如何有效開展編程與計算思維教育：教師教育的視角

Aman Yadav 錢逸舟

2018年初，教育部正式公布了《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》，其中將計算思維列入核心素養(yǎng)。

教育部在《2019年教育信息化和網(wǎng)絡安全工作要點》中提出，要在中小學階段逐步推廣編程教育，培養(yǎng)學生計算思維。

到底何為計算思維？

我們的教師教育是否應該有新的側(cè)重點？

教師應該具備怎樣的能力才能有效開展計算思維教學？

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本期對話嘉賓亞達夫教授和錢逸舟博士針對上述一系列問題展開對話。

什么是計算思維？

錢逸舟：亞達夫教授，您好！在中國，編程與計算思維教育已經(jīng)成為一個新的教育熱點，計算思維也成為我們的一項核心素養(yǎng)。但是，我們對什么是計算思維似乎還是很模糊，或者說有很多不同的觀點。作為美國計算機教育課標組專家、計算思維與編程教育研究的著名學者，您認為什么是計算思維？是否可以給出一個比較清晰的定義？

亞達夫：錢逸舟博士，您好！您說得很對，關于計算思維，不同的學者給出了不同的定義。但總體而言，大家對計算思維有一些共識。我認為定義計算思維可以從以下幾點來把握：把復雜問題拆解為簡單可操作的子問題;使用一系列清晰的步驟來解決問題;將解決方案遷移到類似問題中;使用計算機來自動化問題解決過程。簡單來說，我認為計算思維包括問題拆解、算法、抽象和自動化等幾個方面的能力。當然，這是我個人的理解，其他學者可能會有不同的定義。例如，Jeannette Wing可能會認為模式識別、邏輯思維等能力也是計算思維的組成部分;美國國家研究委員會（National Research Council）給出的定義更加復雜，包括了算法復雜度估算、程序調(diào)試、并行計算等計算機科學領域的重要能力。

錢逸舟：看來計算思維的確是一個涵蓋面較廣、不容易清晰定義的概念。在這種情況下，我們應該如何去評價學生的計算思維能力呢？

亞達夫：這是一個很好的問題。我覺得，雖然計算思維的定義各有不同，但是可以認為是大同小異，其核心組成部分是類似的，如問題拆解、算法、抽象和自動化。當我們?nèi)ピu價計算思維時，仍然需要從定義出發(fā)，根據(jù)你研究的計算思維的定義來設計相關的評價方法和工具。評價學生的計算思維，我認為可以從兩個角度來思考：首先，我們可以從計算機科學和編程的角度來考量。Jeannette Wing最初提出計算思維這一概念時就強調(diào)，計算思維是用計算機科學的概念和方法來解決問題。這就包括了變量、循環(huán)、遞歸、程序調(diào)試和優(yōu)化等常見的編程概念和方法。因此，我們可以讓學生用編程的方法來解決問題，通過他們的編程表現(xiàn)來評價他們的計算思維。其次，我們也可以從計算（computation）的角度來對學生進行評價。計算思維是一種問題解決的思維，這種問題解決方式強調(diào)讓學生成為計算思考者（computational thinker），編程不是必需的，學生可以用計算的方法思考各種問題，例如，如何在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律和提取模式。因此，設計相關的非編程的題目也可以來評價學生的計算思維。

關于計算思維培養(yǎng)，美國有哪些教育改革措施？

錢逸舟：在中國，計算思維已經(jīng)成為學生的核心素養(yǎng)，從國家政策到學校的教育改革都在強調(diào)這方面的內(nèi)容。在美國，這方面相關的教育改革措施有哪些？

亞達夫：和中國類似，我們在課程標準中也加入了計算思維的內(nèi)容，例如，在《下一代科學標準》（Next Generation Science Standards，NGSS）中，計算思維是其重要的組成部分。大學委員會（College Board）也推出了一門全新的AP（Advanced Placement）課程（注：大學先修課程），主要就是培養(yǎng)學生的計算思維。谷歌公司也在推動計算思維和編程教育的發(fā)展，也推出了自己的相關課程。

錢逸舟：如此看來，計算思維必將成為學生的一項重要能力，這應該是一個世界性的趨勢。當我們談論計算思維的時候，我們常常也會說到編程。您剛才也提到新的AP課程以及谷歌公司的相關課程，早些年您還和PLTW（Project Lead The Way）合作過計算機類課程研發(fā)，里面都涉及了編程的內(nèi)容。那么，是不是說計算思維的培養(yǎng)需要以編程作為一個基礎，或者說圍繞編程教育展開？

亞達夫：您說得很對，當我們談論計算思維教育時，似乎就是在談論編程教育，甚至很多時候大家認為這兩個是一回事。但是，計算思維的培養(yǎng)是可以脫離編程展開的，如不插電的計算機課程（CS Unplugged），就像我剛才所說的，從計算和問題解決的角度來說，計算思維可以脫離編程。然而，編程仍然是培養(yǎng)計算思維的一個重要工具，學生使用計算機編程來解決問題、搜集和分析數(shù)據(jù)、進行科學探究和思想表達，這些都是計算思維的重要組成部分。同時，我也必須強調(diào)，編程并不等于計算思維，編程是培養(yǎng)計算思維的工具而不是目的。

錢逸舟：我非常認同您的這個觀點！但是，根據(jù)我的經(jīng)驗和觀察，現(xiàn)在有許多課程僅僅是關注編程知識的傳授，而不是培養(yǎng)學生用編程解決問題的能力，或者說計算思維。您是否有類似的感受？

亞達夫：在美國也肯定有類似的情況。我認為這里的原因有很多，但是一個重要的原因就是教師自己不了解計算思維。我所從事的研究和實踐領域可以稱為計算機科學教育（computer science education）或者計算教育（computing education），我的很多研究是關于計算機教師教育的。在美國，計算機科學教育發(fā)展的一大瓶頸就是缺乏優(yōu)質(zhì)的計算機教師。因為教師教育學院通常沒有計算機科學教師這一專業(yè)，所以現(xiàn)在中小學相關課程的教師多數(shù)是來自其他學科的教師，如數(shù)學、科學，甚至是英語，他們自己對計算機科學的學科知識也不是非常熟悉，雖然我們?yōu)樗麄兲峁┝撕芏嘣诼毰嘤?，但他們的學科知識仍然是有限的。在這種情況下，他們完成編程知識的講授已經(jīng)傾盡全力，對于用編程來解決問題或者說培養(yǎng)學生的計算思維，對多數(shù)人來說更是一種挑戰(zhàn)。我最近的一項研究發(fā)現(xiàn)，許多教師對計算思維有錯誤的認識，甚至不少教師直接把計算思維等同于“做數(shù)學”（do mathematics）。

優(yōu)秀的計算機科學教師應該具備怎樣的能力？

錢逸舟：您剛才提到的關于計算機科學教師的問題非常值得討論。現(xiàn)在有很多研究都是關于學生計算思維培養(yǎng)的教學方法、工具、課程等，但是很少有研究探討計算機科學教師的培養(yǎng)問題。我拜讀了您最新的一些研究，都是關于計算機科學教師教育的。在您看來，一名優(yōu)秀的計算機科學教師應該具備怎樣的能力？

亞達夫：作為這個領域的研究者，我們都很清楚，一名優(yōu)秀的教師需要具備兩個核心能力，即具備良好的學科知識和具備良好的教學知識。就計算機科學教育而言，學科知識就是要熟悉計算機科學的相關知識，包括計算機的原理、編程知識、數(shù)據(jù)結構和算法等。教學知識是關于“怎么教”的知識，包括教學方法、教學設計、教學評價等有關有效開展教學的知識。這兩者的有機結合就是PCK（Pedagogical Content Knowledge，學科教學知識）。然而，計算機科學教師的PCK具體包含哪些部分，我們還需要進一步研究，畢竟這是一個新興的領域。但是，毫無疑問，計算機科學教師需要有很好的計算機科學基礎知識。

錢逸舟：在中國的中小學，我們有信息技術課，計算思維和編程教育的相關內(nèi)容也是在這一課程中展開的。我們的信息技術教師通常都有一定的計算機科學基礎，這一點好像與美國的情況有所不同;而且多數(shù)教師都受過良好的師范教育，應該具備了足夠的教學知識。在這樣的背景下，我們要開展計算思維和編程教育，還需要對教師進行怎樣的培訓呢？美國是否有值得借鑒的經(jīng)驗？

亞達夫：從這一點來看，我覺得中國的師資基礎要比我們好。如果教師具備了良好的學科知識和教學知識，就如我剛剛提到的，我們需要發(fā)展他們的PCK，也就是如何有效地把學科知識教給學生的能力。在計算機科學教育中，有一個有趣的現(xiàn)象，叫做“專家盲點”，當教師非常熟悉編程語言以及用編程的方式來解決問題的時候，他們常常很難從學生的角度再去理解學生為什么難以理解一些基礎概念，如變量。而能夠理解學生學習中的困難正是PCK的一個重要組成部分，因此，我覺得可以從這個角度出發(fā)，設計相關的教師培訓項目。例如，教師們一起分享教學過程中學生遇到的學習困難，然后大家一起討論有效的解決之道。這種討論最好能夠結合學生的錯誤代碼案例來展開，根據(jù)我的經(jīng)驗這樣的培訓效果很好。同時，還可以為教師提供相關的在線教學資源，幫助教師了解學生在編程和計算思維類課程教學中常見的問題，并提供應對策略。在我之前的一個研究項目中，我們設計了一個計算機教育資源網(wǎng)站，里面有教學資源、項目案例、學生的常見困難和應對策略等各類教學資源。共有一百多位高中計算機教師參與了我們的研究，我們調(diào)查發(fā)現(xiàn)，計算機學科知識越強的教師，對學生常見困難相關的教學資源使用頻率越高，這也從一個側(cè)面反映出PCK對于教師的重要性。

其他學科的教師是否也要具備計算思維？

錢逸舟：對于計算機科學教師或者信息技術教師來說，應該具備計算思維，熟悉編程，這一點是毋庸置疑的。同時，我們也看到計算思維并不是計算機科學所獨有的，而是一種通用的技能，尤其是能夠和STEM學科整合。目前，許多學科的研究都需要用到計算思維，如計算生物學、計算物理學、計算化學，甚至還有計算語言學。在中小學教育中，其他學科的教師是否也需要具備計算思維？或者說，在其他學科的教學中，是不是也要融入計算思維？

亞達夫：您問了兩個問題，我先來回答第二個。正如您所說，計算思維已經(jīng)融入到許多學科中，尤其是STEM學科。因此，在中小學的STEM學科教學中融入計算思維將是一個大趨勢，而且是非常必要的。例如，在科學課中，學生可以利用計算機模擬的方法來探究科學實驗。對科學問題進行建模并實施自動化模擬，這就是計算思維的一種具體實踐方式，同時也為學生理解科學概念提供了一個全新的角度。計算思維本身就是跨學科技能，學生掌握這種技能之后就是要用于解決其他學科的問題。因此，您的第一個問題就很容易回答了。我認為其他學科的教師也應該具備計算思維能力，尤其是STEM學科的教師，如果他們不具備良好的計算思維能力，他們就難以把計算思維融入到他們自己的學科教學中。

錢逸舟：我也認同您的這個觀點。計算思維應該是未來學生需要具備的一個基本素養(yǎng)，這種素養(yǎng)不應該僅僅是掌握編程或者是某種信息技術，而是能夠用這種思維方式來解決具體的問題。我目前的一個研究課題就是將計算思維和數(shù)學教學整合，讓學生用編程的方式來解決數(shù)學問題。我發(fā)現(xiàn)這種教學不僅有趣味性，還能讓學生從多種角度來思考和解決問題。然而，我們所面臨的問題是：一般的數(shù)學教師不具備計算思維和編程能力，難以勝任這樣的課程。您剛才提到計算思維應該是每個學科教師都具備的技能，那從教師教育的角度，怎樣才能實現(xiàn)這樣的目標呢？

亞達夫：您說得非常正確，目前來說，非計算機學科的教師很少能具備良好的計算思維能力，正是因為這樣，我們才需要進行相關的研究，并對教師教育進行改革。我目前所承擔的幾項NSF（National Science Foundation，國家科學基金會）項目都是和教師的計算思維培養(yǎng)有關。首先，我認為在師范教育中，每一位師范生都應該修至少一門計算思維相關的課程，如果可能，還應該有一門編程的基礎課，即便未來他們?nèi)谓痰膶W科并非計算機或者信息技術，但是具備這種能力對他們未來的教學會有幫助，尤其是能夠幫助他們實現(xiàn)計算思維和學科的整合。我目前在密歇根州立大學就開設了《計算思維與問題解決》這一課程。其次，對于在職教師，我們需要對他們進行計算思維相關的教師專業(yè)發(fā)展培訓。根據(jù)我們的研究，這種培訓項目能夠有效地提升在職教師的計算思維能力，進而使他們能夠?qū)⒂嬎闼季S融入到自己的學科教學中。

錢逸舟：看來切實可行的教師教育是實現(xiàn)計算思維和學科整合的重要一環(huán)。在我看來，計算思維和編程教育的有效實施最大的挑戰(zhàn)就在于師資力量。就目前而言，我們的師范教育還沒有重視學生的計算思維培養(yǎng)，在職教師的培訓也很少會涉及計算思維。當然，在信息技術教育領域，這方面的教師培訓是較多的，但是在其他學科，計算思維可能并不被人熟知，更不是教師的重要能力。作為計算機科學教育的研究者，我們可能都認同計算思維應該與學科整合，去驅(qū)動其他學科教學。但是，其他領域的教師為何要接受這種觀點？計算思維對于其他學科真的如此重要嗎？

亞達夫：計算思維的重要性已經(jīng)在最新的美國STEM教育戰(zhàn)略中得到了體現(xiàn)。2018年年底白宮推出的STEM教育戰(zhàn)略報告明確提出了計算思維在STEM教育中的重要性。報告指出，要讓計算思維滲透到所有教育之中。其實，計算思維的重要性無需我們多言，當今世界經(jīng)濟發(fā)展的核心動力就是計算機科學與技術，人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術的核心都是計算，因此，在未來，計算思維一定會成為人人需要掌握的能力。而現(xiàn)在，我們需要做的一項重要工作就是培養(yǎng)合格的教師，讓他們能夠?qū)嵤┯嬎闼季S相關的教育。

錢逸舟：感謝亞達夫教授抽出寶貴的時間和我對話，希望下次還能有機會和您一起交流計算思維教育相關的話題。