国外中小学生计算思维培养教与学的研究综述

查飞琴 吴伟敏

摘要：本文旨在回顾国外K-12阶段计算思维教与学内容的实证研究，并在此基础上探讨CT教育的未来研究前景。每篇论文主要考察以下几个因素：参与者年级或者年龄、样本组、教学策略、应用工具、编程语言、研究内容。研究结果表明：（1）计算思维的教学研究对象涉及K-12阶段的各个年级，从幼儿园到高中，年龄在4-18岁之间，实验对象主要集中在小学;（2）K-12阶段的CT教学策略具有多元性和创新性，大多数教学设计采用两种或两种以上的教学策略辅助展开;（3）与编程设计相关的计算机语言依然是计算思维培养中重要的教学课程。总的来说，这15篇论文表明CT在K-12中显示出巨大的教育潜力，具有一定的指导意义。鉴于此，我们展望了我国K-12教育未来的研究方向，提出相关发展建议。

关键词：计算思维;教学活动;系统化分析;教与学

一、引言

计算思维是一种解决问题的方法，这种方法在整个K-12课程中广泛适用，随着CT的普及和相关性变得越来越明显，在国外许多国家，州和机构正在将其纳入课程，因此教师和学习者都应该了解这对他们的未来发展的影响以及它将来如何影响他们教学方式的多样性。将CT整合到传统的核心和选修科目领域可以帮助学生建立重要的跨课程联系，提高他们的学习成绩，并培养重要的技能，以便提高他们在实际生活中解决问题的能力。

2006年，周以真为了帮助人们更好地认识机器智能的不解之谜，首次提出了“计算思维”这个概念。周教授认为计算思维是每个人的基础技能，不仅仅属于计算机科学家。计算思维是运用计算基础的基础概念去求解问题、系统设计以及理解人类的行为[1]。这一概念的提出引起国际教育学者的广泛关注，同时也引发了国内外学者对信息技术课程的反思与改革。2013 年 12 月 11 日，美国非盈利性组织为配合国家计算机科学教育周发起了“编程一小时”倡议和活动，旨在通过采用趣味教学的方式让中小学生了解基本的计算机程序编写，并从小培养孩子们对计算机的兴趣[2]。2014年，在英国重启了计算机科学的复兴中，引进新课程，实施了一套完整的“计算思维课程”，包括计算机科学、信息技术和所有学科的数字文学[3]，以此来培养学生的计算思维技能。在我国，教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会、中国计算机学会等组织较早对计算思维的概念、定位、目标与培养等方面展开了较为深入地探讨，先后举办了一系列与计算思维密切相关的会议。2010年，国内首届“九校联盟计算机基础课程研讨会”（C9会议）发表了联合声明，把培养学生的“计算思维”能力作为计算机基础教学的一项重要的，长期的和复杂的核心任务[4]。2012年，教育部教高司函{2012}188号文件正式公布，批准“以计算思维为导向的大学计算机基础课程研究”等 22个大学计算机课程改革项目，以培养计算思维为重点，推动大学计算机课程改革[5]。针对中小学的计算思维的培养与训练要求与准则，在2017年新版《普通高中信息技术课程标准》中，进一步明确表示：信息技术学科核心素养由信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社會责任四个核心要素组成[6]。由此可见，计算思维能力的培养日益受到重视。越来越多的国家已经正式或正在实施将计算思维纳入学校的课程体系之中，计算思维的课程设置也从大学逐步转到k-12阶段。

本论文围绕“如何培养K-12阶段孩子们的计算思维”、“怎样把计算思维融入到其他学科中”、“计算思维与编程、程序设计的关系”等问题对目前国外学校如何展开计算思维的教与学进行描述与总结。希望通过总结国外K-12培养计算思维的教学方式和应用实践来为我国的计算科学发展提供一定的借鉴意义，指导我国的教育工作者、教师、研究者更好的展开中小学生有关计算思维训练与培养。

二、研究设计与方法

（一）纳入纳出标准

相较于已有再分析，本研究在筛选文献时不限年级、学科，不对具体教学软件或硬件进行区分。具体来说，本研究文献纳入的标准为：（1）须为关于计算思维怎样展开教与学的研究，即教学过程中涉及到教学方法、教学工具、策略、应用课程等;（2）研究对象为中小学生以及幼儿，大学生和成人不予考虑;（3）文献必须是实证类论文，综述类论文不纳入考虑;（4）2019年之前正式发表的研究。

（二）文献检索与筛选

本文选取在Web of Science的SSCI上搜索核心期刊中关于“Computational thinking”的相关文章。期刊源定位为“Computers&Education”、“Computer in Human Behavior”和“Journal of Educational Computing Research”三种代表性的期刊。检索日期为2006年到2018年。共检索出38篇文献。通过浏览38篇文献的标题和摘要后，排除与研究主题无关的15篇文献，剩余15篇文献。因此，本研究总计纳入15篇文献。

（三）文献编码和效应量的提取

本研究编码项分为三类本研究编码项分为三类：（1）描述性变量，主要包含第一作者和第一作者所在国家、发表期刊名称、以及发表年份;（2）研究问题项，即对该篇论文的研究问题进行提炼和总结;（3）教学情境项，主要包含年级或年龄、样本量大小、主题或科目、教学策略、教学时常、学习媒体或教学工具、编程语言、学习情境：正式教学还是非正式教学;（4）研究方法项，主要包括研究设计方法、数据收集方法、数据分析方法;（5）学习结果项，主要包含学习结果和学习评价方法。

三、研究结果的数量统计分析

（一）参与者的基本信息

在本次研究种，我们从样本组、年级或年级、以CT教学过程中采用的教学工具、编程语言、教学策略等方面对15篇论文进行了分析。结果显示，在15篇论文中，所有论文都描述了参与者的年级或年龄。总的来说，计算思维已经被广泛的普及到教育领域，研究对象涉及K-12阶段的各个年级，从幼儿园到高中，年龄在4-18岁之间，最小的参与者为4岁（Marina Umaschi Bers，2014[7]）。统计结果中我们可以看出大多数的实验对象为小学生，论文篇幅达到11篇。在选取的15篇文论中，有13论文没有记录参与者的数量，在样本频率方面表格 2，最大的群体是五年级，125人（Chen，Guanhua，2017[8]），4篇论文招募的参与者少于50人，而200人以上的论文只有2篇。这说明在计算思维的教育研究中参与者的样本量并不大。比较值得注意的是，Snodgrass，Melinda R（2016）[9]他的样本容量只有2人，主要是研究如何为特殊儿童包括残疾人广大学习者提供包含计算机教学和计算思维培养的教学支持。由此可见，学者们的研究群体朝着更加合理化和完整性的方向发展，不仅仅只是考虑K-12阶段的正常儿童。

（二）所采用的教学策略分布情况

为了解在CT的教学活动中，教师采用何种教学策略来引导学生理解计算思维，我们又对15篇论文的教学策略进行归类，教学策略的分类标准引用Ting-Chia Hsu（2018）[10]论文中总结的16种教学策略，以此来确保数据分类的可靠性。在选取的15篇论文，有四篇论文的教学策略不能确定，因此用“其他”来代替，不纳入数据分析范围。分析结果图1显示，教学策略的种类达到九种。其中，基于项目的教学、以学生为中心的教学和我基于游戏的教学是在日常研究实验中最为常见的三种教学策略，有六篇论文在教学实践中采用两种或两种以上的教学策略相互配合，以此我们可以得出，作为传统教学方法“基于项目的教学”和“以学生为重的教学”在计算思维的培养与贯彻中依然受用，不受学习内容的影响。而“以游戏为中心的教学”将编程学习与游戏相结合，既能吸引学生的注意力也能便于学生理解计算思维，将抽象概念形式化。另外，值得注意的是，如“人机交互教学”、“基于故事的学习”等适用于专门课程的教学策略也被引入到k-12阶段的CT教学中，由此我们可以推测，随着研究者们的不断努力，越来越多的教学策略尝试到计算思维培养计划中，以此来开发出更多能帮助学习者学习的教学策略，体现了k-12阶段的CT教学设计的多元性和创新性。

（三）所教授的编程语言以及应用课程分布情况

在传统的教学观念中，许多教育家认为，编程语言是教授CT最简单、最合适的方法，不可否认的是计算思维是可以通过编程活动来培养（Lye&Koh，2014）[11]，但通过整理15篇文献的应用课程我们可以得出通过这种刻板的观点已经不完全正确了。事实上，CT思维已经广泛用于不同学科，包括数学（Benakli，Kostadinov，Satyanarayana，&Singh，2017[12]）、生物学（Rubinstein&Chor，2014[13]）、计算机科学（Repenning，2012[14]）。

在统计的文献中，12篇论文都记录了应用课程，其余三篇没有描述相关课程，因此不计入数据统计范围。从实验结果图2所示，与编程设计相关的语言依然是计算思维培养中重要的教学课程。值得关注的是，编程语言的模式不仅仅局限在脚本语言，我们对论文中涉及的编程语言进行整理Scratch、App Inventor等基于组块的编程环境的使用频率大于传统的脚本语言，这种基于组块的编程环境可以支持年轻学习者在编程活动中培养CT，使他们能够在学习过程中通过拖放块来更多地关注问题解决过程。由此我们可知，编程课程也在不断的更新、改革，试图突破传统的编程语言的枯燥、冗长，结合学生的兴趣与特点，个性化的开发具有游戏趣味的可视化编程课程。

四、总结与建议

本研究采用系统化综述的方法，对K-12阶段的CT实证研究论文进行回顾分析和讨论。本研究的目的为近十年国外是怎么样展开思维的教学与培养，包含使用何种教学工具、与哪些学科交叉融合、采用的教学策略又有哪些、以及相应的课程形式。统计分析结果表明计算思维活动主要用于艺术、计算机科学、数学、机器人设计等课程，因此我们可以得出到在国外，计算思维相关的培养与教学已经一种基于基本课程的方式整合到不同主题中。这与周义真提出的概念也想呼应。在过去十年研究者学者提到了儿童学习计算思维的好处，也尝试了基于计算机辅助下的各种学习策略和教学应用，包括可视化编程（如Scratch、Alice）、教育机器人以及低成本编码设备（如code.org网站）。未来的研究应该尝试引入不同的学习策略，包括脚手架式学习策略、讲故事学习、审美体验等，以多种方式帮助学习者在学科发展或高层次能力培养方面，如批判性思维和解决问题能力的培养。

综合以上的分析结果，对今后我国的计算思维发展提出以下建议：（1）在课程设置方面体现出迁移性。在我国，计算思维培养主要依赖信息技术课程，很少关注跨学科的应用。因此对原有的信息技术课程内容需要进行合理的调整，是替代已有的课程还是开设全新的课程是未来教育学者需要考察的问题。（2）扩大计算思维的培养对象的范围。根据研究结果显示，四岁的儿童就可以学习基本的编码技能，而在我国计算思维教学大多数在初中和高中的课程中展开，这在一定程度上忽略了年龄的优势。如Kong，Siu-Cheung（2018）[15]的研究表明，低年级学生比高年级学生更能感受到编程的意义。因此，学前儿童的计算机科学态度的培养也至关重要，逐步培养儿童一种看待和处理问题的态度[16]。此外，特殊儿童的计算思维训练也是不可忽视的教学活动，根据神经科学家们的研究表明，虽然特殊儿童在肢体协调、脑部活动上低于常人，但是不代表他们被剥夺了学习权力。相反由于某些方面的缺失，特殊儿童大脑活跃区域也异于常人，学习特质也会表现出某方面的突出。因此，在計算思维的教学活动中需要更多的关注残障及儿童的培养，开展他们的潜在机能，给予他们平等的受教育的权利。（3）建立合理的评价指标。在我国最新发出的2017新版《普通高中信息技术课程标准》[17]中就提出了将计算思维分为四个等级并对每个等级下的计算思维素养提出指标。计算思维作为一种抽象化的概念，它的评价不仅要观察学习者外显行为的变化，也要关注内显意识的转变，这涉及到知识、态度和技能各个方面。在未来的评价体系中，评价者需要根据学生学习过程的表现，将其放在不同维度的指标上，考虑体在不同的学习情境中的反应，尽可能以全面的角度去展现学生在学习过程中的发展情况和细节表现，从而能够真实而有效的反应学生的计算思维水平。

参考文献：

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[14]Repenning， A.（2012）.Programming goes back to school.Communications of the ACM，55（5），38–40.

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[17]中華人民共和国教育部制定.普通高中信息技术课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2017.

基金：本文受南京邮电大学教改项目“STEP工程模式理念下的专业实践教学改革研究——以数字媒体技术专业为例”资助（项目编号：JG01718JX47）