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：計算思維作為學習者應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準，加大了相關教育投入力度。英國作為教育信息化較為發達的國家之一，較早關注到兒童計算思維的培養，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，并從課程標準、教材與跨學科教學等方面分析計算思維的教育實踐。在此基礎上，我國對K-12階段的計算思維教育應積極整合校內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，并在多學科中培養學生的計算思維。

關鍵詞：計算思維; K-12教育;信息科技;英國;教學實踐;評價方式;

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

計算思維是當前計算機領域廣為關注的重要概念，也是信息技術教育中的研究熱點。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的基礎概念求解問題、設計系統和理解人類行為，包括一系列反映計算機科學領域廣度的思維工具。計算思維不僅僅是屬于計算機科學家的思維方式，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思維[2]。美國國家科學基金會指出，計算思維必須像“閱讀、寫作、算術”一樣普及，成為每個合格公民的必備素質[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字經濟的競爭優勢，推出了一系列培養學生計算思維的政策和項目，其理論成果和實踐經驗對我國K-12階段進一步推進學生計算思維培養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，將原有的中小學信息通信技術課（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，提出了K-12階段計算課程的四個關鍵階段的培養目標：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義務教育內容的國家。

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課程進行了重新規劃，特別強調學生計算思維的發展，要求學生理解和應用包括抽象、分解、邏輯、算法和數據表達在內的計算機科學的基本概念和原理，逐步提高學生利用計算思維分析及解決問題的能力，使學生能夠對問題進行系統分析、設計合理的解決方案，并通過編程加以實現。同時還在課程中強調培養與計算機科學相關的數學技能，體現計算機科學（Computer Science，CS）課程的跨學科培養理念[5]。

2016年，英國廣播公司（British Broadcasting Corporation，BBC）Make It Digital節目針對2013年的英國計算課程改革，聯合微軟、三星等多家全球頂級科技公司和機構共同打造了基于ARM架構的單片機——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生提供免費Micro： bit開發板用于編程學習，以激勵學生發展計算興趣和數字創造力，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會與劍橋大學合作組成第一個專家領導的國家計算教育中心以改善計算教學，同時谷歌也提供了100萬英鎊支持該教育中心。由英國專家領導的國家計算教育中心與英國各地的學校開展合作，為中小學提供計算課程資源，并為其計算課程教師提供強化培訓方案，以改善并提高中等教育計算機科學的參與度[7]。

英國不僅注重學生計算思維培養，同時還注重相關教師的招聘、保留和發展。英國皇家學會（The Royal Society）于2019年八月發布了《計算教育快照：計算機教師政策簡報》（Computing Education Snapshot： Policy Briefing on Teachers of Computing）。該簡報概述了學校當前計算課程教師的供需和發展情況，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）提供的高質量計算教學培訓;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措施的關注，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，整合資源搭建平臺，充分發揮各自優勢，培養學生的計算思維。

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者的測評工具，或在國外學者的研究基礎上進行修訂，使其適應英國的實際情況，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習分析。

（一）多途徑過程評估

英國倫敦大學學院的學者亞塞明·奧索普（Yasemin Allsop）為倫敦某小學六年級的學生設計了一個使用Scratch和Alice 2.4應用程序的游戲制作項目，為期8個月。該項目構建了包含“計算概念”“元認知實踐”和“學習行為”在內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生在編程環境中完成任務（如序列、循環、條件和變量）的編程構造。對“元認知實踐”的評估主要依靠對學生言語表達的記錄以及對學生的半結構化訪談，同時輔以對學生“問題解決表”的記錄分析，這些“對話”能夠展現學生的“深層自我”，讓學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“學習行為”的評估中，奧索普著重記錄學生的協作、毅力、交流、調試、創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學生對計算概念理解的深層信息，還能夠收集學生個人技能發展的過程證據，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）可視化學習分析

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

三、英國計算思維的教育實踐

（一）從課程標準看計算思維培養

在英國2014年出版的國家課程標準（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章節中強調其學習目的是“使學生能夠利用計算思維和創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實踐經驗”為課程目標[11]。

倫敦女王大學的保羅·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），指學生通過明確的步驟來獲得解決復雜問題的思維方式，相對于具體的運算結果，算法思維更強調的是學生面對復雜問題的思考方式。二是評估（Evaluation），指學生對算法優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），指學生在面對大型項目或復雜問題時，能夠將原始任務進行分解，并保證這些被分解的任務能在后期被有序整合，以完成復雜任務或項目。四是抽象（Abstraction），指學生能夠有效地排除問題中不重要的細節部分，將問題化繁為簡，其關鍵在于選擇最優表達，不同的表達能夠使問題更加易于思考。五是歸納（Generalization），指學生通過以前解決的問題，歸納出相應的問題解決范式，并根據新的問題情境進行調整，使其能夠快速解決同類問題。

（二）從信息技術教材看計算思維培養

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

從教材安排上來看，英國計算課程教材必修內容較多，對編程、數據、算法較為重視，偏重技術應用。下面將選取英國有關數據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（Computer Science）教材“數據的表達”模塊內容為例，從英國的課程標準和科爾克馬茲評價測量[13]兩個視角來分析該教材中有關計算思維的內容，具體如表2所示。

分析英國計算課程教材可以發現，英國較重視計算與技術，在教學中通過大量習題鞏固知識點，促進學生的思維進入高階層次。從英國計算課程標準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，評估是為了引導學生在解決問題和產生疑問時學會多角度、全面地分析問題，最終根據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，讓學生使用所學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為主，缺少啟發性語言和關鍵支架，容易導致學生游離于教材之外，不利于激發學習興趣。

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現，教材對于創造力和協作能力的培養較為薄弱，教材內容仍以傳統講授式教學為主，缺乏讓學生發揮創造力合作完成的項目。

（三）從跨學科教學看計算思維培養

雖然程序設計是發展學生計算思維的一種重要載體，但計算思維教育的最終目標不是讓每個人成為計算機科學家，而是教會他們應用這些共同元素來解決問題，并發現可以在所有學科內和跨學科中探索新的問題[15]。

英國倫敦大學學院在英國教育基金會的支持下于2014年推出ScratchMaths項目，將Scratch圖形化編程與小學五至六年級的數學課程融合，項目組在計算思維于數學思維之間構建聯系，制訂了Explore（探索）、Envisage（預測）、Explain（解釋）、Exchange（交流）、bridgE（聯結）“5E”框架，指導教師進行教學設計[16]。研究結果表明，在為期兩年的SM項目結束時，SM項目的干預對學生的計算思維有積極影響[17]。

2017年，英國倫敦大學學院與英國圖書館合作，將計算思維與人文學科融合，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計軟件）開發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，學生不僅要理解《貝奧武甫》，還需要通過編程展示游戲的美學和人文水平[18]。

（四）英國優秀舉措

1.倫敦計算教學網站

英國在計算思維的教育上提供了很多網站供學生和教師自主學習。其中，在倫敦學校卓越基金和教育部的支持下建立的倫敦計算教學網站（Teaching London Computing），與英國多所高校合作開發了跨學科計算資源。該網站有單獨的跨學科計算專欄，包含計算科學與文學、數學、生物學、哲學、音樂、歷史等多達12個學科的整合教學。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），再到二戰的Colossus計算機，該模塊在講述歷史故事的過程中引導學生思考其中的計算思維，旨在為英國乃至全球的學校提供出色而有趣的計算教育，在各個學科滲透計算思維的培養。

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（ICT）領域的性別失衡做出了統計分析[19]。惠康信托基金會的一項報告指出，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，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習Micro： bit開發新軟件和應用程序從而進一步接觸計算機技術的“Girl Power Codefest”項目[22]。同時，倫敦計算教學網站也專門設置了Women Computing欄目，該欄目提供了近幾十年來計算機領域杰出女性研究人員的詳細資料和相關文章、小說。這些都能夠幫助女性打破刻板印象，提高其學習計算課程的興趣，從而發展計算思維。

四、英國計算思維教育的啟示

一是國家政策引領，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、行業組織等的大力支持。我國也可以參考該模式，整合校內外資源，構建多方合作的計算思維培養共同體，將正式教育與非正式教育相融合，充分發揮各自優勢，逐步形成計算思維教育生態系統，實現計算思維的全方位發展。

二是完善對信息科技/信息技術課程的評價，形成“教-學-評”反饋閉環，以評促教。英國重視計算課程的評估，認為評估應該側重于課程中確定的知識技能，而不是通用能力，同時強調形成性評價的重要性。研究表明，定期測試能鼓勵學生主動學習，增加他們對學科內容的參與度，減少對考試的焦慮，從而提高學習能力[23]。我國當前在信息科技/技術的形成性和總結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（義務教育階段）和信息技術課程（高中階段）開展，想要提高學生的計算思維，勢必要完善對信息科技/技術課程的評價。我國2022年最新發布的信息科技課程標準只提供了計算思維各個學段的學習目標，缺乏明確的計算思維評價指標，不利于教師分析學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生在算法、抽象、建模、歸納等認知層面的能力，還需綜合考慮學生創造力、協作交流等非認知層面的能力，這就需要注意學生外顯行為和內隱意識的轉變。因此，在未來的信息科技課程評價中，應該增加對計算思維的過程性和總結性的評價。如英國的計算課程教材，為信息科技教材提供了配套練習，同時針對不同學習階段的學生采取側重點不同的評價方式。

三是在多學科中培養計算思維。計算思維具有普遍性，需要強調其跨學科的運用，即計算思維的培養不能僅僅局限在信息技術課堂中[24]，它不再是計算機學科特有的思維，包括人文社科在內的所有現代科學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科主題活動，培養學生運用多學科知識解決問題的能力。我國對于計算思維的培養重心大多放在STEM相關學科，與人文藝術學科相融合的教學實踐較少。從英國計算思維教育與人文社科學科融合的成功經驗來看，我國也可以建立信息科技教育相關網站，與高校以及相關科技公司聯合開發跨學科計算思維培養課程，以講故事的形式呈現不同學科中的計算思維，為學生提供豐富的計算思維學習資源。

四是重視教師培訓，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生計算思維能力的發展，為了更好地在各個學科培養學生的計算思維，勢必要提高師范生的計算思維。因此，在師范生的培養方案中應該增加與學科相關的計算思維課程，以加深未來教師對計算思維與學科融合的應用和理解。同時，還需要對在職教師進行計算思維培訓，積極嘗試不插電的計算思維教育實踐，培養教師的游戲化、故事化教學設計思維，在具體的學科教學活動中，可利用卡片、水杯、動作等不插電工具以促進未來各個學科計算思維教學實踐活動的開展。

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