陳鵬　黃榮懷　梁躍　張進(jìn)寶

摘要：計(jì)算思維是當(dāng)前國際計(jì)算機(jī)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(diǎn)。計(jì)算思維是思維方式的一種，是利用計(jì)算科學(xué)的基本概念和方法，結(jié)合工程思維、數(shù)學(xué)思維等多種思維方式和特點(diǎn)，進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)建構(gòu)和人類行為理解的思維過程。關(guān)注問題解決方案的形成過程，培養(yǎng)學(xué)生像計(jì)算機(jī)科學(xué)家那樣去思考問題，是計(jì)算思維培養(yǎng)的宗旨。計(jì)算思維的培養(yǎng)不等同于程序設(shè)計(jì)或編程教學(xué)。從國際上的經(jīng)驗(yàn)來看，可以通過多學(xué)科整合和不同教育階段共同關(guān)注，將計(jì)算思維融入學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)和問題解決過程，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的目的。目前美國及歐洲各國的研究中，計(jì)算思維受到國家政策與項(xiàng)目支撐較多，亞洲各國在計(jì)算思維領(lǐng)域重視程度相對(duì)較低。計(jì)算思維教育的測(cè)評(píng)是現(xiàn)階段研究的薄弱環(huán)節(jié)，是未來研究的重點(diǎn)內(nèi)容。我國計(jì)算思維教育實(shí)踐和研究剛剛起步，需要國家和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)更多重視和支持，在借鑒國外經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，構(gòu)建符合我國教育實(shí)踐需求的計(jì)算思維培養(yǎng)課程體系、評(píng)價(jià)方法和教師專業(yè)發(fā)展策略。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維教育；信息技術(shù)教育；培養(yǎng)體系；評(píng)價(jià)方式；教師發(fā)展

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-5195（2018）01-0098-15 doi10.3969/j.issn.1009-5195.2018.01.011

計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展日新月異，不僅影響著我們的生活、思維方式和習(xí)慣，也深刻影響著我們的思維能力。當(dāng)前，計(jì)算的觀念正滲透到宇宙學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)乃至社會(huì)科學(xué)等諸多領(lǐng)域。計(jì)算不但已經(jīng)成為人們認(rèn)識(shí)自然、生命、思維和社會(huì)的一種普遍方法，而且正在試圖成為一種全新的世界觀。面對(duì)世界各國遭遇的各種環(huán)境、生態(tài)、能源、安全、經(jīng)濟(jì)、政治等諸多復(fù)雜問題，培養(yǎng)跨領(lǐng)域思考、具有高度理性與客觀、以問題解決為導(dǎo)向的復(fù)合型人才已經(jīng)是大勢(shì)所趨。2006年美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)周以真教授定義“計(jì)算思維”是“一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)基本概念求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為的方式”，并闡述其不僅僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家，而是每個(gè)人的基本技能（Wing，2006）。計(jì)算機(jī)科學(xué)與電信委員會(huì)（Computer Science and Telecommunications Board，CSTB）認(rèn)為，計(jì)算思維是21世紀(jì)學(xué)生的核心能力，與閱讀、寫作與算術(shù)等基本技能同等重要（CSTB，2010；Qualls & Sherrell，2010），是學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分，其教育重視程度決定了各國未來創(chuàng)新競爭力的水平。2017年7月，首屆以計(jì)算思維教育為主題的國際性會(huì)議（International Conference on Computational Thinking Education 2017，CTE2017）在香港教育大學(xué)召開，來自全球的教育者和研究者分享了在不同教育語境下系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算思維教育的實(shí)踐研究經(jīng)驗(yàn)。我國在新一輪普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中，也將計(jì)算思維列為信息技術(shù)課程和核心學(xué)科素養(yǎng)。計(jì)算思維教育已是當(dāng)前國際計(jì)算機(jī)領(lǐng)域廣為關(guān)注的一個(gè)重要概念，也是當(dāng)前信息技術(shù)教育研究的一個(gè)重要課題。為了解當(dāng)前國際計(jì)算思維政策和研究現(xiàn)狀，筆者對(duì)近10年（2006-2016年）國際上有關(guān)計(jì)算思維的研究文獻(xiàn)以及首屆計(jì)算思維教育國際會(huì)議的論文（CTE2017）進(jìn)行分析，重點(diǎn)探討當(dāng)前情境下計(jì)算思維教育的實(shí)踐現(xiàn)狀和未來發(fā)展，為我國計(jì)算思維的理論研究和實(shí)踐探索提供參考。

一、計(jì)算思維的概念及內(nèi)涵

“計(jì)算思維”是思維方式的一種，不同專家對(duì)計(jì)算思維的關(guān)注點(diǎn)和側(cè)重有所不同。周以真教授2006年提出“ 計(jì)算思維是一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)基本概念求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為的方式” （Wing，2006） ；2011年，她對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行重新定義，認(rèn)為“計(jì)算思維是一種解決問題的思維過程，能夠清晰、抽象地將問題和解決方案用信息處理代理（機(jī)器或人）所能有效執(zhí)行的方式表述出來”（Wing，2011）。與此同時(shí)，隨著對(duì)計(jì)算思維研究的不斷深入，一些學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)對(duì)計(jì)算思維也進(jìn)行了定義。Denning（2009）認(rèn)為計(jì)算思維最重要的是對(duì)于抽象的理解、不同層次抽象的處理能力、算法化的思維和對(duì)大數(shù)據(jù)等造成的影響的理解。Aho（2012）提出計(jì)算思維是問題界定的一種思維過程，它可以使解決方案通過計(jì)算步驟或者算法來表示。我國學(xué)者董榮勝等認(rèn)為計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的思想與方法去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為，它包括了涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)（董榮勝等，2002）。

2011年，美國國際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（International Society for Technology in Education，ISTE）與計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（Computer Science Teachers Association，CSTA）聯(lián)合提出了計(jì)算思維的操作性定義，將運(yùn)用計(jì)算思維進(jìn)行問題解決的過程進(jìn)行了表述。此定義將計(jì)算思維界定為問題解決的過程。在這個(gè)過程中，先形成一個(gè)能夠用計(jì)算機(jī)工具解決的問題，然后在此基礎(chǔ)上邏輯化組織和分析數(shù)據(jù)，使用模型和仿真對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象表示，再通過算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化解決方案；同時(shí)，以優(yōu)化整合步驟、資源為目標(biāo)，分析和實(shí)施方案，并將解決方案進(jìn)行總結(jié)，遷移到其他問題的解決中（ISTE & CSTA，2011a）。英國皇家科學(xué)院將計(jì)算思維定義為“識(shí)別我們周圍世界中有哪些方面具有可計(jì)算性，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的工具和技術(shù)來理解和解釋自然系統(tǒng)、人工系統(tǒng)進(jìn)程的過程”（Royal Society，2012）。這一定義的核心在于發(fā)現(xiàn)各種不同類型、不同層次計(jì)算問題，以及通過計(jì)算機(jī)技術(shù)和工具對(duì)人工和自然系統(tǒng)進(jìn)行剖析和理解。

以“計(jì)算思維”為關(guān)鍵詞在Web of Science、ScienceDirect、 ERIC、ACM Digital Library數(shù)據(jù)庫進(jìn)行搜索，共獲得2006-2016年285篇SSCI論文。排除沒有涉及計(jì)算思維定義、概念和研究范圍的文章，最后獲取相關(guān)文章134篇。對(duì)其中的概念、定義、特征和要素等進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：學(xué)者們對(duì)計(jì)算思維定義的描述中所使用的詞匯頻率從高到低為：問題解決（Problem Solving，25%）、抽象（Abstraction，12%）、過程（Process，11%）、計(jì)算機(jī)（Computer，10%）、算法（Algorithm，7%）、數(shù)據(jù)（Data，7%）、科學(xué)（Science，6%）、有效（Effective，5%）、概念（Concepts，5%）、能力（Ability，5%）、分析（Analysing，4%）和工具（Tools，3%）；對(duì)計(jì)算思維特征的描述中最常使用的詞匯為抽象（Abstraction，22%）、算法思維（Algorithm Thinking，15%）、問題解決（Problem Solving，14%）。這個(gè)結(jié)論與Ioannidou等人（2011）的研究發(fā)現(xiàn)一致：在計(jì)算機(jī)科學(xué)研究中，計(jì)算思維最常見的特征是抽象、算法思維和問題解決。

綜上所述，目前關(guān)于計(jì)算思維的定義雖然并沒有形成較為統(tǒng)一的定義，但在進(jìn)行計(jì)算思維的闡釋時(shí)，很多學(xué)者都描述了計(jì)算思維的主要構(gòu)成元素。學(xué)者們對(duì)要素的意見都較為一致，綜合來看，主要包括抽象、概況、分解、算法、調(diào)試等（Angeli et al.，2016）。同時(shí)，關(guān)于計(jì)算思維的內(nèi)涵，大部分學(xué)者較為認(rèn)可周以真教授的觀點(diǎn)，即“概念化，不是程序化；根本的，不是刻板的技能；是人的，不是計(jì)算機(jī)的思維方式；數(shù)學(xué)和工程思維的互補(bǔ)與融合；是思想，不是人造物；面向所有的人，所有地方” （Wing，2006）。

二、計(jì)算思維的教育價(jià)值

根據(jù)CSTA 2013年的一份研究報(bào)告，美國信息與計(jì)算機(jī)行業(yè)面臨著人才短缺的局面；2020年，將有920萬與STEM有關(guān)的工作，其中一半需要掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)和技能。計(jì)算機(jī)人才的培養(yǎng)與國家的經(jīng)濟(jì)命運(yùn)息息相關(guān)。當(dāng)下中國的信息技術(shù)教育著重在教會(huì)學(xué)生如何利用現(xiàn)有軟件與工具，完成日常生活中的信息瀏覽、加工與表達(dá)，對(duì)學(xué)生創(chuàng)造能力和實(shí)際解決問題能力培養(yǎng)的關(guān)注度不夠。

開展計(jì)算思維教育有助于提高學(xué)生信息技術(shù)知識(shí)與技能，培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科、綜合應(yīng)用學(xué)科知識(shí)解決問題的能力，提高學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力和創(chuàng)新力。美國麻省理工學(xué)院的Hal Abelson教授在CTE2017會(huì)議上指出，教育者越來越強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維對(duì)年輕人的重要性。計(jì)算思維包括的不僅僅是技能知識(shí)，對(duì)計(jì)算思維的支持也使賦予數(shù)字化世界生命的計(jì)算理念得到尊重，對(duì)計(jì)算理念的認(rèn)同也使得計(jì)算活動(dòng)成為可能，年輕人也可以由此通過計(jì)算思維來改善他們的生活、家庭與社會(huì)。作為教育者，我們有責(zé)任讓學(xué)生意識(shí)到這些可能，并去幫助他們成為不斷變化的信息時(shí)代的合格公民（Abelson，2017）。香港溢達(dá)集團(tuán)董事長楊敏德女士也在CTE2017會(huì)議上從整個(gè)社會(huì)和企業(yè)的發(fā)展、創(chuàng)新與創(chuàng)造力的角度談到計(jì)算思維教育。她認(rèn)為創(chuàng)新與創(chuàng)造是驅(qū)動(dòng)各地區(qū)向知識(shí)型社會(huì)轉(zhuǎn)型的重要理念與策略，也是當(dāng)前社會(huì)和企業(yè)發(fā)展的核心要素。如何將每個(gè)人尤其是年輕一代培養(yǎng)成為更具創(chuàng)造力與創(chuàng)新能力的人是這個(gè)社會(huì)的重大責(zé)任和關(guān)鍵問題。楊女士認(rèn)為計(jì)算思維不僅僅是一種技術(shù)型的技能，更是一種分解與整合不同思想、針對(duì)某問題形成實(shí)際解決方案的基本能力（Yang，2017）。

三、計(jì)算思維教育政策及投入

加強(qiáng)以計(jì)算思維為核心的計(jì)算機(jī)科學(xué)教育，提升全民的數(shù)字素養(yǎng)，面向未來提升國家在信息技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)力，已經(jīng)成為世界主要發(fā)達(dá)國家的共識(shí)。美國、英國、新西蘭、新加坡、澳大利亞等國家和地區(qū)對(duì)計(jì)算思維培養(yǎng)十分重視，不僅在人才培養(yǎng)計(jì)劃和課程體系中納入了計(jì)算思維，同時(shí)也從國家層面啟動(dòng)了多種計(jì)算機(jī)科學(xué)教育研究項(xiàng)目，并加大資金投入支持計(jì)算思維教育的實(shí)踐和研究。

2016年1月，美國推出“為了全體的計(jì)算機(jī)科學(xué)”（Computer Science for All，簡稱CS for All）計(jì)劃，預(yù)計(jì)投入40億美元和1億美元分別資助各州以及學(xué)區(qū)推進(jìn)K-12計(jì)算機(jī)科學(xué)教育①。同年，美國自然科學(xué)基金委（National Science Foundation，NSF）與國家與社區(qū)服務(wù)公司（Corporation for National and Community Service，CNCS）宣布為計(jì)算機(jī)科學(xué)教育研究提供可用資金1.35億美元。2016年11月，最新版的美國《K-12計(jì)算機(jī)科學(xué)框架》發(fā)布，提出新時(shí)期美國K-12計(jì)算機(jī)科學(xué)教育的發(fā)展愿景及實(shí)現(xiàn)路徑，明確了計(jì)算系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)和分析、算法和編程、計(jì)算的影響等五大核心概念，提出了創(chuàng)建全納的計(jì)算文化、通過計(jì)算開展合作、識(shí)別和定義計(jì)算問題、發(fā)展和使用抽象思考、創(chuàng)造計(jì)算產(chǎn)品、測(cè)試和改善計(jì)算產(chǎn)品、計(jì)算的溝通等七大核心實(shí)踐，以及計(jì)算機(jī)科學(xué)和學(xué)前教育重要理念的整合途徑（盧蓓蓉等，2017）。2018年，NSF將以支持CS for All為依據(jù)，單獨(dú)為計(jì)算機(jī)科學(xué)教育設(shè)置支出項(xiàng)目，每年投入2000萬美元（NSF， 2018）。

英國政府2013年11月發(fā)布了國家計(jì)算課程的目標(biāo)框架，以計(jì)算思維的核心概念和主要內(nèi)容為基礎(chǔ)，提出課程培養(yǎng)的四段目標(biāo)；在基礎(chǔ)教育階段，發(fā)展學(xué)生的分析問題、解決問題、設(shè)計(jì)和計(jì)算思維技能，并使其能應(yīng)用這些技能（U.K.，2013）。同年，英國對(duì)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（BCS）投資1100萬英鎊，幫助其發(fā)展一項(xiàng)提高小學(xué)教師計(jì)算機(jī)能力的項(xiàng)目，以確保小學(xué)計(jì)算機(jī)教師的授課能力。2016年12月，在歐洲委員會(huì)和布魯塞爾Digital Europe推出的數(shù)字技能和工作聯(lián)盟的推動(dòng)下，Oracle公司提出將在三年內(nèi)投入14億美元，用于支持歐洲的計(jì)算機(jī)科學(xué)教育②。

新西蘭當(dāng)前的“技術(shù)背景知識(shí)和技能”（Technological Context Knowledge and Skills）計(jì)劃中強(qiáng)調(diào)了包括“編程與計(jì)算機(jī)科學(xué)”在內(nèi)的五項(xiàng)數(shù)字技術(shù)核心培養(yǎng)內(nèi)容，這一計(jì)劃從2011年開始在中學(xué)課程中實(shí)施（Ministry of Education of Newzealand，2009）。

新加坡政府推動(dòng)“Code@SG運(yùn)動(dòng)”發(fā)展全民計(jì)算思維，實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維的常態(tài)化。新加坡與其他國家不同之處在于，計(jì)算課程非必修，主要面向有編程興趣的、適齡的學(xué)生（Singapore Government，2014）。

澳大利亞于2012年推出“中小學(xué)技術(shù)學(xué)科課程框架”（The Shape of the Australian Curriculum： Technologies），將“數(shù)字素養(yǎng)”納入學(xué)生基本能力要求?？蚣苤赋鰯?shù)字技術(shù)課程的核心內(nèi)容是應(yīng)用數(shù)字系統(tǒng)、信息和計(jì)算思維創(chuàng)造滿足特定需求的解決方案（ACARA，2012）。

我國香港地區(qū)，由香港賽馬會(huì)慈善信托基金設(shè)立，香港教育大學(xué)、美國麻省理工學(xué)院及香港城市大學(xué)合作進(jìn)行為期4年的CoolThink@JC計(jì)劃，開展計(jì)算思維教育相關(guān)的研究和實(shí)踐③。該計(jì)劃預(yù)期在香港培訓(xùn)100名小學(xué)教師，為32所學(xué)校的16500名小學(xué)生提供計(jì)算思維教育，啟發(fā)學(xué)生在日常生活中的數(shù)字創(chuàng)意，幫助學(xué)生超越單純的計(jì)算機(jī)技術(shù)使用，轉(zhuǎn)變?yōu)槔眉夹g(shù)來解決問題、進(jìn)行創(chuàng)造和創(chuàng)新。

總的來說，在計(jì)算思維教育的政策支持方面，美國、英國和亞洲地區(qū)具有相對(duì)明顯的差異。美國及歐洲各國的研究，受到國家政策支持、項(xiàng)目支撐較多。中國、新加坡等亞洲國家和地區(qū)雖然在政策中略有提及，但是具體的政策支持和項(xiàng)目立項(xiàng)較少。美國政府及相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)于計(jì)算思維研究的支持力度最大，政策關(guān)注度和資金投入度都高，研究方向最廣，研究成果也相對(duì)豐富。

四、計(jì)算思維教育的研究與實(shí)踐

雖然計(jì)算思維的研究始于1980年，但從2006年起，計(jì)算思維在教育中的應(yīng)用研究才逐漸增多，其研究領(lǐng)域從計(jì)算機(jī)學(xué)科到人文學(xué)科，從基礎(chǔ)教育到高等教育，從個(gè)人實(shí)踐到政府政策，從單個(gè)學(xué)校到整個(gè)地區(qū)或國家。

1.計(jì)算思維教育等同于編程教育嗎

作為一個(gè)全新的專業(yè)術(shù)語，計(jì)算思維教育的實(shí)施引發(fā)了學(xué)界爭論。雖然程序設(shè)計(jì)是發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維的一種重要載體，但計(jì)算思維教育不僅僅是編程教育，其關(guān)注的是利用信息技術(shù)解決問題的能力，強(qiáng)調(diào)學(xué)生信息化認(rèn)知方式的發(fā)展，強(qiáng)調(diào)在真實(shí)體驗(yàn)與實(shí)踐應(yīng)用中發(fā)展學(xué)生利用信息技術(shù)思考與解決問題的獨(dú)特能力。

信息技術(shù)課程是計(jì)算思維教育的一種重要方式。通過信息技術(shù)課程，學(xué)生可以了解計(jì)算思維運(yùn)作的屬性與法則，建立計(jì)算思維的概念結(jié)構(gòu)等，但是計(jì)算思維的培養(yǎng)不僅僅局限于信息科學(xué)課程。2015年，美國總統(tǒng)奧巴馬簽署《STEM教育法令》（擴(kuò)展版）（U. S.，2015），將計(jì)算機(jī)科學(xué)納入美國教育的發(fā)展戰(zhàn)略。美國計(jì)算機(jī)教師協(xié)會(huì)（CSTA）定義的中小學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)在小學(xué)、初中、高中三個(gè)階段均倡導(dǎo)了計(jì)算思維與社會(huì)、語言藝術(shù)、數(shù)學(xué)與科學(xué)等課程的整合。

美國范德堡大學(xué)的Gautam Biswas教授（2017）認(rèn)為，盡管目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)計(jì)算思維與STEM教育之間的協(xié)同效應(yīng)，但對(duì)計(jì)算思維的領(lǐng)域共性與科學(xué)表示的領(lǐng)域特性之間的互換協(xié)調(diào)與探索，是教育領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。為了在STEM與計(jì)算思維學(xué)習(xí)中縮減這一差距，他們開發(fā)了基于計(jì)算機(jī)的學(xué)習(xí)環(huán)境——CTSiM，采用計(jì)算思維的仿真與建模方法，開展K-12的科學(xué)教育。CTSiM為構(gòu)建具有可執(zhí)行性的計(jì)算模型提供了一個(gè)基于主體、特定領(lǐng)域的可視化編程界面，同時(shí)能讓學(xué)生使用模型進(jìn)行模擬操作，并與專家模型進(jìn)行比較。通過對(duì)田納西州中部公立學(xué)校六年級(jí)學(xué)生的初步研究證明，CTSiM能夠幫助學(xué)生克服困難，同時(shí)讓學(xué)生在此環(huán)境中對(duì)科學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行學(xué)習(xí)并獨(dú)立建模（Basu et al.，2013）。

Swanson等人在NetLogo模型支持的、具備豐富計(jì)算環(huán)境的科學(xué)課程中，研究該類課程對(duì)于發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維能力的效果（Swanson et al.，2017）。課程由3名9年級(jí)的生物教師講授，133名高中學(xué)生持續(xù)一個(gè)學(xué)年參與課程。在課程中對(duì)學(xué)生進(jìn)行前后測(cè)，并根據(jù)評(píng)價(jià)量規(guī)進(jìn)行編碼和評(píng)分，以評(píng)價(jià)他們?cè)诮：头抡鎸?shí)踐兩個(gè)學(xué)習(xí)目標(biāo)上的知識(shí)掌握程度和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況。研究結(jié)果表明，這類具有豐富計(jì)算環(huán)境的科學(xué)課程能有效地提升學(xué)生的模型識(shí)別能力。

Pollack等人基于Equation-Based Model（EBM）開展通過計(jì)算機(jī)仿真描述物理現(xiàn)象的課堂教學(xué)（Pollack et al.，2017）。研究對(duì)課程的期末項(xiàng)目進(jìn)行了分析，并認(rèn)為該教學(xué)法對(duì)于學(xué)生的意義學(xué)習(xí)以及掌握課程中所涉及的計(jì)算思維具有一定潛力。

Hutchins等人以在物理課堂中完成一個(gè)Scratch項(xiàng)目為任務(wù)，通過前后測(cè)來分析40名高中學(xué)生在計(jì)算思維學(xué)習(xí)過程中的自信水平（Hutchins et al.，2017）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在計(jì)算思維的“抽象、控制流、分解和條件邏輯”這四個(gè)維度上男生較女生的自信水平高，但這種自信水平的差異對(duì)完成建模任務(wù)并沒有顯著性影響。

可見，在非信息技術(shù)學(xué)科課程中，將培養(yǎng)計(jì)算思維作為課程的重要目標(biāo)之一已經(jīng)被越來越多的教師和研究者們所認(rèn)可，他們也紛紛通過實(shí)踐來驗(yàn)證這一目標(biāo)的可行性和意義。顯然，計(jì)算思維教育雖然需要信息技術(shù)課程進(jìn)行專業(yè)支持，但不能限制于信息技術(shù)課程之中，整合學(xué)科、綜合課程同樣是發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維的重要途徑。

2.從什么階段開始培養(yǎng)計(jì)算思維

（1）高等教育階段的計(jì)算思維培養(yǎng)

國外高等教育階段的計(jì)算思維培養(yǎng)研究主要采用實(shí)驗(yàn)研究和案例研究，大部分引入計(jì)算工具，采用游戲化教學(xué)方式，在計(jì)算機(jī)學(xué)科、STEM教育中進(jìn)行研究，通過融入計(jì)算思維來輔助學(xué)生的知識(shí)學(xué)習(xí)和問題解決，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的目的。如Kose等人（2013）采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，在e-Learning環(huán)境和傳統(tǒng)教師主導(dǎo)的課堂環(huán)境下進(jìn)行對(duì)比教學(xué)實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析；Hung（2012）在課堂教學(xué)中采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，運(yùn)用圖解、類比等方法進(jìn)行教學(xué)并與傳統(tǒng)的講解式教學(xué)進(jìn)行對(duì)比；Ismail等人（2010）在教學(xué)中運(yùn)用思維導(dǎo)圖工具、協(xié)作學(xué)習(xí)等方式來進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，并與傳統(tǒng)的教師主導(dǎo)型課堂進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)效果的促進(jìn)作用以及對(duì)學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的效果。

我國《九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》中將計(jì)算思維能力培養(yǎng)作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)④。我國高等教育階段對(duì)于計(jì)算機(jī)思維的培養(yǎng)以理論研究為主，實(shí)踐研究為輔，且主要在計(jì)算科學(xué)學(xué)科課程中進(jìn)行。理論研究方面主要探討計(jì)算思維的培養(yǎng)對(duì)于大學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)教育的改革有怎樣的價(jià)值和意義（王移芝等，2012；戰(zhàn)德臣等，2013；李廉，2013），以及如何在計(jì)算思維的理念之下進(jìn)行大學(xué)計(jì)算機(jī)課程設(shè)計(jì)（姚天昉，2012；任艷霞，2016）。在實(shí)踐研究方面，大部分學(xué)者以高等教育計(jì)算機(jī)課程為研究載體，在課程中融入計(jì)算思維，并通過實(shí)踐數(shù)據(jù)分析來檢驗(yàn)教學(xué)效果以及是否實(shí)現(xiàn)了培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的目標(biāo)。例如，計(jì)算思維在程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中的運(yùn)用與實(shí)踐、計(jì)算思維與C語言程序設(shè)計(jì)課程的結(jié)合等（陸漢權(quán)等，2012；汪紅兵等，2014）。

總的來說，目前關(guān)于高等教育計(jì)算思維培養(yǎng)的研究中，研究者主要關(guān)注三個(gè)問題：計(jì)算思維的定義、計(jì)算思維在計(jì)算科學(xué)課程中的應(yīng)用問題以及在除計(jì)算科學(xué)課程以外的學(xué)科中運(yùn)用計(jì)算思維的策略等（Israel et al.，2015）。

（2）K-12教育階段的計(jì)算思維培養(yǎng)

國外對(duì)于K-12階段的計(jì)算思維培養(yǎng)十分重視，很多國家都在其人才培養(yǎng)計(jì)劃和課程體系中納入了計(jì)算思維。在國家政策支持和機(jī)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，很多專家學(xué)者對(duì)于K-12階段計(jì)算思維的培養(yǎng)進(jìn)行了多維度的探索。2011年，CSTA和ISTE在NSF支持下聯(lián)合出版了“計(jì)算思維教師資源”第二版（ISTE & CSTA，2011b）。這份報(bào)告不僅規(guī)范了K-12教育中計(jì)算思維培養(yǎng)的研究，同時(shí)還為廣大教師和學(xué)校進(jìn)行計(jì)算思維教育教學(xué)實(shí)踐提供了可信度較高的培養(yǎng)目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)、豐富的支持資源和參考性較強(qiáng)的課程方案。2014年，Linda Mannila等面向K-9教育階段的計(jì)算思維進(jìn)行了一個(gè)跨國、跨地區(qū)的政策分析和教師實(shí)踐研究，分析了芬蘭、意大利、立陶宛、荷蘭、瑞士以及美國等國家在K-9階段計(jì)算思維教育的基本情況，發(fā)現(xiàn)在這些國家中，雖然大部分國家對(duì)于計(jì)算科學(xué)和編程教育十分重視，但是教育中對(duì)于結(jié)果的關(guān)注大于對(duì)過程的關(guān)注。對(duì)教師的問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大部分教師已經(jīng)嘗試在課堂中融入計(jì)算思維教學(xué)，并通過一些編程工具和軟件來支撐教學(xué)，但是在目前的實(shí)踐中，教師們對(duì)于學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)主要針對(duì)數(shù)據(jù)表示、收集和分析這一初級(jí)層次，對(duì)于抽象、算法、并行以及建模和仿真這些中、高級(jí)計(jì)算思維技能的培養(yǎng)較少涉及（Mannila et al.，2014）。

我國在K-12教育階段計(jì)算思維培養(yǎng)的研究中，理論研究與實(shí)踐研究所占比例較為相近。在理論研究中，一些專家學(xué)者主要探討了在計(jì)算思維理念和培養(yǎng)目標(biāo)之下，基礎(chǔ)教育階段信息技術(shù)課程的核心價(jià)值和主要任務(wù)以及在中小學(xué)信息技術(shù)教育中引入計(jì)算思維、培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的重要性。任友群等（2016）指出，“中小學(xué)信息技術(shù)課程是信息技術(shù)教育的基本途徑，應(yīng)當(dāng)順應(yīng)時(shí)代特征，承擔(dān)起發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維的重要任務(wù)?！毙畔⒓夹g(shù)基礎(chǔ)教育專家李冬梅認(rèn)為“中小學(xué)信息技術(shù)教育的學(xué)科價(jià)值除了讓學(xué)生掌握必要的知識(shí)與技能外，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用這些知識(shí)和技能解決實(shí)際問題的能力。而要做到這一點(diǎn)，就一定要讓學(xué)生逐漸熟悉信息技術(shù)學(xué)科的思維方式”（劉向永等，2013）。

在實(shí)踐研究方面，我國學(xué)者主要采用將計(jì)算思維融入現(xiàn)有課程中的方式，與某種特定的教學(xué)方法或教學(xué)模式結(jié)合，如PBL、合作學(xué)習(xí)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)等，創(chuàng)建計(jì)算思維教學(xué)的案例（牟琴等，2011；葛明珠，2014；生詩蕊，2016）。在高中信息技術(shù)課程中，研究者主要采用將計(jì)算思維與現(xiàn)存的Flash制作、程序開發(fā)基礎(chǔ)等課程相融合，改變?cè)械慕虒W(xué)方式，重新設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)和教學(xué)過程，以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維（楊男才，2013；李靜，2015）；在小學(xué)階段，則較多的采用游戲化教學(xué)的方式，使用可視化編程工具如Scratch、App Inventor等，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生一些簡單的計(jì)算思維能力（趙蘭蘭，2013）。

（3）學(xué)前教育階段的計(jì)算思維培養(yǎng)

大量的研究表明，只要合理設(shè)計(jì)與利用計(jì)算機(jī)科學(xué)，ICT 將有助于 3～6 歲兒童智力、語言、社會(huì)性、創(chuàng)造力等的發(fā)展（張炳林等，2014）。美國計(jì)算機(jī)教師協(xié)會(huì)（CSTA）定義的中小學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)中提到在幼兒園階段，主要是通過體驗(yàn)活動(dòng)，來激發(fā)、引導(dǎo)與幫助幼兒理解計(jì)算作為社會(huì)的重要組成部分，鼓勵(lì)其學(xué)習(xí)、創(chuàng)新與探究。最新的《K-12計(jì)算機(jī)科學(xué)框架》中特別關(guān)注學(xué)前教育中的計(jì)算機(jī)科學(xué)教育，并將此作為一個(gè)獨(dú)立的章節(jié)。其中指出，計(jì)算機(jī)科學(xué)不僅僅是一個(gè)開發(fā)技術(shù)能力和知識(shí)內(nèi)容的工具，它還可以嵌入基于游戲的早期學(xué)習(xí)實(shí)踐中（盧蓓蓉等，2017）。近些年出現(xiàn)了很多面向低齡兒童的計(jì)算思維教育產(chǎn)品，例如，Wondershare機(jī)器人、Google Blockly、Robot Turtles、Scratch Jr、Bee-Bot、Cargo-Bot、Daisy the Dinosaur等。其中，Cargo-Bot就是一款移動(dòng)App應(yīng)用程序，通過設(shè)置指令指揮機(jī)器人移動(dòng)木箱，內(nèi)容包括迭代、排序算法、分類、模式及執(zhí)行效率等概念。Leidl等人利用谷歌分析工具對(duì)趣味編程平臺(tái)Scratch Jr（面向5～7歲幼兒的編程工具）一年的用戶學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)和行為進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)幼兒階段的計(jì)算思維發(fā)展起到了一定的促進(jìn)作用（Leidl et al.，2017）。Sullivan等人利用KIBO機(jī)器人（一款專門為4～7歲幼兒設(shè)計(jì)的產(chǎn)品為工具），讓兒童在游戲中通過組裝和編程控制機(jī)器人的方式來學(xué)習(xí)計(jì)算思維（Sullivan et al.，2017）。

計(jì)算思維是現(xiàn)代社會(huì)中每個(gè)人應(yīng)該必備的技能，計(jì)算思維教育需要針對(duì)不同人群采用不同的教育方法，引導(dǎo)其體驗(yàn)信息技術(shù)的應(yīng)用情境，理解信息社會(huì)生活方式，感受現(xiàn)實(shí)生活中計(jì)算思維的真實(shí)存在，逐步培養(yǎng)學(xué)生利用信息技術(shù)思考和解決問題的方式與能力。

3.如何評(píng)價(jià)計(jì)算思維

計(jì)算思維的評(píng)價(jià)對(duì)計(jì)算思維在實(shí)踐中的應(yīng)用效果研究有重要價(jià)值，同時(shí)也影響著計(jì)算思維領(lǐng)域研究的發(fā)展。Schwarz等人采用一系列的方法來評(píng)價(jià)計(jì)算思維，如前后測(cè)問卷、反饋性訪談以及學(xué)生課堂交互觀察等（Schwarz et al.，2009）；Repenning等人設(shè)計(jì)了基于搬運(yùn)工游戲的五個(gè)問題情境來真實(shí)地評(píng)價(jià)學(xué)生的計(jì)算思維能力（Repenning et al.，2010）；Fields等人通過學(xué)生調(diào)試預(yù)先編輯的錯(cuò)誤程序來檢驗(yàn)他們的工程和編程技能水平（Fields et al.，2012）；Werner 等人在研究中使用了一個(gè)基于Alice平臺(tái)的“仙女評(píng)價(jià)”系統(tǒng)，通過學(xué)生自創(chuàng)的或者程序作品草圖設(shè)計(jì)來評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)于抽象、有條件限制的邏輯、算法思維以及其他用來解決問題的計(jì)算思維概念的理解和使用（Werner et al.，2012）；Dorling 和 Walker等人開發(fā)了一個(gè)“計(jì)算發(fā)展路徑”框架，闡述了學(xué)生在學(xué)習(xí)算法、信息技術(shù)等概念時(shí)的基本路徑，該框架所涉及的概念與計(jì)算思維的核心概念相一致（Dorling et al.，2014）。

綜上所述，常見的計(jì)算思維測(cè)評(píng)方式和工具有以下幾種：

（1）計(jì)算思維總結(jié)性評(píng)價(jià)測(cè)試

主要包括基礎(chǔ)編程能力測(cè)試（Mühling et al.，2015）和計(jì)算思維知識(shí)內(nèi)容測(cè)評(píng)，例如Meerbaum-Salant 等人提出的基于Scratch教學(xué)情境的評(píng)價(jià)工具（Meerbaum-Salant et al.，2013）；以及那些以計(jì)算思維為核心的計(jì)算機(jī)課程中，用于測(cè)試學(xué)生對(duì)計(jì)算概念理解程度的測(cè)評(píng)工具。

Román-González等人開發(fā)的計(jì)算思維測(cè)試（CTt）是一項(xiàng)由28道選擇題組成的可通過電腦或移動(dòng)終端進(jìn)行的線上測(cè)試（Román-González et al.，2017）。CTt的每題都以“迷宮”或“畫布的形式出現(xiàn)，每次答題時(shí)間不超過45分鐘，答案選項(xiàng)都為箭頭圖像或模塊圖像。測(cè)試題按照難易程度排序，包括基本方向和序列，循環(huán)-重復(fù)次數(shù)，簡單條件的if語句，復(fù)雜條件的if/else語句、while語句，簡單函數(shù)等。例如圖1中，通過迷宮的形式考查循環(huán)-重復(fù)次數(shù)（嵌套）的問題。

（2）計(jì)算思維形成性迭代測(cè)試

計(jì)算思維形成性迭代測(cè)試工具通過在特定的編程環(huán)境中，自動(dòng)為學(xué)生提供反饋信息的方式來幫助學(xué)生提升計(jì)算思維技能。常見的計(jì)算思維形成性迭代測(cè)試有Scratch環(huán)境下的Dr. Scratch（Moreno-León et al.，2015）和Ninja Code Village（Ota et al.，2016），Grover等人（Grover et al.，2016）為Blockly研發(fā)的工具，以及適用于AgentSheets的計(jì)算思維模式CTP圖形（Koh et al.，2010）。

Dr. Scratch（http：//drscratch.org/）是一款免費(fèi)、公開的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，通過分析Scratch作品中的源代碼來評(píng)估學(xué)生對(duì)計(jì)算思維能力的掌握程度。它能夠幫助教師和學(xué)生自動(dòng)分析Scratch編程作品，同時(shí)給出反饋，幫助學(xué)生提高編程技能，發(fā)展計(jì)算思維能力。Dr. Scratch根據(jù)計(jì)算思維能力的“抽象與問題分解、邏輯思維、同步、并行、順序控制、用戶交互、數(shù)據(jù)表示”7個(gè)維度進(jìn)行評(píng)價(jià)，每個(gè)維度給出1～3分的分值，細(xì)分“基礎(chǔ)、中等和熟練”三個(gè)等級(jí)。圖2展示了一項(xiàng)Scratch作品的源代碼，Dr. Scratch判定該作品得分為8分，判分原因?yàn)槠浒薸f-else語句，邏輯思維得2分；玩家使用鼠標(biāo)與精靈交互，用戶交互得2分；作品使用變量，數(shù)據(jù)表示得2分；作品中有兩個(gè)精靈，抽象與問題分解得1分；程序由無循環(huán)的序列指令組成，順序控制得1分；并行與同步得0分。

圖2 “捉迷藏”（“catch me if you can”）的源代碼⑤

可見，在此類針對(duì)程序進(jìn)行評(píng)價(jià)的方式中，對(duì)程序復(fù)雜性的評(píng)價(jià)尤為關(guān)鍵。通過分析程序的復(fù)雜性，能反映出學(xué)生在計(jì)算思維中抽象、并行等多方面的理解和應(yīng)用水平。Ruan等人在現(xiàn)有的基于文本編程語言的程序復(fù)雜性評(píng)價(jià)方法中，選取了Halstead軟件復(fù)雜性度量法及其補(bǔ)充方法，在采用模塊化編程的App Inventor程序中進(jìn)行應(yīng)用（Ruan et al.，2017）。通過對(duì)50名隨機(jī)用戶的App程序進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，這兩種方法對(duì)于App Inventor的程序復(fù)雜性分析都并不十分適用。研究者希望能有更多學(xué)者關(guān)注這一研究方向，開發(fā)出適用于模塊化編程語言的程序復(fù)雜性度量方法。

（3）計(jì)算思維技能應(yīng)用測(cè)評(píng)

此類測(cè)試的目的是考查學(xué)生將計(jì)算思維技能應(yīng)用于不同問題中的能力。例如Bebras測(cè)試（Dagiene et al.，2008），評(píng)價(jià)學(xué)生將計(jì)算思維技能應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中的問題的能力；CTP-Quiz（Basawapatna et al.，2011），關(guān)注學(xué)生將計(jì)算思維技能應(yīng)用在科學(xué)模擬的情景中的能力。

近幾年，計(jì)算思維挑戰(zhàn)賽在世界各地紛紛展開，受到很多學(xué)者的關(guān)注，很多國家也積極參與賽事。計(jì)算思維挑戰(zhàn)賽主要是通過一系列的情境問題來考察學(xué)生的計(jì)算思維水平，不同的題目針對(duì)不同的計(jì)算機(jī)科學(xué)概念以及運(yùn)用計(jì)算思維進(jìn)行問題解決的能力。Bebras測(cè)試⑥是基于Bebras國際計(jì)算思維挑戰(zhàn)賽設(shè)計(jì)的一系列活動(dòng)。該賽事2003年誕生于立陶宛，旨在從計(jì)算思維的角度出發(fā)推動(dòng)世界中小學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)教育領(lǐng)域的發(fā)展。大賽每年采用一套全新試題，通過現(xiàn)實(shí)生活中的問題以及一些熱點(diǎn)問題來反映學(xué)生的計(jì)算思維能力。Bebras測(cè)試不同于其他軟硬件，任何沒有編程經(jīng)驗(yàn)的人都可以參加測(cè)試。基于這些特點(diǎn)，Bebras測(cè)試可以說是未來計(jì)算機(jī)領(lǐng)域PISA（國際學(xué)生評(píng)估項(xiàng)目）測(cè)試的雛形。

（4）計(jì)算思維編程效能感測(cè)評(píng)

江紹祥教授（Kong，2017）將計(jì)算思維與心理學(xué)研究相結(jié)合，開發(fā)并驗(yàn)證了一個(gè)面向小學(xué)高年級(jí)學(xué)習(xí)者的編程自我效能感量表。該量表適用于模塊化編程環(huán)境，由兩個(gè)分量表組成，分別針對(duì)學(xué)習(xí)者的兩方面能力：編程知識(shí)和編程技能。研究者通過對(duì)106名參與編程課程的小學(xué)生進(jìn)行在線問卷調(diào)查，證明量表的信度良好、有效性高，能夠較好地測(cè)試小學(xué)高年級(jí)學(xué)生的編程自我效能感。

研究者認(rèn)為單獨(dú)使用上述任何一種測(cè)評(píng)工具，對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力發(fā)展的理解都會(huì)有所偏差。Brennan和Resnick提出，單看學(xué)生編寫的程序，并不能體現(xiàn)他們的計(jì)算思維能力。他們強(qiáng)調(diào)多種測(cè)評(píng)手段并用的必要性，并提出基于計(jì)算思維3D框架的三種評(píng)價(jià)學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展水平的方法，即作品分析、基于作品的訪談以及基于情境的設(shè)計(jì)（Brennan & Resnick，2012）。同時(shí)，Grover等人（2014）也指出實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的全方位理解，必須系統(tǒng)融合多種補(bǔ)充測(cè)評(píng)工具（也稱為“系統(tǒng)性測(cè)評(píng)”）。Román-González等人對(duì)三種不同視角和傾向的計(jì)算思維評(píng)價(jià)工具（CTt、Bebras和Dr.Scratch）進(jìn)行了聚合效度分析，得出三種測(cè)試具有部分聚合度，整合三種測(cè)試方式能很好地對(duì)中學(xué)生的計(jì)算思維進(jìn)行測(cè)評(píng)（Román-González et al.，2017）。

總的來說，當(dāng)前關(guān)于計(jì)算思維教育的評(píng)價(jià)，主要是通過對(duì)程序與學(xué)生學(xué)習(xí)的過程進(jìn)行分析，方法包括計(jì)算思維知識(shí)測(cè)試、程序分析、自我效能感測(cè)試、針對(duì)問題解決過程的訪談等。計(jì)算思維評(píng)價(jià)不是單一的考查。如何綜合多種評(píng)價(jià)工具，進(jìn)行計(jì)算思維系統(tǒng)性評(píng)價(jià)的研究將是未來該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

4.計(jì)算思維教育需要什么樣的教師

雖然不同國家都強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維教育，但在K-12教育中實(shí)施計(jì)算思維教育的重要挑戰(zhàn)之一是教師計(jì)算思維能力的短缺，這也是計(jì)算思維教育質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素。教師對(duì)計(jì)算思維的理解程度、自身計(jì)算思維水平高低，以及針對(duì)以計(jì)算思維為核心的計(jì)算機(jī)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)踐能力等，都直接決定了計(jì)算思維教育的質(zhì)量、學(xué)生學(xué)習(xí)的效果。有關(guān)研究表明，大量計(jì)算機(jī)教師的專業(yè)發(fā)展規(guī)劃雖然在計(jì)算思維和計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)的領(lǐng)域之內(nèi)，但即使教師修讀過計(jì)算機(jī)課程，其對(duì)于編程環(huán)境也是不熟悉的（Yadav et al.，2014）。Saeli等人提出，對(duì)于教師的計(jì)算思維能力培養(yǎng)和評(píng)價(jià)，除了有關(guān)計(jì)算思維或計(jì)算機(jī)科學(xué)的相關(guān)主題內(nèi)容外，計(jì)算機(jī)教育的實(shí)施還需要教師具有完備的教學(xué)內(nèi)容知識(shí)、他們對(duì)編程內(nèi)容的理解以及如何把內(nèi)容傳遞給學(xué)生、促進(jìn)學(xué)生理解和應(yīng)用等（Saeli et al.，2012）。

黎巴嫩國際教育協(xié)會(huì)負(fù)責(zé)人Eliane Metni 15年來融合教師專業(yè)發(fā)展以及基于設(shè)計(jì)的研究，在黎巴嫩開展了“Code-Maker”計(jì)劃，以創(chuàng)新的教學(xué)方法和低成本的Raspberry Pi（樹莓派）技術(shù)為基礎(chǔ)，邀請(qǐng)教育工作者及其學(xué)生生成知識(shí)并構(gòu)建解決方案，以更廣泛地改善教學(xué)服務(wù)（Metni，2017）。

Fields等人對(duì)教師的教學(xué)過程進(jìn)行了研究，分析一個(gè)為期30～40小時(shí)的高中電動(dòng)紡織單元的教師課程開展全過程（Fields et al.，2017）。研究通過對(duì)研究者記錄的課堂觀察筆記、教學(xué)圖片、教學(xué)過程視頻、課程前后的教師訪談以及教師的日常教學(xué)反思等文本進(jìn)行分析，從三個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容，即問題解決策略、迭代以及抽象和具體的計(jì)算之間的銜接來分析教師是如何在課堂中引入計(jì)算思維的。研究認(rèn)為，教師的學(xué)科教學(xué)知識(shí)對(duì)于教師幫助學(xué)生將計(jì)算思維落地是十分重要的。

香港教育大學(xué)江紹祥等人在CoolThink@JC項(xiàng)目的支持下，和美國MIT的研究團(tuán)隊(duì)共同開展了計(jì)算思維教育教師培訓(xùn)計(jì)劃（Kong et al.，2017）。該計(jì)劃開發(fā)了兩門教師發(fā)展課程：一門是由MIT的研究人員進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)施的，為期5天，每天6小時(shí)，主要講授計(jì)算思維的基本知識(shí)以及一些基本的計(jì)算思維教學(xué)法知識(shí)。在課程前后分別設(shè)有3小時(shí)的前期課程和2小時(shí)的課程匯報(bào)，由香港教育大學(xué)的研究人員組織和講授。第二門課程在第一門課程的基礎(chǔ)上，主要關(guān)注教學(xué)法的講授和討論。第二門課程持續(xù)13周，每周一次課程，參加課程的教師一邊開展計(jì)算思維教學(xué)，一邊參與該課程，課程上通過反思和討論來完善教學(xué)，最終形成完整的課程單元講授方案。在該課程中，教師們分析自己的授課視頻、對(duì)學(xué)生的作品進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，并探討如何利用這些來評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。課后評(píng)估數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，教師在參與第一門課程之后對(duì)于計(jì)算思維的內(nèi)容知識(shí)有所提升，但是有些教師對(duì)于講授計(jì)算思維仍沒有較高的信心，編程活動(dòng)和計(jì)算思維概念及實(shí)踐的對(duì)應(yīng)性需要加強(qiáng)。

五、計(jì)算思維教育面臨的問題與挑戰(zhàn)

國際上關(guān)于計(jì)算思維的研究受到了越來越多的關(guān)注，并在相關(guān)領(lǐng)域不斷發(fā)展。我國目前關(guān)于計(jì)算思維的研究仍處于初級(jí)階段，雖然已經(jīng)得到了各領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注，但是研究內(nèi)容和方向較國外而言還比較有限，且研究類型和模式創(chuàng)新性比較薄弱，研究深度和研究價(jià)值有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

1.缺乏培養(yǎng)體系與教育標(biāo)準(zhǔn)

高新技術(shù)創(chuàng)新能力已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家核心競爭力的重要指標(biāo)。世界主要發(fā)達(dá)國家在近些年的課程變革中，大都是站在國家和人才發(fā)展的高度，服務(wù)于社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，尤其是滿足信息行業(yè)和創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)人才的迫切需求，致力打造出世界高質(zhì)量的教育，以在激烈的全球競爭中取勝。政策上，美國、英國、澳大利亞、新西蘭等通過頒布基礎(chǔ)教育國家課程標(biāo)準(zhǔn)，將計(jì)算思維納入標(biāo)準(zhǔn)中，投入大量資金推動(dòng)計(jì)算思維教育（或者是計(jì)算機(jī)科學(xué)教育）。我國新一輪的高中課程標(biāo)準(zhǔn)中，也已經(jīng)明確地將計(jì)算思維作為信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一。近日，國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出逐步開展全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能（AI）相關(guān)課程、逐步推廣編程教育。

從國際上認(rèn)可度較高的中小學(xué)計(jì)算思維教育框架中發(fā)現(xiàn)，中小學(xué)教學(xué)中的計(jì)算思維主要有以下特點(diǎn)：（1）基礎(chǔ)性。中小學(xué)階段的計(jì)算思維內(nèi)涵較為簡單，包含的主要是一些基礎(chǔ)性內(nèi)容，符合中小學(xué)的學(xué)習(xí)情況和認(rèn)知特點(diǎn)。（2）階段性。由于中小學(xué)不同階段的學(xué)生具有不同的特點(diǎn)，因此現(xiàn)有框架大都根據(jù)不同年級(jí)的特點(diǎn)階段性地對(duì)計(jì)算思維的內(nèi)涵進(jìn)行界定，并設(shè)計(jì)了階段性的教學(xué)目標(biāo)。（3）知識(shí)指向性。中小學(xué)階段的計(jì)算思維內(nèi)涵與廣義的計(jì)算思維內(nèi)涵不同。由于要面向教學(xué)實(shí)踐，所以大多數(shù)界定都具有一定的知識(shí)指向性，此有利于計(jì)算思維教育的落地。因此對(duì)于政策制定者和研究者而言，根據(jù)計(jì)算思維的核心內(nèi)容，結(jié)合我國實(shí)際國情和學(xué)生能力水平，制定不同學(xué)段的計(jì)算思維培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)框架和知識(shí)體系，為教育實(shí)踐提供完整的指導(dǎo)方案和操作內(nèi)容，是當(dāng)下首先要解決的問題。

2.缺乏計(jì)算思維培養(yǎng)的創(chuàng)新教學(xué)模式

相對(duì)國外大量的教育實(shí)踐研究來說，國內(nèi)目前對(duì)計(jì)算思維教育的研究以理論探索為主，專家學(xué)者主要探討在計(jì)算思維理念和培養(yǎng)目標(biāo)之下，基礎(chǔ)教育階段信息技術(shù)課程的核心價(jià)值、主要任務(wù)以及在中小學(xué)信息技術(shù)教育中引入計(jì)算思維、培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的重要性。

在實(shí)踐檢驗(yàn)中，現(xiàn)有研究主要以高等教育為主，大部分面向高等教育中的程序設(shè)計(jì)課程，少部分研究針對(duì)基礎(chǔ)教育階段的信息技術(shù)課程，且學(xué)者主要采用將計(jì)算思維融入現(xiàn)有課程中，與原有特定的教學(xué)方法或教學(xué)模式結(jié)合，缺乏計(jì)算思維教育的實(shí)證研究檢驗(yàn)，計(jì)算思維培養(yǎng)的效果不明顯。借鑒國外的大量實(shí)證研究，在計(jì)算思維培養(yǎng)的標(biāo)準(zhǔn)框架指導(dǎo)下，由理論研究轉(zhuǎn)向教學(xué)實(shí)踐研究，探索計(jì)算思維的教學(xué)模式和教學(xué)效果，采用準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究、行動(dòng)研究以及觀察、訪談、個(gè)案分析、作品分析等研究方法，開展計(jì)算思維教育實(shí)踐活動(dòng)、策略及評(píng)價(jià)的研究，是研究者們面臨的重要挑戰(zhàn)。

3.教師信息技術(shù)專業(yè)素養(yǎng)不夠

培養(yǎng)計(jì)算思維，教師的能力和素養(yǎng)起著關(guān)鍵性的作用。目前，我國高中100%開設(shè)了信息技術(shù)課程，且信息技術(shù)課的實(shí)施環(huán)境得以持續(xù)改善，高中信息技術(shù)課教師的規(guī)模和專業(yè)知識(shí)技能都有了大幅提升。但是隨著計(jì)算思維的納入和國務(wù)院《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》對(duì)中小學(xué)開設(shè)人工智能課的要求，如何進(jìn)一步提高教師的專業(yè)素養(yǎng)也是當(dāng)前迫切需要解決的問題。因此，當(dāng)下應(yīng)完善教師培訓(xùn)制度，開發(fā)計(jì)算思維培訓(xùn)課程，通過在線課程的方式，根據(jù)不同地區(qū)差異，開發(fā)符合計(jì)算思維教育課程目標(biāo)與評(píng)價(jià)指南的教學(xué)單元，擴(kuò)大教師培訓(xùn)的范圍；通過面授的方式進(jìn)行深度教學(xué)，探討計(jì)算思維培養(yǎng)過程中的問題，幫助教師更好掌握如何開展計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐。

4.缺乏對(duì)計(jì)算思維教育研究的支持

世界大部分發(fā)達(dá)國家在政策支持下，開展了計(jì)算思維教育的各類研究計(jì)劃和項(xiàng)目，并投入了大量的資金來支持以計(jì)算思維為核心的計(jì)算機(jī)科學(xué)教育及研究。為了推進(jìn)我國計(jì)算思維研究以及不同教育階段計(jì)算思維的培養(yǎng)，不同研究機(jī)構(gòu)、教育機(jī)構(gòu)和部門需提升對(duì)計(jì)算思維研究的重視，并在政策和經(jīng)費(fèi)上提供幫助和支持，以促進(jìn)領(lǐng)域研究的發(fā)展和進(jìn)步。當(dāng)前我國計(jì)算思維的研究大部分以個(gè)人項(xiàng)目為主，缺少國家機(jī)構(gòu)的立項(xiàng)支持。從國際上發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)和發(fā)展趨勢(shì)來看，國家相關(guān)部門可以從多維度、多層次、多主題出發(fā)，設(shè)立基于多種命題方式的有關(guān)計(jì)算機(jī)科學(xué)教育的研究基金和項(xiàng)目，支持開展相關(guān)實(shí)證研究，構(gòu)建以計(jì)算思維為核心的計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)教育研究支持體系，探索可能的路徑，促進(jìn)計(jì)算機(jī)科學(xué)教育的發(fā)展，落實(shí)以信息化帶動(dòng)現(xiàn)代化的強(qiáng)國戰(zhàn)略。

六、計(jì)算思維教育的未來發(fā)展

1.創(chuàng)新學(xué)習(xí)方式，跨學(xué)科綜合培養(yǎng)計(jì)算思維

計(jì)算思維是利用計(jì)算科學(xué)的基本概念和方法，結(jié)合工程思維、數(shù)學(xué)思維等多種思維方式和特點(diǎn)，進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)建構(gòu)和人類行為理解的思維過程。關(guān)注于問題解決方案的形成過程，培養(yǎng)學(xué)生像計(jì)算機(jī)科學(xué)家那樣去思考問題，是計(jì)算思維培養(yǎng)的宗旨。計(jì)算思維的培養(yǎng)不等同于程序設(shè)計(jì)或編程教學(xué)。研究者可以根據(jù)計(jì)算思維培養(yǎng)的目標(biāo)和核心內(nèi)容，借鑒國際上的經(jīng)驗(yàn)，面向高等教育、基礎(chǔ)教育的不同階段，構(gòu)建面向計(jì)算思維、設(shè)計(jì)思維、工程思維的創(chuàng)新課程。例如依托不同的學(xué)科，如信息技術(shù)類、STEM、文科類等學(xué)科課程，在課堂教育、獨(dú)立興趣小組、綜合實(shí)踐、創(chuàng)客活動(dòng)等不同教學(xué)情境下，建設(shè)計(jì)算思維培養(yǎng)的數(shù)字化創(chuàng)新學(xué)習(xí)方式。通過基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式，引導(dǎo)學(xué)生參與真實(shí)問題情境的項(xiàng)目實(shí)踐，體驗(yàn)從分析問題、程序創(chuàng)造到形成解決方案的完整流程，推進(jìn)學(xué)生整體思維能力和問題解決能力的提升。

2.綜合多種評(píng)價(jià)工具，進(jìn)行系統(tǒng)性評(píng)價(jià)研究

設(shè)計(jì)與課程內(nèi)容相適應(yīng)、可操作的能力評(píng)估方法和工具是實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)的重要保障。當(dāng)前我國計(jì)算思維還沒有完整的評(píng)價(jià)體系，也鮮有研究對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體的培養(yǎng)效果不能很好地用量化方法來測(cè)量。教師在教學(xué)實(shí)踐過程中如何對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行評(píng)價(jià)，是計(jì)算思維教育未來研究的一大趨勢(shì)。

計(jì)算思維的培養(yǎng)是一個(gè)思維方式和問題解決方法內(nèi)化的過程。研究者可借鑒國際上計(jì)算思維測(cè)評(píng)的方式，從理論掌握和項(xiàng)目實(shí)踐兩方面構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，綜合評(píng)估學(xué)生的思維水平。開發(fā)并利用多種評(píng)價(jià)工具，通過計(jì)算思維知識(shí)測(cè)試、計(jì)算思維挑戰(zhàn)賽（Bebras）、程序分析、自我效能感測(cè)試、針對(duì)問題解決過程的訪談等方式進(jìn)行計(jì)算思維系統(tǒng)性評(píng)價(jià)，不僅考查學(xué)生對(duì)計(jì)算思維相關(guān)概念、知識(shí)和方法的理解程度，更強(qiáng)調(diào)學(xué)生參與項(xiàng)目實(shí)踐，通過設(shè)計(jì)、開發(fā)應(yīng)用軟件，分析數(shù)據(jù)，抽象真實(shí)問題，建立計(jì)算模型等，完成在真實(shí)情境中運(yùn)用計(jì)算思維解決問題的過程，從多個(gè)方面和維度對(duì)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)性的評(píng)價(jià)。

3.利用平臺(tái)和工具，實(shí)施全民智能教育

在計(jì)算思維的培養(yǎng)過程中，教師通過合理的工具選擇和活動(dòng)設(shè)計(jì)，能更好地支撐教學(xué)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維培養(yǎng)的目標(biāo)。目前，國際上研究者通過一些工具和平臺(tái)開展計(jì)算思維教育，例如可視化編程工具、程序開發(fā)工具、圖像及繪圖工具等。在不同情境使用的開源軟硬件上，各種資源與產(chǎn)品也日漸豐富，甚至有些是專門為學(xué)校信息技術(shù)課程教學(xué)而開發(fā)，如硬件方面的樹莓派、 Swift Board 等，軟件方面的 Scratch、Python 等適合學(xué)生易學(xué)易用的編程工具和語言。這些平臺(tái)和工具使學(xué)生不必關(guān)注各種技術(shù)細(xì)節(jié)，而是集中精力進(jìn)行問題解決方案的分析、設(shè)計(jì)與邏輯驗(yàn)證，為實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維的培養(yǎng)奠定了良好基礎(chǔ)。與此同時(shí)，《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出，實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，鼓勵(lì)社會(huì)力量參與寓教于樂的編程教學(xué)軟件、游戲的開發(fā)和推廣，實(shí)現(xiàn)全民計(jì)算思維的培養(yǎng)和全民智能教育。

七、結(jié)束語

計(jì)算思維已受到越來越多的關(guān)注，其涉及的領(lǐng)域也將越來越廣。在研究方面，計(jì)算思維教育仍是計(jì)算思維研究的核心內(nèi)容。世界各國對(duì)于計(jì)算思維研究的關(guān)注度正逐漸上升，在教育領(lǐng)域?qū)τ趯W(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)仍是研究的主要內(nèi)容。從我國的基本情況來看，對(duì)于計(jì)算思維理論的探討將逐漸達(dá)成一致，國家教育部門、教育機(jī)構(gòu)的學(xué)者和專家正逐漸提升對(duì)計(jì)算思維教育的關(guān)注度和認(rèn)可度。雖然計(jì)算思維教育的實(shí)施還存在諸多困難和挑戰(zhàn)，但隨著國家信息化戰(zhàn)略發(fā)展的需要，計(jì)算思維已經(jīng)成為中小學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)教育的核心目標(biāo)和內(nèi)容。對(duì)于研究者來說，可以在借鑒國外計(jì)算思維培養(yǎng)實(shí)踐中形成的理論、模式和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國教師和學(xué)生的條件等因素，進(jìn)一步研究并構(gòu)建符合我國教育實(shí)踐需求的計(jì)算思維培養(yǎng)體系、評(píng)價(jià)方法和教師專業(yè)發(fā)展策略，通過創(chuàng)新學(xué)習(xí)方式、綜合利用多種平臺(tái)和工具，為計(jì)算思維培養(yǎng)提供有針對(duì)性的指導(dǎo)。

注釋：

① 詳見：https：//obamawhitehouse.archives.gov/blog/2016/01/30/computer-science-all。

② 詳見：http：//www.digitaleurope.org/。

③ 詳見：https：//www.coolthink.hk/。

④ 發(fā)表于《中國大學(xué)教學(xué)》2010年第9期。

⑤ 詳見：https：//scratch.mit.edu/projects/142454426/。

⑥ 詳見：https：//www.bebras.org/。

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收稿日期 2017-11-27 責(zé)任編輯 汪燕