科和興趣中學習、執行和表達自己。

美國的框架包括如圖1 所示的核心概念和核心實踐，以適應和補充廣泛采用的針對數學、科學和語言藝術等其他學科的教育框架，其是制定標準、評估課程、教師專業發展和課外計劃的全面指南［4］。在美國，該框架還將抽象的和領域通用的思想應用于不同的核心概念，稱為跨領域概念，這些跨領域概念提供了跨不同核心概念的主題聯系［4］，包括：①抽象：將過程或一組信息簡化為一組重要特征以供計算使用的結果；②系統關系：系統的各個部分相互依存，并且出于共同目的而組織的關系；③人機交互：計算機技術的設計和使用，著重于人（用戶）與計算機之間的接口；④隱私和安全性：隱私是隔離信息并有選擇地表達信息的能力，安全是指圍繞信息系統的保障措施；⑤通信與協調：計算過程的特點是不同代理之間為實現共同結果而進行可靠的通信。

Fig.1 The K-12 computer science framework圖1 美國K-12 計算機科學框架內容

我國高中信息技術課程包括4 個核心概念和4 個核心素養。核心概念包括數據、算法、信息系統和信息社會；核心素養包括信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任［3］。我國的框架中未詳細說明系統關系和人機交互這些跨領域概念，采用的名詞是信息技術，而不是計算機科學。兩者的差異在于：計算機科學是對計算機和算法過程的研究，包括原理，硬件和軟件設計、實現及其對社會的影響。雖然在全球范圍內，信息技術一詞通常指計算的各個方面，以及其與當今社會和數字平臺經濟各個方面的集成。但在計算機教育體系中，信息技術被視為計算的一個子領域，是研究選擇、開發、應用、集成和安全管理計算技術的系統方法，使用戶能夠實現其個人、組織和社會目標［10］。具體來說，信息技術通常與計算機科學重疊，但主要關注計算機科學的工業應用，例如安裝和運行軟件，而不是創建軟件，而且信息技術專業人員通常具有計算機科學背景［4］。

1.2 核心概念和核心實踐比較

如表1 所示，兩國的核心概念描述中有許多共同特征，但美國K-12 框架的核心概念包括子概念，例如數據分析核心概念包括4 個子概念：收集、存儲、可視化和轉換以及推理和模型；算法和程序實現包含以下幾個子概念：算法、變量、控制、模塊和程序開發。在我國的框架中，核心實踐通過信息素養的4 個部分進行解釋，其中信息意識是指個體對信息的敏感度和對信息價值的判斷力；計算思維是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動；數字化學習與創新是指個體通過評估并選用常見數字化資源與工具，有效管理學習過程與學習資源，創造性地解決問題，從而完成學習任務，形成創新作品的能力；信息社會責任是指信息社會中的個體在文化修養、道德規范和行為自律等方面應盡的責任［3］。

Table 1 Comparison of core concepts in the framework of computer education in China and USA表1 中美高中計算機教育框架中核心概念比較

如圖2 所示，計算思維是計算機科學實踐的核心，由實踐3～6 闡述，而實踐1、2 和7 是計算機科學中獨立的、通用的實踐，可以補充計算思維［4］。每個核心實踐都包括概述、畢業時需要達到的目標以及學生的發展過程。如表2 所示，即使在文字描述上有所不同，兩國在核心實踐的制定上依然有著相同之處。

Fig.2 Core Practices of K-12 computer science framework in USA（including computational thinking）圖2 美國K-12 計算機科學框架的核心實踐（包括計算思維）

Table 2 Comparison of core practices in the framework of computer education in China and USA表2 中美高中計算機科學框架中核心實踐比較

2 兩國框架對應的課程標準比較

根據以上框架基礎，中美兩國設計了相應的課程體系。

2.1 中美高中計算機課程標準

我國的課程是以模塊設計的，見表3。其中，必修課程是全面提升高中學生信息素養的基礎。選擇性必修課程是根據學生升學、個性化發展需要而設計的，分為升學考試類課程和個性化發展類課程，分別包括3 個模塊。選修課程是為滿足學生的興趣愛好、學業發展、職業選擇而設計的自主選修課程。為幫助實施課程標準，教育部基礎教育課程教材專家工作委員會［11］對普通高中信息技術課程標準（2017 年版）進行了解讀，闡釋了課程標準的相關內容，并為每一個課程模塊提供了案例。

美國的CSTA K-12 計算機科學課程標準描述了一組核心學習目標，旨在為完整的計算機科學課程及其在K-12級別的實施奠定基礎，標準融合了K-12 計算機科學框架的核心概念、子概念和核心實踐的內容［12］。

2.2 中美課程標準中算法和程序實現比較

在我國的課程標準中，算法和程序實現屬于必修課程模塊1：數據與計算。我國的課程內容要求如下［3］：①從生活實例出發，概述算法的概念與特征，運用恰當的描述方法和控制結構表示簡單算法；②掌握一種程序設計語言的基本知識，使用程序設計語言實現簡單算法，通過解決實際問題，體驗程序設計的基本流程，感受算法的效率，掌握程序調試與運行的方法；③通過人工智能典型案例的剖析，了解智能信息處理的巨大進步和應用潛力，認識人工智能在信息社會中的重要作用。

美國課程設計標準分為3A 級和3B 級。3A 級是適用于所有高中學生的計算機科學標準，3B 級標準是適用于學習完所有高中必學的內容后，還希望學習更多計算機科學課程的學生。

可以看到，兩國的課程標準中都強調依據解決問題的需要設計和表示算法，掌握程序設計語言，利用程序語言實現算法以解決實際問題。如表4 和表5 所示，兩國的不同之處在于：美國的課程標準在計算思維的培養方面，充分通過實踐活動全面培養學生的程序開發能力。其核心目標的制定非常詳盡和具體，每一個核心目標通過子概念和核心實踐進行闡述，基于此標準也較易于制定相應的課程。核心目標強調了算法和程序實現的子概念包括算法、變量、控制、模塊化方法、程序開發的方法論。基于這樣的基礎教育，未來學生無論成為計算理論科學家、設計開發計算工件工程師或消費者，都會對程序開發有著深刻的理解。此外，我國在必修課中要求學生理解人工智能，而美國只在專業課程或選修課程中要求學生理解人工智能。

Table 4 The core learning objectives of algorithm and programming in the 3A level of CSTA K-12 computer science curriculum standard in USA表4 美國CSTA K-12 計算機科學課程標準中3A 級關于算法和程序實現的核心學習目標

Table 5 The core learning objectives of algorithm and programming in the 3B level of CSTA K-12 computer science curriculum standard in USA表5 美國CSTA K-12 計算機科學課程標準中3B 級關于算法和程序實現的核心學習目標

3 兩國大學計算機科學先修課程介紹

中美兩國的課程體系均鼓勵學校提供額外的中學計算機科學課程，以便感興趣的學生更深入地學習計算機科學，為進入大學或職場做好準備。

3.1 兩國大學先修課程介紹

中國教育學會聯合高等教育出版社共同發起并組織實施了“中國大學先修課程（Chinese Advanced Placement，CAP）試點項目”。CAP 提供了計算機基礎與前沿科目的基礎課程，包括語言設計和大學計算機基礎課程，但沒有與之對應的考試［13］。北京大學考試院支持建設了中國大學先修課程（Advanced Pre-University Courses，AC），在全國部分中學選修課體系內開設大學程度的選修課［14］。美國的計算機大學先修課程包括計算機科學A（Computer Science A）和計算機科學原理（AP Computer Science Principles，AP CSP）。AP CSP 是在美國國家科學基金會、50 多所領先高中以及高等計算機科學教育者的大力支持下創建的，其介紹了計算機科學的基本概念，以及計算和技術是如何影響世界的。該課程專注于創造性地解決問題以及計算機科學的實際應用，為學生進入大學或職場做好準備。

該課程的目的是培養計算機科學領域的領導者，同時吸引那些缺乏必要計算工具和多學科學習機會的學生參與學習。AP CSP 以非常詳細和特定的方式描述了知識點和技能，其圍繞7 個概念展開：創造力、抽象、數據和信息、算法、程序實現、互聯網和全球影響力。AP CSP 代表了大學對計算機科學的介紹，并影響了K-12 計算機科學框架的發展；K-12 計算機科學框架的許多作者和顧問都參與了AP CSP 的開發。表6 和表7 分別描述了AP CSP 和K-12 在實踐和概念上的內容。

Table 6 Core Practices of AP CSP and the K-12 framework表6 K-12 核心實踐和計算機科學原理課程實踐

由加州大學伯克利分校開發的《計算的美與樂》（The Beauty and Joy of Computing，簡稱BJC）是AP CSP 課程之一。超過90 所大學表示支持該課程，因為學生們較容易獲得學分［15］。AP CSP 考試采用包括多項選擇和自由回答的筆試方式，重視學生對于程序設計理念的掌握，而不是細枝末節的語法知識。目前，我國還沒有像美國AP CSP 考試那樣成熟的方法，但可以學習借鑒相關評價方法，例如BJC課程為教師發展提供了材料和教學方法［15］。表6 和表7 的內容對于我國設計大學先修課程的內容結構和評價方法有一定啟發作用。

Table 7 Core Concepts of AP CSP and the K-12 framework表7 K-12 核心概念和計算機科學原理課程理念

3.2 先修課程對大學教育的影響

大量研究表明，美國先修計算機科學考試的成績與學生入學后的表現呈正相關，這意味著先修課程為后續大學學習打下了良好的知識、計算思維和方法論基礎。而目前我國的先修課程側重于傳授知識，例如最新的大綱中包括了人工智能、物聯網等新興技術知識。課程評價方法包括筆試和上機測試，暫時無法為大學教育提供具有參考意義的判斷方法［9］。我國需要建立一個更完善的計算機先修課程體系，改善課程目標、內容和評價方法，并重視發展學生良好的計算機思維能力，從而為其大學生涯奠定良好的基礎。

除了大學先修課程，美國的CS for All 課程提供了高質量的項目促進高中計算機教育的發展，對我國教育工作者具有啟發意義［16］。眾所周知，計算機科學是促進世界發展的技術，也是創新的引擎。計算機先修課程除了可以幫助未來選擇計算機相關專業的學生打好基礎，對需要利用計算機作為工具的其他專業學生也有著非常重要的作用。因此，我國需要在高中計算機教育期間進行更多基礎性工作。一方面，幫助學生奠定計算機科學知識的基礎，另一方面培養學生運用計算機科學思維方式解決問題的能力。當學會使用計算機科學作為學習和表達的工具后，學生們將具備足夠的計算思維能力，成為計算機技術的用戶和創造者。目前我國高中計算機教育發展不平衡，導致大一學生信息素養差異較大，增加了大學計算機基礎教育的難度。如果我國高中計算機教育能同時重視基礎知識的傳授和思維能力的培養，計算機先修課成績便可以為大學教育提供具有參考意義的判斷基礎，也可以實現中學與大學計算機教育的良好過渡，降低大學計算機基礎教育的難度，為學生迎接新的挑戰提供更多空間。對教師而言，減少目前偏重基礎知識的課程內容是大學計算機基礎課教育的新挑戰，例如從賦能其他專業的角度開設計算機課程，從而為非計算機相關專業學生的未來發展打下良好基礎。

4 對我國計算機教育的建議

結合上述內容，本文認為，我國高中計算機教育在理念和方法方面有很多與美國體系接近的地方。與美國高中計算機教育相比，我國計算機教育可以進一步提升。此外，Papert［17］認為學習是一種重建，而不是知識的傳播，他提到學習的有效性體現在學習者在從事某種活動的過程中構造有意義的產品上。筆者認為，Papert 的建構主義理論可以用來幫助調整我國高中計算機教育框架設計。

首先，調整計算機教育框架的宏觀設計，使其更具有可讀性和易理解性，并促進包括中學教師在內的更多人參與其中。例如使用易于理解的語言描述4 個核心概念和4個核心素養的定義。

其次，在課程標準設計上注重細節的描述，解決目前普通高中課程標準由于解釋不夠明晰、未考慮實際教學情況而存在的指導性不足問題。此外，為系統培養學生的實踐能力，還需要增加程序開發的方法論內容，并增設軟件開發和抽象實踐環節的課程設計。

5 結語

本文基于計算機教育框架和課程標準，分析中美高中計算機教育的異同以及對大學教育的影響，得出發展我國高中計算機教育的建議。針對目前高中計算機教師面臨的教育教學問題，未來筆者會嘗試與高中教師合作探討設計高中計算機教育教師指導，以彌補現有普通高中課程標準指導性不足的缺陷。同時計劃為高中計算機教師提供持續性專業發展支持，如指導教師學習計算機相關課程以及開展教育教學討論等工作。