張 瑾 徐紫娟 朱 珂 炕留一

國(guó)際視閾下跨學(xué)科整合計(jì)算思維的課程模式研究*

張 瑾1徐紫娟2朱 珂1[通訊作者]炕留一1

（1．河南師范大學(xué) 教育學(xué)部，河南新鄉(xiāng) 453007；2．西北師范大學(xué) 教育科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

計(jì)算思維作為信息社會(huì)發(fā)展的產(chǎn)物，越來(lái)越趨向大眾化和普適化，許多國(guó)家紛紛將計(jì)算思維進(jìn)行跨學(xué)科整合以進(jìn)一步推動(dòng)這一趨勢(shì)的發(fā)展。然而在此背景下，國(guó)內(nèi)外對(duì)于跨學(xué)科整合計(jì)算思維的理論認(rèn)識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用尚缺乏較為系統(tǒng)的梳理分析。因此，文章首先從理論上闡明跨學(xué)科整合計(jì)算思維的內(nèi)在機(jī)理，然后過(guò)渡到實(shí)踐，對(duì)比分析國(guó)際上典型的跨學(xué)科整合計(jì)算思維的三種課程模式，最后從實(shí)踐落實(shí)的角度提出不同課程模式下的實(shí)踐路徑。文章從理論和實(shí)踐兩個(gè)維度分析了國(guó)際上跨學(xué)科整合計(jì)算思維的理論意義和實(shí)踐價(jià)值，并對(duì)比分析典型課程模式和實(shí)踐路徑的優(yōu)劣與適用范疇，以期為我國(guó)開(kāi)展跨學(xué)科整合計(jì)算思維的理論和實(shí)踐提供借鑒。

計(jì)算思維；計(jì)算思維教育；跨學(xué)科整合；課程模式；實(shí)踐路徑

引言

每一個(gè)時(shí)代的思維方式都是一種歷史發(fā)展的產(chǎn)物，在不同的時(shí)代具有迥異的形式，并促使人們?cè)谒幍臅r(shí)代予以掌握[1]。如今，隨著信息技術(shù)的爆發(fā)、迭代，計(jì)算被確立為所有學(xué)科門(mén)類(lèi)普適的研究范式之一，計(jì)算思維由此成為各學(xué)科應(yīng)對(duì)信息技術(shù)時(shí)代算法化挑戰(zhàn)的重要法寶，并被認(rèn)為是每個(gè)公民都應(yīng)具備的基本素養(yǎng)[2]。

為促進(jìn)計(jì)算思維的普及與發(fā)展，各國(guó)紛紛將學(xué)校作為培養(yǎng)計(jì)算思維的第一陣地，并將計(jì)算思維跨學(xué)科整合到學(xué)校各級(jí)各類(lèi)課程，在具體的課程教學(xué)中落實(shí)計(jì)算思維教育。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)跨學(xué)科整合計(jì)算思維的研究主要集中在以下方面：①教學(xué)課程開(kāi)發(fā)方面，Rubinstein等[3]將計(jì)算思維與生命科學(xué)結(jié)合，開(kāi)發(fā)了一門(mén)全新的本科非正式課程“生命科學(xué)家的計(jì)算方法”（Computational Approaches for Life Scientists）；汪紅兵等[4]開(kāi)發(fā)了以計(jì)算思維為導(dǎo)向的大學(xué)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程。②教學(xué)模式設(shè)計(jì)方面，Sengupta等[5]提出了整合計(jì)算思維和K-12科學(xué)教育的理論框架；周紅平等[6]建構(gòu)了以計(jì)算思維、STEM工程設(shè)計(jì)學(xué)科內(nèi)容知識(shí)以及教學(xué)法三者的整合為核心的教學(xué)模式，并在小學(xué)開(kāi)展了實(shí)證研究；張學(xué)軍等[7]設(shè)計(jì)并開(kāi)展了人工智能案例驅(qū)動(dòng)的Python編程教學(xué)模型，來(lái)培養(yǎng)高中生的計(jì)算思維。③教學(xué)活動(dòng)開(kāi)展方面，Waterman等[8]提出了將計(jì)算思維整合到小學(xué)科學(xué)課程的實(shí)踐活動(dòng)框架；Leonard等[9]通過(guò)開(kāi)發(fā)一個(gè)融合舞蹈編排、計(jì)算機(jī)編程和虛擬環(huán)境的活動(dòng)程序來(lái)培養(yǎng)高中生的計(jì)算思維。

綜合已有的研究來(lái)看，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于跨學(xué)科整合計(jì)算思維的研究涵蓋了大、中、小學(xué)不同階段的程序設(shè)計(jì)、科學(xué)、人工智能和STEM等課程，通過(guò)具體的課程教學(xué)來(lái)完成計(jì)算思維的培養(yǎng)。然而，鮮有研究對(duì)“計(jì)算思維為什么能夠與不同的學(xué)科進(jìn)行整合？”“與不同學(xué)科整合的課程模式有哪些？”“這些課程模式又該如何實(shí)施與發(fā)展？”等問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)回應(yīng)，這導(dǎo)致不同學(xué)段、不同學(xué)科的教師在開(kāi)展計(jì)算思維教育過(guò)程中存在一知半解、缺乏創(chuàng)新的情況?；诖耍狙芯繌膶W(xué)科的視角切入，通過(guò)明晰跨學(xué)科整合計(jì)算思維的內(nèi)在機(jī)理，分析國(guó)際上跨學(xué)科整合計(jì)算思維的課程模式及實(shí)踐路徑，以期為我國(guó)開(kāi)展跨學(xué)科整合計(jì)算思維的理論和實(shí)踐提供參考。

一 跨學(xué)科整合計(jì)算思維的內(nèi)在機(jī)理

為探究跨學(xué)科整合計(jì)算思維的課程模式，首先要理解計(jì)算思維的發(fā)展和跨學(xué)科整合計(jì)算思維的內(nèi)涵，從理論上厘清計(jì)算思維的存在形態(tài)和跨學(xué)科整合計(jì)算思維的真正意蘊(yùn)。

1 計(jì)算思維

早在1989年，《計(jì)算作為學(xué)科（）》這一報(bào)告就已涉及有關(guān)計(jì)算思維的相關(guān)論述[10]，但其內(nèi)容相對(duì)模糊，因此并未引起業(yè)界關(guān)注。直到2006年，周以真[11]首次系統(tǒng)闡述了“計(jì)算思維”的概念，認(rèn)為計(jì)算思維是一種利用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念解決問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類(lèi)行為的思維方式，自此計(jì)算思維正式進(jìn)入研究者的視野。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外陸續(xù)推出的一些文件也都提到有關(guān)計(jì)算思維的概念，體現(xiàn)了各國(guó)對(duì)于計(jì)算思維的關(guān)注。如2017年，美國(guó)非營(yíng)利組織數(shù)字承諾研究所發(fā)布的《計(jì)算世界的計(jì)算思維（）》報(bào)告，從計(jì)算實(shí)踐的角度給出了計(jì)算思維的定義，認(rèn)為計(jì)算思維是解決問(wèn)題的通用方法[12]；2019年，聯(lián)合國(guó)教科文組織在發(fā)布的《教育中的人工智能：可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)與機(jī)遇（）》中強(qiáng)調(diào)，計(jì)算思維不僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，也是普遍適用于其他學(xué)科的一種能力[13]；2022年，我國(guó)發(fā)布義務(wù)教育新一輪的課程標(biāo)準(zhǔn)，首次將信息科技作為義務(wù)教育階段的一門(mén)獨(dú)立課程，明確了計(jì)算思維作為信息科技課程核心素養(yǎng)的導(dǎo)向作用，并指出計(jì)算思維是指?jìng)€(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在問(wèn)題解決過(guò)程中涉及的抽象、分解、建模、算法設(shè)計(jì)等思維活動(dòng)[14]；此外，經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織教育2030項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱(chēng)“OECD2030”）將計(jì)算思維劃分為學(xué)習(xí)者未來(lái)需要具備的六大復(fù)合能力之一，認(rèn)為計(jì)算思維包括提出和開(kāi)發(fā)可通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)施的解決方案，并將其內(nèi)容融入許多國(guó)家課程改革的目標(biāo)和內(nèi)容之中[15]。從計(jì)算思維的發(fā)展和相關(guān)定義可以看出，計(jì)算思維雖然源于計(jì)算學(xué)科，但隨著數(shù)字化時(shí)代的不斷發(fā)展，計(jì)算思維已經(jīng)不單單是計(jì)算學(xué)科關(guān)注的重點(diǎn)，而是逐漸滲透至各學(xué)科領(lǐng)域，成為一種普適化的方法或能力。

2 跨學(xué)科整合計(jì)算思維

“跨學(xué)科”一詞由美國(guó)哥倫比亞大學(xué)心理學(xué)教授Woodorth于1926年提出，是指跨越一門(mén)學(xué)科邊界而進(jìn)行的涉及兩個(gè)或兩個(gè)以上學(xué)科的實(shí)踐活動(dòng)[16]?？鐚W(xué)科整合計(jì)算思維在本研究中意指打破計(jì)算學(xué)科和傳統(tǒng)學(xué)科之間的壁壘，將計(jì)算思維以某種形態(tài)整合到其他學(xué)科教學(xué)中的一系列實(shí)踐活動(dòng)，不僅關(guān)注計(jì)算思維的培養(yǎng)，也關(guān)注學(xué)習(xí)者在其他學(xué)科方面的表現(xiàn)。

二 跨學(xué)科整合計(jì)算思維的課程模式

從理論上來(lái)看，跨學(xué)科整合計(jì)算思維能夠改變傳統(tǒng)分科教育涇渭分明的特點(diǎn)，能夠更好地滿足計(jì)算時(shí)代社會(huì)對(duì)學(xué)習(xí)者的新要求，以培養(yǎng)學(xué)習(xí)者應(yīng)對(duì)未來(lái)挑戰(zhàn)、適應(yīng)社會(huì)發(fā)展、解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的能力。同時(shí)，在具體的課程實(shí)踐中，跨學(xué)科整合計(jì)算思維也形成了不同的課程模式。參照被廣泛引用和認(rèn)可的信息技術(shù)與課程整合的三種模式[17]后，本研究在認(rèn)為國(guó)際上跨學(xué)科整合計(jì)算思維的課程模式可以歸納為學(xué)科本位型、學(xué)科輔助型和學(xué)科拓展型三種類(lèi)型。

1 學(xué)科本位型課程模式

學(xué)科本位型課程模式以傳授計(jì)算思維的基本知識(shí)為目的，將計(jì)算思維整合到與計(jì)算學(xué)科高度相關(guān)的課程。國(guó)際上采取該課程模式的代表國(guó)家有英國(guó)、波蘭和澳大利亞，這些國(guó)家對(duì)該模式的建立與應(yīng)用起步較早，同時(shí)系統(tǒng)也相對(duì)完善，均傾向于將計(jì)算思維作為一門(mén)獨(dú)立課程的內(nèi)容進(jìn)行講授。

（1）面向計(jì)算思維培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)科學(xué)課程

1999年，波蘭開(kāi)設(shè)了一門(mén)計(jì)算機(jī)科學(xué)課程，較為系統(tǒng)地開(kāi)展了計(jì)算思維教育。該課程分為小、中、高三個(gè)階段：1～3年級(jí)將計(jì)算活動(dòng)融入到閱讀、寫(xiě)作、繪畫(huà)、游戲等線下活動(dòng)，4～6年級(jí)逐漸使用計(jì)算機(jī)來(lái)支持各學(xué)科的學(xué)習(xí)，7～9年級(jí)開(kāi)始關(guān)注對(duì)學(xué)習(xí)者的算法、計(jì)算思維能力以及其他方面能力的培養(yǎng)，10～12年級(jí)則幫助學(xué)習(xí)者利用計(jì)算思維認(rèn)識(shí)、理解和分析現(xiàn)實(shí)生活中存在的問(wèn)題。波蘭計(jì)算機(jī)科學(xué)課程中計(jì)算思維的培養(yǎng)是循序漸進(jìn)的，在培養(yǎng)初期的小學(xué)階段，并未指明計(jì)算思維的學(xué)習(xí)內(nèi)容，而是將其深入到各類(lèi)活動(dòng)中進(jìn)行培養(yǎng)，在中、高階段則具體規(guī)定了計(jì)算思維的學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)制安排[18]。此外，波蘭還成立了計(jì)算機(jī)科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證程序，為支持計(jì)算機(jī)科學(xué)課程教師的發(fā)展和更好的計(jì)算機(jī)科學(xué)教學(xué)做出了準(zhǔn)備。

（2）面向計(jì)算思維培養(yǎng)的計(jì)算課程

2014年，英國(guó)對(duì)課程進(jìn)行改革，將計(jì)算思維納入國(guó)家計(jì)算課程，取代了已有的信息與通信技術(shù)課程，是少數(shù)沒(méi)有將編程作為學(xué)科特征，而將計(jì)算思維作為獨(dú)立學(xué)科培養(yǎng)目標(biāo)的國(guó)家之一。英國(guó)將計(jì)算課程面向的學(xué)習(xí)者年齡分成5～7歲、7～11歲、11～14歲和14～16歲四個(gè)階段，在每個(gè)階段結(jié)束之前，學(xué)習(xí)者都應(yīng)理解、掌握和應(yīng)用不同的計(jì)算思維知識(shí)。在具體培養(yǎng)過(guò)程中，教師主要是將計(jì)算思維概念化，通過(guò)提取計(jì)算思維的核心概念（如分解、抽象、歸納等），將其與學(xué)習(xí)者具體的課堂行為相聯(lián)系。同時(shí)，英國(guó)也通過(guò)創(chuàng)建學(xué)校計(jì)算工作小組（Computing at School，CAS）為教師提供教學(xué)資源、教學(xué)培訓(xùn)和教學(xué)指導(dǎo)，提高計(jì)算課程教師數(shù)量和教師質(zhì)量，為計(jì)算課程改革和計(jì)算思維培養(yǎng)的順利實(shí)施提供條件支撐[19]。英國(guó)對(duì)于計(jì)算思維的培養(yǎng)不僅體現(xiàn)在課程名稱(chēng)的修改，更為重要的是，其培養(yǎng)理念和內(nèi)容的改革大大提高了計(jì)算思維在正規(guī)課程中的地位，也為計(jì)算思維之后融入其他學(xué)科奠定了基礎(chǔ)。

（3）面向計(jì)算思維培養(yǎng)的技術(shù)課程

2015年，澳大利亞將技術(shù)作為中小學(xué)的一門(mén)獨(dú)立課程，并將其分為設(shè)計(jì)與技術(shù)、數(shù)字技術(shù)兩大主題，其中數(shù)字技術(shù)主題涉及如何使用計(jì)算思維和信息系統(tǒng)實(shí)施解決方案。在數(shù)字技術(shù)主題的具體教學(xué)中，1～2年級(jí)的學(xué)習(xí)者通過(guò)參與一些引導(dǎo)性游戲，理解真實(shí)世界和虛擬世界之間的關(guān)系，以及簡(jiǎn)單問(wèn)題的解決在數(shù)字世界中的重要性；3～6年級(jí)的學(xué)習(xí)者開(kāi)始使用可視化編程軟件學(xué)習(xí)編程基礎(chǔ)概念，被引導(dǎo)以進(jìn)一步理解技術(shù)帶來(lái)的變化，包括技術(shù)對(duì)家庭和社區(qū)等領(lǐng)域的影響，并能夠研究和交流更復(fù)雜的問(wèn)題；7～10年級(jí)的學(xué)習(xí)者則逐漸使用編程語(yǔ)言來(lái)解決更加復(fù)雜的社會(huì)問(wèn)題和創(chuàng)建數(shù)字解決方案，被引導(dǎo)考慮更廣泛的道德和社會(huì)因素。澳大利亞技術(shù)課程培養(yǎng)計(jì)算思維的獨(dú)特之處在于，創(chuàng)新性地將計(jì)算思維培養(yǎng)融入學(xué)習(xí)者創(chuàng)建和實(shí)施解決方案的過(guò)程中，并靈活地開(kāi)展針對(duì)技術(shù)課程的教學(xué)計(jì)劃，如1～8年級(jí)學(xué)習(xí)技術(shù)課程，9～10年級(jí)的學(xué)習(xí)權(quán)則交由各學(xué)校依據(jù)學(xué)習(xí)者特點(diǎn)獨(dú)立決定[20]。

2 學(xué)科輔助型課程模式

輔助型課程模式是指在計(jì)算學(xué)科以外的其他課程教學(xué)中，將計(jì)算思維視為學(xué)習(xí)工具來(lái)輔助學(xué)習(xí)者更好地掌握課程內(nèi)容。近年來(lái)，隨著學(xué)科輔助型課程模式的迅速發(fā)展，韓國(guó)、新西蘭和芬蘭在計(jì)算思維教育方面處于領(lǐng)先地位，積極探索了將計(jì)算思維作為學(xué)科學(xué)習(xí)的“元認(rèn)知”方法，并取得了較為顯著的成效。

（1）計(jì)算思維賦能軟件教育課程

2015年，韓國(guó)在各級(jí)教育中引入軟件教育計(jì)劃，旨在幫助學(xué)習(xí)者成為具有計(jì)算思維能力的創(chuàng)造性人才。被選做試點(diǎn)的小學(xué)每年需開(kāi)展至少17個(gè)學(xué)時(shí)的軟件相關(guān)課程，中學(xué)至少34個(gè)學(xué)時(shí)，高中則通過(guò)選修課來(lái)學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容。軟件教育課程在低年級(jí)“輕松有趣”，教師使用不插電的方式和可視化編程語(yǔ)言來(lái)激發(fā)學(xué)習(xí)者對(duì)編碼和軟件的興趣。隨著學(xué)習(xí)者年齡的增長(zhǎng)，軟件教育課程內(nèi)容變得越來(lái)越抽象，包括物理計(jì)算、算法和計(jì)算機(jī)編程。在大學(xué)階段，學(xué)校通過(guò)增加對(duì)非計(jì)算機(jī)科學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)者的基礎(chǔ)軟件教育，為學(xué)習(xí)者提供更多機(jī)會(huì)，讓他們同時(shí)主修計(jì)算機(jī)科學(xué)和非技術(shù)領(lǐng)域[21]。在開(kāi)展軟件教育的同時(shí)，韓國(guó)教育部通過(guò)建立軟件教育平臺(tái)、啟動(dòng)學(xué)期資助計(jì)劃和成立志愿者社群等方式，為更多學(xué)習(xí)者提供參與軟件教育的機(jī)會(huì)，并通過(guò)對(duì)大量的中小學(xué)教師進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的軟件教育培訓(xùn)，為軟件教育的開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。

（2）計(jì)算思維賦能數(shù)學(xué)和工藝課程

芬蘭是歐洲第一個(gè)進(jìn)行跨學(xué)科編程教育的國(guó)家。2016年，芬蘭開(kāi)始實(shí)施新的國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)，將算法思維與計(jì)算思維同義使用，其定義為“概括開(kāi)放式問(wèn)題解決方案的過(guò)程”。根據(jù)新的國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)，1～9年級(jí)的數(shù)學(xué)和3～9年級(jí)的工藝課程中明確提到了編程，其中數(shù)學(xué)課程注重編程和解題，關(guān)注計(jì)算思維和問(wèn)題解決能力的培養(yǎng)；工藝課程則需要學(xué)習(xí)者掌握編程技術(shù)，發(fā)揮創(chuàng)作能力。從小學(xué)到初中，從數(shù)學(xué)到工藝，從可視化編程到文本編程，芬蘭專(zhuān)注于將計(jì)算思維進(jìn)行跨學(xué)科整合，并建立由淺入深、循序漸進(jìn)的課程體系[22]。目前，計(jì)算思維教育思想已幾乎完全滲透于芬蘭學(xué)校教育中的每一門(mén)學(xué)科[23]。此外，芬蘭國(guó)家教育委員會(huì)以及教育和文化部還通過(guò)資助項(xiàng)目、標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)和專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃舉措，全方位支持教師將計(jì)算思維融入各學(xué)科教學(xué)活動(dòng)中。

（3）計(jì)算思維賦能數(shù)字技術(shù)課程

自2018年起，數(shù)字技術(shù)被完全納入新西蘭課程和毛利語(yǔ)言國(guó)家課程，包含五個(gè)新的領(lǐng)域：數(shù)字技術(shù)的計(jì)算思維、數(shù)字成果的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)、材料成果的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)、加工成果的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)以及設(shè)計(jì)和視覺(jué)傳達(dá)。該課程面向新西蘭1～13年級(jí)的所有學(xué)習(xí)者，其中在數(shù)字技術(shù)的計(jì)算思維領(lǐng)域，學(xué)習(xí)者需要理解所有數(shù)字技術(shù)背后的計(jì)算機(jī)科學(xué)原理，學(xué)習(xí)核心編程概念，成為數(shù)字技術(shù)的創(chuàng)造者，而不僅僅是使用者。具體來(lái)說(shuō)，在小學(xué)階段，學(xué)校主要為學(xué)習(xí)者提供“不插電”資源來(lái)支持?jǐn)?shù)字技術(shù)的計(jì)算思維教學(xué)；在中學(xué)階段，課程則開(kāi)始逐漸引入可視化編程軟件和基于文本的編程語(yǔ)言，如果11～13年級(jí)的學(xué)習(xí)者對(duì)數(shù)字技術(shù)有興趣，也可以選修該學(xué)科的專(zhuān)業(yè)內(nèi)容，進(jìn)而更早地選擇和確定未來(lái)的職業(yè)方向。此外，為了更好地支持?jǐn)?shù)字技術(shù)課程的開(kāi)展，新西蘭教育部還投入大量資金來(lái)資助相關(guān)項(xiàng)目，并組建虛擬學(xué)習(xí)網(wǎng)、免費(fèi)在線開(kāi)源網(wǎng)站為教師提供信息資源和支持服務(wù)[24]。

3 學(xué)科拓展型課程模式

拓展型課程模式是指在非正式課程中將計(jì)算思維作為一種社會(huì)生存技能進(jìn)行整合。這種整合模式具有較大的靈活性，目前開(kāi)展該模式的國(guó)家并不多，其中做法相對(duì)具有創(chuàng)新、內(nèi)涵較為豐富的是新加坡的開(kāi)放性課程。

2014年，新加坡發(fā)起“智慧國(guó)家”（Smart Nation）倡議行動(dòng)，建立了新的計(jì)算課程教學(xué)框架（如圖1所示）和學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)（如圖2所示），旨在為從學(xué)齡兒童到成人階段的范圍群體引入和發(fā)展計(jì)算思維技能和編程能力[25]。其中，計(jì)算課程教學(xué)框架規(guī)定了學(xué)習(xí)者需要掌握的計(jì)算思維內(nèi)容；學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)則圍繞教學(xué)框架確立課程內(nèi)容及開(kāi)展形式，在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，每個(gè)主體都對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)興趣的開(kāi)啟和維持發(fā)揮了重要作用，通過(guò)學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)為學(xué)習(xí)者提供學(xué)習(xí)資源、教學(xué)指導(dǎo)和績(jī)效評(píng)估。

圖1 新加坡計(jì)算課程教學(xué)框架

圖2 新加坡計(jì)算課程學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)

新加坡并沒(méi)有將計(jì)算課程作為統(tǒng)一的必修內(nèi)容，而是針對(duì)不同學(xué)齡段培養(yǎng)學(xué)前、小學(xué)和中學(xué)生對(duì)編程和計(jì)算技能的興趣[26]。本研究總結(jié)其特點(diǎn)具體為：①對(duì)于計(jì)算思維的講授由各學(xué)校決定，每所學(xué)校根據(jù)學(xué)習(xí)者的需要和教師的意愿選擇加入課程；②相比使計(jì)算機(jī)成為義務(wù)教育的一部分，選擇從小就開(kāi)始培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的興趣；③為培養(yǎng)教師的邏輯思維、算法思維、問(wèn)題解決和編程技能，對(duì)其提供專(zhuān)業(yè)發(fā)展方面的支持；④多方機(jī)構(gòu)共同努力以培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維技能，如信息通信媒體發(fā)展局（Info-Communications Media Development Authority，IMDA）、新加坡科學(xué)中心等之間的協(xié)同合作。

學(xué)科本位型課程模式代表了計(jì)算思維融入課程的萌芽階段，標(biāo)志著各國(guó)開(kāi)始重視學(xué)習(xí)者計(jì)算思維的培養(yǎng)，該模式主要依托計(jì)算機(jī)類(lèi)課程，對(duì)教師的計(jì)算思維知識(shí)儲(chǔ)備要求很高，通常由專(zhuān)門(mén)的計(jì)算機(jī)學(xué)科教師講授，同時(shí)需要學(xué)校提供大量的相關(guān)資源，但該模式對(duì)于學(xué)習(xí)者自身的關(guān)注不夠。學(xué)科輔助型課程模式代表了計(jì)算思維融入課程的探索階段，標(biāo)志著各國(guó)對(duì)學(xué)習(xí)者計(jì)算思維培養(yǎng)的進(jìn)一步完善，該模式需要教師深度理解學(xué)科體系以及學(xué)科方法論之間的區(qū)別和聯(lián)系，同時(shí)需要不同學(xué)科教師之間高度配合，開(kāi)始逐漸關(guān)注學(xué)習(xí)者的自身發(fā)展和社會(huì)教育公平問(wèn)題。學(xué)科拓展型課程模式代表了計(jì)算思維融入課程的發(fā)展階段，標(biāo)志著各國(guó)對(duì)學(xué)習(xí)者計(jì)算思維培養(yǎng)的開(kāi)放性嘗試，該模式需要學(xué)校、社區(qū)、教師等多方協(xié)同發(fā)展，高度關(guān)注對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)，重視學(xué)習(xí)者面向未來(lái)的計(jì)算思維能力的應(yīng)用。

三 跨學(xué)科整合計(jì)算思維的實(shí)踐路徑

在不斷開(kāi)展的教育實(shí)踐中，跨學(xué)科整合計(jì)算思維的課程模式形成了與之相對(duì)應(yīng)的三類(lèi)實(shí)踐路徑，具體如下：

1 借助編程工具整合計(jì)算思維

學(xué)科本位型課程模式涉及的學(xué)科多與計(jì)算相關(guān)，尚未脫離編程對(duì)于計(jì)算思維培養(yǎng)的作用，因此主要借助編程工具來(lái)完成計(jì)算思維在相關(guān)學(xué)科中的整合。常見(jiàn)的編程工具主要分為可視化編程類(lèi)和語(yǔ)言開(kāi)發(fā)類(lèi)，這兩類(lèi)工具均對(duì)應(yīng)一定的特點(diǎn)，研究者在實(shí)踐過(guò)程中常結(jié)合自身需求和研究對(duì)象進(jìn)行選擇[27]，具體如下：①可視化編程類(lèi)工具。該類(lèi)工具比較適合幼兒園和小學(xué)階段的學(xué)習(xí)者，因其簡(jiǎn)單易學(xué)和操作便捷的特點(diǎn)而備受喜愛(ài)，常見(jiàn)的有LOGO、Alice和Scratch。低齡學(xué)習(xí)者可以借助這些工具來(lái)繪制圖案、建立模型和創(chuàng)建項(xiàng)目等，通過(guò)簡(jiǎn)單的代碼塊完成他們想要制作的任何東西，從而掌握基本的計(jì)算思維入門(mén)知識(shí)。②語(yǔ)言開(kāi)發(fā)類(lèi)工具。該類(lèi)工具比較適合高年級(jí)的學(xué)習(xí)者，他們已具備一定的抽象思維能力，并能夠借助工具完成更加復(fù)雜的編程問(wèn)題，常見(jiàn)的是Python、Java和C語(yǔ)言。這類(lèi)工具可基于對(duì)象、可面向過(guò)程或可開(kāi)源使用，能夠滿足不同學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)需求，并更深層次地促進(jìn)學(xué)習(xí)者對(duì)計(jì)算思維知識(shí)的掌握。

在借助編程工具整合計(jì)算思維的過(guò)程中，我國(guó)教師一方面應(yīng)注重學(xué)習(xí)者的身心發(fā)展，除軟件操作外，還要?jiǎng)?chuàng)造更多不插電的活動(dòng)來(lái)完成學(xué)習(xí)者計(jì)算思維的培養(yǎng)；另一方面應(yīng)注重學(xué)習(xí)者計(jì)算思維培養(yǎng)的連貫性，在不同階段選擇不同的工具將計(jì)算思維融入學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過(guò)程中。

2 結(jié)合學(xué)科任務(wù)整合計(jì)算思維

相對(duì)于學(xué)科本位型課程模式而言，學(xué)科輔助型課程模式涉及計(jì)算學(xué)科之外的其他諸多學(xué)科，為此，計(jì)算思維通常結(jié)合其他學(xué)科任務(wù)來(lái)整合到課程各環(huán)節(jié)，具體有如下幾種策略：①創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，探究解決方案?；趩?wèn)題的學(xué)習(xí)能夠幫助學(xué)習(xí)者通過(guò)具體的學(xué)科問(wèn)題情境設(shè)定自己的學(xué)習(xí)目標(biāo)，自行探索問(wèn)題解決方案。在此過(guò)程中，學(xué)習(xí)者需要發(fā)揮其計(jì)算思維能力，進(jìn)而加深對(duì)學(xué)科知識(shí)的理解。②引導(dǎo)項(xiàng)目策劃，制定研究計(jì)劃。項(xiàng)目的完成通常具有一定的挑戰(zhàn)性，需要學(xué)習(xí)者具備問(wèn)題解決、活動(dòng)策劃和實(shí)踐調(diào)查等能力。在計(jì)算思維與其他學(xué)科整合的過(guò)程中嵌入不同難度的實(shí)踐項(xiàng)目，能夠促進(jìn)學(xué)習(xí)者在項(xiàng)目完成過(guò)程中計(jì)算思維能力的應(yīng)用。③建立協(xié)作關(guān)系，合作完成任務(wù)。在整合課程學(xué)習(xí)過(guò)程中，經(jīng)常涉及學(xué)習(xí)者合作學(xué)習(xí)完成學(xué)科任務(wù)，協(xié)商、分享和解決與任務(wù)相關(guān)的內(nèi)容。例如，在小學(xué)數(shù)學(xué)課程中，教師可以讓學(xué)習(xí)者通過(guò)小組合作的方式，完成用可視化編程軟件繪制一系列對(duì)稱(chēng)圖形的任務(wù)。

在結(jié)合學(xué)科任務(wù)整合計(jì)算思維的過(guò)程中，我國(guó)要立足國(guó)情，分批次將計(jì)算思維與不同學(xué)科任務(wù)進(jìn)行整合，穩(wěn)步推進(jìn)，逐步推廣。同時(shí)，跨學(xué)科整合計(jì)算思維具有一定的靈活性，因此教師要大膽創(chuàng)新與嘗試，不斷探索具有不同學(xué)科特色的整合方式。

3 以行動(dòng)為導(dǎo)向整合計(jì)算思維

學(xué)科拓展型課程模式最具開(kāi)放性和豐富性，更需要研究者以行動(dòng)為導(dǎo)向整合計(jì)算思維，繼而推動(dòng)計(jì)算思維走向更加實(shí)踐化的一條道路，其中比較有代表性的方式有如下：①依托硬件設(shè)備，助力實(shí)踐操作。例如，教師可以通過(guò)設(shè)計(jì)和編程機(jī)器人設(shè)備為學(xué)習(xí)者提供關(guān)于其程序功效的即時(shí)、具體的反饋，使學(xué)習(xí)者在使用機(jī)器人系統(tǒng)過(guò)程中，了解其設(shè)計(jì)、編程、測(cè)試和調(diào)試的周期，促進(jìn)其計(jì)算思維和動(dòng)手能力的培養(yǎng)。②借助游戲教學(xué)，豐富學(xué)習(xí)體驗(yàn)。游戲作為一種以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)方法，包含許多問(wèn)題解決的特征，如未知的結(jié)果、通向目標(biāo)的多條路徑、問(wèn)題背景的構(gòu)建、多人協(xié)作等，并且其中還添加了一些競(jìng)爭(zhēng)和機(jī)會(huì)的元素，能夠幫助學(xué)習(xí)者在建立學(xué)習(xí)興趣的基礎(chǔ)上更好地完成學(xué)習(xí)任務(wù)。如一款名為AutoThinking的自適應(yīng)教育計(jì)算機(jī)游戲，就被應(yīng)用于課程中來(lái)培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維能力[28]。③發(fā)揮語(yǔ)言魅力，激發(fā)創(chuàng)新創(chuàng)造。講故事是一種用語(yǔ)言影響兒童學(xué)習(xí)的有力工具，部分研究通過(guò)講故事的方式來(lái)激發(fā)低齡學(xué)習(xí)者對(duì)計(jì)算思維的興趣，鼓勵(lì)學(xué)習(xí)者積極參與到故事的復(fù)述、吟誦和演唱中。例如，Dietz等[29]開(kāi)發(fā)了語(yǔ)音引導(dǎo)的智能手機(jī)應(yīng)用程序，將講故事作為一項(xiàng)創(chuàng)造性活動(dòng)，向5～8歲兒童講授計(jì)算思維概念，培養(yǎng)低齡學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維能力。

在開(kāi)展以行動(dòng)為導(dǎo)向整合計(jì)算思維的過(guò)程中，我國(guó)要努力開(kāi)發(fā)計(jì)算思維教學(xué)的實(shí)物資源和工具，使理論與實(shí)踐能夠在課堂中同步開(kāi)展。另外，教師應(yīng)不斷反思和更新自己的教學(xué)理念，汲取多方經(jīng)驗(yàn)和多元方法開(kāi)展教學(xué)，滿足學(xué)生多樣化的學(xué)習(xí)需求。

四 結(jié)語(yǔ)

本研究從學(xué)科這一宏觀視角出發(fā)，通過(guò)厘清跨學(xué)科整合計(jì)算思維的內(nèi)在機(jī)理，詳細(xì)分析了國(guó)際上典型的跨學(xué)科整合計(jì)算思維的課程模式和實(shí)踐路徑，三種課程模式和與之對(duì)應(yīng)的三類(lèi)實(shí)踐路徑分別代表了跨學(xué)科整合計(jì)算思維的萌芽、探索、發(fā)展階段，但每一種課程模式和實(shí)踐路徑都不是完全孤立的存在，在具體的教學(xué)過(guò)程中存在多重交叉和相互融合的關(guān)系。為了更好地促進(jìn)跨學(xué)科整合計(jì)算思維的理論與實(shí)踐探索，我國(guó)應(yīng)積極借鑒國(guó)外計(jì)算思維相關(guān)課程改革經(jīng)驗(yàn)，加大計(jì)算思維在各學(xué)科的滲透力度；大中小學(xué)要協(xié)同發(fā)展，共同完成計(jì)算思維人才的培養(yǎng)；教師應(yīng)不斷提升自身計(jì)算思維能力，創(chuàng)新計(jì)算思維課堂教學(xué)。此外，跨學(xué)科整合計(jì)算思維也需要家庭、企業(yè)、社會(huì)等方面的支持，形成跨學(xué)科整合計(jì)算思維的多元共育新生態(tài)。

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Research on the Curriculum Models of Interdisciplinary Integrated Computational Thinking from the Perspective of International Perspective

ZHANG Jin1XU Zi-juan2ZHU Ke1[Corresponding Author]KANG Liu-yi1

As the product of the development of an information society, computational thinking tends to be more and more popular and universal. Many countries in the world have carried out interdisciplinary integration of computational thinking to further promote the development of this trend. However, under this context, there is still a lack of systematic analysis of the theoretical understanding and practical application of interdisciplinary integrated computational thinking at home and abroad. Therefore, this paper firstly clarified the internal mechanism of interdisciplinary integrated computational thinking from in theory, then transitioned to practice and further compared and analyzed three typical international curriculum models of interdisciplinary integrated computational thinking, and finally put forward the practical paths under different curriculum models from the perspective of practical implementation. The article analyzed the theory significance and practice value of the interdisciplinary integrated computational thinking in the world both from theoretical and practical dimensions, and compared the advantages and disadvantages of typical curriculum models and practical paths and their applicable categories, aiming to provide reference and inspiration for the theory and practice of interdisciplinary integrated computational thinking in China.

computational thinking; computational thinking education; interdisciplinary integration; curriculum model; practical path

G40-057

A

1009—8097（2022）12—0049—09

10.3969/j.issn.1009-8097.2022.12.006

本文為教育部人文社會(huì)科學(xué)研究規(guī)劃基金項(xiàng)目“網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間中學(xué)習(xí)共同體組織策略與優(yōu)化機(jī)制研究”（項(xiàng)目編號(hào)：20YJAZH128）、河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃“教育大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用”（項(xiàng)目編號(hào)：22IRTSTHN031）的階段性研究成果。

張瑾，副教授，博士，研究方向?yàn)閷W(xué)習(xí)分析技術(shù)理論與應(yīng)用，郵箱為hsdzg@qq.com。

2022年8月31日

編輯：小時(shí)