2019年《CSTA K-12年級計算機科學標準》的內容變化研究

摘 要：隨著信息技術與互聯網的迅猛發展，計算機以及計算的概念、工具和方法的應用逐漸深入人們的工作、生活和學習的各個方面，對于計算機及其相關技術的掌握一定程度上決定了人們工作和生活的質量與效率，計算思維的重要程度逐步提升。文章主要分析2019年《CSTA K-12年級計算機科學標準》內容特點以及2019年與2016年《CSTA K-12年級計算機科學標準》內容的變化。

關鍵詞：計算機科學標準;計算思維;K-12

0 引言

隨著數字與信息技術的快速發展及其技術成果的應用，計算的概念和方法等深入人們的工作生活，而人們對計算的理解與掌握影響著學習、工作和生活的質量效率。計算機科學的重要性與地位逐日提高，美國計算機科學教師協會（CSTA）標準修訂工作組于2016、2017和2019年發布《CSTA K-12年級計算機科學標準》，提出計算機科學教育的具體內容，其中包括5個核心概念和7個核心實踐內容，明確計算機科學這門學科應該掌握的知識與技能，培養學生的計算思維與數字信息素養。

1 計算機科學標準提出的背景

現代科學的形成與發展不斷改變著人們的生活方式，同樣漸漸轉變著人們的認知結構與思維特征，利用計算機等數字工具拓展人類思維、處理問題事務成了信息時代“數字移民”日常工作和生活中不可或缺的一部分，更是伴隨數字技術成長起來的“數字土著”最習慣的生存方式[1]。隨著社會信息化與數字化程度不斷加深，計算機在社會各個方面得到廣泛應用，計算思維與信息技術的作用越來越突出。

計算思維是計算機科學實踐的核心，是21世紀數字公民的一項基本素養[2]。計算思維關注利用計算機科學解決問題的能力，這種能力既表現為“結構分解、實體抽象、模型建設”等應用特征，也包括“明確問題、設計方案、實施反饋、修訂完善”等一般性解決問題方法[3]。計算思維要求運用計算機等計算設備對問題進行分析處理，形成能夠用計算機編輯與呈現的方式表述問題的解決方案與過程。發展計算思維的最有效的方法是學習計算機科學，它們是內在聯通的[4]。

2011年為了促進公眾對計算機科學這一專業領域的理解，使計算機科學和K-12年級教育的其他學科保持同樣的進度，美國計算機科學教師協會（CSTA）公布了《CSTA K-12年級計算機科學標準》，這一文件為K-12學段的計算機科學教育提供了綜合全面的標準，從計算思維、合作、計算實踐與編程、計算與通信設備以及對社區、全球與倫理的影響這5條主線分別論述了計算機科學教育的主要內容[5]。此標準為學生提出學習計算機科學課程的具體要求以及在每個階段結束前應該掌握的知識內容與技能，培養計算思維。

2 《CSTA K-12計算機科學標準》的內容特點

《CSTA K-12計算機科學標準》通過“計算機系統、網絡與互聯網、數據與分析、算法與編程、計算機的影響”5個核心概念明確了學生所需學習的計算機科學知識，提出在學生掌握計算機科學相關知識后實現核心概念的具體實踐，包括“形成包容性的計算文化、圍繞計算機展開合作、確認并定義計算問題、發展與應用抽象、創造計算機作品、測試并改進計算機作品、關于計算機的交流”7個核心實踐。同時學生應了解什么是恰當的網絡行為，理解計算機對人際交流的重要意義[6]。

2.1 對知識產權的重視

各個年級的標準細則都強調對知識產權的尊重。計算機科學標準的實踐內容包括創造計算機作品，在培養學生創造能力的同時更注重培養學生的信息素養與道德。標準在各個年級都要求學生在使用別人的想法和作品時要標明引用出處，不得未經允許擅自使用他人的創作成果和貢獻。隨著年級的升高標準對知識產權與出處引用的要求更加具體與詳細。

2.2 培養學生分解問題的能力

分解較大復雜問題的能力體現學生計算思維的發展，學生在實際學習過程中會面對各種待解決的問題，許多問題不是以簡單的形式存在的，常常需要較多時間分析和處理。將難以解決的大型復雜問題分解成一個個簡單、易于管理和分析的部分問題逐一解決，訓練學生為各個部分的問題提供解決方案，既能提高效率，又能培養學生的組織與邏輯思維能力。

2.3 培養學生的術語描述能力

任何學科都有其特定的術語，由于計算機應用的廣泛性，學生對計算機及其相關技術并不陌生，但學習計算機科學這門學科，則需要使用專業術語對使用的設備、使用過程中作出的決策和想法等內容進行描述和表達，有利于理解和描述。

2.4 注重培養學生編程能力

在計算機科學學科的5個核心概念中，算法與編程概念下的標準條目是最多的。編程是操作計算機的重要方式之一，學生學習編程、設計算法、建模與模擬、開發與完善程序，將問題和解決方案通過計算機能夠理解和表達的方式直觀展現，體現了學生對計算思維的掌握與應用。學生學習編程的相關知識并通過獨立或協作的方式設計開發程序，完成特定學習任務。值得注意的是學生學習編程是一種手段，目的是在編程的實踐過程中發展計算思維，培養組織能力、邏輯思維以及獨立思考解決問題的能力。

2.5 培養學生網絡安全意識

存儲在計算機設備上的信息可能涉及私密性和重要性的問題，網絡將分布在不同位置的計算機設備連接起來，促進了全球范圍內的交流與合作，但同時也增加了信息泄漏等風險。網絡上的病毒與惡意攻擊隨處可見，學生需要識別網絡世界中的潛在威脅，建立信息及隱私的保護意識，學習各種信息安全措施保護設備和信息免遭未授權的訪問與病毒的侵襲，學會像在現實中保護財產安全一樣的保護信息安全的方法。

3 2019年相比2016年《CSTA K-12年級計算機科學標準》的變化

從數量上說，如表1、表2所示，2019年《CSTA K-12年級計算機科學標準》（以下簡稱“2019年標準”）的總條目及其各概念條目在各年級所占的數量較2016年《CSTA K-12年級計算機科學標準》（以下簡稱“2016年標準”）條目有著減少的趨勢，標準中的5大概念分別用其英文首字母表示：計算機系統（C）、網絡與互聯網（N）、數據與分析（D）、算法與編程（A）、計算機的影響（I）。

從內容上說，如表3—4所示，2019年標準格式相對于2016年標準格式進行了調整，以兩年標準第一條內容為例，2019年標準新增了一列內容：“子概念”，將5個概念內容更加具體地分類，利于學生的分析和理解;將實踐內容加入具體標準條目，“實踐”下的內容為具體實踐的關鍵詞;在具體內容中對標準細節增加了解釋說明和列舉案例。

2016年標準對5個概念是按照算法與編程、計算機系統、數據與分析、計算機的影響、網絡與互聯網的順序來描述的，2019年標準的內容順序則是計算機系統、網絡與互聯網、數據與分析、算法與編程、計算機的影響。

2019年標準條目總體來說是在2016年標準條目基礎上進行了精簡與完善，兩個表格中總量和數據與分析概念中的條目數量變化較大，2019年標準相比2016年標準的變化主要從各年級階段各概念下要求內容的變化來分析。

3.1? 1A階段標準條目變化內容

在計算機系統概念下，由要求學生擁有選用軟件的能力發展為強調軟件使用的目的性以及在選擇的過程中所進行的需求思考。根據7個實踐的要求，學生在未來需要創造計算機作品，而作品是面向受眾的，這就要求學生在最初選用他人創造的作品時思考自己的需求和偏好，進而認識到考慮不同受眾的特點來創造作品的必要性，實踐由關于計算機的交流變為形成具有包容性的計算文化，讓學生在初步接觸計算機科學知識時考慮得更全面。

在網絡與互聯網概念下，由兩條內容縮減為一條內容，重點描述網絡安全內容，強調認識并使用密碼保護設備信息安全。

在數據與分析概念下，由將收集到的數據組織成圖表圖形的形式發展為多種可視化格式呈現數據，不只局限于圖表與圖形，而是要求學生使用多種格式呈現收集到的數據;由創建模型識別模式和元素改變為識別并描述模型，不要求學生在此階段學習中自己創造出模型，但要能夠識別各種可視化模型并且恰當地描述模型。

在算法與編程概念下，2019年標準內容未提及使用編程語言構建程序，只要求學生使用序列與簡單循環開發程序，編程語言對此階段學生來說過于復雜;內容不僅僅要求學生使用數字或其他符號表示數據以及構建算法，而是通過對其方法與過程進行建模，掌握運作的基本方法;不只要把大問題分解為小問題，還要對解決問題的步驟進行分解，并正確描述在程序開發過程中的決策。

在計算機的影響概念下，由一條文化方面內容增加為涵蓋文化、社會互動、安全法則與倫理道德的三條內容，計算機技術帶來的影響不僅僅存在于改變生活工作方式這一方面，人們在使用計算機技術時所應有的態度以及面臨的不同安全問題也因技術的發展而有所改變，在此階段要求學生對計算機的影響進行多方面多角度的認識。

3.2? 1B階段標準條目變化內容

在計算機系統概念下，由對計算機系統工作方法的建模發展為更具體的對計算機組件協同工作方法的建模，建模方向更加明確，實踐內容由關于計算機的交流新增為幫助學生發展與應用抽象。

在網絡與互聯網概念下，2016年標準要求學生掌握的密碼知識由1A階段的使用密碼發展到1B階段使用高強度密碼以及如何保護密碼，而2019年標準在1A階段已明確要求學生使用高強度密碼并且恰當應用，在1B階段則發展為探討網絡安全問題以及使用包括高強度密碼的其他幾種保護個人信息的方式，此階段的學生易于了解密碼的使用，并且應該盡早學習更多的網絡安全知識;實踐內容由關于計算機的交流新增為確認并定義計算問題。

在數據與分析概念下，由三條內容縮減為兩條，由創造作品、構建模型發展為強調學生對數據的呈現與使用，從而通過對數據的觀察與分析，達到提出并支持想法、表明關聯性的目的，明確此階段學生對數據收集與分析的具體要求，實踐內容發展為以進行關于計算機的交流為主。

在算法與編程概念下，2019年標準內容新增對多個算法進行比較選擇，為所需要完成的任務挑選合適的算法，這些算法可以是已有的，也可以是學生自己編寫的;將使用數學運算改變變量值的操作包含到學生創建的程序中，并且編程語言在此階段也并未被提及;內容新增對現有程序進行編輯與混合，形成新的功能，并且在迭代開發過程中不僅需創建計劃，還要匯集不同使用者的反饋;引入知識產權概念，進一步強調標明引用出處的重要性;將2016年標準內容一些條目下重復提到的通過獨立和合作的方式合并成一條內容，在程序開發的過程中要求學生學會合作解決問題，根據教師指導擔任不同的角色，發揮各種各樣的作用;內容新增直觀描述程序開發過程中做出的決策，以便他人更好地理解學生創建的程序。

在計算機的影響概念下，由通過集思廣益讓用戶輕易訪問計算機設備發展為要求學生理解頭腦風暴這種方式，不只是要提高易訪問性，而是更加具體地理解不同使用者的不同需求，從而提高易用性與適用性;具體提出對創作資料的使用問題，強調作品版權的重要性。

3.3 2 階段標準條目變化內容

在計算機系統概念下，由選擇軟硬件與識別計算機組件性能的關聯性發展為通過對人機交互的分析，在充分使用了解現有設備后，思考如何改進計算機設備或根據不同需求和期望設計合適的設備;此階段開始要求學生設計創造項目作品，從多方面多角度對項目所需的軟硬件進行選擇。

在網絡與互聯網概念下，由兩條內容新增為三條，新增內容提出對協議的作用進行建模，以及使用多種加密方法對信息安全傳輸進行建模，了解保護電子信息的物理與數字安全措施，重視網絡安全的要求。

在數據與分析概念下，由四條內容縮減為三條內容，條目內容變化不大，新增根據生成的數據改進計算模型。

在算法與編程概念下，2019年標準在1B階段已經提出對解決同一個問題的不同算法進行比較和選擇;將解釋算法執行流程與解決復雜問題聯系起來，并要求學生使用迭代設計過程開發包含嵌套循環與復合句的程序;內容新增使用參數創建代碼以便再次使用，由征求同學們的意見發展為征求團隊成員和用戶的意見來改進解決方案，通過系統測試改進程序，要求學生進行合作，明確任務分配，有計劃地遵循時間表并在計劃時間內完成作品的開發，并在開發過程中編寫文檔以便記錄與理解。

在計算機的影響概念下，2019年標準內容具體描述通用訪問阻礙，要求學生討論技術設備中的問題，探討技術帶來的正負面影響;在網絡上與貢獻者通過各種策略協作創造作品，實現全球交流與合作;描述具體道德問題，信息公開與否的權衡。

3.4? 3A階段標準條目變化內容

在計算機系統概念下，2019年標準新增內容要求學生在計算機系統中理解并解釋抽象，從抽象和交互方面比較計算機系統內部層級，形成能為自己和其他人所用的系統化故障排除策略。

在網絡與互聯網概念下，2019年標準內容要求學生具體了解敏感數據易受攻擊的實例，對潛在的安全問題加以思考;為學生所要討論和比較的內容加入具體的條件和范圍，考慮效率等因素推薦安保措施、根據計算機系統可用性和安全性來比較安保措施;由舉例說明計算機網絡基本組件發展為在描述基本組件間關系的基礎上評價網絡。

在數據與分析概念下，由對各種數字信息表示方式的分析與選擇發展為根據對成本、速度等因素的考慮，分析信息的組織方式和存儲位置之間的選擇問題;由應用技術定位收集數據發展為在收集數據集的基礎上，創建計算模型，表示在真實世界現象或系統中收集到的數據元素間的關系;2019年標準新增內容要求學生創建數據可視化模型，同時這種交互式模型也能幫助其他人更好地理解現象。

在算法與編程概念下，2019年標準內容新增要求學生通過創建原型產品，了解反饋及可行性，結合反饋評價改進計算作品;要求學生在開發復雜程序時使用各種方式記錄過程和步驟以及決策;由使用預定義結構分解復雜問題發展為使用程序、模塊或對象等結構系統分析分解復雜問題;要求學生由對各種軟件許可方案進行對比和比較發展為要求學生在使用資源時評價限時使用的許可證，思考許可證對學生要創造的作品的影響;由證明抽象對于管理問題復雜性的價值發展為具體要求學生使用列表簡化方案歸納問題。

在計算機的影響概念下，由重新設計用戶界面發展為要求學生測試改進計算作品以減少偏見和不公平性;由討論在人類行為和文化方面計算的影響發展為評價計算對個人、倫理等方面產生的影響;2019年標準新增內容要求學生評價隱私的影響，闡明與收集數據有關的隱私問題;使用協作工具，從各方各面收集反饋，縮短不同背景與職業的人之間的距離;由討論與計算機實踐活動相關的社會和經濟影響發展為重點強調討論知識產權法對創新的影響，要求學生了解知識產權法的相關內容。

3.5? 3B階段標準條目變化內容

在計算機系統概念下，由解釋操作系統的作用發展為對操作系統軟件作用進行分類，在分類的過程中學生會首先了解操作系統軟件的作用，從而對其進行歸類;由識別硬件組件功能和聯系發展為說明具體的硬件組件的工作方式。

在網絡與互聯網概念下，由模擬并討論影響網絡功能的問題發展為僅將問題描述清楚;新增內容要求學生對開發者保護設備和信息安全的方法進行比較和討論，重視網絡安全問題。

在數據與分析概念下，由六條內容提煉為三條內容，要求學生在數據收集與分析問題上使用數據收集與分析工具和技術識別模式和生成數據集。

在算法與編程概念下，大部分內容沒有變化，由通過參與團隊演示軟件生命周期過程發展為使用軟件生命周期流程來規劃開發程序，更進一步要求學生識別流程并能用來開發程序;對大型問題的討論與描述在學生學習分解和分析大型問題的過程中就有涉及。

在計算機的影響方面，由制定計算機創新影響的評價標準發展為評價計算機作品達到最大限度發揮益處并減少有害影響，計算機創新最直觀的產物就是計算機作品，通過評價計算機作品，規避有害影響。

4 結語

計算機科學教育的發展是我國信息技術教育事業面臨的一個重要課題，對此問題，學者們從不同角度進行了研究和實踐，提出了諸多建設性的建議。筆者以此作為出發點，分析2016年與2019年《CSTA K-12計算機科學標準》內容，探索兩年標準內容之間的差異性與變化趨勢，概括出其中很有借鑒意義的幾個方面，尋找其標準適用于我國信息技術教育課程標準的參考點。

[參考文獻]

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[3]李鋒，王吉慶.計算思維教育：從“為計算”到“用計算”[J].中國電化教育，2015（10）：6-10.

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[5]趙中建，周蕾.作為一門學科的計算機科學—美國《K-12年級計算機科學框架》評述[J].全球教育展望，2017（4）：53.

[6]錢松嶺，董玉琦.美國中小學計算機科學課程發展新動向及啟示[J].中國電化教育，2016（10）：85.

（編輯 王雪芬）

Content changes of CSTA K-12 Computer Science Standard in 2019： compared with 2016

Zhang Ruining

（Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

Abstract：Nowadays，with the rapid development of information technology and the Internet， the application of computing and computing concepts， tools and methods has gradually entered all aspects of people’s work，life and study. To a certain extent， the mastery of computer and related technologies determines the quality and efficiency of people’s work and life， and the importance of computational thinking is gradually improved. This article mainly analyzes the characteristics of the content of the CSTA K-12 Computer Science Standard in 2019 and the differences in the content of the CSTA K-12 Computer Science Standard in 2019 and 2016.

Key words：computer science standard; computational thinking; K-12

作者簡介：張芮寧（1995— ），女，遼寧沈陽人，碩士研究生;研究方向：信息技術與學科教學。