英國中小學計算思維教育評介

唐瑞 劉向永

2006年，美國的周以真教授提出了計算思維的概念，并且迅速得到了全世界計算機教育者的認可和關注。英國信息技術教育研究者基于對原有課程的批判以及反思，將計算思維引入了信息技術課程。2013年，英國教育部將原有的國家課程信息通用技術（ICT）更名為計算（Computing）課程，并于2014年9月正式開始實施。計算（Computing）課程與傳統信息通信技術課程的最大區別就是明確地將課程目標確定為讓學生使用計算思維和創造力來理解和改變世界。英國為了要系統全面地實施計算思維教育，系統規劃了計算（Computing）課程中的計算思維體系，采取有效的教師培訓與資源配給供計算思維教育實施。我們試圖簡要地介紹英國如何在中小學設計計算思維的內容體系、教學策略等，希望對改變我國信息技術課程現狀、落實計算思維教育有所借鑒。

英國Computing課程中的計算思維

1.英國Computing課程目標中涵蓋的計算思維

英國Computing課程的核心是計算機科學，側重于培養學生的計算思維和創造力，并應用于編程和數字媒體設計領域。通過計算機科學的學習，學生不僅能夠學習到計算機相關知識，更重要的是學習一種思維方式——計算思維。計算思維能幫助學生深入理解數字化產物以及所處的數字化時代學生的學習目標是理解信息和計算的含義，了解數字系統的運轉方式以及通過編程把學習到的知識整合到實踐中。在這個基礎上，學生才能夠運用技術編寫程序、設計系統等內容。同時，英國Computing課程不僅強調計算機科學，還要求培養學生的數字素養，使其能運用信息通信技術進行自我表達和思維發散，這種能力保證了他們今后順利適應高速發展的信息社會。

英國Computing課程的目標是讓學生理解和應用計算機科學的基本原理和概念，包括抽象、邏輯、算法、數據表示等；能使用計算術語來分析問題，并具備為解決這些問題不斷地編寫計算機程序的實踐經驗；能評價和使用信息技術，包括新興的或不熟悉的技術，分析性地解決問題；成為有責任、有能力、有創造力的、自信的ICT使用者。[1]

英國皇家學會（The Royal Society）將Computing課程劃分為三大指標：計算機科學（CS： Computer science）、信息技術（IT：Information technology）、數字素養（DL：Digital literacy）[2]，每一指標都有相對應的課程目標（如表1）。

這三大指標之間又互相融合、相互滲透，每個指標對中小學生適應信息社會都有著舉足輕重的作用和意義。計算機科學指標是有關科學和計算的實用性研究，它需要解決的問題是計算什么、如何計算，以及怎樣利用計算解決問題。信息技術涵蓋了計算機和通信設備的工作模式，以及它們如何進行數據的存儲、恢復、傳遞和處理。數字素養是一種能夠運用各種數字技術進行有效、可靠、安全、批判性地操控、評估以及創造數字化產品的能力。數字化產品可以是多種呈現方式，如數字化圖像、計算機程序、電子表格、3D動畫等。

2.英國Computing課程實施現狀

英國中小學目前已經正式實施了Computing課程，為了給一線教師提供有關Computing課程的課程指導和課程開設資源，2013年微軟劍橋研究院的教授西蒙·瓊斯（Simon Jones）等人建立了CAS（Computing at school）計算機教育研究組織。CAS是一個由英國計算機學會（British Computer Society，BCS）、微軟、谷歌以及英特爾等聯合組成的研究團體，是致力于提升信息技術教師教授新課程尤其是計算機科學課程能力的組織。該組織在網站上為開設Computing課程的教師提供教學材料、線上與線下的教學指導，并不時邀請高校的權威教授舉辦面對面的Computing課程會議和活動等。CAS是英國最具權威的Computing課程研究機構，截至2015年11月已有1518所學校在該網站上注冊，其中580所為試點學校，為其他開設Computing課程的學校提供幫助，另外，還有303位接受過專職培訓的CAS指導教師。CAS已經發布了一系列的指導文件來支持教師開展學校的Computing課程（如圖1）。在CAS社區中為教師提供了教學指導框架、各類教學資源、教學經驗方法分享以及學生學業評價方法等，CAS還開辦了一季一期的免費資訊雜志Newsletter，以幫助教師快速地進行學校的Computing課程計劃。

2015年秋，在英國已有10所大學成立區域Computing課程研究中心，CAS指導教師、試點學校的教師、大學工作人員等都會為CAS注冊學校提供Computing課程的教學幫助。

英國如何將計算思維轉變為具體課程內容

英國教育部表示，高質量的計算課程是讓學生運用計算思維和創造力理解和改變世界。首次提出計算思維概念的周以真教授則認為，計算思維是一種能夠系統化處理問題并提出解決方法，使之能夠被信息處理器直接執行的思維過程。[3]英國計算機協會（BCS）在2014年給出了計算思維的定義：計算思維能力是一種包含了復雜性、零散性、部分定義的、能夠將現實問題轉化為無人操控的計算機可處理形式的一系列心智技能。但是計算思維理論如何轉變為實際課程呢？英國首先是將計算思維核心概念進行梳理，提取出來核心概念之后，再將核心概念與具體的課堂行為聯系在一起。

1.計算思維核心概念提取

根據對計算課程的理解和實踐探索，塞爾比（Selby）和伍拉德（Woollard）提取了計算思維的五大核心概念：算法思想、評估、分解、抽象、歸納。[4]

（1）算法思想（AL）

算法思想是通過一種清晰定義的步驟來解決問題的方法，而不是一種學生只要按部就班地執行一些操作就能夠解決同類問題的單一的解決方法。

（2）評估（EV）

評估是分析所選用的算法方案是否能夠達到預期的目標。在這個評估的過程中，多種算法方案都會被納入，評估它們是否準確、快速、節約成本、使用方便、能夠積累經驗。沒有哪種解決方法可以適用于所有的問題，因此，這個權衡評估的過程必不可少。而在評估的過程中，尤其注重對計算思維細節的考量。

（3）分解（DE）

分解是一種從部分的角度來考慮問題、算法、加工、過程和系統的方法。經過分解后，這些零散的部分才能夠分別被理解、解決、開發和評估。分解能夠將復雜的問題簡單化，也能夠降低大型系統的設計難度。

（4）抽象（AB）

抽象是除分解以外的另一種將問題和系統簡化的思維方法。簡單來講，抽象就是忽略一些不必要的細節內容。這種能力就是能夠正確找到不必要的細節，并且能夠避免遺漏重要的部分，是一種能夠簡單地編寫復雜算法或者整體系統的方式，抽象的關鍵是能夠找到系統的、合適的抽象化產物。

（5）歸納（GE）

歸納是一種基于已有經驗解決新問題的快速方法。可以采用一種能夠解決特定問題的算法，并把它運用于解決一系列相似問題中，由此就可以將這種通解方式運用于新的問題解決中。

總的來說，以上五種解決方法都可以運用于商業、學術、科學等領域的系統問題解決中。在實際運用的過程中，各種方法之間都是能夠相互融合而發揮作用的，使用這些核心概念方法的重點在于使用者的實用技巧以及思維方式。

2.計算思維課堂行為

明確了計算思維的核心概念之后，需要把抽象的核心概念與具體的課堂行為進行關聯，使之轉化為可執行的、可評價的課堂教學手段和方法（如表2）。

英國計算思維教育實施策略

英國中小學Computing課程中，研究者需要將Computing課程與計算思維的培養緊密聯系起來，讓學生通過課程學習，能夠使用計算思維的方法分析問題并解決問題。

1.計算思維課程培養模式

英國倫敦大學皇后瑪麗學院的保羅·柯曾（Paul Curzon）和英國計算機學會的邁克·道林（Mark Dorling）等制定了課堂計算思維培養框架。[5]他們將課堂的計算思維培養分為三個部分，分別是為什么、怎么做和做了什么，計算思維課堂培養模式如圖2所示。這三大部分同時又對應了五個課堂教學步驟。

步驟1：確定進行某項研究或者項目的原因，并根據計算思維學習進程表，選擇合適的研究主題。

步驟2：根據計算思維學習進程表，確立預期學生能夠達到的學習成果。

步驟3：根據計算思維學習進程圖中的計算思維發展階段，確立在教學活動中可能運用的計算思維核心概念。

步驟4：將計算思維的核心概念整合到課堂教學活動中。

步驟5：將學生的學習成果與計算思維學習進程表相對應，評定學生所達到的計算思維層級。

在整個學習活動中，步驟2～4是一個循環結構。將學習內容中分解出的各個部分內容都通過計算思維進行思考。在計算思維課堂培養模式中，如何將計算思維的核心概念整合到教學活動中（步驟4），是整個計算思維課堂培養的核心。學生的課堂活動成果可以通過計算思維學習進程表直接反映出學生所發展到的計算思維程度。計算思維課堂培養模式提供了一種深入理解計算思維的方式，以及解決了計算思維和課堂內容脫節的難題。它不僅可以幫助教師進行計算思維培養的課程計劃，還可以評價學生的計算思維發展水平。這就是在計算思維課堂培養模式的起始，需要考慮進行某項研究的原因（為什么）；通過課堂問題活動（怎么做），學生獲得了利用計算思維來解決問題的能力；再根據學生具體的課程表現，來評價學生所達到的計算思維層級（做了什么）。

2.計算思維的過程性評價探索

邁克·道林（Mark Dorling）在提出了計算思維課程培養模式之后，對課堂上計算思維的評價方式進一步研究，他認為可以從三個方面根據學生創作的作品來對其計算思維的程度進行評價[6] ：①判斷所產出的作品是否與預期的學習目標（為什么）相符。②對學生產出的作品（做了什么）進行考量，并與單元學習目標進行比較。③學生通過對自己作品的解釋論述證明其在創作作品的過程中運用了實用性技能（怎么做）和計算思維能力（怎么做），并理解獲得了相關知識。

道林認為除總結性評價之外，在課堂時間充裕的情況下，使用過程性評價對評價學生計算思維養成水平是具有重要意義的，教師可以通過觀察以及與學生討論他是如何思考問題的，來對學生的計算思維水平進行評估。學生回答問題的方式展示了他們如何運用計算思維來解決特定問題的過程。如今，迫切需要建立一種對學生如何把計算思維運用到課堂活動中的整體性評估。道林認為可以將學生利用計算思維解決問題的活動通過作品的方式記錄下來，通過對一定量作品的分析，來提煉出某位學生的思維弱點。這種對學生計算思維能力的整體性評估使得過程性評價可以更有效地預測學生的計算思維弱點，如抽象，從而更有針對性地訓練，以提高學生的計算思維能力（如圖3）。

3.計算思維課堂學習探索模式

朱莉亞·布里格斯（Julia Briggs）是一名教育技術指導教師，經過長期對Computing課程的研究，她提出了“計算思維課堂培養探索策略”。[7]

培養計算思維的核心要素是探索、獨立學習和合作學習。首先，學習者需要通過花時間探索在Computing課程中所學的軟件或者機器人來增強自己的學習自信心，他們還需要有計劃的學習來幫助他們進行獨立的選擇、獲取知識以及技能培養。教師提供的一些適當難度的挑戰能給學生分析錯誤、汲取經驗的機會。合作學習能夠增強學生在相互協作中發現自己和同伴相互支持的能力，在合作學習的過程中通過邏輯性的思考來解決問題，并在這個過程中加深對技術的理解（如圖4）。

當然，英國在中小學進行計算思維教育，不單單是在課程改革方面，還配備了相應的硬件資源，同時加強了教師培訓、教學考核等。英國的專家學者認為，計算思維是學生適應未來數字化社會必須具備的能力，他們正在積極地推進計算思維教育。我國目前也在試圖改變傳統信息技術課程偏重技能化的傾向，將傳統偏重信息技術使用技能課程轉向計算思維教育。但是，計算思維教育不僅僅是口號或者空洞概念，而應該是會走向如何落實，這就需要信息技術教育研究者和實踐者努力前行，共同打造出一個更加具有豐富內涵和價值的信息技術課程。

參考文獻：

[1]Consultation Report：Changing ict to computing in the national curriculum，[db/ol].[2013-08-15]https：//www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/193838/consultation_report_changing_ict_to_computing_in_the_national_curriculum.pdf.

[2]National curriculum in England computing Programmes fstudy，[db/ol].http：//www.gov.uk/government/publications/national-curriculum-in-england-computing-programmes-of-study.

[3]周以真，等.計算思維改變信息技術課程[J].中國信息技術教育，2013（6）：5-12.

[4]Developing Computational Thinking in the Classroom：a Framework，[DB/OL].[2014-06-15]http：//community.Computingatschool.org.uk/resources/2324.pdf.

[5]Dorling，M.&Walker，M.2014c.Computing Progression Pathways with Computational Thinking，[DB/OL].[2014-06-15].http：//community.computingatschool.org.uk/resources/2324.pdf.

[6]Dorling，M.&Walker，M.2014c.Computing Progression Pathways with Computational Thinking，[DB/OL].[2014-06-15].http：//community.computingatschool.org.uk/resources/2324.pdf.

[7]The Challenge and Guided Discovery，[DB/OL].http：//www.computingatschool.org.uk/newsletters/antumn 2015.pdf.