計算機教育的科學研究和展望

張 銘

（北京大學信息科學技術學院，北京100871）

張 銘

0 引言

隨著信息產業的蓬勃發展，勞動力市場對計算機人才的需求越來越大。美國白宮的報告預測2020年計算機科學人才的缺口將達到140萬名，而相應的計算機科學專業畢業生只有40萬人。2016年1月，美國政府推出“全民計算機科學行動計劃”（ComputerScienceforAll Initiative），斥資40億美元普及計算機科學教育，尤其重視推動青少年編程教育，包括培訓教師、研發教材和教學資源、舉辦競賽等。

在美國的刺激下，英國、法國、芬蘭等國家相繼出臺政策，推動計算機教育。英國就業和技能委員會（UKCES）發布的最新報告顯示，未來十年，計算機人才將成為英國經濟增長的重要推動力。

2017年初，國家教育部、人力資源社會保障部、工業和信息化部聯合印發《制造業人才發展規劃指南》，預測到2025年，新一代信息技術產業領域和電力裝備領域的人才缺口將超過900萬人。

20 16年印發的《國家信息化發展戰略綱要》

指出，以信息化驅動現代化，建設網絡強國，是落實“四個全面”戰略布局的重要舉措，是實現“兩個一百年”奮斗目標和中華民族偉大復興中國夢的必然選擇。沒有信息化就沒有現代化，信息化的核心要素是信息技術人才，特別是創新和拔尖人才。

計算機教育關系到國家未來科技競爭力的問題，關于計算機教育的科學研究迫在眉睫。國家自然科學基金委經過廣泛調研，確立了支持教育創新的基本設想，即通過自然科學基金項目資助部署，廣泛吸引不同領域的科學家開展多學科交叉的基礎研究，來解決教育創新發展中亟待解決的科學問題，更好地運用自然科學研究成果來重構教與學的體系，更好地促進教育科學研究領域人文社會科學與自然科學的交叉融合，顯著推動我國教育改革發展和創新人才培養，為辦好中國特色、世界水平、人民滿意的現代教育提供科學支撐?；鹞呀涢_始全面啟動支持教育科學基礎研究的相關工作，目前已經確立了F0701教育信息科學與技術二級代碼。

1 NSF計算機教育項目簡介

美國國家科學基金會（NSF）是美國獨立的聯邦機構，任務是通過對基礎研究計劃的資助改進科學教育，用發展科學信息、增進國際科學合作等辦法促進美國科學的發展。NSF在主頁上凸顯3個目標“推進科學、資金和支持、激勵和教育（AdvancingtheScience,Fundingamp;Support，Inspiringamp;Education）。NSF資助項目包括生物科學，計算機及信息科學，工程科學，地質科學，數理科學，社會、行為及經濟科學，教育及人力資源科學等方面。NSF以基金項目合同和合作協議等形式對美國的2000多所大學、學院及12年制中小學、非正規科學教育機構等進行資助，在聯邦政府對基礎研究的投入份額中約占1/4。美國國家科學基金會每年受理約4萬項申請，其中約1萬項被批準。機構成立50年以來，受其資助的科學家中有100多位諾貝爾獎獲得者。

1.1 美國NSF支持的計算機教育項目群

NSF的計算機教育研究項目資助主要針對教育及人力資源科學（EHR）和計算機及信息科學（CISE）。計算機教育研究項目大部分來自于EHR，面向本科、研究生、職業教育以及教育科學研究，每年大約有10多個金額大于一百萬美元的大項目以及若干中小項目。另外一部分來自CISE，資助了一些著名的專題項目，例如振興本科計算機教育計劃（CPATH）、面向21世紀的計算教育項目（STEM-CP:CE21），還有科學、技術、工程和數學與計算結合項目（STEM+C）。

CPATH計劃啟動于2007年，當年投入600萬美元，2008年投入500萬美元，2009年投1000萬美元，其目標是以建設高校計算機教育為主，通過計算機核心課程的學習，提高學生的計算思維能力，使其在勞動力市場上具備更強的競爭力，并尋找相關的計算思維教學模式。CAPTH項目鼓勵將計算機技術的核心概念、方法、技術和工具集成到新模式本科教育中，同時鼓勵探索從高等教育機構擴展到K-12環境的新模式，特別鼓勵K-12教師和學生通過項目無縫過渡到以計算機技術為重點的本科課程。經過2007年、2008年的資助和項目實踐，CPATH認識到“計算思維”在計劃中所起的獨特的重要作用，因此，對2009年以后申報的項目提出了更為具體的以“計算思維”為核心的要求。

美國政府STEM計劃是一項鼓勵學生主修科學、技術、工程和數學（STEM）領域的計劃，并不斷加大對科學、技術、工程和數學教育的投入，培養學生的科技理工素養。在STEM基礎上，STEM-CP項目希望將計算思維/計算機科學概念引入教育中，以實現計算機教育的普及，建設計算學科的教育資源，如計算機老師、高校課程體系等。STEM+C則主要關注兩個方面：在其他STEM的學科中結合計算思維進行教育以及研究計算機教育如何在中小學中普及。

1.2 計算機教育研究專家案例

來自佐治亞理工學院的MarkGuzdial教授從2002年至今申請了20余項總計超過一千萬美元的計算機教育基金，是知名的計算機教育權威人士，表1列舉了他主持的幾個代表性項目。

美國NSF也充分調動了一些教學型高校教師的科研潛力。來自加州州立大學圣馬可斯分校的歐陽幼文教授致力于計算機教育研究，涉及大學本科教育和中小學計算思維教育領域，先后獲得7個美國自然科學基金會項目資助，總額超過六百萬美元。歐陽教授目前主持表2所示的計算機教育方面的3項NSF在研課題。

1.3 近兩年美國NSF資助的計算機教育項目

2016年初，響應奧巴馬政府的“全民計算機科學行動計劃”，美國NSF教育研究部門增加計算機教育研究項目經費，設立了12億美元的專項基金。

表1 MarkGuzdial教授計算機教育基金項目示例

表2 歐陽幼文教授主持的計算機教育方面NSF在研課題

在CPATH、STEM-CP以及STEM+C這些著名項目的基礎上，NSF教育項目資助類型也變得更為多樣，概括起來，主要包括以下幾類。

（1）面向中學生的計算機科學原理。例如，為全美最大的學校系統提供嚴謹的計算機科學原理課程（BringingaRigorousComputer SciencePrinciplesCoursetotheLargestSchool SystemintheUnitedStates），項目主持人E.Paul Goldenberg，美國教育發展中心（Education DevelopmentCenter），在研時間2015.01-2018.12，項目經費$7,874,876，獲得紐約市政府一千多萬美元的配套支持。

（2）培養其他行業學生和教師的計算思維。例如，物理學與計算機編程協同學習的計算模型和問題求解研究與評估（Researchand AssessmentonSynergisticLearningofPhysicsand ProgrammingthroughComputationalModelingand ProblemSolving），項目主持人GautamBiswas，范德堡大學，在研時間2016.09—2019.08，項目經費$2,499,682。

（3）改變計算機教學方式（和企業合作，配對學習）。例如，加強計算機教育的批判推理（EnhancingCriticalReasoninginComputer Education），項目主持人JohnEtienne，佛羅里達州帕拉特卡的學院，在研時間2016.07—2019.06，項目經費$196,367。

（4）改變計算機教學環境（游戲中學習，遠程虛擬環境授課，虛擬現實環境）。其中兩個典型的項目有：采用基于游戲的課程策略將計算思維引入中學（ENGAGE:AGame-basedCurricular StrategyforInfusingComputationalThinkinginto MiddleSchoolScience），主持人JamesLester，北卡羅來納州立大學，在研時間2016.08—2019.07，項目經費$2,498,862；虛擬現實系統中的網絡安全教育研究（Exploringcybersecurityandforensics ofVirtualRealitysystemsandtheirimpacton cybersecurityeducation），主持人IbrahimBaggili，紐黑文大學，在研時間2017.09—2019.08，項目經費$179,409.00。

（5）大數據背景下的教育數據挖掘分析。例如，數據驅動背景下教育的巨大挑戰（GrandChallenges forData-DrivenEducation），主持人IvonArroyo，伍斯特理工學院，在研時間2016.09—2019.08，項目經費$514,931。

（6）青少年、女性和弱勢群體的計算機教育。兩個典型的項目如下：通過故事引導農村和印第安學生學習計算機（Improvingthe PipelineforRuralandAmericanIndianStudents EnteringComputerScienceViaStorytelling），主持人BrittanyFasy，蒙大拿州立大學，在研時間2017.08—2020.07，項目經費$363,238；利用多媒體教學讓女孩參與計算機學習（Code:SciGirls!MediatoEngageGirlsinComputingPathways），主持人RitaKarl，TwinCitiesPBS，在研時間2017.09—2020.08，項目經費$2,630,535。

2 我國計算機教育研究面臨的問題

20世紀90年代開始，電子信息產業增速就超前于國民經濟發展，拉動國民經濟發展，成為國民經濟基礎性、先導性、戰略性、支柱性產業，是中國搶占國際經濟制高點的重要引擎。中國電子信息產業規模由1989年的全球第九位上升至2011年的全球第二位，僅次于美國，已進入電子信息產品制造大國行列。

習近平主席最近指出，人才是創新的根基，是創新的核心要素。培養人才，根本是要依靠教育。教育就是要培養中國特色社會主義事業的建設者和接班人，而不是旁觀者和反對派。當前，中國作出了加快建設世界一流大學和一流學科的戰略決策，提高高等教育發展水平，增強國家核心競爭力。

相比于發達國家，我國計算機教育起步較晚，而且對教育科學研究的項目和資金投入嚴重不足。發現中國計算機教育中存在的問題，采用有效的科學方法來研究和解決這些問題，值得廣大教育科研人員關注。

2.1 中小學計算機教育基礎薄弱，缺乏頂層設計

我國信息技術教育的發展存在明顯的短板，基礎教育階段信息技術課程的地位遠遠不能與語、數、外等基礎學科相比，無法形成與高等教育階段的有效銜接。

雖然我國大部分地區的中小學將信息技術課程設立為必修課程，但是目前國內計算機基礎教育的水平與“利用信息科技知識與技能解決問題”的課標要求還存在較大的差距。中小學信息技術課本中大多以教學生使用計算機為目的，教材內容滯后，沒有鍛煉學生的計算思維。因為信息技術不是高考科目，不受學校和家長的重視，信息技術課程的上課時間被嚴重侵占，不少信息學教師淪為維修電腦和網絡的“勤雜工”。同時，對于中小學生的計算機教育，教師以灌輸知識為主，習題為輔，學生缺乏對知識的深入理解和應用，課程與課程之間缺乏銜接并且存在大量重復的知識。隨著知識的不斷堆砌，由缺乏系統知識體系產生的混亂，往往使學生僅僅為了應付考試而停留于知識記憶階段。

愛沙尼亞、英國、芬蘭都把編程作為小學必修課，江蘇省最近也把編程納入了小學必修課程。目前，浙江省2017年高考的7門選考中的技術考卷分為信息技術和通用技術，各占50分，信息技術的內容主要為多媒體應用和算法與程序設計。這些先進省份的教育部門前瞻性的政策行為，為培養未來的信息技術人才奠定了基礎。為了更多、更快、更好地培養適應時代要求的信息技術人才，在高等教育與基礎教育階段協同推進領域，有很多值得深入研究的課題。

2.2 大學計算機課程體系和人才培養模式需要研究和改進

在高等教育方面，較之國外的教學觀念、教學內容和教學方式，國內一些高校的計算機教育仍然處于滯后、呆板的狀態。與大多數學科一樣，國內不少高校計算機教育理念主要以基礎教育為主，讓學生掌握基本的知識概念和應用技能，而一些前沿的應用技術則是一筆帶過。雖然基礎教育能夠幫助學生在未來更好更快地理解這些高級應用技術，但這也不可避免地產生了與業界前沿技術脫節的問題。另外，信息時代的技術更新非常快，其包含的內容越來越廣泛，而高校的課程體系相對滯后，這使得學生學習的是一些陳舊甚至過時的內容，對學生未來的職業發展產生了不必要的轉換代價。

《華盛頓協議》倡導以學生為中心、產出導向、持續改進三大教育理念，強調培養本科學生解決復雜工程問題（ComplexProblem）的能力。ACM/IEEE的CS2013以知識體框架來描述課程體系的方式，CE2016使用學習成效（Learning Outcome）來描述每個知識單元，IT2017采用勝任力模型（Competency）強調對能力的培養。中國的計算機教育專家也需要持續地研究計算機學科的知識框架和能力培養模型，包括前沿理論技術基礎、工程實踐能力、學科交叉能力、創新能力、溝通協調能力等，使我們培養的學生在未來具備足夠的國際競爭力。

由于互聯網在線教育的興起，學生獲取知識的途徑越來越多，在傳統課堂上參與度有所下降。利用計算機技術，例如SPOC翻轉課堂教學模式，運用提高學生的課程參與度和學習效果的多媒體教育輔助軟件，提升學生學習的自主性和自信心的協同學習，學習過程的自動評測和干預，個性化學習推薦和指導等，可以幫助教師重構教學體系和教學模式，提升學生的學習興趣和學習效果。

3 基金委資助教育信息科學與技術解讀

改革開放以來，隨著中國經濟的迅猛發展，國家在基礎研究、高科技領域有非常強的政策和經費支持。中國基礎研究近年來取得了顯著進步，例如美國白宮發布的報告顯示，從2014年開始，在深度學習領域，從論文發表數量和被引用次數兩個標準看，中國均已超過美國。2017年美國人工智能協會（AAAI）年會上，中美兩國論文在數量上旗鼓相當。

但是，計算機教育的頂級會議SIGCSE每年參會的代表以及論文成果以美國本土的計算機教育工作者為主體，這是因為美國高度重視計算機教育研究和人才培養。相比于計算機專業其他方向的SIG系列會議（多數SIG系列都被列為CCFA類論文），SIGCSE上罕見來自中國大陸的論文，這反映了我國在計算機教育研究項目和經費投入的嚴重不足。

經過基金委與教育部共同研究，就推進教育科學基礎研究進行了深入討論，國家自然科學基金“十三五”發展規劃提出“鼓勵自然科學與人文社會科學交叉，探索支持教育科學研究”，增設了F07交叉學科中的信息科學目錄，初步確立了F0701教育信息科學與技術二級代碼。F0701目前設置了10個三級目錄：

·F070101教育信息科學基礎理論與方法

·F070102在線與移動交互學習環境構建

·F070103虛擬與增強現實學習環境

·F070104教學知識可視化

·F070105教育認知工具

·F070106教育機器人

·F070107教育智能體

·F070108教育大數據分析與應用

·F070109學習分析與評測

·F070110自適應個性化輔助學習

從F07目錄中可以看出，與信息科學交叉結合后的教育將從教學環境、教育理念、教育方式上發生巨大的變化。未來的教育期望從規模化教育向規?；瘋€性教育轉變，教育規律研究也隨之從經驗主義向科學主義轉變，而教育本身將從知識位中心向學習者位中心轉變。F07目錄的設立，對計算機和信息類人才的培養具有非常重要的意義，能廣泛激發計算機教育一線教師的科研潛力，對于信息學人才培養具有重要的意義。

4 計算機教育研究展望

信息科技的迅猛發展產生了教育變革的根本性動力。通過自然科學基金項目資助部署，可以廣泛吸引不同領域的科學家開展多學科交叉的基礎研究來解決教育創新發展中亟待解決的科學問題，更好地運用自然科學研究成果來重構教與學體系，更好地促進教育科學研究領域人文社會科學與自然科學的交叉融合，顯著推動我國教育改革發展和創新人才培養。

新增設的F070101教育信息科學基礎理論與方法、F070105教育認知工具、070108教育大數據分析與應用、F070109學習分析與評測和F070110自適應個性化輔助學這5個三級目錄較好地凝煉出了教育信息科學學科的基礎問題。其他幾個目錄則偏重教育技術的相關問題，或者說是其他領域的理論和技術在教育方面的應用。從計算機教育科學研究的角度來看，主要涉及計算機教育自身的規律和方法研究、計算機科學思想的普及教育以及計算機輔助教育的原理與技術研究3個方面，表3是筆者建議的計算機教育研究相關內容。

表3 計算機教育研究方法

科學技術已然成為教育變革的內生動力。科技已經極大改變了教育，也必將持續沖擊未來教育。作為新工科背景下的重要科技力量，計算機教育任重而道遠。