國外中小學生計算思維培養教與學的研究綜述

查飛琴 吳偉敏

摘要：本文旨在回顧國外K-12階段計算思維教與學內容的實證研究，并在此基礎上探討CT教育的未來研究前景。每篇論文主要考察以下幾個因素：參與者年級或者年齡、樣本組、教學策略、應用工具、編程語言、研究內容。研究結果表明：（1）計算思維的教學研究對象涉及K-12階段的各個年級，從幼兒園到高中，年齡在4-18歲之間，實驗對象主要集中在小學;（2）K-12階段的CT教學策略具有多元性和創新性，大多數教學設計采用兩種或兩種以上的教學策略輔助展開;（3）與編程設計相關的計算機語言依然是計算思維培養中重要的教學課程。總的來說，這15篇論文表明CT在K-12中顯示出巨大的教育潛力，具有一定的指導意義。鑒于此，我們展望了我國K-12教育未來的研究方向，提出相關發展建議。

關鍵詞：計算思維;教學活動;系統化分析;教與學

一、引言

計算思維是一種解決問題的方法，這種方法在整個K-12課程中廣泛適用，隨著CT的普及和相關性變得越來越明顯，在國外許多國家，州和機構正在將其納入課程，因此教師和學習者都應該了解這對他們的未來發展的影響以及它將來如何影響他們教學方式的多樣性。將CT整合到傳統的核心和選修科目領域可以幫助學生建立重要的跨課程聯系，提高他們的學習成績，并培養重要的技能，以便提高他們在實際生活中解決問題的能力。

2006年，周以真為了幫助人們更好地認識機器智能的不解之謎，首次提出了“計算思維”這個概念。周教授認為計算思維是每個人的基礎技能，不僅僅屬于計算機科學家。計算思維是運用計算基礎的基礎概念去求解問題、系統設計以及理解人類的行為[1]。這一概念的提出引起國際教育學者的廣泛關注，同時也引發了國內外學者對信息技術課程的反思與改革。2013 年 12 月 11 日，美國非盈利性組織為配合國家計算機科學教育周發起了“編程一小時”倡議和活動，旨在通過采用趣味教學的方式讓中小學生了解基本的計算機程序編寫，并從小培養孩子們對計算機的興趣[2]。2014年，在英國重啟了計算機科學的復興中，引進新課程，實施了一套完整的“計算思維課程”，包括計算機科學、信息技術和所有學科的數字文學[3]，以此來培養學生的計算思維技能。在我國，教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會、中國計算機學會等組織較早對計算思維的概念、定位、目標與培養等方面展開了較為深入地探討，先后舉辦了一系列與計算思維密切相關的會議。2010年，國內首屆“九校聯盟計算機基礎課程研討會”（C9會議）發表了聯合聲明，把培養學生的“計算思維”能力作為計算機基礎教學的一項重要的，長期的和復雜的核心任務[4]。2012年，教育部教高司函{2012}188號文件正式公布，批準“以計算思維為導向的大學計算機基礎課程研究”等 22個大學計算機課程改革項目，以培養計算思維為重點，推動大學計算機課程改革[5]。針對中小學的計算思維的培養與訓練要求與準則，在2017年新版《普通高中信息技術課程標準》中，進一步明確表示：信息技術學科核心素養由信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任四個核心要素組成[6]。由此可見，計算思維能力的培養日益受到重視。越來越多的國家已經正式或正在實施將計算思維納入學校的課程體系之中，計算思維的課程設置也從大學逐步轉到k-12階段。

本論文圍繞“如何培養K-12階段孩子們的計算思維”、“怎樣把計算思維融入到其他學科中”、“計算思維與編程、程序設計的關系”等問題對目前國外學校如何展開計算思維的教與學進行描述與總結。希望通過總結國外K-12培養計算思維的教學方式和應用實踐來為我國的計算科學發展提供一定的借鑒意義，指導我國的教育工作者、教師、研究者更好的展開中小學生有關計算思維訓練與培養。

二、研究設計與方法

（一）納入納出標準

相較于已有再分析，本研究在篩選文獻時不限年級、學科，不對具體教學軟件或硬件進行區分。具體來說，本研究文獻納入的標準為：（1）須為關于計算思維怎樣展開教與學的研究，即教學過程中涉及到教學方法、教學工具、策略、應用課程等;（2）研究對象為中小學生以及幼兒，大學生和成人不予考慮;（3）文獻必須是實證類論文，綜述類論文不納入考慮;（4）2019年之前正式發表的研究。

（二）文獻檢索與篩選

本文選取在Web of Science的SSCI上搜索核心期刊中關于“Computational thinking”的相關文章。期刊源定位為“Computers&Education”、“Computer in Human Behavior”和“Journal of Educational Computing Research”三種代表性的期刊。檢索日期為2006年到2018年。共檢索出38篇文獻。通過瀏覽38篇文獻的標題和摘要后，排除與研究主題無關的15篇文獻，剩余15篇文獻。因此，本研究總計納入15篇文獻。

（三）文獻編碼和效應量的提取

本研究編碼項分為三類本研究編碼項分為三類：（1）描述性變量，主要包含第一作者和第一作者所在國家、發表期刊名稱、以及發表年份;（2）研究問題項，即對該篇論文的研究問題進行提煉和總結;（3）教學情境項，主要包含年級或年齡、樣本量大小、主題或科目、教學策略、教學時常、學習媒體或教學工具、編程語言、學習情境：正式教學還是非正式教學;（4）研究方法項，主要包括研究設計方法、數據收集方法、數據分析方法;（5）學習結果項，主要包含學習結果和學習評價方法。

三、研究結果的數量統計分析

（一）參與者的基本信息

在本次研究種，我們從樣本組、年級或年級、以CT教學過程中采用的教學工具、編程語言、教學策略等方面對15篇論文進行了分析。結果顯示，在15篇論文中，所有論文都描述了參與者的年級或年齡。總的來說，計算思維已經被廣泛的普及到教育領域，研究對象涉及K-12階段的各個年級，從幼兒園到高中，年齡在4-18歲之間，最小的參與者為4歲（Marina Umaschi Bers，2014[7]）。統計結果中我們可以看出大多數的實驗對象為小學生，論文篇幅達到11篇。在選取的15篇文論中，有13論文沒有記錄參與者的數量，在樣本頻率方面表格 2，最大的群體是五年級，125人（Chen，Guanhua，2017[8]），4篇論文招募的參與者少于50人，而200人以上的論文只有2篇。這說明在計算思維的教育研究中參與者的樣本量并不大。比較值得注意的是，Snodgrass，Melinda R（2016）[9]他的樣本容量只有2人，主要是研究如何為特殊兒童包括殘疾人廣大學習者提供包含計算機教學和計算思維培養的教學支持。由此可見，學者們的研究群體朝著更加合理化和完整性的方向發展，不僅僅只是考慮K-12階段的正常兒童。

（二）所采用的教學策略分布情況

為了解在CT的教學活動中，教師采用何種教學策略來引導學生理解計算思維，我們又對15篇論文的教學策略進行歸類，教學策略的分類標準引用Ting-Chia Hsu（2018）[10]論文中總結的16種教學策略，以此來確保數據分類的可靠性。在選取的15篇論文，有四篇論文的教學策略不能確定，因此用“其他”來代替，不納入數據分析范圍。分析結果圖1顯示，教學策略的種類達到九種。其中，基于項目的教學、以學生為中心的教學和我基于游戲的教學是在日常研究實驗中最為常見的三種教學策略，有六篇論文在教學實踐中采用兩種或兩種以上的教學策略相互配合，以此我們可以得出，作為傳統教學方法“基于項目的教學”和“以學生為重的教學”在計算思維的培養與貫徹中依然受用，不受學習內容的影響。而“以游戲為中心的教學”將編程學習與游戲相結合，既能吸引學生的注意力也能便于學生理解計算思維，將抽象概念形式化。另外，值得注意的是，如“人機交互教學”、“基于故事的學習”等適用于專門課程的教學策略也被引入到k-12階段的CT教學中，由此我們可以推測，隨著研究者們的不斷努力，越來越多的教學策略嘗試到計算思維培養計劃中，以此來開發出更多能幫助學習者學習的教學策略，體現了k-12階段的CT教學設計的多元性和創新性。

（三）所教授的編程語言以及應用課程分布情況

在傳統的教學觀念中，許多教育家認為，編程語言是教授CT最簡單、最合適的方法，不可否認的是計算思維是可以通過編程活動來培養（Lye&Koh，2014）[11]，但通過整理15篇文獻的應用課程我們可以得出通過這種刻板的觀點已經不完全正確了。事實上，CT思維已經廣泛用于不同學科，包括數學（Benakli，Kostadinov，Satyanarayana，&Singh，2017[12]）、生物學（Rubinstein&Chor，2014[13]）、計算機科學（Repenning，2012[14]）。

在統計的文獻中，12篇論文都記錄了應用課程，其余三篇沒有描述相關課程，因此不計入數據統計范圍。從實驗結果圖2所示，與編程設計相關的語言依然是計算思維培養中重要的教學課程。值得關注的是，編程語言的模式不僅僅局限在腳本語言，我們對論文中涉及的編程語言進行整理Scratch、App Inventor等基于組塊的編程環境的使用頻率大于傳統的腳本語言，這種基于組塊的編程環境可以支持年輕學習者在編程活動中培養CT，使他們能夠在學習過程中通過拖放塊來更多地關注問題解決過程。由此我們可知，編程課程也在不斷的更新、改革，試圖突破傳統的編程語言的枯燥、冗長，結合學生的興趣與特點，個性化的開發具有游戲趣味的可視化編程課程。

四、總結與建議

本研究采用系統化綜述的方法，對K-12階段的CT實證研究論文進行回顧分析和討論。本研究的目的為近十年國外是怎么樣展開思維的教學與培養，包含使用何種教學工具、與哪些學科交叉融合、采用的教學策略又有哪些、以及相應的課程形式。統計分析結果表明計算思維活動主要用于藝術、計算機科學、數學、機器人設計等課程，因此我們可以得出到在國外，計算思維相關的培養與教學已經一種基于基本課程的方式整合到不同主題中。這與周義真提出的概念也想呼應。在過去十年研究者學者提到了兒童學習計算思維的好處，也嘗試了基于計算機輔助下的各種學習策略和教學應用，包括可視化編程（如Scratch、Alice）、教育機器人以及低成本編碼設備（如code.org網站）。未來的研究應該嘗試引入不同的學習策略，包括腳手架式學習策略、講故事學習、審美體驗等，以多種方式幫助學習者在學科發展或高層次能力培養方面，如批判性思維和解決問題能力的培養。

綜合以上的分析結果，對今后我國的計算思維發展提出以下建議：（1）在課程設置方面體現出遷移性。在我國，計算思維培養主要依賴信息技術課程，很少關注跨學科的應用。因此對原有的信息技術課程內容需要進行合理的調整，是替代已有的課程還是開設全新的課程是未來教育學者需要考察的問題。（2）擴大計算思維的培養對象的范圍。根據研究結果顯示，四歲的兒童就可以學習基本的編碼技能，而在我國計算思維教學大多數在初中和高中的課程中展開，這在一定程度上忽略了年齡的優勢。如Kong，Siu-Cheung（2018）[15]的研究表明，低年級學生比高年級學生更能感受到編程的意義。因此，學前兒童的計算機科學態度的培養也至關重要，逐步培養兒童一種看待和處理問題的態度[16]。此外，特殊兒童的計算思維訓練也是不可忽視的教學活動，根據神經科學家們的研究表明，雖然特殊兒童在肢體協調、腦部活動上低于常人，但是不代表他們被剝奪了學習權力。相反由于某些方面的缺失，特殊兒童大腦活躍區域也異于常人，學習特質也會表現出某方面的突出。因此，在計算思維的教學活動中需要更多的關注殘障及兒童的培養，開展他們的潛在機能，給予他們平等的受教育的權利。（3）建立合理的評價指標。在我國最新發出的2017新版《普通高中信息技術課程標準》[17]中就提出了將計算思維分為四個等級并對每個等級下的計算思維素養提出指標。計算思維作為一種抽象化的概念，它的評價不僅要觀察學習者外顯行為的變化，也要關注內顯意識的轉變，這涉及到知識、態度和技能各個方面。在未來的評價體系中，評價者需要根據學生學習過程的表現，將其放在不同維度的指標上，考慮體在不同的學習情境中的反應，盡可能以全面的角度去展現學生在學習過程中的發展情況和細節表現，從而能夠真實而有效的反應學生的計算思維水平。

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基金：本文受南京郵電大學教改項目“STEP工程模式理念下的專業實踐教學改革研究——以數字媒體技術專業為例”資助（項目編號：JG01718JX47）